水泥行业污染控制及低碳环保发展分析
时间：2023-06-29 16:15:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
席鸿定
（山西西山华通水泥有限公司环保服务中心 山西太原 030205）
目前，各个行业、领域朝着低碳环保的方向发展[1]。就水泥来说，它是现代工程建设不可或缺的重要材料，社会需求量极高，但在水泥的生产过程当中，极易造成环境污染，而且碳排放量较高，与当今社会的整体建设发展方向存在矛盾。为此，水泥行业应当加强生产污染控制力度，采取科学、有效的措施，实现节能减排，朝低碳环保方向积极迈进，服务于整个人类社会的可持续发展。
在工业革命的推动下，全球生产力水平不断提升，社会的物资、经济得到了极大丰富，城市化进程显著加快，人们的生活水平有了明显提高[2]。不过，工业化在全球的推广与普及，也带来了其它方面的问题，如自然生态环境遭到了严重破坏，自然资源被过度开采、消耗，整个地球的生态体系变得越来越脆弱，如果不加控制继续这样发展下去，人与自然最终都会陷入困境。为了应对此困境，全球共同提出了低碳环保的发展理念，各个国家分别以低碳环保为原则和出发点，调整发展政策、方针和战略部署，力求平衡生活、生产和经济发展与自然生态环境之间的关系。
简单来讲，低碳环保指的是降低碳排放，保护自然生态环境。具体来说，它还与各个国家所采取的低碳环保发展政策、方针和战略部署相关，这就使其具有了更加丰富和多样的内涵。如我国为了践行低碳环保发展理念，从十七大开始，就着重强调了“生态文明”的概念和重要性，并提出了建设生态文明的要求，从此我国便正式开启了生态文明的建设序幕[3]。十八大会议上，我国提出了要树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念，把生态文明建设放在突出地位，融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面。到了十九大，生态文明建设被进一步纳入到了建设现代化强国的目标体系当中，强调现代化强国的建设不能仅仅局限在产业上、经济上，更要体现在生态环境的保护和治理上，统筹人类生产发展与生态环境之间的关系。除此之外，我国还于2020 年9 月提出了“两碳”战略规划，要求于2030 年和2060 年分别达成碳达峰、碳中和目标。总而言之，所谓的低碳环保发展，就是要在一切的人类活动，如生活、生产、经济建设中，协调好人类活动与自然之间的关系，在满足社会生活、生产、经济建设需求的同时，通过降低碳排放，保护自然生态环境，促进和保障人类社会的可持续发展[4]。
“水泥”是一种粉状水硬性无机胶凝材料，主要被应用于建筑工程，是现代社会不可或缺的建筑工程材料之一。它加水搅拌制作成浆体之后，能够在空气中硬化或者在水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起，从而起到建筑作用。水泥具有非常强的可塑性，并且施工过程较为简便，强度高，抗渗性、耐腐蚀性好，无论是在房屋、公路、桥梁，还是在水利等各种工程建设中，都会被广泛应用，所以现代社会对于水泥的需求量非常大。
为了满足社会建设发展过程当中对水泥的需求，水泥行业的生产技术、生产工艺不断改进，既提高了水泥的生产效率，又提高了水泥的各项性能指标。但不容忽视的问题是，水泥在生产过程当中，非常容易造成环境污染，而且能耗大、碳排放高，水泥的生产效率越快、产量越高，造成的环境污染也就会相应加剧。如在水泥生产过程当中，最清楚可见的污染物是粉尘，这些粉尘被排放、扩散到大气中之后，会对人的呼吸系统造成极大的危害，甚至引起其它疾病，还会加重雾霾天气；
除此之外，水泥的生产过程还会产生氮氧化物，氮氧化物被排放、扩散到大气中之后，会形成气溶胶，从而导致雾霾，加剧恶劣天气情况的出现，并且危害人类健康；
再者，水泥的生产还会产生大量的二氧化硫，这种物质被排放到大气中之后，会引起硫酸雾、酸雨等更为恶劣的灾害性天气，对人类的健康以及自然生态环境危害极大[5]；
严格来说，二氧化碳虽然不属于污染物，但是同样会给自然生态环境带来负面的影响。据统计水泥生产能源消耗占全球一次能源消费的2%左右，或占全球工业能耗的近5%，同时还会排放出大量的二氧化碳，占全世界二氧化碳排放总量的5%左右，大气中二氧化碳浓度的升高，会导致全球气候的变化，影响整个地球生态。
一方面，当前全球在坚持走低碳环保发展路线，另一方面，社会建设发展对水泥的需求不可替代，但水泥的生产又会造成环境污染，于是便形成了一个尖锐的内部矛盾。化解此矛盾的唯一办法，是水泥行业要加强生产污染控制力度，采取科学、有效的措施，实现节能减排，朝低碳环保方向积极迈进。
3.1 粉尘污染控制
在实际的水泥生产过程当中，首先需要注意控制的是粉尘污染，这不仅是因为粉尘污染最清楚可见，更是因为粉尘污染带来的危害更直接、更快速，如生产现场中出现了大量的粉尘，还未等其真正扩散到大气中，便会危害到工作人员的健康。目前，由于水泥生产技术、工艺和设备等各方面的完善与进步，粉尘已经得到了较好的控制，如电除尘技术设备的应用，可以通过电晕放电使固体颗粒带电，并利用静电场驱动带电颗粒，使其附着在收尘极上，从而达到除尘的效果。另外袋式除尘技术设备在水泥厂的大范围应用，更进一步提高了粉尘污染控制效果。水泥生产过程当中，目前最为常用的是高效袋式除尘器，尤其是对于水泥窑尾烟气的处理，采用耐高温覆膜滤料，其除尘效率高且稳定，效果相当理想，这也使得窑尾袋式除尘器成为水泥企业使用的最大、最主要的除尘设备（见图1）。
图1 窑尾高效袋式除尘器
3.2 氮氧化物污染控制
对水泥生产过程当中氮氧化物污染的控制，可以分别从以下途径采取措施。
（1）对原料进行处理
原料处理又包括了生料处理、燃料处理和空气处理[6]。如通过对生料添加使用矿化剂，使其变得更加容易燃烧，就能够有效降低回转窑的烧成温度，从而减少氮氧化物的产生量。燃料处理方面，由于我国的能源结构存在着贫油少气的局限，所以水泥生产会大量使用燃煤，为了减少燃煤产生的氮氧化物污染，可以提高煤粉细度，以提高煤焦生成量，抑制氮氧化物的生成反应。对于空气的处理，可以将生活污泥烘干，将烘干过程当中所产生的废气，和空气混合起来，送往分解炉，以其作为“送煤风”。受分解炉的高温作用，原本废气当中的卤代烃等大分子化合物，以及芳香族化合物等，都可以被有效去除。相比于单独使用空气而言，这样的方式可以利用废气碳氢化合物燃烧的还原性，达到减少氮氧化物的效果和目的。
（2）在生产过程当中进行控制
控制措施主要包括了低氮燃烧器技术、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术，不过，这些技术措施在氮氧化物污染控制方面的效果都还不是非常理想，减少量通常只在10%到25%，达不到氮氧化物超低排放的标准，所以目前还只能作为辅助性的措施[7]。
（3）对烟气进行处理
烟气处理即对烟气进行脱硝操作，可取的具体方法有湿法烟气脱硝技术、干法烟气脱硝技术，前者的技术限制较大，脱硝废液没有办法进行无污染处理，存在二次污染的风险。与之相比较，干法烟气脱硝技术的效果则更加理想，不存在二次污染风险，但技术设备的成本费用较高，后期的维护成本也不低[8]。需要重点提到的是SCR 脱硝技术，即选择性催化剂还原技术，其对氮化物的控制效果非常理想，山西水泥企业通过进行SCR 脱硝技术改造，能将氮氧化物的排放浓度降低到50mg/Nm3以下，可以真正地实现氮氧化物的超低排放。
3.3 二氧化硫污染控制
目前，水泥生产过程当中可以采取的二氧化硫污染控制措施主要包括脱硫剂喷注法、湿法脱硫技术、循环流化床脱硫技术、喷雾干燥脱硫技术、氨法脱硫技术，它们都可以取得较为理想的二氧化硫污染控制效果。以氨法脱硫技术为例，主要方法是在预热器喷洒脱硫剂氨水、尿素溶液。应用氨法脱硫技术的整个系统结构中，包括了若干的子系统，它们共同作用，协同配合，才能取得相应的作用效果，比如氨水储存系统、计量系统、输送系统以及雾化系统等。系统中氨水的喷射位置，可以在C3 预热器，也可在C2 预热器与C3预热器二者之间的管道，还可以在C2 预热器即烟道出口。系统运行过程当中，脱硫反应时氨硫比通常在1.5 上下，氨的使用量不宜过大，否则会造成高浓度的氨逃逸，还会对其它的设备造成损害。因此，在该系统的使用过程当中，既要注意氨水喷射位置的选择，也要注意对喷氨量参数的调节，这样才能达到在保证二氧化硫污染控制效果的情况下，防止造成其它设备的损害的目的。
3.4 二氧化碳控制
对二氧化碳污染的控制，是各个工业行业一直面临的重大难题，因为其很难彻底规避。但是在碳达峰、碳中和的战略部署和要求下，水泥行业依然要采取各种可行的科学技术措施，不断降低二氧化碳的排放量。比如可以生产低钙水泥，或是研发新型绿色水泥，但此条路径的探索周期较长。就眼下的二氧化碳污染控制措施来说，应当大力发展和应用CCUS 技术，即碳捕获、利用与封存技术，在短时间内达到低碳排放甚至是零碳排放的目标。在水泥生产过程当中，通过一系列的CCUS 技术应用，能够有效地捕获、分离、存储二氧化碳，并将其用于混凝土养护、海藻养殖、化工合成以及医疗方面，可以在有效控制二氧化碳污染排放的同时，提高生产效益。
4.1 水泥粉磨节能减排
在前文当中已经提到，水泥生产除了会造成环境污染之外，其能耗还非常高，所以在控制水泥生产污染的同时，还必须要科学做好相关的节能减排工作。就实际的水泥生产情况来说，管磨机的应用非常重要，通过其管桩筛分装置、研磨体防串装置、分级衬板等，有助于促进生产，同时降低能耗、减少排放。不过对于管磨机的使用，却需要引起注意，为了保证其能够高效、稳定地运行，起到理想的节能减排效果，可以选用一些质量较好的设备材料，如高铬合金、中铬合金，以及其它的一些硬质合金材料。另外，对于管磨机容易出现老化、磨损和损坏的部件，例如衬板、隔仓板等，需要确保其与研磨体保持一致，提高磨具的作业效率。如果采用的管磨机属于中小型设备，则不论其磨粉系统是开路还是闭路，在处理物料的时候，都可以进行预处理，如预破碎、预粉碎、预粉磨。通过这样的预处理，可以使得中小型管磨机的运行更加流畅、稳定、高效，同时降低设备的作业耗电，延长其使用寿命，降低设备成本[9]。如果缺少了预处理的流程，那么中小型管磨机的作用效果便不会非常理想，而且耗电量大，还容易加速设备的老化、损坏，缩短设备寿命，所以预处理环节相当的必要。除了水泥粉磨本身的节能减排贡献外，还可以采用磨外喷淋系统对水泥磨体降温，从而提高水泥磨机产量，进一步达到节能降耗减排的效果和目的。
4.2 窑尾余热发电减排
水泥生产产生的烟气不仅含有污染物，而且温度高，会带走大量的热量，造成水泥生产过程当中的热量散失，增加能耗与排放。如果能够将这些散失的热量回收、利用起来，可以提升热效率，降低水泥生产过程当中的能耗与排放。窑尾余热发电技术的应用，便能够达到这样的效果。其实现有方式是通过窑尾的余热回收装置，来对烟气余热进行热回收，产生过热蒸汽推动汽轮机实现热能向机械能的转换，从而带动发电机发出电能。如果一条日产5000 吨水泥熟料的生产线采用窑尾余热发电技术，每天能够通过余热发电20 万度左右，可以解决约60%的熟料生产自用电，产品综合能耗可下降约18%，每年节约标准煤约2.5 万吨，在节约能源消耗的同时，减排二氧化碳约6 万吨。并且除了窑尾余热发电之外，窑头也同样可以采取这样的方式进行发电，达到节能减排效果，只不过目前在实际水泥生产中，应用得较为广泛的是窑尾余热发电减排，窑头余热发电还有待进一步的发展和推广。
4.3 燃烧技术节能减排
水泥生产中会燃烧大量的煤，这不仅会加速燃煤的消耗，同时还会因为燃煤引起其它环境污染问题，所以必须要通过对燃烧技术的改进，来达到节能减排的效果。如新型双风道燃烧器与普通的燃烧装置相比较，就具有更加理想的节能减排效果。新型双风道燃烧器的环形射流厚度提高到了三风道燃烧器的两倍，能够降低煤粉和二次风的混合速度，让火焰最高温度得以降低，从而有效延长耐火砖的使用寿命。而且其不再设内风与外风调节阀门，使系统更为简洁，同时还能够节省一次风机耗用的电能约3%。在煤粉螺旋喂料器中增设螺旋泵，风机利用螺旋泵把煤粉运送到双风道燃烧器中，外风通过高压离心风机来进行供风，高效且节能。另外，当前还有一种煤粉喷腾燃烧技术，这增强了风煤混合，使得煤粉的燃烧可以变得更加充分，即使是白煤、烟煤混合而成的综合煤与劣质煤，也可以得到更好地燃烧，极大地提高了火焰温度和热利用率，减少了废料的产生和污染物的排放。该技术还实现了对一次风量的降低与二次风量的增强，促使煤粉得以更为充分地燃烧，通过降低一次风量，避免煤粉在低温区域物体上飘落、附着，减少煤粉不完全燃烧可能导致的热损失和污染排放。除了上述几点之外，变频控制技术等在水泥生产中的应用，也可以起到有效的节能减排作用。
在水泥的生产过程当中，必须要朝低碳环保方向积极迈进，通过各种科学、有效的技术措施，控制污染、节能减排，在满足社会对水泥生产需求，取得理想经济效益的同时，也要保护好自然生态环境，与自然和谐共处，促进和保障人类社会的可持续发展。
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