黃碧捷

（1.工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430056；2.江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

1 引言

粉塵污染是水泥工業(yè)最主要的污染形式，由水泥生產(chǎn)過(guò)程中原料、燃料和水泥成品儲(chǔ)運(yùn)，物料的破碎、烘干、粉磨、煅燒等工序產(chǎn)生的廢氣排放或外逸而引起。水泥工業(yè)的塵源點(diǎn)比較多，煤磨、烘干磨機(jī)、冷卻機(jī)、破碎機(jī)、輸送帶、選粉機(jī)、庫(kù)頂、料倉(cāng)、庫(kù)底和包裝系統(tǒng)等都會(huì)產(chǎn)生出大量的粉塵[1]?！端喙I(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》（2011年）明確指出“要在行業(yè)內(nèi)大力實(shí)施節(jié)能減排技術(shù)改造，推行清潔生產(chǎn)，減少污染物排放，嚴(yán)格控制粉塵的排放”。水泥工業(yè)最典型的粉塵污染便是向大氣環(huán)境中排放直徑小于或等于2.5μm的顆粒物質(zhì)（PM2.5）。PM2.5已被廣泛證實(shí)對(duì)空氣質(zhì)量和人體健康具有重要的影響。水泥工業(yè)是富產(chǎn)PM2.5的大戶。水泥的生產(chǎn)過(guò)程中形成的各種尺度的顆粒物以及硫化物、氮氧化物都是形成PM2.5的重要因素[2]。2012年2月，國(guó)務(wù)院發(fā)布新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095－2012）增加了PM2.5監(jiān)測(cè)指標(biāo)。2013年3月，國(guó)家環(huán)保部發(fā)布了《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（征求意見(jiàn)稿）》，征求意見(jiàn)完畢后，預(yù)期將在年內(nèi)正式頒布，以替換《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915－2004）。依據(jù)新的標(biāo)準(zhǔn)：水泥行業(yè)無(wú)組織顆粒物排放限值為0.5 mg·m－3；重點(diǎn)地區(qū)企業(yè)、新建企業(yè)（及現(xiàn)有企業(yè)2015年后）和現(xiàn)有企業(yè)（2015年前）的礦山開(kāi)采，散裝水泥中轉(zhuǎn)站及水泥制品生產(chǎn)，破碎機(jī)、磨機(jī)、包裝機(jī)及其他通風(fēng)生產(chǎn)設(shè)備的顆粒物排放限值分別為10mg·m－3、20mg·m－3和30mg·m－3；而重點(diǎn)地區(qū)企業(yè)、新建企業(yè)（及現(xiàn)有企業(yè)2015年后）和現(xiàn)有企業(yè)（2015年前）的水泥窯及窯磨一體機(jī)，烘干機(jī)、烘干磨、煤磨及冷卻機(jī)的顆粒物排放限值分別為20mg·m－3、30mg·m－3和50mg·m－3。新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將對(duì)我國(guó)水泥工業(yè)煙氣除塵提出新的挑戰(zhàn)。

2 水泥工業(yè)粉塵污染特征及危害

2.1 對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境的危害

水泥工業(yè)產(chǎn)生的粉塵是成分復(fù)雜的混合性粉塵，包括石灰石粉塵、熟料水泥粉塵、粉煤灰粉塵、石膏粉塵和其他粉塵，其混合物富含游離的SiO2，還含有Ca、Al、Fe、Mg、Cr、Co、Ni等元素。粉塵中游離SiO2含量的高低直接影響粉塵的毒性[3]，人體長(zhǎng)期吸入富含游離SiO2的粉塵將染塵肺病，熟料粉塵中游離SiO2的含量不應(yīng)超過(guò)10%[4]，大于10%以上的粉塵稱為矽塵，長(zhǎng)期吸入矽塵將引起矽肺。水泥塵肺的發(fā)病與染塵時(shí)間、粉塵濃度及粒徑和個(gè)人體質(zhì)直接相關(guān)，發(fā)病工齡一般為10～20年[5]。長(zhǎng)期接觸水泥粉塵的工人會(huì)出現(xiàn)咳嗽、口干、咽炎、喉痛、氣短、胸部痛悶、胸透病變和肺部疾病等癥狀，矽肺病人肺部還會(huì)出現(xiàn)矽結(jié)節(jié)和纖維化，最終因肺喪失換氣功能而導(dǎo)致死亡[6]。水泥行業(yè)塵肺在水泥生產(chǎn)的每個(gè)崗位上均有發(fā)生，尤其是生料破碎、立窯看火、熟料運(yùn)輸、磨機(jī)、成品包裝等崗位[7]。水泥粉塵對(duì)鼻腔的損傷作用甚于矽塵，原因可能是矽塵對(duì)鼻粘膜以粉塵顆粒的機(jī)械刺激為主，而水泥粉塵還具較強(qiáng)的堿腐蝕作用[8]。相比于回轉(zhuǎn)窯，傳統(tǒng)水泥立窯產(chǎn)生的粉塵對(duì)作業(yè)人員的危害更大。

水泥粉塵pH值約為10～12，呈較強(qiáng)的堿性，能使周圍農(nóng)田土壤堿化[9]。水泥粉塵通過(guò)水合作用和結(jié)晶作用在土壤表面形成硬的外殼，導(dǎo)致土壤孔隙性、有機(jī)碳含量和持水能力顯著下降[10]。水泥粉塵沉降會(huì)阻塞葉面氣孔，使氣孔阻抗增大，蒸騰強(qiáng)度和光合速率降低，從而導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受阻[11]。

2.2 水泥工業(yè)粉塵污染特征及分布

水泥主要成分為硅酸鹽、Fe2O3、CaO2、Ca2SO4、Al2O3和 MgO2等，由石灰石（76.4%）、黃土（13.05%）、煤（3.2%）、鐵粉（1.85%）和螢石（0.5%），經(jīng)1500℃左右煅燒成熟料后加入適量石膏、礦渣粉磨制成。其遇水即成堿性，具有分散度高（＜5μm粒子常達(dá)90%左右），附著性、吸濕性和腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)[8]。

水泥工業(yè)粉塵污染的特征主要包括以下4個(gè)方面：①其產(chǎn)生貫穿于整個(gè)生產(chǎn)流程；②其是成分復(fù)雜的混合性粉塵，粒徑分布廣，煙塵溫度變化大；③其排放方式分為有組織和無(wú)組織兩類，且均為需重點(diǎn)控制的污染來(lái)源；④其富含游離SiO2，毒性較強(qiáng)，水泥工業(yè)是矽塵和塵／矽肺病重點(diǎn)控制行業(yè)。

水泥生產(chǎn)過(guò)程中原料、燃料和水泥成品儲(chǔ)運(yùn)，物料的破碎、烘干、粉磨、煅燒等工序的廢氣排放或外逸都引起粉塵的排放，其中原料粉磨及煅燒發(fā)生的粉塵排放最為嚴(yán)重，約占水泥廠粉塵總排放量的70%以上[2]。無(wú)組織排放源主要為：石灰石礦山的開(kāi)采，原料（煤予、輔料、石灰石）均化堆場(chǎng)，熟料庫(kù)及熟料外運(yùn)和水泥添加劑及其配送、包裝、散裝及袋裝水泥儲(chǔ)存、儲(chǔ)庫(kù)等環(huán)節(jié)，其余均為有組織排放。新型干法窯、篦式冷卻機(jī)、水泥管磨、立式磨機(jī)和高效選粉機(jī)的含塵濃度分別約為50g·Nm－3、10g·Nm－3、80g·Nm－3、500g·Nm－3和1000 g·Nm－3；其相應(yīng)的單位產(chǎn)品產(chǎn)塵量分別約為100kg·t－1、25kg·t－1、120kg·t－1、1000kg·t－1和1000kg·t－1。

2010年，我國(guó)水泥總產(chǎn)量1.868×105萬(wàn)t，其中新型干法窯產(chǎn)量1.4944×105萬(wàn)t，占總產(chǎn)量的80%。新型干法水泥窯是目前最重要的粉塵污染來(lái)源，而其中回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)系統(tǒng)，尤其是窯頭篦式冷卻機(jī)及窯尾的煙塵排放最為顯著[12]。篦式冷卻機(jī)煙氣正常溫度為220～240℃，極端可達(dá)400℃；風(fēng)量變化大；粉塵濃度一般＜20g·Nm－3，惡劣工況時(shí)可達(dá)50g·Nm－3以上；含濕量約為1%～2%；粒徑粗（10μm以上占85%），黏性低，磨蝕性強(qiáng)；比電阻高（1000Ω·cm左右）；粉塵比重在3.2g·cm－3左右。窯尾煙氣性質(zhì)因窯磨一體以及是否帶余熱鍋爐等因素會(huì)有較大變化，窯尾煙氣正常溫度為350℃左右，采用低溫余熱發(fā)電時(shí)可降到200℃左右；粉塵濃度60～100g·Nm－3；粉塵粒徑細(xì)（10μm以下占78%左右）、黏性大、具有腐蝕性；比電阻高；煙塵工況不穩(wěn)定。

吳剛等[2]研究發(fā)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過(guò)程中粒徑＜10μm粉塵所占比例很大，一般在40%～80%；＜10μm粉塵中，＜2μm的約占60%；2～5μm的約占25%；5～10μm的約占15%。水泥行業(yè)微細(xì)粉塵控制是值得關(guān)注的難點(diǎn)。何偉明[6]對(duì)成都某大型干法水泥生產(chǎn)線粉塵中游離SiO2含量的測(cè)定結(jié)果顯示：砂巖、頁(yè)巖、硫酸渣配料倉(cāng)，磨煤機(jī)，粉煤倉(cāng)，石膏、礦渣輸送皮帶頭的游離SiO2含量均超過(guò)10%，最高達(dá)到30.5%。水泥工業(yè)粉塵中高的游離SiO2含量帶來(lái)更高的人體健康和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，值得密切關(guān)注。

3 水泥工業(yè)除塵技術(shù)及設(shè)備

3.1 袋式除塵技術(shù)及設(shè)備

目前，新建、擴(kuò)建的干法水泥工業(yè)從原料破碎到包裝出廠的整個(gè)生產(chǎn)線大多采用袋式除塵器[2]，其適用于水泥行業(yè)生產(chǎn)線上的通風(fēng)及熱力設(shè)備、排放點(diǎn)和揚(yáng)塵點(diǎn)，并大量用于水泥行業(yè)電除塵器的改造。袋式除塵器的優(yōu)點(diǎn)有：不受煙塵比電阻等性質(zhì)的影響，能捕集電除塵器難以捕集的粉塵；收塵效率高，排放濃度有的可達(dá)10mg·Nm－3以下，除塵效率隨粉塵濃度的升高而升高；運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，能在較寬范圍的溫度、壓力和粉塵負(fù)荷下運(yùn)行；操作技術(shù)簡(jiǎn)單、可在線檢修。袋式除塵器的缺點(diǎn)也十分明顯，尤其是濾袋受到煙塵溫度的限制，溫度過(guò)高時(shí)容易燒袋，溫度過(guò)低又容易冷凝結(jié)露而糊袋[1]。水泥行業(yè)多年來(lái)認(rèn)為袋式除塵器運(yùn)行阻力及能耗高，造價(jià)成本及運(yùn)行費(fèi)用貴，這是制約其發(fā)展的主要因素。5000t·d－1水泥窯電改袋至少投入700萬(wàn)元，新建安裝袋式除塵器至少要900萬(wàn)元；其設(shè)備阻力通常在1000～1500Pa；窯頭和窯尾功耗分別在400kW和550kW左右；普通濾袋壽命一般為1～2a，高端濾袋為3～5a。隨著國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，耐高溫、高效、特種新型濾料的不斷涌現(xiàn)并降低了較大的設(shè)備及運(yùn)行成本，袋式除塵器逐漸被越來(lái)越多的水泥企業(yè)采用。

3.2 電除塵技術(shù)及設(shè)備

電除塵器廣泛應(yīng)用于水泥工業(yè)粉塵的收集與控制，尤其是在立窯、濕法窯和中空窯水泥生產(chǎn)中的使用較為普通，也有少數(shù)的在回轉(zhuǎn)窯中使用[13]。電除塵器性能與粉塵比電阻（1×104～5×1011Ω·cm可采用）、集塵電極的總表面積、氣體的體積流量以及顆粒物的遷移速度等因素有關(guān)，并對(duì)CO濃度有嚴(yán)格的限制（＜1.0%）。水泥行業(yè)采用電除塵器時(shí)，如凈化立磨（輥式磨）的煙塵濃度高，應(yīng)有預(yù)分離裝置；濕法窯煙塵濕度大，電除塵器易被腐蝕，窯尾會(huì)因不正常工況控制，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致CO爆炸；干法窯粉塵比電阻高，需煙氣調(diào)質(zhì)；熟料冷卻機(jī)煙塵凈化的電除塵器因比電阻高，需采用寬極間距；一般在篦式冷卻機(jī)、水泥磨及回轉(zhuǎn)窯等設(shè)備內(nèi)裝設(shè)噴水裝置解決煙塵比電阻高的問(wèn)題[14]。5000t·d－1水泥窯四電場(chǎng)電除塵器的設(shè)備阻力一般為300Pa，其窯頭和窯尾功耗分別在300kW和500kW左右，使用三相工頻電源或高頻電源能顯著降低能耗。目前，單純依靠電除塵器達(dá)到環(huán)保排放的標(biāo)準(zhǔn)已越來(lái)越不現(xiàn)實(shí)，隨著電除塵器各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，達(dá)標(biāo)排放不應(yīng)成為發(fā)展的唯一目標(biāo)，應(yīng)充分發(fā)揮電除塵器成本、運(yùn)行能耗、工況適應(yīng)性和維護(hù)費(fèi)用等方面的優(yōu)勢(shì)，篩選最佳的升級(jí)改造方案，取得最大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

3.3 電—袋復(fù)合除塵技術(shù)及設(shè)備

電—袋復(fù)合除塵器是將傳統(tǒng)靜電除塵和過(guò)濾除塵機(jī)理有機(jī)集成發(fā)展起來(lái)的新型節(jié)能高效除塵器，其在一個(gè)風(fēng)箱體內(nèi)有規(guī)律地布置電場(chǎng)和袋場(chǎng)以達(dá)到粉塵高效截留及節(jié)能的目的。迄今，主要有預(yù)荷電—布袋式、靜電布袋并列式和靜電布袋串聯(lián)式等3種聯(lián)合除塵方式[15]。電袋相比電除塵器，不受煙塵比電阻性能影響，可節(jié)約鋼材20%左右，并減少占地面積；電袋相比袋式除塵器，能夠顯著降低濾袋的阻力，延長(zhǎng)噴吹周期，縮短脈沖寬度，降低噴吹壓力，延長(zhǎng)濾袋的使用壽命1～2a。電袋對(duì)煙氣中Hg、SO2和NOX有一定的同步去除作用，更易滿足越來(lái)越嚴(yán)格的減排要求，是水泥行業(yè)粉塵治理的重要技術(shù)手段之一。韓戰(zhàn)義[16]等通過(guò)對(duì)某5000 t·d－1水泥窯尾電—袋復(fù)合式除塵器的設(shè)計(jì)研究表明：電—袋復(fù)合式除塵器具有適應(yīng)工況范圍寬、應(yīng)用更廣和性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。電袋對(duì)粉塵的比電阻敏感度下降，降低了系統(tǒng)波動(dòng)的影響，排放濃度可滿足在30mg·Nm－3以下，適用于水泥廠窯頭、窯尾及電除塵器改造。對(duì)于新設(shè)備而言，電—袋復(fù)合式除塵器成本會(huì)略高于純袋式除塵器，但它更易滿足國(guó)家越來(lái)越嚴(yán)格的減排要求，可作為水泥行業(yè)粉塵治理，尤其是PM2.5末端治理的一項(xiàng)重要、有效的舉措。

3.4 其他除塵技術(shù)及設(shè)備

重力、慣性和旋風(fēng)除塵技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水泥工業(yè)多級(jí)除塵的預(yù)除塵。以旋風(fēng)除塵器為例，其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，維護(hù)方便，耐400℃左右高溫，耐高壓，可實(shí)現(xiàn)捕集干灰后粉料的回收利用，可用于高磨蝕性粉塵煙氣凈化。但是，其對(duì)微細(xì)粉塵捕集效率低，處理風(fēng)量有局限，處理風(fēng)量大時(shí)，要采用多個(gè)旋風(fēng)除塵器并聯(lián)，設(shè)置不當(dāng)，對(duì)除塵效率將有嚴(yán)重影響[14]。在水泥工業(yè)除塵中，一般應(yīng)用于電、袋除塵器前端的預(yù)除塵和物料回收中。

濕式除塵技術(shù)基于含塵氣體與液體（洗滌水或其他液體）接觸，借助慣性碰撞、擴(kuò)散等機(jī)理，將粉塵予以捕集，實(shí)際中應(yīng)用廣泛。其在同等能耗下的除塵效率比干式高，對(duì)＜0.1μm的粉塵仍有很高的除塵效率，能用于高溫、高濕及粘性大的粉塵；可兼顧除塵和凈化有害氣體的作用；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資低，占地少，安全性好。其缺點(diǎn)是：有排出洗滌泥漿的二次污染問(wèn)題；不適用于憎水性和水硬性粉塵；加大了污水處理系統(tǒng)防腐材料的成本；損失了一定的熱能，溫度低時(shí)需要防結(jié)冰和白煙。在水泥工業(yè)除塵中，一般應(yīng)用于電除塵器煙氣調(diào)質(zhì)和揚(yáng)塵控制之中。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)水泥行業(yè)粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)的越來(lái)越嚴(yán)格以及水泥行業(yè)PM2.5粉塵在總粉塵排放量中所占的比例極高的現(xiàn)狀依然沒(méi)有改變，雖然我國(guó)水泥行業(yè)粉塵污染治理技術(shù)已經(jīng)邁入相對(duì)成熟的階段，但是粉塵污染控制形式依然相當(dāng)嚴(yán)峻。水泥行業(yè)內(nèi)存在粉塵（尤其是PM2.5）排放現(xiàn)狀不清、監(jiān)測(cè)監(jiān)控能力較弱和特征性污染治理技術(shù)研發(fā)成果較少等亟待解決的問(wèn)題。我國(guó)應(yīng)加大實(shí)際應(yīng)用型的針對(duì)水泥行業(yè)粉塵污染特征下的污染控制技術(shù)理論及設(shè)備研究，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)最大化的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

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