水泥工业污染现状、原因与比较
一、现状
我国的水泥生产企业是由小到大逐步发展起来的，立窑生产线数量众多，回转窑生产线只是到上个世纪九十年代才得到较好的发展;由于80%左右产量的立窑水泥厂生产线系统中没有配套的环保设备，水泥生产排尘量占全国排放总量的70%以上，在水泥生产排尘中，地方水泥厂排尘量占到行业排放总量的80%，成为工业12尘的主要排放源,严重污染了大气。据不完全统计，我国水泥工业每年向大气排放的粉尘、烟尘在1300万吨以上;有害气体如：二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、氟化物的污染也占有相当的比重，并且对大气污染有加重趋势。
我国水泥工业对大气所产生影响的主要污染源是粉尘和废气，粉尘污染排放高于国外15倍，粉尘主要是由于水泥生产过程中原、燃料和水泥成品储运，物料的破碎、烘干、粉磨、煅烧等工序产生的废气排放或外逸而引起的。水泥工业对大气环境产生影响的废气(包括SO2、NOX、CO2、HF等)，其中SO2是因烧成系统的燃料含硫燃烧产生的;CO2是由水泥生产中CaCO3分解和煤炭燃烧而产生的;NOX是空气中的N2在高温有氧燃烧条件下产生的;HF是由于立窑厂采用萤石CaF2矿化剂，在煅烧过程中产生的有害废气。根据我国每年的水泥总产量推算，我国目前每年因水泥生产向大气排放的粉尘量和废气量分别为：各类粉尘约1330万吨;其中，旋窑水泥厂130万吨，立窑水泥厂约1200万吨。废气排放方面，每年向大气中排放的CO2约2亿吨;SO2排放量约100万吨;NOX排放量1.3～1.6×106立方米。据有关资料统计SO2、NOX污染呈加重趋势，在全国形成华中、西南、华东、华南多个酸雨区，尤其以华中酸雨区为重。我国水泥工业硫化物、氮氧化物等有害气体排放高于国际先进水平6～10倍。
如前所述，我国水泥工业发展的起点低，整体水平提高较慢，技术改造难度大，污染治理欠账多。工业技术和装备许多是60~70年代的水平，资源、能源消耗高。但由于资金的限制，水泥工业又迟迟不能进行整体改造和污染治理，相当一批技术装备落后的水泥工业企业长期在生产中排放大量的污染物，对大气造成严重污染。
二、原因：
工业能源的不合理利用以及能源的严重浪费是造成水泥工业对大气造成严重污染的原因之一，主要表现如下：
(1)、在我国一次能源消费结构中，煤炭占75%，而用于发电的煤量仅占总用煤量的35%，其它煤炭则用于工业及民用燃烧，有84%的煤炭直接燃烧，而水泥是直接燃烧的用煤大户。
(2)、我国水泥窑炉设备技术及制造水平较低，能源利用率不高，使用能耗高、排污量大和超期服役窑炉的现象相当普遍，平均热效率不足40%。
(3)、水泥工业中中小型企业占有很大的比重，大多数中小型企业采用的生产技术、工艺比较落后，生产设备简陋，资源能源利用率极低，所造成的大气污染是惊人的。
(4)、大气污染防治政策性落实不到位
目前，全国污染治理和用于污染防治有关的城市基础设施建设投资，只占国民生产总值的0.7%，这与我国环境污染严重、历史欠账太多和经济快速发展对环保投资的需求相比，严重不足;水泥工业更是如此。
排污收费标准太低，使得污染企业宁可交排污费，而不愿意花钱治理。例如，“两省九市”的二氧化硫收费标准过低，一般都在每公斤二氧化硫0.20元以内，远远低于每公斤1元左右的脱硫成本，并不能促使企业投资用于治理。例如：加拿大。
尽管我国大气污染防治法规标准制定取得很大进展，但有法不依，执法不严，违法不究的现象仍然十分严重。一些地方政府干预环保部门执法，批准建设短期经济效益好，但能源资源消耗量大，对大气污染严重的小型水泥厂在建设中不执行国家“先评价，后建设”的规定，出现了一些新的不合理布局和污染超标现象;对大气污染防治措施的投资经常留有缺口或将资金挪作他用。
由于各地监测机构受到经费的限制，不能普遍开展对大气污染源的例行监测，从而削弱了环保部门对污染源的日常监督和管理。环保设施操作管理比较差，实际运行率低。许多项目尽管开工验收时可达标，但在实际运行中却超标排放。
目前，我国的大气污染已严重危害了人们的身体健康。研究表明，在中国引起慢性障碍性呼吸道疾病的主要决定因素是大气污染。大气污染造成了巨大的经济损失，制约了经济的发展。仅酸雨造成的经济损失就达到1200亿元以上，约占当年国民生产总值2%。大气污染严重的状况成为人们对社会不满的因素之一，甚至影响了一些地区的社会安定。与此同时，我国的大气污染程度也在国际上造成了不良的影响，首都北京已被世界卫生组织列为大气污染最严重的城市之一，这将对我国的社会主义现代化建设以及国际交往带来不利影响。
环境保护是我国的一项基本国策，我国又是《京都议定书》的签字国，为了我国经济建设的可持续发展和资源的有效利用，到2020年实现党的十六大会议报告中提出的小康社会目标以及人门对生活环境的要求越来越高，提高水泥工业的环保技术水平，减少有害气体的排放显得非常重要和迫切。
三、比较
表1国内外水泥工业技术现状对比
对比项世界先进水平中国水平
新型干法窑生产能力日本占98.3%;意大利占96.5%约10%，窑外分解窑125台/年
企业平均规模世界60—100万t;欧洲70—80万吨6.62万吨
日本达到256万t
全员劳动生产率法国3273t/人年地方水泥：160t/人年
德国3015t/人年全国平均：284t/人年
日本15000t/人年
设备运转率92%85%
熟料热耗2900kj/kg(日本)5121kj/kg(回转窑平均)
窑外分解窑热耗2888熟料3555kj/kg熟料
熟料煤耗100kg标准煤/t175kg标准煤/t
水泥综合电耗92kWh/t114kWh/t
水泥散装率80%—90%以上20%
表2我国水泥厂与其它国家水泥厂污染物排放标准的限制对比
国别粉尘(mg/N立方米)二氧化硫二氧化氮备注
窑冷却机其它(mg/N立方米)(mg/N立方米)
德国505050400500
法国50100305001200
英国405050200900
中国10010050400800
中国1501501508001600
中国10010050600400
日本505050750500
马来西亚1001001002002000
土耳其1205050300400
意大利15—302010400700
美国约70约40肉眼不看见约750约900
水泥工业大气污染治理的技术依据:
1、国家环保产业“十五”计划和2010年远景规划;
2、水泥工业的“十五”发展规划;
3、《中华人民共和国环境保护法》;
4、《水泥厂大气污染物排放标准》GB4915-1996;
正在修订：取消地区类别、热力设备：<100Mg/Nm3、通风设备：<50Mg/Nm3、吨产品排放量：<0.5Kg/吨产品(现状：立窑3Kg/吨产品、旋窑1Kg/吨产品;发达国家0.04-0.07Kg/吨产品)、排污许可证制度(总量550万吨/年)。
5、《中华人民共和国大气污染防治法》(修正);
6、《立窑水泥厂防尘技术规程》GB5984-86;
7、《保护农作物的大气污染物最高允许浓度》GB9137-88;
8、《国务院关于环境保护若干问题的规定》;
9、相关的环保技术政策和水泥工业先进成熟的技术及装备。
10、《大气污染物综合排放标准》GB16297-1996;SO2、颗粒物、
11、《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-1996;粉尘、SO2、
12、《工业炉大气污染物排放标准》GB9078-1996;烟尘、
利用遍布全国的水泥厂解决废渣和垃圾问题：煤矸石利用量3000多万吨/年;电厂的粉煤灰6000多万吨/年;利用水泥窑来烧垃圾已经在多家水泥厂实验。
水泥工业大气污染治理的原则
口号：实现水泥工业现代化和蓝天、绿色的、同大气和地球相容的“生态环境材料型”产业。
预防为主、减少排污
加强工艺设备的密封堵漏、减少不必要的排放点、如选用分解炉内低温燃烧减少NOX的排放和预热分解系统对窑内产生的NOX有还原作用等先进的水泥生产技术。
选用高效治污设备、降低排放量
近二十年，现代技术的发展和进步给环境保护带来了很大的变化。如一级除尘的入口浓度可以达到1600g/m3以上;这就简化了除尘工艺流程，便于维护和管理，克服了水泥行业原来二级除尘带来的问题。
选用统一型号不同规格的治污设备，减少备品备件，便于维护和管理。
加强治污设备的管理和维护，“三分设备，七分管理”，要把治污设备和主机设备等同管理。
结合工艺选用治污设备，建材行业有建材行业的特殊性，不同于钢铁、冶金、化工等行业。有高温、高湿等特点。
选用正规厂家的产品，正规厂家的产品技术有保障，出了问题有人解决。
合理的治污工艺设计，风机选型、非标工艺设计等。
采用新技术对老的治污设备进行改造
四、粉尘和气体的性质
(一)、粉尘的基本性质
粉尘是由自然力或机械力产生的，能够悬浮于空气中的固体细小微粒。国际上将粒径小于75μm的固体悬浮物定义为粉尘。在除尘技术中，一般将1～200μm乃至更大颗粒的固体悬浮物视为粉尘。对于粒径为0.01～1μm的小固体粒子称为烟尘，烟尘基本上是保持悬浮状态而不能沉降的。
对于除尘作业来说，从环保要求出发，主要是捕集粒径为0.1～10μm的烟尘、粉尘，因其粒径小，对人体危害最大。同时，大于10μm的粉尘易于沉降，除尘容易实现。小于0.1μm的重量影响很小，对排放浓度影响不大。
1、粉尘的分类及特性
⑴按物质组成分类
按物质组成粉尘可分为有机粉尘、无机粉尘、混合粉尘。有机粉尘包括植物粉尘、动物粉尘、加工有机物的粉尘;无机粉尘包括矿尘、金属尘、加工无机物产生的粉尘等。
⑵按粒径分类
按尘径大小或在显微镜下可见程度粉尘分为：粗尘，粒径大于40μm，相当于一般筛分的最小粒径;细粉尘，粒径10～40μm，在明亮光线下肉眼可以见到;显微尘，粒径0.25～10μm，用光学显微镜可以观察;亚显微尘，粒径小于0.25μm，需用电子显微镜才能观察到。
⑶按形状分类
不同形状的粉尘可分为：(a)三向等长粒子，即长、宽、高的尺寸相同或接近的粒子;(b)片形粒子，即两方向的长度比第三方向长得多，如薄片状、鳞片状粒子;(c)纤维形粒子，即一个方向长得多得粒子，如柱状、针状、纤维粒子;(d)球形粒子，外形呈圆形或椭圆形。
⑷按物理化学特性分类：由粉尘的湿润性、粘性、燃烧爆炸性、导电性、流动性可以区分不同属性的粉尘。
⑸其它分类中还可分为生产性粉尘和大气尘，纤维性粉尘和颗粒状粉尘，一次扬尘和二次扬尘。
2、粉尘特性
粉尘由很多特殊的属性，其中与除尘工程密切相关的由悬浮特性、扩散特性、附着特性、吸附特性、燃烧和爆炸特性、荷电特性、流动特性等。
⑴悬浮特性在静止空气中，粉尘颗粒受重力作用会在空气中沉降。但实际空气绝非静止，而是由各种扰动气流，小于10μm的尘粒能够长期悬浮于空气中。粉尘悬浮特性是除尘工程计算的依据之一。
⑵扩散特性是指微细粉尘随气流携带而扩散。
⑶附着特性尘粒粘附于其它粒子或其它物质表面的特性。
⑷燃烧和爆炸特性物料转化为粉尘，比表面积增加，提高了物质的活性，在具备燃烧的条件下，可燃粉尘氧化放热反应速度超过其散热能力，最终转化为燃烧，称为粉尘自燃。当容易爆炸的粉尘浓度达到爆炸界限并遇明火时，产生粉尘爆炸。煤尘、焦碳尘、铝、镁和某些含硫高的矿尘均系爆炸性粉尘。
⑸荷电特性由于天然辐射，离子或电子附着，尘粒之间或粉尘与物体之间的摩擦，使尘粒带有电荷。
⑹流动特性尘粒的集合体在受外力时，尘粒之间发生相对位置移动，近似于流体运动的特性。
(二)粉尘的密度
单位体积粉尘的质量称为粉尘的密度。排出粉尘颗粒之间及其内部的空隙后，包括粉尘颗粒之间及其内部的空隙，单位体积松散粉尘的质量称为堆积密度，又称假密度。
(三)粉尘的粒径和分散度
粒径是表征粉尘颗粒状态的重要参数。粉尘颗粒状态是粉尘颗粒大小和形态的表征。粉尘粒径的分布称为分散度。
(四)粉尘的含水率(水分)
粉尘的含水率是指水分在粉尘中的重量占粉尘总重的百分数。含水率与附着力又很大关系，特别影响清灰作用，一般来说，含水率很小的干粉尘，其粘附力小，清灰较易;很湿的粉尘，其粘附力就大，清灰比较困难。
(五)粉尘的比表面积(Sv)
单位质量粉尘的总表面积称为比表面积，用平方厘米每克表示(cm2/g)。粉尘的粒径越小，则比表面积越大，比表面积越大，则粉尘的表面活力越大。比表面积对粉尘的湿润、溶解、凝聚、吸附、燃爆的性质都又直接的影响。
(六)粉尘浓度
粉尘浓度是指单位体积气体中所含粉尘的重量。
粉尘对环境的污染与浓度有很大关系，因此各国的环保法都对各作业场所规定最高容许浓度，对除尘设备也规定了最高排放浓度。
五、气体的基本性质
作为除尘作业的对象，粉尘是悬浮于气体中的，因此气体的性质对除尘具有十分重要的影响，尤其是袋式除尘器，在考虑压力损失、选用滤料材质、决定清灰方式等都与气体的性质有关。
气体的基本性质包括气体的压力、温度、密度、湿度、粘度以及雷诺数和马赫数等。
1、气体的压力
根据气体分子运动理论，气体的压力是由于大量分子对容器内壁撞击的总效果。以单位面积上所受的力来度量，故亦称压强，单位用Pa表示。
2、气体的温度
温度是表征物体冷热程度的物理量。在工程应用中大多采用国际百分温标，即t(℃)。在气体热力学中则采用绝对温标，T(K)。两种温标的关系式为：
T=273+t
气体的温度是一个重要的参数，它影响气体的体积、压力、粘性、密度等参数，在除尘工程中，它还影响到除尘设备的承受能力。
3、气体的密度
单位气体所具有的质量称为密度。气体的密度不但与组成气体的成分有关，还随着温度、压力的变化而变化。
4、气体的粘度
流体在流动时产生内摩擦力，这种性质称为流体的粘性。粘度(或称粘滞系数)的定义是切应力与切应变的变化率之比，是用来度量流体粘性的大小，由流体的性质而定。
气体的粘度是随着温度的增高而增大(与液体相反)，与压力几乎没有关系。在袋式除尘器中，滤袋的压力损失与气体的粘度成正比，粉尘的沉降速度与气体的粘度成反比。
5、气体的湿度
气体中常含有一定的水蒸气，气体中含水蒸汽的多少就用湿度来表示。一般有两种方式表示：
⑴绝对湿度
绝对湿度是指单位体积中所含水蒸汽的质量(Kg/m3)。当湿气体中水蒸汽的含量达到该温度所能容许的最大值时的气体状态称为饱和状态。
⑵相对湿度
相对湿度是指单位体积气体中所含水蒸汽的密度与在同温度、同压力下饱和状态时水蒸气的密度之比的百分数。
对于袋式除尘器来说，气体湿度高，容易“糊袋”、清灰困难、易结露，气体异常干燥时，易产生静电。总的来说，干气体较湿气体除尘效果要好。
6、气体的露点
露点是指气体的气压不变，水蒸气含量不增减的情况下，未饱和气体因冷却而达到饱和状态时的温度。因此，露点是一种气体湿度的表示法。
当相对湿度达到100%，即湿体已达饱和状态时，气体中水蒸气分子的含量已达到容许的最大值，此时温度稍有降低，就必然有一部分水蒸气分子不能再以气态存在于气体中，而从气体中析出来成为液体，这叫“结露”，或叫“冷凝”。
气体的结露对除尘器的工作很不利，它能使粉尘的含水率增大而粘结在滤袋上，造成清灰困难;还能腐蚀除尘设备，降低使用寿命，尤其是气体中含有硫化物时，硫会溶解于水中形成强腐蚀剂腐蚀除尘设备，因此，在除尘作业中必须防止结露现象发生。
气体的露点除与湿度相关外，还与气体的成分有关。尤其是气体中含有三氧化硫时，即使是少量的，也可以使气体露点温度达到100℃以上，这一点应充分注意。水泥厂窑尾的烟气与发电厂锅炉相比硫氧化物比较少，原因是硫容易被生料中的碱成份中和。
下表列出了水泥厂窑尾烟气的相对湿度和露点：
窑型烟气温度相对湿度%露点℃
带预热锅炉的干法窑190740
带悬浮预热器干法窑300～350预热利用后1033～38
机立窑50～1901540～55
湿法长窑120～2204065～75
带过滤器的湿法窑120～1901865～75
立波尔窑80～1301845～60
7、雷诺数
判断流动状态的一个无因次数。
8、马赫数
气流速度与音速的比值。
9、导热系数
在稳定条件和单位温差作用下，通过单位厚度、单位面积的匀质材料的热流量，称为导热系数，亦称热导率。
10、热扩散率
是表征在加热或冷却时各部分温度趋于一致的能力。它是材料的导热系数与其比热容和密度乘积的比值，也称热扩散系数。
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