水泥行業汞排放及減排研究探討

李 娟，周春英

（中國建筑材料科學研究總院，北京 100024）

0 前 言

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

圖1 2015年世界水泥產量（歐洲水泥協會，2015）

根據聯合國環境規劃署（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和末梢神經導致癡呆乃至死亡的水俁病，成為人類健康和環境的一大重要災害，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減少汞排放的《水俁公約》。隨著我國工業化進程的不斷加快，大規模基礎設施建設對水泥的需求還將繼續保持在較高水平，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。

我國水泥行業在汞排放標準、監測、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，導致“污染先行、末端治理”的局面。因此，水泥行業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重要、刻不容緩。

1 水泥行業汞減排現狀

1.1 水泥生產過程中汞排放特征

汞主要通過三種方式進入水泥生產工藝過程，即原料、燃料以及協同處置的固體廢棄物。汞在水泥生產過程中循環富集，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每年汞排放量

圖2 水泥窯中汞循環（歐洲水泥研究院，2008）

由于汞的高揮發性（揮發溫度357℃），因此幾乎所有物料帶入的汞在新型干法水泥生產線中回轉窯及預熱器內這些高溫區域揮發，以元素汞（HgO）的形式隨煙氣流入生料磨[1，2]，煙氣經過冷卻，部分汞與煙氣中的氧氣、HCl、Cl2和SO2反應生成HgO、HgCl2，煙氣中的氧化態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，在系統中循環富集[3]，見圖2。

1.2 國際水泥工業汞減排工作進展

UNEP全球水泥汞排放基線為0.058g/t水泥；但是2003年～2004年，CEMBUREAU（歐洲水泥協會）和CSI成員企業收集統計了世界范圍內各大洲 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據，結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 水泥生產化石燃料中的汞含量

歐洲水泥協會和CSI的研究數據還表明[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。目前全世界已經有幾十個國家針對水泥行業的汞排放有相關的限定標準，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%狀態下），然而對汞排放的監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汞排放見表4。

由表4可見，各國水泥行業汞排放標準限值均有較大不同，中國水泥行業汞排放限值為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汞排放的最低值。

表4 世界各國水泥行業汞排放標準限值（mg/Nm3）

1.3 國內汞排放的相關工作

（1）中國政府已發布的政策和標準。

1996年，發布《GB 16297-1996大氣污染物綜合排放標準》，規定現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定。

2011年12月27日環保部組織開展了《推進我國水泥行業汞削減技術篩選研究》。

2013年12月27日環境保護部發布GB4915-2013《水泥工業大氣污染物排放標準》，汞及其化合物窯尾限值為0.05mg/m3，同時環境保護部發布GB30485-2013《水泥窯協同處置固體廢物污染控制標準》，規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《水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》中規定水泥窯入窯物料（包括常規原料、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，環境保護部正式印發《汞污染防治技術政策》指導性文件，其中對水泥行業汞污染防治技術、源頭及過程控制以及鼓勵的新技術研發等工作提出了技術指導。

2016年4月28日，第十二屆全國人民代表大會常務委員會第二十次會議批準《關于汞的水俁公約》（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，國務院印發“十三五”生態環境保護規劃，專門段落強調：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項目，到2020年聚氯乙烯行業每單位產品用汞量在2010年的基礎上減少50%。加強燃煤電廠等重點行業汞污染排放控制。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的影響，根據中國環科院2012年研究結果分析，估算我國水泥行業汞年排放量約為89t～144t左右。

目前研究結果表明，水泥生產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脫汞的一個有效途徑。

2 汞減排對策

目前，我國水泥行業汞排放研究尚處于初級階段，汞排放控制機理不明確，相關控制技術較少，面臨的汞減排任務十分艱巨。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、減排及管理技術和成熟經驗，較大程度地縮短汞污染控制與減排技術研發時間，有效解決汞污染治理的瓶頸問題，減少水泥行業汞排放，且提高我國在汞污染控制與減排技術方面的科技創新能力。

根據我國水泥行業汞減排現狀，目前主要對策為首先摸清家底，盡快啟動水泥行業汞排放評估工作；其次開展創新技術研發，主要結合國際現有汞減排先進技術及經驗，研發適于中國新型干法水泥生產的汞控制與減排技術和管理方法；最后樹立行業全民意識，開展汞污染和防治理念在全行業的宣貫和推廣。

中國建筑材料科學研究總院牽頭承擔的聯合國工發組織工業基金項目“水泥行業汞排放遷移機制和減排技術研究”自2017年7月起開始執行，這個項目針對水泥行業汞排放亟需解決的問題，首先通過與企業合作，監測水泥原燃料及排放中的汞含量，了解水泥行業汞排放的特征，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及信息，了解并研究其汞排放控制和減排技術，并將項目成果向全行業分享，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

（1）水泥工業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工藝過程，即原料、燃料以及協同處置的固體廢棄物。汞在水泥生產過程中循環富集，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）國外研究數據表明，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）世界各國水泥行業汞排放標準限值均有較大不同，中國水泥行業汞排放限值為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汞排放的最低值。

（5）根據我國水泥行業汞減排現狀，目前主要對策為首先盡快啟動水泥行業汞排放評估工作；其次開展創新技術研發，主要結合國際現有汞減排先進技術及經驗，研發適于中國新型干法水泥生產的汞控制與減排技術和管理方法；最后開展汞污染和防治理念在全行業的宣貫和推廣。

[1] 錢秋蘭.水泥廠協同處置廢棄物中的汞排放分析[J] .水泥技術，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] .中國硅酸鹽學會環保學術年會論文，2002，457-459.

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