以发展生态水泥为中心大力发展绿色建材*

耿春雷，顾军，郝利炜

（北京建筑材料科学研究总院，固废资源化利用与节能建材国家重点实验室（筹）, 北京 100041）

以发展生态水泥为中心大力发展绿色建材*

耿春雷，顾军，郝利炜

（北京建筑材料科学研究总院，固废资源化利用与节能建材国家重点实验室（筹）, 北京 100041）

建材生产过程中不仅对资源和能源消耗量大，还对环境污染严重；同时，生活垃圾和污泥给环境带来了巨大的压力。水泥采用生活垃圾和污泥生产生态水泥，它既能减少对环境的污染危害，又在其制造过程中最低限度地消耗物质与能源。生态建材的发展是实施可持续发展战略的重要组成部分，是将各大城市建成生态化城市必不可少的重要环节。

生态建材；生活垃圾；污泥；生态水泥

0 前沿

绿色建材又称生态建材、环保建材和健康建材等。绿色建材是指采用清洁生产技术、少用天然资源和能源、大量使用工业或城市固态废物生产的无毒害、无污染、无放射性、有利于环境保护和人体健康的建筑材料[1,2]。

建材产量的持续增长与生态环境的协调发展是建材工业必须解决的重大课题，发展绿色建材是解决这些问题的重要途径。在第十个五年计划中建材企业的主要目标是:以节能、节土、利废、环保为目标，开发和应用先进实用技术和高新技术，对水泥、玻璃、墙体材料、建筑卫生陶瓷和玻璃纤维等主要产品生产工艺进行改造和升级，到“十五”末，建材工业万元产值能耗降低20%，水泥散装率达到31 %，平板玻璃、建筑卫生陶瓷和玻璃纤维的整体生产技术水平接近国际先进水平；建材生产的主要污染物粉尘、SO2排放总量减少20 %以上，工业废弃物综合利用量提高40 % ，年减少天然资源开采使用量1.5×108t ；重点开发“生态水泥”等生态建材产品的生产工艺及装备，改造提升现有生产能力[3]。

绿色建材应具有环境协调性，它既能减少对环境的污染危害，又在其制造过程中最低限度地消耗物质与能源，使废弃物的产生和回收处理量最小，产生的废物能被处理、回收和再生利用，并且这一过程不产生污染。

1 我国建材行业发展的现状

我国建材工业由3个部分：建筑材料、非金属矿物材料和无机非金属新材料等组成[4]。可概括为3大门类6大行业,如下图1所示：

中国2002年三大建材产品（水泥、平板玻璃和建筑卫生陶瓷）产量及其生产消耗与CO2排放量如下表1所示，这充分说明了发展绿色建材的重要性。建材产品的生产过程会排放大量的SO2、NOx、粉尘、废水、废料等。例如，2001年中国水泥工业排放SO2615万吨，NOx125万吨，粉尘1443万吨、废水10亿吨。墙体材料、装饰装修材料排放出的挥发性有机化合物（VOC）、石材、陶瓷及废渣可能含有的放射性物质，工业尾矿在建材中的应用可能引起的重金属污染等都会对人体和环境造成不同程度的危害和污染。

表1 中国2002年三大建材产品产量及其生产消耗与CO2排放量

2 生态建材的发展趋势

当前生态建材的发展趋势可以归纳为以下几个特点:多功能化、复合化、传统建材与生态环境功能一体化。但以建材的特性和功能往往难以满足生态建筑对建材综合性能的要求，材料复合化技术可以通过加和效应、光催化效应和耦合成绩效应，开发出传统建材并不存在的新的综合功能，或获得远高于单一材料的综合功能。生态建材的发展既要求新技术应用于传统建材生产，又使单纯的材料科学发展为材料学、生态学、环境学、生物化学、健康学等学科相互交叉的生态材料学。

3 大力发展生态水泥

发展生态水泥是大力发展绿色建材的一个重要方面。生态水泥(eco-cement)就是利用各种废弃物，包括各种工业废料、废渣以及城市生活垃圾作为原燃料制造的水泥。这是资源有效利用的重要环节之一。这种水泥能降低废弃物处理的负荷，节省资源、能源，达到与环境共生的目标，是21世纪水泥生产技术的发展方向[5]。目前固体废弃物和城市污泥对水泥工业具有一定的挑战性，因其数量大且增长快而备受关注。 虽然污泥可以用作其他的用途[6-9]，但是用于生产生态水泥仍然是最理想的方法。

3.1 生态水泥研究现状

世界上发达国家利用水泥窑处理废弃物生产生态水泥已有20余年的历史，拥有成熟的经验，而我国利用危险废弃物来生产水泥尚属起步阶段，有待于进一步的发展。

用城市垃圾灰烬和下水道污泥为原料生产“生态水泥”的技术是由日本政府新能源及产业技术综合开发机构和太平洋水泥公司联合发明的，其生产工艺与普通水泥相近，城市垃圾灰烬、下水道污泥与天然石灰石混合，在窑中烧制成固体再与石膏一同粉碎，有所差别的是其烧制温度为1350℃，略低于普通水泥的1500℃，并且灰烬中含有50%～10%的Cl元素，使水泥的凝固速度加快，若加入缓凝剂则和普通水泥一样使用。太平洋公司计划建造一座11万吨/年的生态水泥厂[10、11]。

国外自20世纪70 年代初开始着手研究用可燃性废料作为替代燃料应用于水泥生产。首次试验是于1974 年在加拿大的Lawrence水泥厂进行的[12]，试验表明聚氯苯基等化工废料在回转窑中焚烧是安全的。随后美国的Peerless，Lonestar，Alpha 等10多家水泥厂先后进行了试验。欧洲联合会自1994年开始在回转窑中焚烧危险废弃物，并指出在回转窑中焚烧危险废弃物，既处置了废弃物，又节约了能源[13]。此外瑞典Nordic 水泥公司所属的Euroc 废弃物回收治理公司有一条大型生产线，回收加工各种废油和化学溶剂以用作水泥窑二次燃料；Nordic 公司已经在它的Slite水泥厂采用了废橡胶、废塑料为二次燃料，以替代部分煤粉。Benna Tanna[14]指出，利用废弃物作为水泥窑的二次燃料有很多益处，包括节约不可再生燃料，减少由于煤燃烧所产生的CO2，SOx，NOx和甲烷等的排放，减少了废弃物的处置费用，同时也给水泥厂带来了经济效益。

近10年来，欧美一些国家的水泥企业敏锐地意识到新经济时代的需求，采取积极策略，适时地进行了正确的自我定位与转型，成功地进行着对传统水泥工业的技术升级、创新、重组与整合，逐步实现了传统水泥企业向环保型企业的战略转型，广泛地与其它工业组成仿生群落体或生态工业园，协同处置和再循环利用全社会的固态废弃物，包括各种工业废料、废渣以及生活垃圾等，为水泥工业负增长及消解其对环境的压力作出了贡献。1996年，瑞士[17]的HCB Rekingen 水泥厂已成为世界上第一个具有利用、处置废弃物的环境管理系统的水泥厂，并得到了ISO14001 国际标准的认证，它为规划、实施和评价环境保护措施提供了可靠的框架。

我国城市垃圾年产量已达到1.46亿t，而且以每年9 %的速度递增，全国666 座城市中有200多座已陷入垃圾包围之中。我国城市水泥企业利用城市垃圾生产生态水泥不仅是必要的，也是可行的。 其中上海金山水泥厂成功利用水泥窑焚烧危险废物，现已取得“经营许可证”；同济大学和上海建材集团合作已在下属几个水泥厂成功地进行过利用污泥等废弃物煅烧水泥熟料的工业性试验；北京水泥厂利用水泥窑焚烧处置有毒、有害废弃物也已取得了一定成果。 我国最终要实现城市垃圾处理的无害化、资源化、减量化、社会化和产业化，发展生态水泥是实施可持续发展战略的重要组成部分，是将各大城市建成生态化城市必不可少的重要环节。

3.2 采用回转窑生产生态水泥的优点

在生产生态水泥的时候多采用回转窑，采用此方法[11]不仅安全可行，并且具有以下的优势：

（1）有害有机物分解率高。回转窑内气体温度在1350～1650℃，甚至更高；燃烧气体在高于800℃下停留时间大于8s，高于1100 ℃下停留时间大于3s，湿法回转窑中，气体在1400～1600℃下停留时间在6～10s，燃烧气体在回转窑中总停留时间在20s左右，并且窑内物料呈高湍流化状态[8]；在燃烧过程中或过后有富余的氧存在，因而废料中的有害有机物成分焚烧率可达99.999 %以上，即使稳定的有机物也能被完全分解[15,16]。

（2）回转窑热容量大，工作状况稳定，可处理大量的废料，而且能维持均匀、稳定的燃烧气氛。

（3）系统在全负压状态下运行，避免了有毒、有害气体的外溢[16]。

（4）回转窑内无论是耐火砖还是原料、窑皮、熟料，均为碱性，因而可有效吸收和抑制SO2，Cl2等的排放[17]。还可将废料中可能存在的重金属元素转变成难溶的化合状态，固定在熟料的结构中，不需要对含重金属的焚烧灰渣再进行处理。起到了尾气净化和重金属高温固化的双重作用。

（5）完全回收利用了废物中的热值，节约了能源。

（6）燃烧即为最终处理，所以省却了日后的灰渣处理工序，节约了填埋场地和资金。

（7）湿法窑若用废弃物作为燃料可提高相对于用传统燃料的干法窑的竞争力。

（8）整体排放到大气中的CO2减少了，当废弃物在焚烧炉中燃烧时，CO2的排放是附加在水泥窑排放量上的。但当作为水泥窑废物衍生燃料燃烧时，由于同时起到了部分燃料的燃烧作用，节约了燃料，也就减少了CO2的排放量。

3.3 生态水泥研发和生产中存在的问题

我国生态水泥的研究和生产尚处于起步阶段，目前还有许多问题[11]仍有待于研究和解决:

（1）处置、利用城市垃圾应以不影响水泥质量为原则，这就需要水泥厂对所利用的垃圾建立一套严格的管理系统，包括配备必需的检测手段。首先应对其化学成分进行测试，如氯、硫、重金属等有毒有害元素的含量是否符合规定的限制值；同时根据所利用的不同废弃物，工艺流程也应有相应的改进，确保废弃物进入窑磨系统做到定量、连续、自动，以保证水泥生产的稳定；

（2）水泥工厂在处置、利用城市垃圾时，其运输、储存、投料操作、焚烧等过程中的安全防范工作以及可能对环境造成的二次污染，包括灰尘、臭气、垃圾等问题，尚缺乏行之有效的措施，应加强这方面的研究；

（3）生产过程中废气排放和环境污染的控制尚无严格的控制标准或规范，现行的环保规范必须进行适当的修订、补充和完善[18]。若原料中含较高的氯离子、重金属离子以及放射性物质，它们对水泥熟料的质量以及混凝土的性能会产生哪些影响，还有待于进一步研究；

（4）新建水泥厂时，须从环保和城市建设的角度综合考虑水泥厂的布局[17]，一定要有合理处置、利用周围城市垃圾的设想，从设计阶段就周密考虑城市垃圾的储存、转运、预处理(分拣、烘干、破碎等) 、计量、检测等各工艺环节，使得新建水泥厂在净化环境、发展经济、合理利用资源等方面达到更高水平。

4 结束语

我国最终要实现城市垃圾和污泥处理的无害化、资源化、减量化、社会化和产业化，发展生态水泥是实施可持续发展战略的重要组成部分，是将各大城市建成生态化城市必不可少的重要环节。

随着科学技术的发展和人们对环境问题的认识逐渐加深，开始不断的优化生态环境，还人类一个美丽的大自然。人们走上了开始不断的探索各种改善环境的道路，当我们注意到身边的建材问题就是一个巨大的危害的时候，我们开拓了绿色建材的道路，虽然道路是曲折的，但是前途是光明的，随着科技的不断进步发展，建材问题将得到充分的解决。

[1]徐永模. 绿色建材的发展:从概念到实践. 中国建材, 2005,6:18-21.

[2]高艳玲. 我国生态建材研究现状与发展战略. 中国建材, 2006, 1:61-62.

[3]韩瑛, 任国栋.浅谈生态建材与环保.内蒙古科技与经济, 2005:215-216.

[4]同继锋, 赵平, 马眷荣等. 我国绿色建材的研究与评价.绿色建材, 2005,9:1-8.

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[18]乔龄山. 德国和欧盟有关水泥工业环保法规简介. 水泥, 2000,(3) :53-54.

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.

*资助项目：973项目（课题编号2010CB735803）

耿春雷，博士，工程师。毕业于清华大学材料科学与工程系，目前在北京建筑材料研究总院工作，主要研究方向为：金属表面处理技术，钢铁的腐蚀与防护，固体废弃物的资源化综合利用。

[单位地址]北京市石景山区金顶北路69号院（100041）