水泥工業(yè)污染防治最佳可行技術(shù)的評價

張 婧，黨小慶，龐 敏，李 鑫，馬 莉，李 倩

（1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安 710055；

2.西安鐵路疾病預(yù)防控制所，西安 710054）

1 引言

隨著水泥工業(yè)大型化和集約化的發(fā)展，對水泥清潔生產(chǎn)的節(jié)能減排的要求也越來越高，在這樣的發(fā)展趨勢下，新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。其除了滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)外，新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)在節(jié)能減排方面的出色表現(xiàn)也得到了水泥行業(yè)的普遍認(rèn)可。

本文對我國水泥行業(yè)新型干法生產(chǎn)現(xiàn)狀和節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行了概述，提出目前水泥行業(yè)存在的主要問題是環(huán)保設(shè)備的更替和節(jié)能技術(shù)的合理應(yīng)用；并借鑒了國內(nèi)外各行業(yè)技術(shù)路線的特點，基于我國水泥行業(yè)的現(xiàn)狀提出了評價理念和最佳可行技術(shù)評價技術(shù)路線。

2 我國水泥工業(yè)污染防治現(xiàn)狀

2001年到2009年，我國新型干法水泥的比重從14.27%上升到76.88%，增長了62.61個百分點，截止到2010年底，國內(nèi)新型干法水泥產(chǎn)量占水泥生產(chǎn)總量的80%以上，對新型干法水泥現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果，基本概括了國內(nèi)水泥行業(yè)的總體情況。

2.1 新型干法水泥生產(chǎn)線調(diào)查情況概述

（1）生產(chǎn)線基本情況

目前國內(nèi)新型干法水泥生產(chǎn)線主要有以下規(guī)模：2500t/d、4000t/d、4500t/d、5000t/d、10000t/d。2005年前以2500t/d為主，2005年后的新建生產(chǎn)線以4000～4500t/d為主，占新型干法生產(chǎn)線新建總量的41%；5000～10,000t/d大型生產(chǎn)線數(shù)量最少，僅占新型干法生產(chǎn)線新建總量的11%。

水泥綜合電耗和能耗方面：5000t/d生產(chǎn)線耗值最小，分別比平均值低11.8%和11%；4000～4500t/d生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)煤耗最小，比平均值低6.6%。

大氣污染物方面：除粉塵外，水泥工業(yè)對大氣產(chǎn)生影響的主要污染源為含SO2、NOx的廢氣，排放量隨生產(chǎn)規(guī)模的不同而改變。SO2排放量以大于5000t/d規(guī)模生產(chǎn)線最高，占行業(yè)年排放均值的53%，其余規(guī)模生產(chǎn)線的SO2排放量各占10%左右；NOx排放量以4000～4500t/d生產(chǎn)線最高，占行業(yè)年排放均值的21%，隨著生產(chǎn)線規(guī)模的增加，NOx排放量逐漸減小。

（2）節(jié)能環(huán)保措施使用情況

在現(xiàn)有新型干法生產(chǎn)線中，窯頭除塵仍以電除塵器為主，使用率高達(dá)82%，窯尾除塵器中的電除塵器使用率占51%，比袋除塵器32%的使用率高出19個百分點。

目前較為成熟的節(jié)能技術(shù)有變頻調(diào)速、余熱發(fā)電、新型節(jié)能燃燒器等，使用率分別占到86%、75%和44%。目前有41%的企業(yè)同時使用兩種及以上的節(jié)能技術(shù)，以達(dá)到更好的節(jié)能效果。

2.2 存在的問題

（1）新型干法工藝線大規(guī)模發(fā)展對環(huán)保設(shè)備提出了更高要求

我國新型干法工藝線正從中、小型向大型規(guī)模發(fā)展，重點是4000～5000t/d規(guī)模的生產(chǎn)線。水泥工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整也為環(huán)保行業(yè)的發(fā)展帶來了契機和挑戰(zhàn)，尤其是水泥工業(yè)首選的電、袋除塵器，隨著生產(chǎn)能力的不斷提高，排放標(biāo)準(zhǔn)的限值越來越嚴(yán)格，除塵設(shè)備在設(shè)計上也開始向大型化、高效率發(fā)展。目前大部分企業(yè)仍在使用的電除塵器是通過增加電場數(shù)量或加高加寬電場的方法提高效率，導(dǎo)致運行成本過高。

（2）節(jié)能技術(shù)與生產(chǎn)工藝和除塵設(shè)備的合理匹配

在設(shè)計及生產(chǎn)運營中，如何設(shè)置合理的運行參數(shù)以達(dá)到節(jié)能、生產(chǎn)、除塵設(shè)備的最佳運行效果，還有待在生產(chǎn)實踐中不斷摸索和總結(jié)。如果設(shè)置不合理，不但會造成能源損失、影響節(jié)能效果，還有可能改變氣體性質(zhì)、降低除塵效率。如泰山水泥集團(tuán)有限公司的5000t/d新型干法生產(chǎn)線在投入余熱發(fā)電系統(tǒng)后，就曾出現(xiàn)增濕塔作用減弱、粉塵比電阻值增加、電除塵器除塵效率下降的現(xiàn)象[1]。

（3）現(xiàn)行NOx控制技術(shù)不能滿足新標(biāo)準(zhǔn)排放要求

目前國內(nèi)水泥廠對NOx的治理主要采用以下四種技術(shù)：優(yōu)化窯和分解爐的燃燒制度、改變配料方案、采用低NOx以及在窯尾分解爐和管道中的階段燃燒技術(shù)。從新型干法水泥線調(diào)查結(jié)果看，50%的企業(yè)NOx排放濃度在400mg/m3以上，39%的企業(yè)超過500mg/m3。由于水泥行業(yè)是從2005年才開始對NOx進(jìn)行監(jiān)測，缺乏濃度排放的對比數(shù)據(jù)，僅從現(xiàn)狀來看，治理效果并不理想。而新的煙氣脫硝技術(shù)：SNCR法和SCR法的脫硝效率可以分別達(dá)到50%～60%和80%～90%，在費用方面，SNCR是SCR的1/5[2]，但SCR法設(shè)備昂貴、技術(shù)要求復(fù)雜，SNCR法在使用時則會有NH3逸出現(xiàn)象，造成二次污染。目前出現(xiàn)的SNCR/SCR組合技術(shù)，是將SNCR工藝中還原劑在爐膛內(nèi)發(fā)生的還原反應(yīng)與SCR工藝中的催化反應(yīng)結(jié)合使用，不但能將氮氧化物排放濃度降低50%，氨的逃逸量減少至＜5ppm，還能使初投資降低到SCR的一半左右[3]。此外，鑒于NOx和SO2在生成過程中存在相互抑制作用[4]，燃燒后煙氣同時脫硫、脫硝技術(shù)也將成為今后工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的重點，例如固相吸收和再生法、DESONOx技術(shù)、SNRB工藝以及NFT技術(shù)[5]等。

3 國內(nèi)外各行業(yè)技術(shù)路線比較

合理的技術(shù)路線能保證一個行業(yè)順利實現(xiàn)既定目標(biāo)，而水泥行業(yè)選取有代表性的評價指標(biāo)進(jìn)行評價，則可以促進(jìn)水泥工業(yè)整體污染防治水平的提升。

3.1 國內(nèi)鋼鐵行業(yè)[6] （見圖1）

圖1 鋼鐵行業(yè)技術(shù)路線

3.2 歐盟

歐盟水泥工業(yè)BAT技術(shù)路線以整個水泥生產(chǎn)過程為主線[7]，分別從原料、燃料和生產(chǎn)工藝兩個方面進(jìn)行技術(shù)問題討論，并合并為最終的BAT技術(shù)（見圖2）。

圖2 歐盟水泥工業(yè)BAT技術(shù)路線

3.3 美國

美國的技術(shù)政策相當(dāng)于歐盟的BAT技術(shù)指南，但歐盟只給出當(dāng)前條件下最佳的可行技術(shù)BAT，根據(jù)所依據(jù)法令和法規(guī)的變化及BAT執(zhí)行經(jīng)驗的反饋、技術(shù)的發(fā)展，定期評審及更新，并對BAT限值進(jìn)行修正。美國則將排放控制標(biāo)準(zhǔn)作為技術(shù)法規(guī)，在聯(lián)邦政府內(nèi)有強制性實施的要求（見圖3）。

圖3 美國的技術(shù)政策

3.4 日本

圖4為日本為實現(xiàn)低碳社會計劃制定的水泥產(chǎn)業(yè)政策方針[8]。

圖4 日本的水泥產(chǎn)業(yè)政策

4 我國水泥工業(yè)污染防治最佳可行技術(shù)評價

我國水泥行業(yè)發(fā)展迅速，近年來新型干法生產(chǎn)工藝得到廣泛推廣和應(yīng)用，逐步取代了舊的工藝技術(shù)，另一方面，新老生產(chǎn)線并存的情況仍然存在，考慮到行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題，以及不同企業(yè)所處地理位置和區(qū)域環(huán)境污染程度的不同，水泥行業(yè)在選擇最佳可行技術(shù)時應(yīng)具有一定的針對性，在制定技術(shù)路線時可以參考美國和日本的技術(shù)政策，根據(jù)不同地域環(huán)境污染本底值和企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模等因素確定削減潛力、指標(biāo)權(quán)重，在現(xiàn)有除塵和生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上選取節(jié)能減排技術(shù)，并通過專家咨詢法、屬性層次模型和屬性綜合評價模型得出最佳可行技術(shù)方案。

具體可參考環(huán)保部組織編制的《水泥工業(yè)污染防治最佳可行技術(shù)指南（初稿）》，采用專家咨詢法（德爾菲法）對參選技術(shù)進(jìn)行定性評價，得出備選技術(shù)后進(jìn)行技術(shù)調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行技術(shù)評價。

4.1 評價程序

（1）確定評價指標(biāo)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，水泥工藝產(chǎn)生的污染以大氣污染為主要環(huán)境問題，主要為煙塵、粉塵和氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、氟化物、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）等有害氣體。

（2）確定各指標(biāo)權(quán)重。確定指標(biāo)權(quán)重的方法有德爾菲法（delphi）、層次分析法（AHP）、屬性層次模型（AHM）和熵值法。推薦使用《水泥工業(yè)污染防治最佳可行技術(shù)指南（初稿）》中所用的屬性層次模型法進(jìn)行綜合評價。

（3）綜合評價。綜合評價方法有屬性綜合評價法、模糊綜合評價法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法和灰色綜合評價法。根據(jù)各評價方法的優(yōu)缺點和適用范圍，推薦使用屬性綜合評價模型。

圖5 我國水泥行業(yè)污染防治最佳可行技術(shù)路線

（4）確定最佳可行技術(shù)根據(jù)綜合評價結(jié)果和經(jīng)濟性分析結(jié)果，篩選出污染防治最佳可行技術(shù)。

4.2 水泥行業(yè)最佳可行技術(shù)路線

在參考國內(nèi)外各行業(yè)污染防治技術(shù)路線的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國水泥行業(yè)現(xiàn)狀，在現(xiàn)有評價指南的基礎(chǔ)上得出以下技術(shù)路線（見圖5）。

4.3 與其他行業(yè)技術(shù)路線的對比

（1）美國、日本和歐盟的污染防治技術(shù)已達(dá)到一定的先進(jìn)水平，在制定技術(shù)路線時主要考慮的是進(jìn)一步提高削減潛力，以及通過廢棄物的再利用來達(dá)到節(jié)能減排效果和增加經(jīng)濟效益；我國的水泥行業(yè)污染物排放的削減潛力巨大，對廢棄物也有充分利用的空間，建議從一開始就將廢棄物再利用納入最基本的節(jié)能減排技術(shù)中進(jìn)行考慮，并及早對出現(xiàn)的問題進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

（2）我國鋼鐵行業(yè)經(jīng)過10多年的快速發(fā)展，在技術(shù)和結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面都取得了令人矚目的進(jìn)步，但“高投入、高消耗、高污染”仍是生產(chǎn)模式的主要特征，制定技術(shù)路線時主要考慮如何發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)約能源和資源、走可持續(xù)發(fā)展道路。這也是水泥行業(yè)需要考慮的問題之一，即將清潔生產(chǎn)理念貫徹到水泥生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)，同時不斷改進(jìn)污染治理技術(shù)，保證從源頭到末端的全線節(jié)能和污染物排放控制。

（3）我國各水泥廠地域分布廣，生產(chǎn)規(guī)模、工藝和污染防治水平相差較大，不同地區(qū)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)也有所區(qū)別，企業(yè)在制定技術(shù)方案時應(yīng)根據(jù)本地區(qū)污染背景值、生產(chǎn)排放限值、企業(yè)規(guī)模和現(xiàn)有污染防治設(shè)備可改造情況，選取相應(yīng)的最佳可行技術(shù)。

5 結(jié)語

水泥行業(yè)應(yīng)結(jié)合自己的實際情況，因原料制宜、因工藝制宜、因地制宜，在確保安全運行的原則下，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟和節(jié)能減排，鼓勵水泥廠污染防治新工藝和新技術(shù)的開發(fā)和利用，確定合理的技術(shù)路線，選取有代表性的評價指標(biāo)對最佳可行技術(shù)進(jìn)行評價應(yīng)用，參考區(qū)域污染本底值，探索切實可行的除塵設(shè)備改造方案。例如，除了使用低成本、高效率的袋式除塵器外，還可以對電除塵器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造。由于氣流分布是影響電除塵器效率的關(guān)鍵因素，可以運用CFD方法進(jìn)行流場模擬[9-10]，優(yōu)化氣流裝置的相關(guān)參數(shù)，在連接尺寸不變的基礎(chǔ)上，用模擬結(jié)果指導(dǎo)電除塵器部分部件的拆除并改造為袋式除塵器，保證了電改袋過程的科學(xué)性和合理性，并節(jié)省大量資金和時間。此外，還可以開發(fā)電-袋復(fù)合除塵技術(shù)等，以滿足環(huán)境敏感區(qū)域的排放要求。

總之，我國水泥行業(yè)的污染物排放和治理還需要在實踐過程中不斷積累經(jīng)驗，反復(fù)調(diào)整各項技術(shù)的參數(shù)設(shè)置，最終達(dá)到除塵、生產(chǎn)和節(jié)能設(shè)備的合理匹配，促進(jìn)我國水泥工業(yè)整體污染防治水平的提升。

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