环境管理_水泥工业与环境保护概述

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尘和噪声的防治问题 图1环保型新型水泥工业 2 消减和防治有害物排放技术 2 1SO2的防治水泥窑废气中的SO2主要是由燃料中硫化物和原料中的硫铁矿等物质 在顶部两级预热器中 处于300 600 的温度下分解而生成的 还有一些SO2是在燃烧时因S的氧化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SO2分别被CaO和R2O所吸收 形成SO2的循环 如表4和图3所示 表4水泥窑系统中SO2的生成与吸收的化学反应 图3带有旁路放风的预分解窑系统中SO2的循环平衡 相应的脱硫措施有 生料吸收法 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 其中一部分SO2将被生料粉末的表面所吸收 最后又返回到窑的烧成带 以CaSO4 R2SO4的形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 绝大多数的新型干法水泥厂都是这样操作的 2 石灰吸收法 将生石灰CaO用压缩空气喷人SO2浓度较高的部位 通常在上部预热器及其连接管道处 使CaO与SO2相作用 形成CaSO2固定在熟料中 该法一般可吸收50 60 的SO2 气体悬浮吸收塔GSA 用于窑尾废气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Ca OH 2 悬浮于吸收塔中吸收废气中的SO2效率很高 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需而选用 图4气体悬浮吸收塔GSA 2 2NOx的防治水泥窑废气中的NOx 其中约95 为NO 5 是NO2 NOX的产生来自两方面 即燃烧过程中 燃料中的氮化合物被氧化 称之燃烧 NOx 以及燃烧空气中的N2被氧化而成 谓之 热力NOx 当燃烧区温度在1200 以下时 仅生成前者 超过200则产生后者 总之 火焰温度越高 过剩空气越多 则生成NOx亦越多 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 氮还原法就是用氨来还原NO2 其反应式为 NH3 OH NH2 H2ONH2 NO N2 H2O 1 选择性非接触剂型脱氮法SNCR 通常是将含NH325 的溶液喷人废气温度为900 1100 的窑尾管道中 按照上述反应式NO被还原为N2和H20 此法采用的装置较简单 一般可以将废气中的NOx含量降低50 左右 2 阶段燃烧法 丹麦FLS公司的低NOx ILC分解炉就是利用这样的原理 在分解炉下半部通入较少的三次风 控制过剩空气系数 0 9 在这里形成还原焰 利用CO将NOx还原成N2 然后在分解炉的上半部通入较多的三次风 1 2 将剩余的CO全部烧成CO2 图5丹麦FLS公司的低NO2 ILC阶段燃烧法分解炉系统 3 选择性接触剂型脱氮法SCR 此法与SNCR所不同的是 在350 气温下使NH3 气体或液体 在接触剂表面与NO2发生化学作用 这样不仅能消除NO2 同时还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 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用较多 对水泥厂来说 目前在经济上还难以接受 3 CH和重金属的防治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法将CH烧掉 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 4 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情况 Polysius公司开发了一种立式活动层状活性炭过滤器 如图6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 净化率达95 99 图6Polvsius立式活动层状活性炭过滤器 5 窑灰处理及其防治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 丹麦FLS Fuller公司研究开发的窑灰流化床处理系统 如图7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 喂入流化床内煅烧 其废气中的粉尘富含K2SO4 用收尘器回收后可用作钾肥 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 没有二次污染问题 图7FLS Fuller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 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 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 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 回转窑容积大 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 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 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 没有再次生成残渣 水泥窑中的碱性气氛可将废料所含的CI中和而生成NaCI KCl等 无需另设专门的废气净化设施 燃料所产生的热量直接用于熟料烧成 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 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 对于改善提高水泥的若干性能指标还具有十分关键的意义 图8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 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 充分利用其中的硅 铝 铁 钙等有用成分 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资源 这种利废方式需要较高的技术水平及装备才能解决 图9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 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需的燃料 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 减轻全社会的环境负荷 还可以节省日益紧缺的天然化石燃料 煤 石油 天然气 图10水泥厂循环利用城市垃圾为燃料的工艺流程 图11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 见图14 其中的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 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 图14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 如果温度稍高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 2 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 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概率较小 故其对物料温度的适应范围较宽 生料中无需掺加熟料晶种 图15喷腾炉熟料缎烧系统 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 始终维持正常操作条件 3 余热发电系统目前 国际上水泥工业利用余热发电的一般水平为每生产1t熟料回