水泥行業污染控制及低碳環保發展分析

席鴻定

（山西西山華通水泥有限公司環保服務中心 山西太原 030205）

引言

目前，各個行業、領域朝著低碳環保的方向發展[1]。就水泥來說，它是現代工程建設不可或缺的重要材料，社會需求量極高，但在水泥的生產過程當中，極易造成環境污染，而且碳排放量較高，與當今社會的整體建設發展方向存在矛盾。為此，水泥行業應當加強生產污染控制力度，采取科學、有效的措施，實現節能減排，朝低碳環保方向積極邁進，服務于整個人類社會的可持續發展。

1 低碳環保發展的時代背景與內涵

在工業革命的推動下，全球生產力水平不斷提升，社會的物資、經濟得到了極大豐富，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，如自然生態環境遭到了嚴重破壞，自然資源被過度開采、消耗，整個地球的生態體系變得越來越脆弱，如果不加控制繼續這樣發展下去，人與自然最終都會陷入困境。為了應對此困境，全球共同提出了低碳環保的發展理念，各個國家分別以低碳環保為原則和出發點，調整發展政策、方針和戰略部署，力求平衡生活、生產和經濟發展與自然生態環境之間的關系。

簡單來講，低碳環保指的是降低碳排放，保護自然生態環境。具體來說，它還與各個國家所采取的低碳環保發展政策、方針和戰略部署相關，這就使其具有了更加豐富和多樣的內涵。如我國為了踐行低碳環保發展理念，從十七大開始，就著重強調了“生態文明”的概念和重要性，并提出了建設生態文明的要求，從此我國便正式開啟了生態文明的建設序幕[3]。十八大會議上，我國提出了要樹立尊重自然、順應自然、保護自然的生態文明理念，把生態文明建設放在突出地位，融入經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設各方面。到了十九大，生態文明建設被進一步納入到了建設現代化強國的目標體系當中，強調現代化強國的建設不能僅僅局限在產業上、經濟上，更要體現在生態環境的保護和治理上，統籌人類生產發展與生態環境之間的關系。除此之外，我國還于2020 年9 月提出了“兩碳”戰略規劃，要求于2030 年和2060 年分別達成碳達峰、碳中和目標。總而言之，所謂的低碳環保發展，就是要在一切的人類活動，如生活、生產、經濟建設中，協調好人類活動與自然之間的關系，在滿足社會生活、生產、經濟建設需求的同時，通過降低碳排放，保護自然生態環境，促進和保障人類社會的可持續發展[4]。

2 水泥生產過程當中的環境污染問題

“水泥”是一種粉狀水硬性無機膠凝材料，主要被應用于建筑工程，是現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，抗滲性、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中，都會被廣泛應用，所以現代社會對于水泥的需求量非常大。

為了滿足社會建設發展過程當中對水泥的需求，水泥行業的生產技術、生產工藝不斷改進，既提高了水泥的生產效率，又提高了水泥的各項性能指標。但不容忽視的問題是，水泥在生產過程當中，非常容易造成環境污染，而且能耗大、碳排放高，水泥的生產效率越快、產量越高，造成的環境污染也就會相應加劇。如在水泥生產過程當中，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，水泥的生產過程還會產生氮氧化物，氮氧化物被排放、擴散到大氣中之后，會形成氣溶膠，從而導致霧霾，加劇惡劣天氣情況的出現，并且危害人類健康；再者，水泥的生產還會產生大量的二氧化硫，這種物質被排放到大氣中之后，會引起硫酸霧、酸雨等更為惡劣的災害性天氣，對人類的健康以及自然生態環境危害極大[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環境帶來負面的影響。據統計水泥生產能源消耗占全球一次能源消費的2%左右，或占全球工業能耗的近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，會導致全球氣候的變化，影響整個地球生態。

一方面，當前全球在堅持走低碳環保發展路線，另一方面，社會建設發展對水泥的需求不可替代，但水泥的生產又會造成環境污染，于是便形成了一個尖銳的內部矛盾。化解此矛盾的唯一辦法，是水泥行業要加強生產污染控制力度，采取科學、有效的措施，實現節能減排，朝低碳環保方向積極邁進。

3 水泥生產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，如生產現場中出現了大量的粉塵，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，由于水泥生產技術、工藝和設備等各方面的完善與進步，粉塵已經得到了較好的控制，如電除塵技術設備的應用，可以通過電暈放電使固體顆粒帶電，并利用靜電場驅動帶電顆粒，使其附著在收塵極上，從而達到除塵的效果。另外袋式除塵技術設備在水泥廠的大范圍應用，更進一步提高了粉塵污染控制效果。水泥生產過程當中，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，其除塵效率高且穩定，效果相當理想，這也使得窯尾袋式除塵器成為水泥企業使用的最大、最主要的除塵設備（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窯的燒成溫度，從而減少氮氧化物的產生量。燃料處理方面，由于我國的能源結構存在著貧油少氣的局限，所以水泥生產會大量使用燃煤，為了減少燃煤產生的氮氧化物污染，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。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）在生產過程當中進行控制

控制措施主要包括了低氮燃燒器技術、空氣分級燃燒技術、燃料分級燃燒技術，不過，這些技術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、干法煙氣脫硝技術，前者的技術限制較大，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，干法煙氣脫硝技術的效果則更加理想，不存在二次污染風險，但技術設備的成本費用較高，后期的維護成本也不低[8]。需要重點提到的是SCR 脫硝技術，即選擇性催化劑還原技術，其對氮化物的控制效果非常理想，山西水泥企業通過進行SCR 脫硝技術改造，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、循環流化床脫硫技術、噴霧干燥脫硫技術、氨法脫硫技術，它們都可以取得較為理想的二氧化硫污染控制效果。以氨法脫硫技術為例，主要方法是在預熱器噴灑脫硫劑氨水、尿素溶液。應用氨法脫硫技術的整個系統結構中，包括了若干的子系統，它們共同作用，協同配合，才能取得相應的作用效果，比如氨水儲存系統、計量系統、輸送系統以及霧化系統等。系統中氨水的噴射位置，可以在C3 預熱器，也可在C2 預熱器與C3預熱器二者之間的管道，還可以在C2 預熱器即煙道出口。系統運行過程當中，脫硫反應時氨硫比通常在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，還會對其它的設備造成損害。因此，在該系統的使用過程當中，既要注意氨水噴射位置的選擇，也要注意對噴氨量參數的調節，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，是各個工業行業一直面臨的重大難題，因為其很難徹底規避。但是在碳達峰、碳中和的戰略部署和要求下，水泥行業依然要采取各種可行的科學技術措施，不斷降低二氧化碳的排放量。比如可以生產低鈣水泥，或是研發新型綠色水泥，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，應當大力發展和應用CCUS 技術，即碳捕獲、利用與封存技術，在短時間內達到低碳排放甚至是零碳排放的目標。在水泥生產過程當中，通過一系列的CCUS 技術應用，能夠有效地捕獲、分離、存儲二氧化碳，并將其用于混凝土養護、海藻養殖、化工合成以及醫療方面，可以在有效控制二氧化碳污染排放的同時，提高生產效益。

4 水泥生產過程當中的節能減排措施

4.1 水泥粉磨節能減排

在前文當中已經提到，水泥生產除了會造成環境污染之外，其能耗還非常高，所以在控制水泥生產污染的同時，還必須要科學做好相關的節能減排工作。就實際的水泥生產情況來說，管磨機的應用非常重要，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，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、穩定地運行，起到理想的節能減排效果，可以選用一些質量較好的設備材料，如高鉻合金、中鉻合金，以及其它的一些硬質合金材料。另外，對于管磨機容易出現老化、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，提高磨具的作業效率。如果采用的管磨機屬于中小型設備，則不論其磨粉系統是開路還是閉路，在處理物料的時候，都可以進行預處理，如預破碎、預粉碎、預粉磨。通過這樣的預處理，可以使得中小型管磨機的運行更加流暢、穩定、高效，同時降低設備的作業耗電，延長其使用壽命，降低設備成本[9]。如果缺少了預處理的流程，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，還容易加速設備的老化、損壞，縮短設備壽命，所以預處理環節相當的必要。除了水泥粉磨本身的節能減排貢獻外，還可以采用磨外噴淋系統對水泥磨體降溫，從而提高水泥磨機產量，進一步達到節能降耗減排的效果和目的。

4.2 窯尾余熱發電減排

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

4.3 燃燒技術節能減排

水泥生產中會燃燒大量的煤，這不僅會加速燃煤的消耗，同時還會因為燃煤引起其它環境污染問題，所以必須要通過對燃燒技術的改進，來達到節能減排的效果。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能減排效果。新型雙風道燃燒器的環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。而且其不再設內風與外風調節閥門，使系統更為簡潔，同時還能夠節省一次風機耗用的電能約3%。在煤粉螺旋喂料器中增設螺旋泵，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，高效且節能。另外，當前還有一種煤粉噴騰燃燒技術，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，減少了廢料的產生和污染物的排放。該技術還實現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，避免煤粉在低溫區域物體上飄落、附著，減少煤粉不完全燃燒可能導致的熱損失和污染排放。除了上述幾點之外，變頻控制技術等在水泥生產中的應用，也可以起到有效的節能減排作用。

結語

在水泥的生產過程當中，必須要朝低碳環保方向積極邁進，通過各種科學、有效的技術措施，控制污染、節能減排，在滿足社會對水泥生產需求，取得理想經濟效益的同時，也要保護好自然生態環境，與自然和諧共處，促進和保障人類社會的可持續發展。