同济大学欢迎 您生态水泥与固体废弃物 的资源化利用技术同济大学环境材料研究所 施惠生教授、所长、博士生导师环境材料n当今社会的发展面临着人口膨胀、资源短缺、环境恶化三大问题， 人们在创造社会财富的同时，也在不断地破坏人类赖以生存的环境空 间。自然资源耗竭和贫化已逐渐成为阻碍经济稳定、高速发展的主要 因素之一。n针对这一问题，最近几年在国际材料界出现了一个新的研究领域 环境材料，指同时具有优良的使用性能和最佳环境协调性的一大类 材料。这类材料对资源和能源消耗少、对生态与环境污染小、再生利 用率高或可降解化和可循环利用，而且要求从材料制造、使用、废弃 直到再生利用的整个寿命周期中，都须具有与环境的协调共存性。n所谓环境材料，实质上是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异 的环境协调性的材料，它是材料工作者在环境意识指导下，或开发新 型材料，或改进、改造传统材料。环境材料作为材料科学与环境科学 的交叉正在形成一个新的研究领域，极大地拓宽和丰富了材料的研究 领域。生态水泥基材料n水泥基材料的生态化作为材料科学与环境科学的交叉结果 正在本学科形成一个新的研究领域。n同济大学在水泥基材料生产协同处理各种废弃物，实现工 业生产的零污染和零排放，探索建立和发展固体废弃物资源 循环利用的理论体系和技术体系方面作出了不懈的努力，为 固体废弃物全部资源化的目标提供了必要的理论和技术支撑 。n此外，同济大学还致力于研究具有可处置污水、废气及可 防止光、声、电等污染、生物协调性的各类土木工程材料， 用于各种声污染治理、光污染治理、污水污染处理、大气污 染治理、室内环境改善，河堤和海塘的护堤，城市人行道路 和公共场地的绿化，即研究各类可间接改善生态环境的土木 工程材料的制备理论和生产技术。全面介绍了生态水泥在国内 外的的现状和发展概况，系 统阐述了水泥生产与人类生 态环境之间的关系、工业废 渣和城市生活垃圾等各类固 体废弃物在生态水泥基材料 生产中的利用、生态水泥的 生产工艺与生产技术、生态 水泥生产中重金属等有害物 质的影响及控制技术、水泥 工业处置利用固体废弃物的 有关技术与政策、生态水泥 的发展前景与展望等。主要内容n1. 生态水泥概论n2. 固体废弃物在生态水泥中的利用n3. 重金属等有害物质的影响和控制技术n4. 同济大学的相关研究成果及进展n5. 生态水泥的发展前景19852003年中国水泥生产情况 1. 生态水泥概论生态水泥 （1）低环境负荷水泥添加料用矿渣、火山灰等作原材料烧制水泥熟料，或者以粉煤灰、石灰石微粉、矿渣作混合料 磨制混合水泥，并扩大用量;优点：减少普通硅酸盐水泥的用量，减少石灰 石等天然资源的用量，节省烧制水泥所消耗的能量，降低CO2的排放量。 生态水泥 （2）生态水泥生产技术 生态水泥主要指在生产和使用过程中尽量减少对环境影响的水泥； 成功案例： 日本秩文-小野田水泥公司用城市生活垃圾的焚烧灰和下水道污泥的脱水干粉作为主要原料生 产水泥的新技术；生态水泥 （3）降低能耗的新工艺 烧成工艺方面，日本水泥协会和煤炭综合利用中心共同开展沸腾炉煅烧水泥熟料新技术 的研究，并获得成功。这种新技术将以前的回 转窑和熟料冷却机改成沸腾炉，没有运动部件 ，据介绍，采用这种新技术后可节能10-15 ，降低NOx的排放量，取得明显的节能和环境保护效果。生态水泥（4）废弃物再生利用技术 水泥厂是不需要投资的废弃物处理工厂；其他行业排放的矿渣、钢渣、粉煤灰、尾矿、煤矸 石、硅锰渣、化学副产品石膏、拆除土木工程材料等 均可用作水泥的代用原料，废机油、废轮胎、废橡胶 、废纸、废木材、城市垃圾等都可以用作代用燃料。工业废渣、 和 城市垃圾 在水泥工业中 的 利用现状来源 分类 特点2 固体废弃物在生态水泥生产中的利 用固体废弃物来源n工业废渣是指在工业生产和工业加工过程中、以及燃料燃烧、矿物开采、交通运输、环境治理过程中所丢弃的固体、半固体物质的总称。n工业废渣主要来源于各工业部门生产所产生的固体废弃物，主要包括煤炭工业产生的煤矸石；燃煤电厂和城市集中供热系统煤粉燃烧锅炉产生的粉煤灰、炉渣；黑色冶金工业产生的高炉渣、钢渣；有色金属冶炼渣和赤泥等；化学工业及其他工业生产过程中产生的化学石膏、硫铁矿渣、电石渣、碱渣、烧碱盐泥等；燃煤锅炉产生的炉渣；开采金属矿石产生的废石和尾矿等等。分类n燃料渣包括粉煤灰、煤矸石、炉渣、以煤炭等为燃料所排出的煤渣、烟道灰 、油页岩灰等。n冶金渣包括高炉矿渣、钢渣、有色金属渣、铁合金渣、铬铁渣等。n化工渣包括无机化工和有机化工的各种废渣。包括化学石膏、硫铁矿渣、电 石渣、碱渣、烧碱盐泥等。化工渣比较复杂、分散。其中，以硫铁矿渣 、碱渣、电石渣、铬渣等排放量比较大而集中。n矿山废石和尾矿主要有矿山剥离废石、尾矿、粉尘等。金属尾矿分为黑色冶金尾矿和 有色冶金尾矿两类。金属尾矿可按其采选矿物名称分类。这类废石排量 最大，利用较差，但分布面较广。特点n工业废渣的种类很多，产量很大，分布面很广，常年均衡排放，可作为稳定的可开发资源加以利用。n大多数的工业废渣很适合做建筑材料的原料。这可以从化学成分来看，很多工业废渣与建筑材料，特别是水泥原料和墙体材料相似。 n有些工业废渣含有一定热值，作为低热值燃料用于生产建筑材料有显著节能效果。煤矸石、炉渣、粉煤灰等属于这类废渣。 工业废渣在水泥工业中的利用现 状作为水泥混合材作为混凝土掺合料生产水泥熟料利用 工业废渣利用工业废渣生产水泥熟料碱渣煤矸石其他电石渣粉煤灰硫酸渣赤泥利用工业废渣作为水泥混合材粉煤灰煤矸石冶金工业废渣水泥混合材利用工业废渣作为混凝土掺合料u粉煤灰 我国粉煤灰混凝土特点: 研究较早、开发较迟，近年来急起直追 ，有些技术跟上了国际先进技术的步伐。 掺粉煤灰后混凝土后期强度提高，其在混凝土中产生三种效应 ：粉煤灰的活性效应，形态效应，微集料效应。 粉煤灰对混凝土耐久性的影响 ：水的渗透性增大 、空气渗透 增加、氯离子扩散系数(Dcl)降低、粉煤灰混凝土的碳化系数受粉 煤灰掺量的影响较大，随着混凝土中粉煤灰代替水泥量增大，含 气量增加、碳化系数增大；混凝土中以20%粉煤灰代替相应的水 泥，其抗冻性超过对比的基准混凝土，但是掺量太高（50%）时 ，经150200次冻融后，混凝土出现明显的破坏。混凝土中含 气量相同，抗压强度相同，其中含与不含粉煤灰，抗冻性无明显 差别 。城市垃圾在水泥工业中的利用现 状城市生活垃圾处置现状城市 垃圾焚烧灰 的化学组成用城市垃圾焚烧灰生产生态水泥的可行性水泥窑 焚烧垃圾 的技术优势垃圾焚烧灰 生态水泥 的性质城市生活垃圾的处置现状n城市垃圾一般是指城市居民的生活垃圾、商业垃圾、市政管理和维护中所产生的垃圾。 n我国制定了一系列相关的政策并颁布了各类垃圾处理的技术准则规范，提出了“以减量化为基础、以无害化为主体、以资源化为目标”的垃圾治理的基本方针，开展了城市垃圾堆肥、填埋、焚烧及资源化利用的科研、开发和示范项目的建设。n目前，我国垃圾处理主要有卫生填埋、焚烧、堆肥等方式。每种处理方式，都有一定的优点和不足之处。城市垃圾焚烧灰的化学成分 化学成分/%范围围平均值值微量元素 /ppm范围围平均值值SiO213.729.122.9V120067Al2O316.424.919.7Cr222000538CaO24.339.830.4Mn802500438MgO2.212.14.8Co140033SO31.42.42.1Ni20500345Na2O2.43.93.3As19055K2O22.92.6Cd13011TiO20.8710.9Hg0.17035P2O30.882.31.8Pb1009200311ZnO0.550.660.6F0250120CuO0.121.200.6CN-NDCl5.0210.68.5PBC-ND水泥窑焚烧垃圾的技术优势 目前，城市垃圾焚烧主要是通过焚烧炉来完成的。 参数窑内温度 /物料温度 /气体停留时时 间间/s物料停留时时 间间/min回转转窑转转 速 /(r/min ）焚烧烧炉12008502由性质质决定0.20.3水泥回转转窑20001450430352.83.2 水泥回转窑和焚烧炉的参数比较 n水泥窑既是燃烧炉又是反应炉，物料在窑内经过从低温到高温的物理、化学变化，完成熟料的煅烧，通过对窑内温度测定可知，物料最高温度达1450，气体最高温度达1700。n利用水泥窑煅烧城市生活垃圾在工艺上与焚烧法是一致的，并且垃圾中的无机物如SiO2、Al2O3、CaO 可直接与水泥熟料进行化合生成水泥熟料矿物，重金属也将与有关矿物的晶格共溶而不致于造成二次污染。垃圾焚烧灰生态水泥的用途和发 展n焚烧灰水泥的用途n焚烧灰水泥在日本的发展现状n垃圾焚烧灰水泥在我国的发展焚烧灰生态水泥的用途n制混凝土焚烧灰生态水泥属于快硬早强水泥，因而用做混凝土时，为了便于施工，必须添加缓凝剂。由于其含有1% 左右的Cl 元素，容易引起钢筋锈蚀，所以一般仅用于素混凝土中，也可与普通混凝土混合使用。所制得的混凝土可用来做道路混凝土、水坝用混凝土、消波块、鱼礁块等海洋混凝土、空心砌块或密实砌块，还可用来做木片水泥板等纤维制品。n地基改良用固化剂湿地或者沼泽地等软弱地基改良中，可用生态水泥作为固化剂。经试验处理过的土壤早期强度良好，完全适于加固土壤。焚烧灰生态水泥在日本的发展现 状 在日本，在利用工业废弃物作为回转窑煅烧补充燃料（ 如废轮胎等）的同时，使用城市垃圾焚烧灰和下水污泥等作 为水泥的补充原料或主原料，生产普通水泥或生态水泥，许 多企业和科研部门还对生态水泥的性能及与混凝土的关系作 了大量研究。 2001年4月，日本市原生态水泥株式会社（市原 （株），日本千叶县）作为世界上第一家生态水泥厂 开业，每年使用城市垃圾焚烧灰6.2万t，其他产业废弃物2.8 万t，生产生态水泥11万t。产品的正式销售自2001年6月开 始，广泛用于混凝土工程、水泥制品、预制件、土木工程装 饰和混凝土平板等，已经在东京附近的千叶县得到推广，其 发展前景得到普遍认同。2001 年11月获日本环境大臣奖，2002年7月制定了JIS标准并正在完善。由于生态水泥与环境友好，有利于促进“环境型经济系统”的发展，日本有关部门正在考虑对环境保护JIS标准进行相应调整，以便对生态水泥的推广使用起到更积极作用。目前日本全国有数十家水泥厂都在使用各种废弃物，2002年废弃物的平均利用量为311kg/（t水泥），2010年计划达到400kg/（t水泥）。垃圾焚烧灰生态水泥在我国的发 展 n目前，我国城市垃圾年产量已达到1.46亿吨，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 ，近年全国各地因此兴建了不少垃圾焚烧炉，同时排放大量的垃 圾焚烧灰渣。 n我国一些水泥科学家最近提出了在水泥熟料烧成系统辅设城市 生活垃圾焚烧系统的工艺措施，即水泥熟料生产共处理城市生活 垃圾，实现生活垃圾的焚烧处理与生态水泥的生产同步进行。n 利用工业或城市垃圾焚烧灰作原料生产的生态水泥，可以彻 底解决工业和城市垃圾处置问题，是保护环境、实现零污染的有 效途径。在生态水泥的生产过程中，能源和物质的投入、废物和 污染物的排放都减少到了最低限度，生产过程中的副产物可以重 新利用，产品可回收利用，这对促进社会可持续发展有着重要的 意义。3 重金属等有害物质的影响和控制技 术重金属等有害物 质的危害性重金属等微量元素对水泥生产的影响重金属等有害废 弃物的控制技术重金属等有害物质的危害性v重金属元素与微量元素化学上，一般把密度 4.5g/cm3的金属元素统称为重金属，如金、银、铜、铅、锌、镍、钴、镉、铬和汞等共45种。重金属离子则是指重金属元素在发生化学变化时，因反应条件的不同失去一个或多个电子以后形成的阳离子。从环境污染方面所说的重金属，实际上主要是指汞、镉、