水泥工業(yè)提高資源利用效率的途徑探討

1　宜賓天原集團(tuán)電石渣利用工程
　　宜賓天原集團(tuán)有限公司（以下稱天原公司）是一家大型綜合性氯堿企業(yè)，公司主要生產(chǎn)純堿、聚氯乙烯等基礎(chǔ)化工原料和化工產(chǎn)品。多年來，天原公司生產(chǎn)過程中排出的廢渣———電石渣，一直采用傳統(tǒng)的露天堆放處理，堆放地緊鄰長(zhǎng)江邊，隨著公司生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，電石渣的排放量將越來越大，給周圍環(huán)境和長(zhǎng)江流域造成越來越嚴(yán)重的危害。此外，公司發(fā)電廠每年還產(chǎn)生大量的煤渣和粉煤灰，如得不到及時(shí)處理，會(huì)給周圍的環(huán)境帶來不良的影響。
　　天原公司從環(huán)境保護(hù)、資源的綜合利用，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、改善企業(yè)形象出發(fā)，決定利用電石渣生產(chǎn)水泥，此外還可吸收適量的粉煤灰作水泥混合材料，從而達(dá)到徹底根治環(huán)境污染的目的。
1.1　固體廢棄物的性能
　　天原公司內(nèi)部用于水泥生產(chǎn)的固體廢棄物主要有電石渣和煤渣，其中電石渣每年的排放量約為25萬t，煤渣每年的產(chǎn)出量約8萬t，利用電石渣生產(chǎn)水泥項(xiàng)目基本上可以吸收集團(tuán)內(nèi)部所產(chǎn)生的全部電石渣和煤渣，此外還可處理外購的硫酸渣約9 000t和一定量的粉煤灰。
　　電石渣是用乙炔法生產(chǎn)聚氯乙烯產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，主要成分為Ca(OH)2。天原公司電石渣的化學(xué)成分中，CaO含量達(dá)66%以上，有害成分含量低，優(yōu)于水泥生產(chǎn)對(duì)鈣質(zhì)原料的要求。
　　天原公司電石渣的化學(xué)分析結(jié)果見表1。
　　煤渣是天原公司自備電廠燃煤排出的爐渣，有火山灰質(zhì)活性，可作為混合材摻入熟料磨制水泥，也可作為硅鋁質(zhì)原料參加原料配料。其化學(xué)成分見表2。
　　由于煤渣中的SiO2含量較低，在生料中的配合比較低，因而作為原料的煤渣每年的耗量?jī)H約5 000t，其余都用作粉磨水泥的混合材料。
1.2　天原公司電石渣制水泥熟料生產(chǎn)工藝（780t/d水泥熟料）
　　天原公司電石渣制水泥熟料生產(chǎn)流程采用箱式壓濾機(jī)使料漿脫水至約40%后喂入?準(zhǔn)4m×150m回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒，其工藝流程見圖1。
　　該熟料燒成系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
　　（1）針對(duì)天原公司電石渣產(chǎn)量大的特點(diǎn)，采用電石渣100%代替石灰石配料，從而可以最大限度的利用生產(chǎn)聚氯乙烯產(chǎn)生的電石渣。
　?。?）電石渣配制的生料漿經(jīng)壓濾機(jī)脫水后，再入窯煅燒，從而大幅度地降低了燒成熱耗。
　　該熟料生產(chǎn)線建成以來，產(chǎn)量高于設(shè)計(jì)產(chǎn)量780t/d，熟料燒成熱耗遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，除吸收公司內(nèi)產(chǎn)生的廢棄物外，還年增利潤(rùn)2 171萬元。
1.3　天原公司資源利用
　　天原公司電石渣利用工程資源流動(dòng)過程見圖2。

　　由圖2可以看出，天原公司電石渣利用工程中生產(chǎn)水泥主要是固體廢棄物，只使用了少量的原生礦物資源（砂巖、石膏），利用了二次資源（自有的電石渣、煤渣、粉煤灰和外購的硫酸渣）生產(chǎn)出合格的水泥。
　　對(duì)于天原公司的電石渣利用工程而言，水泥項(xiàng)目的實(shí)施有效的解決了廠區(qū)內(nèi)的電石渣污染問題，并在此基礎(chǔ)上可有效的降低廠內(nèi)的另一類污染物———煤渣的量。對(duì)于電石資源而言，原來化工廠僅使用水解后的乙炔氣，而另一種水解產(chǎn)物電石渣則不能得到有效的利用，而水泥項(xiàng)目的實(shí)施正利用了電石渣，從而使電石資源得到完全的應(yīng)用，因而在資源的利用率上天原公司對(duì)電石資源的利用率得到提高。另一方面，由于煤渣和粉煤灰也是電廠用煤而產(chǎn)生的廢棄物，也是一種資源未完全應(yīng)用的產(chǎn)物，在電廠或是天原公司的其它工業(yè)過程中不能得到利用的，在水泥廠中的利用則是典型的資源二次利用。因此，我們可以說水泥項(xiàng)目的實(shí)施使得天原公司的電石和煤資源得到更為徹底的利用。
由于天原公司電石渣的產(chǎn)量較大，采用全干法或濕磨干燒熟料燒成系統(tǒng)不足以吸收該公司的電石渣，因而采用濕法窯工藝燒成熱耗仍然較高，但較傳統(tǒng)的電石渣直接入窯煅燒工藝熱耗仍有大幅的降低。如電石渣量較小則可采用干法或濕磨干燒工藝將更為合理，目前，成都建材料設(shè)計(jì)研究院已成功開發(fā)了電石渣制水泥濕磨干燒工藝，并在多個(gè)項(xiàng)目中得以成功實(shí)施。
　　天原公司電石渣利用工程建成后，每年可消耗電石渣約25萬t、煤渣8萬t，完全吸收了公司內(nèi)部所產(chǎn)生的兩種主要的固體廢棄物，并且可大量回收電石渣漿中的廢水以供化工生產(chǎn)循環(huán)使用，而水泥工業(yè)的主要原料、不可再生資源石灰石卻沒有得到任何消耗。該工程一方面極大地改善了環(huán)境污染問題，節(jié)約了原生礦物資源的消耗，同時(shí)也降低了企業(yè)營(yíng)運(yùn)成本。企業(yè)發(fā)展的同時(shí)，也履行了其社會(huì)責(zé)任，真正實(shí)現(xiàn)了企業(yè)和社會(huì)的雙贏。
2　鴻鶴化工股份有限公司綜合利用環(huán)保技改工程（1 000t/d水泥熟料）
　　鴻鶴化工股份有限公司（以下稱鴻鶴化工）是一個(gè)以聯(lián)堿和氯堿生產(chǎn)為主體的大型股份制企業(yè)。鴻鶴化工有自備電廠1座，每年排出約7萬t的粉煤灰，加上即將新建的15MW機(jī)組，預(yù)計(jì)排出量將達(dá)到10萬t/a。由于目前廠內(nèi)沒有吸收粉煤灰的工業(yè)，因此粉煤灰主要靠外排處理。此外，目前公司生產(chǎn)純堿需要的CO2依靠4座石灰窯提供，每年排出石灰將近8萬t，因石灰市場(chǎng)銷售較差，在廠內(nèi)堆存，又形成新的污染。
　　通過對(duì)水泥工藝的認(rèn)真分析和與化工生產(chǎn)工藝的對(duì)比，為進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本和實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，鴻鶴化工決定新建一條水泥生產(chǎn)線。這可達(dá)到三個(gè)目的：(1)將粉煤灰和石灰摻與原料和水泥配料，從而降低粉煤灰和石灰處理成本，減少環(huán)境污染；(2)利用窯尾余熱生產(chǎn)蒸汽以供化工廠使用；(3)利用熟料燒成系統(tǒng)窯尾廢氣中的CO2，采用CO2濃縮工藝以供純堿生產(chǎn)使用。
2.1　鴻鶴化工固體廢棄物的性能
　　鴻鶴化工目前的固體廢棄物主要是粉煤灰，此外石灰因不能及時(shí)的銷售出去，也成了固體廢棄物，這兩種廢棄物的化學(xué)成分分析見表3。
　　根據(jù)上表的數(shù)據(jù)，粉煤灰基本滿足作硅鋁質(zhì)原料的要求，同時(shí)也是極佳的水泥混合材料，在本工程中粉煤灰將作為硅鋁質(zhì)原料和水泥粉磨混合材料同時(shí)使用。
　　石灰由于含鈣量高，因而可以作為鈣質(zhì)原料，經(jīng)我院試驗(yàn)研究表明在石灰配合比小于20%時(shí)，完全可以順利燒成合格的水泥熟料。資料表明，只用石灰作鈣質(zhì)原料將會(huì)對(duì)水泥熟料的生產(chǎn)工藝操作產(chǎn)生較大的影響，在未作進(jìn)一步研究的情況下，本工程使用石灰石作為主要鈣質(zhì)原料與石灰搭配使用。
　　考慮到水泥熟料燒成系統(tǒng)投產(chǎn)后，用于制純堿的CO2只需從水泥熟料系統(tǒng)提純即可，石灰窯系統(tǒng)將停產(chǎn)，因而石灰的量將會(huì)逐步減少，到時(shí)只需采用三組分配料即可。
2.2　鴻鶴化工綜合利用環(huán)保技改工程（1 000t/d水泥熟料）工藝流程
　　鴻鶴化工綜合利用環(huán)保技改工程工藝流程圖見圖3。
　　該工藝流程主要特色在于其對(duì)燒成系統(tǒng)的余熱的充分利用和CO2提純后用于制造純堿。具體工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：
　?。?）本工程利用大量廢渣作為原料，每年可消耗大量的石灰和粉煤灰。
　?。?）充分利用窯系統(tǒng)余熱，窯尾不設(shè)增濕塔，預(yù)熱器排出的廢氣一部分用作煤磨烘干熱源，其它的通過余熱鍋爐降溫后再進(jìn)袋收塵器，窯尾余熱鍋爐可為化工生產(chǎn)系統(tǒng)提供一定數(shù)量的蒸汽，作為化工生產(chǎn)的烘干熱源；窯頭篦式冷卻機(jī)排出的廢氣進(jìn)生料磨烘干原料，烘干降溫后的廢氣通過除塵設(shè)備凈化后再排入大氣中。
　?。?）窯尾袋收塵器排出的含一定CO2濃度（>25%）的氣體經(jīng)提純后進(jìn)入化工生產(chǎn)系統(tǒng)使用，最大限度減少了廢氣排放量。
　?。?）生料磨和水泥磨摻入的粉煤灰均不入磨，直接與出磨物料配料并混合后喂入選粉機(jī)。
　　鴻鶴化工水泥廠項(xiàng)目建成后，日產(chǎn)水泥熟料1 000t，年處理粉煤灰10萬t，石灰6萬t，生產(chǎn)蒸汽7.2萬t，回收CO21.4億Nm3，利潤(rùn)3 200萬元。
2.3　鴻鶴化工資源綜合利用
　　對(duì)鴻鶴化工綜合利用環(huán)保工程而言，這種資源的合理化應(yīng)用相對(duì)于天原公司得到進(jìn)一步加強(qiáng)。采用工業(yè)廢渣作原料生產(chǎn)高品質(zhì)水泥，既徹底根治了廢渣對(duì)環(huán)境的污染，又可變廢為寶，與常規(guī)配料方案相比還可節(jié)約熟料燒成熱耗約20％；水泥熟料燒成系統(tǒng)排出的廢氣經(jīng)除塵凈化和SP鍋爐熱交換后又分別提供了化工系統(tǒng)生產(chǎn)所需的CO2氣體以及烘干熱源，廢氣和余熱得到了充分利用。因此，本項(xiàng)目具有環(huán)保和節(jié)能雙重效應(yīng)。
　　原生產(chǎn)純堿所使用的CO2主要由石灰窯產(chǎn)出，而石灰窯的產(chǎn)物石灰由于市場(chǎng)的問題不能及時(shí)銷售而在廠內(nèi)成為固體廢棄物，因而對(duì)石灰石資源而言其利用率極低。粉煤灰也同樣是對(duì)煤資源不完全使用的產(chǎn)物。新建水泥廠則正好提高了鴻鶴化工對(duì)煤及石灰石資源的利用率，進(jìn)而減輕了環(huán)境壓力。
　　鴻鶴化工綜合利用環(huán)保工程水泥項(xiàng)目的實(shí)施不僅從治理固體廢棄物污染上具有積極的意義，在資源的綜合利用上表現(xiàn)得更加出色。水泥項(xiàng)目不僅作為處理固體廢棄物的場(chǎng)所，同時(shí)利用CO2提純技術(shù)直接吸收水泥熟料燒成窯尾廢氣中的CO2作為純堿生產(chǎn)原料，使得水泥生產(chǎn)成為純堿生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，將二者有機(jī)地整合起來。由于水泥項(xiàng)目的實(shí)施，在水泥系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)后，石灰窯將會(huì)停止運(yùn)行，因而大大地節(jié)約了資源。而提純后的CO2不僅足以維持純堿的生產(chǎn)，還將有較大的剩余量（約總量的65%），這部分可以進(jìn)一步處理為食品級(jí)CO2或生產(chǎn)二氧化碳基全降解塑料，這樣將大大拓寬水泥生產(chǎn)廢氣的使用途徑。
　　在能量利用上，鴻鶴化工綜合利用環(huán)保工程的能量利用不僅停留在水泥生產(chǎn)中，而將其同化工系統(tǒng)結(jié)合起來綜合考察。如窯尾采用四級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)，使得出一級(jí)筒的廢氣溫度增高，同時(shí)用余熱鍋爐回收廢氣余熱生產(chǎn)蒸汽，用作化工系統(tǒng)的烘干熱源。從單個(gè)的水泥生產(chǎn)系統(tǒng)上看，這種高溫尾氣將會(huì)使熟料燒成熱耗上升，是一種不經(jīng)濟(jì)的工藝，然而從整個(gè)化工生產(chǎn)系統(tǒng)而言，由于出余熱鍋爐的廢氣溫度卻低于200℃，較先進(jìn)的現(xiàn)代干法生產(chǎn)線的280℃更低，因而廢氣帶走的熱更少，因而也是更科學(xué)的生產(chǎn)工藝。由于生料粉磨使用窯頭廢氣，也減小了窯頭廢氣帶走的熱量，提高了系統(tǒng)的能量利用率。
鴻鶴化工綜合利用環(huán)保工程資源在生產(chǎn)系統(tǒng)中的流動(dòng)見圖4。圖中的虛框表示為石灰窯煅燒石灰的過程，在水泥熟料生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)石灰窯停止運(yùn)行。在資源的流動(dòng)上，考慮到未來將使石灰窯停產(chǎn)，生產(chǎn)純堿的CO2將全部來自熟料燒成系統(tǒng)，其資源的流動(dòng)將更加的合理。
　　鴻鶴化工綜合利用環(huán)保工程在資源的利用上較單純的水泥廠更加合理，由于有了較為成熟的CO2提純技術(shù)，因而對(duì)石灰石的利用上更加徹底，同時(shí)能大大降低水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體的排放量。在能量的利用上，能從整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的全局上加以把握，因而能量的利用率大大提高。從原料的使用上，由于主要使用廢渣作為原料，因而有利于改善環(huán)境。從這幾點(diǎn)上來說，鴻鶴化工1 000t/d熟料生產(chǎn)線工程是真正意義上的綠色工業(yè)。
3　水泥工業(yè)提高資源利用率的途徑
　　從水泥工業(yè)形成以來，技術(shù)進(jìn)步日新月異，發(fā)展到當(dāng)代，從單一的水泥生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)資源和能量的進(jìn)一步節(jié)約的潛力越來越小，在這種情況下，如能同其它的工業(yè)生產(chǎn)過程相結(jié)合（如化工生產(chǎn)過程），利用彼此的能量和資源利用的互補(bǔ)性來提高資源的利用率將會(huì)是一種有效的途徑。
　　水泥燒成系統(tǒng)對(duì)原料的適應(yīng)性較強(qiáng)，燒成溫度高且物料在窯系統(tǒng)停留時(shí)間較長(zhǎng)，因而該系統(tǒng)能夠消化吸收很多種廢棄物；而水泥粉磨系統(tǒng)則需要大量的混合材料，許多現(xiàn)在使用的混合材料在以前也都是廢棄物，因而開發(fā)混合材料新種類也是吸收廢棄物的重要途徑。從社會(huì)資源的節(jié)約的角度出發(fā)，在水泥工業(yè)吸收廢棄物是一種節(jié)約資源的有效途徑。而工業(yè)廢棄物則是來源穩(wěn)定、成分固定的二次資源，適合應(yīng)用于水泥工業(yè)，并通過廢棄物將水泥工業(yè)同其它工業(yè)聯(lián)系起來，從而構(gòu)成了各個(gè)工業(yè)過程相互關(guān)聯(lián)的資源利用分配網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)資源的高效使用。在本文中所討論的兩個(gè)廠就是吸收工業(yè)廢棄物的典型范例。
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摘處《中國(guó)水泥》2005年 04月號(hào)