我國水泥工業(yè)廢氣量減排與污染物減排潛力分析

王紅梅，劉宇 ，王凡，都基峻，張凡，石應(yīng)杰

中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

我國是世界上最大的水泥生產(chǎn)與消費國。2012年，世界水泥產(chǎn)量約39 × 108t，我國水泥產(chǎn)量約21.8 ×108t，占世界水泥總產(chǎn)量的56%［1］。在資源消耗方面，用做水泥原料的石灰?guī)r資源消耗量約占其總資源消耗量的1/4 ～1/3［2］;在能源消耗方面，用于水泥生產(chǎn)的煤炭占全國煤炭總需求量的10%以上，用于水泥生產(chǎn)的電力消耗約占全國生產(chǎn)總耗電量的5%［3］;在污染物排放方面，水泥工業(yè)顆粒物排放量占全國排放量的15% ～20%，NOx排放量占全國排放量的8% ～10%，SO2排放量占全國排放量的3% ～4%，水泥工業(yè)是重點污染行業(yè)之一［4-6］。2012年，水泥工業(yè)的生產(chǎn)總值約9 793 億元，占建材工業(yè)生產(chǎn)總值的24.9%［7］，占全國工業(yè)生產(chǎn)總值的1.7%，水泥工業(yè)的產(chǎn)值與污染物排放不成比例。

水泥工業(yè)是城市發(fā)展不可或缺的凈化器，是電力、化工、煤炭、鋼鐵等行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的清道夫。2013年，我國水泥混凝土行業(yè)利用廢渣量超過10 ×108t［8］，成為最大的工業(yè)利廢行業(yè)。近年來，我國水泥工業(yè)在城市生活垃圾處理等方面發(fā)揮的作用越來越大，通過開展試點示范，大力推廣水泥窯無害化協(xié)同處置和資源化利用生活垃圾，已有30 多條水泥窯生產(chǎn)線開展了協(xié)同處置技術(shù)改造。水泥工業(yè)對工業(yè)發(fā)展和城市生活的作用越來越突出，成為城市和相關(guān)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵行業(yè)之一。

隨著新修訂水泥標(biāo)準(zhǔn)的實施，水泥工業(yè)顆粒物、NOx等污染物排放濃度將會顯著下降，但以顆粒物為主的污染物排放總量依然很高。我國水泥生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，幾乎各環(huán)節(jié)都有顆粒物產(chǎn)生。通常，一個水泥廠袋式除塵器有幾十臺之多，各工序廢氣排放非常分散，給環(huán)境管理增加了難度。另外，通過袋式除塵器排放到空氣中的顆粒物以細(xì)顆粒物為主，而細(xì)顆粒物排放是造成霧霾的主要原因。目前，通過加嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)難以實現(xiàn)顆粒物的進一步減排。因此，通過減排廢氣量實現(xiàn)水泥工業(yè)削減污染物排放已成為必由之路。筆者通過實例，分析實現(xiàn)廢氣量減排的可行途徑，并以水泥新標(biāo)準(zhǔn)實施的2015年為基礎(chǔ)年，分別估算出通過標(biāo)準(zhǔn)減排和廢氣量減排實現(xiàn)的顆粒物減排量，以期為水泥工業(yè)開展大氣污染物深度減排提供思路。

1 水泥工業(yè)大氣污染物及廢氣排放狀況

水泥生產(chǎn)從原料獲取到產(chǎn)品，需要經(jīng)過礦山開采、原料破碎烘干、生料粉磨、煅燒、熟料冷卻、水泥粉磨及包裝等多道工序，每道工序都存在不同程度的顆粒物排放，其中煅燒工序集中了70%以上的顆粒物和幾乎全部的氣態(tài)污染物(SO2、NOx、氟化物等)排放。隨著水泥工業(yè)污染物排放量的增加和大氣污染形勢的日益嚴(yán)峻，環(huán)境保護部提出對水泥工業(yè)大氣污染物排放進一步加嚴(yán)的要求。

2013年12月27日，GB 4915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(第三次修訂)正式發(fā)布，現(xiàn)有企業(yè)從2015年7月1日起全面執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)，要求水泥窯顆粒物排放濃度從50 mg/m3降到30 mg/m3，NOx濃度從800 mg/m3降到400 mg/m3。目前，水泥企業(yè)除塵主要采用各種類型的袋式除塵器，還有部分企業(yè)采用靜電除塵器，但要實現(xiàn)30 mg/m3甚至更低的排放要求，一些靜電除塵器難以通過自身改造實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，因此應(yīng)逐步改造成電袋除塵器或袋式除塵器。

隨著新修訂標(biāo)準(zhǔn)的實施，水泥工業(yè)顆粒物和NOx的排放濃度將會顯著下降，然而，由于我國水泥產(chǎn)量居高不下，水泥生產(chǎn)工藝顆粒物排放量大、排放點多，即使全部實現(xiàn)低于30 mg/m3的排放限值，水泥工業(yè)以顆粒物為主的大氣污染物排放量仍然很高，依靠末端治理技術(shù)實現(xiàn)污染物減排的空間已經(jīng)越來越小。改變單一的末端污染治理，實行全過程污染控制，走可持續(xù)發(fā)展道路，是促進經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，開創(chuàng)污染防治新局面的戰(zhàn)略性措施，也是今后我國水泥工業(yè)污染防治的方向。對于現(xiàn)階段水泥工業(yè)，加快余熱余能的回收利用，減少空氣用量和廢氣排放量，可以同時實現(xiàn)節(jié)能和污染物總量減排的雙贏。

現(xiàn)有新型干法水泥生產(chǎn)工藝已經(jīng)通過二次風(fēng)、三次風(fēng)、余熱烘干、余熱發(fā)電等多種利用途徑實現(xiàn)了節(jié)能減排，而通過合理的工藝改進減少空氣用量，從而使排放的廢氣量減少，可以在達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上更好地實現(xiàn)污染物總量減排的目標(biāo)。

以我國典型新型干法工藝生產(chǎn)1 t 水泥為例，水泥生產(chǎn)全過程主要產(chǎn)塵點位和廢氣排放情況見表1［9］。由表1 可知，生產(chǎn)1 t 水泥產(chǎn)品要處理超過20 t 的物料，廢氣排放量超過1 ×104m3。廢氣排放量大的工藝有熟料燒成、冷卻，生料粉磨、烘干等，排放量合計為10 798 m3，其中，水泥窯高溫廢氣排放量為4 550 m3，用于烘干的廢氣排放量為4 087 m3，常溫廢氣排放量為2 161 m3。

按現(xiàn)行水泥標(biāo)準(zhǔn)要求:執(zhí)行顆粒物排放濃度50 mg/m3的廢氣排放量為9 411 m3，30 mg/m3的廢氣排放量為1 386 m3，新修訂排放標(biāo)準(zhǔn)的限值為30 和20 mg/m3(特別排放限值為20 和10 mg/m3)，排放濃度按排放限值的90%計，根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)限值對生產(chǎn)1 t 水泥粉塵減排量進行估算，結(jié)果見表2。

表1 水泥生產(chǎn)過程廢氣排放量及標(biāo)準(zhǔn)限值［9］Table 1 Cement production process exhaust emissions and standard limits

表2 滿足不同排放標(biāo)準(zhǔn)限值的水泥生產(chǎn)過程顆粒物減排量Table 2 Cement production process dust emission reduction for different emission standard limits

從表2 可知，執(zhí)行現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)1 t 水泥排放顆粒物0.460 kg;標(biāo)準(zhǔn)修訂后，生產(chǎn)1 t 水泥執(zhí)行一般限值和特別限值分別排放顆粒物0.279 和0.181 kg。

2013年，我國水泥產(chǎn)量達(dá)24.1 ×108t。2014年前三季度，我國水泥產(chǎn)量同比增長3%［10］。按水泥產(chǎn)量年增速3%計，預(yù)計2015年水泥產(chǎn)量為25.6 ×108t。根據(jù)水泥產(chǎn)量預(yù)測，2015年如果執(zhí)行現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，水泥工業(yè)將排放顆粒物117.9 ×104t，按執(zhí)行一般限值和特別排放限值的比例分別為70%和30%估算，2015年執(zhí)行新修訂標(biāo)準(zhǔn)后，顆粒物將排放63.9 ×104t，可以估算出全國水泥工業(yè)由于標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)可減排顆粒物54.0 ×104t。

我國工業(yè)化進程遠(yuǎn)未結(jié)束，未來10年水泥產(chǎn)量不會大規(guī)模下降，而通過實施嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)進一步減排污染物已經(jīng)越來越難。生產(chǎn)1 t 水泥排放的廢氣量超過1 ×104m3，如果在標(biāo)準(zhǔn)排放限值不變的情況下，減少水泥工業(yè)排放的廢氣量，就可以有效降低污染物排放總量，尤其是顆粒物的排放總量。水泥工業(yè)除水泥窯外，其他工序普遍使用的是袋式除塵器，除塵效率通常超過99.5%。通過袋式除塵器排放的顆粒物主要是細(xì)顆粒物，其中PM2.5的濃度超過50%［11］。通過廢氣量減排，更可以有效地減少水泥工業(yè)PM2.5的排放。由于霧霾主要是PM2.5累積造成的，只有控制廢氣量的排放，有效減少環(huán)境空氣中的PM2.5，才能保障空氣質(zhì)量的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

2 水泥生產(chǎn)廢氣量減排途徑及效果

要實現(xiàn)廢氣量的減排，首先要在滿足水泥生產(chǎn)基本需要的前提下減少空氣進入量，通過廢氣循環(huán)利用可以實現(xiàn)廢氣量的直接減排，通過余熱余能利用可以實現(xiàn)廢氣量的間接減排。廢氣余熱余能利用和處理工藝基本不會增加廢氣的排放量，影響廢氣排放量的主要因素是廢氣生產(chǎn)、廢氣余熱余能利用和廢氣處理過程中進入空氣量的多少［12］。為減少空氣進入量，可以對高溫廢氣、低溫烘干廢氣和常溫廢氣分別加以利用。

2.1 高溫廢氣量減排

高溫廢氣主要包括水泥窯窯尾燒成廢氣和窯頭冷卻廢氣。其利用方式主要是通過窯頭余風(fēng)再循環(huán)技術(shù)、減少窯頭喂煤一次風(fēng)的比例、減少窯尾分解爐喂煤風(fēng)機的風(fēng)量，利用廢氣中的熱量，增加發(fā)電量或減少電耗，間接減少污染物的排放。

(1)窯頭余風(fēng)再循環(huán)技術(shù)

將窯頭風(fēng)機排出的90 ～100 ℃廢氣引入篦冷機中段，以進一步提高冷卻機中部抽風(fēng)溫度，從而提高窯頭余熱鍋爐入口煙溫，提高窯頭余熱鍋爐產(chǎn)氣量和余熱發(fā)電功率。以新豐越堡水泥有限公司4 500 t/d 熟料生產(chǎn)線配套9 000 kW 余熱發(fā)電工程為例［13］，通過余風(fēng)再循環(huán)，窯頭配套AQC 余熱鍋爐發(fā)電量從3 886 kW·h 提高到4 113 kW·h，通過該項技術(shù)改造，每年可增加發(fā)電量163.4 ×104kW·h，折合1 t 水泥增加發(fā)電量1.86 kW·h。按1 kW·h 電消耗0.325 kg 煤(以標(biāo)煤計)［14］，1 kg 煤消耗8 m3空氣［15］，通過余風(fēng)再循環(huán)，1 t 水泥可減少4.8 m3新鮮空氣用量。

(2)減少窯頭喂煤一次風(fēng)的比例

窯頭一次風(fēng)除了保證煤粉中揮發(fā)分燃燒的氧氣供應(yīng)外，還要保證能夠及時迅速地與二次風(fēng)混合。由于一次風(fēng)是冷風(fēng)，入窯后要被加熱到1 450 ℃以上。當(dāng)一次風(fēng)量增加到總空氣量的10%時，燃燒氣體溫度需要上升4 ℃。TLSF 水泥公司原先采用的燃燒器，一次風(fēng)用量占窯頭供風(fēng)量的15%以上。公司窯頭煤粉燃燒系統(tǒng)經(jīng)過技術(shù)改造［16］，一次風(fēng)用量占總風(fēng)量的比例下降到7.7%。送煤風(fēng)煤粉輸送濃度由改造前的2.7 ～3.9 kg/m3，提高到近6.0 kg/m3。經(jīng)過對5 條5 000 t/d 生產(chǎn)線窯頭喂煤系統(tǒng)的改造，可實現(xiàn)年節(jié)電241.2 ×104kW·h，折合1 t 水泥可節(jié)電0.45 kW·h。通過降低一次風(fēng)比例，1 t 水泥可減少119 m3新鮮空氣用量。

(3)減少分解爐喂煤風(fēng)機的風(fēng)量

分解爐內(nèi)的燃燒溫度約850 ～900 ℃。分解爐內(nèi)煤粉燃燒所需要的氧氣，通常是由三次風(fēng)供給的。入爐三次風(fēng)溫度越高，對煤粉燃燒越有利。由于入爐輸送煤粉的風(fēng)是冷風(fēng)，其風(fēng)量的大小會直接影響到入爐三次風(fēng)溫度。因此，在保證煤粉輸送穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡量減少煤粉輸送風(fēng)機的風(fēng)量。經(jīng)過對某水泥廠1 條6 000 t/d 和2 條6 200 t/d 生產(chǎn)線分解爐喂煤系統(tǒng)的改造，分解爐喂煤風(fēng)機裝機容量降低了120 kW·h，送煤風(fēng)占三次風(fēng)比例降低了2% ～3%，煤粉輸送濃度提高到4 kg/m3以上。通過對這3 條生產(chǎn)線分解爐喂煤系統(tǒng)的改造，可實現(xiàn)年節(jié)電232.8 ×104kW·h［12］，折合1 t 水泥節(jié)省電量0.59 kW·h。通過減少分解爐喂煤風(fēng)機的風(fēng)量，1 t水泥可減少28 m3新鮮空氣用量。

通過采用上述3 種直接和間接污染物減排方式，1 t 水泥可以減少空氣用量152 m3，按1 t 水泥廢氣排放量10 797 m3計，可以減排1.4%的廢氣量。全國水泥窯如果有50%進行相關(guān)技術(shù)改造，2015年將可減排細(xì)顆粒物5 829 t。

2.2 低溫烘干廢氣量減排

水泥生產(chǎn)中需要進行烘干的物料主要有含水量高的其他原料、生料、煤粉、混合材等，用于烘干的熱源通常有窯頭廢熱、窯尾廢熱及單獨熱源的烘干爐等。新型干法窯多利用窯頭窯尾廢熱對生料和煤粉進行烘干，其他原料和混合材等較少采用廢熱進行烘干，生產(chǎn)1 t 水泥用于烘干部分的廢氣量約1 510 m3，如果有50%能利用水泥窯廢熱烘干，生產(chǎn)1 t 水泥就可以減少755 m3空氣用量，2015年將可減排細(xì)顆粒物28 992 t。

2.3 常溫廢氣量減排

水泥窯常溫廢氣來自破碎、轉(zhuǎn)運、包裝、均化、貯存等多個工序，通常各工序分別配置袋式除塵器，廢氣經(jīng)除塵后直接排放。由表1 可知，生產(chǎn)1 t 水泥常溫廢氣排放量約為2 161 m3，如果有50%常溫廢氣不直接排放而是作為水泥窯窯頭和分解爐煤粉的助燃空氣，生產(chǎn)1 t 水泥就可減少1 081 m3空氣用量，2015年將可減排細(xì)顆粒物41 491 t。由于水泥廠常溫廢氣來源不同，各工序相對分散，直接利用不易實現(xiàn)，因此在廢氣利用方面需要因地制宜，可以在水泥窯窯頭和窯尾分解爐附近分別建儲氣柜，把周邊工序經(jīng)過除塵器除塵后的廢氣引入儲氣柜，保證水泥窯氣源的穩(wěn)定可靠。因水泥窯所需氣量遠(yuǎn)大于各工序常溫廢氣量之和，不足部分再補充新鮮空氣。對于新建水泥廠，工藝設(shè)計時考慮將常溫低塵工序相對集中靠近窯頭或窯尾，將未除塵廢氣引入儲氣柜后直接利用，減少除塵器的數(shù)量和能耗。

2.4 其他廢氣量減排

隨著水泥工業(yè)的快速發(fā)展，水泥生產(chǎn)所必需的原料、燃料資源也日趨緊張，因而在水泥生產(chǎn)過程中使用含鉀、鈉、氯、硫揮發(fā)性物質(zhì)的原料、燃料成為趨勢。特別是近20年，歐美原料情況變化和持續(xù)增長的替代原料、燃料的利用技術(shù)(如利用廢舊輪胎［17］、生活垃圾［18］、城市淤泥［19］等作為水泥替代燃料)得到廣泛應(yīng)用。在日本，利用水泥窯處置工業(yè)廢物和生活垃圾已經(jīng)有30 余年的歷史，在條件適宜的水泥窯，1 t 水泥可處理垃圾量達(dá)200 ～300 kg［20］;在德國，1999年有18 個水泥廠以廢輪胎做替代燃料，50%的水泥廠不同程度地利用各種可燃廢物，2001年燃料替代率達(dá)30%。這些垃圾或衍生燃料的使用，使鉀、鈉、氯、硫的帶入量增加，可能對水泥生產(chǎn)工藝造成破壞性影響，但在窯尾與預(yù)熱器之間增設(shè)旁路放風(fēng)裝置能夠很好地解決這一問題［21］。我國開展水泥窯處置廢物的時間還不長，水泥窯處置廢物的種類主要有工業(yè)固體廢物、城市污水處理廠污泥、生活垃圾、危險廢物等。環(huán)境保護部、國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)信息化部等國務(wù)院相關(guān)部委印發(fā)了一系列關(guān)于推動水泥窯協(xié)同處置技術(shù)發(fā)展的文件，預(yù)計在國家政策的推動下，水泥窯協(xié)同處置固體廢物將會得到迅速發(fā)展。為保證水泥生產(chǎn)線系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和水泥熟料的質(zhì)量，使用旁路放風(fēng)系統(tǒng)的水泥窯會越來越多。

采用旁路放風(fēng)技術(shù)，如果高溫廢氣不能利用，水泥窯熱耗增加非常顯著。近年來，我國在水泥窯上已經(jīng)實現(xiàn)了旁路放風(fēng)余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，在減少余熱浪費的同時，還實現(xiàn)了廢氣量的減排。如2011年阿克蘇天山多浪水泥公司投產(chǎn)了一條帶有旁路放風(fēng)余熱發(fā)電系統(tǒng)的4 800 t/d 生產(chǎn)線［22］，運行以來，熟料產(chǎn)量增加252 t/d(增產(chǎn)5.3%)，發(fā)電功率增加2 300 kW·h(增加30.7%)。在旁路放風(fēng)率低于25%條件下，熟料熱耗基本不增加，熟料質(zhì)量得到明顯提高。旁路放風(fēng)技術(shù)的出現(xiàn)也給水泥生產(chǎn)線帶來了新的發(fā)展方向［20］:1)拓寬了原料、燃料資源的使用范圍;2)利用一些低熱值的廢物(如生活垃圾、塑料以及廢輪胎等)，直接減少了固體廢物的排放。

如果水泥廠采用旁路放風(fēng)沒有進行余熱發(fā)電，一方面會使熟料熱耗和電耗增加，另一方面由于廢氣溫度高，通常采用摻入冷風(fēng)等方式將廢氣溫度降至200 ℃以下，以便于后續(xù)的廢氣除塵。如果按10%的放風(fēng)量，窯尾煙室的廢氣溫度為1 000 ℃，摻入25 ℃的空氣，將溫度降至200 ℃后，窯尾燒成部分水泥廢氣量2 925 m3/t 計，旁路放風(fēng)會增加的水泥廢氣量為2 925 ×10% × (1 000 -200)/(200 -25)=1 337 m3/t。通過余熱利用，不增加冷空氣摻入量就可以減少1 337 m3/t 廢氣的排放。

《水泥工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》提出，到2015年，水泥窯協(xié)同處置生產(chǎn)線比例將達(dá)10%。水泥工業(yè)要發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，選擇大中型城市周邊已有水泥熟料生產(chǎn)線，配套建設(shè)城市生活垃圾/污泥和各類廢物的預(yù)處理設(shè)施，開展協(xié)同處置試點示范和推廣應(yīng)用。如果有10%的水泥企業(yè)開展旁路放風(fēng)，其中50%未開展余熱發(fā)電，2015年因旁路放風(fēng)用冷空氣降溫直接排放的廢氣量會增加顆粒物排放5 134 t;利用旁路放風(fēng)開展余熱發(fā)電不增加空氣量，可以減排顆粒物5 134 t。旁路放風(fēng)對水泥工業(yè)顆粒物的排放影響是很顯著的。

3 結(jié)果與討論

(1)水泥工業(yè)是顆粒物等大氣污染物排放量大的重點工業(yè)行業(yè)，第三次修訂的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》能夠較大幅度地削減水泥工業(yè)的顆粒物，但我國當(dāng)前的環(huán)境保護形勢要求水泥工業(yè)還需要進一步削減污染物排放量，標(biāo)準(zhǔn)減排的空間已經(jīng)越來越小。預(yù)計2015年，通過標(biāo)準(zhǔn)減排，顆粒物排放量為63.9 ×104t，水泥工業(yè)顆粒物排放可減少54.0 ×104t。

(2)我國水泥廠高溫廢氣主要是水泥窯煅燒產(chǎn)生的，可以通過廢氣循環(huán)等方式直接減少加入窯里的空氣量，利用窯頭窯尾的余熱余能可以間接減少空氣量，實現(xiàn)廢氣量的減排;低溫烘干廢氣應(yīng)盡可能將水泥窯廢氣用于各種物料的烘干，減少烘干爐使用的空氣量;常溫廢氣是水泥生產(chǎn)多個工序經(jīng)除塵后排放的廢氣，可以作為水泥窯燃燒及煤粉輸送的一次風(fēng)進行利用。

在排放標(biāo)準(zhǔn)限值保持不變的情況下，通過廢氣量的減排實現(xiàn)污染物的減排。預(yù)計2015年，通過高溫廢氣量減排，可減少細(xì)顆粒物5 829 t;通過低溫烘干廢氣量減排，可減少細(xì)顆粒物28 992 t;通過常溫廢氣量減排，可減少細(xì)顆粒物41 491 t。

(3)國家政策支持水泥工業(yè)利用多種廢渣及水泥窯協(xié)同處置固體廢物。為保證熟料的質(zhì)量和系統(tǒng)的安全，采用旁路放風(fēng)措施會越來越多，將旁路放風(fēng)的熱廢氣進行余熱發(fā)電可有效減少廢氣量，實現(xiàn)污染物的減排。預(yù)計2015年，通過旁路放風(fēng)后進行余熱發(fā)電，可減少細(xì)顆粒物5 134 t。

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