水泥工业粉尘污染特征及控制技术

水泥工业粉尘污染特征及控制技术

1、引言

水泥工业最主要的污染形式是粉尘污染，由水泥生产过程中原料、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。水泥工业的尘源点比较多，煤磨、烘干磨机、冷却机、破碎机、输送带、选粉机、库顶、料仓、库底和包装系统等都会产生出大量的粉尘【1】。水泥工业最典型的粉尘污染便是向大气环境中排放直径小于或等于2.5μm的颗粒物质（PM2.5）。目前我国有水泥生产企业5000余家，规模以小微型企业为主，约占72％。2013 年5-8月，国家安监总局职业安全卫生研究中心对全国31家水泥生产企业粉尘进行检测，结果表明粉尘浓度严重超标【2】。

2 水泥工业粉尘污染特征及危害

2.1 对人体健康和生态环境的危害

水泥工业产生的粉尘成分复杂，属于混合性粉尘，包括石灰石粉尘、熟料水泥粉尘、粉煤灰粉尘、石膏粉尘和其他粉尘，其混合物富含游离的SiO2，还含有钙、镁、铝、铁等元素。粉尘中游离SiO2含量的高低直接影响粉尘的毒性，人体长期吸入富含游离SiO2的粉尘将染尘肺病，熟料粉尘中游离SiO2的含量不应超过10%，大于10%以上的粉尘称为矽尘，长期吸入矽尘将引起矽肺【3】。水泥尘肺的发病与染尘时间、粉尘浓度及粒径和个人体质直接相关，发病工龄一般为10~20年【4】。工人在含有硅粉尘的环境里长期作业，会出现咳嗽、口干、咽炎、喉痛、气短、胸部痛闷、胸透病变和肺部疾病等症状，粉尘吸附在肺粘膜中，长期积累，使肺纹变粗、扭曲，肺内散布小圆硅块，最终因肺丧失换气功能而导致死亡【5】。

水泥粉尘pH值约为10~12，呈较强的碱性，能使周围农田土壤碱化。水泥粉尘通过水合作用和结晶作用在土壤表面形成硬的外壳，导致土壤孔隙性、有机碳含量和持水能力显著下降【6】。另外，水泥粉尘能在植物叶片、枝条、花朵上形成一层水泥结壳,阻挡光线,影响光合作用,从而减少了淀粉的形成量【7】，还会对植物气孔的阻塞作用。使气孔阻抗增大，蒸腾强度和光合速率降低，从而导致植物生长受阻【8】。

2.2 水泥工业粉尘污染特征及分布

水泥主要成分为硅酸盐、Fe2O3、CaO2、Ca2SO4、Al2O3和MgO2等，由石灰石（76.4%）、黄土（13.05%）、煤（3.2%）、铁粉（1.85%）和萤石（0.5%），经1500 ℃左右煅烧成熟料后加入适量石膏、矿渣粉磨制成。其遇水即成碱性，具有分散度高，附着性、吸湿性和腐蚀性强等特点【9】。

水泥工业粉尘污染的特征主要包括以下4个方面：①其产生贯穿于整个生产流程；②其是成分复杂的混合性粉尘，粒径分布广，烟尘温度变化大；③其排放方式分为有组织和无组织两类，且均为需重点控制的污染来源；④其富含游离SiO2，毒性较强，水泥工业是矽尘和尘/矽肺病重点控制行业。

水泥生产过程中原料、燃料和水泥成品储运，物料的破碎、烘干、粉磨、煅烧等工序的废气排放或外逸都引起粉尘的排放，其中原料粉磨及煅烧发生的粉尘排放最为严重，约占水泥厂粉尘总排放量的70%以上【10】。无组织排放源主要为：石灰石矿山的开采，原料（煤予、辅料、石灰石）均化堆场，熟料库及熟料外运和水泥添加剂及其配送、包装、散装及袋装水泥储存、储库等环节，其余均为有组织排放。新型干法窑、篦式冷却机、水泥管磨、立式磨机和高效选粉机的含尘浓度分别约为50g·Nm-3、10g·Nm-3、80g·Nm-3、500g·Nm-3和1000g·Nm-3；其相应的单位产品产尘量分别约为100Kg·t-1、25Kg·t-1、120Kg·t-1、1000Kg·t-1和1000Kg·t-1。

2010年，我国水泥总产量1.868×105万t，其中新型干法窑产量1.4944×105万t，占总产量的80%。新型干法水泥窑是目前最重要的粉尘污染来源，而其中回转窑生产系统，尤其是窑头篦式冷却机及窑尾的烟尘排放最为显著【11】。篦式冷却机烟气正常温度为220~240℃，极端可达400℃；风量变化大；粉尘浓度一般<20g·Nm-3，恶劣工况时可达50g·Nm-3以上；含湿量约为1%~2%；粒径粗（10μｍ以上占85%），黏性低，磨蚀性强；比电阻高（1000Ω·cm 左右）；粉尘比重在3.2g·cm-3左右。窑尾烟气性质因窑磨一体以及是否带余热锅炉等因素会有较大变化，窑尾气正常温度为350℃左右，采用低温余热发电时可降到200 ℃左右；粉尘浓度60~100g·cm-3；粉尘粒径细（10μｍ以下占78%左右）、黏性大、具有腐蚀性；比电阻高；烟尘工况不稳定。

吴刚【10】等研究发现水泥生产过程中粒径<10μｍ粉尘所占比例很大，一般在

40%~80%；<10μｍ粉尘中，<2μｍ的约占60%；2~5μｍ的约占25%；5~10μｍ的约占15%。水泥行业微细粉尘控制是值得关注的难点。何伟明【12】对成都某大型干法水泥生产线粉尘中游离SiO2含量的测定结果显示：砂岩、页岩、硫酸渣配料仓，磨煤机，粉煤仓，石膏、矿渣输送皮带头的游离SiO2含量均超过10%，最高达到30.5%。水泥工业粉尘中高的游离SiO2含量带来更高的人体健康和生态风险，值得密切关注。

3 水泥工业除尘技术及设备

3.1袋式除尘技术及设备

目前，新建、扩建的干法水泥工业从原料破碎到包装出厂的整个生产线大多采用袋式除尘器【10】。其适用于水泥行业生产线上的通风及热力设备、排放点和扬尘点，并大量用于水泥行业电除尘器的改造。袋式除尘器的优点有：不受烟尘比电阻等性质的影响，能捕集电除尘器难以捕集的粉尘；收尘效率高，排放浓度有的可达10mg·Nm-3以下，除尘效率随粉尘浓度的升高而升高；运转稳定，适应性强，能在较宽范围的温度、压力和粉尘负荷下运行；操作技术简单、可在线检修。袋式除尘器的缺点也十分明显，尤其是滤袋受到烟尘温度的限制，温度过高时容易烧袋，温度过低又容易冷凝结露而糊袋【1】。水泥行业多年来认为袋式除尘器运行阻力及能耗高，造价成本及运行费用贵，这是制约其发展的主要因素。5000t·d-1水泥窑电改袋至少投入700万元，新建安装袋式除尘器至少要900万元；其设备阻力通常在1000~1500pa；窑头和窑尾功耗分别在400kw和550kw 左右；普通滤袋寿命一般为1~2a，高端滤袋为3~5a。随着国家排放标准的日益严格，耐高温、高效、特种新型滤料的不断涌现并降低了较大的设备及运行成本，袋式除尘器逐渐被越来越多的水泥企业采用。

3.2电除尘技术及设备

电除尘器广泛应用于水泥工业粉尘的收集与控制，尤其是在立窑、湿法窑和中空窑水泥生产中的使用较为普通，也有少数的在回转窑中使用【13】。电除尘器性能与粉尘比电阻（1×104～5×1011Ω·cm 可采用）、集尘电极的总表面积、气体的体积流量以及颗粒物的迁移速度等因素有关，并对CO浓度有严格的限制（<1.0%）。水泥行业采用电除尘器时，如净化立磨（辊式磨）的烟尘浓度高，应有预分离装置；湿法窑烟尘湿度大，电除尘器易被腐蚀，窑尾会因不正常工况