生态水泥研究进展

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1.前言

水泥是最主要的建筑材料，在国民生活和建设中起着重要的作用。但是传统的水泥生产方式环境负荷很高，特别是温室气体CO2影响人类的生活环境，全球大气中约有55％CO2是由水泥生产排放的[1]。此外，传统水泥工业对于资源和能源的大量消耗亦不能适合可持续发展战略的需要。可以说,我国水泥工业是以资源、能源的过度消耗和环境的严重污染为代价的,因此必须坚持走可持续的并与环境协调发展的集约化道路,开发生态水泥才是水泥工业健康发展的正确途径。

2. 生态水泥的概念特征与质量特性

2.1 生态水泥的基本概念

从狭义上讲，生态水泥( Ecological Cement)是指利用城市垃圾焚烧灰和下水道污泥等作为主要原料,经过烧成粉磨形成的的水硬性胶凝材料；而从广义上讲,生态水泥不是单独的水泥品种,而是对水泥“健康、环保、安全”属性的评价,包括对原料采集、生产过程、施工过程、使用过程和废弃物处置五大环节的分项评价和综合评价。生态水泥的基本功能除作为建筑材料的实用性外,还在于维护人体健康、保护环境。

2.2生态水泥的基本特征

与传统水泥相比,生态水泥可归纳出以下五方面的基本特征:

(1) 其生产所用原料尽可能少用天然资源,大量使用尾矿、废渣、垃圾、废液等废弃物。

(2) 生产和使用过程中有利于保护和改造自然环境、治理污染。

(3) 可使废弃物再生资源化并可回收利用。

(4) 产品设计以改善生活环境、提高生活质量为宗旨,即产品不仅不危及人体健康,而且应有益于人体健康,产品具有多功能化,如阻燃、防火、调温、调湿、消声、防射线等。

(5) 具有良好的使用性能,满足各种建设的需要,生态水泥从材料设计、制备、应用,直至废弃物处理,全过程都与生态环境相协调,都以促进社会和经济的可持续发展为目标[2]。

2.3 生态水泥的质量特性

生态水泥有快硬性和通用性两种。快硬性生态水泥是以富含氧化铝以及氯化物的焚烧灰为原料烧成的钙氯铝酸盐水泥。主要用于浇注预制构件以及配制水泥砂浆。但是因其含氯量超过1%，则仅限于素混凝土构件或耐氯钢筋混凝土构件使用。相反，通用性生态水泥，控制原料中的氯与碱的比例烧成，在烧成过程中氯被灰固化排出，产品含氯量仅0.1％以下,可广泛用于一切钢筋混凝土构筑件中，混凝土质量稳定、耐久[3]。

3.国内生态水泥的研究重点

目前，我国生态水泥主要研究工作主要是集中在废弃物的处置方法，以及水泥窑用来生产生态水泥的可行性研究及相关技术改造。

3.1 废弃物的处置方法

生态水泥可以综合利用废弃物，一般的主要包括两大类：废弃物水泥原料化和废弃物水泥的燃料化。一般常用的水泥的代用原料有下水道焚烧灰、造纸焚烧灰、河道污泥、粉煤灰、高炉矿渣、氟化钙污泥、硅藻土、煤矸石、废石膏等。新近文献报道有国内电石生产公司利用电石工业废渣和风积沙生产生态水泥[4]。而水泥的代用燃料常用的有废轮胎、废橡胶、废塑料、废油、活性炭污泥、废白土、造纸污泥、焦炭等。一般而言，气、液废弃物的处理比较简单，生产生态水泥的技术关键是固体废弃物的利用。

生态水泥的生产工艺与普通水泥基本相同，但是由于其使用原燃料的特殊性，使得生态水泥的生产也有所不同，存在一些技术上的困难，同时也是研究的重点：

⑴用于废弃物的化学成分不稳定，离散性大，所以应加强原料的预均化和生料的均化，使废弃物成分波动在许可的范围内，从而得到成分均匀、质量稳定的入窑生料。此外，作为代用燃料和废弃物，应注意废弃物的投入方式、时间、位置，以确保废弃物完全燃烧[5]。

⑵固体废弃物中可能含有高浓度的氯和极少量的有毒有害物质，如何分离、出去、封存这些物质是生态水泥可以实用的关键。若原料中氯含量较高，不宜采用预分解窑，宜将原料直接投入回转窑中煅烧或应对预分解窑采用旁路放风措施。图1是 2000/76/EC水泥回转窑排放极限规程。

图1. 2000/76/EC水泥回转窑排放极限规程[6]

⑶由于固体废弃物中常含有重金属成分，如Ag、Pb、Cu、Cr、As等，为从窑灰中回收这些重金属，必须在工艺线上增设金属回收工艺。

图2.生态水泥窑灰的金属回收工艺流程[7]

3.2 生态窑的生态技术改造

国外在水泥回转窑处理城市垃圾的技术上已经积累了相当丰富的经验，使用“拿来主义”，国内在这方面的研究也是如火如荼。但是我国大部分的水泥窑都是立窑，所以根据我国国情，利用现有设备进行生态技术改造能取得更大的经济和社会效应。下面就这两方面的研究进展做一个简要的介绍：

3.2.1 水泥回转窑

水泥回转窑处置城市垃圾的可行性分析

水泥窑可以利用多种废弃燃料，包括废机油、废轮胎和可燃性垃圾等，且在水泥窑处理此类废弃燃料比一般的焚烧炉更具优势。从处理废弃物的角度看，要求其焚烧温度高，焚烧完全，废弃物有足够的停留时间；且要求焚烧过程中产生的有毒有害组分不能逸放，避免有害气体排放造成二次污染。水泥回转窑的温度比一般焚烧炉高的多，同时废弃物在水泥窑内停留的时间比在焚烧炉内长得多，有足量得氧气，且物料为碱性，可中和酸性气体。这些都为处理废弃物提供了十分有利的条件。

水泥回转窑生态水泥的生产工艺

生态水泥的生产工艺与普通水泥基本相同,包括生料制备、熟料煅烧和水泥制成、重金属回收、尾气排放等工序。其中，生料制备前已述及。生产1t生态水泥需城市垃圾烧却灰0.5t,下水道污泥0.3t,用来调整化学成分的天然原料0.3t.经过生料制备、烧成工序,得到熟料0.85t,最后在制成工序掺加石膏0.15t,粉磨后即成生态水泥。

①熟料煅烧

若生料中含有重金属及氯,则不宜直接使用悬浮预热器窑,因为氯化物冷凝可能导致预热器堵塞,宜将原料直接投入回转窑中煅烧或对预分解窑采用旁路放风措施。 烧却灰进的二恶英在高于800°C下完全分解,窑尾废气应采用冷却塔快速冷却至250°C以下,以防止在250～350°C时二恶英重新生成。 废气中氯化物经冷却塔和分离器冷却,由收尘器收集. 收集下来粉尘送往金属回收工艺流程处理。

②水泥制成

煅烧出的熟料掺加1 %(质量分数) Na2SO4 ,粉磨至450m2/kg,然后与700m2/kg 的无水石膏混合,使Al2O3与SO3的摩尔比为1.0～1.2。Na2SO4控制快硬水泥的凝结时间,而硬石膏用于与C11A7·CaCl2 (生态水泥熟料的一种矿物成分)快速生成钙矾石,并保持强度稳定增长。

③重金属回收

烧却灰带进的重金属中,大多数的Cr和Zn在煅烧过程中进入熟料矿物,Pb ,Cu ,Cd 及其它重金属则以氯化物形式挥发,并被收集在窑灰中。窑灰首先与水混合,然后加入硫酸,在酸性条件下富含铅的硫酸盐沉淀析出. 固液分离后,在滤液中加入NaOH和NaSH,控制pH值和氧化-还原电位,富含铜的硫化物沉淀析出,从滤液中分离出来。两种分别富含铅和铜的沉淀送至熔炉回收重金属。

④废气排放

废气经净化处理,满足相关标准后排放。为防止重新生成二恶英,废气要快速冷却至250°C以下。由于SOx ,HCl大都与CaO结合进入熟料,因此废气中不含SOx 和HCl[8]。

3.2.2 水泥立窑

我国已经有成功地把小立窑改造成煅烧粗放型垃圾焚烧炉的先例，城市垃圾可以不分类，直接进入立窑煅烧，经过高温煅烧，烧成铁块，除铁后，剩下块状的熟料，加入水泥等制成建材产品。据测算，利用消化能力很强的立窑水泥设备，再加上后续处理的高技术，一个普通立窑水泥企业一年可以烧掉5～10万t城市垃圾。我国已发明了垃圾造水泥的专利技术，并进入使用阶段，开始了规模化生产。城市垃圾经过分选后，除金属外的无机物如石子、玻璃、陶瓷片、砂子、混凝土块等都可以用作烧制水泥的原料。通过分析，由厨房垃圾、纸张、塑料、纤维、皮革、橡胶、陶瓷等杂物组成的城市垃圾，经过焚烧后的成分与水泥生产用的普通粘土质原料组成基本相同，稍加处理后即可替代部分粘土原料。焚烧后的垃圾渣作为原料配入水泥生料中经过高温焚烧后，有害物质被分解或化合成无害物质[9]。我国立窑水泥工业无论是技术水平还是经济指标，都已达到或超过了国外的先进水平，通过技术改造和创新，完全有条件走走生态环境材料产业之路。

4.国外生态水泥发展的新动态

4.1 　麦特考林水泥

过去,有人称之为土聚水泥或碱激发火山灰胶凝材料(Pyrament) 。它以含高岭石的粘土为原料,经较低温度(500～900 ℃) 煅烧的偏高岭土,有较高的火山灰活性,经碱激发成为优异的胶凝材料。根据矿物特征笔者称其为麦特考林水泥(metakaolin Cement)。该水泥具有早期强度高的特点(20 ℃ 4h 达15～20MPa) ,具有较强的耐腐蚀性和良好的耐久性,5 %酸性条件下其强度损失仅为硅酸盐水泥的1/ 13 ,寿命可达千年以上。麦特考林水泥将成为继硅酸盐水泥系列、铝酸盐水泥系列、硫铝酸盐水泥系列之后的第四系列水泥,其应用领域之广泛不可估量,并将以真正的生态水泥而著称。

4.2　速硬生态水泥

速硬生态水泥是在熟料矿物成分中加入适量氯离子而形成的速硬水泥,它与喷射水泥(日本一种快硬水泥) 的速硬成分相似,均由于氯离子化合成氯铝酸钙,具有早期强度高的特点。但是,若氯离子含量达到1 %时,则仅适用于素混凝土[9]。

4.3 能吸收CO2的生态水泥

澳大利亚生态技术公司最近宣布开发成功一种能吸收CO2的新一代生态水泥，其主要成分为废料、粉煤灰、普通水泥和氧化镁。该公式声称，如果生态水泥能代替世界所产16.5亿t普通水泥的80％，将会有15亿t的CO2被吸收。每生产1t普通水泥，就释放出1t CO2与之相比，生态水泥制成的砌块等产品是CO2的中和物，甚至当这种砌块与有机废料纤维相结合时，它们还是CO2的吸收物。同时，该公司证明，生态水泥更能耐硫酸盐，氯化物和其它腐蚀性化学物质的侵蚀，完全可以在强度上与普通水泥媲美[10]。

5.小结

综上所述, 生态水泥也是改善生态环境和生活环境的重要建筑材料。发展生态水泥，是解决我国水泥工业节能和节约资源以实现可持续发展的重要途径, 同时也是我国水泥工业尤其是大都市水泥工业可持续发展的一个重要环节。这是功在当代，利在千秋的大事，应引起我国水泥工业中科研、设计、生产等各部门高度的关注，也应得到各级人大和政府及有关部门的高度重视，制定、健全相关的法规，并给予政策上的支持，使生态水泥的研究和开发在我国迅速地得到重视和发展。

参考文献

[1]孙胜龙. 环境材料. 化学工业出版社,2002.

[2]王立久, 赵湘慧. 生态水泥的研究进展. 材料研究,2002,30(4):19～22

[3]张射墟,黄祖华. 生态水泥的特性与应用.中国建材,2002,(1):36 ～37

[4]朱福印. 利用电石工业废渣和风积沙生产生态水泥.水泥,2002,:10～11

[5]施惠生. 发展生态水泥，促进资源利用，保护生态环境. 水泥研究，2003：7～11

[6]苏达根等. 发展生态水泥工业的几个问题. 水泥技术，2003：5～8

[7]施惠生,袁玲.生态水泥—都市水泥工业可持续发展的方向.水泥，2002，：1～4

[8]施惠生,袁玲. 生态水泥的研究与进展. 建筑材料学报，2003，6：166～172

[9]任国亮，赵远翔，何英明.日本生态水泥，建筑技术开发，2003，30：100～101

[10]新型建材.2003, (1):48