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1、水泥工业与环境保护水泥工业与环境保护1.综述 保护环境，维持生态平衡是人类从事工保护环境，维持生态平衡是人类从事工业生产所必须尊重的首要准则。业生产所必须尊重的首要准则。 水泥工业对环境的不利影响，人们从直水泥工业对环境的不利影响，人们从直觉上首先关注的是粉尘和噪声。随着生产的觉上首先关注的是粉尘和噪声。随着生产的发展，装备的改进，收尘、消音，隔音技术发展，装备的改进，收尘、消音，隔音技术的进步以及生产过程高度自动化的实现，现的进步以及生产过程高度自动化的实现，现代化水泥厂在技术上已经接近完全解决了粉代化水泥厂在技术上已经接近完全解决了粉尘和噪声的防治问题。尘和噪声的防治问题。图图1 1 环保
2、型新型水泥工业环保型新型水泥工业2. 消减和防治有害物排放技术 2.1 SO2的防治的防治 水泥窑废气中的水泥窑废气中的SO2主要是由燃料中硫化主要是由燃料中硫化物和原料中的硫铁矿等物质，在顶部两级预物和原料中的硫铁矿等物质，在顶部两级预热器中，处于热器中，处于300600的温度下分解而生的温度下分解而生成的。还有一些成的。还有一些SO2是在燃烧时因是在燃烧时因S的氧化的氧化和硫化物的分解而产生的。但是，在窑系统和硫化物的分解而产生的。但是，在窑系统的各不同部位又有一部分的各不同部位又有一部分SO2分别被分别被CaO和和R2O所吸收，形成所吸收，形成SO2的循环。如表的循环。如表4和图和图3所
3、示。所示。 表表4 4 水泥窑系统中水泥窑系统中SOSO2 2的生成与吸收的化学反应的生成与吸收的化学反应图图3 带有旁路放风的预分解窑系统中带有旁路放风的预分解窑系统中SO2的循环平衡的循环平衡相应的脱硫措施有相应的脱硫措施有: 生料吸收法。生料吸收法。当采用窑系统的废气作当采用窑系统的废气作为烘干介质用于烘干兼粉磨生料系统时，其为烘干介质用于烘干兼粉磨生料系统时，其中一部分中一部分SOSO2 2将被生料粉末的表面所吸收。将被生料粉末的表面所吸收。最后又返回到窑的烧成带，以最后又返回到窑的烧成带，以CaSOCaSO4 4,R,R2 2SOSO4 4 的形式被固定在水泥熟料中。这实际上也是的形
4、式被固定在水泥熟料中。这实际上也是一种很经济的废气脱硫方式，绝大多数的新一种很经济的废气脱硫方式，绝大多数的新型干法水泥厂都是这样操作的。型干法水泥厂都是这样操作的。 (2)(2)石灰吸收法。石灰吸收法。将生石灰将生石灰CaOCaO用压缩空气用压缩空气喷人喷人SOSO2 2浓度较高的部位，通常在上部预热器浓度较高的部位，通常在上部预热器及其连接管道处，使及其连接管道处，使CaOCaO与与SOSO2 2相作用，形成相作用，形成CaSOCaSO2 2固定在熟料中，该法一般可吸收固定在熟料中，该法一般可吸收505060%60%的的SOSO2 2。 气体悬浮吸收塔气体悬浮吸收塔GSA。用于窑尾废气用于
5、窑尾废气旁路系统的脱硫装置，用石灰溶液作吸收剂，旁路系统的脱硫装置，用石灰溶液作吸收剂，经喷嘴制成雾状经喷嘴制成雾状Ca(OH)2，悬浮于吸收塔中吸悬浮于吸收塔中吸收废气中的收废气中的SO2效率很高效率很高 。 但这套装置投资较大，但对废气净化效果但这套装置投资较大，但对废气净化效果是一流的，在美国大都是结合生产低碱水泥之是一流的，在美国大都是结合生产低碱水泥之需而选用。需而选用。图图4 气体悬浮吸收塔气体悬浮吸收塔GSA 2.2 NOx的防治的防治 水泥窑废气中的水泥窑废气中的NOx，其中约，其中约95%为为NO, 5%是是NO2。 NOX的产生来自两方面，即燃烧过程中，的产生来自两方面，即
6、燃烧过程中，燃料中的氮化合物被氧化，称之燃烧燃料中的氮化合物被氧化，称之燃烧“NOx”。以及燃烧空气中的以及燃烧空气中的N2被氧化而成，谓之被氧化而成，谓之“热热力力NOx” 。 当燃烧区温度在当燃烧区温度在1200以下时，仅生成以下时，仅生成前者，超过前者，超过200则产生后者。总之，火焰温则产生后者。总之，火焰温度越高，过剩空气越多，则生成度越高，过剩空气越多，则生成NOx亦越多。亦越多。但是只要正确地掌握窑系统的设计和操作，但是只要正确地掌握窑系统的设计和操作，NOx的生成量是可以严格控制的。的生成量是可以严格控制的。 氮还原法就是用氨来还原氮还原法就是用氨来还原NO2,其反应式其反应式
7、为为: NH3+OHNH2+H2O NH2+NON2+H2O (1)选择性非接触剂型脱氮法选择性非接触剂型脱氮法SNCR。 通常是将含通常是将含NH3 25%的溶液喷人废气温的溶液喷人废气温度为度为9001100的窑尾管道中，按照上述反的窑尾管道中，按照上述反应式应式NO被还原为被还原为N2和和H20。此法采用的装置。此法采用的装置较简单，一般可以将废气中的较简单，一般可以将废气中的NOx含量降低含量降低50%左右。左右。 (2) 阶段燃烧法。阶段燃烧法。 丹麦丹麦FLS公司的低公司的低NOxILC分解炉就是分解炉就是利用这样的原理，在分解炉下半部通入较少利用这样的原理，在分解炉下半部通入较少
8、的三次风，控制过剩空气系数的三次风，控制过剩空气系数=0.9，在这里，在这里形成还原焰，利用形成还原焰，利用CO将将NOx还原成还原成N2。然后。然后在分解炉的上半部通入较多的三次风，在分解炉的上半部通入较多的三次风， =1.2，将剩余的，将剩余的CO全部烧成全部烧成CO2。图图5 丹麦丹麦FLS公司的低公司的低NO2ILC阶段燃烧法分解炉系统阶段燃烧法分解炉系统 (3)选择性接触剂型脱氮法选择性接触剂型脱氮法SCR。 此法与此法与SNCR所不同的是，在所不同的是，在350气温气温下使下使NH3(气体或液体气体或液体)在接触剂表面与在接触剂表面与NO2发发生化学作用。这样不仅能消除生化学作用。
9、这样不仅能消除NO2，同时还，同时还能削减废气中的碳氢化合物。如二氧杂环己能削减废气中的碳氢化合物。如二氧杂环己烷和二氧己环等。烷和二氧己环等。 这种方法的废气净化效果很好，但装备这种方法的废气净化效果很好，但装备较复杂，费用高，在热电厂的废气脱氮中应较复杂，费用高，在热电厂的废气脱氮中应用较多。对水泥厂来说，目前在经济上还难用较多。对水泥厂来说，目前在经济上还难以接受。以接受。 3. CH和重金属的防治和重金属的防治 消减废气中碳氢化合物和重金属含量的消减废气中碳氢化合物和重金属含量的技术装备主要为活性焦炭过滤器。也可以改技术装备主要为活性焦炭过滤器。也可以改变工艺过程，将原料中的油页岩先经
10、预烧处变工艺过程，将原料中的油页岩先经预烧处理或者在顶热器系统的适当部位采用后燃烧理或者在顶热器系统的适当部位采用后燃烧法将法将CH烧掉。烧掉。 为降低重金属在废气中的排放量，可适为降低重金属在废气中的排放量，可适时地排弃少量窑灰另作处理，以破坏其在窑时地排弃少量窑灰另作处理，以破坏其在窑系统中的循环富集，或者采用活性焦炭过滤系统中的循环富集，或者采用活性焦炭过滤器净化废气中的重金属。器净化废气中的重金属。 4.各种污染物的综合防治各种污染物的综合防治 根据水泥工业废气排放有害物质的具体根据水泥工业废气排放有害物质的具体情况。情况。Polysius公司开发了一种立式活动层公司开发了一种立式活动
11、层状活性炭过滤器，如图状活性炭过滤器，如图6所示。由褐煤制成所示。由褐煤制成的活性炭在过滤器中分成厚薄两层，垂直向的活性炭在过滤器中分成厚薄两层，垂直向下缓慢地移动。从窑尾电收尘器排出的含有下缓慢地移动。从窑尾电收尘器排出的含有SO2 、NOx、CH、重金属及少量粉尘的废、重金属及少量粉尘的废气，先经过薄层活性炭的吸收，消减了大部气，先经过薄层活性炭的吸收，消减了大部分的污染物，之后又经过厚层炭的再次吸收，分的污染物，之后又经过厚层炭的再次吸收，净化率达净化率达95%99%。 图图6 Polvsius立式活动层状活性炭过滤器立式活动层状活性炭过滤器5.窑灰处理及其防治窑灰处理及其防治 窑灰如果
12、不经处理作为废渣予以摒弃或填窑灰如果不经处理作为废渣予以摒弃或填埋，将会造成环境污染。埋，将会造成环境污染。 丹麦丹麦 FLS-Fuller公司研究开发的窑灰流公司研究开发的窑灰流化床处理系统，如图化床处理系统，如图7所示。该系统的操作是所示。该系统的操作是先将窑灰掺人适量的煤粒，同时配以相应的石先将窑灰掺人适量的煤粒，同时配以相应的石灰石和页岩等细粉按水泥熟料成分配成生料，灰石和页岩等细粉按水泥熟料成分配成生料，加水后制成料球，经烘干和筛分，喂入流化床加水后制成料球，经烘干和筛分，喂入流化床内煅烧，其废气中的粉尘富含内煅烧，其废气中的粉尘富含K2SO4，用收尘，用收尘器回收后可用作钾肥。器回
13、收后可用作钾肥。 同时从流化床排出的烧结物就是水泥同时从流化床排出的烧结物就是水泥熟料。这种方法的特点是，将全部窑灰完熟料。这种方法的特点是，将全部窑灰完全处理干净，回收的钾肥灰和熟料也全部全处理干净，回收的钾肥灰和熟料也全部被循环利用，不再产生废渣，没有二次污被循环利用，不再产生废渣，没有二次污染问题。染问题。图图7 FLS-Fuller流化床窑灰处理系统流化床窑灰处理系统6.水泥工业对环保事业的重要意义 现代水泥工业在保护环境和维持生态平现代水泥工业在保护环境和维持生态平衡拥有诸多的废气净化与窑灰处理的技术与衡拥有诸多的废气净化与窑灰处理的技术与手段，不仅能保证与环境的友好关系，而且手段，
14、不仅能保证与环境的友好关系，而且在循环利用其他工业废渣和可燃废料方面也在循环利用其他工业废渣和可燃废料方面也具有相当的优势。具有相当的优势。 以废料在窑系统内烧制熟料和废料在焚以废料在窑系统内烧制熟料和废料在焚烧炉内燃烧，回收能源用于供热或发电为例，烧炉内燃烧，回收能源用于供热或发电为例，两者相比较，前者的特点如下：两者相比较，前者的特点如下： 利用现有的水泥窑系统，一举两得，利用现有的水泥窑系统，一举两得，既生产熟料又循环利用了废料，有益环保，而既生产熟料又循环利用了废料，有益环保，而且对水泥和窑的操作都没有不利影响；且对水泥和窑的操作都没有不利影响； 回转窑容积大，热容量高，热稳定性回转窑
15、容积大，热容量高，热稳定性好，废料在窑内停留时间长，窑内燃烧温度高，好，废料在窑内停留时间长，窑内燃烧温度高，十分有利废料中各种有害成分的分解，或者被十分有利废料中各种有害成分的分解，或者被氧化成无害的气体和水分；氧化成无害的气体和水分； 废料中某些固态的化合物可以被固废料中某些固态的化合物可以被固定地化合于熟料的成分中，没有再次生成定地化合于熟料的成分中，没有再次生成残渣；残渣； 水泥窑中的碱性气氛可将废料所含水泥窑中的碱性气氛可将废料所含的的CI中和而生成中和而生成NaCI, KCl等，无需另设专等，无需另设专门的废气净化设施；门的废气净化设施； 燃料所产生的热量直接用于熟料烧燃料所产生的
16、热量直接用于熟料烧成，传热传质过程迅速，效率高。成，传热传质过程迅速，效率高。 6.1水泥工业对工业废渣的循环利用水泥工业对工业废渣的循环利用 利用各种工业废渣废料作为混合材，例利用各种工业废渣废料作为混合材，例如高护矿渣、粉煤灰、火山灰、废矿石、烧页如高护矿渣、粉煤灰、火山灰、废矿石、烧页岩等掺人水泥熟料中。混合粉磨成相应品种的岩等掺人水泥熟料中。混合粉磨成相应品种的水泥。在不显著影响水泥性能的条件下，混合水泥。在不显著影响水泥性能的条件下，混合材掺得越多，意味着水泥产量越高。同时像高材掺得越多，意味着水泥产量越高。同时像高炉矿渣和粉煤灰这样一些混合材，对于改善提炉矿渣和粉煤灰这样一些混合材
17、，对于改善提高水泥的若干性能指标还具有十分关键的意义。高水泥的若干性能指标还具有十分关键的意义。 图图8 水泥工业对工业废渣的循环利用水泥工业对工业废渣的循环利用6.2 水泥工业对各种废物循环利用水泥工业对各种废物循环利用 利用各种废物作为水泥原料，例如赤泥、利用各种废物作为水泥原料，例如赤泥、电石渣、冶炼尾矿、铸造砂等，经过必要的电石渣、冶炼尾矿、铸造砂等，经过必要的处置，避免或减少废物中某些有害成分对水处置，避免或减少废物中某些有害成分对水泥生产工艺过程和水泥性能的不良影响，充泥生产工艺过程和水泥性能的不良影响，充分利用其中的硅、铝、铁、钙等有用成分，分利用其中的硅、铝、铁、钙等有用成分，
18、替代部分天然原料，调配成合格的水泥生料。替代部分天然原料，调配成合格的水泥生料。部分石灰石、砂页岩、猫土等天然水泥原料部分石灰石、砂页岩、猫土等天然水泥原料资源。这种利废方式需要较高的技术水平及资源。这种利废方式需要较高的技术水平及装备才能解决。装备才能解决。 图图9 电石渣代替石灰石新型干法水泥生产线电石渣代替石灰石新型干法水泥生产线6.3 水泥工业对可燃废料的循环利用水泥工业对可燃废料的循环利用 利用各种含可燃质的废物，包括工业和利用各种含可燃质的废物，包括工业和生活垃圾以及动物骨肉，作为锻烧水泥熟料所生活垃圾以及动物骨肉，作为锻烧水泥熟料所需的燃料，称为替代燃料或二次燃料。这样既需的燃料
19、，称为替代燃料或二次燃料。这样既可以利废消纳掉这类废物，减轻全社会的环境可以利废消纳掉这类废物，减轻全社会的环境负荷，还可以节省日益紧缺的天然化石燃料负荷，还可以节省日益紧缺的天然化石燃料(煤、石油、天然气煤、石油、天然气)。图图10 水泥厂循环利用城市垃圾为燃料的工艺流程水泥厂循环利用城市垃圾为燃料的工艺流程图图11 燃烧垃圾水泥厂的废气高度净化系统燃烧垃圾水泥厂的废气高度净化系统7. 水泥工业可能实现的重大新技术 （1）流化床熟料煅烧系统）流化床熟料煅烧系统(见图见图14)。其中的。其中的预热器和分解炉和现今的一样，唯采用流化床取预热器和分解炉和现今的一样，唯采用流化床取代回转窑和蓖冷机。
20、在流化床中完成熟料烧成和代回转窑和蓖冷机。在流化床中完成熟料烧成和冷却作业，从而使整个熟料锻烧系统全部在静止冷却作业，从而使整个熟料锻烧系统全部在静止的装置中完成，没有运动的设备，占地小，磨损的装置中完成，没有运动的设备，占地小，磨损少，延长耐火砖寿命，提高运转率。少，延长耐火砖寿命，提高运转率。图图14 流化床熟料缎烧系统流化床熟料缎烧系统 然而流化床锻烧中的主要难题在于精确然而流化床锻烧中的主要难题在于精确地控制物料温度如果温度稍低则生料不能地控制物料温度如果温度稍低则生料不能熔触结粒，无法形成熟料；反之，如果温熔触结粒，无法形成熟料；反之，如果温度稍高则物料义容易结大块或结皮黏结于度稍高
21、则物料义容易结大块或结皮黏结于流化床的四壁或通风管道内，发生堵塞。流化床的四壁或通风管道内，发生堵塞。 （2）喷腾炉熟料煅烧系统。）喷腾炉熟料煅烧系统。 喷腾炉作为另一种静止的熟料锻烧装置。喷腾炉作为另一种静止的熟料锻烧装置。其前景较流化床更有发展潜力。因物料在喷其前景较流化床更有发展潜力。因物料在喷腾炉内呈喷腾悬浮状态，主要是垂直方向的腾炉内呈喷腾悬浮状态，主要是垂直方向的上下运动，熔融结粒的熟料达到一定粒径就上下运动，熔融结粒的熟料达到一定粒径就自然下落到冷却器中，发生炉壁粘附结皮的自然下落到冷却器中，发生炉壁粘附结皮的概率较小，故其对物料温度的适应范围较宽，概率较小，故其对物料温度的适应
22、范围较宽，生料中无需掺加熟料晶种。生料中无需掺加熟料晶种。图图15 喷腾炉熟料缎烧系统喷腾炉熟料缎烧系统 然而需要解决的难题是，确保物料在然而需要解决的难题是，确保物料在喷腾炉巾的滞留时间，使其足以完成熟料喷腾炉巾的滞留时间，使其足以完成熟料形成所需的一系列物理化学反应同时还要形成所需的一系列物理化学反应同时还要控制炉壁和管道中结皮的程度，始终维持控制炉壁和管道中结皮的程度，始终维持正常操作条件。正常操作条件。（3）余热发电系统）余热发电系统 目前，国际上水泥工业利用余热发电的目前，国际上水泥工业利用余热发电的一般水平为每生产一般水平为每生产1t熟料回收熟料回收35kwh的电的电能，采用的传热介质有水蒸汽，热水和低沸能，采用的传热介质有水蒸汽，热水和低沸点有机物三种，分别适用于点有机物三种，分别适用于300500、160 320 和和70180的废气温度、分别的废气温度、分别按水蒸气兰金循环、热水闪烁循环和有机质按水蒸气兰金循环、热水闪烁循环和有机质兰金循环法操作，相应的循环热效率为兰金循环法操作，相应的循环热效率为18%一一26%, 11%一一18%和和8%一一12.5%。图图16 水泥窑余热发电水泥窑余热发电 因此提高发电循环热效率的潜力很大，因此提高发电循环热效率的潜力很大，还有许多值得进一步深入研究开发的新课题。还有许多值得进一步深入研究开发的新课题。谢 谢！
