徐永模：一文讀懂水泥行業(yè)的前世今生
走在向環(huán)保功能轉(zhuǎn)型的大道上
——祝賀全國水泥窯協(xié)同處置創(chuàng)新發(fā)展大會的召開
徐永模
中國硅酸鹽學(xué)會 理事長
為貫徹落實十九大關(guān)于生態(tài)文明建設(shè)的決策部署，推動水泥工業(yè)綠色、可持續(xù)發(fā)展，加快推進水泥窯協(xié)同處置廢棄物進程，為美化生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)綠色發(fā)展、建設(shè)美麗中國作出更大貢獻，中國建筑材料聯(lián)合會和中國水泥協(xié)會定于2017年12月23日在北京召開全國水泥窯協(xié)同處置創(chuàng)新發(fā)展大會。
中國水泥工業(yè)從上世紀(jì)90年代完成引進消化吸收新型干法水泥技術(shù)之后，就開始進入提升和再創(chuàng)新的階段。進入新世紀(jì)以來，中國的新型干法水泥技術(shù)不斷發(fā)展，尤其在節(jié)能減排方面，走在了世界前列，例如中國自主研發(fā)的萬噸級水泥生產(chǎn)線、水泥窯純低溫余熱發(fā)電、水泥低氮燃燒和煙氣脫除氮氧化物（NOx）、以及水泥節(jié)能粉磨工藝裝備與陶瓷研磨體等系列中國特色技術(shù)的開發(fā)，都已在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用，極大地提升了中國水泥工業(yè)節(jié)能減排水平。但是，這些創(chuàng)新發(fā)展都可歸類于水泥工業(yè)在清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排、提高資源利用效率方面“潔身自好”的努力。與之不同的是水泥窯協(xié)同處置技術(shù)的創(chuàng)新，其社會意義和環(huán)保意義是外在的，解決的是社會文明和環(huán)境保護問題，而這一點恰恰沒有得到社會應(yīng)有認識和重視。即將召開的全國水泥窯協(xié)同處置創(chuàng)新發(fā)展大會，是水泥工業(yè)向環(huán)保功能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重大宣示，是水泥企業(yè)勇于擔(dān)當(dāng)生態(tài)環(huán)保責(zé)任的宣示，是水泥窯協(xié)同處置技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展成就的展示，當(dāng)然也是協(xié)同處置廢棄物為社會文明和生態(tài)環(huán)境保護所做貢獻的展示。值此創(chuàng)新發(fā)展大會召開之際，筆者根據(jù)自己十幾年在建材行業(yè)從事相關(guān)科技管理工作的體會，對我國水泥窯協(xié)同處置技術(shù)的環(huán)保功能及其發(fā)展和演變過程做一個簡要梳理，希望能有助于社會各界客觀公正了解利用水泥窯協(xié)同處置廢棄物對社會文明、生態(tài)環(huán)保的重要意義，水泥窯協(xié)同處置對環(huán)境保護和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展所做出的突出貢獻，關(guān)心和支持中國水泥工業(yè)向環(huán)保功能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。
水泥工業(yè)，想說愛你不容易
長期以來，中國水泥工業(yè)被定格為“兩高一資”產(chǎn)業(yè)，即高能耗、高排放、資源型原材料產(chǎn)業(yè)。說起水泥，雖然承認不可或缺，因為社會發(fā)展和社會財富主要都是由水泥混凝土建筑物承載，但是又認為水泥是嚴重污染產(chǎn)業(yè)。其實，水泥產(chǎn)業(yè)低排放甚至超低排放的水平，隨著工藝和環(huán)保技術(shù)的進步、發(fā)展而提升。在很多人印象中污染環(huán)境的立窯、濕法窯等落后水泥工廠早已成過去時，不見蹤影?，F(xiàn)在，所有見過中國現(xiàn)代化的新型干法水泥工廠的政府領(lǐng)導(dǎo)和社會人士沒有不感慨和贊嘆的。尤其在晚上，現(xiàn)代化水泥工廠壯觀的100多米高預(yù)熱器塔架和工業(yè)建筑群已成為當(dāng)?shù)氐囊坏懒聋惷谰?。到目前為止，若按行業(yè)，在海外受到國家領(lǐng)導(dǎo)視察最多的是中國設(shè)計建造的現(xiàn)代化水泥工廠，例如2008年和2010年期間，有三位國家領(lǐng)導(dǎo)人出訪時視察了中材國際在沙特建設(shè)的SCC、RCC水泥工廠和敘利亞巴迪亞水泥廠。這些在國外建設(shè)的水泥工程，不僅是中國的驕傲，更是項目所在國家的驕傲。習(xí)近平總書記2014年9月還親自參加了華新水泥在塔吉克斯坦投資建設(shè)水泥廠的簽字儀式。中國現(xiàn)代化水泥工程技術(shù)在節(jié)能、減排和環(huán)保方面的水平已得到包括發(fā)達國家在內(nèi)的國際市場廣泛認可，市場占有率達60%以上。
為實現(xiàn)綠色發(fā)展，水泥工業(yè)主動實施余熱發(fā)電、非選擇性催化還原（SNCR）和分級燃燒脫除氮氧化物（NOx）等節(jié)能減排清潔生產(chǎn)技術(shù)，水泥工業(yè)污染物排放國家標(biāo)準(zhǔn)一再提升。盡管如此，由于高溫窯爐存在CO2、NOx和粉塵等污染物的排放，在環(huán)保面前，水泥工業(yè)好像仍是灰頭土臉，抬不起頭來。目前，國內(nèi)水泥工業(yè)面臨去產(chǎn)能和減排的雙重壓力，在大氣環(huán)境對工業(yè)排放敏感時期，環(huán)保部和工信部要求一些地區(qū)實施水泥工業(yè)“錯峰生產(chǎn)”，以減輕對霧霾產(chǎn)生的影響。這些問題容易導(dǎo)致社會對水泥工業(yè)在其他方面對環(huán)保的各種積極意義和貢獻的忽視或主觀地選擇取舍。
水泥利廢：一個被輕視的環(huán)保功能
如果只從經(jīng)濟發(fā)展的角度看待國家鼓勵發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的意義，在認識上就低估了利廢的意義。這也許是我國目前只有《循環(huán)經(jīng)濟促進法》，而不是更有約束力的循環(huán)經(jīng)濟法的原因。其實，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟更現(xiàn)實更緊迫更重要的意義是環(huán)保。遺憾的是，我們許多社會管理者對垃圾圍城、垃圾成山、危害環(huán)境的問題缺乏緊迫感，非到出了像深圳垃圾堆場滑坡等重大社會災(zāi)難問題才重視。
在另一方面，對環(huán)保意義的輕視也來自業(yè)內(nèi)。許多水泥企業(yè)的確存在著以利益驅(qū)動為主導(dǎo)的利廢行為，看到的或重視的只是利廢的經(jīng)濟利益。這些企業(yè)家們的擔(dān)當(dāng)意識沒有上升到承擔(dān)社會環(huán)保責(zé)任的高度，也沒有意識到具有環(huán)保功能的水泥產(chǎn)業(yè)對于社會生態(tài)文明和水泥產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略意義。從長遠看，這恰是水泥工業(yè)對于社會最重要的價值所在。但是，不容置疑的是，盡管企業(yè)存在趨利行為，不管利廢動機如何，水泥工業(yè)處置利用廢物客觀上都實現(xiàn)了對環(huán)境的保護。
水泥工業(yè)綜合利用工業(yè)固體廢物的歷史悠久。有多少工業(yè)產(chǎn)業(yè)的固廢要依賴水泥工業(yè)和水泥制品產(chǎn)業(yè)安全處置和資源化綜合利用呢？實在太多，筆者無法作全面統(tǒng)計，尤其是各種工業(yè)過程產(chǎn)生的危險廢棄物，但是圖1中所列出的相關(guān)產(chǎn)業(yè)已足夠令人有一個大觀。據(jù)2010年的數(shù)據(jù)，水泥工業(yè)固廢利用已占全國固廢利用量的30%左右。一些業(yè)內(nèi)外人士認為水泥工業(yè)利廢是理所當(dāng)然，其實不然。水泥生產(chǎn)利用可燃廢物，最初是因為國家能源短缺時降低水泥產(chǎn)品生產(chǎn)能耗的需要。水泥熟料生產(chǎn)有著嚴格的生料化學(xué)組分設(shè)計、成分波動范圍和熟料產(chǎn)品質(zhì)量控制要求，從系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)和質(zhì)量控制上來說，組分變化或波動較大、所含微量元素不同和濃度高低、廢物性能差異較大的各種工業(yè)固廢的利用，均會對水泥生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量帶來影響，需要通過研發(fā)，采取相應(yīng)的技術(shù)措施加以協(xié)同和消除影響。可以說，每一種廢棄物的利用都必須研發(fā)相應(yīng)的控制技術(shù)，水泥工業(yè)的環(huán)保功能是建立在科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上。
協(xié)同處置廢物，為什么非你莫屬
國內(nèi)水泥工業(yè)處置廢物開始時，中文用的是“共處置”一詞，與其它產(chǎn)業(yè)用的“共處置”一樣來自同一英文詞co-processing的翻譯。筆者覺得這樣簡單的直譯或轉(zhuǎn)用不能反映利用新型干法水泥窯爐處置廢物的特點，因此一開始就建議用“協(xié)同處置”而不是“共處置”，現(xiàn)已被廣泛認可。理由很簡單，因為必須在水泥窯系統(tǒng)安全正常穩(wěn)定生產(chǎn)出合格產(chǎn)品和滿足各項環(huán)境指標(biāo)控制要求的條件下，才能有效協(xié)同處置各類廢棄物（包括可處理的危險廢棄物），沒有水泥生產(chǎn)系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行、產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境安全控制的要求，也就沒有水泥窯協(xié)同處置各類廢棄物之說，這也是水泥窯爐協(xié)同處置各類廢棄物不同于其它高溫焚燒爐的特點。事實上，利用水泥窯爐處理各類廢棄物，在工藝上是一個協(xié)同的概念，并不意味著什么廢棄物都可接納協(xié)同處理，來者不拒；只有做到如下幾個方面的控制，滿足水泥正常生產(chǎn)工藝才能處置：
（1）高溫焚燒后各種廢棄物灰燼化學(xué)組分，包括微量元素和干擾元素（鉀、鈉、硫、氯、磷）及其波動范圍得到控制，以滿足水泥熟料產(chǎn)品質(zhì)量要求；
（2）廢棄物所含對金屬和耐火材料具有較強腐蝕性的元素（如鹵族元素（氟、氯、溴、碘）、重金屬（鋅、鉛、鉻）等）必須得到控制，以確保生產(chǎn)設(shè)備的安全運行；
（3）處置過程中，必須滿足各項環(huán)保指標(biāo)控制要求，以確保不會生成影響環(huán)境的污染物。
需要指出的是，水泥窯協(xié)同處置必須也只能依靠新型干法水泥生產(chǎn)工藝。為什么？這要從新型干法工藝技術(shù)的特點說起。
現(xiàn)代新型干法水泥工藝的一大特點是高濃度堿性物料的預(yù)熱、預(yù)分解。在高達100米左右的塔架上，數(shù)噸水泥生料粉體自上而下，從一至五級旋風(fēng)預(yù)熱器到達分解爐，在預(yù)熱器中與來自旋窯自下而上的熱煙氣進行熱交換，物料溫度逐漸升高，并被分解和活化。在這個過程中，生料粉體從常溫逐漸被加熱到850℃左右，因此，這個過程不僅是物理的氣固兩相傳熱過程，也是化學(xué)的反應(yīng)傳質(zhì)過程。生料中主要組分碳酸鈣（石灰石）粉體在700℃左右開始分解為氧化鈣（CaO）和二氧化碳（CO2），這種新生態(tài)納米級的氧化鈣活性非常高，對煙氣中所含氯離子、硫酸根等酸性離子的化學(xué)吸附性很強。如果煙氣中氯離子濃度過高，還可以采用旁路放風(fēng)(在1000℃~1200℃條件下引出部分熱煙氣，并驟冷至180℃以下)的技術(shù)措施，降低煙氣中氯離子濃度。這種化學(xué)反應(yīng)吸附中和了煙氣中的酸性組分，消除了二噁英生成的前驅(qū)體。新型干法水泥窯爐這些技術(shù)特點是垃圾焚燒爐或其它工業(yè)高溫窯爐所沒有的。
例如垃圾焚燒爐，為了控制垃圾焚燒爐煙氣二噁英排放不超標(biāo)，我國垃圾焚燒爐技術(shù)規(guī)程也要求采用堿性物質(zhì)（例如氫氧化鈣粉）中和酸性煙氣組分，而不能只依靠干性活性炭粉的物理吸附。可以粗略比較一下，目前承擔(dān)北京高安屯和魯家山兩大垃圾焚燒發(fā)電廠的飛灰無害化處置的琉璃河水泥廠年處理的飛灰量不過7萬噸左右，相當(dāng)于這兩家工廠平均每天用200噸左右的氫氧化鈣中和酸性煙氣。根據(jù)有關(guān)資料，魯家山垃圾焚燒發(fā)電廠日處理生活垃圾3000噸，高安屯垃圾焚燒發(fā)電廠1800噸，這兩大垃圾焚燒廠日處理煙氣所用氫氧化鈣量與焚燒的生活垃圾量比例約為1:24，即1噸堿性物質(zhì)要中和24噸垃圾焚燒產(chǎn)生的酸性煙氣。一條日產(chǎn)3000噸的熟料生產(chǎn)線，一般一天可處置500噸生活垃圾，中和酸性物質(zhì)的粉體堿性物（氧化鈣占比按65%計算）與處置的生活垃圾比例為1:0.25。這種比較雖然粗略，但可以看到水泥生料預(yù)分解產(chǎn)生的如此大量堿性粉體對煙氣中酸性組分強大的化學(xué)吸附與中和能力，和垃圾焚燒爐工藝相比，處理煙氣酸性組分如同“殺雞用牛刀”。
現(xiàn)代新型干法水泥的第二大優(yōu)勢是擁有溫度高達900℃左右的預(yù)分解爐和與之相連、長達60-90米長的水泥旋窯，窯內(nèi)固相物料的溫度從窯尾900℃逐漸上升到熟料燒成帶1450℃,氣相溫度從窯頭燒成帶的1850℃~2200℃（火炬的溫度），到窯尾降至1100℃~1200℃，這遠比垃圾焚燒爐850℃左右的溫度要高，煙氣和物料在窯內(nèi)高溫下滯留的時間相比在垃圾焚燒爐內(nèi)長數(shù)倍。這種高溫下的長流程確保了各種廢棄（含部分危廢）物的徹底分解。這是目前環(huán)保部門確認多達37種危廢物(危廢種類多達50大類之多，37種僅是危廢中的一小部分)可被水泥窯協(xié)同處置的科學(xué)依據(jù)（見表一），也是垃圾焚燒爐所不具備的特殊能力。
除此以外，水泥窯系統(tǒng)還有許多垃圾焚燒爐不具備的特點。特別突出的是，水泥窯協(xié)同處置是一站式終處置和資源綜合利用，不像垃圾焚燒爐二次產(chǎn)生飛灰這樣的危廢物以及需要二次處理的爐底渣。在協(xié)同處置中，可根據(jù)垃圾和廢物的物化特性（例如固態(tài)、液態(tài)、顆粒尺寸等）在窯頭、分解爐等部位或生料粉磨等過程中投入，水泥熟料燒成過程中對垃圾廢物中的無機組分，可吸收，可固溶，這也是包括垃圾焚燒爐在內(nèi)的其它高溫窯爐所不具備的。在科學(xué)意義上，單位水泥熟料中能吸收和固溶多少危廢固相組分都有依據(jù)可計算。根據(jù)垃圾的化學(xué)組成可測算出一定產(chǎn)能的水泥窯系統(tǒng)每天能安全處置的危廢和生活垃圾數(shù)量上限。例如，日產(chǎn)5000噸熟料的窯爐系統(tǒng)，采用比較經(jīng)濟的處理辦法，每天可處理的生活垃圾500-800噸，如果對垃圾進一步深化處理，將其水分進行有效控制，處置量還可以進一步提高。從經(jīng)濟性來看，水泥窯系統(tǒng)處置廢物能力雖有較高的上限，但是不在乎量小，也不在垃圾熱值高低上“挑食”，在處理廢物種類和數(shù)量方面具有很強的靈活性和適應(yīng)性。這與垃圾焚燒爐不僅對生活垃圾熱值品質(zhì)要求較高，還需要生活垃圾供給量達到較大規(guī)模（例如每天300噸以上）才比較經(jīng)濟的特點不同。從道德風(fēng)險來看，由于協(xié)同處置必須在水泥正常工藝條件下進行，不能主觀改變，客觀上排除了一些垃圾焚燒爐企業(yè)曾出現(xiàn)的為降低成本“偷工減料”，造成二噁英等污染物超標(biāo)排放的問題。
其實，和其它高溫窯爐一樣，水泥窯協(xié)同處置的二噁英等污染物排放問題也是社會和環(huán)保部門高度關(guān)注和嚴格控制的問題。為從理論和實際上證明水泥窯協(xié)同處置的上述特點和優(yōu)勢，華新水泥、海螺水泥、中材國際（南京）等單位投入大量資金，與大學(xué)和第三方檢測機構(gòu)合作，開展了實證性和理論研究，其中，僅對最受懷疑的二噁英排放濃度測定就投入數(shù)百萬人民幣。社會大眾有所不知的是，所有高溫窯爐二噁英排放濃度目前還不能在線實時監(jiān)測，取樣檢測一次非常昂貴，要花數(shù)萬元人民幣。廣州越堡水泥、溧陽天山水泥和華新水泥等企業(yè)的實測結(jié)果表明，在預(yù)分解爐內(nèi)處置污泥和生活垃圾還可以形成還原氣氛，顯著降低氮氧化物排放濃度。這些研究和現(xiàn)場檢測驗證工作所取得的一系列理論成果和大量