水泥工业循环经济论文

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摘要：本文分析了水泥工业循环经济、系统化技术、自动化技术，并加深对循环经济的认识。

关键词：水泥工业；协同处理；废弃物（垃圾）重组化；系统化技术

引言

在2005年第4期的《关注循环经济》一文中，本人对什么是循环经济、生活垃圾和工业垃圾、节能和冶金、石化行业及系统化技术和自动化技术几点作了初步的分析，回顾了1972年斯德哥尔摩联合国第一次人类环境会议、1987年联合国环境与发展委员会的《我们共同的未来》长篇报告、1992年里约热内卢联合国环境与发展大会、2005年2月“京都议定书”（控制全球温室效应）等国际活动，指出我国把可持续发展观作为基本国策等，并且对我国近年来的经济发展，特别是对资源的需求进行了分析，列出中国资源消耗占全球总消耗的比重，指出我们要节约资源、节约能源、实现资源再利用的迫切性；并列举了中央历届首长都提到要发展循环经济等等。目前循环经济已列入了“十一五”发展规划。

循环经济是一种新的经济增长方式：以资源的高效利用和循环利用为着力点，逐步遏制环境污染和生态恶化的趋势，实现全面建设小康社会的目标，具体有3R原则：Reduce（减量，资源消耗减量化）,Resure（再使用，资源再利用），Recycle（再循环，资源再生化），另外还提出了Remanufacture（再制造）和EPR（生产者责任延伸制度、排放者责任）等。

在机械制造业、发电厂、冶金、石化行业实行循环经济，“一论”中已指出再制造、发电设备大型化、清洁生产等方向，这可以看出要从工艺着手，系统化技术和自动化技术与之配合，才能使循环经济达到更高水平，才能扭转高消耗、高污染、低产出的状况，才能使循环经济集约化。先进工艺和自动化技术是互相依存的关系，但作为自动化的从业人员，应该树立为工艺生产服务的思想，我们要学习工艺、了解工艺，正如Astrom所说，掌握生产过程特性等工艺知识越多，则设计的控制系统就越好。本文将结合建材工业中主要材质水泥的生产工艺的发展与循环经济的关系进行分析。对于自动化的从业人员来说，就算是一种对工艺的学习了解吧！并从而举一反三，了解循环经济与许多行业的关系。

1水泥工业与循环经济

（1）水泥工业的发展现状

在“一论”中表1“中国的资源消耗占全球总消耗的比重”里指出，这些年发展最快的钢铁占全球总消耗的26.7%，而水泥独占鳌头，占全球总消耗的48.3%，这是2003年的情况。我国2005年水泥产量为10.64亿吨，比2004年增长9.7%，占世界水泥产量50%以上。从1986年起，我国一直是世界第一产水泥大国。我国水泥出口也有较大增长，2005年水泥出口比2004年增长89%，同年水泥熟料出口1078.49万吨，比2004年增长949.66%。水泥生产结构调整得到突破性进展，2005年建成投产110条新型干法水泥生产线，新增能力为10，137万吨，累计新型干法水泥生产线615条，其中4000吨以上生产线104条，整个水泥行业结构调整处于最佳机遇期，2005年新型干法水泥总产量的比重为45%。另外就是产业集中度提高，安徽海螺集团已成为第5位世界水泥企业集团，我国10大水泥企业集团的生产集中度由2000年的4.4%提高到2005年的13.3%；装备水平及装备制造水平已达到国际先进水平，如日产2000吨新型干法水泥生产技术装备已全部国产化，日前10，000吨水泥熟料生产线全球7个中我国占4条。所有这些为我国新型干法水泥生产线的建设和设备出口提供了保证，2005年沙特与我国签订了6条日产5000吨以上水泥生产线总承包合同，其中两条是国际最大规模日产10，000吨水泥生产线，总合同金额达13亿美元，这也证明我国水泥工业正在实施“走出去”的战略。

与电力工业一样，水泥工业也面临以大型化、新工艺取代小水泥及落后工艺的加快产业升级的局面，日产2000吨（欠发达地区）及4000吨新型干法水泥生产将会较快发展。我国水泥工业与国际先进水平相比，差距仍很大，节能、环保、发展循环经济都是当务之急。

我国水泥工业经历了模仿、自主开发研究、创新提升三个阶段，除普通水泥外，还研制了8大类6个体系的特种水泥（包括重交通路面水泥）、绿色高性能生态水泥等，而且以节能、环保、高性能、提高劳动生产率为中心，继续前进。

（2）水泥工业与节能

水泥工业的能耗量约占全国能源产量的7%~8%，又仅就新型干法生产来说，国内一般水平的水泥企业能耗较国际先进水平企业能耗仍有很大差距，约多耗能3成，而国内其它生产工艺则能耗更大，也就是说节能潜力很大，所以我国“十五”中提出的节能十项重点工程中第一项“燃煤工业锅炉（窑炉）工程”即包括水窑。如以窑外分解窑热耗折算系数为1，则湿法窑为1.82，中空窑为2.46，机立窑为1.3，普立窑为1.69，由此可知，湿法窑比窑外分解窑多耗能将近1倍，其余类推，所以工艺设备改造是节能的主要方法。

水泥生产的能耗由三部分组成，即生产水泥中所用熟料在其煅烧（烧成）时所消耗的热能、水泥生产过程所消耗的电能、水泥生产中所用的原料、燃料及矿渣等混合材烘干时需消耗的热能。水泥节能的途径，除上面已说到的加快产业结构调整、促进新型干法生产快速发展以外，尚有如下几点：回收废热进行发电、利用各种工业废渣废料、以质代量、技术装备的改进、水泥窑焚烧垃圾等，我们要按照1998年1月1日起实施的“节约能源法”等，特别是“十一五”规划中节能20%的目标抓紧工作。

关于回收废热进行发电，这是一个非常现实的节能途径。目前国内即使先进的生产线工艺，仍有大量350℃以下的余热不能被利用，浪费热量约占系统总热量的30%。目前正推广利用水泥生产中的废气作为热源的纯低温余热发电（不是补燃型），同时也减少“热污染”，改善了环境，目前新的国产的干法生产线纯低温余热发电设备已接近或达到国际水平，而且投资成本降低，一般投资回收期为3~4年，详见表1（注：500~5000t/d生产规模），天津水泥设计院还自主开发了DCS系统，用于SP余热锅炉或AQC余热锅炉的控制。

表1新型干法生产线（纯低温余热发电）主要技术经济指标比较

名称国产技术和装备国外技术和装备

吨熟料发电量（kw/h）24~2628~38

自用电率（%）

年运行时间（h）7，5007，500

供电成本（元/kwh）约0.5约0.2

单位千瓦投资（元）约7，000约8，000

劳动定员（人）1616

因为节能的各种途径与循环经济或环境保护关系很密切，所以将在以下各小节中阐述。

（3）工业废渣、废料的利用在“一论”中说到我国每年约有8亿吨工业垃圾（或称工业废弃物），实际这是2000年的产生量，2004年的产生量已为12吨亿，其中综合利用量为6.8亿吨，工业危险废弃物产生量963万吨。工业危险废弃物的处置方法以焚烧为主，但缺口很大。我们知道水泥行业是严重的资源依赖型行业，主要原料以天燃原料为主，但对无机固体废弃物具有很好的消纳能力。生产1公斤的水泥制品，大约需要0.75~0.9公斤熟料矿物和0.1~0.25公斤混合材料及其它辅助材料，在磨制水泥过程中已经大量使用矿渣、粉煤灰。生产1公斤熟料，大约需要1.3公斤的石灰石、0.3公斤的黏土质原料、0.15公斤的煤炭，替代原料和替代燃料的工作一直是主要的研究课题。虽然水泥工业自身不能形成主要原材料的循环，但是却可以消纳其它行业形成的废弃物，这就是所谓的大循环或中循环。废旧轮胎、废机油等可燃物质可作为替代燃料，作为替代原料，除去上面所说的矿渣、粉煤灰外，还有高炉废渣、冶炼尾矿、赤泥、电石渣、铸造砂等，平均1吨硅酸、盐水泥可以消纳300千克工业废渣，这样充分利用其中的硅、铝、铁、钙等有用成分，可配成合格的水泥生料，又可节约原料资源。特别是经过煅烧的废渣，可以降低熟料烧成热耗，所以说也节约了能源。为此，水泥窑外，要增加些预处理的设备，特别是作为替代燃料，要对应建设预分解窑或对粉状、液体废料设计出相应的燃烧器或喷射装置、投入装置。

关于工业废弃物中重金属问题将在第5小节中阐述。

（4）在水泥生产过程中的协同处理城市生活垃圾

在“一论”中说到我国每年约有1.4亿吨城市生活垃圾，每年增长量约8~10%，实际历年堆存量有70多亿吨，垃圾堆存侵占的工地面积达5亿平方米，2/3的大中城市陷入垃圾包围中。我国处置生活垃圾主要有填埋法、焚烧法、物理化学法三种。目前焚烧法有纯焚烧炉和垃圾焚烧发电两种。焚烧法的缺点是投资大、成本高，另外就是其技术上的缺陷，即只有当垃圾发热值较高时才合适，另外，就是仍有二恶英和重金属排放等二次污染的难题。

又污水处理中（包括工业污水处理），全国已形成超过1亿吨的年污泥总量，目前污泥处置水平很低。

我国北京水泥厂从90年代以来开始了利用水泥厂回转窑处理城市生活垃圾的研究和实践，取得了良好的效果；近年南京水泥工业设计研究院利用新型干法水泥窑系统处置城市垃圾取得可喜成果；

2005年瑞士豪西盟（Holcim）集团与德国技术合作公司制定了“水泥生产过程协同处理废物指南”，足以证明这是一条保护自然资源、改善环境和实行循环经济的可行之路。由于认识到焚烧炉对人类环境和健康存在着严重的威胁，从1985年起美国就已有超过137座焚烧炉兴建计划被取消，1996年五大湖区52个焚烧炉结束运作，日本于1998年末开始永久或短暂关闭了2000多座工业废物焚烧炉，到2000年7月，全日本已有4600座垃圾焚烧设施被停止使用；欧洲也相继颁布“焚烧炉禁建令”后，所以我国对这方面的技术动向应密切关注。

经研究表明，无论二恶英的产生是哪种机理，其产生过程都具有以下特点：HclO2前体物的存在；生成温度不高，一般情况下在250℃~600℃之间；特定的金属离子（Cu2+、Fe2+）对其形成过程的催化作用；燃烧过程不完全，有一氧化碳存在；烟气的含水量较高，燃烧过程产生蒸汽。而一般生活垃圾焚烧过程具备生成二恶英的条件，因此出烟口气体中的二恶英含量较高。为此，提出“3T+E”控制要求，即燃烧温度（Temperate）、烟气停留时间（Time）、搅动现象（Turbulance）、空气供给量（ExcessAir），另外就是要求在焚烧过程中添加吸收剂或碱性抑制剂，以及从源头上控制进入的垃圾的氯含量。一般情况下要求温度大于800℃、烟气在高温区停留时间在1~2秒以上，垃圾与空气充分混合，保证过剩空气比为1.5~2.0，还要求尽量缩短燃烧烟气在处理和排放过程中处于250~600℃（尤其是300~400℃）之间的时间，而且对焚烧后的灰渣和焚烧过程中的飞灰要进行二次焚烧或水泥固化，防止灰渣中的二恶英的二次污染。如果说上述是对焚烧炉的工艺要求，还不如说水泥窑炉具有诸多优点，可以做到在水泥生产的同时进行生活垃圾的焚烧，替代传统的垃圾焚烧炉。

新型干法水泥回转窑的优越性总结为如下几点：1、窑内温度高，物料温度约1450℃，气体温度约1750℃；2、物料和气体在窑内通过时间长，在大于100℃的通过时间为4秒；3、窑内高温气体湍流强烈，可使废弃物完全燃烧；4、水泥窑全系统在负压下运行，有毒有害气体不会漏出；5、水泥窑内的碱性物质可以中和吸收废弃物中的氯、硫、氟等，变成无毒的化合物；6、焚烧废物的残渣最终又进入水泥熟料，对水泥质量并无不良影响，这也防止了二次污染；7、可燃废弃物可替代部分燃料，可减少水泥工业对燃料的需要量，节约一次能源，同时也可减少CO2等废气的排放；8、最后就是水泥窑可以将废料中的绝大部分重金属固定在熟料中，避免了重金属的再次扩散。

当然对垃圾分拣、除铁、破碎和喂料系统那是必要的，这可以通过技术改造实现，当然也可以单独建立垃圾处理工厂。

（5）重金属的渗滤性上两节末说到的重金属，一般是指比重大于4

或5的金属，约45种。铅、铬、镉、汞等均属于对人体危害较大的重金属，而砷有时也有人把它列入有害“重金属”，现实生活中，垃圾中的确有重金存在，具体如表2所示。由于新型干法水泥生产系统如上节所说的处理温度高、停留时间长，碱性工况、处理量大、不产生强酸性气体和灰渣等优点，而且被固化的重金属在水泥产品使用过程中，不会渗滤到环境中，所以，这成了处理含重金属废弃物的好方法。当然这些是经过实验认证的，如法国、德国、我国台湾和南京水泥工业设计研究院都有研究成果发表，结论是：采用水泥窑炉焚烧和处理城市生活垃圾，不会因为垃圾中所含重金属而在生产过程和水泥产品的使用中给环境带来影响。

同时水泥产品国家标准应增加重金属含量安全指标，这样才能做到使水泥企业协同处理垃圾的事业名正言顺。

表2垃圾灰渣中重金属量（mg/kg）

类别AsCrCuCoCaHg

L1220.0959110.1

M555380.51133113.5

H9020001.03054003070

注：其中L：重金属的低限含量

M：重金属的平均含量

H：重金属的最大含量

2循环经济及系统化技术自动化技术的再认识

（1）本文通过水泥工业的节能及协同处理废弃物进一步加深了对循环经济的认识。循环经济作为物质闭环流动型经济，减量、再利用、再循环的优先排序是：首先是企业内部要考虑减量化，即减少废物产生量、天然资源的消耗量，然后才是对废物的再利用、再循环；在产品的使用和报废上，首先应考虑再利用，减少一次性使用的产品，然后才是再循环。我国不少企业，首先在减量化方面做得很不够，所以我们讨论再利用、再循环时，切莫忽视了减量化，就如低标号水泥的“泛滥”，这不仅是造成工程质量差的问题，还浪费了矿产资源和能源，所以水泥行业提供以质代量的节能途径。为此从系统结构优化的角度看，循环经济还需要增加重组化（Reorganize），即4R，我们应追求生态经济系统最优化，力求生态经济系统在环境与经济综合效益最优化前提下可持续发展。

（2）系统化技术之所以称为一门技术，是为了强调它不只是科学意义上的系统学而是实实在在可以操作的一门技术，可以解决具体问题。如研究循环经济的物质流核算（MFA），要从各行业物质流平衡表做起，再作出全国的物质流平衡，从而得出资源利用评价指标、资源循环利用的评价指标、废弃物排放量指标……，我国在做了这些工作之后，才指出“十一五”规划的两个历史硬指标：2010年人均国内生产总值（GDP）比2000年翻一番；单位国内生产总值能耗在“十五”末期降低20%，从而实现注重经济增长质量的新的经济增长方式，做到资源的高效利用和循环利用，遏制环境污染和生态恶化……

在系统化技术的应用中，应分析出形成循环经济产业的经济动力，如“一论”中所述的模仿人的血液循环系统将废旧家电、废塑料制品等废弃物循环利用各部分为动脉产业和静脉产业，又如环保事业的核算应该确立环境管理会计（EnvironmentalProtectionAccounting）概念等。

所以推行水泥生产过程协同处理废弃物的循环经济，应从系统化技术着手在经济和政策结合上采取措施，形成良好的处置废弃物的市场环境。

（3）自动化技术是节能和节约资源、特别是循环利用废弃物中不可或缺的技术。实践证明水泥行业在粉磨环节上采用自动化技术，节电效果尤为显著，吨水泥耗电量度998年时需要38千瓦时，而2003年国内先进指标已达到25千瓦时，如果按这个指标计算，仅2004年一年我国此项可节电126亿千瓦时，即折标准煤155万吨。除去变频调速以外，电控方面还有多项技术需要推广，智能化的马达控制中心和智能化配电柜等将使水泥厂向数字化、网络化前进了一大步，这也证明，在应用现场总线技术方面，电控比仪控领先一步。

作为仪控中常遇到混料流量调节和水泥窑的大滞后调节两个难题，经过DCS技术多年推广，已经有了很多成熟经验。如横河DCS的“内部仪表”中有混料PI调节器，它可以保持累积的总流量为所需要的数值；又采样PI调节器是专门为长纯滞后时间的系统而设计的，它总结了操作工人的经验，调节器自动地执行如下控制动作：模拟操作人员在手动状态下略为改变控制输出并观察其效果，连续进行这个“逐步改变并观察”的过程，以达到预定的目标性。具体采样周期为PI控制时间与输出保持时间之和，而且PI控制时间仅为采样周期的十分之一。这对于水泥窑的对象，可以把实际操作工人的经验与DCS的控制手段相结合，做到人机和谐友好。当然新的控制算法、数字模型等的研究，对于掌握水泥窑的运行机理并实现对其控制，也是有利的，上述这种简单易行的控制方法，也是在掌握水泥窑的“脾气”基础上得来的，所以并不矛盾。

4结束语

说到这里，看来自动化的从业人员对水泥工业或其它行业更应加强全面的了解，才能获得更多的系统成套工程，才能确立诸如特殊检测和应用软件项目，才能获取更好的商机。

记得上世纪80年代初提倡横向联合时，我所在的公司曾与黄石市经委联合，得知该市有1907年经慈禧太后亲笔御批的水泥厂，如今已成为我国500家重点企业的新华水泥股份有限公司……，现在我国这样的大型水泥企业有10家，现在又提出了“倡导循环经济，推近节约型水泥工业建设”的方针，它将使我国做到由水泥生产大国向水泥生产强国的转变，步子将走得更坚实，我们从事自动化技术的人员将会从中得到更多的发展空间。□

参考文献：

[1]卞正岗关注循环经济，国内外机电一体化技术，2005年第4期.

[2]UFJ综合研究所（日本），清华大学（中国）中日节能与循环经济研讨会会议资料，2005

[3]中国水泥协会，中国建材技术装备总公司，中国水能，2006，3.