我国水泥工业废气量减排与污染物减排潜力分析

王红梅，刘宇 ，王凡，都基峻，张凡，石应杰

中国环境科学研究院，北京 100012

我国是世界上最大的水泥生产与消费国。2012年，世界水泥产量约39 × 108t，我国水泥产量约21.8 ×108t，占世界水泥总产量的56%［1］。在资源消耗方面，用做水泥原料的石灰岩资源消耗量约占其总资源消耗量的1/4 ～1/3［2］;在能源消耗方面，用于水泥生产的煤炭占全国煤炭总需求量的10%以上，用于水泥生产的电力消耗约占全国生产总耗电量的5%［3］;在污染物排放方面，水泥工业颗粒物排放量占全国排放量的15% ～20%，NOx排放量占全国排放量的8% ～10%，SO2排放量占全国排放量的3% ～4%，水泥工业是重点污染行业之一［4-6］。2012年，水泥工业的生产总值约9 793 亿元，占建材工业生产总值的24.9%［7］，占全国工业生产总值的1.7%，水泥工业的产值与污染物排放不成比例。

水泥工业是城市发展不可或缺的净化器，是电力、化工、煤炭、钢铁等行业可持续发展的清道夫。2013年，我国水泥混凝土行业利用废渣量超过10 ×108t［8］，成为最大的工业利废行业。近年来，我国水泥工业在城市生活垃圾处理等方面发挥的作用越来越大，通过开展试点示范，大力推广水泥窑无害化协同处置和资源化利用生活垃圾，已有30 多条水泥窑生产线开展了协同处置技术改造。水泥工业对工业发展和城市生活的作用越来越突出，成为城市和相关行业可持续发展的关键行业之一。

随着新修订水泥标准的实施，水泥工业颗粒物、NOx等污染物排放浓度将会显著下降，但以颗粒物为主的污染物排放总量依然很高。我国水泥生产环节多，几乎各环节都有颗粒物产生。通常，一个水泥厂袋式除尘器有几十台之多，各工序废气排放非常分散，给环境管理增加了难度。另外，通过袋式除尘器排放到空气中的颗粒物以细颗粒物为主，而细颗粒物排放是造成雾霾的主要原因。目前，通过加严标准难以实现颗粒物的进一步减排。因此，通过减排废气量实现水泥工业削减污染物排放已成为必由之路。笔者通过实例，分析实现废气量减排的可行途径，并以水泥新标准实施的2015年为基础年，分别估算出通过标准减排和废气量减排实现的颗粒物减排量，以期为水泥工业开展大气污染物深度减排提供思路。

1 水泥工业大气污染物及废气排放状况

水泥生产从原料获取到产品，需要经过矿山开采、原料破碎烘干、生料粉磨、煅烧、熟料冷却、水泥粉磨及包装等多道工序，每道工序都存在不同程度的颗粒物排放，其中煅烧工序集中了70%以上的颗粒物和几乎全部的气态污染物(SO2、NOx、氟化物等)排放。随着水泥工业污染物排放量的增加和大气污染形势的日益严峻，环境保护部提出对水泥工业大气污染物排放进一步加严的要求。

2013年12月27日，GB 4915—2013《水泥工业大气污染物排放标准》(第三次修订)正式发布，现有企业从2015年7月1日起全面执行该标准，要求水泥窑颗粒物排放浓度从50 mg/m3降到30 mg/m3，NOx浓度从800 mg/m3降到400 mg/m3。目前，水泥企业除尘主要采用各种类型的袋式除尘器，还有部分企业采用静电除尘器，但要实现30 mg/m3甚至更低的排放要求，一些静电除尘器难以通过自身改造实现达标排放，因此应逐步改造成电袋除尘器或袋式除尘器。

随着新修订标准的实施，水泥工业颗粒物和NOx的排放浓度将会显著下降，然而，由于我国水泥产量居高不下，水泥生产工艺颗粒物排放量大、排放点多，即使全部实现低于30 mg/m3的排放限值，水泥工业以颗粒物为主的大气污染物排放量仍然很高，依靠末端治理技术实现污染物减排的空间已经越来越小。改变单一的末端污染治理，实行全过程污染控制，走可持续发展道路，是促进经济与环境协调发展，开创污染防治新局面的战略性措施，也是今后我国水泥工业污染防治的方向。对于现阶段水泥工业，加快余热余能的回收利用，减少空气用量和废气排放量，可以同时实现节能和污染物总量减排的双赢。

现有新型干法水泥生产工艺已经通过二次风、三次风、余热烘干、余热发电等多种利用途径实现了节能减排，而通过合理的工艺改进减少空气用量，从而使排放的废气量减少，可以在达标排放的基础上更好地实现污染物总量减排的目标。

以我国典型新型干法工艺生产1 t 水泥为例，水泥生产全过程主要产尘点位和废气排放情况见表1［9］。由表1 可知，生产1 t 水泥产品要处理超过20 t 的物料，废气排放量超过1 ×104m3。废气排放量大的工艺有熟料烧成、冷却，生料粉磨、烘干等，排放量合计为10 798 m3，其中，水泥窑高温废气排放量为4 550 m3，用于烘干的废气排放量为4 087 m3，常温废气排放量为2 161 m3。

按现行水泥标准要求:执行颗粒物排放浓度50 mg/m3的废气排放量为9 411 m3，30 mg/m3的废气排放量为1 386 m3，新修订排放标准的限值为30 和20 mg/m3(特别排放限值为20 和10 mg/m3)，排放浓度按排放限值的90%计，根据排放标准限值对生产1 t 水泥粉尘减排量进行估算，结果见表2。

表1 水泥生产过程废气排放量及标准限值［9］Table 1 Cement production process exhaust emissions and standard limits

表2 满足不同排放标准限值的水泥生产过程颗粒物减排量Table 2 Cement production process dust emission reduction for different emission standard limits

从表2 可知，执行现行标准，生产1 t 水泥排放颗粒物0.460 kg;标准修订后，生产1 t 水泥执行一般限值和特别限值分别排放颗粒物0.279 和0.181 kg。

2013年，我国水泥产量达24.1 ×108t。2014年前三季度，我国水泥产量同比增长3%［10］。按水泥产量年增速3%计，预计2015年水泥产量为25.6 ×108t。根据水泥产量预测，2015年如果执行现行标准，水泥工业将排放颗粒物117.9 ×104t，按执行一般限值和特别排放限值的比例分别为70%和30%估算，2015年执行新修订标准后，颗粒物将排放63.9 ×104t，可以估算出全国水泥工业由于标准加严可减排颗粒物54.0 ×104t。

我国工业化进程远未结束，未来10年水泥产量不会大规模下降，而通过实施严格的排放标准进一步减排污染物已经越来越难。生产1 t 水泥排放的废气量超过1 ×104m3，如果在标准排放限值不变的情况下，减少水泥工业排放的废气量，就可以有效降低污染物排放总量，尤其是颗粒物的排放总量。水泥工业除水泥窑外，其他工序普遍使用的是袋式除尘器，除尘效率通常超过99.5%。通过袋式除尘器排放的颗粒物主要是细颗粒物，其中PM2.5的浓度超过50%［11］。通过废气量减排，更可以有效地减少水泥工业PM2.5的排放。由于雾霾主要是PM2.5累积造成的，只有控制废气量的排放，有效减少环境空气中的PM2.5，才能保障空气质量的稳定达标。

2 水泥生产废气量减排途径及效果

要实现废气量的减排，首先要在满足水泥生产基本需要的前提下减少空气进入量，通过废气循环利用可以实现废气量的直接减排，通过余热余能利用可以实现废气量的间接减排。废气余热余能利用和处理工艺基本不会增加废气的排放量，影响废气排放量的主要因素是废气生产、废气余热余能利用和废气处理过程中进入空气量的多少［12］。为减少空气进入量，可以对高温废气、低温烘干废气和常温废气分别加以利用。

2.1 高温废气量减排

高温废气主要包括水泥窑窑尾烧成废气和窑头冷却废气。其利用方式主要是通过窑头余风再循环技术、减少窑头喂煤一次风的比例、减少窑尾分解炉喂煤风机的风量，利用废气中的热量，增加发电量或减少电耗，间接减少污染物的排放。

(1)窑头余风再循环技术

将窑头风机排出的90 ～100 ℃废气引入篦冷机中段，以进一步提高冷却机中部抽风温度，从而提高窑头余热锅炉入口烟温，提高窑头余热锅炉产气量和余热发电功率。以新丰越堡水泥有限公司4 500 t/d 熟料生产线配套9 000 kW 余热发电工程为例［13］，通过余风再循环，窑头配套AQC 余热锅炉发电量从3 886 kW·h 提高到4 113 kW·h，通过该项技术改造，每年可增加发电量163.4 ×104kW·h，折合1 t 水泥增加发电量1.86 kW·h。按1 kW·h 电消耗0.325 kg 煤(以标煤计)［14］，1 kg 煤消耗8 m3空气［15］，通过余风再循环，1 t 水泥可减少4.8 m3新鲜空气用量。

(2)减少窑头喂煤一次风的比例

窑头一次风除了保证煤粉中挥发分燃烧的氧气供应外，还要保证能够及时迅速地与二次风混合。由于一次风是冷风，入窑后要被加热到1 450 ℃以上。当一次风量增加到总空气量的10%时，燃烧气体温度需要上升4 ℃。TLSF 水泥公司原先采用的燃烧器，一次风用量占窑头供风量的15%以上。公司窑头煤粉燃烧系统经过技术改造［16］，一次风用量占总风量的比例下降到7.7%。送煤风煤粉输送浓度由改造前的2.7 ～3.9 kg/m3，提高到近6.0 kg/m3。经过对5 条5 000 t/d 生产线窑头喂煤系统的改造，可实现年节电241.2 ×104kW·h，折合1 t 水泥可节电0.45 kW·h。通过降低一次风比例，1 t 水泥可减少119 m3新鲜空气用量。

(3)减少分解炉喂煤风机的风量

分解炉内的燃烧温度约850 ～900 ℃。分解炉内煤粉燃烧所需要的氧气，通常是由三次风供给的。入炉三次风温度越高，对煤粉燃烧越有利。由于入炉输送煤粉的风是冷风，其风量的大小会直接影响到入炉三次风温度。因此，在保证煤粉输送稳定的前提下，应尽量减少煤粉输送风机的风量。经过对某水泥厂1 条6 000 t/d 和2 条6 200 t/d 生产线分解炉喂煤系统的改造，分解炉喂煤风机装机容量降低了120 kW·h，送煤风占三次风比例降低了2% ～3%，煤粉输送浓度提高到4 kg/m3以上。通过对这3 条生产线分解炉喂煤系统的改造，可实现年节电232.8 ×104kW·h［12］，折合1 t 水泥节省电量0.59 kW·h。通过减少分解炉喂煤风机的风量，1 t水泥可减少28 m3新鲜空气用量。

通过采用上述3 种直接和间接污染物减排方式，1 t 水泥可以减少空气用量152 m3，按1 t 水泥废气排放量10 797 m3计，可以减排1.4%的废气量。全国水泥窑如果有50%进行相关技术改造，2015年将可减排细颗粒物5 829 t。

2.2 低温烘干废气量减排

水泥生产中需要进行烘干的物料主要有含水量高的其他原料、生料、煤粉、混合材等，用于烘干的热源通常有窑头废热、窑尾废热及单独热源的烘干炉等。新型干法窑多利用窑头窑尾废热对生料和煤粉进行烘干，其他原料和混合材等较少采用废热进行烘干，生产1 t 水泥用于烘干部分的废气量约1 510 m3，如果有50%能利用水泥窑废热烘干，生产1 t 水泥就可以减少755 m3空气用量，2015年将可减排细颗粒物28 992 t。

2.3 常温废气量减排

水泥窑常温废气来自破碎、转运、包装、均化、贮存等多个工序，通常各工序分别配置袋式除尘器，废气经除尘后直接排放。由表1 可知，生产1 t 水泥常温废气排放量约为2 161 m3，如果有50%常温废气不直接排放而是作为水泥窑窑头和分解炉煤粉的助燃空气，生产1 t 水泥就可减少1 081 m3空气用量，2015年将可减排细颗粒物41 491 t。由于水泥厂常温废气来源不同，各工序相对分散，直接利用不易实现，因此在废气利用方面需要因地制宜，可以在水泥窑窑头和窑尾分解炉附近分别建储气柜，把周边工序经过除尘器除尘后的废气引入储气柜，保证水泥窑气源的稳定可靠。因水泥窑所需气量远大于各工序常温废气量之和，不足部分再补充新鲜空气。对于新建水泥厂，工艺设计时考虑将常温低尘工序相对集中靠近窑头或窑尾，将未除尘废气引入储气柜后直接利用，减少除尘器的数量和能耗。

2.4 其他废气量减排

随着水泥工业的快速发展，水泥生产所必需的原料、燃料资源也日趋紧张，因而在水泥生产过程中使用含钾、钠、氯、硫挥发性物质的原料、燃料成为趋势。特别是近20年，欧美原料情况变化和持续增长的替代原料、燃料的利用技术(如利用废旧轮胎［17］、生活垃圾［18］、城市淤泥［19］等作为水泥替代燃料)得到广泛应用。在日本，利用水泥窑处置工业废物和生活垃圾已经有30 余年的历史，在条件适宜的水泥窑，1 t 水泥可处理垃圾量达200 ～300 kg［20］;在德国，1999年有18 个水泥厂以废轮胎做替代燃料，50%的水泥厂不同程度地利用各种可燃废物，2001年燃料替代率达30%。这些垃圾或衍生燃料的使用，使钾、钠、氯、硫的带入量增加，可能对水泥生产工艺造成破坏性影响，但在窑尾与预热器之间增设旁路放风装置能够很好地解决这一问题［21］。我国开展水泥窑处置废物的时间还不长，水泥窑处置废物的种类主要有工业固体废物、城市污水处理厂污泥、生活垃圾、危险废物等。环境保护部、国家发展和改革委员会、工业信息化部等国务院相关部委印发了一系列关于推动水泥窑协同处置技术发展的文件，预计在国家政策的推动下，水泥窑协同处置固体废物将会得到迅速发展。为保证水泥生产线系统的稳定运行和水泥熟料的质量，使用旁路放风系统的水泥窑会越来越多。

采用旁路放风技术，如果高温废气不能利用，水泥窑热耗增加非常显著。近年来，我国在水泥窑上已经实现了旁路放风余热发电技术的应用，在减少余热浪费的同时，还实现了废气量的减排。如2011年阿克苏天山多浪水泥公司投产了一条带有旁路放风余热发电系统的4 800 t/d 生产线［22］，运行以来，熟料产量增加252 t/d(增产5.3%)，发电功率增加2 300 kW·h(增加30.7%)。在旁路放风率低于25%条件下，熟料热耗基本不增加，熟料质量得到明显提高。旁路放风技术的出现也给水泥生产线带来了新的发展方向［20］:1)拓宽了原料、燃料资源的使用范围;2)利用一些低热值的废物(如生活垃圾、塑料以及废轮胎等)，直接减少了固体废物的排放。

如果水泥厂采用旁路放风没有进行余热发电，一方面会使熟料热耗和电耗增加，另一方面由于废气温度高，通常采用掺入冷风等方式将废气温度降至200 ℃以下，以便于后续的废气除尘。如果按10%的放风量，窑尾烟室的废气温度为1 000 ℃，掺入25 ℃的空气，将温度降至200 ℃后，窑尾烧成部分水泥废气量2 925 m3/t 计，旁路放风会增加的水泥废气量为2 925 ×10% × (1 000 -200)/(200 -25)=1 337 m3/t。通过余热利用，不增加冷空气掺入量就可以减少1 337 m3/t 废气的排放。

《水泥工业“十二五”发展规划》提出，到2015年，水泥窑协同处置生产线比例将达10%。水泥工业要发展循环经济，选择大中型城市周边已有水泥熟料生产线，配套建设城市生活垃圾/污泥和各类废物的预处理设施，开展协同处置试点示范和推广应用。如果有10%的水泥企业开展旁路放风，其中50%未开展余热发电，2015年因旁路放风用冷空气降温直接排放的废气量会增加颗粒物排放5 134 t;利用旁路放风开展余热发电不增加空气量，可以减排颗粒物5 134 t。旁路放风对水泥工业颗粒物的排放影响是很显著的。

3 结果与讨论

(1)水泥工业是颗粒物等大气污染物排放量大的重点工业行业，第三次修订的《水泥工业大气污染物排放标准》能够较大幅度地削减水泥工业的颗粒物，但我国当前的环境保护形势要求水泥工业还需要进一步削减污染物排放量，标准减排的空间已经越来越小。预计2015年，通过标准减排，颗粒物排放量为63.9 ×104t，水泥工业颗粒物排放可减少54.0 ×104t。

(2)我国水泥厂高温废气主要是水泥窑煅烧产生的，可以通过废气循环等方式直接减少加入窑里的空气量，利用窑头窑尾的余热余能可以间接减少空气量，实现废气量的减排;低温烘干废气应尽可能将水泥窑废气用于各种物料的烘干，减少烘干炉使用的空气量;常温废气是水泥生产多个工序经除尘后排放的废气，可以作为水泥窑燃烧及煤粉输送的一次风进行利用。

在排放标准限值保持不变的情况下，通过废气量的减排实现污染物的减排。预计2015年，通过高温废气量减排，可减少细颗粒物5 829 t;通过低温烘干废气量减排，可减少细颗粒物28 992 t;通过常温废气量减排，可减少细颗粒物41 491 t。

(3)国家政策支持水泥工业利用多种废渣及水泥窑协同处置固体废物。为保证熟料的质量和系统的安全，采用旁路放风措施会越来越多，将旁路放风的热废气进行余热发电可有效减少废气量，实现污染物的减排。预计2015年，通过旁路放风后进行余热发电，可减少细颗粒物5 134 t。

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