行业梳理|我国水泥窑协同处置技术的环保功能及其发展演变

中国水泥工业从上世纪90年代完成引进消化吸收新型干法水泥技术之后，就开始进入提升和再创新的阶段。进入新世纪以来，中国的新型干法水泥技术不断发展，尤其在节能减排方面，走在了世界前列，例如中国自主研发的万吨级水泥生产线、水泥窑纯低温余热发电、水泥低氮燃烧和烟气脱除氮氧化物(NOx)、以及水泥节能粉磨工艺装备与陶瓷研磨体等系列中国特色技术的开发，都已在国内外被广泛应用，极大地提升了中国水泥工业节能减排水平。但是，这些创新发展都可归类于水泥工业在清洁生产、节能减排、提高资源利用效率方面“洁身自好”的努力。与之不同的是水泥窑协同处置技术的创新，其社会意义和环保意义是外在的，解决的是社会文明和环境保护问题，而这一点恰恰没有得到社会应有认识和重视。即将召开的全国水泥窑协同处置创新发展大会，是水泥工业向环保功能产业转型的重大宣示，是水泥企业勇于担当生态环保责任的宣示，是水泥窑协同处置技术创新发展成就的展示，当然也是协同处置废弃物为社会文明和生态环境保护所做贡献的展示。值此创新发展大会召开之际，笔者根据自己十几年在建材行业从事相关科技管理工作的体会，对我国水泥窑协同处置技术的环保功能及其发展和演变过程做一个简要梳理，希望能有助于社会各界客观公正了解利用水泥窑协同处置废弃物对社会文明、生态环保的重要意义，水泥窑协同处置对环境保护和相关产业发展所做出的突出贡献，关心和支持中国水泥工业向环保功能产业转型发展。

水泥工业，想说爱你不容易

长期以来，中国水泥工业被定格为“两高一资”产业，即高能耗、高排放、资源型原材料产业。说起水泥，虽然承认不可或缺，因为社会发展和社会财富主要都是由水泥混凝土建筑物承载，但是又认为水泥是严重污染产业。其实，水泥产业低排放甚至超低排放的水平，随着工艺和环保技术的进步、发展而提升。在很多人印象中污染环境的立窑、湿法窑等落后水泥工厂早已成过去时，不见踪影。现在，所有见过中国现代化的新型干法水泥工厂的政府领导和社会人士没有不感慨和赞叹的。尤其在晚上，现代化水泥工厂壮观的100多米高预热器塔架和工业建筑群已成为当地的一道亮丽美景。到目前为止，若按行业，在海外受到国家领导视察最多的是中国设计建造的现代化水泥工厂，例如2008年和2010年期间，有三位国家领导人出访时视察了中材国际在沙特建设的SCC、RCC水泥工厂和叙利亚巴迪亚水泥厂。这些在国外建设的水泥工程，不仅是中国的骄傲，更是项目所在国家的骄傲。习近平总书记2014年9月还亲自参加了华新水泥在塔吉克斯坦投资建设水泥厂的签字仪式。中国现代化水泥工程技术在节能、减排和环保方面的水平已得到包括发达国家在内的国际市场广泛认可，市场占有率达60%以上。

为实现绿色发展，水泥工业主动实施余热发电、非选择性催化还原(SNCR)和分级燃烧脱除氮氧化物(NOx)等节能减排清洁生产技术，水泥工业污染物排放国家标准一再提升。尽管如此，由于高温窑炉存在CO2、NOx和粉尘等污染物的排放，在环保面前，水泥工业好像仍是灰头土脸，抬不起头来。目前，国内水泥工业面临去产能和减排的双重压力，在大气环境对工业排放敏感时期，环保部和工信部要求一些地区实施水泥工业“错峰生产”，以减轻对雾霾产生的影响。这些问题容易导致社会对水泥工业在其他方面对环保的各种积极意义和贡献的忽视或主观地选择取舍。

水泥利废：一个被轻视的环保功能

如果只从经济发展的角度看待国家鼓励发展循环经济的意义，在认识上就低估了利废的意义。这也许是我国目前只有《循环经济促进法》，而不是更有约束力的循环经济法的原因。其实，发展循环经济更现实更紧迫更重要的意义是环保。遗憾的是，我们许多社会管理者对垃圾围城、垃圾成山、危害环境的问题缺乏紧迫感，非到出了像深圳垃圾堆场滑坡等重大社会灾难问题才重视。

在另一方面，对环保意义的轻视也来自业内。许多水泥企业的确存在着以利益驱动为主导的利废行为，看到的或重视的只是利废的经济利益。这些企业家们的担当意识没有上升到承担社会环保责任的高度，也没有意识到具有环保功能的水泥产业对于社会生态文明和水泥产业可持续发展的战略意义。从长远看，这恰是水泥工业对于社会最重要的价值所在。但是，不容置疑的是，尽管企业存在趋利行为，不管利废动机如何，水泥工业处置利用废物客观上都实现了对环境的保护。

水泥工业综合利用工业固体废物的历史悠久。有多少工业产业的固废要依赖水泥工业和水泥制品产业安全处置和资源化综合利用呢?实在太多，笔者无法作全面统计，尤其是各种工业过程产生的危险废弃物，但是图1中所列出的相关产业已足够令人有一个大观。据2010年的数据，水泥工业固废利用已占全国固废利用量的30%左右。一些业内外人士认为水泥工业利废是理所当然，其实不然。水泥生产利用可燃废物，最初是因为国家能源短缺时降低水泥产品生产能耗的需要。水泥熟料生产有着严格的生料化学组分设计、成分波动范围和熟料产品质量控制要求，从系统稳定生产和质量控制上来说，组分变化或波动较大、所含微量元素不同和浓度高低、废物性能差异较大的各种工业固废的利用，均会对水泥生产过程和产品质量带来影响，需要通过研发，采取相应的技术措施加以协同和消除影响。可以说，每一种废弃物的利用都必须研发相应的控制技术，水泥工业的环保功能是建立在科技创新的基础之上。

协同处置废物，为什么非你莫属

国内水泥工业处置废物开始时，中文用的是“共处置”一词，与其它产业用的“共处置”一样来自同一英文词co-processing的翻译。笔者觉得这样简单的直译或转用不能反映利用新型干法水泥窑炉处置废物的特点，因此一开始就建议用“协同处置”而不是“共处置”，现已被广泛认可。理由很简单，因为必须在水泥窑系统安全正常稳定生产出合格产品和满足各项环境指标控制要求的条件下，才能有效协同处置各类废弃物(包括可处理的危险废弃物)，没有水泥生产系统正常稳定运行、产品质量和环境安全控制的要求，也就没有水泥窑协同处置各类废弃物之说，这也是水泥窑炉协同处置各类废弃物不同于其它高温焚烧炉的特点。事实上，利用水泥窑炉处理各类废弃物，在工艺上是一个协同的概念，并不意味着什么废弃物都可接纳协同处理，来者不拒;只有做到如下几个方面的控制，满足水泥正常生产工艺才能处置：

(1)高温焚烧后各种废弃物灰烬化学组分，包括微量元素和干扰元素(钾、钠、硫、氯、磷)及其波动范围得到控制，以满足水泥熟料产品质量要求;

(2)废弃物所含对金属和耐火材料具有较强腐蚀性的元素(如卤族元素(氟、氯、溴、碘)、重金属(锌、铅、铬)等)必须得到控制，以确保生产设备的安全运行;

(3)处置过程中，必须满足各项环保指标控制要求，以确保不会生成影响环境的污染物。

需要指出的是，水泥窑协同处置必须也只能依靠新型干法水泥生产工艺。为什么?这要从新型干法工艺技术的特点说起。

现代新型干法水泥工艺的一大特点是高浓度碱性物料的预热、预分解。在高达100米左右的塔架上，数吨水泥生料粉体自上而下，从一至五级旋风预热器到达分解炉，在预热器中与来自旋窑自下而上的热烟气进行热交换，物料温度逐渐升高，并被分解和活化。在这个过程中，生料粉体从常温逐渐被加热到850℃左右，因此，这个过程不仅是物理的气固两相传热过程，也是化学的反应传质过程。生料中主要组分碳酸钙(石灰石)粉体在700℃左右开始分解为氧化钙(CaO)和二氧化碳(CO2)，这种新生态纳米级的氧化钙活性非常高，对烟气中所含氯离子、硫酸根等酸性离子的化学吸附性很强。如果烟气中氯离子浓度过高，还可以采用旁路放风(在1000℃~1200℃条件下引出部分热烟气，并骤冷至180℃以下)的技术措施，降低烟气中氯离子浓度。这种化学反应吸附中和了烟气中的酸性组分，消除了二噁英生成的前驱体。新型干法水泥窑炉这些技术特点是垃圾焚烧炉或其它工业高温窑炉所没有的。

例如垃圾焚烧炉，为了控制垃圾焚烧炉烟气二噁英排放不超标，我国垃圾焚烧炉技术规程也要求采用碱性物质(例如氢氧化钙粉)中和酸性烟气组分，而不能只依靠干性活性炭粉的物理吸附。可以粗略比较一下，目前承担北京高安屯和鲁家山两大垃圾焚烧发电厂的飞灰无害化处置的琉璃河水泥厂年处理的飞灰量不过7万吨左右，相当于这两家工厂平均每天用200吨左右的氢氧化钙中和酸性烟气。根据有关资料，鲁家山垃圾焚烧发电厂日处理生活垃圾3000吨，高安屯垃圾焚烧发电厂1800吨，这两大垃圾焚烧厂日处理烟气所用氢氧化钙量与焚烧的生活垃圾量比例约为1:24，即1吨碱性物质要中和24吨垃圾焚烧产生的酸性烟气。一条日产3000吨的熟料生产线，一般一天可处置500吨生活垃圾，中和酸性物质的粉体碱性物(氧化钙占比按65%计算)与处置的生活垃圾比例为1:0.25。这种比较虽然粗略，但可以看到水泥生料预分解产生的如此大量碱性粉体对烟气中酸性组分强大的化学吸附与中和能力，和垃圾焚烧炉工艺相比，处理烟气酸性组分如同“杀鸡用牛刀”。

现代新型干法水泥的第二大优势是拥有温度高达900℃左右的预分解炉和与之相连、长达60-90米长的水泥旋窑，窑内固相物料的温度从窑尾900℃逐渐上升到熟料烧成带1450℃,气相温度从窑头烧成带的1850℃~2200℃(火炬的温度)，到窑尾降至1100℃~1200℃，这远比垃圾焚烧炉850℃左右的温度要高，烟气和物料在窑内高温下滞留的时间相比在垃圾焚烧炉内长数倍。这种高温下的长流程确保了各种废弃(含部分危废)物的彻底分解。这是目前环保部门确认多达37种危废物(危废种类多达50大类之多，37种仅是危废中的一小部分)可被水泥窑协同处置的科学依据(见表一)，也是垃圾焚烧炉所不具备的特殊能力。

除此以外，水泥窑系统还有许多垃圾焚烧炉不具备的特点。特别突出的是，水泥窑协同处置是一站式终处置和资源综合利用，不像垃圾焚烧炉二次产生飞灰这样的危废物以及需要二次处理的炉底渣。在协同处置中，可根据垃圾和废物的物化特性(例如固态、液态、颗粒尺寸等)在窑头、分解炉等部位或生料粉磨等过程中投入，水泥熟料烧成过程中对垃圾废物中的无机组分，可吸收，可固溶，这也是包括垃圾焚烧炉在内的其它高温窑炉所不具备的。在科学意义上，单位水泥熟料中能吸收和固溶多少危废固相组分都有依据可计算。根据垃圾的化学组成可测算出一定产能的水泥窑系统每天能安全处置的危废和生活垃圾数量上限。例如，日产5000吨熟料的窑炉系统，采用比较经济的处理办法，每天可处理的生活垃圾500-800吨，如果对垃圾进一步深化处理，将其水分进行有效控制，处置量还可以进一步提高。从经济性来看，水泥窑系统处置废物能力虽有较高的上限，但是不在乎量小，也不在垃圾热值高低上“挑食”，在处理废物种类和数量方面具有很强的灵活性和适应性。这与垃圾焚烧炉不仅对生活垃圾热值品质要求较高，还需要生活垃圾供给量达到较大规模(例如每天300吨以上)才比较经济的特点不同。从道德风险来看，由于协同处置必须在水泥正常工艺条件下进行，不能主观改变，客观上排除了一些垃圾焚烧炉企业曾出现的为降低成本“偷工减料”，造成二噁英等污染物超标排放的问题。

其实，和其它高温窑炉一样，水泥窑协同处置的二噁英等污染物排放问题也是社会和环保部门高度关注和严格控制的问题。为从理论和实际上证明水泥窑协同处置的上述特点和优势，华新水泥、海螺水泥、中材国际(南京)等单位投入大量资金，与大学和第三方检测机构合作，开展了实证性和理论研究，其中，仅对最受怀疑的二噁英排放浓度测定就投入数百万人民币。社会大众有所不知的是，所有高温窑炉二噁英排放浓度目前还不能在线实时监测，取样检测一次非常昂贵，要花数万元人民币。广州越堡水泥、溧阳天山水泥和华新水泥等企业的实测结果表明，在预分解炉内处置污泥和生活垃圾还可以形成还原气氛，显著降低氮氧化物排放浓度。这些研究和现场检测验证工作所取得的一系列理论成果和大量实际数据，确证了水泥窑协同处置的二噁英排放浓度比欧洲和我国的排放标准低数倍甚至一个数量级，氮氧化物排放浓度也显著降低，为水泥窑协同处置危废物、工业污染土、城市污泥和生活垃圾等固体废物提供了可靠的科学依据。

由此可见，水泥窑协同处置既不是万能的，也不是随便就能实现的功能，在技术上是非常有难度的。一旦通过技术创新满足上述多方面的控制要求，其优势也是其它高温窑炉处理废弃物工艺无法比拟的。技术创新发展的实践已经证明，利用水泥窑协同处理各类工业固废、城市垃圾、污泥、污染土和部分危险废弃物，无论在生产系统正常稳定运行和水泥熟料产品质量上，还是在资源利用和环境控制指标方面，均是可行的、安全的、可靠的，环保的，也是比较经济合理的。

处置工业危废物，舍我其谁

由于前已述及的水泥预热、预分解和高温旋窑系统的优势与特点，以及实际检测结果，在温度高达1600℃以上的长旋窑中开展安全无害化处置工业危废物得到工业、环保等部门的积极支持和规范管理，2016年环保部发布了《水泥窑协同处置固体废物污染防治技术政策》(2016年72号)。由于不同地区不同产业的危废物特点不同，协同处置不同危废物的技术具有个性化特点，不同企业的处置技术开发和通过环保认定许可的可处置的危废物种类也有所不同。在国家公布的50类工业危废物品中，笔者归纳的金隅水泥、华新水泥、海螺水泥三大企业已通过环保认定许可的可协同处置危废物品已达37类。这是水泥工业对社会生态文明建设和相关工业产业可持续发展的重要贡献。试想一下之前媒体报道的那些因城市工业污染土造成的严重社会问题，如果这些危废物不能被安全无害化最终处置，将会对社会产生多大的危害!由于金隅股份、华新水泥、海螺水泥、中材环保等企业在处置危废物方面的技术与工程示范，水泥窑协同处置工业危废物已成为北京、广州、武汉、南京等特大型城市和许多工业城市不可或缺的环保基础设施和相关产业可持续发展的支撑。

表一已获证水泥窑协同处置危废物种类

注：按2008年版《国家危险废物名录》归类。A：金隅集团，B：华新水泥，C：海螺水泥