耿春雷，顧軍，郝利煒

（北京建筑材料科學(xué)研究總院，固廢資源化利用與節(jié)能建材國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌）, 北京 100041）

以發(fā)展生態(tài)水泥為中心大力發(fā)展綠色建材*

耿春雷，顧軍，郝利煒

（北京建筑材料科學(xué)研究總院，固廢資源化利用與節(jié)能建材國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌）, 北京 100041）

建材生產(chǎn)過(guò)程中不僅對(duì)資源和能源消耗量大，還對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重；同時(shí)，生活垃圾和污泥給環(huán)境帶來(lái)了巨大的壓力。水泥采用生活垃圾和污泥生產(chǎn)生態(tài)水泥，它既能減少對(duì)環(huán)境的污染危害，又在其制造過(guò)程中最低限度地消耗物質(zhì)與能源。生態(tài)建材的發(fā)展是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，是將各大城市建成生態(tài)化城市必不可少的重要環(huán)節(jié)。

生態(tài)建材；生活垃圾；污泥；生態(tài)水泥

0 前沿

綠色建材又稱(chēng)生態(tài)建材、環(huán)保建材和健康建材等。綠色建材是指采用清潔生產(chǎn)技術(shù)、少用天然資源和能源、大量使用工業(yè)或城市固態(tài)廢物生產(chǎn)的無(wú)毒害、無(wú)污染、無(wú)放射性、有利于環(huán)境保護(hù)和人體健康的建筑材料[1,2]。

建材產(chǎn)量的持續(xù)增長(zhǎng)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展是建材工業(yè)必須解決的重大課題，發(fā)展綠色建材是解決這些問(wèn)題的重要途徑。在第十個(gè)五年計(jì)劃中建材企業(yè)的主要目標(biāo)是:以節(jié)能、節(jié)土、利廢、環(huán)保為目標(biāo)，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)實(shí)用技術(shù)和高新技術(shù)，對(duì)水泥、玻璃、墻體材料、建筑衛(wèi)生陶瓷和玻璃纖維等主要產(chǎn)品生產(chǎn)工藝進(jìn)行改造和升級(jí)，到“十五”末，建材工業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值能耗降低20%，水泥散裝率達(dá)到31 %，平板玻璃、建筑衛(wèi)生陶瓷和玻璃纖維的整體生產(chǎn)技術(shù)水平接近國(guó)際先進(jìn)水平；建材生產(chǎn)的主要污染物粉塵、SO2排放總量減少20 %以上，工業(yè)廢棄物綜合利用量提高40 % ，年減少天然資源開(kāi)采使用量1.5×108t ；重點(diǎn)開(kāi)發(fā)“生態(tài)水泥”等生態(tài)建材產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝及裝備，改造提升現(xiàn)有生產(chǎn)能力[3]。

綠色建材應(yīng)具有環(huán)境協(xié)調(diào)性，它既能減少對(duì)環(huán)境的污染危害，又在其制造過(guò)程中最低限度地消耗物質(zhì)與能源，使廢棄物的產(chǎn)生和回收處理量最小，產(chǎn)生的廢物能被處理、回收和再生利用，并且這一過(guò)程不產(chǎn)生污染。

1 我國(guó)建材行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀

我國(guó)建材工業(yè)由3個(gè)部分：建筑材料、非金屬礦物材料和無(wú)機(jī)非金屬新材料等組成[4]。可概括為3大門(mén)類(lèi)6大行業(yè),如下圖1所示：

中國(guó)2002年三大建材產(chǎn)品（水泥、平板玻璃和建筑衛(wèi)生陶瓷）產(chǎn)量及其生產(chǎn)消耗與CO2排放量如下表1所示，這充分說(shuō)明了發(fā)展綠色建材的重要性。建材產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程會(huì)排放大量的SO2、NOx、粉塵、廢水、廢料等。例如，2001年中國(guó)水泥工業(yè)排放SO2615萬(wàn)噸，NOx125萬(wàn)噸，粉塵1443萬(wàn)噸、廢水10億噸。墻體材料、裝飾裝修材料排放出的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）、石材、陶瓷及廢渣可能含有的放射性物質(zhì)，工業(yè)尾礦在建材中的應(yīng)用可能引起的重金屬污染等都會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成不同程度的危害和污染。

表1 中國(guó)2002年三大建材產(chǎn)品產(chǎn)量及其生產(chǎn)消耗與CO2排放量

2 生態(tài)建材的發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前生態(tài)建材的發(fā)展趨勢(shì)可以歸納為以下幾個(gè)特點(diǎn):多功能化、復(fù)合化、傳統(tǒng)建材與生態(tài)環(huán)境功能一體化。但以建材的特性和功能往往難以滿(mǎn)足生態(tài)建筑對(duì)建材綜合性能的要求，材料復(fù)合化技術(shù)可以通過(guò)加和效應(yīng)、光催化效應(yīng)和耦合成績(jī)效應(yīng)，開(kāi)發(fā)出傳統(tǒng)建材并不存在的新的綜合功能，或獲得遠(yuǎn)高于單一材料的綜合功能。生態(tài)建材的發(fā)展既要求新技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)建材生產(chǎn)，又使單純的材料科學(xué)發(fā)展為材料學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)、生物化學(xué)、健康學(xué)等學(xué)科相互交叉的生態(tài)材料學(xué)。

3 大力發(fā)展生態(tài)水泥

發(fā)展生態(tài)水泥是大力發(fā)展綠色建材的一個(gè)重要方面。生態(tài)水泥(eco-cement)就是利用各種廢棄物，包括各種工業(yè)廢料、廢渣以及城市生活垃圾作為原燃料制造的水泥。這是資源有效利用的重要環(huán)節(jié)之一。這種水泥能降低廢棄物處理的負(fù)荷，節(jié)省資源、能源，達(dá)到與環(huán)境共生的目標(biāo)，是21世紀(jì)水泥生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展方向[5]。目前固體廢棄物和城市污泥對(duì)水泥工業(yè)具有一定的挑戰(zhàn)性，因其數(shù)量大且增長(zhǎng)快而備受關(guān)注。 雖然污泥可以用作其他的用途[6-9]，但是用于生產(chǎn)生態(tài)水泥仍然是最理想的方法。

3.1 生態(tài)水泥研究現(xiàn)狀

世界上發(fā)達(dá)國(guó)家利用水泥窯處理廢棄物生產(chǎn)生態(tài)水泥已有20余年的歷史，擁有成熟的經(jīng)驗(yàn)，而我國(guó)利用危險(xiǎn)廢棄物來(lái)生產(chǎn)水泥尚屬起步階段，有待于進(jìn)一步的發(fā)展。

用城市垃圾灰燼和下水道污泥為原料生產(chǎn)“生態(tài)水泥”的技術(shù)是由日本政府新能源及產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)和太平洋水泥公司聯(lián)合發(fā)明的，其生產(chǎn)工藝與普通水泥相近，城市垃圾灰燼、下水道污泥與天然石灰石混合，在窯中燒制成固體再與石膏一同粉碎，有所差別的是其燒制溫度為1350℃，略低于普通水泥的1500℃，并且灰燼中含有50%～10%的Cl元素，使水泥的凝固速度加快，若加入緩凝劑則和普通水泥一樣使用。太平洋公司計(jì)劃建造一座11萬(wàn)噸/年的生態(tài)水泥廠(chǎng)[10、11]。

國(guó)外自20世紀(jì)70 年代初開(kāi)始著手研究用可燃性廢料作為替代燃料應(yīng)用于水泥生產(chǎn)。首次試驗(yàn)是于1974 年在加拿大的Lawrence水泥廠(chǎng)進(jìn)行的[12]，試驗(yàn)表明聚氯苯基等化工廢料在回轉(zhuǎn)窯中焚燒是安全的。隨后美國(guó)的Peerless，Lonestar，Alpha 等10多家水泥廠(chǎng)先后進(jìn)行了試驗(yàn)。歐洲聯(lián)合會(huì)自1994年開(kāi)始在回轉(zhuǎn)窯中焚燒危險(xiǎn)廢棄物，并指出在回轉(zhuǎn)窯中焚燒危險(xiǎn)廢棄物，既處置了廢棄物，又節(jié)約了能源[13]。此外瑞典N(xiāo)ordic 水泥公司所屬的Euroc 廢棄物回收治理公司有一條大型生產(chǎn)線(xiàn)，回收加工各種廢油和化學(xué)溶劑以用作水泥窯二次燃料；Nordic 公司已經(jīng)在它的Slite水泥廠(chǎng)采用了廢橡膠、廢塑料為二次燃料，以替代部分煤粉。Benna Tanna[14]指出，利用廢棄物作為水泥窯的二次燃料有很多益處，包括節(jié)約不可再生燃料，減少由于煤燃燒所產(chǎn)生的CO2，SOx，NOx和甲烷等的排放，減少了廢棄物的處置費(fèi)用，同時(shí)也給水泥廠(chǎng)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益。

近10年來(lái)，歐美一些國(guó)家的水泥企業(yè)敏銳地意識(shí)到新經(jīng)濟(jì)時(shí)代的需求，采取積極策略，適時(shí)地進(jìn)行了正確的自我定位與轉(zhuǎn)型，成功地進(jìn)行著對(duì)傳統(tǒng)水泥工業(yè)的技術(shù)升級(jí)、創(chuàng)新、重組與整合，逐步實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)水泥企業(yè)向環(huán)保型企業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，廣泛地與其它工業(yè)組成仿生群落體或生態(tài)工業(yè)園，協(xié)同處置和再循環(huán)利用全社會(huì)的固態(tài)廢棄物，包括各種工業(yè)廢料、廢渣以及生活垃圾等，為水泥工業(yè)負(fù)增長(zhǎng)及消解其對(duì)環(huán)境的壓力作出了貢獻(xiàn)。1996年，瑞士[17]的HCB Rekingen 水泥廠(chǎng)已成為世界上第一個(gè)具有利用、處置廢棄物的環(huán)境管理系統(tǒng)的水泥廠(chǎng)，并得到了ISO14001 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，它為規(guī)劃、實(shí)施和評(píng)價(jià)環(huán)境保護(hù)措施提供了可靠的框架。

我國(guó)城市垃圾年產(chǎn)量已達(dá)到1.46億t，而且以每年9 %的速度遞增，全國(guó)666 座城市中有200多座已陷入垃圾包圍之中。我國(guó)城市水泥企業(yè)利用城市垃圾生產(chǎn)生態(tài)水泥不僅是必要的，也是可行的。 其中上海金山水泥廠(chǎng)成功利用水泥窯焚燒危險(xiǎn)廢物，現(xiàn)已取得“經(jīng)營(yíng)許可證”；同濟(jì)大學(xué)和上海建材集團(tuán)合作已在下屬幾個(gè)水泥廠(chǎng)成功地進(jìn)行過(guò)利用污泥等廢棄物煅燒水泥熟料的工業(yè)性試驗(yàn)；北京水泥廠(chǎng)利用水泥窯焚燒處置有毒、有害廢棄物也已取得了一定成果。 我國(guó)最終要實(shí)現(xiàn)城市垃圾處理的無(wú)害化、資源化、減量化、社會(huì)化和產(chǎn)業(yè)化，發(fā)展生態(tài)水泥是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，是將各大城市建成生態(tài)化城市必不可少的重要環(huán)節(jié)。

3.2 采用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)生態(tài)水泥的優(yōu)點(diǎn)

在生產(chǎn)生態(tài)水泥的時(shí)候多采用回轉(zhuǎn)窯，采用此方法[11]不僅安全可行，并且具有以下的優(yōu)勢(shì)：

（1）有害有機(jī)物分解率高?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)氣體溫度在1350～1650℃，甚至更高；燃燒氣體在高于800℃下停留時(shí)間大于8s，高于1100 ℃下停留時(shí)間大于3s，濕法回轉(zhuǎn)窯中，氣體在1400～1600℃下停留時(shí)間在6～10s，燃燒氣體在回轉(zhuǎn)窯中總停留時(shí)間在20s左右，并且窯內(nèi)物料呈高湍流化狀態(tài)[8]；在燃燒過(guò)程中或過(guò)后有富余的氧存在，因而廢料中的有害有機(jī)物成分焚燒率可達(dá)99.999 %以上，即使穩(wěn)定的有機(jī)物也能被完全分解[15,16]。

（2）回轉(zhuǎn)窯熱容量大，工作狀況穩(wěn)定，可處理大量的廢料，而且能維持均勻、穩(wěn)定的燃燒氣氛。

（3）系統(tǒng)在全負(fù)壓狀態(tài)下運(yùn)行，避免了有毒、有害氣體的外溢[16]。

（4）回轉(zhuǎn)窯內(nèi)無(wú)論是耐火磚還是原料、窯皮、熟料，均為堿性，因而可有效吸收和抑制SO2，Cl2等的排放[17]。還可將廢料中可能存在的重金屬元素轉(zhuǎn)變成難溶的化合狀態(tài)，固定在熟料的結(jié)構(gòu)中，不需要對(duì)含重金屬的焚燒灰渣再進(jìn)行處理。起到了尾氣凈化和重金屬高溫固化的雙重作用。

（5）完全回收利用了廢物中的熱值，節(jié)約了能源。

（6）燃燒即為最終處理，所以省卻了日后的灰渣處理工序，節(jié)約了填埋場(chǎng)地和資金。

（7）濕法窯若用廢棄物作為燃料可提高相對(duì)于用傳統(tǒng)燃料的干法窯的競(jìng)爭(zhēng)力。

（8）整體排放到大氣中的CO2減少了，當(dāng)廢棄物在焚燒爐中燃燒時(shí)，CO2的排放是附加在水泥窯排放量上的。但當(dāng)作為水泥窯廢物衍生燃料燃燒時(shí)，由于同時(shí)起到了部分燃料的燃燒作用，節(jié)約了燃料，也就減少了CO2的排放量。

3.3 生態(tài)水泥研發(fā)和生產(chǎn)中存在的問(wèn)題

我國(guó)生態(tài)水泥的研究和生產(chǎn)尚處于起步階段，目前還有許多問(wèn)題[11]仍有待于研究和解決:

（1）處置、利用城市垃圾應(yīng)以不影響水泥質(zhì)量為原則，這就需要水泥廠(chǎng)對(duì)所利用的垃圾建立一套嚴(yán)格的管理系統(tǒng)，包括配備必需的檢測(cè)手段。首先應(yīng)對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)試，如氯、硫、重金屬等有毒有害元素的含量是否符合規(guī)定的限制值；同時(shí)根據(jù)所利用的不同廢棄物，工藝流程也應(yīng)有相應(yīng)的改進(jìn)，確保廢棄物進(jìn)入窯磨系統(tǒng)做到定量、連續(xù)、自動(dòng)，以保證水泥生產(chǎn)的穩(wěn)定；

（2）水泥工廠(chǎng)在處置、利用城市垃圾時(shí)，其運(yùn)輸、儲(chǔ)存、投料操作、焚燒等過(guò)程中的安全防范工作以及可能對(duì)環(huán)境造成的二次污染，包括灰塵、臭氣、垃圾等問(wèn)題，尚缺乏行之有效的措施，應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究；

（3）生產(chǎn)過(guò)程中廢氣排放和環(huán)境污染的控制尚無(wú)嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，現(xiàn)行的環(huán)保規(guī)范必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)男抻啞⒀a(bǔ)充和完善[18]。若原料中含較高的氯離子、重金屬離子以及放射性物質(zhì)，它們對(duì)水泥熟料的質(zhì)量以及混凝土的性能會(huì)產(chǎn)生哪些影響，還有待于進(jìn)一步研究；

（4）新建水泥廠(chǎng)時(shí)，須從環(huán)保和城市建設(shè)的角度綜合考慮水泥廠(chǎng)的布局[17]，一定要有合理處置、利用周?chē)鞘欣脑O(shè)想，從設(shè)計(jì)階段就周密考慮城市垃圾的儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)、預(yù)處理(分揀、烘干、破碎等) 、計(jì)量、檢測(cè)等各工藝環(huán)節(jié)，使得新建水泥廠(chǎng)在凈化環(huán)境、發(fā)展經(jīng)濟(jì)、合理利用資源等方面達(dá)到更高水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)最終要實(shí)現(xiàn)城市垃圾和污泥處理的無(wú)害化、資源化、減量化、社會(huì)化和產(chǎn)業(yè)化，發(fā)展生態(tài)水泥是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，是將各大城市建成生態(tài)化城市必不可少的重要環(huán)節(jié)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的認(rèn)識(shí)逐漸加深，開(kāi)始不斷的優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，還人類(lèi)一個(gè)美麗的大自然。人們走上了開(kāi)始不斷的探索各種改善環(huán)境的道路，當(dāng)我們注意到身邊的建材問(wèn)題就是一個(gè)巨大的危害的時(shí)候，我們開(kāi)拓了綠色建材的道路，雖然道路是曲折的，但是前途是光明的，隨著科技的不斷進(jìn)步發(fā)展，建材問(wèn)題將得到充分的解決。

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Developing of eco-cement as center of fast developing of the green building materials

Geng Chunlei, Gu Jun, Hao Liwei
(Beijing Building Materials Academy of Sciences Research (State Key Laboratory), Beijing 100041)

The building materials production process not only consumed large amount energy and resources, but also polluted the environment. Meanwhile, the municipal solid waste and sludge bring the huge pressure to the environment. It can both reduce the pollution hazard to the environment and the threshold material and energy consumption when the municipal solid waste and sludge are used as the raw materials and fuel in cement production process. Developing the green building materials is an important part of urban sustainable development and a necessary links of constructing ecological city.

Green building materials, Municipal solid waste, Sludge, Eco-cement.

*資助項(xiàng)目：973項(xiàng)目（課題編號(hào)2010CB735803）

耿春雷，博士，工程師。畢業(yè)于清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系，目前在北京建筑材料研究總院工作，主要研究方向?yàn)椋航饘俦砻嫣幚砑夹g(shù)，鋼鐵的腐蝕與防護(hù)，固體廢棄物的資源化綜合利用。

[單位地址]北京市石景山區(qū)金頂北路69號(hào)院（100041）