我国水泥工业建设循环型生态系统的技术经济分析，本文主要内容关键词为：生态系统论文,经济分析论文,水泥论文,我国论文,工业论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
〔中图分类号〕X506 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1000-0763（2002）05-0040-06
一、引言
21世纪是知识经济时代，也是社会经济与生态环境协调发展的世纪，这已成为当今世界各国的共识，并寄托了人们对新世纪的期盼。作为传统产业的水泥工业该如何进入21世纪？1992年里约热内卢世界环发大会后，绿色发展已成为当今世界各国长远发展的指导方针和战略目标。水泥工业也日渐受到绿色发展观念的影响，水泥工业的绿色发展已成为21世纪水泥工业的发展趋势。
与发达国家相比，我国虽然是世界水泥第一生产和消费大国，但我国水泥工业环境保护和经济的发展极不协调。我国水泥制造业仍是一个污染密集型行业，不仅其原材料主要取自天然资源，生产过程消耗大量能源，而且还向环境排放大量粉尘、废气，对生态环境构成了严重危害。我国水泥工业要实现绿色发展，不仅需要节能降耗，实现清洁生产，而且应尽可能充分利用其他工业排出的废渣、废料和二次能源，甚至消解长期难以处理的各种危险废弃物和城市垃圾，变废为宝，并与其他行业协作，建立良性循环型工业生态系统，共同解决社会环境和生态平衡问题。
良性循环型工业生态系统的思想起源于自然界。自然界建立了一个良性的物质和能量循环体系，一个有机体排除的垃圾可成为另一个有机体的食物。从本质上说，自然界任何生物的生存都离不开别的生物，这种相互依存的关系形成了大自然一种良性的自我调节机能，维持着生态系统物质和能量的动态平衡。
目前，世界各国工业界的经济体系是一种不独立和不完整的开放式的生态系统。这种人工生态系统就如同著名经济学家K.E.Boulding在《未来的太空船—地球经济学》一书中所描述的牧童式经济（Cowboy economy），它几乎完全丧失了自然生态系统的结构和功能，需要时刻输入大量资源和能源，同时又向环境排放大量废弃物。由于无法实现物质和能量的循环，这种体系是不可持续的，而且会给环境和人类长远福利带来灾难性的影响。
要实现人类社会的可持续发展，只有重建一个良性循环型的工业生态系统。这类似K.E.Boulding所描述的“太空人式经济”（Spaceman economy），争取实现一个工厂排放的垃圾能成为另一个工厂的原材料，工业经济的物质和能量实现循环流动，其本质就在于工业的综合利废。水泥工业在实现自身“零污染”的同时，能否成为生态产业，综合利废的技术和经济的可行性是关键要素。
二、水泥工业综合利废的技术可行性
目前，水泥工业有效利用工业和城市废弃物的途径，主要有以下两个方面：
1.将废弃物作为水泥原料或混合材料
由于某些废弃物化学成分与水泥原料组成近似，理论上，可用来替代部分或全部水泥生产所需的原料。常用的主要为工业固体废渣，如粉煤灰、煤矸石、炉渣、金属尾矿等。日本秩父小野田公司还利用城市下水道污泥生产了一种名为“生态水泥”的产品，该水泥的原料中60％为废弃物，其中污泥占20％-30％。我国某水泥厂用污水处理厂的污泥生产水泥也获得了成功，该技术不但达到国际先进水平，而且还填补了国内利用水泥窑处置污泥的空白。
另外，一些废弃物因具有活性或潜在活性，可用来做水泥混合材，替代部分水泥熟料。我国已开发出一系列的高效复合水泥添加剂，可大幅度提高工业废渣的使用量。国际上80年代中期即开发出“超细掺合料技术”，将同硅酸盐水泥成分近似的高炉矿渣、电厂粉煤灰、煤矸等激活改性为“功能调节性材料”。这样，不仅彻底改变了原来仅将这些废渣、废料作为代替和减少熟料的单纯混合材性质，亦可进一步增加废渣用量，并用可改善混凝土性能。1985年加拿大首先开发出高掺量粉煤灰混凝土，粉煤灰掺量占胶凝材料总量的55％—60％；美国、加拿大、英国等国，用细磨矿渣可代替50％-75％的熟料。我国北京水泥厂在全国率先采用“双掺”粉煤灰工艺，即在生料中粉煤灰代替粘土，在水泥制成中将粉煤灰做混合材，年可利用电厂粉煤灰15万吨。
由于利用工业废渣的新技术、新设备、新政策的相继问世，现已有多种工业废渣可被水泥工业利用。（表1）
表1 可作水泥原料和混合材的工业废渣种类一览表
废渣潜在水硬性 火山灰性水硬性 气硬性 低活性或惰性其它
粒化高炉矿渣粉煤灰 磷石膏②
锰铁矿渣 煤矸石 氟石膏② 含钛矿渣
名化铁炉渣沸腾炉渣 盐田石膏②铜渣 碱渣
铬铁渣 液态渣 钢渣环保石膏②硫铁矿渣①①
称 赤泥① 煤渣 电石渣②硫铁尾矿①钒泥
粒化电炉磷渣 硅灰柠檬酸渣②铅锌尾矿②窑灰
增钙液态渣稻壳
①水泥原料②水泥缓凝剂
其他未注明者大都用作水泥混合材，少数用于生产无熟料水泥
2.将可燃废弃物作为燃料
可燃废弃物可被水泥工业作为燃料替代部分煤、油。目前，欧美水泥工业对可燃性废弃物的回收利用正受到各界的重视并在继续推广，美国、加拿大的利用约占各自水泥生产总热耗的5％，英、法、德等国约为6-8％，最高的是瑞士达20％。
我国在这方面也进行了有益的探索和试验。例如，上海建材集团总公司所属万安企业总公司（原金山水泥厂）利用上海先灵葆制药有限公司生产氟洛氛产品过程中产生的氟洛氛废液（含氟异丙醇，按照危险废弃物的定义，它是一种有害废物），进行了替代部分燃料生产水泥的经验，可节能25％。经有关机构检测，表明掺烧一定比例的氟洛氛废液，对水泥产品质量无影响，对环境大气亦无污染。北京建材集团公司所属北京水泥厂利用树脂渣、废漆渣、有机废溶液、油默渣等4种比较有代表性的工业有机废弃物在本厂2000t/d熟料新型干法窑上进行了焚烧试验，北京市环境监测中心对试验过程进行了跟踪监测。测定结果表明，排放的废气中的有机废物和重金属的浓度和排放量，均未达到北京市允许的最高排放标准，对熟料和窑灰取样做了重金属浸出试验，测定结果重金属的浸出量低于地表水二级标准，对水泥产品质量亦无影响。上述两厂所进行的试验工作是非常有意义的，首开了我国利用有机废弃物作为替代燃料生产水泥的先河，试验结果都说明了利用可燃性有机废料作为替代燃料生产水泥在技术上是可行的，具有节能、利废，提高经济效益的双重作用，又为减轻社会的环境负荷做出了贡献。当然所进行的工作还是初步的，有待进一步深入和完善。
三、水泥工业综合利废的环境经济效益分析
水泥工业现可利用的废弃物主要为工业固体废弃物、危险废弃物及城市垃圾（包括城市下水道污泥）。水泥工业的综合利废，不仅在技术上是可行的，而且其环境和经济效益也是可观的。
1.工业固体废弃物利用的环境经济效益
工业固体废弃物是工矿企业在生产过程中向环境排出的各类固体废弃物的总称。一般说，固体废弃物具有产量大、占地面积广的特点。固体废弃物中含有各种有毒有害的物质，扬尘污染大气，渗滤液污染地表水和地下水，堆存物污染农田，造成土壤质量下降，同时还占用大量土地，成为重大的环境隐患。截至1995年，我国历年堆放的工业固体废物就达664055万吨，占地面积55440万平方米，其中占用耕地5.89万亩。仅此一项，每年就得减少2.95亿吨粮食。据估算，目前我国每年固体废弃物造成的损失至少为数十亿元。若大量利用固体废弃物，不仅可减少其造成的污染损失，而且可大大减少土地的占用量，环境效益与社会效益显著。
据中国环境公报统计，1995年我国工业固体废渣产生量为64474万吨，排前五位的分别是尾矿18957万吨、煤矸石11786万吨、粉煤灰11677万吨、炉渣7893万吨、冶炼废渣7091万吨，5种合计57404万吨，占总量的89.03％。这五种工业废渣都可转化为水泥工业的原材料。1999年，我国生产水泥5.73亿吨，利用工业废渣约1亿吨，用作水泥混合材的约6500万吨，约占水泥总量的11.3％，若利用高效复合水泥添加剂技术，在同等情况下，可使混合材掺加量提高15％以上，全年可多利用工业废渣8500万吨，即可增加水泥产量8500万吨，可实现产值170亿元，利税100亿元；可节约标准煤1020万吨，还能减少土地占用34000亩；同等产量下，可减少有害气体排放量：CO[，2]8500万吨，SO[，2]17万吨，NO[，x]34万吨。
因此，无论从利废的技术还是从效益角度，我国水泥工业大量利用工业固体废渣，前景广阔。
2、水泥工业利用危险废弃物和城市垃圾的环境经济效益
根据巴塞尔公约的规定，危险废弃物是包含有毒性、反应性、腐蚀性、易燃易爆性的废弃物。危险废弃物在数量上虽远不及固体工业废物，但分布面广，更由于其化学性质复杂，对环境危害大，是土壤、大气、水体，特别是地下水的重要污染源。1994年全国危险废弃物的产量约1490万吨，排放量为142万吨；预计到2000年我国危险废弃物的产量将为3000万吨，排放量将为280万吨。
随着社会经济的发展，人口的增加和城市化水平的提高，我国城市垃圾的数量正以每年10％的速度增加，若不对其进行无害化处理，将会对城市水源、景观及居民的健康带来危害。1990年，我国城市垃圾产生量1.17亿吨，无害化处理率仅为1％；预计2000年，我国城市垃圾将达1.55亿吨，无害化处理率将提高至10％。
表2 城市垃圾填埋工程费用调查（1994年）
处置量总投资运行费用
序号 工程名称
（t/日） （万元） （元/t）
1广州大田山填埋场 12001600
18
2 杭州天子岭填埋场300 2700
8.4
3 包头青山填埋场 2102.8
4 中山狗子坑埋场 200 1213.4
5 上海老港填埋场 300016479
12
6 鞍山填埋示范工程15007279
7 北京大灰场填埋场700 722
8 北京礼贤填埋场 20001380
9 中北京阿苏已填埋场 10001548
10北京北申树填埋场350 974
11 北京安定填埋场600 1964
12唐山填埋场 130 355
危险废弃物和城市垃圾的大量产生对社会和环境带来了巨大的威胁，由于传统处理方法固有的局限性，对它们的有效处置一直是世界难题。就目前而言，常用的处置办法有填埋法（Landifll）和焚烧法。①填埋法，即将危险废弃物或垃圾深埋地下。该方法占地面积大，总处理量低，投资大，同时更为重要的是污染地下水的危险。我国危险物平均处置成本为1217元/t。表2列出了我国重点调查的12个填埋工程，其平均投资为5.5元/t，运行费用平均为9.1元/t，所以填埋平均处置单价为14.6元/t。
②焚烧法。焚烧的基本原理即是在高温条件下，使有机物氧化分解成小分子，最后变成CO[，2]或H[，2]O等无机物。氧化必须完全，这是焚烧危险废弃物的基本要求。为了达到这一要求，必须防止可能发生的的氧化不完全或合成等反应，以避免或控制不完全燃烧产物和有害气体（如CO、HC[，1]、SO[，2]等）造成二次污染。因此对危险废弃物的焚烧，在工艺、设备和运行操作等方面都有严格的要求。为达到上述要求，建造和运行危险废弃物的专用焚化炉，基建投资和运行费用都是相当高的，如业已投产的上海浦东江桥垃圾焚烧厂处理能力仅1000吨/天，需投资7.1亿元人民币，香港特别行政区亚洲惠民环境技术有限公司每年通过化学、物理、焚烧等方法处理的废弃物仅分别为1.5万吨、7万吨、6万吨，但需投资13亿港元，投资费用昂贵。另外，由于焚化炉焚烧温度较低（一般为850℃～1200℃），物料停留时间短（一般为2s），有机废物难以完全分解，形成不完全燃烧，致使少量有机废物排入大气，而且焚烧后的沪渣还要深埋或需进一步处理，都有可能对环境产生二次污染。
然而，水泥工业不仅可将危险废弃物和城市垃圾作为生产水泥的原料或燃料，而且与传统处理方法相比，水泥窑可更安全、可靠地消解危险废弃物和城市垃圾，从而解决了这一社会难题，社会和环境效益显著。这是由水泥回转窑生产固有的特性所决定的：
通过大量的试验和监测，发现水泥回转窑在处理危险废弃物方面较之建专用焚化炉更具优越性：
①水泥回转窑窑内温度高。气体温度在1350℃～1650℃，甚至更高，在如此高温下，废料中主要有机物的有害成分焚毁率可达99.999％以上，即使很稳定的有机物也能被完全分解。
②水泥回转窑热容量大，工况稳定，不仅可以接受处理大量的废料，而且可能维持均匀、稳定的燃烧气氛。
③燃烧气体在水泥回转窑中高温下停留时间长。高于800℃下停留时间＞8s，高于1100下停留时间＞3s；湿法回转窑中，气体在1400℃～1600℃下停留时间为6s～10s.燃烧气体在回转窑中总停留时间在20s左右，因而焚烧充分，不易产生不完全燃烧。
④水泥回转窑中为碱性气氛，一方面对燃烧产生的酸性气体，如HC[，1]、SO[，2]、CO[，2]等能起到中和作用，使它们变成盐类固定下来，另一方面也能将废料中可能存在的重金属元素固定在氧化物固体中，毋需对含重金属焚烧灰渣再进行处理，因而水泥回转窑起到了尾气净化装置和重金属高温固化的双重作用。
由于具有上述优点，水泥回转窑被认为是处理危险废弃物得天独厚的焚化装置，有效消解了长期难以处理的各种危险废弃物和城市垃圾，造福社会；而且与建设专用焚化炉相比，具有建设投资省、运行费用低、经济效益好、无害化彻底等优点。
长期的研究报告证明，利用危险废弃物和城市垃圾生产水泥，不仅不影响水泥质量，而且所生产的水泥及其制品对环境没有任何负面影响。既节约了资源能源，降低了水泥生产成本，又在处理过程中消除了二次污染，实现了危险废弃物和城市垃圾处理的无害化、资源化和产业化，经济效益、社会效益和环境效益显著。
四、我国水泥工业综合利废实例
为了佐证上述分析的结论，我们以某水泥厂综合利废项目为例来进行可行性分析。某水泥厂现有湿法回转窑生产线3条，其中31/25m×78m2条，35m×145m1条。为了积极利用和处理各种工业废料，工厂对3条生产线工艺流程进行了调整，相应增加了有关设备和设施，以利用工业废料取代部分燃料或原材料生产水泥，变都市水泥工业为处理和利用废弃物的绿色环保产业。近2年来，工厂在利用工业废弃物方面作了大量的研究和生产性试验工作，具体项目包括：①利用某焦化厂3000kJ/kg～8000kJ/kg的热量的U-GAS煤渣液代替部分原煤和粘土，节约成本70万元左右。②利用某焦化厂德士古炉渣和炉饼代替部分原煤和粘土，节约成本30万元左右。③利用某钢铁集团丢弃的石灰石炉饼代替部分石灰石原料，可节约成本80万元左右。④利用煤厂钛白粉废渣代替部分二水石膏，可节约成本64万元。
在实施上述项目基础上，该水泥厂又进行了后续科研项目包括：①处理污水处理厂的污泥。②处理某钢铁集团下属各钢厂的钢渣代替铁渣的综合利用。
为稳定废弃物来源，某水泥厂已先后与有关企业集团和工厂签订了废物综合处理合同，保证了工业废弃物的货源及供应量，并收取一定的处理费作为对水泥厂的补偿。
对某水泥厂综合利废项目的技术经济评价：
①设计规模。本项目处理工业废弃物25万t，折合干基15万t。全厂全年需水泥原料45万t，所处理工业废弃物占全年水泥原料的32％。
②项目总投资及资金来源。本项目因调整工艺流程、增加设备及设施，总投资共需1190万元，其中静态投资1060万元，建设期利息130万元。资金来源为申请国家贷款。
③工资及福利费估算。全厂现有职工890人，年平均工资及福利费的总数按年销售收入的10％计提，为143545万元。
④项目税后主要经济指标：投资回收期4.56年，不包括建设期1年；财务内部收益率14.37％；盈亏平衡点80.22％。
⑤财务评价结论。该项目在生产经营期间盈利能力尚可，资金投入后能够回收，具有偿还建设投资借款能力，亦具有适应各种因素变化的能力，从财务角度讲项目是可行的。
某水泥厂综合利废项目的投资费用与社会效益汇总分别见表3、表4。
表3 3种废物处理方式和投资费用对比
某水泥厂综某江桥垃圾厂焚香港亚洲惠民环境技
项目
合利废项目烧炉处理废物 术有限公司处理废物
投资费用/亿元 0.119
7.1
13
处理能力/（万t.a[-1]） 25 309.1
表4 社会效益
废物排放单位及废物名称原处理方式 经某水泥厂处理后对环保的贡献及效益
某焦化工厂德士古炉渣、炉减少租地费50万元，避免了对农田河水
饼和U-GAS煤渣液 租地填埋
的污染，大大缓解了厂群矛盾
改善了长江口环境的状况，减少了1000余
某钢铁集团石灰石炉饼购地堆放
万元耕地处置费
某厂钛白粉废渣租地填埋 减少了对河道的污染，避免了二次污染
因此，我们认为水泥窑无愧为利用其他行业废弃物的得天独厚的装置。而且某水泥厂综合利废项目的成功，又为都市水泥企业的绿色发展指出了一条崭新的道路，即都市水泥企业可成为大都市实施可持续发展战略的得力助手。
六、结 束 语
水泥工业一方面是一个资源能源消耗量大、环境污染严重的行业，造成了巨大的生态压力；另一方面，水泥工业又具有巨大的生态代偿能力，表现为：其一，水泥工业具有消化利用工业废弃物的巨大潜力，经济效益与社会效益显著；其二，可节约原材料和能源，降低有害气体和粉尘的排放；其三，由于水泥工业的特殊优势，对危险废弃物和城市垃圾的无公害处理有巨大潜力；其四，可带动相关生态和环保有关技术产业的发展，如水泥添加剂技术、高细粉磨技术、水泥混凝土改性材料等技术产业。
所以，科学规划、设计与发展水泥工业，不仅可以处置大量的工业和城市废弃物，而且可以将工业和城市废弃物转化为二次资源、能源加以利用，生产人们所需要的产品。在获得显著经济、环境和社会效益的同时，还对生态系统的良性发展和生态再生产具有无可比拟的潜力。也为我国都市水泥企业的发展开辟了一条无害化、环保化、资源化、产业化的绿色通道，使之成为一个可持续发展的新兴环保产业。
正是由于水泥工业可实现对工业和城市废弃物的综合利用，已赋予了现代化水泥工业“生态、环保型绿色工业”的新内涵，正逐渐改变其在一些发达国家“夕阳工业”的地位。
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