第二节　水泥的绿色化技术

水泥工业因产量巨大而成为耗能大户、污染大户。国内外在水泥窑技术装备、高效节能粉磨系统、先进烧成技术运用、协同处置固体废物以及减少颗粒物、NO_x、CO₂、噪声等方面开展了大量科研工作，并应用到生产实践中去，这些水泥绿色化生产技术对于降低水泥单位产品能耗、物耗、减少污染排放，实现环境友好与协调意义重大。

一、节能减排控制技术和措施

长期以来，水泥与钢材、木材一起并称为支撑国民经济建设的三大基础材料，为人类社会进步及经济发展做出了巨大贡献。水泥因其产量巨大，消耗大量的矿物资源和能源，同时产生大量的颗粒物、SO₂及NO_x等对环境有害的气体，而在目前甚至未来相当长的时期内，水泥仍将是人类社会主要的建筑材料，需求量仍将保持一定的增长态势。因此我国水泥工业的发展面临着资源能源和环保的严峻挑战。

1.技术创新提升整体装备水平

中国水泥在引进、消化、吸收国际水泥工业先进技术的基础上，水泥预分解技术水平有了很大提高。自1976年我国第一台预分解窑投产至今，12000t/d预分解窑生产线已实现国产化，新型干法技术已向亚洲、非洲等发展中国家出口。截至2013年年底，全国新型干法水泥生产线产能已经超过90％。全国现有1800多条新型干法水泥生产线，目前5000t/d的熟料生产线已经成为主力窑型。在水泥装备大型化、现代化发展基础上，深入研究原料、燃料均化配置技术，高能效低氮预热预分解及先进烧成技术、高效节能料床粉磨技术、数字化智能型控制技术、废弃物安全无害化处置和资源化利用技术等，将此类技术运用于现代化水泥工厂，将进一步挖掘节能潜力。典型节能减排技术举例如下。

（1）高效节能粉磨系统　一方面，可以采用立式磨、辊压机、筒辊磨、高效选粉机的完善与优化组合，形成节能型粉磨系统，使水泥生产电耗指标大幅下降；另一方面，采用“超细粉磨”技术与装备，将同硅酸盐水泥成分近似的高炉矿渣、电厂粉煤灰、煤矸石等激活改性成为“功能调节型材料”。这样，不仅彻底改变了原来仅将这些废渣、废料作为代替和减少熟料用量的单纯混合材性质，亦可进一步增加废渣用量。另外，还可以发展超细粉磨与分级技术的规范化和规模化；减少熟料的用量，减少石灰石等天然资源的消耗，节省烧制水泥所消耗的能量。

（2）先进烧成技术运用　采用高效高能预热分解系统，缩短回转窑的长度，实现熟料的快速烧成，提高熟料品质和加大窑产量的同时减少投资。同时运用“控制流篦板”的篦式冷却机，保证出窑熟料高温急冷，有利于熟料活性的提高，同时也提高冷却机的热回收效率和运转可靠性。

（3）协同处置固体废物　利用水泥窑协同处置生活垃圾，垃圾减容化明显，不占用大量土地，减少渗滤液、飞灰等二次污染引发的环境问题。水泥窑协同处置生活垃圾的过程中，垃圾在分解炉中焚烧，热量贡献给熟料烧成过程，减少了水泥窑自身燃料用煤，同时提高了水泥窑余热发电量。垃圾减量化的同时，实现水泥生产过程的原料替代与燃料替代，有效地减少CO₂排放，对于国家节能减排具有重要意义。在水泥行业内，近五年来利用水泥窑协同处置工业废物与城市垃圾的技术装备等方面的研发取得了一定的成果，意味着水泥行业在节能减排和利废方面还有很大的潜力。可在现有生活垃圾处置方式格局基本不变的情况下，将水泥窑作为生活垃圾无害化处置的一种技术手段，进行有序推进，实现共存共赢。

（4）加强管理提高能源利用效率　由于工艺过程中高温、量大的特点，水泥行业能源计量工作比较薄弱，很多数据靠盘库、估算等方式获得。高温点较多，监测设备容易损坏，数据失真，管理不够精细，因此对影响能耗水平的深层分析与控制较弱，建议加强计量和能源数据的在线监控工作，建立能源管控中心，及时根据生产变化合理调整能源的使用和分配，挖掘开拓节能潜力，以节约能耗物耗，不断提高工艺控制水平。

2.开发应用特种和新品种水泥

特种水泥和新品种水泥的研究开发主要通过熟料矿物及水泥材料组成的优化匹配、利用工业及城市废物和低品位原材料等，实现水泥性能与功能的合理调节及环境负荷的大幅度降低。例如：有反应控制功能、结构控制功能、环境调节功能和智能功能的特殊水泥，如对环境有可感知、可响应的智能水泥基材料，具有热电及压电作用的功能水泥基材料；以节能、降耗、环保和提高水泥性能为主导的环境负荷减少型和环境共存型改性水泥体系和新型高性能水泥体系，如以硅酸二钙为主导矿物的活性高贝利特水泥；先进水泥基材料，利用材料的复合与优化技术，实现水泥基材料的高致密化和性能的突变，达到抗压强度、抗折强度大幅提升。

另外，从调整水泥产业结构、提高水泥质量、提高水泥品种方面还有很多工作可作，如生产环保型胶凝材料，就是按高性能混凝土需要生产的高性能胶凝材料，较少地使用熟料和大量利用工业废料，在不增加熟料产量的前提下，增加优质水泥的产量。

在粉磨水泥时加入一定量的矿物掺合料和外加剂生产新型水泥在许多国家已有工业产品，意大利的SPC（超塑化）水泥、前苏联的BHB水泥、瑞典的强力改性水泥EMC等。其中有的熟料含量小于50％。中国建材研究总院在20世纪70～80年代研究开发成功的少熟料和无熟料水泥，大幅度利用混合材，已在工程中得以成功应用。这些技术既降低了生产总能耗，又节约了矿山资源，减少了二氧化碳的排放。

二、环境影响控制技术和措施

1.颗粒物控制技术

水泥企业颗粒物的污染源较多，主要包括：储存原料、燃料、熟料，水泥用的堆厂、筒仓、原料储库、水泥库，原料、燃料及产品的破碎和粉碎设备，如石灰石破碎、煤磨、生料磨和水泥磨，窑头和窑尾，以及各类物料输送机械等。水泥企业通过除尘设备对颗粒物集中排放点进行有效控制。收尘器用于生产工艺过程的颗粒尘收集，不同种类、规格的收尘器废气处理量不同，阻力也不同，电耗不同，分别适用于窑头、窑尾、粉磨、烘干机、破碎机等工艺设备。目前，行业应用比较多的是两类收尘器：袋式收尘器和电收尘器，近年来也有部分改造的电袋复合收尘器投入使用。一般来说，水泥企业为了有效地控制颗粒物排放，应该从设备和管理两方面采取措施。

（1）合理的设计和布局　水泥行业颗粒物污染的一个特点是尘源比较分散、物料倒运次数多、颗粒物排放点多且不易控制，易出现二次扬尘。因此，在工艺设计中，应选用合理的辅助设备和运输设备，紧凑布局，减少倒运次数，降低物料落差，实现生产过程的机械化和自动化。

（2）收尘设备和密封为基础　水泥企业应根据烟气量、颗粒物浓度、烟气温度等特点合理选用收尘设备。企业应对设备之间的连接处，无论是动态与动态连接还是静态与动态连接处都应采取密闭罩、负压等密封措施防止颗粒物外逸，避免跑气漏灰。

（3）依靠制度有效控制　通过制订切实可行的管理制度，对通风收尘系统设备的检修与验收严格管理，定期监测，及时维护，同时加强岗位培训落实。

2.NO_x控制技术

与燃煤电厂锅炉不同，水泥企业的NO_x排放浓度与生产过程控制息息相关。应积极采取燃烧前控制、燃烧中控制以及燃烧后脱硝技术应用等多种方式协同进行减排。如在回转窑的窑头采用大速差、大推力燃烧器，降低一次用风量，避免局部高温产生；采用分级燃烧的分解炉，即煤粉及助燃风多点加入，分区控制燃烧气氛、燃烧温度与停留时间；控制原料成分、煤质及煤粉细度，进行工艺优化管理；采用选择性非催化还原法（SNCR）烟气脱硝技术，进一步降低NO_x的排放浓度等技术。对于新型干法水泥生产线，为确保经济可行地实现NO_x减排，通常需要协同采用多种NO_x减排措施。随着GB 4915—2013标准的实施，企业对控制NO_x排放的重视程度逐步加强，行业整体排放水平将有大幅降低。此外，还需要说明的是，由于窑型不同，立窑采用直接传导、生料与煤粉共同粉磨成球烧成的工艺，NO_x排放浓度普遍比回转窑要低很多。立窑不需要安装任何脱硝装置，完全能够达到GB 4915—2013标准排放浓度的要求。

（1）燃烧前的控制技术　燃烧前的控制技术主要指水泥制备工艺的优化，通常采用降低热耗，提高熟料质量等手段。工艺优化如果应用得好，同样可以有效降低NO_x的排放。常用的工艺优化方法有：通过调整生料的配合系统，实现对加入物料的化学计量实时控制，改进生料入窑的均匀性，从而降低窑内烟气温度的峰值，实现降低NO_x排放目的；调节生料含水量、入窑风量，循环利用废烟气的热量、窑灰，提高热效率，降低NO_x的排放。

由于工艺的复杂性、条件易变性，通过工艺优化降低NO_x排放的效果很难给予定量的评估，如何达到提高窑炉热效率、工艺最优化的同时降低NO_x的排放仍然有许多细致的工作要做。

（2）燃烧中的控制技术　燃烧中的控制技术（combustion　control　approaches）主要基于以下的基本策略：降低燃烧室内火焰的峰值温度；减少燃烧器内过剩空气系数和减少着火区的氧浓度；加入NO_x还原剂等。其主要方法有低过剩空气系数（LEA）、分级燃烧（OFA）、烟气再循环（FGR）、低NO_x燃烧器（LNB）、加入含氨基替代燃料等，其目的主要是在分解炉或窑内营造还原性气氛或条件。其中，分级燃烧是将燃料、空气或生料分阶段引入，实现NO_x生成的最小化。窑燃烧阶段产生的NO_x，部分可在分解炉加燃料产生的还原气氛下实现化学还原。还原气氛的控制主要是通过调节系统内的空气来实现，例如先使燃料在空气不足的状态下燃烧以降低NO_x的生成，再使其在空气过量的条件下燃烧以完成反应。此外，控制生料的加入还可以调节燃烧器的温度。通过以上的这些方法，均可以在一定程度上控制燃料型NO_x和热力型NO_x的产生。图4.3为分级燃烧控制的原理。

低氮燃烧器（LNB）主要采用的方法是减弱火焰强度，延迟燃料、空气的混合，在初始燃烧时形成富燃料的还原性气氛，可降低30％热力型NO_x的形成。LNB分成两个燃烧区，第一燃烧区是富燃料缺氧、高温的环境条件，在这种条件下，热力型NO_x由于缺氧而产生量大为降低；同时通过循环通入一定比例的废烟气，其中的NO_x能在第一燃烧器被大量还原。第二燃烧区是富氧缺燃料、氧化的环境，其温度较低；随着第一燃烧区的气体通入，更加降低了其体系温度，使得还原性气体不易被氧化成NO_x。

通过在水泥窑使用替代燃料，特别是含氨基的替代燃料，可以实现降低NO_x排放的效果。其作用原理主要包括几个方面，一方面是替代燃料可以有效地降低煤炭消耗，协同处置的过程中可在分解炉形成部分还原性气氛；另一方面，含氨基的废弃物可以进行还原反应，作用原理与SNCR相近。该方法由于可同时处置生活垃圾、污泥等固体废物，实现协同处置与污染减排双重效果，具有很好的应用前景。

（3）燃烧后的控制技术　燃烧后的控制技术是通常意义上的烟气脱氮技术，现阶段水泥行业均采用选择性非催化还原法（SNCR）。近年来国外也有极个别水泥企业采取SCR方法，但是由于存在催化剂易于失效中毒的现象，催化剂的适应性等技术难题尚需克服，以及运行成本高、投资费用大的问题，均处于小规模试验研发阶段，工程应用实例相对较少。

选择性非催化还原法（SNCR）最早由美国Exxon公司发明并于1974年投入使用。该方法的原理是在高温（900～1100℃）和无催化剂的条件下，向烟气中喷射还原剂（氨气和尿素），选择性地将NO_x还原为N₂和H₂O。温度对SNCR的影响很大，除此之外，反应时间、NH₃和NO_x摩尔比、初始NO_x浓度等均对SNCR的净化效率有所影响。

与SCR法相比，SNCR法运行费用低，投资较小，但存在还原剂耗量大，脱除效率变化大等不足；但是，新型干法水泥窑温度窗口的选择和控制方面，SNCR具有明显优势，因此在国际与国内也有了比较多的工程应用实例。图4.4为可选择的投加点示意。

3.CO₂减排技术

实现水泥工业的碳减排必须采用源头控制，实质上就是分别针对水泥生产过程中的CO₂排放来源——碳酸盐分解排放和化石燃料燃烧排放，采用适宜的技术手段达到减排的目的。如：要减少碳酸盐分解排放的CO₂，可通过使用低碳原料替代（其他工业产生的高钙低碳废渣，如电石渣、造纸污泥等）来实现；而降低化石燃料燃烧排放CO₂量则可通过调整优化产业结构，淘汰高耗能落后产能；推广成熟的节能技术；优化工业过程，提高生产工艺过程的能源利用效率；协同处置固体废物，实现燃料替代等技术手段来实现，与前述节能减排技术紧密相关。

4.噪声控制技术

水泥工业对噪声的治理主要采取对声源单独治理和整体预防的方法进行。可以采用一系列的噪声污染防治措施，完全可以使厂界噪声达标排放，有效地降低对厂界外近距离居民的影响。如：优化布局，增大强噪声设备与各厂界之间的距离。对厂房进行声学设计，采取内部吸音处理、墙壁隔声处理、减少面向敏感点一侧的开空率、安装隔声门窗等方式。优化选型，精细安装。设备选型时充分进行比较，选用高效低噪设备；设备安装过程中提高精度，做好转动机械动静平衡，防止共振的发生。采取适当的减震措施。水泥磨、生料磨、煤磨、破碎机、空压机、各类风机等在运行过程中往往产生剧烈震动，适当的减震措施能够起到有效的缓解作用。对风机等设备可以采取消声措施，安装消声器，同时控制气流通过消声器的流速，防止造成二次污染。