摘要:分析比較了各國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)域中還將會有更廣闊的發(fā)展空間，可以擔(dān)負(fù)起更多的社會責(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。相對而言，這3種利廢方式中用作混合材是最簡便易行的，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。
各國水泥中混合材平均摻入量的比較與分析
按照各國水泥協(xié)會或代表性水泥集團(tuán)公司公布的統(tǒng)計資料，2007年中國、德國、日本和美國生產(chǎn)的各品種水泥中，其中混合材的全國平均摻加量分別為27.5%、14.1%、13.3%和6.0%，如果計入緩凝劑石膏用量，則每噸熟料生產(chǎn)水泥的數(shù)量，在美國約為1.11t，在德國和日本分別為1.22t和1.21t，在中國則達(dá)1.45t。中國水泥中的平均混合材何以會摻加如此之多，表面上似乎是與各國水泥的標(biāo)準(zhǔn)不同有關(guān)。但究其真正原因，我們必須對國際水泥界的普遍質(zhì)詢——究竟是中國水泥工業(yè)科學(xué)利廢質(zhì)量高，還是片面追求水泥產(chǎn)量高這個問題作出應(yīng)有的回應(yīng)。這的確也是長期以來我國水泥科技工作者應(yīng)該思考的一個問題。
半個多世紀(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)的時代，我國水泥工業(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家規(guī)定的水泥標(biāo)準(zhǔn)就是合理合法的，因此，當(dāng)時我國的做法應(yīng)該說是科學(xué)的、正確的。
然而，在隨后我國立窯水泥占全國水泥總產(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，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。一時間，水泥工業(yè)似乎變成了一個可以大量吞食工業(yè)廢渣的“大口袋”，國內(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)八九十年代我國立窯水泥質(zhì)量終于遭到了國際水泥界的嚴(yán)重質(zhì)疑。
進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著我國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)中國建材聯(lián)合會信息部對2003年～2007年水泥生產(chǎn)經(jīng)營統(tǒng)計資料的計算，全國噸水泥利潤平均為9.88元，其中國家財政對水泥企業(yè)利用固體廢物的補(bǔ)償為4.34元，竟然占水泥行業(yè)總利潤的44%。由此可見，這個利廢政策對水泥企業(yè)的“經(jīng)營”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)營管理，其噸水泥的平均利潤遠(yuǎn)高于9.88元(約3倍～8倍)，所謂利廢收入在利潤中所占的比例很小。相反地，越是落后的小水泥企業(yè)對這個利廢政策的依賴程度越大，利廢政策對這些企業(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年國家財政部和稅務(wù)總局終于發(fā)了156號文，宣布取消對立窯水泥的這項優(yōu)惠政策，實屬明智之舉。
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。首先因其知識水平所限，缺乏起碼的判斷力，容易被迷惑；其次他們對于“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。現(xiàn)在聽說竟然還能生產(chǎn)出時髦的“生態(tài)水泥”來，何不利用這個時髦的詞藻牟取更多的錢財?這種廣告對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%，德國由11%上升到14.1%，美國由4%上升到6%，比較緩慢。但國際上的總趨勢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)行國家標(biāo)準(zhǔn)(GB175-2007)，堅決制裁超標(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。應(yīng)該說，我國水泥工業(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，與美國水泥工業(yè)的情況相近，而與德國、日本的差距較大。
美國水泥企業(yè)就覺得利用鑄造砂、下水污泥等比較麻煩，對各州政府來說，可能因其空地較多，以為把這類廢物一埋了之或許更簡單，看來其長期的環(huán)保理念還有待加強(qiáng)。我國的情況與美國的有些相似，各級政府好像尚未顧及到位，水泥企業(yè)則限于資金和生產(chǎn)成本競爭，對擴(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)開始啟動了下水污泥、淤泥等利廢項目。
在水泥工業(yè)利用替代燃料方面，美國是起源最早的。上世紀(jì)70年代美國有不少水泥企業(yè)就開始利用廢汽車輪胎作為替代燃料。這是美國這個“車輪上國家”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。
德國水泥工業(yè)的理念與美國的完全不同，其原動力首先就是為了全社會的環(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)處理過程繁簡等各項因素，他們都很重視研發(fā)與應(yīng)用。1990年前后開始起步，到2000年德國水泥工業(yè)全國平均噸水泥替代燃料利用量已達(dá)43kg，相當(dāng)于按全國熟料熱耗計的燃煤替代率30%；2007年則分別上升到77kg和58%，成效顯著。德國尤其是在拓展城市生活垃圾和各種可燃危險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年代時沒有德國那么主動積極。主要因其在1987年前后全國新建了2000多臺廢料(含生活垃圾)焚燒爐，幾乎將全社會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)全國噸水泥替代燃料平均利用量僅為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的燃煤替代率約30%，這是一個重要的技術(shù)路線改變。實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�，F(xiàn)有工程實踐證明，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，與我國水泥工業(yè)長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。
從長遠(yuǎn)來看，混合水泥將取代純波特蘭水泥是一個發(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，那么屆時水泥這種膠凝材料或?qū)⑼顺鰵v史舞臺而被新型的膠凝材料所取代。對此我們完全沒有必要抱住水泥不放，相反地應(yīng)該對科學(xué)的新生事物、新材料采取歡迎的態(tài)度。
現(xiàn)在國際水泥界多數(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)在除中國大陸以外全球的比例約為10%)。如果按60%計算，屆時噸水泥混合材利廢量將為600kg。
按前述計算相應(yīng)調(diào)整后，當(dāng)水泥中混合材摻入量為60%時，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1.3t。即使現(xiàn)在水泥工業(yè)利廢領(lǐng)先的德國也僅為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)后的殘渣(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)國家少有電石渣的原因。相信我國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，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廢棄物等方面取得了顯著的成績和進(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)起更多的社會責(zé)任，為循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展打造出一條綠色通道。
