水泥生产过程对环境的影响及其环保措施
（ 武汉理工大学 材料学院 武汉 430070 ）
摘 要：水泥作为建筑工程中必不可少的建筑材料之一,在海港工程、交通工程、工业建筑、民用建筑、国防建设等领域都得到了广泛应用。水泥生产的环境影响主要体现在温室效应、不可再生能源消耗和可再生资源消耗 , 废弃物作为代替原料广泛应用于水泥生产，其带来的环境污染问题不容忽视。本文重点讲述了水泥生产过程中对环境的污染，并提出了相关的环保措施，并对我国水泥生产的前景做了相关展望。 关键词： 水泥生产；排放污染；环保措施；新型干法技术 中图分类号：X24
文献标识码：A Effect Of Cement Production On The Environment And Its Environmental Protection Measures
Hou wei （ Wuhan University of Technology Institute of Materials ,Wuhan 430070,China ）
Abstract:As one of the eential building materials in the construction, cement has been widely applied in harbour engineering, traffic engineering, civil construction, industrial buildings, national defense construction and other areas.global warming potential, energy depletion potential and abiotic depletion potential make the main contribution to the environment impact, Environmental pollution must be noticed when more waste materials are utilized as raw materials during cement production.This article focuses on the environmental pollution in cement production proce, and put out some relevant environmental protection measures, and made prospects to the cement production in China.
Key words : cement production ; emiion pollution; environmental protection measures; new dry proce technology
1 前言
纵观水泥发展史,自1824年诞生波特兰水泥至今187年来,由于其具有丰富的原料资源、相对较低的生产成本和良好的胶凝性能,成为当前乃至21世纪人类社会最主要的、不可替代的建筑材料。但水泥在为人类社会进步与经济发展做出巨大贡献的同时,也越来越显著地暴露出它在生产和应用方面存在的一系列问题。例如:水泥生产过程表现为能源资源消耗大、环境污染严重;水泥应用过程表现为力学性能较差、耐久性能有待提高等。这些问题的存在致使其成了最大宗的不可持续发展材料。同时,我国处于粗放型、质量效益型并存,同时向环境材料型过渡的阶段,发达国家已进入环境材料型发展阶段。因此,从全球战略意义的资源、环境与发展等问题出发,必须加强对人类社会发展和国民经济发展举足轻重的传统材料——水泥生产技术的研究,建设生态环境材料型水泥产业,已成为
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国际水泥工业可持续发展的必由之路。本文研究了目前水泥生产过程对环境的影响及所需采取的环保措施。
[1]2 水泥生产对环境的污染情况
水泥厂一直被看作污染源,水泥生产时主要生态问题是粉尘和烟尘。烟尘中一般含有硫、氮、碳的氧化物等有毒气体和粉尘。粉尘颗粒> 10μm的,称为落尘。颗粒
表1 水泥生产对环境的污染情况（万吨）
排放物 粉尘 二氧化碳 二氧化硫 氮氧化合物 1995年 1050 36000 45 92
2000年 1380 44000 59 120
2010年 2010 61000 78.4 160 水泥生产粉尘排放量占全国工业生产粉尘排放量的27.1%;二氧化碳排放量占全国工业生产排放量的21.8%;二氧化硫排放量占全国工业生产排放量的4.85%。水泥工业是造成温室效应的CO2和形成酸雨的SO2及其NOx的排放大户。从1997年到2010年,地球大气层将因我国的水泥生产而增加CO2积累量60亿吨之多 ,对人类环境将造成严重的危害。因此,水泥工业不仅在中国,在全世界也必须走优质、低耗、高效益、环境相容的可持续发展道路。 2.1粉尘排放[3]
水泥在生产中产生大量的粉尘，以烧成为例，随废气逸出的粉尘量高达产品的10%以上，因此粉尘治理一直是环境保护的重点，目前所配置的电收尘器和各种纤维织物的袋除尘器可保证粉尘排放值在50～30mg/m以下,完全能满足国家环保条例100 mg/m以内要求,但是必须看到欧美工业发达国家排放值限定在30mg/m以内,且媛烧有毒工业废弃物时,粉尘排放值限定在10 mg/m以内,这就对收尘系统装备提出了更高的技术要求。 2.2有害气体的排放[3] 2.2.1 CO2排放
近年来, CO2对大气的影响愈来愈引起人们的重视,一些国家开始限制国内有关工业的CO2排放量。水泥生产时, CO2排放源自两方面 ,一方面是生产过程中,作为水泥原料的CaCO3分解生成CO2,常规的水泥生产所产生的CO2量大致为0.5kg CO2/kg熟料以上;另外燃料燃烧所生成的CO2,随着水泥生产的单位热耗下降而下降。水泥热耗从湿法6000kJ/kg熟料到预分解窑的熟料2900kJ/kg以下,其CO2排放量几乎下降了0.25kg CO2/kg熟料以上。因此减少CO2排放量的重要途径是降低预分解窑的单位热耗。扩大预分解窑产量,取代高热耗的回转窑和立窑。从总体上来降低CO2排放量。 2.2.2 SOx排放
传统的回转窑和立窑生产时,原燃料中所含的硫,除了少量被熟料消纳而成熟料成分,大部分以SOx随废气排放。但是,近年来发展的预分解窑对SOx的排放有良好的控制功能,其原因是分解炉内生
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料分解时,产生大量的具有脱硫功能的细颗粒游离石灰,此时燃料燃烧所产生的SOx随烟气经分解炉时,通常约70%～90%的硫被游离石灰吸收而作为熟料成分,熟料中硫含量
减少SOx排放的主要措施是减少燃料中硫的含量,其含量愈低愈好。但国外近年来在水泥窑上大量锻烧价格低廉、硫含量高达 5%～6%的石油焦(热值33400kJ/kg～3550 kJ/kg且不影响产品质量,因此从资源的可持续战略观点出发,应该加强对预分解窑内游离石灰消纳SOx机理,以及游离石灰消纳SOx后,生料对预热器系统生产过程中结皮的影响,以及含硫熟料对窑内耐火砖的影响和熟料质量的影响等进行研究,从而在保证SOx排放值和熟料质量正常的前提下,适当提高水泥窑用燃料中含硫量的成分,这样可以扩大我国部分地区燃煤中含硫量偏高且目前尚未在水泥工业中应用的燃料资源和工业废弃物作燃料的应用。个别工厂使用的原料内含硫量偏高,由于硫在低温下挥发,不受已分解的SOx影响,因而需采用脱硫装置来降低SOx的排放。 2.2.3NOx排放
近年来, NOx排放一直得到人们重视,水泥生产时, NOx排放的因素很多,与燃料的挥发分、燃烧温度、燃烧气氛以及燃烧装置型式等有关。总体说来,燃料的挥发分愈高,则NOx排放值愈低,若燃料中挥发分愈低,燃烧温度愈高, NOx排放值愈高。燃烧时氧含量愈高,排放量也愈高 ,为降低NOx值，预分解窑采取的措施主要是：
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[8-10]窑头采用多风道低NOx燃烧器,利用燃烧器内不同风道,使气流产生内部回流,从而产生局部还原燃烧,同时改善冲量,减少燃烧时的峰值温度,上述措施可以减少NOx的生成量。
3窑尾的预热器分解炉系统内,在带还原气氛的窑废气中的分解炉不同部位,采用分级媛烧和多风道燃烧器来降低NOx排放。上述措施可以使预分解窑系统NOx排放值降低在500mg/m以内。从国内的一些预分解窑实测的数据来看,也低于此数值。采用热值高且挥发分高的工业废弃物如废轮胎,一般可降低NOx排放值约15%～35% 。
由于传统的回转窑NOx排放值较高,且很难通过上述措施来大幅降低。国外的措施是降低火焰温度、喷氨水或锻烧高挥发分的工业废弃物如废轮胎、废煤油等,使之达到限定的NOx排放值。 2.3 废水
水泥生产时,对水的污染主要为铬污染和一般性污染。水泥窑内温度较高,其烧成带使用镁铬砖,在碱（或硫）的作用下,稳定的3价铬转化为氧化能力极强的6价铬,当水溶液含铬量超过0.5mg/L时,对人体的皮肤、呼吸神经、肺等器官造成严重的危害,从80年代起工业化国家纷纷制定一系列环保、卫生方面的规范,对镁铬砖的残砖和水泥厂排水进行全面监控。
由于镁铬砖具有较高的抗高温性、抗化学侵蚀和抗机械应力,以及较好的结窑皮性能,且价格相对较低,因此我国目前水泥回转窑仍以镁铬砖为主。从80年代中期以来,为消除铬公害,工业发达国家明确地限制了含铬镁砖的生产,一些性能优良的无铬砖制品相继出现,如抗热化学性能和抗热机械性能的各种型号的新一代镁铝尖晶石砖、增锆白云石砖、镁锆砖,以及挂窑皮性能良好的镁铁尖晶石砖制品,在窑内使用均取得了良好的效果,消除了铬公害,上述产品正在加速推广应用。
水泥生产所产生的污水,一般经污水处理后基本上能消除有害杂质而得以回用。
3工业废弃物的应用[3]
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3.1 气体废弃物热能利用
预分解窑的废气一般温度在300℃以上,其热量主要用作原燃料的烘干。近年来,国内外开发了利用预热器废气的纯低温发电技术,其途径是在预热器废气系统,设置余热锅炉和低参数多级混压进汽式汽轮机,一般4级预热器预分解窑的废气热量可发电30kwh/t熟料以上,相当于水泥电耗的30%。 3.2 固体废弃物物的利用
当前,一些国家在发展水泥工业时,从资源的可持续战略观点出发,利用水泥生产的特点,发展环境负荷减少型水泥和环境共存型水泥,以减少资源消耗和增加工业废弃物的利用。
一些工业废料如煤矸石,粉煤灰、废砂、铁矿渣、高炉炉渣,以及含CaO、SiO
2、Al2O3等成分的淤泥,只要其成分经配料后在媛烧熟料允许的范围内,均能作原料缎烧水泥熟料。此类工业废弃物作水泥原料时,除了消纳工业废弃物外,另一优点是高炉炉渣等工业废弃物中的CaCO3已分解为CaO,用作原料后,较大幅度降低了熟料缎烧的热耗,和降低废气中CO
2、NOx排放。
工业废弃物作原料的发展方向是在现有基础上,提高、扩大废弃物的使用面,以及加大城市废水处理污泥和河流淤泥的使用。
4 发展生态水泥
新型干法水泥技术是以悬浮预热和预分解技术装备为核心,以先进的环保、热工、粉磨、均化、储运、在线检测、信息化等技术装备为基础,采用新技术和新材料,节约资源和能源,充分利用废料、废渣,促进循环经济,实现人与自然和谐相处的现代化水泥生产方法。 4.1 原料预均化工艺与装备的技术进步[11-14]
为了保证大型新型干法水泥生产线的均衡稳定生产以及扩大原料资源的利用范围,自80年代以来,原料预均化技术已在我国得到广泛应用,其工艺与装备日益发展和完善,预均化效果不断提高,堆、取料各个环节实现了自动控制,减小了原料的短期和长期波动,堆场占地面积逐渐减小,节约了大量天然资源和能源等。
开发出的圆型、长型原料预均化堆场,可根据建设条件灵活运用,并可满足2000～10000t/d熟料生产线的生产要求。
4.2 生料制备系统工艺与装备的技术进步
近15年来,尤其是新型干法水泥生产技术的广泛应用,生料制备系统的工艺与装备技术进步取得明显成效: （1）国产立式磨的研究与应用取得长足进展,结构和性能日趋完善,技术指标已达到国际先进水平,生料制备已由过去球磨机为主逐步发展为高效率的立式磨为主,生料制备电耗明显降低； （2）生料粉磨装备的大型化,满足了新型干法水泥单条生产线规模不断扩大的需求。目前,球磨机和国产立式磨的单机产量可与 2500～5000t/d熟料生产线配套；
（3）我国自行研制的各种高效选粉机,广泛应用于水泥生料制备闭路系统中,为提高生料磨产量、降低电耗、提升水泥生料制备系统技术水平起到了积极作用。 4.3 生料均化系统工艺与装备的技术进步
随着我国水泥工业技术的发展,生料均化技术由间歇式空气搅拌库逐步发展到投资省、操作简
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单、电耗低的连续式均化库。80年代开始,我国从国外引进了几种不同形式的连续式均化库,如德国的彼得斯均化室连续式均化库、混合室连续式均化库、德国的 POLYSIUS多点流连续式均化库（MF库）、丹麦F.L.S的控制流连续式均化库(CF库) 和德国汉堡公司的中心室连续式均化库(IBAU库)等。
90年代以来,为了同大型新型干法水泥生产线配套,天津水泥设计院、南京水泥设计院等设计单位开发出了各具特色的连续式均化库,不仅为生料均化系统提供了高均化效果、低电耗和高卸空率的工艺与装备,同时也促进了我国新型干法水泥的技术进步和发展。
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4.4 熟料烧成系统工艺与装备的技术进步
窑外预分解技术是新型干法水泥技术的核心,也是当代新型干法水泥熟料缎烧技术发展的主流技术。预分解窑是在悬浮预热器窑基础上发展起来的,是悬浮预热器窑发展的更高阶段,是继悬浮预热器窑发明后的又一次重大技术创新。
近20年来，我国水泥工业熟料烧成系统的工艺与装备取得了重大技术进步: (1)成功研发出具有自主知识产权的新型高效、低阻、低NOx的预分解系统,主要技术指标达到国际先进水平，全面提升了我国新型干法水泥熟料烧成系统的国产化、大型化技术水平。至2004年底，我国已投产的500t/d级以上的新型干法水泥生产线已达55条，其中4条为1000t/d级新型干法水泥生产线。
(2)在吸收国外先进技术的基础上，我国已自行开发出了第3代控制流蓖式冷却机。采用空气梁供风、高阻力蓖床、人料均匀分配、厚料层、脉冲分风及合理的配风等新技术，解决了厚层蓖冷机冷风不易均匀透过料层的技术难点，冷风和高温熟料进行激烈的换热，一方面有利于熟料快速冷却另一方面提高了2次、3次风温度，蓖冷机的热效率已提高至72%以上，且运转率大幅度提高。
(3)我国燃烧器的发展趋势是紧跟当今世界工业发展的2大主题——节能和环保,主要体现在：1次风量小，可烧劣质燃料，耐磨损、耐变形,低NOx排放。国内已开发应用了3风道、4风道的多通道煤粉燃烧器，以及燃烧2种以上燃料的5风道的多通道燃烧器。
（4）我国生产水泥熟料以燃煤为主,新型干法水泥熟料生产使用无烟煤、低挥发份煤的生产工艺和装备已在国内10多条700～2000t/d熟料生产线上成功应用，生产用煤的挥发分低于5%，取得较好的经济效益和社会效益。
（5）不带补燃炉的纯低温余热发电技术已取得突破,并已在多家水泥厂应用。水泥窑纯低温余热发电，完全利用水泥熟料生产过程中产生的废气余热作为热源，整个热力系统不燃烧任何一次能源，可有效地减少水泥生产过程中的能源消耗，具有显著的节能效果。同时，废气通过余热锅炉降低了排放的温度，还可有效地减轻水泥生产对环境的热污染,具有显著的环保效果。 4.5 水泥粉磨系统工艺与装备的技术进步
近15年来，我国水泥粉磨系统的工艺与装备技术进步明显加快，大幅度提高了水泥的产品质量、降低了水泥粉磨电耗和水泥生产成本：[10]
（1）1990年，第1台国产辊压机在江阴水泥厂投入使用以来，挤压粉磨系统工艺与装备的不断完善、不断大型化，已经形成以辊压机为中心、各种新型设备组合成为优势互补的多种粉磨新工艺,如预粉磨系统、混合粉磨系统、联合粉磨系统、半终粉磨系统等。其技术水平达到了20世纪90年代末期的国际先进水平。
挤压粉磨系统已成为水泥粉磨的首选方案 ，在全国普遍推广应用。最大规格已能满足与5000t/d熟料新型干法水泥生产线配套。
（2）钢球磨机大型化及其匹配设备的优化改进和提高，不仅提高了单机生产能力，满足了水泥生产线单线规模不断扩大的需求，而且有效提高了粉磨效率。
（3）在球磨机开流粉磨水泥的系统中，采用微型研磨体的高细高产磨得到广泛推广。这项技术国内最早是由合肥院完成研制开发的,并取得了5个国家的专利，荣获国家科技进步二等奖。高细高产磨技术在磨机仓位设计、磨内筛分、研磨体配比等方面已形成了自己的特色，开辟了广泛的应用 5
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市场。在水泥、超细矿渣、超细粉煤灰等生产中,这种开流粉磨系统已经可以达到或接近闭路系统的效果，而投资和运行成本则可以大幅度降低。
（4）采用新型耐磨材料，改善磨机部件材质，不断提高磨机综合效率和使用寿命。 4.6 环境保护工艺与装备的技术进步
水泥工业对环境的污染主要为粉尘污染和排放气体（CO2 , SO2, NOx等）引起的大气污染，它关系到人类的生存环境。水泥工业要成为可持续发展的行业，必须将环境保护放在重要位置。为此，我国制订了《水泥工业大气污染物排放标准》的新标准，并已于2005年1月1日起实施，对水泥厂建设和生产提出了更高的要求。
5 结论
水泥生产因为生产过程中会产生大量废屑、粉磨和各种有害气体而被认为是高污染行业，环境保护工作尤为任重道远。要想实现水泥生产的可持续发展，在生产过程中减少对环境的污染，在生产过程中就应该时刻注意树立环保意识，在每一个生产环节都充分考虑环境因素。新型干法水泥生产工艺与设备盛行以来，由于材料利用率的提高、废料的减少和无烟煤的使用等新技术的使用，环境污染问题已经得到了很大改善，这不但有利于水泥生产行业的健康发展,也有利于社会环境质量的提高。总之，我国目前水泥生产工艺和技术仍在朝着低能耗、高产量、少污染的方向不断发展。水泥生产新工艺与设备的出现和发展对于我国建筑材料的进步具有重要意义，目前我国的水泥工程技术已经部分达到或超过了国外先进技术，同时，我国已经成功在多个东南亚和非洲等地区援建了水泥厂，目前，针对国家淘汰落后产能的决心，我们必须加强对新工艺新设备的研发,促进国名经济的发展。
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