我国水泥矿产资源有效利用及启示

水泥 2010-08-09

　　1.水泥工业资源耗用概况及其分析
　　据全国第二次经济普查数据和中国建筑材料联合会统计，2008年末全国水泥熟料生产能力13亿吨，水泥生产能力21亿吨。在水泥熟料生产能力中，新型干法熟料生产能力8.1亿吨，占62.3%，全年运营的新型干法熟料生产线912条；立窑及其他熟料生产能力4.9亿吨，占37.7%。2009年上半年全国又投产新型干法生产线57条，新增生产能力6500万吨，预计全年投产新型干法生产线120条，新增生产能力1.4亿吨，同时，今年将有20多条新型干法生产线因种种原因关闭，减少生产能力1000万吨，全年实际运营的新型干法生产线将突破1000条，年末新型干法熟料生产能力9.4亿吨；预计2009年立窑及其他熟料生产能力将减少9000万吨，年末全国水泥熟料生产能力13.4亿吨，比2008年增加4000万吨，水泥生产能力22亿吨，比2008年增加1亿吨。

　　水泥行业在国民经济中占有重要的地位，是国家的支柱产业，它也是近年来发展迅速的原材料工业。在我国乃至世界上，水泥是建筑工程中用量最多、用途最广的建筑材料。另一方面，由于水泥工艺技术和生产方法的特点，它还是天然资源及能源消耗使用最多的行业之一和消纳利用废渣废料等工业废弃物的最大行业。水泥行业是资源综合利用具有先天优势的行业，也取得一定的成绩，利用工业废渣废物情况见表1。

表1 工业废渣废物利用数量（万吨）

年份	利用量万吨	增长率 %	水泥产量万吨	相对水泥利用率%	吨水泥利用量公斤/吨
2000	7517	-	59319	12.67	127
2001	10583	40.78	66104	16.01	160
2002	12752	20.79	72535	17.58	176
2003	14713	15.38	86271	17.05	171
2004	22207	50.93	97300	22.82	228
2005	22905	3.15	106885	21.43	214
2006	28359	23.81	126000	22.51	225
2007	34122	21.32	135000	25.27	253

　　表1的数据说明，我国工业废渣废物利用的绝对数量逐年提高，相对水泥产量利用分为12.5%；17.3%；22.3%和25.3% 4个层次，稳定在22%以上。目前，我国吨水泥工业废渣废物利用水平与发达国家如德国、日本相比（吨水泥消纳废弃物分别为409和430公斤），尚有一定的差距，这也说明还有较大的发展空间。尽管如此，水泥工业利用、消纳废渣废料的好处仍然可以体现在以下几个方面：降低天然矿物资源的消耗，延长不可再生资源的使用年限；废渣废料资源化，减少其对环境的污染、地下水的污染和对农田土地的占用，成为新型的环保产业；降低煅烧水泥熟料和粉磨水泥的能源消耗，降低加工成本，提高竞争力；减少了二氧化碳CO2的排放，改变水泥行业是资源、能源消耗型行业的形象，有利于水泥工业结构调整工作的推进。减少排矿场的建设及已有排矿场的存储量，降低引发地质灾害的可能性。

　　以上几点是水泥工业的可持续发展的重要环节，如何利用好工业废渣废料及矿山废石尾矿，使其在水泥工业的可持续发展中发挥作用，下面进行必要的具体分析。

　　传统观念下的水泥生产消耗大量天然资源。我们知道，对水泥生产工艺和使用的原料可作这样的简单叙述。水泥生产过程大体分为三个阶段：先是把石灰质、粘土质、铁铝质等几种原料按适当比例配合，在磨机中磨成生料；然后把制得的生料送入窑内煅烧成以硅酸钙为主要成分的熟料；煅烧熟料的热源来自磨煤机制备的煤粉；最后将熟料配以适量的石膏和混合材料磨成细粉即得水泥。其工艺概括为两磨一烧，主要原燃材料为石灰石、粘土、铁粉、石膏、混合材料和煤炭等。生产一吨通用硅酸盐水泥约消耗石灰石1.20吨、粘土0.20吨、铁粉0.02吨、石膏0.05吨、混合材料0.25吨和煤炭0.16吨。有关世界水泥产量和我国水泥及原燃材料消耗量计算结果列入表2。

表2 世界水泥和我国水泥产量及原燃材料消耗量计算值（亿吨）

年分	2002	2003	2004	2005	2006	2007	2008
世界水泥	18.3	20.1	21.8	23.4	25.6	27.5	28.6
中国水泥及占世界%	7.25 39.6	8.62 42.9	9.70 44.5	10.6 45.3	12.6 49.2	13.5 49.1	13.9 48.6
石灰石	8.70	10.35	11.64	12.72	15.12	16.20	16.68
粘土	1.450	1.724	1.940	2.120	2.520	2.700	2.780
铁粉	0.145	0.173	0.194	0.212	0.252	0.270	0.278
石膏	0.362	0.431	0.485	0.530	0.630	0.675	0.695

　　注1：表中列出世界水泥产量和我国水泥产量，表示我国水泥工业在世界上的地位。并由此看出我国水泥用矿产资源的消耗量在世界上的水平。
　　注2：水泥中混合材料掺加量的质量百分数为25.：煤炭收到基低位热值为5700千卡/公斤。

　　从表2的水泥产量和原燃材料的消耗量看出，生产水泥就要消耗大量的材料，其中一些材料是难以再生的资源。水泥行业是资源、能源消耗型的行业，并且还是消耗大户。综合利用资源，使用替代资源，节省天然资源、人工资源，降低资源的使用等级或品位等是水泥行业在使用资源时首先遇到并应及时解决的问题。

　　2007年水泥产量13.5亿吨，废渣利用率25.27%，使用废渣量为3.4亿吨。当年石灰石消耗量为16.2亿吨，原材料消耗量为23.22亿吨。实际废渣利用量分别占石灰石消耗量的21.0%、原材料消耗量的14.7%，因此在利用废渣方面，因此要突破传统观念，利用各种资源。资源综合利用是我国经济和社会发展中一项长远的战略方针，也是一项重大的技术经济政策，对提高资源利用效率，发展循环经济，建设节约型社会具有十分重要的意义。针对水泥行业是资源、能源消耗型的固有性质，国家发展和改革委员会在《水泥工业产业发展政策》明确规定：“国家支持企业采取措施，减少大气污染物排放，降低环境污染，节能降耗，综合利用工业废渣，积极利用低品位原燃材料，提高资源利用率，鼓励水泥企业走资源节约道路，达到清洁生产技术规范要求。”其实，早在10年前的十五规划中就做出利用工业废渣的要求：从可持续发展和环境保护的高度出发，利用工业废渣来生产和发展新型水泥。利用工业废渣已经提到“水泥工业可持续发展”的高度。而对水泥工业来说，要践行可持续发展所涵盖“资源生产力”这项内容，就必须要减少天然矿石性资源和能源的耗费，利用工业废渣和废料替代传统的原燃材料，即是一百多年来使用的石灰石、粘土、铁粉和煤炭。传统的原燃材料因其形成过程中受到物理化学、压力等地质作用，所形成的岩矿具有分解温度高、熔融温度高、粘度高和潜能低的三高一低的特点，而有一些其易磨性也差，给材料的粉磨加工带来困难，致使粉磨能耗上升。因此，需要分析天然原燃材料的特点，选择与其性能特点相背的材料作为生产水泥的材料，而工业废渣、废料基本上具有分解温度低、粘度低、熔融温度低、潜能高等一系列优点。因为它们大多都经过不同高温的煅烧或熔融，并对其进行水淬快冷，其机构呈玻璃态，就具有了较高的热含量或水硬活性。有些在较高的温度下进行焙烧，失去结晶水，其结构也发生了变化，具有了一定的水化活性。

　　水泥工业资源综合利用最现实最直接最有效的一项，应是最大限度地使用低品位矿石及岩石。但是多年来，水泥工业利用低品位矿石等资源的范围和数量与人们的期望值还有一定的差距，而一直以使用天然矿物原料为主，对天然矿物原料的质量技术指标有着严格的要求，其质量指标见表3. 表4，表5。这些质量指标和技术要求对规范天然原燃材料的使用，保证生产符合水泥产品标准或技术性能更加优越的水泥起到非常大的作用，但也排除了低品位资源的使用，随着水泥工业的技术进步，现在已经在很大范围拓展了低品位资源的使用。

表3 水泥用石灰质原料质量要求

品级及类别		品位，%
品级及类别		CaO	MgO	R₂O	SO₃	燧石或石英
泥灰石		35~45	<3.0	<1.2	<1.0	<4.0
石灰石	一级品	>48	<2.5	<1.0	<1.0	<4.0
石灰石	二级品	45~48	<3.0	<1.0	<1.0	<4.0

注：水泥用石灰质原料中氯离子Clˉ为0.015

表4 粘土质原料质量指标

	率值		化学成分
	SM	IM	MgO	R₂O	SO₃	Cl
Ⅰ	2.7~3.5	1.5~3.5	<3.0	<4.0	<2.0	<0.015
Ⅱ	2.0~2.7/3.5~4.0		<3.0	<4.0	<2.0	<0.015

表5 校正原料质量指标

校正原料	SM	化学成分%
校正原料	SM	SiO₂	MgO	R₂O	SO₃	Cl	Fe₂O₃	Al₂O₃
硅质	>4.0	>70	<3	<4	<1	0.015
铁质			<3	<2	<2	<0.015	>40
铝质			<3	<2	<1	<0.015		>30

　　自1824年硅酸盐水泥以工业生产的形式问世以来，使用石灰石、粘土、铁矿石等天然原料生产水泥一直传承下来，到20世纪80年代才有所突破，认为要优先选用已天然混合好的合适原料，而不是纯的石灰石和粘土。水泥原料应从高质量（确切地讲应是高钙）石灰石（ CaO：54%～56%），泥灰质石灰石（ CaO：50%～54%）, 石灰质泥灰岩（ CaO：42%～50%）到泥灰岩（ CaO：22%～42%），粘土质泥灰岩（ CaO：5.6%～22%）和粘土（ CaO：0～5.6%）。只要搭配合理，都可以作为水泥原料。

　　科学划分水泥原料石灰石的等级，减少“废石”排放，就可以加强矿山资源的综合利用，有效应用低品位矿石，提高“废石”的利用率，对提高废渣总的利用率具有更大的作用。在传统的开采石灰石矿的理念当中，认为矿石中的钙含量越高越好，其他成分含量越低越好，特别是对二氧化硅、氧化镁等成分的控制标准特别严格。这样，大量钙含量较低或氧化镁含量偏高的矿山资源得不到充分利用。水泥行业的企业、设计科研和地矿单位的科技人员，在长期生产科研实践中已经掌握应用高钙、低钙搭配的方法，生产出质量合格的水泥产品。这一生产实践的意义是，扩大了水泥生产原料的应用范围，突破了开采使用石灰石的传统观念，树立了科学合理利用矿产资源的全新理念。因此，在矿产资源应用中．企业科学地应用了高含量硅、游离硅等硅质及氧化镁含量偏高的原料的使用量。这些原料的氧化硅、氧化镁含量虽然超过了国家标准，但通过科学选择配料设计方案，在矿山采取不同台段、不同爆堆的多点搭配，在生产厂区采取原料预均化配料或预均化、生料均化及加强入窑生料氧化钙、氧化铁（或氧化钙、氧化硅）控制等质量管理措施，使其达到了合理有效的利用。采取这些措施，综合利用矿产资源，极大地减少了矿山开采中废石的排放，有的企业矿石回采率超过95%、有的企业几次扩大开采境界，延长了矿山的使用年限。同时，我们应清醒地认识到，我国矿产资源短缺、经济高增长、资源高消耗的严峻形势，须全面提高石灰石矿产资源的综合利用率，尤其是从国家长期发展的战略高度来看．石灰石矿产资源的高效综合利用势在必行。

　　为此，通过应用先进技术把矿山原料综合利用，改变矿产资源开发由“资源一产品一废弃物”的传统生产模式，推动资源综合利用工作的开展。要从根本上转变石灰石矿山传统的开采模式，须从我国石灰石矿产资源的特点出发，结合水泥生产用石灰石原料的品位底线，突破传统采矿工艺理念，进行创新性基础理论与应用研究，从而实现矿产资源低成本、低能耗、高效利用，最终实现石灰石矿山开采的零排放或负排放。在我国水泥矿山石灰石的开采及综合利用实践中，很多企业勇于创新，将水泥原料的工艺性能、矿石品位指标的具体要求与矿石的赋存条件、矿石品位、开采条件等结合起来进行分析，改变过去圈矿指标的旧观念，合理扩大开采境界，在生产中加强生产勘探和矿山质量管理工作，寻求矿石开采的优化的方案，达到矿山资源的最大化利用，取得了突破性的进展，成绩斐然。

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