摘要:分析比較了各國(guó)水泥中混合材的平均摻入量及水泥工業(yè)應(yīng)用替代原料和替代燃料的情況，并對(duì)水泥工業(yè)利廢的前景進(jìn)行了展望，表明水泥工業(yè)今后在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的利廢領(lǐng)域中還將會(huì)有更廣闊的發(fā)展空間，可以擔(dān)負(fù)起更多的社會(huì)責(zé)任，為循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展打造出一條綠色通道。
水泥工業(yè)消納利廢的途徑有3種方式，即將各種合適的廢棄物或經(jīng)適當(dāng)加工預(yù)處理的廢棄物分別用作水泥的替代原料，或用作水泥窯的替代燃料，或用作摻于水泥中的混合材。相對(duì)而言，這3種利廢方式中用作混合材是最簡(jiǎn)便易行的，來源也多；用作替代原料的往往具有一定的技術(shù)難度，來源較有限；用作替代燃料的難度最大，但各種可燃廢物的來源卻在日益擴(kuò)大，數(shù)量也呈上升之勢(shì)。
各國(guó)水泥中混合材平均摻入量的比較與分析
按照各國(guó)水泥協(xié)會(huì)或代表性水泥集團(tuán)公司公布的統(tǒng)計(jì)資料，2007年中國(guó)、德國(guó)、日本和美國(guó)生產(chǎn)的各品種水泥中，其中混合材的全國(guó)平均摻加量分別為27.5%、14.1%、13.3%和6.0%，如果計(jì)入緩凝劑石膏用量，則每噸熟料生產(chǎn)水泥的數(shù)量，在美國(guó)約為1.11t，在德國(guó)和日本分別為1.22t和1.21t，在中國(guó)則達(dá)1.45t。中國(guó)水泥中的平均混合材何以會(huì)摻加如此之多，表面上似乎是與各國(guó)水泥的標(biāo)準(zhǔn)不同有關(guān)。但究其真正原因，我們必須對(duì)國(guó)際水泥界的普遍質(zhì)詢——究竟是中國(guó)水泥工業(yè)科學(xué)利廢質(zhì)量高，還是片面追求水泥產(chǎn)量高這個(gè)問題作出應(yīng)有的回應(yīng)。這的確也是長(zhǎng)期以來我國(guó)水泥科技工作者應(yīng)該思考的一個(gè)問題。
半個(gè)多世紀(jì)以前，在歐美日等地不摻混合材的純波特蘭水泥幾乎一統(tǒng)水泥工業(yè)的時(shí)代，我國(guó)水泥工業(yè)在前蘇聯(lián)的指導(dǎo)下，開始在磨制普通硅酸鹽水泥時(shí)允許往熟料中摻入15%適宜的工業(yè)固體廢渣用作活性混合材(水泥標(biāo)準(zhǔn)101-52，GB175-62)。藉此，在不顯著影響水泥力學(xué)性能的前提下(有時(shí)或者還可以稍稍改善水泥混凝土的某些施工性能)，達(dá)到增加水泥產(chǎn)量的目的。同時(shí)還能消納處置一部分工業(yè)固體廢棄物，主要是鋼鐵廠的高爐礦渣和火電廠的粉煤灰等。實(shí)踐表明，礦渣和粉煤灰的確很適于用作水泥的混合材，可謂“物有所用”。只要生產(chǎn)出來的水泥能全面符合國(guó)家規(guī)定的水泥標(biāo)準(zhǔn)就是合理合法的，因此，當(dāng)時(shí)我國(guó)的做法應(yīng)該說是科學(xué)的、正確的。
然而，在隨后我國(guó)立窯水泥占全國(guó)水泥總產(chǎn)量80%左右的20多年間(上世紀(jì)八九十年代)，混合材的大量摻加，特別是礦渣，卻變成了挽救立窯熟料性能缺陷的“救命稻草”。于是往熟料中多摻混合材，不僅能多生產(chǎn)水泥，多得利，而且還能遮蓋或沖淡立窯熟料的性能缺陷，便于銷售。大批的立窯水泥廠趨之若鶩，爭(zhēng)相采取這一十分利好的“竅門”。于是他們就把有一定限度地?fù)郊踊旌喜牡脑瓌t拋于腦后，甚至無視國(guó)家水泥標(biāo)準(zhǔn)的起碼要求亂摻加，最后變成了“誰摻混合材越多，誰就能牟利越多”的潛規(guī)則。在超標(biāo)多摻混合材的同時(shí)，他們還“開發(fā)”了不少其他種類的工業(yè)廢料，擴(kuò)大了混合材的來源。一時(shí)間，水泥工業(yè)似乎變成了一個(gè)可以大量吞食工業(yè)廢渣的“大口袋”，國(guó)內(nèi)少數(shù)幾家水泥質(zhì)檢機(jī)構(gòu)疲于奔命也無從應(yīng)付成千上萬的立窯水泥廠，加之某些地方主義的保護(hù)，最終鑄成了我國(guó)水泥中混合材多摻濫摻的陋習(xí)，致使上世紀(jì)八九十年代我國(guó)立窯水泥質(zhì)量終于遭到了國(guó)際水泥界的嚴(yán)重質(zhì)疑。
進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著我國(guó)新型干法水泥的快速發(fā)展，立窯水泥的逐步淘汰，以及各級(jí)水泥質(zhì)檢部門的努力監(jiān)管，許多過去肆無忌憚多摻濫摻混合材的行徑有所收斂或被遏制。但是大部分立窯水泥仍然因技術(shù)、經(jīng)濟(jì)原因，或政策性誤導(dǎo)難以從超標(biāo)摻加混合材的陋習(xí)中解脫出來。
根據(jù)中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)信息部對(duì)2003年～2007年水泥生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)統(tǒng)計(jì)資料的計(jì)算，全國(guó)噸水泥利潤(rùn)平均為9.88元，其中國(guó)家財(cái)政對(duì)水泥企業(yè)利用固體廢物的補(bǔ)償為4.34元，竟然占水泥行業(yè)總利潤(rùn)的44%。由此可見，這個(gè)利廢政策對(duì)水泥企業(yè)的“經(jīng)營(yíng)”和生存多么重要。然而一些大型水泥集團(tuán)，憑借其先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和科學(xué)的經(jīng)營(yíng)管理，其噸水泥的平均利潤(rùn)遠(yuǎn)高于9.88元(約3倍～8倍)，所謂利廢收入在利潤(rùn)中所占的比例很小。相反地，越是落后的小水泥企業(yè)對(duì)這個(gè)利廢政策的依賴程度越大，利廢政策對(duì)這些企業(yè)而言，猶如一根不可缺失的“救命稻草”。這種情況很可能是我們當(dāng)初始料未及的。所幸2008年國(guó)家財(cái)政部和稅務(wù)總局終于發(fā)了156號(hào)文，宣布取消對(duì)立窯水泥的這項(xiàng)優(yōu)惠政策，實(shí)屬明智之舉。
近年來，混凝土外加劑和水泥助磨劑行業(yè)正在我國(guó)興起，新辦的這類企業(yè)已有百余家。因行業(yè)門檻低，企業(yè)之間良莠不齊在所難免。原來外加劑的功能就是為了改善混凝土的某些性能，助磨劑則是為了提高水泥的粉磨效率，降低單位電耗，而且它們的用量都很少，僅占水泥量的1%左右，理論上應(yīng)該和水泥工業(yè)的利廢量沒有直接關(guān)系。
然而在有些廣告中卻出現(xiàn)了諸如“采用本廠的外加劑或助磨劑以后，利用一噸熟料就能生產(chǎn)出兩三噸環(huán)保節(jié)能高性能生態(tài)水泥”之類的宣傳。這類廣告語對(duì)于本文前述的許多小型立窯水泥企業(yè)是頗具誘惑力的。首先因其知識(shí)水平所限，缺乏起碼的判斷力，容易被迷惑；其次他們對(duì)于“一噸熟料生產(chǎn)多噸水泥”的“竅門”非但不陌生，而且可以說是比較老道�，F(xiàn)在聽說竟然還能生產(chǎn)出時(shí)髦的“生態(tài)水泥”來，何不利用這個(gè)時(shí)髦的詞藻牟取更多的錢財(cái)?這種廣告對(duì)某些特定群體或水泥企業(yè)的誤導(dǎo)作用是十分有害的，必須予以澄清。
多年來，歐美日已經(jīng)反省了純波特蘭水泥的不足，在采用經(jīng)過一定深加工的混合材生產(chǎn)混合水泥方面開展了一系列的科研開發(fā)工作，取得了一定的進(jìn)展，同時(shí)又都修訂了各自的水泥標(biāo)準(zhǔn)(DIN ENl97-1：2000；JIS R5210-1997；ASTM Cl50：2004)。
2000年～2007年水泥中混合材的平均摻入量，日本變化最大，由7%上升到12.3%，德國(guó)由11%上升到14.1%，美國(guó)由4%上升到6%，比較緩慢。但國(guó)際上的總趨勢(shì)是今后混合水泥的比例將日益增加，著力于混合材潛在性能的深度研發(fā)和加工，以期使混合材能如質(zhì)如量地替代水泥熟料，提高利廢質(zhì)量。
我國(guó)的問題是水泥中混合材摻入量超標(biāo)太多，而且大都作為填充料機(jī)械地?fù)饺�。今后必須�?yán)格監(jiān)督執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB175-2007)，堅(jiān)決制裁超標(biāo)或監(jiān)混合材的行徑，加強(qiáng)發(fā)掘混合材活性的研發(fā)工作，從單純追求數(shù)量轉(zhuǎn)向提升質(zhì)量的軌道上來。
各國(guó)水泥工業(yè)應(yīng)用替代原料和替代燃料的比較與分析
我國(guó)從上世紀(jì)五六十年代開始就進(jìn)行了諸多利用工業(yè)廢渣作為替代水泥天然原料資源的研究工作，現(xiàn)已取得一定成績(jī)。應(yīng)該說，我國(guó)水泥工業(yè)消納利用赤泥和電石渣是較成功的。但是所消納的數(shù)量仍不抵其增長(zhǎng)量，主要原因是濕法水泥窯產(chǎn)能低，消納量少，本身又屬淘汰之列。
替代原料在我國(guó)水泥工業(yè)最廣泛地應(yīng)用于將硫酸渣或煉銅渣等替代水泥生料中的鐵質(zhì)原料，以及將磷石膏或脫硫石膏等替代水泥緩凝劑天然石膏。兩者的利廢量大致為水泥產(chǎn)量的7%，幾乎所有的水泥企業(yè)都是這樣做的。加上其他少數(shù)的水泥企業(yè)額外利用一些赤泥、淤泥、矸石、電石渣等，我國(guó)水泥工業(yè)替代原料的利廢總量始終停留在水泥產(chǎn)量的10%左右，與美國(guó)水泥工業(yè)的情況相近，而與德國(guó)、日本的差距較大。
美國(guó)水泥企業(yè)就覺得利用鑄造砂、下水污泥等比較麻煩，對(duì)各州政府來說，可能因其空地較多，以為把這類廢物一埋了之或許更簡(jiǎn)單，看來其長(zhǎng)期的環(huán)保理念還有待加強(qiáng)。我國(guó)的情況與美國(guó)的有些相似，各級(jí)政府好像尚未顧及到位，水泥企業(yè)則限于資金和生產(chǎn)成本競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)擴(kuò)大替代原料的應(yīng)用積極性不高。不過最近有跡象表明，政府和有些大型水泥集團(tuán)已經(jīng)開始啟動(dòng)了下水污泥、淤泥等利廢項(xiàng)目。
在水泥工業(yè)利用替代燃料方面，美國(guó)是起源最早的。上世紀(jì)70年代美國(guó)有不少水泥企業(yè)就開始利用廢汽車輪胎作為替代燃料。這是美國(guó)這個(gè)“車輪上國(guó)家”的特殊情況，迫使其必須緩解廢輪胎堆積之患，加之廢輪胎熱值高，在水泥窯內(nèi)也較便于燃燒利用，因而在美國(guó)水泥工業(yè)中首先開始采用。不過其主要目的是為了處置廢輪胎，并非尋求水泥工業(yè)的替代燃料，僅此而已。
德國(guó)水泥工業(yè)的理念與美國(guó)的完全不同，其原動(dòng)力首先就是為了全社會(huì)的環(huán)保和利廢，其次是擴(kuò)大水泥工業(yè)的替代燃料來源。因此不論何種可燃廢物、數(shù)量多寡、燃燒難易或預(yù)處理過程繁簡(jiǎn)等各項(xiàng)因素，他們都很重視研發(fā)與應(yīng)用。1990年前后開始起步，到2000年德國(guó)水泥工業(yè)全國(guó)平均噸水泥替代燃料利用量已達(dá)43kg，相當(dāng)于按全國(guó)熟料熱耗計(jì)的燃煤替代率30%；2007年則分別上升到77kg和58%，成效顯著。德國(guó)尤其是在拓展城市生活垃圾和各種可燃危險(xiǎn)廢物等用做替代燃料兼替代黏土質(zhì)原料方面進(jìn)展較大，值得我國(guó)借鑒。
日本水泥工業(yè)在替代燃料應(yīng)用方面，上世紀(jì)90年代時(shí)沒有德國(guó)那么主動(dòng)積極。主要因其在1987年前后全國(guó)新建了2000多臺(tái)廢料(含生活垃圾)焚燒爐，幾乎將全社會(huì)的各種可燃廢物都置于其中“消納處置”了，所以水泥工業(yè)也就無需承擔(dān)燒廢料的任務(wù)了，于是就只有少數(shù)消納下水污泥的水泥企業(yè)。因污泥中含有一定的可燃成分，按其熱值換算成若干數(shù)量的替代燃料，2000年日本水泥工業(yè)全國(guó)噸水泥替代燃料平均利用量?jī)H為6kg。
但是自從上世紀(jì)末期，日本陸續(xù)發(fā)生廢料焚燒爐灰渣填埋場(chǎng)滲漏的二次污染事件后，為了根治垃圾焚燒爐灰渣填埋的隱患，日本不得不逐漸將消納可燃廢料的數(shù)量轉(zhuǎn)移到水泥窯上來。2007年日本水泥工業(yè)用作替代燃料的利廢量上升到噸水泥49kg，相當(dāng)于按熟料平均熱耗計(jì)的燃煤替代率約30%，這是一個(gè)重要的技術(shù)路線改變。實(shí)際上是日本吸取了教訓(xùn)，改變了過去試圖單純依賴廢料焚燒爐全部解決消納利廢問題的路線，重新認(rèn)識(shí)到必須適當(dāng)發(fā)揮水泥窯利廢特點(diǎn)的重要性。
水泥工業(yè)利廢前景展望
如前所述，水泥工業(yè)利廢只有3個(gè)途徑，即把各種廢料分別用作替代原料或替代燃料，或兩者兼而有之，還有就是用作混合材。顯然生產(chǎn)每噸水泥所需要的各種天然原料和天然燃料的數(shù)量在理論上是有其限量的，即使我們100%地利用廢料替代天然原料和天然燃料，水泥的單位利廢量也是有限度的。
假設(shè)水泥的平均組成為熟料：石膏：混合材=76：4：20，則每噸水泥所需的理論物料量為原料(生料+石膏)約1.2t、混合材0.2t，再加上燒制0.76t熟料所需的標(biāo)煤約0.082t，合計(jì)約1.482t。這就是說，噸水泥利廢總量的最大理論值為1.482t。
隨著科技不斷創(chuàng)新、混合材最新品種的開拓及其潛質(zhì)的深加工研發(fā)，在保證水泥總體性能不變，甚至有所提升的前提下，利用混合材替代熟料的比例應(yīng)該是逐漸提高的，即水泥中混合材的最佳摻入量將呈上升趨勢(shì)�，F(xiàn)有工程實(shí)踐證明，將礦渣粉磨到比表面積勃氏450m2/kg，就可以替代50%的熟料，制成熟料：礦渣=1：1的礦渣水泥，其性能與純波特蘭水泥相同。這里必須指出的是，這種采用混合材深加工，增加水泥中替代熟料比例的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，與我國(guó)水泥工業(yè)長(zhǎng)期以來那種在水泥中超標(biāo)多摻濫摻混合材的做法完全是兩回事，兩種意圖截然不同，切勿混淆。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，混合水泥將取代純波特蘭水泥是一個(gè)發(fā)展方向。如果有朝一日，水泥中所剩熟料的比例僅為1/5或1/10，那么屆時(shí)水泥這種膠凝材料或?qū)⑼顺鰵v史舞臺(tái)而被新型的膠凝材料所取代。對(duì)此我們完全沒有必要抱住水泥不放，相反地應(yīng)該對(duì)科學(xué)的新生事物、新材料采取歡迎的態(tài)度。
現(xiàn)在國(guó)際水泥界多數(shù)學(xué)者和專家認(rèn)為，在可預(yù)見的將來(約50年以內(nèi))，水泥混凝土仍將是一種主要的價(jià)廉物美的大宗建筑材料；全球水泥消費(fèi)量中混合材替代熟料的比例可能達(dá)到60%，(現(xiàn)在除中國(guó)大陸以外全球的比例約為10%)。如果按60%計(jì)算，屆時(shí)噸水泥混合材利廢量將為600kg。
按前述計(jì)算相應(yīng)調(diào)整后，當(dāng)水泥中混合材摻入量為60%時(shí)，噸水泥利廢的替代原料量最大為0.6t(含生料和石膏)，替代燃料量最大為0.1t，再加上替代熟料的混合材利廢量0.6t，三者共計(jì)1.3t。即使現(xiàn)在水泥工業(yè)利廢領(lǐng)先的德國(guó)也僅為0.41t，可見還有不少改進(jìn)的發(fā)展空間。
毫無疑問，今后天然燃料、天然鐵質(zhì)原料、天然黏土質(zhì)原料和天然石膏的利廢替代率均能達(dá)到100%，并且混合材替代熟料率達(dá)到60%也是可能的。但是試圖利用鈣質(zhì)廢渣替代天然石灰石原料，則因鈣質(zhì)廢渣的來源有限，因此對(duì)水泥工業(yè)總體來說，鈣質(zhì)原料利廢替代率將不可能達(dá)到其他的原燃料那么高。
現(xiàn)階段我國(guó)水泥工業(yè)利廢用作鈣質(zhì)原料替代石灰石的主要來源是電石渣，它是電石(CaC2)水解生成乙炔(C2H2)后的殘?jiān)?Ca(OH)2)。乙炔是PVC和氯堿等石化行業(yè)不可或缺的主要原料。我國(guó)至今仍沿用的電石法制乙炔的工藝，消耗大量石灰石和焦炭作為原料，而且用電弧爐生產(chǎn)電石的電能消耗與成本都很高，現(xiàn)在發(fā)達(dá)國(guó)家都已采用石油直接裂解獲得乙炔的先進(jìn)方法，而摒棄了電石法，這就是為什么發(fā)達(dá)國(guó)家少有電石渣的原因。相信我國(guó)今后也將逐漸由電石法轉(zhuǎn)向石油裂解法生產(chǎn)乙炔。電石渣的比例將呈下降趨勢(shì)，我們水泥工業(yè)也應(yīng)適當(dāng)?shù)仡A(yù)見到這一情況。
最后我們認(rèn)為，水泥工業(yè)不僅是全社會(huì)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)之一，而且在安全、經(jīng)濟(jì)、高效地利用各種工業(yè)廢棄物、城市生活垃圾、處置有毒有害的危險(xiǎn)廢棄物等方面取得了顯著的成績(jī)和進(jìn)展，今后在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的利廢領(lǐng)域中還將有更廣闊的發(fā)展空間，可以擔(dān)負(fù)起更多的社會(huì)責(zé)任，為循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展打造出一條綠色通道。
