水泥工业的废弃物协同处理:废弃物再利用的生态效益外文翻译资料

 2022-10-16 16:06:14

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水泥工业的废弃物协同处理:废弃物再利用的生态效益

Wendell de Queiroz Lamasa,b,*, Jose Carlos Fortes Palaua, Jose Rubens de Camargoa

a Post-graduate Programme in Mechanical Engineering, Department of Mechanical Engineering, University of Taubate, Brazil

b Department of Basic and Environmental Sciences, Engineering School at Lorena, University of Sao Paulo, Brazil

摘要：水泥是混凝土的重要组成部分，也因此成为地球上消耗量第二大的材料，并且水泥工业是能源消耗最密集的地方之一。现代工厂的生产能力通常超过一百万吨每年。生产一吨水泥通常需要约60-130kg的燃料和110kWh的电能。能源消耗占据水泥行业生产成本的30%以上，其巨大的消耗量使得降低能耗成为水泥生产过程中技术进步的一个主要动力。为了减少化石燃料消耗（不可再生能源）的成本，协同处理技术作为制造工艺的一部分已被用于引入替代燃料。这项技术保证了较低的生产成本，从不同的工业活动中引入燃料废弃物，这些燃料废弃物当被丢弃在不适当的地方时便会造成浪费，通过这项技术有助于减少环境负债。水泥行业的能源消耗显著过高，在能源规划的研究中不容忽视，尤其是70年以来在石油危机中持续发生的能量模式的转换，在各种水泥生产中这种转变是十分庞杂的。本文通过对水泥行业的生态效益、污染指标和二氧化碳当量值的比较，在垃圾回收再利用前后进行了生态学分析。

关键词：高耗能产业 工业废弃物回收 硅酸盐水泥

1.引言

硅酸盐水泥生产始于原材料提取，其中石灰石是主要成分。石灰石与其它原料如粘土，铁，硅，铝等混合进行粉磨，这种混合物被称为生料。生料被送入窑炉中，在那里它被加热到1200-1500摄氏度，从而使局部材料熔融形成熟料颗粒。熟料被冷却，加入少量其他成分，如石膏和高炉矿渣，再次研磨形成硅酸盐水泥[1,2]。图1为水泥生产的示意图。

图1 水泥生产示意图

水泥行业之所以被认定为高耗能是因为水泥生产需要达到高温。传统水泥行业使用煤，燃油和石油焦等化石燃料。工业废料的协同处理是减少使用这种燃料的一种尝试。在这一过程中，废料被加入原料中作为部分燃料或部分生料组分的替代物 [3]。

协同处理是在工业生产过程中利用废弃物为原料（不改变产品的最终质量），或作为能量的来源来代替天然矿产资源（物质循环）和化石燃料如煤、石油和天然气（能量回收），主要在能源密集型行业（EII）如水泥、石灰、钢材、玻璃以及发电厂等。用于协同处理的废料被称为替代燃料和原料（AFR）[4]。

在这些废料被投入熟料（水泥的主要原料）炉之前，要先经过预处理以确保废料特性保持不变并且不会对水泥生产或环境造成不利影响。

除了生产能力需要不断增加的挑战，另一个问题是水泥行业对能源的需求很高，例如，2009年，该行业在巴西的最终能源消耗总量中占1.7%[5]。

作为一种减少这种依赖的方式，主要策略已被采用来提高能源效率和进行燃料替代。长久以来，许多公司一直大力投资于生产过程改革和新技术，在提高其能源效率方面获得显著成效。在过去的六年中，尽管水泥产量有所增加，这个行业试图将水泥的能源密集度从0.083toe/t（2003）降低到0.071toe/t（2009），这意味着在能源效益方面获得17%的收益[5,6]。

除了对能源效率的投资，许多公司也发现改变其能量来源，特别是出于成本问题，水泥行业能够将其对燃油的依赖转移到石油焦上，燃油能源在1970年占总能源的91%，石油焦能源在2005年占总能源的66%[7]。

考虑到水泥行业在不断扩大且需要使用更便宜的燃料的情况下，协同处理技术已经成为水泥行业一个巨大的商机。这种替代品比传统的垃圾焚烧便宜了甚至五到十倍。根据废料的类型，焚烧费用为1000-3000美元每吨不等。垃圾填埋场的处置成本为每吨150美元，水泥窑的燃烧费用为100到700美元不等[8]。

本文分析了一个位于Balsa Nova,PR的典型的硅酸盐水泥生产厂，此工厂的装机生产能力为150万吨水泥每年，并在1993年开始采用协同处理技术。

水泥工业废弃物协同处理已被一些学者研究以减少对环境的影响[9,19]。

一种将城市固体废弃物（MSW）的分离和燃烧相结合的新型水泥生产综合过程设计已被发明，这使得体积缩减了85-90%，并且废弃物焚烧灰可以作为水泥熟料生产中的添加料。

水泥回转窑中有害废弃物的协同处理近几十年来一直被认为是引起PCDD/PCDFs排放增加的原因，这两种排放物已在Karstensen被评估，超过2000 PCDD/PCDF 水泥回转窑的测试已被评估，与众多生产技术和废弃物进料情况相同。

水泥回转窑中有害废弃物的协同处理以及水泥基的固化均能稳定重金属。在[11]中，这两种技术的不同的保留机制会导致不同的重金属材料的固定效应。

在[12]中，共调查了12个水泥厂的新型悬浮预热器和预分解炉（NSP）。这些水泥厂的能源使用情况已与国内（中国）和国际最佳实践使用的基准及节能工具作对比。

Hashimoto等发现通过采用案例研究方法和生命周期的二氧化碳分析替代工业共生情景的工业共生能有效发现当前及潜在的二氧化碳排量减少现象。

在[14]中，提出了一种针对水泥生产中原材料，化石燃料和替代燃料的同步优化选择的系统方法。

在[15]中评估了针对提高资源生产力的战略措施的环境效益，水泥工业因其相关生产过程中使用废料来部分代替原材料和传统燃料进行生产而被认定为是这一全球性问题的关键所在。

利用固体废弃物生产水泥制品的过程可以提高水泥制品中污染物的等级。Yang等人对固体废弃物生产的水泥制品中重金属的可获得性提出了测定范围，并解释了如何计算其限度。

在[17]中，对经过不同固化时间（1,3,6或18个月）的含有不同量的高炉矿渣（矿渣与粘合剂的比值为50%，70%和85%）的混凝土试件进行加速碳化试验（CO2体积含量为10%）。

Liew等人旨在探究使用煅烧高岭土生产水泥粉的可能性，通过运用聚合反应使得它成为硅酸盐水泥的替身，并且他们还研究了工艺路线中的参数。

在[19]中提出了一种新的线性代数模型，将燃烧化学计量不变量从燃料进料流量（决策变量）分离开来，从而研究与由化石燃料所得的标准值相比使用替代燃料所减少的生产量，造成部分可观的利润缩减。

在[20,32]中还研究了能源生态效益的估算方法。

在[20]中介绍并分析了位于奥地利Voitsberg的发电厂的过去的一些转变，过去并没有采取控制污染的措施，现在有脱硫和脱硝系统和设备来控制污染，从它的能源生态效益的角度看，已在全球范围内进行评估。

在[21]中提出了循环流化床锅炉的热功率单元的分析结果，使用了一种全球性策略来评估这些单元的能源生态效益。

在[22]中通过一种在有害气体（SO2,NOx）对环境的影响和地壳地震活动之间的对比，提出了对热电厂能源生态效益的全球性预估。

在[23]中分析了中国燃煤电厂/热电厂（CFP/TPP）从过去演变，过去并没有采取控制污染的措施，而现在引进抗污染系统和设备已引起广泛关注。

[24]中讨论了燃料特性的标准。对于碳氢化合物，这些标准取决于各种碳氢化合物中氢（H）和碳（C）含量之间的关系。从能源生态的角度来分析大范围的燃料（煤、炼油残渣等），得出的结论是最好的标准是污染指示器。

[25]分析了双燃料(DFs)在现有火电厂（TPPS）应用的可能性，这是为了使得其污染物排放符合生态标准从而不限制它们的价值。在此项分析中包含了当前所有在Romanian的TPPS最常使用的一次燃料（煤、燃料油），并且我们考虑了甲烷和氢气作为辅助燃料来形成双燃料。

Cardu和Baica在[26]中通过考虑火电厂(TPPs)排放的一氧化碳（CO）和其他有害气体（CO2、SO2、NOx）的毒性作用来提高“二氧化碳当量”的计算关系。

Cardu等人在[27]中集中分析了火电厂排放量方面的一个新指标--SONOX(SO为SO2，NOX为NOx)，简称为S。基于这种方法，他们分析了几个位于Romanian的火电厂燃料的褐煤。

Lora和Salomon在[28]中尝试分析由于化石燃料的燃烧而产生的大气污染对环境的影响；考虑了CO2、SOx、NOx和PM的累计排放，并且与使用一种称为生态效益的有效参数的国际空气质量标准相比较。

[29]中主要为燃料质量对主要污染物（NOx、SO2、CO2和PM）和来自300MW 锅炉机组燃用泰国褐煤的八种微量元素（As,Co, Cr,La,Mo,Ni,Sb和U)）的排放的影响模型。利用实验数据验证了氮氧化物和二氧化硫的排放模型。主要污染物和微量元素的排放量和特定排放量（每兆瓦时）已被烟气脱硫系统和静电发生器的效率的计算所量化。

[30]中介绍了一种新标准--SONOX，可用来分析热电厂(TPPs)运作造成的大气中有害气体的排放（硫和氮的氧化物）对环境的影响。基于这一标准和早期由作者开发的应用的等价性和补偿原则，分析了一些主要的Romanian热电厂，也提出了一些迎合有关各自排放限制的欧盟规范的建议。

[31]中Coronado-Rodriguez等人评估和量化了一些可再生能源和化石燃料在内燃机上的应用的环境影响。生态效益的概念取决于由二氧化碳，二氧化硫，氮氧化物和颗粒物（PM）排放造成的环境影响。

[32]中Silveira等人提出了基于热经济功能图分析的热电站评价方法。同时也评估了经济效益。

2.工艺简介

2.1硅酸盐水泥的生产过程

水泥工业的特点是能源的集约利用，无论是用于回转窑中熟料生产的热的形式，还是贯穿整个工业生产过程机械运转以及回转窑和粉磨机所需的电的形式。然而，在水泥生产中大部分的能源消耗产自熟料（回转窑）的生产，约占63%[33]。

表1为巴西水泥工业的主要技术特点[5,6]。

参数

数据

方法

干法，98%的生产

热能消耗率

3260–3770 kJ/kg的矿渣(780–900 kcal/kg)

电能消耗率

80-150kWh/t 水泥，70%用于研磨系统

研磨系统

75%的循环式研磨

2.2 协同处理: 替代燃料

为了满足目前的生产需求，诸如使用源于工业废料的替代燃料的一些环保有力的限制越来越多。水泥工业具有将来自其他产业的可回收废料作为替代燃料或原材料的潜力。这一过程即为协同处理[6,34-35]。

协同处理被定义为回转窑中熟料生产时的垃圾焚烧，出于使用有力的内部或矿物成分作为原料而不产生新废料的目的[6]。

使用回转窑生产水泥，这是由于窑内温度高达1450摄氏度左右，附带着强氧化环境和物料长时间暴露在这种环境中，因此提出了公认的替代品并且分散于工业废弃物的热损耗中[6]。

除了消除由工业废弃物引起的环境问题，也通过能源废弃物的利用使得诸如石油焦、燃料油和煤等传统不可再生燃料得以替代。反过来，存在于其中的无机化合物融入了产品中，代替了部分原材料，节约了自然资源[34,35]。

所有这些必须满足相关环保机构的要求，且最重要的是保证水泥产品的质量和特性。自7

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