我國水泥礦產(chǎn)資源有效利用及啟示
1.水泥工業(yè)資源耗用概況及其分析
據(jù)全國第二次經(jīng)濟普查數(shù)據(jù)和中國建筑材料聯(lián)合會統(tǒng)計,2008年末全國水泥熟料生產(chǎn)能力13億噸,水泥生產(chǎn)能力21億噸。在水泥熟料生產(chǎn)能力中,新型干法熟料生產(chǎn)能力8.1億噸,占62.3%,全年運營的新型干法熟料生產(chǎn)線912條;立窯及其他熟料生產(chǎn)能力4.9億噸,占37.7%。2009年上半年全國又投產(chǎn)新型干法生產(chǎn)線57條,新增生產(chǎn)能力6500萬噸,預計全年投產(chǎn)新型干法生產(chǎn)線120條,新增生產(chǎn)能力1.4億噸,同時,今年將有20多條新型干法生產(chǎn)線因種種原因關(guān)閉,減少生產(chǎn)能力1000萬噸,全年實際運營的新型干法生產(chǎn)線將突破1000條,年末新型干法熟料生產(chǎn)能力9.4億噸;預計2009年立窯及其他熟料生產(chǎn)能力將減少9000萬噸,年末全國水泥熟料生產(chǎn)能力13.4億噸,比2008年增加4000萬噸,水泥生產(chǎn)能力22億噸,比2008年增加1億噸。
水泥行業(yè)在國民經(jīng)濟中占有重要的地位,是國家的支柱產(chǎn)業(yè),它也是近年來發(fā)展迅速的原材料工業(yè)。在我國乃至世界上,水泥是建筑工程中用量最多、用途最廣的建筑材料。另一方面,由于水泥工藝技術(shù)和生產(chǎn)方法的特點,它還是天然資源及能源消耗使用最多的行業(yè)之一和消納利用廢渣廢料等工業(yè)廢棄物的最大行業(yè)。水泥行業(yè)是資源綜合利用具有先天優(yōu)勢的行業(yè),也取得一定的成績,利用工業(yè)廢渣廢物情況見表1。
表1 工業(yè)廢渣廢物利用數(shù)量(萬噸)
年份 |
利用量 |
增長率 |
水泥產(chǎn)量 |
相對水泥 |
噸水泥利用量公斤/噸 |
2000 |
7517 |
- |
59319 |
12.67 |
127 |
2001 |
10583 |
40.78 |
66104 |
16.01 |
160 |
2002 |
12752 |
20.79 |
72535 |
17.58 |
176 |
2003 |
14713 |
15.38 |
86271 |
17.05 |
171 |
2004 |
22207 |
50.93 |
97300 |
22.82 |
228 |
2005 |
22905 |
3.15 |
106885 |
21.43 |
214 |
2006 |
28359 |
23.81 |
126000 |
22.51 |
225 |
2007 |
34122 |
21.32 |
135000 |
25.27 |
253 |
表1的數(shù)據(jù)說明,我國工業(yè)廢渣廢物利用的絕對數(shù)量逐年提高,相對水泥產(chǎn)量利用分為12.5%;17.3%;22.3%和25.3% 4個層次,穩(wěn)定在22%以上。目前,我國噸水泥工業(yè)廢渣廢物利用水平與發(fā)達國家如德國、日本相比(噸水泥消納廢棄物分別為409和430公斤),尚有一定的差距,這也說明還有較大的發(fā)展空間。盡管如此,水泥工業(yè)利用、消納廢渣廢料的好處仍然可以體現(xiàn)在以下幾個方面:降低天然礦物資源的消耗,延長不可再生資源的使用年限;廢渣廢料資源化,減少其對環(huán)境的污染、地下水的污染和對農(nóng)田土地的占用,成為新型的環(huán)保產(chǎn)業(yè);降低煅燒水泥熟料和粉磨水泥的能源消耗,降低加工成本,提高競爭力;減少了二氧化碳CO2的排放,改變水泥行業(yè)是資源、能源消耗型行業(yè)的形象,有利于水泥工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整工作的推進。減少排礦場的建設及已有排礦場的存儲量,降低引發(fā)地質(zhì)災害的可能性。
以上幾點是水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié),如何利用好工業(yè)廢渣廢料及礦山廢石尾礦,使其在水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮作用,下面進行必要的具體分析。
傳統(tǒng)觀念下的水泥生產(chǎn)消耗大量天然資源。我們知道,對水泥生產(chǎn)工藝和使用的原料可作這樣的簡單敘述。水泥生產(chǎn)過程大體分為三個階段:先是把石灰質(zhì)、粘土質(zhì)、鐵鋁質(zhì)等幾種原料按適當比例配合,在磨機中磨成生料;然后把制得的生料送入窯內(nèi)煅燒成以硅酸鈣為主要成分的熟料;煅燒熟料的熱源來自磨煤機制備的煤粉;最后將熟料配以適量的石膏和混合材料磨成細粉即得水泥。其工藝概括為兩磨一燒,主要原燃材料為石灰石、粘土、鐵粉、石膏、混合材料和煤炭等。生產(chǎn)一噸通用硅酸鹽水泥約消耗石灰石1.20噸、粘土0.20噸、鐵粉0.02噸、石膏0.05噸、混合材料0.25噸和煤炭0.16噸。有關(guān)世界水泥產(chǎn)量和我國水泥及原燃材料 消耗量計算結(jié)果列入表2。
表2 世界水泥和我國水泥產(chǎn)量及原燃材料 消耗量計算值(億噸)
年分 |
2002 |
2003 |
2004 |
2005 |
2006 |
2007 |
2008 |
世界水泥 |
18.3 |
20.1 |
21.8 |
23.4 |
25.6 |
27.5 |
28.6 |
中國水泥及占世界% |
7.25 |
8.62 |
9.70 |
10.6 |
12.6 |
13.5 |
13.9 |
石灰石 |
8.70 |
10.35 |
11.64 |
12.72 |
15.12 |
16.20 |
16.68 |
粘土 |
1.450 |
1.724 |
1.940 |
2.120 |
2.520 |
2.700 |
2.780 |
鐵粉 |
0.145 |
0.173 |
0.194 |
0.212 |
0.252 |
0.270 |
0.278 |
石膏 |
0.362 |
0.431 |
0.485 |
0.530 |
0.630 |
0.675 |
0.695 |
注1:表中列出世界水泥產(chǎn)量和我國水泥產(chǎn)量,表示我國水泥工業(yè)在世界上的地位。并由此看出我國水泥用礦產(chǎn)資源的消耗量在世界上的水平。
注2:水泥中混合材料摻加量的質(zhì)量百分數(shù)為25.:煤炭收到基低位熱值為5700千卡/公斤。
從表2的水泥產(chǎn)量和原燃材料的消耗量看出,生產(chǎn)水泥就要消耗大量的材料,其中一些材料是難以再生的資源。水泥行業(yè)是資源、能源消耗型的行業(yè),并且還是消耗大戶。綜合利用資源,使用替代資源,節(jié)省天然資源、人工資源,降低資源的使用等級或品位等是水泥行業(yè)在使用資源時首先遇到并應及時解決的問題。
2007年水泥產(chǎn)量13.5億噸,廢渣利用率25.27%,使用廢渣量為3.4億噸。當年石灰石消耗量為16.2億噸,原材料消耗量為23.22億噸。實際廢渣利用量分別占石灰石消耗量的21.0%、原材料消耗量的14.7%,因此在利用廢渣方面,因此要突破傳統(tǒng)觀念,利用各種資源。資源綜合利用是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展中一項長遠的戰(zhàn)略方針,也是一項重大的技術(shù)經(jīng)濟政策,對提高資源利用效率,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,建設節(jié)約型社會具有十分重要的意義。針對水泥行業(yè)是資源、能源消耗型的固有性質(zhì),國家發(fā)展和改革委員會在《水泥工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》明確規(guī)定:“國家支持企業(yè)采取措施,減少大氣污染物排放,降低環(huán)境污染,節(jié)能降耗,綜合利用工業(yè)廢渣,積極利用低品位原燃材料,提高資源利用率,鼓勵水泥企業(yè)走資源節(jié)約道路,達到清潔生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范要求?!逼鋵?,早在10年前的十五規(guī)劃中就做出利用工業(yè)廢渣的要求:從可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護的高度出發(fā),利用工業(yè)廢渣來生產(chǎn)和發(fā)展新型水泥 。利用工業(yè)廢渣已經(jīng)提到“水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展”的高度。而對水泥工業(yè)來說,要踐行可持續(xù)發(fā)展所涵蓋“資源生產(chǎn)力”這項內(nèi)容,就必須要減少天然礦石性資源和能源的耗費,利用工業(yè)廢渣和廢料替代傳統(tǒng)的原燃材料,即是一百多年來使用的石灰石、粘土、鐵粉和煤炭。傳統(tǒng)的原燃材料因其形成過程中受到物理化學、壓力等地質(zhì)作用,所形成的巖礦具有分解溫度高、熔融溫度高、粘度高和潛能低的三高一低的特點,而有一些其易磨性也差,給材料的粉磨加工帶來困難,致使粉磨能耗上升。因此,需要分析天然原燃材料的特點,選擇與其性能特點相背的材料作為生產(chǎn)水泥的材料,而工業(yè)廢渣、廢料基本上具有分解溫度低、粘度低、熔融溫度低、潛能高等一系列優(yōu)點。因為它們大多都經(jīng)過不同高溫的煅燒或熔融,并對其進行水淬快冷,其機構(gòu)呈玻璃態(tài),就具有了較高的熱含量或水硬活性。有些在較高的溫度下進行焙燒,失去結(jié)晶水,其結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化,具有了一定的水化活性。
水泥工業(yè)資源綜合利用最現(xiàn)實最直接最有效的一項,應是最大限度地使用低品位礦石及巖石。但是多年來,水泥工業(yè)利用低品位礦石等資源的范圍和數(shù)量與人們的期望值還有一定的差距,而一直以使用天然礦物原料為主,對天然礦物原料的質(zhì)量技術(shù)指標有著嚴格的要求,其質(zhì)量指標見表3. 表4,表5。這些質(zhì)量指標和技術(shù)要求對規(guī)范天然原燃材料的使用,保證生產(chǎn)符合水泥產(chǎn)品標準或技術(shù)性能更加優(yōu)越的水泥起到非常大的作用,但也排除了低品位資源的使用,隨著水泥工業(yè)的技術(shù)進步,現(xiàn)在已經(jīng)在很大范圍拓展了低品位資源的使用。
表3 水泥用石灰質(zhì)原料質(zhì)量要求
品級及類別 |
品 位,% | |||||
CaO |
MgO |
R2O |
SO3 |
燧石或石英 | ||
泥灰石 |
35~45 |
<3.0 |
<1.2 |
<1.0 |
<4.0 | |
石灰石 |
一級品 |
>48 |
<2.5 |
<1.0 |
<1.0 |
<4.0 |
二級品 |
45~48 |
<3.0 |
<1.0 |
<1.0 |
<4.0 |
表4 粘土質(zhì)原料質(zhì)量指標
|
率值 |
化學成分 | ||||
SM |
IM |
MgO |
R2O |
SO3 |
Cl | |
Ⅰ |
2.7~3.5 |
1.5~3.5 |
<3.0 |
<4.0 |
<2.0 |
<0.015 |
Ⅱ |
2.0~2.7/3.5~4.0 |
|
<3.0 |
<4.0 |
<2.0 |
<0.015 |
表5 校正原料質(zhì)量指標
校正原料 |
SM |
化學成分% | ||||||
SiO2 |
MgO |
R2O |
SO3 |
Cl |
Fe2O3 |
Al2O3 | ||
硅質(zhì) |
>4.0 |
>70 |
<3 |
<4 |
<1 |
0.015 |
|
|
鐵質(zhì) |
|
|
<3 |
<2 |
<2 |
<0.015 |
>40 |
|
鋁質(zhì) |
|
|
<3 |
<2 |
<1 |
<0.015 |
|
>30 |
自1824年硅酸鹽水泥以工業(yè)生產(chǎn)的形式問世以來,使用石灰石、粘土、鐵礦石等天然原料生產(chǎn)水泥一直傳承下來,到20世紀80年代才有所突破,認為要優(yōu)先選用已天然混合好的合適原料,而不是純的石灰石和粘土。水泥原料應從高質(zhì)量(確切地講應是高鈣)石灰石( CaO:54%~56%),泥灰質(zhì)石灰石( CaO:50%~54%), 石灰質(zhì)泥灰?guī)r( CaO:42%~50%)到泥灰?guī)r( CaO:22%~42%),粘土質(zhì)泥灰?guī)r( CaO:5.6%~22%)和粘土( CaO:0~5.6%)。只要搭配合理,都可以作為水泥原料。
科學劃分水泥原料石灰石的等級,減少“廢石”排放,就可以加強礦山資源的綜合利用,有效應用低品位礦石,提高“廢石”的利用率,對提高廢渣總的利用率具有更大的作用。在傳統(tǒng)的開采石灰石礦的理念當中,認為礦石中的鈣含量越高越好,其他成分含量越低越好,特別是對二氧化硅、氧化鎂等成分的控制標準特別嚴格。這樣,大量鈣含量較低或氧化鎂含量偏高的礦山資源得不到充分利用。水泥行業(yè)的企業(yè)、設計科研和地礦單位的科技人員,在長期生產(chǎn)科研實踐中已經(jīng)掌握應用高鈣、低鈣搭配的方法,生產(chǎn)出質(zhì)量合格的水泥產(chǎn)品。這一生產(chǎn)實踐的意義是,擴大了水泥生產(chǎn)原料的應用范圍,突破了開采使用石灰石的傳統(tǒng)觀念,樹立了科學合理利用礦產(chǎn)資源的全新理念。因此,在礦產(chǎn)資源應用中.企業(yè)科學地應用了高含量硅、游離硅等硅質(zhì)及氧化鎂含量偏高的原料的使用量。這些原料的氧化硅、氧化鎂含量雖然超過了國家標準,但通過科學選擇配料設計方案,在礦山采取不同臺段、不同爆堆的多點搭配,在生產(chǎn)廠區(qū)采取原料預均化配料或預均化、生料均化及加強入窯生料氧化鈣、氧化鐵(或氧化鈣、氧化硅)控制等質(zhì)量管理措施,使其達到了合理有效的利用。采取這些措施,綜合利用礦產(chǎn)資源,極大地減少了礦山開采中廢石的排放,有的企業(yè)礦石回采率超過95%、有的企業(yè)幾次擴大開采境界,延長了礦山的使用年限。同時,我們應清醒地認識到,我國礦產(chǎn)資源短缺、經(jīng)濟高增長、資源高消耗的嚴峻形勢,須全面提高石灰石礦產(chǎn)資源的綜合利用率,尤其是從國家長期發(fā)展的戰(zhàn)略高度來看.石灰石礦產(chǎn)資源的高效綜合利用勢在必行。
為此,通過應用先進技術(shù)把礦山原料綜合利用,改變礦產(chǎn)資源開發(fā)由“資源一產(chǎn)品一廢棄物”的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式,推動資源綜合利用工作的開展。要從根本上轉(zhuǎn)變石灰石礦山傳統(tǒng)的開采模式,須從我國石灰石礦產(chǎn)資源的特點出發(fā),結(jié)合水泥生產(chǎn)用石灰石原料的品位底線,突破傳統(tǒng)采礦工藝理念,進行創(chuàng)新性基礎理論與應用研究,從而實現(xiàn)礦產(chǎn)資源低成本、低能耗、高效利用,最終實現(xiàn)石灰石礦山開采的零排放或負排放。在我國水泥礦山石灰石的開采及綜合利用實踐中,很多企業(yè)勇于創(chuàng)新,將水泥原料的工藝性能、礦石品位指標的具體要求與礦石的賦存條件、礦石品位、開采條件等結(jié)合起來進行分析,改變過去圈礦指標的舊觀念,合理擴大開采境界,在生產(chǎn)中加強生產(chǎn)勘探和礦山質(zhì)量管理工作,尋求礦石開采的優(yōu)化的方案,達到礦山資源的最大化利用,取得了突破性的進展,成績斐然。
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