中国水泥协会孔祥忠

合肥水泥研究设计院何宏涛袁文献

水泥工业在国家“十五”期间，通过宏观调控政策的影响，新型干法水泥比重的迅速提高，这是我国水泥工业史上一次重大的技术结构调整。它的成绩不仅仅体现在水泥总量的快速增加、产品结构的优化方面，而且在环境效益改变方面也做出了重大贡献。

减少粉尘和其它污染物的排放，是水泥行业可持续发展的重要内容之一。本文以水泥总量中新型干法水泥取代落后立窑水泥比重为基数，仅仅从水泥生产过程中颗粒物的排放以及部分有害气体的排放量的变化做出初步分析。

自2002年以后，立窑水泥生产受到明显遏制，新型干法水泥生产得到快速发展，2000～2004年新型干法水泥产量及增速(见表1)。

2000——2004年新型干法水泥产量及增速表表1

年度

新型干法水泥产量

水泥总产量

新型干法比重(%)

熟料产能(万t/a)

熟料产量(万t/a)

水泥产量(万t/a)

增速(%)

产量

(万t/a)

增速(%)

2000

6940

59300

11.70

2001

8258.40

7169.27

8961.58

29.13

64000

7.93

14.00

2002

11795.50

9437.43

11796.79

31.64

72500

13.28

16.27

2003

19886.50

14492.50

18115.63

53.56

86300

19.03

20.99

2004

32880.15

24217.72

31488.00

67.90

97000

12.40

32.46

2005年水泥总量预计为10.50亿吨，增速10.8%；新型干法水泥的比重约占38%以上，新型干法水泥产量39900万吨。新型干法水泥的快速发展，在取得水泥工业结构调整的同时，污染物排放明显减少，也取得了显著的环境效益，简单分析如下。

一.颗粒物减排分析根据《2004年中国环境状况公报》和有关部门对水泥工业粉尘排放量的统计，2000年全国工业粉尘排放量约1092万吨，其中水泥工业排尘768万吨，占全国工业粉尘排放量的70%，当年全国水泥产量5.93亿吨，产品粉尘排放率为1.3%。

表2全国近年废气中主要污染物排放量[1]单位:万吨

项目

二氧化硫排放量

烟尘排放量

工业粉尘

年度

合计

工业

生活

合计

工业

生活

排放量

2000

1995.1

1612.5

382.6

1165.4

953.3

212.1

1092

2001

1947.8

1566.6

381.2

1069.8

851.9

217.9

990.6

2002

1926.6

1562

364.6

1012.7

804.2

208.5

941

2003

2158.7

1791.4

367.3

1048.7

846.2

202.5

1021

2004

2254.9

1891.4

363.5

1095

886.5

208.5

904.8

年度增减率(%)

4.5

5.6

-1

4.4

4.8

2.9

-11.4

水泥生产的粉尘排放包括经过排气筒的有组织排放和堆场、道路等的无组织排放两部分。吨水泥产品生产全过程有组织废气排放最大量如表3：

吨水泥产品生产全过程有组织废气排放最大量[2]表3

处理

物料

过程

物料量(t)

单位物料排放废气最大量(Nm3)/t

废气量小计(Nm3)

比例(%)

备注

石灰石

破碎

1.1

350

385

2.88

其它原料

烘干

0.25

3000

750

5.62

生料

粉磨(烘干)

1.35

2000

2700

20.23

熟料

烧成

0.84

4500

3780

28.32

冷却

0.84

2500

2100

15.73

混合材

烘干

0.12

3000

360

2.70

石膏

破碎

0.04

350

14

0.10

燃料

粉磨(烘干)

0.21

3000

630

4.72

水泥

粉磨

1

1200

1200

8.99

包装

1

300

300

2.25

其它

均化

2.6

50

130

0.97

转运

20

50

1000

7.49

生料.水泥

合计

29.35

20300

13349

100

根据以上计算，生产吨水泥全过程最大废气排放量为13349Nm3,考虑其它因素，生产吨水泥的最大废气排放量不超过15000Nm3。通过对立窑和1000t/d规模的新型干法生产工艺分析，1000t/d规模的新型干法水泥厂生产吨水泥废气排放量稍低于立窑生产，姑且认为一致，均取生产吨水泥有组织废气排放量为15000Nm3。

2000年前，由于绝大多数立窑水泥厂对物料堆放和生产管理的忽视，无组织排放相当严重，无组织排放量约为有组织排放量的80%，而回转窑水泥厂无组织排放排放量约为有组织排放量的25%。若把无组织排放量折算为有组织废气排放量，称为无组织排放废气当量，生产吨水泥有组织废气排放量和无组织排放废气当量之和称为生产吨水泥综合排放废气当量。那么，立窑生产吨水泥综合排放废气当量为27000Nm3，回转窑吨水泥综合排放废气当量为18750Nm3。当时立窑水泥产量约占全国水泥总量的80%，回转窑水泥占20%，平均吨水泥综合排放废气当量为25350Nm3，按产品粉尘排放率为1.3%计算，平均废气粉尘排放浓度为513mg/Nm3。回转窑水泥厂由于其基础条件好，对环境保护较重视，废气粉尘排放浓度平均为200mg/Nm3，以此推算，立窑水泥厂废气粉尘排放浓度平均应为567mg/Nm3。对于淘汰的立窑，其废气粉尘排放浓度高于立窑水泥厂废气粉尘排放平均浓度，只能达到1996年前执行GB4915-85排放标准的三、四级水平，即700mg/Nm3左右，这与立窑生产仅用沉降室除尘的废气排放浓度基本一致。

若不经过水泥行业结构调整，新型干法与立窑水泥同步增长，2004年新型干法比重仍为2000年的11.7%，新型干法产量为1.1349亿吨，而实际产量3.1488亿吨，说明新型干法代替立窑水泥2.0139亿吨。被代替的立窑水泥粉尘排放综合浓度平均值按700mg/Nm3，综合排放废气当量为27000Nm3计算，而新建的新型干法水泥基本达到100mg/Nm3的排放标准，吨水泥综合废气排放当量为18750Nm3。减排粉尘量为20139×(27000×0.7-18750×0.1)/1000000=343万吨。

2005年预计全国水泥总产量10.5亿吨，若新型干法比重占到38%，与2000年相比，减排粉尘量为105000×(38%-11.7%)×(27000×0.7-18750×0.1)/1000000=470万吨。

以上的分析还不包括新型干法水泥厂大于立窑厂的散装水泥发散能力，散装水泥的推广减少了水泥在运输和使用环节的粉尘排放。

二.有害气体减排分析水泥生产对环境污染的有害气体是指排放标准中规定的二氧化硫、氮氧化物和氟化物。新型干法水泥代替立窑水泥对有害气体的减排可从烧成设备废气排放量推算，各种烧成设备产生废气量见表4。

表4各种烧成设备吨熟料产生废气量汇总表气体量单位：Nm3

窑型

原料

分解

气体量

燃料燃烧

蒸发水分

小计

漏风系数

K

合计

热耗(kJ/kg)

气体量

水分(%)

气体量

立窑

286

4400

1441

13

275

2002

0.5

3003

立波尔窑

286

4000

1310

13

252

1848

1.6

4805

湿法窑

286

6000

1966

34

660

2912

0.25

3640

中空干法窑

286

6000

1966

0.5

10

2262

0.25

2828

中空发电窑

286

4600

1506

0.5

10

1802

0.35

2433

预热器窑

286

4000

1310

0.5

10

1606

0.45

2329

预分解窑

286

3300

1081

0.5

10

1377

0.45

1997

注：燃料为煤，低位热值为22000kJ/kg；立窑黑生料料耗1.70，其余为1.56。

从上表可以看出预分解窑比立窑少排废气3003-1997=1006Nm3/t，占立窑废气量50.4%，说明与立窑相比，预分解窑生产每吨熟料废气量减少1/3。

2003年，对《水泥厂大气污染物排放标准》(GB4915-1996)进行修订时，开展了重点污染源调查，共获得40个不同类型水泥窑的SO2排放样本，平均排放浓度159.2mg/Nm3。最低值10mg/Nm3，最高值520mg/Nm3。见表5。

水泥窑SO2排放统计表5

窑型

样本数

平均浓度

mg/m3

最小值

mg/m3

最大值

mg/m3

预分解窑

20

116.7

10

320

预热器窑

4

43.4

28

86.9

余热发电窑

2

242.5

240

245

湿法窑

9

301.1

23

520

机立窑

5

133.2

38

228.8

合计

40

159.2

10

520

从表5看出，新型干法窑和立窑SO2平均排放浓度差别不大，平均为125mg/Nm3。从国外相关资料看，上述排放浓度明显偏低，可能与我国对水泥工业SO2排放测定数据较少有关，本次新修订的《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2004)规定SO2排放限值，新建生产线为200mg/Nm3。

2005年与2000年相比，若按上节计算新型干法水泥代替立窑水泥为2.7615亿吨。按熟料占水泥的80%计算，代替立窑熟料2.2092亿吨。由于新型干法代替立窑水泥每吨熟料废气量减少1006Nm3/t，则每吨熟料减少SO2排放0.2kg，新型干法代替立窑熟料总共减少SO2排放量4.42万吨。

关于水泥窑的NOx排放，立窑与新型干法排放浓度差别尚无实测资料说明，理论上认为，由于新型干法燃烧温度高，NOx排放浓度会高于立窑，但是由于新型干法废气量减少1/3，可以认为两者生产单位熟料NOx排放量基本一致。

水泥行业的氟化物排放，相对电解铝行业来说排放量甚微。一般在新型干法窑尾所排气体中很难检测到氟化物。我国水泥工业污染状况调查，共获得5个新型干法窑氟化物排放样本，最低值0.143mg/Nm3，最高值5.90mg/Nm3。平均排放浓度2.48mg/Nm3。目前我国部分立窑厂出于降低热耗的目的，以含氟矿物掺入生料中，氟化物排放很高。根据对另外6家立窑厂的统计，排放浓度在6-62.56mg/Nm3之间，平均为28.7mg/Nm3。

全国立窑氟化物排放平均按20mg/Nm3，新型干法窑尾所排气体中按2.5mg/Nm3计算，新型干法水泥代替立窑水泥每吨熟料减少氟化物排放(3003×20-1997×2.5)×10-6=0.055kg，新型干法代替立窑熟料总共减少氟化物排放量1.215万吨。

三.二氧化碳减排分析全世界水泥行业制造的二氧化碳占全球人为产生二氧化碳的3～5%，是导致气候变化的主要温室气体。旨在遏制全球气候变暖的《京都议定书》把二氧化碳列为温室气体的首位，减排二氧化碳刻不容缓。以新型干法水泥代替立窑水泥起着明显的节能和减排二氧化碳的作用。立窑生产水泥熟料平均热耗4400kJ/kg，大于2000t/d的新型干法水泥熟料平均热耗已降到3300kJ/kg以下，节能25%以上，由于燃煤产生的CO2也大幅度减少。

水泥厂用的燃料煤发热量为22000kJ/㎏时，约含有65%左右的固定碳，根据化学反应方程式：

C+O2=CO2

碳完全燃烧时，每吨煤产生2.38吨CO2。

如按热耗减低1100kJ/kg计算，则生产每吨水泥熟料减少燃煤0.05吨，少排CO2为0.119吨。2005年与2000年相比，若新型干法代替立窑熟料2.2092亿吨，将减少CO2排放2629万吨。

另外，新型干法水泥生产在节水和防止水污染方面，在矿山资源的综合利用方面，也远优于立窑水泥生产。

四.结论1.通过以上分析可知，水泥工业的结构调整，仅以新型干法水泥代替落后立窑水泥生产，就带来了巨大的环境效益。2004年全国水泥生产已比2000年的生产模式减排粉尘343万吨；2005年，若全年水泥总产量达10.5亿吨，新型干法水泥产量占38%时，将比按2000年的水泥生产模式减排粉尘470万吨，减排二氧化硫4.42万吨，减排氟化物1.215万吨，减排二氧化碳2629万吨。

2.新修订的《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2004)已于20005年1月1日实施，新标准除降低排放限值外，还要求除尘装置应与其对应的生产工艺设备同步运转，并通过在线监测使偷排和超标排放处于时时监控之中。按生产每吨水泥综合排放废气当量为20000Nm3计算，若排放浓度100mg/Nm3，生产每吨水泥排放粉尘2kg，粉尘排放率为0.2%，全国生产10.5亿吨水泥，总共排放粉尘210万吨，与2000年相比，产量几乎增加了一倍，而粉尘排放不到原来的1/3。

3.现代大型新型干法水泥生产线，优化生产工艺，进一步减低烧成热耗，减少冷却机余风量，水泥粉磨采用带挤压机的粉磨系统，实行水泥散装等措施，可使吨水泥废气排放量可控制在5000Nm3，排放浓度控制在50mg/Nm3以下，吨水泥有组织排放粉尘0.25kg，粉尘排放率为0.025%[3]。若全国水泥生产均能如此，水泥工业作为污染大户的头衔将可摘除。可见，利用先进的生产工艺取代落后的生产工艺是防止环境污染的良策。

参考资料:

[1]国家环境保护总局《2004年中国环境状况公报》

[2]袁文献等《水泥生产过程中粉尘对大气污染的探讨》水泥2005.06

[3]袁文献等《水泥生产工艺和规模与单位产品废气排放量的关系探讨》水泥2005.04