【摘要】水泥生产过程中不仅产生大量烟尘、粉尘，还生成二氧化硫、氮氧化物、氟化物、二氧化碳、一氧化碳等有害气体而污染大气。本文对现有水泥行业废气治理设备的应用与创新应用进行了分析。
【关键词】水泥行业；废气治理；设备；创新；应用
一、引言
水泥制造业是重要的基本行业，也是带动国家民生、交通、国防等相关行业发展的基础；但另一方面，水泥制造业却是一极为耗能、污染量大的行业，因此在国民生活水平提高、环保意识抬头之后，水泥行业更成为民众陈情抗争的主要对象之一。在水泥制造过程中，几乎每一操作流程均有污染产生，其中以粒状粉尘污染最为大家所熟知。除了粒状污染物外，因燃煤产生的硫氧化物，以及旋窑高温烧成而产生的氮氧化物也为重要的污染源，尤其NOX更成为破坏臭氧及带来酸雨的主要污染物，近年来也更受环保单位所重视。CO2也是燃烧的主要产物之一，由于其是主要的温室效应气体，近年来业已开始为大家所重视。
二、粒状污染物污染物治理设备创新应用
水泥制造业的粉尘产生来源，可分为水泥矿开采、堆置与运输产生的逸散性粉尘，以及原物料准备等程序产生的粒状污染物。前者一般采取洒水（可添加介面活性剂、泡沫或化学药剂等）、防尘网、密闭设备、道路铺面等措施加以抑制，在此不作赘述；后者则需要采用专门的治理设备，本文重点介绍静电收尘器与袋式收尘器为主的两种设备的创新应用。
（一）静电收尘器
静电收尘器是利用电能去除粒状物质的高效率集尘装置，可收集的粒状物粒径可小至0.1微米，收集效率在80%以上，在某些情况下效率可高达99.9%，效率的高低受气体性质如粒状物粒径大小等因素所影响。气体进入静电收尘器前，一般都加设前处理单元，前处理设备包括以机械式集尘装置收集部分大颗粒粉尘，以减轻负荷；或添加化学药品改变气体的物理性质，以加强收集效果。静电收尘器启用初期通常是很有效的，但随着使用年限的增长，其维护费用增高，收尘效率逐渐降低，甚至于还超标排放。从未来发展的状况来看，现在大型水泥生产线基本都全线采用袋式收尘器，而原来采用的电收尘器也逐步改造为袋式收尘器。因此，大力创新发展袋式收尘器已经成为未来废气治理的主流设备。
（二）袋式收尘器
袋式收尘器应采用滤袋来收集气体中的颗粒物，从小量到大量气体?适合处理，对于一般废气粒状物的收集效率可达到99%，微细粉尘的效率可达到98～99%。袋式收尘器的形式以滤袋清洗方式来分类，大致可分成三种：机械振动清洗式；空气逆洗式；脉冲清洗式。对于新设的水泥厂而言，应当使用的是脉冲式袋式收尘器。滤袋的过滤速度因集尘机型及处理气体浓度有差异，较常使用范围为0.5～3.0m/min，压力损失约为150mmAq。滤袋种类的选择应配合气体性质而决定，一般处理温度通常低于250℃，若将气体温度冷却至150℃左右时，应选择采用较经济的滤袋，降低设置成本。袋式收尘器因具价格合理、处理效率较好、保养简单等优点，适合在水泥制造业、垃圾焚化炉以及预拌混凝土业等方面得到广泛的应用。
总体而言，与电收尘器相比，袋式收尘器的主要优点在于它具有较高的收尘效率。目前电改袋技术的研发也取得了较大的创新。例如，脉冲袋式收尘器的技术改造不需要拆除旧的电收尘器，也不需上游工艺很长的停机时间，就能将任何电收尘器改装成袋式收尘器。这样改造后，则降低了排放值、改善了流动状况，减少了维护费用。另外一种类型的改良是电袋复合式收尘器，这是从北美开始发展起来的，目前世界上主要有二种形式，国内应用的还都是其中的前电后袋式。前电后袋式又分为分体式和一体式二种，分体式就是将二台单独独立电收尘器和袋式收尘器中间通过管道连接成电袋复合式收尘器；而一体式是将电收尘器与袋收尘器在一个壳体之内有机的组合在一起。
三、氮氧化物治理的设备创新应用
在水泥旋窑制程中，烧成料温度必须高达1400℃以上以确保水泥品质，该温度较一般燃烧设备要高，所产生的氮氧化物浓度也较高。一般而言，DeNOX的作法可分为由制程抑制NOX的产生，以及加装管末污染防制设备将已产生的NOX去除等二类；原则上，应先由制程改善着手，若仍无法达到相关管制标准，则进一步考虑加装管末的污染防制设备。
（一）低氮氧化物燃烧器
影响燃烧过程NOX生成的主要因素包括燃烧温度、烟气于高温区的停?时间、以及烟气与燃料的混合程度等。因此，在治理燃烧过程中NOX的排放方面，一般从四方向着手：空气—燃料比；燃烧空气的预热温度；燃烧区的冷却程度；燃烧器的形状设计。低氮氧化物燃烧器一般即考量上述的因素进行设计，又可分为多段式燃烧及烟气再循环等技术。
就多段式燃烧器而言，在第一段燃烧时，通常以空气总需要的85～95%与燃料一起供应燃烧器，由于在燃料充足下不完全燃烧，使第一段燃烧的烟气温度降低，同时空气量不足，NOX生成量较小；再通过第二次供入空气，使不完全燃烧产物燃尽，这时虽然有过量的空气，但由于温度较低，动力学上限制了NOX的形成。两段式燃烧设计，现在已经在水泥制造厂中广为采用，未来发展应当逐步走向三（多）段式燃烧器。就烟气再循环而言，其是减少NOX生成的有效方法之一，通常将部分冷却的烟气再送回燃烧区，如此可降低燃烧温度，同时供气中氧也会变低，这两作用均会减少NOX生成。另外，根据研究及实际运用案例证实，当燃料为天然气或燃料油时，烟气再循环可减少NOX生成；但燃烧煤粉过程，烟气再循环对NOX的减少并不显着。
（二）多段式燃烧系统
多段预热系统（MSC）、富燃料缺氧燃烧产生CO来减少NOX产生等技术，国外水泥行业已普遍采用，其原理为于旋窑上升管道处设置一套燃烧器，使于废气混合处形成还原区域，以达到脱硝的目的；MSC中最具代表性的有KHD公司制造的Pyroclon-R Low NOX Precalciner，以及Krupp Polysius公司所制造的MSC系统。瑞士著名水泥企业Jura-Cement-Fabriken即采用Krupp系统，NOX实测浓度由460ppm降至295ppm，去除效率可达36%，且熟料产可提高25%，燃料消耗降低约6%。水泥厂的该项作法与所谓再燃烧技术为相同的原理，是利用碳氢化合物在高温下分解的碳氢自由基CHi（i=0～3）自由基，经连锁反应将NO还原成无害的N2，其机制为在主燃区下游再注入二次燃?以形成微缺氧环境，在该此区域高温裂解产生大量CHi自由基，最终将氮氧化物还原成氮气达到减量的效果。美国环保署的资科显示reburning技术的DeNOX效率可达60%以上。
【关键词】水泥行业；废气治理；设备；创新；应用
一、引言
水泥制造业是重要的基本行业，也是带动国家民生、交通、国防等相关行业发展的基础；但另一方面，水泥制造业却是一极为耗能、污染量大的行业，因此在国民生活水平提高、环保意识抬头之后，水泥行业更成为民众陈情抗争的主要对象之一。在水泥制造过程中，几乎每一操作流程均有污染产生，其中以粒状粉尘污染最为大家所熟知。除了粒状污染物外，因燃煤产生的硫氧化物，以及旋窑高温烧成而产生的氮氧化物也为重要的污染源，尤其NOX更成为破坏臭氧及带来酸雨的主要污染物，近年来也更受环保单位所重视。CO2也是燃烧的主要产物之一，由于其是主要的温室效应气体，近年来业已开始为大家所重视。
二、粒状污染物污染物治理设备创新应用
水泥制造业的粉尘产生来源，可分为水泥矿开采、堆置与运输产生的逸散性粉尘，以及原物料准备等程序产生的粒状污染物。前者一般采取洒水（可添加介面活性剂、泡沫或化学药剂等）、防尘网、密闭设备、道路铺面等措施加以抑制，在此不作赘述；后者则需要采用专门的治理设备，本文重点介绍静电收尘器与袋式收尘器为主的两种设备的创新应用。
（一）静电收尘器
静电收尘器是利用电能去除粒状物质的高效率集尘装置，可收集的粒状物粒径可小至0.1微米，收集效率在80%以上，在某些情况下效率可高达99.9%，效率的高低受气体性质如粒状物粒径大小等因素所影响。气体进入静电收尘器前，一般都加设前处理单元，前处理设备包括以机械式集尘装置收集部分大颗粒粉尘，以减轻负荷；或添加化学药品改变气体的物理性质，以加强收集效果。静电收尘器启用初期通常是很有效的，但随着使用年限的增长，其维护费用增高，收尘效率逐渐降低，甚至于还超标排放。从未来发展的状况来看，现在大型水泥生产线基本都全线采用袋式收尘器，而原来采用的电收尘器也逐步改造为袋式收尘器。因此，大力创新发展袋式收尘器已经成为未来废气治理的主流设备。
（二）袋式收尘器
袋式收尘器应采用滤袋来收集气体中的颗粒物，从小量到大量气体?适合处理，对于一般废气粒状物的收集效率可达到99%，微细粉尘的效率可达到98～99%。袋式收尘器的形式以滤袋清洗方式来分类，大致可分成三种：机械振动清洗式；空气逆洗式；脉冲清洗式。对于新设的水泥厂而言，应当使用的是脉冲式袋式收尘器。滤袋的过滤速度因集尘机型及处理气体浓度有差异，较常使用范围为0.5～3.0m/min，压力损失约为150mmAq。滤袋种类的选择应配合气体性质而决定，一般处理温度通常低于250℃，若将气体温度冷却至150℃左右时，应选择采用较经济的滤袋，降低设置成本。袋式收尘器因具价格合理、处理效率较好、保养简单等优点，适合在水泥制造业、垃圾焚化炉以及预拌混凝土业等方面得到广泛的应用。
总体而言，与电收尘器相比，袋式收尘器的主要优点在于它具有较高的收尘效率。目前电改袋技术的研发也取得了较大的创新。例如，脉冲袋式收尘器的技术改造不需要拆除旧的电收尘器，也不需上游工艺很长的停机时间，就能将任何电收尘器改装成袋式收尘器。这样改造后，则降低了排放值、改善了流动状况，减少了维护费用。另外一种类型的改良是电袋复合式收尘器，这是从北美开始发展起来的，目前世界上主要有二种形式，国内应用的还都是其中的前电后袋式。前电后袋式又分为分体式和一体式二种，分体式就是将二台单独独立电收尘器和袋式收尘器中间通过管道连接成电袋复合式收尘器；而一体式是将电收尘器与袋收尘器在一个壳体之内有机的组合在一起。
三、氮氧化物治理的设备创新应用
在水泥旋窑制程中，烧成料温度必须高达1400℃以上以确保水泥品质，该温度较一般燃烧设备要高，所产生的氮氧化物浓度也较高。一般而言，DeNOX的作法可分为由制程抑制NOX的产生，以及加装管末污染防制设备将已产生的NOX去除等二类；原则上，应先由制程改善着手，若仍无法达到相关管制标准，则进一步考虑加装管末的污染防制设备。
（一）低氮氧化物燃烧器
影响燃烧过程NOX生成的主要因素包括燃烧温度、烟气于高温区的停?时间、以及烟气与燃料的混合程度等。因此，在治理燃烧过程中NOX的排放方面，一般从四方向着手：空气—燃料比；燃烧空气的预热温度；燃烧区的冷却程度；燃烧器的形状设计。低氮氧化物燃烧器一般即考量上述的因素进行设计，又可分为多段式燃烧及烟气再循环等技术。
就多段式燃烧器而言，在第一段燃烧时，通常以空气总需要的85～95%与燃料一起供应燃烧器，由于在燃料充足下不完全燃烧，使第一段燃烧的烟气温度降低，同时空气量不足，NOX生成量较小；再通过第二次供入空气，使不完全燃烧产物燃尽，这时虽然有过量的空气，但由于温度较低，动力学上限制了NOX的形成。两段式燃烧设计，现在已经在水泥制造厂中广为采用，未来发展应当逐步走向三（多）段式燃烧器。就烟气再循环而言，其是减少NOX生成的有效方法之一，通常将部分冷却的烟气再送回燃烧区，如此可降低燃烧温度，同时供气中氧也会变低，这两作用均会减少NOX生成。另外，根据研究及实际运用案例证实，当燃料为天然气或燃料油时，烟气再循环可减少NOX生成；但燃烧煤粉过程，烟气再循环对NOX的减少并不显着。
（二）多段式燃烧系统
多段预热系统（MSC）、富燃料缺氧燃烧产生CO来减少NOX产生等技术，国外水泥行业已普遍采用，其原理为于旋窑上升管道处设置一套燃烧器，使于废气混合处形成还原区域，以达到脱硝的目的；MSC中最具代表性的有KHD公司制造的Pyroclon-R Low NOX Precalciner，以及Krupp Polysius公司所制造的MSC系统。瑞士著名水泥企业Jura-Cement-Fabriken即采用Krupp系统，NOX实测浓度由460ppm降至295ppm，去除效率可达36%，且熟料产可提高25%，燃料消耗降低约6%。水泥厂的该项作法与所谓再燃烧技术为相同的原理，是利用碳氢化合物在高温下分解的碳氢自由基CHi（i=0～3）自由基，经连锁反应将NO还原成无害的N2，其机制为在主燃区下游再注入二次燃?以形成微缺氧环境，在该此区域高温裂解产生大量CHi自由基，最终将氮氧化物还原成氮气达到减量的效果。美国环保署的资科显示reburning技术的DeNOX效率可达60%以上。
（三）预煅烧旋窑系统
预锻式旋窑是目前最新也是最有效率的一种水泥窑，美国新设置水泥窑均已采用该类型；一般而言预锻炉前均会搭配预热塔，以提高生?的温度，通常预锻炉设于预热塔的底部，进入旋窑入口之前。预煅烧旋窑系统的设计，会有一半或超过一半的燃料用于预锻炉，以相对低温（约1200℃）进行燃烧，可产生较少的thermal NOX。同时预锻炉也可使用废弃物衍生燃料，如废轮胎等。
另外，随着经济的成长，建筑材料如水泥和混凝土的需求不断提高，这一现象在新兴经济体尤其明显。全球水泥生产过程中CO2排放量约占全体人为CO2排放总量的8%，或占全体人为温室气体排放总量的6%，因此水泥业在CO2减量方面面临严峻的挑战。水泥业为能源使用密集的产业，企业必须采取措施，减少碳足迹并同时降低其碳排放强度。具体而言，可采用如下的设备改进措施：一是提升旋窑热效率，新式旋窑具备预分解窑及悬浮预热器，可明显提升旋窑热效率，通过持续进行设备更新，提高设备效能，才能进一步提升能源效率；二是提升设备用电效率，结合废热回收技术及高效率设备，每吨水泥耗电量可小于40度，相当于减少2/3的厂用电。对于新设水泥行业，生产每吨水泥的最大耗电量指标，水泥行业与政府部门间应取得共识；对于现有水泥企业也应朝这一目标逐步推动。
四、小结
总体而言，据不完全统计，水泥行业废气排放总量37794亿标准立方米，占全国行业废气排放总量的15.94%。在全国行业行业废气排放总量中，位于火力发电业和黑色金属冶炼及压延加行业之后列第三位。经过多年的治理，尽管水泥行业的污染状况比过往情况年已经有了很大改观，但从前面统计的数字可以看出，水泥行业的污染问题仍然严重，尤其是粉尘污染还是全国的第一大户。因此，加快水泥的结构调整，以新型设备及工艺替代传统设备及落后的工艺，有效提升废气治理的有效性仍然十分迫切，而这也是未来技术研发的主流方向之一。
参考文献
[1]王永红，薛志钢，柴发合，冯贵颖，王艳.我国水泥行业大气污染物排放量估算[J].环境科学研究，2008（02）.
[2]裴守宇，徐鹏.水泥行业的环境污染与防治[J].环境科学与技术，2003（S2）.
[3]马静玉，薛志钢，杨卫华，张伟.水泥行业NO_x的污染与减排[J].环境工程，2009（S1）.
[4]崔素萍，叶文娟，兰明章，王亚丽.水泥窑炉NO_X形成机理及处理技术[J].中国水泥，2010（05）.
预锻式旋窑是目前最新也是最有效率的一种水泥窑，美国新设置水泥窑均已采用该类型；一般而言预锻炉前均会搭配预热塔，以提高生?的温度，通常预锻炉设于预热塔的底部，进入旋窑入口之前。预煅烧旋窑系统的设计，会有一半或超过一半的燃料用于预锻炉，以相对低温（约1200℃）进行燃烧，可产生较少的thermal NOX。同时预锻炉也可使用废弃物衍生燃料，如废轮胎等。
另外，随着经济的成长，建筑材料如水泥和混凝土的需求不断提高，这一现象在新兴经济体尤其明显。全球水泥生产过程中CO2排放量约占全体人为CO2排放总量的8%，或占全体人为温室气体排放总量的6%，因此水泥业在CO2减量方面面临严峻的挑战。水泥业为能源使用密集的产业，企业必须采取措施，减少碳足迹并同时降低其碳排放强度。具体而言，可采用如下的设备改进措施：一是提升旋窑热效率，新式旋窑具备预分解窑及悬浮预热器，可明显提升旋窑热效率，通过持续进行设备更新，提高设备效能，才能进一步提升能源效率；二是提升设备用电效率，结合废热回收技术及高效率设备，每吨水泥耗电量可小于40度，相当于减少2/3的厂用电。对于新设水泥行业，生产每吨水泥的最大耗电量指标，水泥行业与政府部门间应取得共识；对于现有水泥企业也应朝这一目标逐步推动。
四、小结
总体而言，据不完全统计，水泥行业废气排放总量37794亿标准立方米，占全国行业废气排放总量的15.94%。在全国行业行业废气排放总量中，位于火力发电业和黑色金属冶炼及压延加行业之后列第三位。经过多年的治理，尽管水泥行业的污染状况比过往情况年已经有了很大改观，但从前面统计的数字可以看出，水泥行业的污染问题仍然严重，尤其是粉尘污染还是全国的第一大户。因此，加快水泥的结构调整，以新型设备及工艺替代传统设备及落后的工艺，有效提升废气治理的有效性仍然十分迫切，而这也是未来技术研发的主流方向之一。
参考文献
[1]王永红，薛志钢，柴发合，冯贵颖，王艳.我国水泥行业大气污染物排放量估算[J].环境科学研究，2008（02）.
[2]裴守宇，徐鹏.水泥行业的环境污染与防治[J].环境科学与技术，2003（S2）.
[3]马静玉，薛志钢，杨卫华，张伟.水泥行业NO_x的污染与减排[J].环境工程，2009（S1）.
[4]崔素萍，叶文娟，兰明章，王亚丽.水泥窑炉NO_X形成机理及处理技术[J].中国水泥，2010（05）.