水泥工业污染防治最佳可行技术的评价

张 婧，党小庆，庞 敏，李 鑫，马 莉，李 倩

（1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安 710055；

2.西安铁路疾病预防控制所，西安 710054）

1 引言

随着水泥工业大型化和集约化的发展，对水泥清洁生产的节能减排的要求也越来越高，在这样的发展趋势下，新型干法水泥生产技术得到了广泛应用。其除了满足日益严格的排放标准外，新型干法水泥生产技术在节能减排方面的出色表现也得到了水泥行业的普遍认可。

本文对我国水泥行业新型干法生产现状和节能减排技术应用情况进行了概述，提出目前水泥行业存在的主要问题是环保设备的更替和节能技术的合理应用；并借鉴了国内外各行业技术路线的特点，基于我国水泥行业的现状提出了评价理念和最佳可行技术评价技术路线。

2 我国水泥工业污染防治现状

2001年到2009年，我国新型干法水泥的比重从14.27%上升到76.88%，增长了62.61个百分点，截止到2010年底，国内新型干法水泥产量占水泥生产总量的80%以上，对新型干法水泥现状的调查结果，基本概括了国内水泥行业的总体情况。

2.1 新型干法水泥生产线调查情况概述

（1）生产线基本情况

目前国内新型干法水泥生产线主要有以下规模：2500t/d、4000t/d、4500t/d、5000t/d、10000t/d。2005年前以2500t/d为主，2005年后的新建生产线以4000～4500t/d为主，占新型干法生产线新建总量的41%；5000～10,000t/d大型生产线数量最少，仅占新型干法生产线新建总量的11%。

水泥综合电耗和能耗方面：5000t/d生产线耗值最小，分别比平均值低11.8%和11%；4000～4500t/d生产线的标准煤耗最小，比平均值低6.6%。

大气污染物方面：除粉尘外，水泥工业对大气产生影响的主要污染源为含SO2、NOx的废气，排放量随生产规模的不同而改变。SO2排放量以大于5000t/d规模生产线最高，占行业年排放均值的53%，其余规模生产线的SO2排放量各占10%左右；NOx排放量以4000～4500t/d生产线最高，占行业年排放均值的21%，随着生产线规模的增加，NOx排放量逐渐减小。

（2）节能环保措施使用情况

在现有新型干法生产线中，窑头除尘仍以电除尘器为主，使用率高达82%，窑尾除尘器中的电除尘器使用率占51%，比袋除尘器32%的使用率高出19个百分点。

目前较为成熟的节能技术有变频调速、余热发电、新型节能燃烧器等，使用率分别占到86%、75%和44%。目前有41%的企业同时使用两种及以上的节能技术，以达到更好的节能效果。

2.2 存在的问题

（1）新型干法工艺线大规模发展对环保设备提出了更高要求

我国新型干法工艺线正从中、小型向大型规模发展，重点是4000～5000t/d规模的生产线。水泥工业结构的调整也为环保行业的发展带来了契机和挑战，尤其是水泥工业首选的电、袋除尘器，随着生产能力的不断提高，排放标准的限值越来越严格，除尘设备在设计上也开始向大型化、高效率发展。目前大部分企业仍在使用的电除尘器是通过增加电场数量或加高加宽电场的方法提高效率，导致运行成本过高。

（2）节能技术与生产工艺和除尘设备的合理匹配

在设计及生产运营中，如何设置合理的运行参数以达到节能、生产、除尘设备的最佳运行效果，还有待在生产实践中不断摸索和总结。如果设置不合理，不但会造成能源损失、影响节能效果，还有可能改变气体性质、降低除尘效率。如泰山水泥集团有限公司的5000t/d新型干法生产线在投入余热发电系统后，就曾出现增湿塔作用减弱、粉尘比电阻值增加、电除尘器除尘效率下降的现象[1]。

（3）现行NOx控制技术不能满足新标准排放要求

目前国内水泥厂对NOx的治理主要采用以下四种技术：优化窑和分解炉的燃烧制度、改变配料方案、采用低NOx以及在窑尾分解炉和管道中的阶段燃烧技术。从新型干法水泥线调查结果看，50%的企业NOx排放浓度在400mg/m3以上，39%的企业超过500mg/m3。由于水泥行业是从2005年才开始对NOx进行监测，缺乏浓度排放的对比数据，仅从现状来看，治理效果并不理想。而新的烟气脱硝技术：SNCR法和SCR法的脱硝效率可以分别达到50%～60%和80%～90%，在费用方面，SNCR是SCR的1/5[2]，但SCR法设备昂贵、技术要求复杂，SNCR法在使用时则会有NH3逸出现象，造成二次污染。目前出现的SNCR/SCR组合技术，是将SNCR工艺中还原剂在炉膛内发生的还原反应与SCR工艺中的催化反应结合使用，不但能将氮氧化物排放浓度降低50%，氨的逃逸量减少至＜5ppm，还能使初投资降低到SCR的一半左右[3]。此外，鉴于NOx和SO2在生成过程中存在相互抑制作用[4]，燃烧后烟气同时脱硫、脱硝技术也将成为今后工业大规模应用的重点，例如固相吸收和再生法、DESONOx技术、SNRB工艺以及NFT技术[5]等。

3 国内外各行业技术路线比较

合理的技术路线能保证一个行业顺利实现既定目标，而水泥行业选取有代表性的评价指标进行评价，则可以促进水泥工业整体污染防治水平的提升。

3.1 国内钢铁行业[6] （见图1）

图1 钢铁行业技术路线

3.2 欧盟

欧盟水泥工业BAT技术路线以整个水泥生产过程为主线[7]，分别从原料、燃料和生产工艺两个方面进行技术问题讨论，并合并为最终的BAT技术（见图2）。

图2 欧盟水泥工业BAT技术路线

3.3 美国

美国的技术政策相当于欧盟的BAT技术指南，但欧盟只给出当前条件下最佳的可行技术BAT，根据所依据法令和法规的变化及BAT执行经验的反馈、技术的发展，定期评审及更新，并对BAT限值进行修正。美国则将排放控制标准作为技术法规，在联邦政府内有强制性实施的要求（见图3）。

图3 美国的技术政策

3.4 日本

图4为日本为实现低碳社会计划制定的水泥产业政策方针[8]。

图4 日本的水泥产业政策

4 我国水泥工业污染防治最佳可行技术评价

我国水泥行业发展迅速，近年来新型干法生产工艺得到广泛推广和应用，逐步取代了旧的工艺技术，另一方面，新老生产线并存的情况仍然存在，考虑到行业发展现状和存在的问题，以及不同企业所处地理位置和区域环境污染程度的不同，水泥行业在选择最佳可行技术时应具有一定的针对性，在制定技术路线时可以参考美国和日本的技术政策，根据不同地域环境污染本底值和企业生产规模等因素确定削减潜力、指标权重，在现有除尘和生产设备的基础上选取节能减排技术，并通过专家咨询法、属性层次模型和属性综合评价模型得出最佳可行技术方案。

具体可参考环保部组织编制的《水泥工业污染防治最佳可行技术指南（初稿）》，采用专家咨询法（德尔菲法）对参选技术进行定性评价，得出备选技术后进行技术调查，根据调查结果进行技术评价。

4.1 评价程序

（1）确定评价指标。根据调查结果，水泥工艺产生的污染以大气污染为主要环境问题，主要为烟尘、粉尘和氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、氟化物、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）等有害气体。

（2）确定各指标权重。确定指标权重的方法有德尔菲法（delphi）、层次分析法（AHP）、属性层次模型（AHM）和熵值法。推荐使用《水泥工业污染防治最佳可行技术指南（初稿）》中所用的属性层次模型法进行综合评价。

（3）综合评价。综合评价方法有属性综合评价法、模糊综合评价法、数据包络分析法、人工神经网络评价法和灰色综合评价法。根据各评价方法的优缺点和适用范围，推荐使用属性综合评价模型。

图5 我国水泥行业污染防治最佳可行技术路线

（4）确定最佳可行技术根据综合评价结果和经济性分析结果，筛选出污染防治最佳可行技术。

4.2 水泥行业最佳可行技术路线

在参考国内外各行业污染防治技术路线的基础上，结合我国水泥行业现状，在现有评价指南的基础上得出以下技术路线（见图5）。

4.3 与其他行业技术路线的对比

（1）美国、日本和欧盟的污染防治技术已达到一定的先进水平，在制定技术路线时主要考虑的是进一步提高削减潜力，以及通过废弃物的再利用来达到节能减排效果和增加经济效益；我国的水泥行业污染物排放的削减潜力巨大，对废弃物也有充分利用的空间，建议从一开始就将废弃物再利用纳入最基本的节能减排技术中进行考虑，并及早对出现的问题进行技术改进。

（2）我国钢铁行业经过10多年的快速发展，在技术和结构调整等方面都取得了令人瞩目的进步，但“高投入、高消耗、高污染”仍是生产模式的主要特征，制定技术路线时主要考虑如何发展循环经济、节约能源和资源、走可持续发展道路。这也是水泥行业需要考虑的问题之一，即将清洁生产理念贯彻到水泥生产的每一个环节，同时不断改进污染治理技术，保证从源头到末端的全线节能和污染物排放控制。

（3）我国各水泥厂地域分布广，生产规模、工艺和污染防治水平相差较大，不同地区的污染物排放标准也有所区别，企业在制定技术方案时应根据本地区污染背景值、生产排放限值、企业规模和现有污染防治设备可改造情况，选取相应的最佳可行技术。

5 结语

水泥行业应结合自己的实际情况，因原料制宜、因工艺制宜、因地制宜，在确保安全运行的原则下，实现清洁生产、循环经济和节能减排，鼓励水泥厂污染防治新工艺和新技术的开发和利用，确定合理的技术路线，选取有代表性的评价指标对最佳可行技术进行评价应用，参考区域污染本底值，探索切实可行的除尘设备改造方案。例如，除了使用低成本、高效率的袋式除尘器外，还可以对电除尘器进行结构改造。由于气流分布是影响电除尘器效率的关键因素，可以运用CFD方法进行流场模拟[9-10]，优化气流装置的相关参数，在连接尺寸不变的基础上，用模拟结果指导电除尘器部分部件的拆除并改造为袋式除尘器，保证了电改袋过程的科学性和合理性，并节省大量资金和时间。此外，还可以开发电-袋复合除尘技术等，以满足环境敏感区域的排放要求。

总之，我国水泥行业的污染物排放和治理还需要在实践过程中不断积累经验，反复调整各项技术的参数设置，最终达到除尘、生产和节能设备的合理匹配，促进我国水泥工业整体污染防治水平的提升。

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