第二節　水泥的綠色化技術

水泥工業因產量巨大而成為耗能大戶、污染大戶。國內外在水泥窯技術裝備、高效節能粉磨系統、先進燒成技術運用、協同處置固體廢物以及減少顆粒物、NO_x、CO₂、噪聲等方面開展了大量科研工作，并應用到生產實踐中去，這些水泥綠色化生產技術對于降低水泥單位產品能耗、物耗、減少污染排放，實現環境友好與協調意義重大。

一、節能減排控制技術和措施

長期以來，水泥與鋼材、木材一起并稱為支撐國民經濟建設的三大基礎材料，為人類社會進步及經濟發展做出了巨大貢獻。水泥因其產量巨大，消耗大量的礦物資源和能源，同時產生大量的顆粒物、SO₂及NO_x等對環境有害的氣體，而在目前甚至未來相當長的時期內，水泥仍將是人類社會主要的建筑材料，需求量仍將保持一定的增長態勢。因此我國水泥工業的發展面臨著資源能源和環保的嚴峻挑戰。

1.技術創新提升整體裝備水平

中國水泥在引進、消化、吸收國際水泥工業先進技術的基礎上，水泥預分解技術水平有了很大提高。自1976年我國第一臺預分解窯投產至今，12000t/d預分解窯生產線已實現國產化，新型干法技術已向亞洲、非洲等發展中國家出口。截至2013年年底，全國新型干法水泥生產線產能已經超過90％。全國現有1800多條新型干法水泥生產線，目前5000t/d的熟料生產線已經成為主力窯型。在水泥裝備大型化、現代化發展基礎上，深入研究原料、燃料均化配置技術，高能效低氮預熱預分解及先進燒成技術、高效節能料床粉磨技術、數字化智能型控制技術、廢棄物安全無害化處置和資源化利用技術等，將此類技術運用于現代化水泥工廠，將進一步挖掘節能潛力。典型節能減排技術舉例如下。

（1）高效節能粉磨系統　一方面，可以采用立式磨、輥壓機、筒輥磨、高效選粉機的完善與優化組合，形成節能型粉磨系統，使水泥生產電耗指標大幅下降；另一方面，采用“超細粉磨”技術與裝備，將同硅酸鹽水泥成分近似的高爐礦渣、電廠粉煤灰、煤矸石等激活改性成為“功能調節型材料”。這樣，不僅徹底改變了原來僅將這些廢渣、廢料作為代替和減少熟料用量的單純混合材性質，亦可進一步增加廢渣用量。另外，還可以發展超細粉磨與分級技術的規范化和規模化；減少熟料的用量，減少石灰石等天然資源的消耗，節省燒制水泥所消耗的能量。

（2）先進燒成技術運用　采用高效高能預熱分解系統，縮短回轉窯的長度，實現熟料的快速燒成，提高熟料品質和加大窯產量的同時減少投資。同時運用“控制流篦板”的篦式冷卻機，保證出窯熟料高溫急冷，有利于熟料活性的提高，同時也提高冷卻機的熱回收效率和運轉可靠性。

（3）協同處置固體廢物　利用水泥窯協同處置生活垃圾，垃圾減容化明顯，不占用大量土地，減少滲濾液、飛灰等二次污染引發的環境問題。水泥窯協同處置生活垃圾的過程中，垃圾在分解爐中焚燒，熱量貢獻給熟料燒成過程，減少了水泥窯自身燃料用煤，同時提高了水泥窯余熱發電量。垃圾減量化的同時，實現水泥生產過程的原料替代與燃料替代，有效地減少CO₂排放，對于國家節能減排具有重要意義。在水泥行業內，近五年來利用水泥窯協同處置工業廢物與城市垃圾的技術裝備等方面的研發取得了一定的成果，意味著水泥行業在節能減排和利廢方面還有很大的潛力。可在現有生活垃圾處置方式格局基本不變的情況下，將水泥窯作為生活垃圾無害化處置的一種技術手段，進行有序推進，實現共存共贏。

（4）加強管理提高能源利用效率　由于工藝過程中高溫、量大的特點，水泥行業能源計量工作比較薄弱，很多數據靠盤庫、估算等方式獲得。高溫點較多，監測設備容易損壞，數據失真，管理不夠精細，因此對影響能耗水平的深層分析與控制較弱，建議加強計量和能源數據的在線監控工作，建立能源管控中心，及時根據生產變化合理調整能源的使用和分配，挖掘開拓節能潛力，以節約能耗物耗，不斷提高工藝控制水平。

2.開發應用特種和新品種水泥

特種水泥和新品種水泥的研究開發主要通過熟料礦物及水泥材料組成的優化匹配、利用工業及城市廢物和低品位原材料等，實現水泥性能與功能的合理調節及環境負荷的大幅度降低。例如：有反應控制功能、結構控制功能、環境調節功能和智能功能的特殊水泥，如對環境有可感知、可響應的智能水泥基材料，具有熱電及壓電作用的功能水泥基材料；以節能、降耗、環保和提高水泥性能為主導的環境負荷減少型和環境共存型改性水泥體系和新型高性能水泥體系，如以硅酸二鈣為主導礦物的活性高貝利特水泥；先進水泥基材料，利用材料的復合與優化技術，實現水泥基材料的高致密化和性能的突變，達到抗壓強度、抗折強度大幅提升。

另外，從調整水泥產業結構、提高水泥質量、提高水泥品種方面還有很多工作可作，如生產環保型膠凝材料，就是按高性能混凝土需要生產的高性能膠凝材料，較少地使用熟料和大量利用工業廢料，在不增加熟料產量的前提下，增加優質水泥的產量。

在粉磨水泥時加入一定量的礦物摻合料和外加劑生產新型水泥在許多國家已有工業產品，意大利的SPC（超塑化）水泥、前蘇聯的BHB水泥、瑞典的強力改性水泥EMC等。其中有的熟料含量小于50％。中國建材研究總院在20世紀70～80年代研究開發成功的少熟料和無熟料水泥，大幅度利用混合材，已在工程中得以成功應用。這些技術既降低了生產總能耗，又節約了礦山資源，減少了二氧化碳的排放。

二、環境影響控制技術和措施

1.顆粒物控制技術

水泥企業顆粒物的污染源較多，主要包括：儲存原料、燃料、熟料，水泥用的堆廠、筒倉、原料儲庫、水泥庫，原料、燃料及產品的破碎和粉碎設備，如石灰石破碎、煤磨、生料磨和水泥磨，窯頭和窯尾，以及各類物料輸送機械等。水泥企業通過除塵設備對顆粒物集中排放點進行有效控制。收塵器用于生產工藝過程的顆粒塵收集，不同種類、規格的收塵器廢氣處理量不同，阻力也不同，電耗不同，分別適用于窯頭、窯尾、粉磨、烘干機、破碎機等工藝設備。目前，行業應用比較多的是兩類收塵器：袋式收塵器和電收塵器，近年來也有部分改造的電袋復合收塵器投入使用。一般來說，水泥企業為了有效地控制顆粒物排放，應該從設備和管理兩方面采取措施。

（1）合理的設計和布局　水泥行業顆粒物污染的一個特點是塵源比較分散、物料倒運次數多、顆粒物排放點多且不易控制，易出現二次揚塵。因此，在工藝設計中，應選用合理的輔助設備和運輸設備，緊湊布局，減少倒運次數，降低物料落差，實現生產過程的機械化和自動化。

（2）收塵設備和密封為基礎　水泥企業應根據煙氣量、顆粒物濃度、煙氣溫度等特點合理選用收塵設備。企業應對設備之間的連接處，無論是動態與動態連接還是靜態與動態連接處都應采取密閉罩、負壓等密封措施防止顆粒物外逸，避免跑氣漏灰。

（3）依靠制度有效控制　通過制訂切實可行的管理制度，對通風收塵系統設備的檢修與驗收嚴格管理，定期監測，及時維護，同時加強崗位培訓落實。

2.NO_x控制技術

與燃煤電廠鍋爐不同，水泥企業的NO_x排放濃度與生產過程控制息息相關。應積極采取燃燒前控制、燃燒中控制以及燃燒后脫硝技術應用等多種方式協同進行減排。如在回轉窯的窯頭采用大速差、大推力燃燒器，降低一次用風量，避免局部高溫產生；采用分級燃燒的分解爐，即煤粉及助燃風多點加入，分區控制燃燒氣氛、燃燒溫度與停留時間；控制原料成分、煤質及煤粉細度，進行工藝優化管理；采用選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝技術，進一步降低NO_x的排放濃度等技術。對于新型干法水泥生產線，為確保經濟可行地實現NO_x減排，通常需要協同采用多種NO_x減排措施。隨著GB 4915—2013標準的實施，企業對控制NO_x排放的重視程度逐步加強，行業整體排放水平將有大幅降低。此外，還需要說明的是，由于窯型不同，立窯采用直接傳導、生料與煤粉共同粉磨成球燒成的工藝，NO_x排放濃度普遍比回轉窯要低很多。立窯不需要安裝任何脫硝裝置，完全能夠達到GB 4915—2013標準排放濃度的要求。

（1）燃燒前的控制技術　燃燒前的控制技術主要指水泥制備工藝的優化，通常采用降低熱耗，提高熟料質量等手段。工藝優化如果應用得好，同樣可以有效降低NO_x的排放。常用的工藝優化方法有：通過調整生料的配合系統，實現對加入物料的化學計量實時控制，改進生料入窯的均勻性，從而降低窯內煙氣溫度的峰值，實現降低NO_x排放目的；調節生料含水量、入窯風量，循環利用廢煙氣的熱量、窯灰，提高熱效率，降低NO_x的排放。

由于工藝的復雜性、條件易變性，通過工藝優化降低NO_x排放的效果很難給予定量的評估，如何達到提高窯爐熱效率、工藝最優化的同時降低NO_x的排放仍然有許多細致的工作要做。

（2）燃燒中的控制技術　燃燒中的控制技術（combustion　control　approaches）主要基于以下的基本策略：降低燃燒室內火焰的峰值溫度；減少燃燒器內過剩空氣系數和減少著火區的氧濃度；加入NO_x還原劑等。其主要方法有低過剩空氣系數（LEA）、分級燃燒（OFA）、煙氣再循環（FGR）、低NO_x燃燒器（LNB）、加入含氨基替代燃料等，其目的主要是在分解爐或窯內營造還原性氣氛或條件。其中，分級燃燒是將燃料、空氣或生料分階段引入，實現NO_x生成的最小化。窯燃燒階段產生的NO_x，部分可在分解爐加燃料產生的還原氣氛下實現化學還原。還原氣氛的控制主要是通過調節系統內的空氣來實現，例如先使燃料在空氣不足的狀態下燃燒以降低NO_x的生成，再使其在空氣過量的條件下燃燒以完成反應。此外，控制生料的加入還可以調節燃燒器的溫度。通過以上的這些方法，均可以在一定程度上控制燃料型NO_x和熱力型NO_x的產生。圖4.3為分級燃燒控制的原理。

低氮燃燒器（LNB）主要采用的方法是減弱火焰強度，延遲燃料、空氣的混合，在初始燃燒時形成富燃料的還原性氣氛，可降低30％熱力型NO_x的形成。LNB分成兩個燃燒區，第一燃燒區是富燃料缺氧、高溫的環境條件，在這種條件下，熱力型NO_x由于缺氧而產生量大為降低；同時通過循環通入一定比例的廢煙氣，其中的NO_x能在第一燃燒器被大量還原。第二燃燒區是富氧缺燃料、氧化的環境，其溫度較低；隨著第一燃燒區的氣體通入，更加降低了其體系溫度，使得還原性氣體不易被氧化成NO_x。

通過在水泥窯使用替代燃料，特別是含氨基的替代燃料，可以實現降低NO_x排放的效果。其作用原理主要包括幾個方面，一方面是替代燃料可以有效地降低煤炭消耗，協同處置的過程中可在分解爐形成部分還原性氣氛；另一方面，含氨基的廢棄物可以進行還原反應，作用原理與SNCR相近。該方法由于可同時處置生活垃圾、污泥等固體廢物，實現協同處置與污染減排雙重效果，具有很好的應用前景。

（3）燃燒后的控制技術　燃燒后的控制技術是通常意義上的煙氣脫氮技術，現階段水泥行業均采用選擇性非催化還原法（SNCR）。近年來國外也有極個別水泥企業采取SCR方法，但是由于存在催化劑易于失效中毒的現象，催化劑的適應性等技術難題尚需克服，以及運行成本高、投資費用大的問題，均處于小規模試驗研發階段，工程應用實例相對較少。

選擇性非催化還原法（SNCR）最早由美國Exxon公司發明并于1974年投入使用。該方法的原理是在高溫（900～1100℃）和無催化劑的條件下，向煙氣中噴射還原劑（氨氣和尿素），選擇性地將NO_x還原為N₂和H₂O。溫度對SNCR的影響很大，除此之外，反應時間、NH₃和NO_x摩爾比、初始NO_x濃度等均對SNCR的凈化效率有所影響。

與SCR法相比，SNCR法運行費用低，投資較小，但存在還原劑耗量大，脫除效率變化大等不足；但是，新型干法水泥窯溫度窗口的選擇和控制方面，SNCR具有明顯優勢，因此在國際與國內也有了比較多的工程應用實例。圖4.4為可選擇的投加點示意。

3.CO₂減排技術

實現水泥工業的碳減排必須采用源頭控制，實質上就是分別針對水泥生產過程中的CO₂排放來源——碳酸鹽分解排放和化石燃料燃燒排放，采用適宜的技術手段達到減排的目的。如：要減少碳酸鹽分解排放的CO₂，可通過使用低碳原料替代（其他工業產生的高鈣低碳廢渣，如電石渣、造紙污泥等）來實現；而降低化石燃料燃燒排放CO₂量則可通過調整優化產業結構，淘汰高耗能落后產能；推廣成熟的節能技術；優化工業過程，提高生產工藝過程的能源利用效率；協同處置固體廢物，實現燃料替代等技術手段來實現，與前述節能減排技術緊密相關。

4.噪聲控制技術

水泥工業對噪聲的治理主要采取對聲源單獨治理和整體預防的方法進行。可以采用一系列的噪聲污染防治措施，完全可以使廠界噪聲達標排放，有效地降低對廠界外近距離居民的影響。如：優化布局，增大強噪聲設備與各廠界之間的距離。對廠房進行聲學設計，采取內部吸音處理、墻壁隔聲處理、減少面向敏感點一側的開空率、安裝隔聲門窗等方式。優化選型，精細安裝。設備選型時充分進行比較，選用高效低噪設備；設備安裝過程中提高精度，做好轉動機械動靜平衡，防止共振的發生。采取適當的減震措施。水泥磨、生料磨、煤磨、破碎機、空壓機、各類風機等在運行過程中往往產生劇烈震動，適當的減震措施能夠起到有效的緩解作用。對風機等設備可以采取消聲措施，安裝消聲器，同時控制氣流通過消聲器的流速，防止造成二次污染。