水泥行業(yè)污染控制及低碳環(huán)保發(fā)展分析

席鴻定

（山西西山華通水泥有限公司環(huán)保服務(wù)中心 山西太原 030205）

引言

目前，各個行業(yè)、領(lǐng)域朝著低碳環(huán)保的方向發(fā)展[1]。就水泥來說，它是現(xiàn)代工程建設(shè)不可或缺的重要材料，社會需求量極高，但在水泥的生產(chǎn)過程當中，極易造成環(huán)境污染，而且碳排放量較高，與當今社會的整體建設(shè)發(fā)展方向存在矛盾。為此，水泥行業(yè)應(yīng)當加強生產(chǎn)污染控制力度，采取科學、有效的措施，實現(xiàn)節(jié)能減排，朝低碳環(huán)保方向積極邁進，服務(wù)于整個人類社會的可持續(xù)發(fā)展。

1 低碳環(huán)保發(fā)展的時代背景與內(nèi)涵

在工業(yè)革命的推動下，全球生產(chǎn)力水平不斷提升，社會的物資、經(jīng)濟得到了極大豐富，城市化進程顯著加快，人們的生活水平有了明顯提高[2]。不過，工業(yè)化在全球的推廣與普及，也帶來了其它方面的問題，如自然生態(tài)環(huán)境遭到了嚴重破壞，自然資源被過度開采、消耗，整個地球的生態(tài)體系變得越來越脆弱，如果不加控制繼續(xù)這樣發(fā)展下去，人與自然最終都會陷入困境。為了應(yīng)對此困境，全球共同提出了低碳環(huán)保的發(fā)展理念，各個國家分別以低碳環(huán)保為原則和出發(fā)點，調(diào)整發(fā)展政策、方針和戰(zhàn)略部署，力求平衡生活、生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展與自然生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系。

簡單來講，低碳環(huán)保指的是降低碳排放，保護自然生態(tài)環(huán)境。具體來說，它還與各個國家所采取的低碳環(huán)保發(fā)展政策、方針和戰(zhàn)略部署相關(guān)，這就使其具有了更加豐富和多樣的內(nèi)涵。如我國為了踐行低碳環(huán)保發(fā)展理念，從十七大開始，就著重強調(diào)了“生態(tài)文明”的概念和重要性，并提出了建設(shè)生態(tài)文明的要求，從此我國便正式開啟了生態(tài)文明的建設(shè)序幕[3]。十八大會議上，我國提出了要樹立尊重自然、順應(yīng)自然、保護自然的生態(tài)文明理念，把生態(tài)文明建設(shè)放在突出地位，融入經(jīng)濟建設(shè)、政治建設(shè)、文化建設(shè)、社會建設(shè)各方面。到了十九大，生態(tài)文明建設(shè)被進一步納入到了建設(shè)現(xiàn)代化強國的目標體系當中，強調(diào)現(xiàn)代化強國的建設(shè)不能僅僅局限在產(chǎn)業(yè)上、經(jīng)濟上，更要體現(xiàn)在生態(tài)環(huán)境的保護和治理上，統(tǒng)籌人類生產(chǎn)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系。除此之外，我國還于2020 年9 月提出了“兩碳”戰(zhàn)略規(guī)劃，要求于2030 年和2060 年分別達成碳達峰、碳中和目標?？偠灾^的低碳環(huán)保發(fā)展，就是要在一切的人類活動，如生活、生產(chǎn)、經(jīng)濟建設(shè)中，協(xié)調(diào)好人類活動與自然之間的關(guān)系，在滿足社會生活、生產(chǎn)、經(jīng)濟建設(shè)需求的同時，通過降低碳排放，保護自然生態(tài)環(huán)境，促進和保障人類社會的可持續(xù)發(fā)展[4]。

2 水泥生產(chǎn)過程當中的環(huán)境污染問題

“水泥”是一種粉狀水硬性無機膠凝材料，主要被應(yīng)用于建筑工程，是現(xiàn)代社會不可或缺的建筑工程材料之一。它加水攪拌制作成漿體之后，能夠在空氣中硬化或者在水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起，從而起到建筑作用。水泥具有非常強的可塑性，并且施工過程較為簡便，強度高，抗?jié)B性、耐腐蝕性好，無論是在房屋、公路、橋梁，還是在水利等各種工程建設(shè)中，都會被廣泛應(yīng)用，所以現(xiàn)代社會對于水泥的需求量非常大。

為了滿足社會建設(shè)發(fā)展過程當中對水泥的需求，水泥行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)工藝不斷改進，既提高了水泥的生產(chǎn)效率，又提高了水泥的各項性能指標。但不容忽視的問題是，水泥在生產(chǎn)過程當中，非常容易造成環(huán)境污染，而且能耗大、碳排放高，水泥的生產(chǎn)效率越快、產(chǎn)量越高，造成的環(huán)境污染也就會相應(yīng)加劇。如在水泥生產(chǎn)過程當中，最清楚可見的污染物是粉塵，這些粉塵被排放、擴散到大氣中之后，會對人的呼吸系統(tǒng)造成極大的危害，甚至引起其它疾病，還會加重霧霾天氣；除此之外，水泥的生產(chǎn)過程還會產(chǎn)生氮氧化物，氮氧化物被排放、擴散到大氣中之后，會形成氣溶膠，從而導(dǎo)致霧霾，加劇惡劣天氣情況的出現(xiàn)，并且危害人類健康；再者，水泥的生產(chǎn)還會產(chǎn)生大量的二氧化硫，這種物質(zhì)被排放到大氣中之后，會引起硫酸霧、酸雨等更為惡劣的災(zāi)害性天氣，對人類的健康以及自然生態(tài)環(huán)境危害極大[5]；嚴格來說，二氧化碳雖然不屬于污染物，但是同樣會給自然生態(tài)環(huán)境帶來負面的影響。據(jù)統(tǒng)計水泥生產(chǎn)能源消耗占全球一次能源消費的2%左右，或占全球工業(yè)能耗的近5%，同時還會排放出大量的二氧化碳，占全世界二氧化碳排放總量的5%左右，大氣中二氧化碳濃度的升高，會導(dǎo)致全球氣候的變化，影響整個地球生態(tài)。

一方面，當前全球在堅持走低碳環(huán)保發(fā)展路線，另一方面，社會建設(shè)發(fā)展對水泥的需求不可替代，但水泥的生產(chǎn)又會造成環(huán)境污染，于是便形成了一個尖銳的內(nèi)部矛盾?；獯嗣艿奈ㄒ晦k法，是水泥行業(yè)要加強生產(chǎn)污染控制力度，采取科學、有效的措施，實現(xiàn)節(jié)能減排，朝低碳環(huán)保方向積極邁進。

3 水泥生產(chǎn)過程當中的污染控制措施

3.1 粉塵污染控制

在實際的水泥生產(chǎn)過程當中，首先需要注意控制的是粉塵污染，這不僅是因為粉塵污染最清楚可見，更是因為粉塵污染帶來的危害更直接、更快速，如生產(chǎn)現(xiàn)場中出現(xiàn)了大量的粉塵，還未等其真正擴散到大氣中，便會危害到工作人員的健康。目前，由于水泥生產(chǎn)技術(shù)、工藝和設(shè)備等各方面的完善與進步，粉塵已經(jīng)得到了較好的控制，如電除塵技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用，可以通過電暈放電使固體顆粒帶電，并利用靜電場驅(qū)動帶電顆粒，使其附著在收塵極上，從而達到除塵的效果。另外袋式除塵技術(shù)設(shè)備在水泥廠的大范圍應(yīng)用，更進一步提高了粉塵污染控制效果。水泥生產(chǎn)過程當中，目前最為常用的是高效袋式除塵器，尤其是對于水泥窯尾煙氣的處理，采用耐高溫覆膜濾料，其除塵效率高且穩(wěn)定，效果相當理想，這也使得窯尾袋式除塵器成為水泥企業(yè)使用的最大、最主要的除塵設(shè)備（見圖1）。

圖1 窯尾高效袋式除塵器

3.2 氮氧化物污染控制

對水泥生產(chǎn)過程當中氮氧化物污染的控制，可以分別從以下途徑采取措施。

（1）對原料進行處理

原料處理又包括了生料處理、燃料處理和空氣處理[6]。如通過對生料添加使用礦化劑，使其變得更加容易燃燒，就能夠有效降低回轉(zhuǎn)窯的燒成溫度，從而減少氮氧化物的產(chǎn)生量。燃料處理方面，由于我國的能源結(jié)構(gòu)存在著貧油少氣的局限，所以水泥生產(chǎn)會大量使用燃煤，為了減少燃煤產(chǎn)生的氮氧化物污染，可以提高煤粉細度，以提高煤焦生成量，抑制氮氧化物的生成反應(yīng)。對于空氣的處理，可以將生活污泥烘干，將烘干過程當中所產(chǎn)生的廢氣，和空氣混合起來，送往分解爐，以其作為“送煤風”。受分解爐的高溫作用，原本廢氣當中的鹵代烴等大分子化合物，以及芳香族化合物等，都可以被有效去除。相比于單獨使用空氣而言，這樣的方式可以利用廢氣碳氫化合物燃燒的還原性，達到減少氮氧化物的效果和目的。

（2）在生產(chǎn)過程當中進行控制

控制措施主要包括了低氮燃燒器技術(shù)、空氣分級燃燒技術(shù)、燃料分級燃燒技術(shù)，不過，這些技術(shù)措施在氮氧化物污染控制方面的效果都還不是非常理想，減少量通常只在10%到25%，達不到氮氧化物超低排放的標準，所以目前還只能作為輔助性的措施[7]。

（3）對煙氣進行處理

煙氣處理即對煙氣進行脫硝操作，可取的具體方法有濕法煙氣脫硝技術(shù)、干法煙氣脫硝技術(shù)，前者的技術(shù)限制較大，脫硝廢液沒有辦法進行無污染處理，存在二次污染的風險。與之相比較，干法煙氣脫硝技術(shù)的效果則更加理想，不存在二次污染風險，但技術(shù)設(shè)備的成本費用較高，后期的維護成本也不低[8]。需要重點提到的是SCR 脫硝技術(shù)，即選擇性催化劑還原技術(shù)，其對氮化物的控制效果非常理想，山西水泥企業(yè)通過進行SCR 脫硝技術(shù)改造，能將氮氧化物的排放濃度降低到50mg/Nm3以下，可以真正地實現(xiàn)氮氧化物的超低排放。

3.3 二氧化硫污染控制

目前，水泥生產(chǎn)過程當中可以采取的二氧化硫污染控制措施主要包括脫硫劑噴注法、濕法脫硫技術(shù)、循環(huán)流化床脫硫技術(shù)、噴霧干燥脫硫技術(shù)、氨法脫硫技術(shù)，它們都可以取得較為理想的二氧化硫污染控制效果。以氨法脫硫技術(shù)為例，主要方法是在預(yù)熱器噴灑脫硫劑氨水、尿素溶液。應(yīng)用氨法脫硫技術(shù)的整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，包括了若干的子系統(tǒng)，它們共同作用，協(xié)同配合，才能取得相應(yīng)的作用效果，比如氨水儲存系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)以及霧化系統(tǒng)等。系統(tǒng)中氨水的噴射位置，可以在C3 預(yù)熱器，也可在C2 預(yù)熱器與C3預(yù)熱器二者之間的管道，還可以在C2 預(yù)熱器即煙道出口。系統(tǒng)運行過程當中，脫硫反應(yīng)時氨硫比通常在1.5 上下，氨的使用量不宜過大，否則會造成高濃度的氨逃逸，還會對其它的設(shè)備造成損害。因此，在該系統(tǒng)的使用過程當中，既要注意氨水噴射位置的選擇，也要注意對噴氨量參數(shù)的調(diào)節(jié)，這樣才能達到在保證二氧化硫污染控制效果的情況下，防止造成其它設(shè)備的損害的目的。

3.4 二氧化碳控制

對二氧化碳污染的控制，是各個工業(yè)行業(yè)一直面臨的重大難題，因為其很難徹底規(guī)避。但是在碳達峰、碳中和的戰(zhàn)略部署和要求下，水泥行業(yè)依然要采取各種可行的科學技術(shù)措施，不斷降低二氧化碳的排放量。比如可以生產(chǎn)低鈣水泥，或是研發(fā)新型綠色水泥，但此條路徑的探索周期較長。就眼下的二氧化碳污染控制措施來說，應(yīng)當大力發(fā)展和應(yīng)用CCUS 技術(shù)，即碳捕獲、利用與封存技術(shù)，在短時間內(nèi)達到低碳排放甚至是零碳排放的目標。在水泥生產(chǎn)過程當中，通過一系列的CCUS 技術(shù)應(yīng)用，能夠有效地捕獲、分離、存儲二氧化碳，并將其用于混凝土養(yǎng)護、海藻養(yǎng)殖、化工合成以及醫(yī)療方面，可以在有效控制二氧化碳污染排放的同時，提高生產(chǎn)效益。

4 水泥生產(chǎn)過程當中的節(jié)能減排措施

4.1 水泥粉磨節(jié)能減排

在前文當中已經(jīng)提到，水泥生產(chǎn)除了會造成環(huán)境污染之外，其能耗還非常高，所以在控制水泥生產(chǎn)污染的同時，還必須要科學做好相關(guān)的節(jié)能減排工作。就實際的水泥生產(chǎn)情況來說，管磨機的應(yīng)用非常重要，通過其管樁篩分裝置、研磨體防串裝置、分級襯板等，有助于促進生產(chǎn)，同時降低能耗、減少排放。不過對于管磨機的使用，卻需要引起注意，為了保證其能夠高效、穩(wěn)定地運行，起到理想的節(jié)能減排效果，可以選用一些質(zhì)量較好的設(shè)備材料，如高鉻合金、中鉻合金，以及其它的一些硬質(zhì)合金材料。另外，對于管磨機容易出現(xiàn)老化、磨損和損壞的部件，例如襯板、隔倉板等，需要確保其與研磨體保持一致，提高磨具的作業(yè)效率。如果采用的管磨機屬于中小型設(shè)備，則不論其磨粉系統(tǒng)是開路還是閉路，在處理物料的時候，都可以進行預(yù)處理，如預(yù)破碎、預(yù)粉碎、預(yù)粉磨。通過這樣的預(yù)處理，可以使得中小型管磨機的運行更加流暢、穩(wěn)定、高效，同時降低設(shè)備的作業(yè)耗電，延長其使用壽命，降低設(shè)備成本[9]。如果缺少了預(yù)處理的流程，那么中小型管磨機的作用效果便不會非常理想，而且耗電量大，還容易加速設(shè)備的老化、損壞，縮短設(shè)備壽命，所以預(yù)處理環(huán)節(jié)相當?shù)谋匾?。除了水泥粉磨本身的?jié)能減排貢獻外，還可以采用磨外噴淋系統(tǒng)對水泥磨體降溫，從而提高水泥磨機產(chǎn)量，進一步達到節(jié)能降耗減排的效果和目的。

4.2 窯尾余熱發(fā)電減排

水泥生產(chǎn)產(chǎn)生的煙氣不僅含有污染物，而且溫度高，會帶走大量的熱量，造成水泥生產(chǎn)過程當中的熱量散失，增加能耗與排放。如果能夠?qū)⑦@些散失的熱量回收、利用起來，可以提升熱效率，降低水泥生產(chǎn)過程當中的能耗與排放。窯尾余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，便能夠達到這樣的效果。其實現(xiàn)有方式是通過窯尾的余熱回收裝置，來對煙氣余熱進行熱回收，產(chǎn)生過熱蒸汽推動汽輪機實現(xiàn)熱能向機械能的轉(zhuǎn)換，從而帶動發(fā)電機發(fā)出電能。如果一條日產(chǎn)5000 噸水泥熟料的生產(chǎn)線采用窯尾余熱發(fā)電技術(shù)，每天能夠通過余熱發(fā)電20 萬度左右，可以解決約60%的熟料生產(chǎn)自用電，產(chǎn)品綜合能耗可下降約18%，每年節(jié)約標準煤約2.5 萬噸，在節(jié)約能源消耗的同時，減排二氧化碳約6 萬噸。并且除了窯尾余熱發(fā)電之外，窯頭也同樣可以采取這樣的方式進行發(fā)電，達到節(jié)能減排效果，只不過目前在實際水泥生產(chǎn)中，應(yīng)用得較為廣泛的是窯尾余熱發(fā)電減排，窯頭余熱發(fā)電還有待進一步的發(fā)展和推廣。

4.3 燃燒技術(shù)節(jié)能減排

水泥生產(chǎn)中會燃燒大量的煤，這不僅會加速燃煤的消耗，同時還會因為燃煤引起其它環(huán)境污染問題，所以必須要通過對燃燒技術(shù)的改進，來達到節(jié)能減排的效果。如新型雙風道燃燒器與普通的燃燒裝置相比較，就具有更加理想的節(jié)能減排效果。新型雙風道燃燒器的環(huán)形射流厚度提高到了三風道燃燒器的兩倍，能夠降低煤粉和二次風的混合速度，讓火焰最高溫度得以降低，從而有效延長耐火磚的使用壽命。而且其不再設(shè)內(nèi)風與外風調(diào)節(jié)閥門，使系統(tǒng)更為簡潔，同時還能夠節(jié)省一次風機耗用的電能約3%。在煤粉螺旋喂料器中增設(shè)螺旋泵，風機利用螺旋泵把煤粉運送到雙風道燃燒器中，外風通過高壓離心風機來進行供風，高效且節(jié)能。另外，當前還有一種煤粉噴騰燃燒技術(shù)，這增強了風煤混合，使得煤粉的燃燒可以變得更加充分，即使是白煤、煙煤混合而成的綜合煤與劣質(zhì)煤，也可以得到更好地燃燒，極大地提高了火焰溫度和熱利用率，減少了廢料的產(chǎn)生和污染物的排放。該技術(shù)還實現(xiàn)了對一次風量的降低與二次風量的增強，促使煤粉得以更為充分地燃燒，通過降低一次風量，避免煤粉在低溫區(qū)域物體上飄落、附著，減少煤粉不完全燃燒可能導(dǎo)致的熱損失和污染排放。除了上述幾點之外，變頻控制技術(shù)等在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用，也可以起到有效的節(jié)能減排作用。

結(jié)語

在水泥的生產(chǎn)過程當中，必須要朝低碳環(huán)保方向積極邁進，通過各種科學、有效的技術(shù)措施，控制污染、節(jié)能減排，在滿足社會對水泥生產(chǎn)需求，取得理想經(jīng)濟效益的同時，也要保護好自然生態(tài)環(huán)境，與自然和諧共處，促進和保障人類社會的可持續(xù)發(fā)展。