水泥行業(yè)汞排放及減排研究探討

李 娟，周春英

（中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024）

0 前 言

水泥行業(yè)是我國國民經(jīng)濟建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)，也是能源、資源消耗和污染物排放的主要行業(yè)。我國水泥產(chǎn)量自1985年以來，位居世界第一，2015年世界主要國家和地區(qū)水泥總產(chǎn)量45.7億噸，中國產(chǎn)量23.5億噸，占51.4%（見圖1）。

圖1 2015年世界水泥產(chǎn)量（歐洲水泥協(xié)會，2015）

根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）報告，2010年全球人為汞排放的1/4來自于化石燃料燃燒，而水泥生產(chǎn)過程中使用煤作為主要燃料，年消耗原煤1.5億噸左右，同時消耗石灰石資源近20億噸，這些原料和燃料中的汞隨煙氣和粉塵釋放到大氣中，形成霧霾污染，使得水泥行業(yè)成為全球第四大汞排放源（見表1），每年排放的汞占人為總汞排放的9%。

因劇毒汞可侵害人體大腦中樞神經(jīng)和末梢神經(jīng)導(dǎo)致癡呆乃至死亡的水俁病，成為人類健康和環(huán)境的一大重要災(zāi)害，且由于其長距離遷移性而成為全球性熱點問題，亟需國際社會通過區(qū)域和國際合作控制其影響和損害。因此，UNEP啟動了全球汞公約談判，全球140余個國家達成共識，2013年10月我國政府簽署了旨在全球范圍內(nèi)減少汞排放的《水俁公約》。隨著我國工業(yè)化進程的不斷加快，大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)對水泥的需求還將繼續(xù)保持在較高水平，汞污染將進一步加劇。由此可見，我國當前面臨汞污染防治及履行國際汞公約的雙重壓力，汞減排勢必成為國家科技研究的重點之一。

我國水泥行業(yè)在汞排放標準、監(jiān)測、防治、減排等方面剛剛起步，而目前我國正在大力開展水泥窯協(xié)同處置廢棄物的工作，如果不加以防治性管理可能會造成更大的污染，導(dǎo)致“污染先行、末端治理”的局面。因此，水泥行業(yè)汞污染控制和減排對于我國乃至全世界的汞減排工作而言至關(guān)重要、刻不容緩。

1 水泥行業(yè)汞減排現(xiàn)狀

1.1 水泥生產(chǎn)過程中汞排放特征

汞主要通過三種方式進入水泥生產(chǎn)工藝過程，即原料、燃料以及協(xié)同處置的固體廢棄物。汞在水泥生產(chǎn)過程中循環(huán)富集，而最終水泥窯排放的煙氣中汞含量較低，主要以元素汞和氧化汞的形式存在。

表1 2010度評估報告水泥工業(yè)每年汞排放量

圖2 水泥窯中汞循環(huán)（歐洲水泥研究院，2008）

由于汞的高揮發(fā)性（揮發(fā)溫度357℃），因此幾乎所有物料帶入的汞在新型干法水泥生產(chǎn)線中回轉(zhuǎn)窯及預(yù)熱器內(nèi)這些高溫區(qū)域揮發(fā)，以元素汞（HgO）的形式隨煙氣流入生料磨[1，2]，煙氣經(jīng)過冷卻，部分汞與煙氣中的氧氣、HCl、Cl2和SO2反應(yīng)生成HgO、HgCl2，煙氣中的氧化態(tài)汞會被生料中石灰石以及CaO吸附。由于出生料磨的氣體溫度遠小于汞的揮發(fā)溫度，利于汞的冷凝和被粉塵顆粒吸附，因此汞主要在除塵器中被粉塵吸附，除塵器收下來的粉塵又作為原料返回窯系統(tǒng)，在系統(tǒng)中循環(huán)富集[3]，見圖2。

1.2 國際水泥工業(yè)汞減排工作進展

UNEP全球水泥汞排放基線為0.058g/t水泥；但是2003年～2004年，CEMBUREAU（歐洲水泥協(xié)會）和CSI成員企業(yè)收集統(tǒng)計了世界范圍內(nèi)各大洲 62個國家的200條水泥窯的1 681個汞排放值，其中不包括中國的數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示汞排放平均值為0.020mg/Nm3，按照重量百分比為0.035g/t水泥，比UNEP公布的排放基線低40%。

表2 水泥原料中的汞含量

表3 水泥生產(chǎn)化石燃料中的汞含量

歐洲水泥協(xié)會和CSI的研究數(shù)據(jù)還表明[4]：水泥廠煙氣中所排放的汞主要來自原料（汞含量見表2）、燃料（汞含量見表3）和協(xié)同處置固體廢棄物。生料中平均汞含量0.031g/t熟料；燃料中平均汞含量0.010g/t熟料，導(dǎo)致最終水泥窯排放煙氣中平均汞排放為0.041g/t熟料。

各國對汞的管理大致基于各自的國家清潔空氣法案和（或）廢棄物/排放管理標準。目前全世界已經(jīng)有幾十個國家針對水泥行業(yè)的汞排放有相關(guān)的限定標準，包括歐洲、北美和南美所有國家，東南亞和非洲部分國家，以及澳大利亞、韓國、印度等。我國水泥工業(yè)大氣污染物排放標準中對窯尾汞排放的限值為0.05mg/Nm3（在O2含量10%狀態(tài)下），然而對汞排放的監(jiān)測和減排工作尚未提到議事日程上來。目前世界各國水泥行業(yè)汞排放見表4。

由表4可見，各國水泥行業(yè)汞排放標準限值均有較大不同，中國水泥行業(yè)汞排放限值為0.05mg/Nm3，與歐洲的汞排放限值一致，同時該限值也是目前世界各國水泥行業(yè)汞排放的最低值。

表4 世界各國水泥行業(yè)汞排放標準限值（mg/Nm3）

1.3 國內(nèi)汞排放的相關(guān)工作

（1）中國政府已發(fā)布的政策和標準。

1996年，發(fā)布《GB 16297-1996大氣污染物綜合排放標準》，規(guī)定現(xiàn)有污染源大氣污染物中汞及其化合物的排放限值0.015mg/m3，新污染源大氣污染物汞及其化合物的排放限值0.012mg/m3，尚未對水泥窯的汞排放限值做出規(guī)定。

2011年12月27日環(huán)保部組織開展了《推進我國水泥行業(yè)汞削減技術(shù)篩選研究》。

2013年12月27日環(huán)境保護部發(fā)布GB4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》，汞及其化合物窯尾限值為0.05mg/m3，同時環(huán)境保護部發(fā)布GB30485-2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標準》，規(guī)定汞及其化合物最高允許排放濃度限值也為0.05mg/m3；以及HJ662-2016《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定水泥窯入窯物料（包括常規(guī)原料、燃料和固體廢棄物）中汞的最大投加量限制為0.23mg/kg熟料，4mg/kg水泥（僅計混合材中的汞）。

2015年12月24日，環(huán)境保護部正式印發(fā)《汞污染防治技術(shù)政策》指導(dǎo)性文件，其中對水泥行業(yè)汞污染防治技術(shù)、源頭及過程控制以及鼓勵的新技術(shù)研發(fā)等工作提出了技術(shù)指導(dǎo)。

2016年4月28日，第十二屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第二十次會議批準《關(guān)于汞的水俁公約》（以下簡稱《汞公約》）。《汞公約》自2017年8月16日起對我國正式生效。

2016年11月，國務(wù)院印發(fā)“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃，專門段落強調(diào)：加強汞污染控制。禁止新建采用含汞工藝的電石法聚氯乙烯生產(chǎn)項目，到2020年聚氯乙烯行業(yè)每單位產(chǎn)品用汞量在2010年的基礎(chǔ)上減少50%。加強燃煤電廠等重點行業(yè)汞污染排放控制。禁止新建原生汞礦，逐步停止原生汞開采。

（2）中國水泥行業(yè)已開展的汞減排工作。

水泥窯汞的排放受原料/燃料、燃燒方式和控制技術(shù)的影響，根據(jù)中國環(huán)科院2012年研究結(jié)果分析，估算我國水泥行業(yè)汞年排放量約為89t～144t左右。

目前研究結(jié)果表明，水泥生產(chǎn)過程中主要通過靜電除塵器（ESP）和布袋除塵器（FF）對煙氣進行脫汞，達到汞減排的效果。已有實測結(jié)果表明，靜電除塵器的脫汞效率達10%～15%，而袋式除塵器的脫汞效率可達20%～40%，由此推廣使用袋式除塵器不失為水泥行業(yè)脫汞的一個有效途徑。

2 汞減排對策

目前，我國水泥行業(yè)汞排放研究尚處于初級階段，汞排放控制機理不明確，相關(guān)控制技術(shù)較少，面臨的汞減排任務(wù)十分艱巨。世界歐美很多國家在汞污染控制與治理方面成果卓著，通過開展國際科技合作，借鑒并引進國際已有的先進汞污染控制、減排及管理技術(shù)和成熟經(jīng)驗，較大程度地縮短汞污染控制與減排技術(shù)研發(fā)時間，有效解決汞污染治理的瓶頸問題，減少水泥行業(yè)汞排放，且提高我國在汞污染控制與減排技術(shù)方面的科技創(chuàng)新能力。

根據(jù)我國水泥行業(yè)汞減排現(xiàn)狀，目前主要對策為首先摸清家底，盡快啟動水泥行業(yè)汞排放評估工作；其次開展創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)，主要結(jié)合國際現(xiàn)有汞減排先進技術(shù)及經(jīng)驗，研發(fā)適于中國新型干法水泥生產(chǎn)的汞控制與減排技術(shù)和管理方法；最后樹立行業(yè)全民意識，開展汞污染和防治理念在全行業(yè)的宣貫和推廣。

中國建筑材料科學(xué)研究總院牽頭承擔的聯(lián)合國工發(fā)組織工業(yè)基金項目“水泥行業(yè)汞排放遷移機制和減排技術(shù)研究”自2017年7月起開始執(zhí)行，這個項目針對水泥行業(yè)汞排放亟需解決的問題，首先通過與企業(yè)合作，監(jiān)測水泥原燃料及排放中的汞含量，了解水泥行業(yè)汞排放的特征，研究汞排放的遷移機制和特征；其次通過與國際組織合作，充分利用國際最新技術(shù)及信息，了解并研究其汞排放控制和減排技術(shù)，并將項目成果向全行業(yè)分享，這個項目的成果將為全球減輕汞污染與履行國際公約做出積極貢獻。

3 總 結(jié)

（1）水泥工業(yè)成為全球第四大汞排放源，每年排放的汞占人為總汞排放的9%。

（2）汞主要通過三種方式進入水泥生產(chǎn)工藝過程，即原料、燃料以及協(xié)同處置的固體廢棄物。汞在水泥生產(chǎn)過程中循環(huán)富集，而最終水泥窯排放的煙氣中汞含量較低，主要以元素汞和氧化汞的形式存在。

（3）國外研究數(shù)據(jù)表明，生料的平均汞含量0.031g/t熟料；燃料的平均汞含量0.010g/t熟料；而水泥窯排放煙氣中平均汞排放為0.020mg/Nm3。

（4）世界各國水泥行業(yè)汞排放標準限值均有較大不同，中國水泥行業(yè)汞排放限值為0.05mg/Nm3，與歐洲的汞排放限值一致，同時該限值也是目前世界各國水泥行業(yè)汞排放的最低值。

（5）根據(jù)我國水泥行業(yè)汞減排現(xiàn)狀，目前主要對策為首先盡快啟動水泥行業(yè)汞排放評估工作；其次開展創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)，主要結(jié)合國際現(xiàn)有汞減排先進技術(shù)及經(jīng)驗，研發(fā)適于中國新型干法水泥生產(chǎn)的汞控制與減排技術(shù)和管理方法；最后開展汞污染和防治理念在全行業(yè)的宣貫和推廣。

[1] 錢秋蘭.水泥廠協(xié)同處置廢棄物中的汞排放分析[J] .水泥技術(shù)，2008，6 ：76-78.

[2] Guidance for reducing and controlling emissions of mercury compounds in the cement industry[M] .World Business Council for Sustainable Development，July 2016，p2.

[3] 甘昊，呂忠明.水泥窯汞排放特征分析及控制措施探討[A] .中國硅酸鹽學(xué)會環(huán)保學(xué)術(shù)年會論文，2002，457-459.

[4] Mercury in the cement industry[M] .CEMBUREAU- CSI，April 2010，p34-35.