1.主要有害氣體和危害
1.1二氧化硫(SO2)
水泥工業廢氣中的SO2主要來源於水泥原料或燃料中的含硫化合物，以及高溫氧化條件下生成的硫氧化物。對於新型幹法生產，硫和鉀、鈉、氯壹樣，是造成預熱器、分解爐結皮堵塞的重要因素之壹，是對生產有害的成分，需要限制。由於水泥回轉窯內有足夠的鈣和壹定量的鉀、鈉，形成的硫酸鹽揮發性差，80%以上殘留在熟料中，所以廢氣中排放的SO2比其他工業窯爐(如電鍋爐)少得多。對於幹法空心窯、立窯和濕法水泥生產過程，SO2排放量遠大於新型幹法生產。
SO2是最重要的含硫大氣汙染物之壹。SO2是無色有毒氣體，有刺激性氣味，不可燃，易液化。二氧化硫是全球酸雨的主要原因。
1.2氮氧化物
水泥生產過程中排放的氮氧化合物主要來自燃燒空氣中的N2和燃料高溫燃燒時的氧化結合。產生的氮氧化合物量取決於燃燒火焰的溫度。火焰溫度越高，N2氧化產生的氮氧化合物越多。在新型幹法生產系統中，由於50% ~ 60%的燃料在溫度較低的分解爐中燃燒，新型幹法生產系統排放的氮氧化合物遠低於傳統生產方式。據估算，中國水泥行業氮氧化合物年排放量約為1萬噸。
在氮氧化物中，NO和NO2是兩種最重要的空氣汙染物。
NO為無色氣體，淡藍色液體或藍白色固體，在空氣中易被O3和光化學作用氧化成NO2。
NO2為黃色液體或棕紅色氣體，溶於水可生成硝酸和亞硝酸，具有腐蝕性。NO與血紅蛋白的親和力比CO大幾百倍，暴露於高濃度NO的動物可能有中樞神經病變。NO2會刺激眼睛和呼吸道。高濃度NO2急性中毒可引起氣管炎和肺氣腫，嚴重者甚至死亡。NOX還能形成光化學煙霧，嚴重影響視野。NOX分級濃度的危害程度見表1。
表1？氮氧化物對人體的危害
氮氧化物濃度(ppm)
對人體的危害
0.5
連續暴露4h後，肺細胞病理組織發生變化；連續暴露3-12個月後，支氣管出現肺氣腫、感染和抵抗力減弱。
1
聞到壹股臭味
五
聞到壹股強烈的氣味
65438+10月15
眼睛、鼻子和呼吸道受到刺激。
80
在3-5分鐘內引起胸痛。
100-150
人會在30分鐘內最多1小時內死於肺氣腫。
& gt200
人瞬間死亡。
1.3 SO2、氮氧化合物和酸雨
酸雨是全球環境汙染的罪魁禍首之壹。酸雨含有多種無機和有機酸，其中大部分是硫酸和硝酸。二氧化硫和氮氧化物在大氣成雨過程中被水汽凝結成的液滴吸收，形成硫酸雨滴和硝酸雨滴；在下落的過程中，含酸雨的液滴不斷融合、吸附、沖走其他含酸雨的液滴和含酸氣體，形成更大的雨滴，最終落到地面，形成酸雨。當酸雨酸度過高，PH值降到5.6以下時，就會造成嚴重的危害。它能直接殺死大片森林，使莊稼枯萎；還會抑制土壤中有機質的分解和氮素的固定，從土壤顆粒中浸出鈣、鎂、鉀等養分，使土壤貧瘠；它還能酸化湖泊、河流，溶解土壤和水體沈積物中的重金屬，使其進入水中，使魚類中毒；加速建築物和文物的腐蝕和風化過程；它還會危害人類健康。
1.4氟化物
當原料中使用螢石(CaF2 _ 2)等含氟礦物時，壹種或多種揮發性含氟無機化合物會在高溫下排放到大氣中。如果有矽酸鹽化合物存在，會形成SiF4，排入大氣，進壹步水解生成氟化氫(HF)——壹種無色氣體，在19.54℃以下為無色液體，極易揮發，在空氣中呈煙霧狀，有毒，刺激眼睛，腐蝕皮膚。無水氟化氫是最強的酸性物質之壹，對普通鋼材有強腐蝕性。
四氟化矽(SiF4)是壹種無色、不可燃的氣體，具有劇毒，並且具有類似於氯化氫的令人窒息的氣味。在潮濕空氣中水解時，生成矽酸和氫氟酸，同時產生濃煙。
當大氣中含氟化合物的殘留濃度超過允許濃度時，就會對動植物生活乃至氣候產生重大影響。
1.5壹氧化碳(CO)
在水泥煆燒過程中，由於碳的不完全燃燒，會產生少量的CO，這是壹種易燃物質。用靜電除塵器處理窯尾廢氣時，常因廢氣中CO濃度高而引起爆炸。CO是壹種無色無味的氣體，毒性極強！不易液化和凝固，微溶於水。壹氧化碳燃燒時，在空氣中呈現藍色火焰，能與多種金屬或非金屬反應，與氯氣反應生成劇毒光氣(COCL2)。在檢修立窯窯面或除塵器時，中毒事件時有發生。
1.6二氧化碳(CO2)
1.6.1水泥生產過程中產生的CO2氣體
在水泥生產過程中，CO2氣體主要來自水泥熟料煆燒窯和幹燥設備。
1.水泥分解爐排放的CO2來自水泥原料中的碳酸鹽分解和燃料燃燒。目前，生產水泥熟料的主要原料是石灰石。普通矽酸鹽水泥熟料含有約65%的氧化鈣。根據化學反應方程式(CaCO3=CaO+CO2)計算，每生產1噸水泥熟料，產生0.511噸CO2。
2.燃料燃燒產生的CO2與消耗的燃料的熱值和數量有關。
當水泥廠所用燃料煤的熱值為22000 kJ/㎏時，含有約65%的固定碳。根據化學反應方程式:
C+O2=CO2表明，當碳完全燃燒時，每噸煤產生2.38噸CO2。
水泥生產過程中使用的燃料分為熟料燃燒燃料和原燃料幹燥燃料。熟料燒成燃料用量與水泥熟料生產工藝和規模有關。中國水泥生產工藝、規模與耗熱量的關系見表2。用於幹燥的燃料量與余熱的利用程度和原燃料的自然水分有關，不考慮幹燥物料對余熱的利用。根據原燃料自然水分為18%，生產1噸熟料需要幹燥原燃料計算，幹燥用煤約為0.02噸。
表2不同水泥生產工藝和規模對應的熟料單位熱耗
技術和規模
普通機立窯
李波兒窯
濕窯
空心窯
預熱窯
中小型預分解窯
大型預分解窯
耗熱量/(千焦)
4400
3762
6072
5280
3762
3400
3100
燃燒用煤/(噸)
0.2
0.171
0.276
0.24
0.171
0.155
0.141
註:煤的低位發熱量為22000KJ/Kg。
可以看出，隨著生產工藝的不同，生產1 ~ 0.296噸熟料需要0.1 ~ 0.296噸煤，即燃煤燃燒產生的燃燒和物料幹燥產生的CO2在0.383 ~ 0.704噸範圍內變化。
以上兩項相加，每生產1噸水泥熟料，將排放0.894 ~ 1.215噸CO2。根據目前中國水泥生產的平均水平，每生產65，438+0噸水泥熟料，將排放約65，438+0噸CO2。
3.此外，水泥生產過程中每生產65，438+0噸水泥，平均消耗65，438+000千瓦時電能。如果將燃煤產生的電能排放的CO2計算到水泥生產中，生產1噸水泥消耗電能排放的CO2為0.12噸。2007年中國生產水泥654.38+0.35億噸，其中水泥熟料9.72億噸(按654.38+0噸水泥熟料0.72噸估算)。據此計算，2007年我國水泥生產向大氣排放的CO2約為654.38+065.438+0.34億噸。數量驚人。
二氧化碳和溫室效應
太陽短波輻射穿透大氣層射向地面。在接收太陽短波輻射升溫的同時，地面也在不斷輻射長波電磁波降溫。而大氣中的二氧化碳等物質可以強烈吸收地面的長波輻射，同時也向外輻射更長的長波。向下到達地面的部分稱為逆輻射，地面接受逆輻射後會升溫，這就是大氣溫室效應。大氣中的溫室氣體有二氧化碳、甲烷、臭氧、氮氧化物、氟利昂和水蒸氣。科學研究表明，隨著人類活動的不斷增加，大氣中的溫室氣體越來越多，這將使地球的溫度越來越高。據聯合國環境規劃署預測，如果不采取緊急措施限制溫室氣體的排放，從2000年到2050年的50年間，由於頻繁的熱帶氣旋和全球變暖導致的海平面上升，全球經濟損失每年將達到3000億美元以上。
全球變暖也會使動植物面臨生存危機。如果壹個物種的遷徙速度趕不上環境變化的速度，這個物種就有滅絕的危險。
氣候變暖也直接或間接地影響人類健康。生活在中緯度地區的人們對全球變暖最為敏感，長時間的酷暑日和高溫高濕天氣直接威脅著他們的健康。同時，氣溫變暖，“城市熱島”效應和空氣汙染更加明顯，為許多疾病的繁殖和傳播提供了更加適宜的溫床。
2.主要有害氣體的防治
2.1二氧化硫汙染控制技術
水泥生產中減少SO2排放的措施有:更換原料；全神貫註於原料磨；加入熟石灰-氫氧化鈣；設置D-SOx旋風分離器；設置水洗塔。目前我國水泥行業只是在生產過程中采取了盡量減少SO2產生的方法。其中，最簡單有效的方法是在新型幹法生產線中選擇合適的硫堿比，同時采用窯磨壹體化操作和袋式除塵器。
采用窯粉磨壹體化的廢氣處理方法，將窯尾廢氣引入生料粉磨系統。在生料磨中，由於外力的作用，產生了大量新的界面。新界面的CaCO3活性高，能吸收SO2窯內尾氣溫度較低。同時，由於原料中水分的蒸發，原料磨內存在大量水蒸氣，加速了CaCO3對SO2的吸收，使SO2轉化為CaSO4，並固定了窯尾氣中20% ~ 70%的SO2。
由於袋式除塵器濾袋表面捕集的堿性物質與試圖通過濾袋的SO2、NO2酸性物質結合成鹽，酸性氣體濃度可降低30% ~ 60%。可見，袋式除塵器可以成為水泥行業控制粉塵和有害氣體的多功能設備。
2.2氮氧化物汙染的防治
防治Nox的主要措施是優化窯和分解爐的燃燒系統，保持合適的火焰溫度和形狀，控制過量空氣，保證均勻穩定的給料量和給煤量，保證篦冷機良好運行，采用低氮氧化合物噴煤管。采取這些措施後，氮氧化合物有可能降低到1000mg/m3以下。但為了執行修訂後的新排放標準(GB4915-2004)並考慮到窯爐的非正常運行，需要設置專門的脫氮措施。這裏簡單介紹壹下氨還原脫氮。
它使用NH3以非接觸的方式消除廢氣中的NO。由美國埃克森研究工程公司研制，並於1974在前聯邦德國獲得專利。此後，它得到了進壹步發展。
該方法的主要原理是NH3與OH-反應生成NH2和H2O，NH3與NO反應生成各種中間產物和分子氮、水等化合物，從而消除NO
另外，在還原性氣氛下，由於CO、H2等還原性氣體的存在，被氧化的氮氧化合物在原料中存在的Fe2O3、Al2O3的催化作用下，可以被還原成無害的N2，從而大大減少了氮氧化合物的排放。氮氧化合物的這壹反應機理為水泥窯氮氧化合物減排措施指明了努力方向。
2.3氟化物汙染的防治
熟料燒成過程中產生的氟化物來源於原料和燃料。有些粘土中含有氟，特別是目前國內壹些立窯廠為了降低熱耗，在原料中摻入含氟礦物(螢石)。在燒成過程中，大部分氟化物、CaO和Al2O3形成氟鋁酸鈣，固存在熟料中，少數隨廢氣排出。
防止氟化物汙染的可靠辦法是不使用含氟量高的物質作原料，更不能用螢石來降低燒成溫度。
2.4二氧化碳減排
2.4.1減排方法
1.用大中型新型幹法水泥生產線替代其他高耗能水泥生產線。
該窯生產的每噸熟料燃煤CO2排放量分別是普通立窯、立窯、濕窯、空心窯、預熱器窯和小型預分解窯的68.2%、79.8%、49.9%、56.8%、68.2%和88%。
根據測算，如果將熱耗大於3400 kJ/kg熟料的生產線全部改造成熱耗小於3400 kJ/kg熟料的大中型新型幹法生產線，用於將水泥熟料燒成二氧化碳溫室氣體，將減少排放，消耗燃料總量的9%。
2.余熱利用與減排
(1)幹燥原燃料。利用廢氣余熱幹燥原燃料可節約幹燥用煤，每噸水泥熟料可節約幹燥用煤0.02噸，減少CO2排放0.0476噸。
(2)低溫余熱發電。目前新型幹法水泥生產工藝利用窯尾廢氣幹燥生料，使生料磨和窯壹體化工作。壹般生料磨只利用70%的窯尾氣，其余用於余熱發電，尾氣冷卻熟料可全部用於余熱發電。部分水泥廠低溫余熱發電平均數據證實，生產1噸水泥熟料為30 kwh。雖然據估算，壹條年產654.38+0.5萬噸(5000t/d)水泥熟料的新型幹法生產線每年可減少二氧化碳排放5萬噸以上。
3.采用替代燃料減少排放
用城市固體廢棄物等可燃廢棄物代替煤燃燒水泥熟料，在提供相同熱量的條件下，可燃廢棄物中碳的總量少於煤，燃燒後排放的CO2總量也少於煤。根據近年來英美水泥工業利用可燃廢棄物的經驗，在單位耗熱量相同的情況下，燃燒1噸熟料產生的溫室氣體CO2量壹般只有燃煤產生量的壹半左右。
4改變原料或熟料的化學成分以減少排放
(1)使用不產生CO2但含有CaO的物質作為原料。比如化工行業電石渣的主要化學成分是Ca(OH)2，1噸無水電石渣中含有0.54噸CaO。如果使用電石渣作為水泥生產的原料，則不會排放CO2。與使用含65%CaO的石灰石作為水泥生產原料相比，使用1噸無水電石渣相當於減少CO2減排0.425噸；再比如高爐礦渣、粉煤灰、礦渣都含有比粘土多的CaO，可以降低配料中石灰石的比例。這些經過高溫煆燒的廢渣在生產水泥時不會排放CO2。上述廢渣每提供1噸CaO，減少0.7857噸CO2的排放。如果用電石渣提供水泥熟料中的CaO，則每噸水泥熟料的減排量為0.511噸CO2。壹條2000t/d新型幹法生產線用電石渣完全替代石灰石，每年可減少CO2排放30.66萬噸。此外，利用廢渣作為原料生產水泥還可以降低熟料的燒結溫度，從而降低煤耗，減少CO2排放。
(2)降低水泥熟料中CaO的含量。目前，國內外低鈣水泥熟料體系的研發，即降低熟料組成中CaO的含量，相應增加低鈣貝利特礦物的含量，或引入新的水泥熟料礦物，可有效降低熟料燒成溫度，降低石灰石生料消耗，降低熟料燒成熱耗。低鈣高貝利特水泥可將熟料中CaO降至45%，比現有矽酸鹽水泥熟料減少約10%(約0.16噸)。
5.提高水泥和混凝土的質量，以提高熟料的強度，降低水泥中的熟料含量。
(1)減少水泥熟料用量。減少水泥熟料用量表現在兩個方面:壹是在粉磨水泥的同時多摻外加劑，二是在攪拌混凝土時使用替代水泥材料。我國目前已有40%左右的水泥被磨細的高爐礦渣替代，國外某研究單位已替代80%以上。我國高摻量粉煤灰水泥的研究為水泥行業減少CO2排放提供了技術途徑。
(2)大力發展綠色高性能混凝土，替代常規混凝土。在1994中，吳忠偉院士提出了綠色高性能混凝土(GHPC)的概念。GHPC有以下特點:①大量儲存水泥熟料。在GHPC，不是熟料水泥，而是磨細的水淬礦渣、級配優質粉煤灰和矽灰或它們的組合，成為膠凝材料的主要成分，從而大大降低原材料、能耗和CO2排放。(2)大量使用以工業廢渣為主的細摻合料、復合細摻合料、復合外加劑替代部分熟料，減少汙染，保護環境。國外已成功用磨細礦渣和優質粉煤灰替代50%以上的熟料配制高性能混凝土。(3)充分發揮HPC的優勢，通過提高強度，減少結構的橫截面積或體積，減少混凝土用量，從而節約水泥產量。
(3)發展高標號水泥。建立建築質量標準，擴大高質量、高等級水泥和其他建築材料產品的生產，促進先進生產技術的發展。
6.引進和開發更先進的燒結技術。
熟料的理論耗熱量約為1759kJ/kg。70年代水泥預分解技術發明後，預熱系統進壹步改進，熟料熱耗降低到2929 kJ/kg，熱效率達到60%。為了進壹步降低熟料熱耗，必須開發新的窯型，如流化床煆燒的流態化窯，並采取壹系列其他輔助措施，如改進預熱器系統，提高換熱效率，降低阻力損失。
沸騰煆燒工藝被認為是目前煆燒水泥熟料最先進的技術。其主要特點是取消回轉窯，在傳熱效率更高的流化床中完成水泥煆燒。占地面積小，熱效率高，氮氧化合物和CO2的排放也會減少。
2.4.2利用清潔發展機制
清潔發展機制(CDM)起源於巴西提出的“清潔發展基金”(Clean Development Fund)，該基金是通過收取發達國家因未履行溫室氣體減排義務而提交的罰款而設立的。《京都議定書》第12條目前建立的合作機制是通過談判達成的，是《京都議定書》引入的三種減少溫室氣體排放的靈活履約機制之壹。CDM允許締約方和非締約方共同開展二氧化碳等溫室氣體減排項目，這些項目產生的減排量可用於發達國家履行限制或減少排放的承諾。換句話說，發達國家通過提供資金和環保技術幫助發展中國家減少溫室氣體排放，同時從發展中國家購買CERs，以履行《京都議定書》規定的減排義務。對發達國家來說，與發展中國家合作實施的清潔發展機制項目提供了壹種靈活和低成本的實施方法；對於發展中國家來說，可以通過CDM項目獲得壹些資金援助和先進技術。