建材工业水泥的清洁生产技术

（一）优化调整产业结构与技术政策措施

1.现状与存在的问题

分析表明：

　　（1）我国的硅酸盐水泥、特种水泥、#525水泥比例偏低，落后于国外水平。1994年我国的特种水泥（467万吨）和道路水泥（90万吨）含计占总产量的1.3%，而国外一般超过4%，有些水泥大国和地区的主导产品就是#525硅酸盐水泥；

　　（2）我国水泥产品以立窑水泥为主，1994年立窑水泥为33360万吨，占总量的79.2%，而回转窑水泥只占20.8%，这与世界水泥工业的发展相悖，国外立窑水泥总量不超过3000万吨；

　　（3）虽然我国发展新型干法窑已取得了较大成绩，但至今尚未超过全部回转窑能力的一半，在全部熟料生产能力中仅占10%，说明代表世界水泥工业潮流的先进技术在我国尚处于薄弱地位。

　　1994年我国共有水泥企业约8300家，其中乡以上企业约6200家，村以下企业约2100家，小型企业（有许多是小于5万吨的特小型企业）占企业总数近95%，为世界水泥工业之最。由此导致我国水泥企业平均规模不到国外的1/10。发达国家水泥企业的平均规模，欧盟国家为40～50万吨，美国近70万吨，日本超过250万吨，而韩国达到500万吨。

　　水泥工业的不良结构带来了许多负而影响，如能耗偏高、水泥的品种和质量难以满足市场要求、劳动生产率太低、环境污染严重等。1994年我国大中型水泥企业的熟料标准煤耗为163.36千克（其中回转窑为177.64千克，立窑为143.39千克），高于国际先进水平35%以上，1994年水泥工业耗煤6000多万吨，到2010年时将超过1亿吨，会成为煤炭工业的一大负担；由于优质水泥偏少，我国建筑工程中“肥梁、胖柱、重盖”的现象长期难以改观，导致资源的大量浪费，甚至影响工程的长期质量；立窑企业全员每人每年生产水泥80～150吨，大中型企业为200～350吨，只有少数500～1000吨，而国外普遍为2000～4000吨，劳动生产率远远落后于水泥工业发达国家；我国水泥企业污染最严重为的粉尘，粉尘的飞扬损失率高达3%～5%，水泥在装运中的损失也超过了3%，而发达国家的粉尘污染基本得到治理，如欧盟国家粉尘飞扬损失平均为0.17～0.40千克/吨熟料，德国水泥厂粉尘总飞扬损量在0.3千克/吨水泥以下，水泥厂周围的降尘量可达到纯农业区的水平，即0.1千克/平方米·天，粉尘污染在小企业中尤为严重，另外还有乱开采对资源的浪费和对植被的破坏等。

　　上述种种问题表明，水泥工业要实施可持续发展战略，推行清洁生产，其关键措施之一是大力调整现状产业结构。

2.对策与措施

　　结构调整的方向主要是通过积极发展以预分解窑为主要新型干法窑，积极建设大中型生产线，扩大企业规模，节能降耗，提高产品质量和多方面的效益，改造或淘汰小型、落后的装备及企业；与此同时必须深化企业改革，提高企业综合素质。根据对水泥品种、标号、窑型以及企业规模目标的预测，到2010年我国水泥工业将由现在的“大而弱”向“大而强”显著转化，主要表现在以下几方面：

　　（1）水泥产量将增长80%，其中回转窑水泥将增长1倍，#525以上水泥将增长2.5倍，特种水泥增长3倍，硅酸盐水泥和普通水泥和产量都大幅度上升；

　　（2）新建、扩建和改造的回转窑大多将采用新型干法窑，其配套装备和技术也将采用高效节能的新产品和新成果；

　　（3）在“上大改小”方针指导下，新增能力将与改造、改革现有企业相结合，尽可能盘活存量资产，推进企业重组联合，扩大规模，提高综合效益，大中型企业产品所占比例提高到67.5%；

　　（4）条件较好的立窑企业将被彻底改造，有些将扩建为回转窑，条件差的企业将被淘汰，兼并或转产，立窑企业的数量将减少；

　　（5）随着水泥工业综合治理水平的提高，环保达标的企业将日益增多。

　　我国水泥工业是小线小厂的汪洋大海，巨大产量是在极不合理的规模结构状态中实现的，这种现状与今后强调确保水泥质量，提高企业与社会综合效益，保护环境以及实现可持续发展等正确发展方向的要求背道而驰。水泥工业技术政策的部分新要点如下：

　　（1）推动立窑生产线全面向年产约10万吨规模的先进立窑生产线发展。我国规模不超过10万吨；/年的小生产线占90%以上。经过“八五”的发展已经完成了土立窑向机械化立窑的发展过程。我国立窑生产线目前的出路只能向规模化（10万吨/年是立窑生产线的最大规模）和采用现代技术的先进立控方向发展。指明和引导这种发展是技术政策新要点的重要内容之一。

　　（2）限定水泥厂的最低规模不小于20万吨/年，生产线的最小规模，立窑接近于10万吨/年，旋窑不小于20万吨/年，以此作为立窑厂技术改造和新旋窑生产线的指导方针。生产具有一定规模才可能在管理上和技术上采用现代化的手段，才能具备严格控制产品质量的条件。10万吨/年规模的立窑生产线的是以最大型号的机械化立窑为主体，可采用较好的配套设施和监控技术，保证水泥质量；20万吨/年的旋窑生产线意味着基本具备新型干法生产工艺的起码经济条件，也意味着排除采用湿法、半干法（立波尔）和规模过小的干法生产线的可能，使小水泥厂的改造、升级有较高的技术起点：20万吨/年的水泥厂已基本达到销具规模的中型厂的要求。

　　（3）规定在水泥窑煅烧熟料时，无论立窑或旋窑一律不准使用石膏和莹石之类的矿化剂技术。采用石膏、莹石这类的矿化剂，在熟料烧成过程的有SO2和氟化物放出，存在严重污染环境的弊端。在水泥需求矛盾已经缓和并进入有序发展、强调清洁生产、注意可持续发展的今天，以牺牲环境为代价的生产技术应坚决予以淘汰、制止。

　　（4）要求我国水泥国家标准中的质量指标与国际先进指标看齐，积极推进与国际标准接轨。水泥标准在一定程度上反映了水泥工业发展水平，也是推动其发展的强大动力和有效手段。

　　（5）要对水泥生料配料中不用或少用粘土，尤其是对毁田取土作出政策规定，我国目前水泥厂毁田取土现象较严重，尤其是立窑厂为了生料成球工艺的需要，必须采用塑性好的粘土作为原料。成球烧成是落后工艺，新型干法工艺无需生料预先成球。把水泥工业少用或不用粘土、禁止毁田取土作为技术政策，既促进了水泥工业的技术进步，又有利于保护环境和农业生产。

　　（6）把环保指标用技术政策的方式作出明确规定。水泥工业对环境的污染主要是粉尘，水泥厂数目越多，排放点越多，治理越困难，我国水泥工业大量采用立窑生产，其污染很难治理，实际上大多数立窑生产以牺牲环境质量为代价的。在技术政策中明确环保指标，可以制约低水平立窑的生产，还会从深层次有利于提高水泥厂的设计水平、装备制造水平、生产管理水平以及投资分配合理化。

　　（7）要明确宣布一批规模过小、设计落后的水泥工业设备为淘汰设备。

　　（8）要实现大型新型干法生产装备国产化，大幅度降低大型生产线的设备费用和提高可靠性、先进性。600～2000吨/日的生产线已可以全面国产化，4000吨/日的生产线已有若干设备可自行设计制造。技术政策应为促进水泥生产设备的大型化创造条件和指明方向，为水泥工业规模结构调整提供基础。

　　（9）要明确提出大幅度提高我国水泥工业劳动生产率。我国目前处于千军万马齐搞水泥的状态，劳动生产率十分低下。就是在一些引进装备的大型水泥厂，按生产岗位的实物生产率的比国外同类厂低几倍，如果不能通过规模化生产明显提高劳动生产率，会在很大程度上失去规模结构调整的意义。

（二）依靠技术进步，节能降耗

　　依靠技术进步来促进水泥工业的节能降耗是水泥工业清洁生产的重要措施之一，它可以最大限度地综合利用自然资源和能源，提高生产效率和技术水平，减少资源和能源的消耗，减轻环境负荷。水泥工业能源消耗占建材总能耗的35%，是建材工业第二耗能大户。我国大中型重点水泥厂的水泥总能耗，随窑型不同，一般是在160～300千克标煤/吨之间，而国际先进水平仅135千克标煤/吨左右，如果除去干法中空窑和湿法长窑（耗能高）以外，我国新型水泥厂总能耗也介于160～170千克标煤/吨。

　　1.大中型水泥回转窑的节能途径

　　我国大中型回转窑大多是湿法窑，能耗高。目前主要采用下列几种方式改造

　　（1）新建、扩建、改建窑外分解窑，增加新型干法生产水泥的比重是提高水泥生产技术水平，降低能耗的主要途径。目前我国已建成一批日产700～4000吨级窑外分解窑，其经济效益和节能效果非常明显。窑外分解窑生产水泥熟料与湿法窑相比，水泥熟料标煤耗可降低50～80千克/吨；

　　（2）湿法窑改造成湿磨干烧半干法生产，水泥综合标煤煤耗降代25～30千克/吨；

　　（3）原有余热发电窑进行更新改造：将原来低压（1.274～2.45兆帕）操作系统改为中压（3.82兆帕）操作系统，发电能力由100千瓦时/吨熟料提高到150千瓦时/吨熟料，水泥厂电自给率可达70%～80%；

　　（4）湿法窑综合节能技术改造：未进行全面改造的湿法窑可进行综合节能技术的改造，它包括装耐热钢链条、隔热窑衬、镁砖窑衬、黑料浆、减水剂、三通道喷煤咀、煤磨及煤粉系统改造、冷却机保温等。改造后每吨熟料节能约35千克标煤。

　　2.小型回转窑的节能技术改造

　　我国小型回转窑企业二百多个，大多是直径3米以下的回转窑，主要包括干法中空窑、立筒预热器窑和余热发电窑。小型回转窑能耗很高，熟料煤耗一般在250～300千克/吨。

　　（1）对比较大型的原料、运输、市场条件较好的回转窑，可将其改造成五级悬浮顶热器窑和捷克立筒窑，我国已有试点；

　　（2）在缺电地区可改造成余热发电窑，回收余热；

　　（3）对条件差、直径小、能耗高的小回转窑应关停，以免浪费能源。

　　3.立窑的节能改造

　　我国立窑水泥技术发展大体经历了两个阶段：第一阶段是以“土”为主的普通立窑阶段；第二阶段是从80年代中期开始以推广14项先进技术为起点的向现代化立窑发展的阶段，目前正处于这个新的发展阶段，但全国的立窑企业水平参差水平，差距很大。我国目前尚有数以千计的立窑企业仍然停留在第一阶段水平，这些初级阶段的立窑企业就应是加速淘汰的对象。14项成熟的技术和装备包括：原料预均化技术；生料微机自动配料技术；生料均化技术；生料高效粉磨技术；复合矿化剂应用；煤料分别粉磨技术；窑体综合改造技术；预加水成球技术；立窑热工参数的微机监测与控制技术；立窑窑体保温技术；磨机负荷自控技术；节能型沟槽衬板；新型水泥高细磨技术；粉尘综合治理技术。这14项技术和装备仍将不断发展。通过推广采用这些改造措施，机械化立窑生产技术水平大为提高，产品质量稳定，熟料标煤耗为100～125千克/吨，水泥综合电耗80～85千瓦时/吨。部分先进立窑企业的主要技术经济指标可与大型回转窑企业媲美。

　　4.降低熟料热耗的技术

　　（1）采用低阻高效的多级预热器系统

　　预分解窑随预热器级数的增多，系统热力学效率逐步提高，热耗相应降低。但单纯增加预热器级数难以达到满意效果，必须配合新型预热器的开发应用。近年来，国外各种新型的低阻高效预热器已相当成熟可靠；各级预热器的分离效率均可提高到85%～95%，每级阻力可降到500帕以下。如丹麦福勒斯公司的LP型和德国波利斯公司的Dopo190型均属于这类低阻高效预热器。在经济合理的条件下，预分解窑预热器的级数以五级或六级为宜。

　　（2）采用控流式新型篦冷机

　　控流式新型篦冷机在节省熟料热耗，提高窑系统运转率和可靠性，以及延长篦板寿命与减少维修量等方面，已获得显著成效并在国外广泛采用。目前，国外新建水泥厂几乎全部采用控流式篦冷机，许多老厂的篦冷机也在陆续改为控流式。控流式篦冷机与传统老式篦冷机相比具有以下特点：①冷却风量合理分配，提高利用率；②高阻力缝型篦板能减少因料层厚度或熟料粒度变化对通风总阻力的影响；③冷却风量小，综合单位电耗低；④窑二次风温和三次风温可分别提高200℃和100℃；⑤使用寿命长，可行性好；⑥篦冷机的热效率可从62%提高到78%。

　　（3）多通道喷煤管的应用

　　目前国外普遍采用三通道煤管，也有专为低NOx设计的四通道喷煤管。国际知名的喷煤管主要有皮勒公司的Rotaflam型，福勒斯公司的Swirlax型与Ceurrax型等。使用这类喷煤管或节能熟料热耗42～126千焦/千克，减少10%～30%的NOx。

　　5.水泥粉磨节电技术

　　粉磨是水泥生产中主要耗电工序，占综合耗电量70%，我国水泥厂大多是采用低效的球磨机，效率只有3%～5%，因而降低粉磨电耗是水泥企业重要的节能目标。主要节电措施如下：

　　（1）用高效粉磨机取代低效的于磨机，如立式磨、辊压磨、挤压磨、高细磨等；

　　（2）以大磨机取代小磨机，淘汰直径小于1.83米的小型球磨机；

　　（3）改进粉磨工艺流程，增添预破碎机、选粉机。改进流程使进磨的物料量减少或使进磨物料粒度减少，提高球磨机效率；

　　（4）对设备和电路采和有效的节电措施，如采用耐磨钢球、耐磨衬板及节能型衬板等。

　　6.回收二次能源的技术

　　水泥工业二次能源的回收具有良好的前景和发展潜力。主要包括两方面，即利用窑系统的中代温废余热发电；利用可燃废料替代部分煤来燃烧熟料，使废料资源化同时节省能耗，减轻环境负荷。

　　（1）废气余热发电

　　水泥预分解窑废气分别来自预热器和篦冷机的排风余热，温度介于200～400℃之间。可以用于发电的余热约670～1005千焦/千克熟料。现代水泥工业的中纸温余热发电技术起始于70年代末的瑞士、美国和日本，现在日本已有半数以上水泥厂采用多种形式的余热发电技术。我国台湾省的行政当局于1995年通过立法，规定新建水泥生产都必须采用中低温余热发电。韩国、泰国等新兴水泥工业采用该技术者日众。中低温余热发电的能源回收水平可达35～40千瓦时/吨熟料。

　　（2）可燃废料的回收利用

　　回收利用二次燃料可节约能源，减少CO2气体排放亦同时起到废物污染治理的作用。可燃废原料包括油页岩，灰质页岩和各种含炭的炉渣炉灰等。它们主要用作水泥的粘土质原料或校正的原料，其热值较低。目前采用成熟方法是先在循环流化床将其中的可燃质从原料中分离出来，制成气体燃料送到分解炉内燃烧，粘土质原料则进入预热器或分解炉，与其它原料一起烧成熟料，可燃废料二次能源回收主要有三种方式：其一是在分解炉内燃烧；其二是在循环流化床中制成气体燃料再送往分解炉；其三是在窑头燃烧；国际水泥工业利用可燃废料回收能源，已取得初步成功，许多废物治理的研究机构和环保专家认为水泥窑系统中燃烧可燃废料与现行的废料焚烧炉或填埋法比较具有显著的优越性；水泥窑可将废料 中大部分重金属固定于熟料中，避免再次污染扩散。长期的研究表明，回收利用二次燃料的水泥厂，其周围环境可达到零污染水平，所生产的水泥及制品对环境无负面影响，无愧于清洁生产、绿色工厂的称号。目前，欧美水泥工业对二次燃料的回收利用正日益重视，二次燃料的利用占水泥生产总热耗为：美国、加拿大约5%，英、德、法诸国为6%～8%，瑞典、挪威约12%，瑞士高达20%。瑞士霍德巴克水泥公司的瑞肯厂是一家利用二次燃料替代部分煤的水泥厂，该厂于1996年就获得了ISO14001认证，是世界上第一家获此认证的水泥厂。

　　7.工业废渣综合利用生产水泥

　　1995年我国工业废渣产生量为6.5亿吨（未包括乡镇企业），累计堆存66.41亿吨，占地5.5亿平方米。目前工业废渣的利用率偏低，绝大多数废渣是环境的污染源。利用工业废渣生产水泥能节省资源消耗，减轻环境污染，在水泥生产中掺加矿渣、粉煤灰等工业废渣和火山灰材料做混合材水泥已有较成熟的技术。目前，我国水泥标准中已有矿渣水泥和火山灰水泥等标准，为水泥企业利用工业废渣提供了条件。工业废渣和火山灰材料不需要燃烧，直接作为混合材掺加在产品中，可少用水泥熟料，降低烧制熟料的原料和煤的消耗。有些企业利用粉煤灰掺加石灰石和石膏进行蒸养，可生产无熟料水泥。我国水泥标准规定，矿渣水泥允许掺入高炉矿渣的重量为20%～70%，火山灰水泥和粉煤灰允许掺入的火山灰材料重量为20～40%，我国还有一些水泥企业在生料料中掺入一定量的煤矸石和粉煤灰，可以强化对原料的煅烧并降低生产熟料的煤耗。

　　8.大力推广散装水泥以节能

　　工业发达国家已基本实现了水泥散烧化如日本的散装率为94%，美国为92%，西欧为60%～90%，而我国水泥散装率不足10%。每使用1万吨散装水泥，可节约包装纸装60吨，折合木材330立方米，减少水泥损失500吨。

（三）废气污染治理技术

　　水泥企业的污染主要为废气污染，其中尤以粉尘污染最为严重，此外还有CO2、SO2、NOx等污染。我国的绝大多数水泥厂已成为当地污染的大户，严重的影响城乡的环境的农村生产。水泥企业粉尘污染的来源包括石灰石开采和破碎、运输、储存、包装、烘干、原料粉磨、熟料煅烧过程和冷却过程、煤粉制备过程和水泥粉磨过程等环节。烟尘的治理一般通过改进生产工艺和合理选择收尘设备这两方面进行。我国虽然在污染治理方面做了不少工作，污染状况有部分改善，但离发达国家还有很大差距。国外水泥厂污染治理技术主要是选用高效电收尘器和袋式收尘器，同时在建设水泥厂时确保足够的投资。近年来国外对水泥厂污染的治理除致力于粉尘外，还注意到NOx和SO2。排放标准由单位体积排尘量改为生产单位熟料产生的废气量和粉尘量计。国外许多水泥厂还采取自动监控措施，在烟囱外安装粉尘浊度仪，以保证烟气达标。下面分别从水泥生产的煅烧工艺、烘干工艺和粉磨工艺三个方面介绍粉尘治理技术。

　　1.煅烧工艺粉尘治理技术

　　干法回转窑包括干法中空长窑、带余热锅炉的回转窑、立筒预热器窑以及各种旋风预热器窑。这种类型的窑排放的烟气温度高、湿度小、粉尘比电阻高、烟气量大，一般可以采用增湿塔——电收尘器系统或空气冷却器——袋式收尘器两种收尘方式。对于大型干法回转窑，采用电收尘方式已取得了较丰富的经验。
干法中空长窑收尘系统：高温烟气经冷烟室、高温风机、增湿塔（或冷却器）、收尘器，最后由烟囱排放。这种收尘系统一般均采用正压式，可以简化流程，减少投资。

　　带余热锅炉的干法窑收尘系统：窑尾烟气温度较纸，漏风量大，应配用规格较大的收尘器。我国启新水泥厂使用增湿塔进行调质，电收尘器的运行电压由22千伏提高至50千伏，收尘器效率由76%提高到99.4%，烟尘排放浓度在50毫克/立方米以下。

　　带悬浮预热器的干法回转窑收尘系统：小型的悬浮预热器窑（10万吨/年以下）收尘通常采用较简易的系统如冷却器——电收尘器（或袋式收尘器）；对大型悬浮预热窑窑尾常考虑增设余热利用管路，利用部分烟气作为生料磨烘干之用，对大型回转窑，以采用电收尘器为宜。

（2）立窑

　　我国大部分立窑水泥厂突出的问题是产品质量有待提高，能耗较高，环境污染严重，近几年多项新技术的采用使状况有所改善。其中预加水成球、闭门操作等新技术大大减轻了立窑烟气对环境的污染。
预加水成球：预加水成球使湿球强度提高30%，干球强度提高一倍以上，球的炸裂温度提高，球粒度均匀，提高孔隙率和抗冲击负荷，操作点无粉尘，特别是排放粉尘的浓度大大降低。
闭门操作：在煅烧过程稳定运行的基础上，对工艺过程的各个环节采用微机综合控制技术，实现闭门操作，可使粉尘排放量大大降低。

　　2.烘干工艺粉尘治理技术

　　我国水泥厂采用较多的是回转式烘干机，烘干机设备排出的废气是水泥厂主要的尘源。烘干废气具有含尘浓度高、水分高、温度高和有腐蚀性等特别，其收尘系统一般要考虑下面几点：

　　（1）一般采用二级粉尘，第一级多用旋风收尘器，第二为电收尘器或袋式收尘器；

　　（2）要防止结露腐蚀，加强保温；

　　（3）优先选用专用于烘干机的收尘器，提高其耐腐蚀性能。

　　3.粉磨工艺粉尘治理技术；

　（1）生产磨和水泥磨收尘

　　磨机通风抽出的粉尘颗粒极细，适合采用袋式收尘器或电收尘器。对于排尘浓度在80克/立方米（标）以内的水泥磨，一般采用袋式收尘器或电收尘器一级收尘系统。当排尘浓度太高，则需在主收尘器前加设旋风收尘器，即采用二次收尘系统。
近年来，一些大型厂的大型磨机采用屏蔽吹振式扁袋收尘器，其收尘效率高，只需一级收尘就可达标，简化工艺流程并节约能源。目前众多中小型水泥厂的生料磨、水泥磨广泛采用高压静电收尘取得了较好的技术经济效果。

　　（2）煤磨的收尘

　　煤磨排出含煤粉气体不仅污染环境，而且浪费资源。目前国外煤磨收尘采用袋式收尘器或电收尘器，日本和美国主要用袋式收尘器，欧洲各国普遍采用电收尘。

　　湿式收尘存在煤泥和污水不易处理的二次污染问题，普通袋式收尘器多因静电作用导致事故频繁，所以煤磨收尘技术尚在开发和推广应用之中，天津水泥设计研究院设计的电收尘器收尘效率达99.75%，合肥水泥研究院开发了防爆型煤磨袋式收尘器，收尘效率高达99.8%以上。这两种收尘器均在推广中。