水泥工业粉尘污染特征及控制技术

黄碧捷

（1.工业烟尘污染控制湖北省重点实验室，湖北 武汉 430056；2.江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056）

1 引言

粉尘污染是水泥工业最主要的污染形式，由水泥生产过程中原料、燃料和水泥成品储运，物料的破碎、烘干、粉磨、煅烧等工序产生的废气排放或外逸而引起。水泥工业的尘源点比较多，煤磨、烘干磨机、冷却机、破碎机、输送带、选粉机、库顶、料仓、库底和包装系统等都会产生出大量的粉尘[1]。《水泥工业“十二五”发展规划》（2011年）明确指出“要在行业内大力实施节能减排技术改造，推行清洁生产，减少污染物排放，严格控制粉尘的排放”。水泥工业最典型的粉尘污染便是向大气环境中排放直径小于或等于2.5μm的颗粒物质（PM2.5）。PM2.5已被广泛证实对空气质量和人体健康具有重要的影响。水泥工业是富产PM2.5的大户。水泥的生产过程中形成的各种尺度的颗粒物以及硫化物、氮氧化物都是形成PM2.5的重要因素[2]。2012年2月，国务院发布新修订的《环境空气质量标准》（GB3095－2012）增加了PM2.5监测指标。2013年3月，国家环保部发布了《水泥工业大气污染物排放标准（征求意见稿）》，征求意见完毕后，预期将在年内正式颁布，以替换《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915－2004）。依据新的标准：水泥行业无组织颗粒物排放限值为0.5 mg·m－3；重点地区企业、新建企业（及现有企业2015年后）和现有企业（2015年前）的矿山开采，散装水泥中转站及水泥制品生产，破碎机、磨机、包装机及其他通风生产设备的颗粒物排放限值分别为10mg·m－3、20mg·m－3和30mg·m－3；而重点地区企业、新建企业（及现有企业2015年后）和现有企业（2015年前）的水泥窑及窑磨一体机，烘干机、烘干磨、煤磨及冷却机的颗粒物排放限值分别为20mg·m－3、30mg·m－3和50mg·m－3。新标准的实施将对我国水泥工业烟气除尘提出新的挑战。

2 水泥工业粉尘污染特征及危害

2.1 对人体健康和生态环境的危害

水泥工业产生的粉尘是成分复杂的混合性粉尘，包括石灰石粉尘、熟料水泥粉尘、粉煤灰粉尘、石膏粉尘和其他粉尘，其混合物富含游离的SiO2，还含有Ca、Al、Fe、Mg、Cr、Co、Ni等元素。粉尘中游离SiO2含量的高低直接影响粉尘的毒性[3]，人体长期吸入富含游离SiO2的粉尘将染尘肺病，熟料粉尘中游离SiO2的含量不应超过10%[4]，大于10%以上的粉尘称为矽尘，长期吸入矽尘将引起矽肺。水泥尘肺的发病与染尘时间、粉尘浓度及粒径和个人体质直接相关，发病工龄一般为10～20年[5]。长期接触水泥粉尘的工人会出现咳嗽、口干、咽炎、喉痛、气短、胸部痛闷、胸透病变和肺部疾病等症状，矽肺病人肺部还会出现矽结节和纤维化，最终因肺丧失换气功能而导致死亡[6]。水泥行业尘肺在水泥生产的每个岗位上均有发生，尤其是生料破碎、立窑看火、熟料运输、磨机、成品包装等岗位[7]。水泥粉尘对鼻腔的损伤作用甚于矽尘，原因可能是矽尘对鼻粘膜以粉尘颗粒的机械刺激为主，而水泥粉尘还具较强的碱腐蚀作用[8]。相比于回转窑，传统水泥立窑产生的粉尘对作业人员的危害更大。

水泥粉尘pH值约为10～12，呈较强的碱性，能使周围农田土壤碱化[9]。水泥粉尘通过水合作用和结晶作用在土壤表面形成硬的外壳，导致土壤孔隙性、有机碳含量和持水能力显著下降[10]。水泥粉尘沉降会阻塞叶面气孔，使气孔阻抗增大，蒸腾强度和光合速率降低，从而导致植物生长受阻[11]。

2.2 水泥工业粉尘污染特征及分布

水泥主要成分为硅酸盐、Fe2O3、CaO2、Ca2SO4、Al2O3和 MgO2等，由石灰石（76.4%）、黄土（13.05%）、煤（3.2%）、铁粉（1.85%）和萤石（0.5%），经1500℃左右煅烧成熟料后加入适量石膏、矿渣粉磨制成。其遇水即成碱性，具有分散度高（＜5μm粒子常达90%左右），附着性、吸湿性和腐蚀性强等特点[8]。

水泥工业粉尘污染的特征主要包括以下4个方面：①其产生贯穿于整个生产流程；②其是成分复杂的混合性粉尘，粒径分布广，烟尘温度变化大；③其排放方式分为有组织和无组织两类，且均为需重点控制的污染来源；④其富含游离SiO2，毒性较强，水泥工业是矽尘和尘／矽肺病重点控制行业。

水泥生产过程中原料、燃料和水泥成品储运，物料的破碎、烘干、粉磨、煅烧等工序的废气排放或外逸都引起粉尘的排放，其中原料粉磨及煅烧发生的粉尘排放最为严重，约占水泥厂粉尘总排放量的70%以上[2]。无组织排放源主要为：石灰石矿山的开采，原料（煤予、辅料、石灰石）均化堆场，熟料库及熟料外运和水泥添加剂及其配送、包装、散装及袋装水泥储存、储库等环节，其余均为有组织排放。新型干法窑、篦式冷却机、水泥管磨、立式磨机和高效选粉机的含尘浓度分别约为50g·Nm－3、10g·Nm－3、80g·Nm－3、500g·Nm－3和1000 g·Nm－3；其相应的单位产品产尘量分别约为100kg·t－1、25kg·t－1、120kg·t－1、1000kg·t－1和1000kg·t－1。

2010年，我国水泥总产量1.868×105万t，其中新型干法窑产量1.4944×105万t，占总产量的80%。新型干法水泥窑是目前最重要的粉尘污染来源，而其中回转窑生产系统，尤其是窑头篦式冷却机及窑尾的烟尘排放最为显著[12]。篦式冷却机烟气正常温度为220～240℃，极端可达400℃；风量变化大；粉尘浓度一般＜20g·Nm－3，恶劣工况时可达50g·Nm－3以上；含湿量约为1%～2%；粒径粗（10μm以上占85%），黏性低，磨蚀性强；比电阻高（1000Ω·cm左右）；粉尘比重在3.2g·cm－3左右。窑尾烟气性质因窑磨一体以及是否带余热锅炉等因素会有较大变化，窑尾烟气正常温度为350℃左右，采用低温余热发电时可降到200℃左右；粉尘浓度60～100g·Nm－3；粉尘粒径细（10μm以下占78%左右）、黏性大、具有腐蚀性；比电阻高；烟尘工况不稳定。

吴刚等[2]研究发现水泥生产过程中粒径＜10μm粉尘所占比例很大，一般在40%～80%；＜10μm粉尘中，＜2μm的约占60%；2～5μm的约占25%；5～10μm的约占15%。水泥行业微细粉尘控制是值得关注的难点。何伟明[6]对成都某大型干法水泥生产线粉尘中游离SiO2含量的测定结果显示：砂岩、页岩、硫酸渣配料仓，磨煤机，粉煤仓，石膏、矿渣输送皮带头的游离SiO2含量均超过10%，最高达到30.5%。水泥工业粉尘中高的游离SiO2含量带来更高的人体健康和生态风险，值得密切关注。

3 水泥工业除尘技术及设备

3.1 袋式除尘技术及设备

目前，新建、扩建的干法水泥工业从原料破碎到包装出厂的整个生产线大多采用袋式除尘器[2]，其适用于水泥行业生产线上的通风及热力设备、排放点和扬尘点，并大量用于水泥行业电除尘器的改造。袋式除尘器的优点有：不受烟尘比电阻等性质的影响，能捕集电除尘器难以捕集的粉尘；收尘效率高，排放浓度有的可达10mg·Nm－3以下，除尘效率随粉尘浓度的升高而升高；运转稳定，适应性强，能在较宽范围的温度、压力和粉尘负荷下运行；操作技术简单、可在线检修。袋式除尘器的缺点也十分明显，尤其是滤袋受到烟尘温度的限制，温度过高时容易烧袋，温度过低又容易冷凝结露而糊袋[1]。水泥行业多年来认为袋式除尘器运行阻力及能耗高，造价成本及运行费用贵，这是制约其发展的主要因素。5000t·d－1水泥窑电改袋至少投入700万元，新建安装袋式除尘器至少要900万元；其设备阻力通常在1000～1500Pa；窑头和窑尾功耗分别在400kW和550kW左右；普通滤袋寿命一般为1～2a，高端滤袋为3～5a。随着国家排放标准的日益严格，耐高温、高效、特种新型滤料的不断涌现并降低了较大的设备及运行成本，袋式除尘器逐渐被越来越多的水泥企业采用。

3.2 电除尘技术及设备

电除尘器广泛应用于水泥工业粉尘的收集与控制，尤其是在立窑、湿法窑和中空窑水泥生产中的使用较为普通，也有少数的在回转窑中使用[13]。电除尘器性能与粉尘比电阻（1×104～5×1011Ω·cm可采用）、集尘电极的总表面积、气体的体积流量以及颗粒物的迁移速度等因素有关，并对CO浓度有严格的限制（＜1.0%）。水泥行业采用电除尘器时，如净化立磨（辊式磨）的烟尘浓度高，应有预分离装置；湿法窑烟尘湿度大，电除尘器易被腐蚀，窑尾会因不正常工况控制，严重时将导致CO爆炸；干法窑粉尘比电阻高，需烟气调质；熟料冷却机烟尘净化的电除尘器因比电阻高，需采用宽极间距；一般在篦式冷却机、水泥磨及回转窑等设备内装设喷水装置解决烟尘比电阻高的问题[14]。5000t·d－1水泥窑四电场电除尘器的设备阻力一般为300Pa，其窑头和窑尾功耗分别在300kW和500kW左右，使用三相工频电源或高频电源能显著降低能耗。目前，单纯依靠电除尘器达到环保排放的标准已越来越不现实，随着电除尘器各项技术的不断发展，达标排放不应成为发展的唯一目标，应充分发挥电除尘器成本、运行能耗、工况适应性和维护费用等方面的优势，筛选最佳的升级改造方案，取得最大的经济、社会和环境效益。

3.3 电—袋复合除尘技术及设备

电—袋复合除尘器是将传统静电除尘和过滤除尘机理有机集成发展起来的新型节能高效除尘器，其在一个风箱体内有规律地布置电场和袋场以达到粉尘高效截留及节能的目的。迄今，主要有预荷电—布袋式、静电布袋并列式和静电布袋串联式等3种联合除尘方式[15]。电袋相比电除尘器，不受烟尘比电阻性能影响，可节约钢材20%左右，并减少占地面积；电袋相比袋式除尘器，能够显著降低滤袋的阻力，延长喷吹周期，缩短脉冲宽度，降低喷吹压力，延长滤袋的使用寿命1～2a。电袋对烟气中Hg、SO2和NOX有一定的同步去除作用，更易满足越来越严格的减排要求，是水泥行业粉尘治理的重要技术手段之一。韩战义[16]等通过对某5000 t·d－1水泥窑尾电—袋复合式除尘器的设计研究表明：电—袋复合式除尘器具有适应工况范围宽、应用更广和性价比高的优点。电袋对粉尘的比电阻敏感度下降，降低了系统波动的影响，排放浓度可满足在30mg·Nm－3以下，适用于水泥厂窑头、窑尾及电除尘器改造。对于新设备而言，电—袋复合式除尘器成本会略高于纯袋式除尘器，但它更易满足国家越来越严格的减排要求，可作为水泥行业粉尘治理，尤其是PM2.5末端治理的一项重要、有效的举措。

3.4 其他除尘技术及设备

重力、惯性和旋风除尘技术被广泛应用于水泥工业多级除尘的预除尘。以旋风除尘器为例，其设备结构简单，造价低，维护方便，耐400℃左右高温，耐高压，可实现捕集干灰后粉料的回收利用，可用于高磨蚀性粉尘烟气净化。但是，其对微细粉尘捕集效率低，处理风量有局限，处理风量大时，要采用多个旋风除尘器并联，设置不当，对除尘效率将有严重影响[14]。在水泥工业除尘中，一般应用于电、袋除尘器前端的预除尘和物料回收中。

湿式除尘技术基于含尘气体与液体（洗涤水或其他液体）接触，借助惯性碰撞、扩散等机理，将粉尘予以捕集，实际中应用广泛。其在同等能耗下的除尘效率比干式高，对＜0.1μm的粉尘仍有很高的除尘效率，能用于高温、高湿及粘性大的粉尘；可兼顾除尘和净化有害气体的作用；结构简单，投资低，占地少，安全性好。其缺点是：有排出洗涤泥浆的二次污染问题；不适用于憎水性和水硬性粉尘；加大了污水处理系统防腐材料的成本；损失了一定的热能，温度低时需要防结冰和白烟。在水泥工业除尘中，一般应用于电除尘器烟气调质和扬尘控制之中。

4 结语

近年来，随着国家对水泥行业粉尘排放标准的越来越严格以及水泥行业PM2.5粉尘在总粉尘排放量中所占的比例极高的现状依然没有改变，虽然我国水泥行业粉尘污染治理技术已经迈入相对成熟的阶段，但是粉尘污染控制形式依然相当严峻。水泥行业内存在粉尘（尤其是PM2.5）排放现状不清、监测监控能力较弱和特征性污染治理技术研发成果较少等亟待解决的问题。我国应加大实际应用型的针对水泥行业粉尘污染特征下的污染控制技术理论及设备研究，同时，实现最大化的社会、环境和经济效益。

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