水泥行業(yè)汞減排措施探討

  引言

  聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）發(fā)布的《2013年全球汞評估報告》指出，2010年全球人為汞排放量約為1960t，其中水泥行業(yè)的汞排放是繼手工小規(guī)模采金、燃煤以及金屬冶煉之后的第四大人為汞排放源，占到人為汞排放的9%。根據(jù)中國環(huán)科院研究結(jié)果分析，估算我國水泥行業(yè)汞年排放量約為89~144t，是繼燃煤和有色金屬冶煉之后的第三大汞排放源。

  由于汞污染對人類及環(huán)境造成的危害十分嚴(yán)重，世界上許多國家和地區(qū)針對水泥工業(yè)的汞排放都制定了相應(yīng)的法律法規(guī)。2010年8月，美國《危害性污染物國家排放標(biāo)準(zhǔn)》（NESHAP）正式立法頒布，該標(biāo)準(zhǔn)以水泥窯30天平均汞排放為基準(zhǔn)，規(guī)定2010年前所建水泥廠排放標(biāo)準(zhǔn)為8～13μg/m³，2010年后所建水泥廠排放標(biāo)準(zhǔn)為3～5μg/m³，歐盟、韓國、印度和澳大利亞水泥廠汞排放限值分別為50μg/m³、100μg/m³、200μg/m³和1000μg/m³。2013年底我國頒布的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915—2013）和《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB30485—2013）中將Hg及其化合物與SOx、NOx和顆粒物并列為水泥行業(yè)限制排放的污染物之一，最高允許排放濃度限制為50μg/m³。

  目前，全球水泥工業(yè)對汞的控制主要有以下幾個方面的措施：第一類是對原燃料進(jìn)行控制；第二類是采用窯灰外排技術(shù)進(jìn)行控制；第三類是利用現(xiàn)有污染物控制措施協(xié)同控制；第四類是利用專門技術(shù)進(jìn)行控制。本文將分別對其進(jìn)行介紹，并提出最佳可行性技術(shù)，為水泥行業(yè)的汞減排提供參考。

  1對原燃料進(jìn)行控制

  原燃料是汞污染的源頭。仔細(xì)篩選和控制進(jìn)入水泥窯的原燃料，對減少汞的排放有很重要的意義。水泥生產(chǎn)的原料主要指石灰質(zhì)原料、黏土質(zhì)原料、校正原料以及外加劑，還可以利用低品位原料和工業(yè)廢渣。燃料主要是煤。我國《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（HJ662—2013）規(guī)定入窯物料（包括常規(guī)原料、燃料和固體廢物）中汞的最大允許投加量不應(yīng)大于0.23mg/kg熟料。但是我國水泥生產(chǎn)原料和燃料中的汞含量數(shù)據(jù)還比較少，張樂測試了某生產(chǎn)線石灰石、生料和熟料的汞含量，分別為20ng/g、15ng/g、1ng/g;王起超等測試出我國煤中的汞平均含量約為0.22mg/kg，高于世界煤炭平均汞含量0.13mg/kg。國外水泥生產(chǎn)原燃料汞含量見表1。

  從表1可見，不同原材料的汞含量差別很大，相同的原材料汞含量差別也很大。水泥工業(yè)石灰質(zhì)原料到水泥原料的75%～80%，從表1可知石灰質(zhì)原料汞含量差別較大，因此在水泥廠選址及石灰石開采過程中應(yīng)對石灰石中的汞含量進(jìn)行定期監(jiān)測。下水道污泥中汞含量很高，因此當(dāng)水泥廠協(xié)同處置污泥時，應(yīng)對污泥的處置量進(jìn)行限制。不同類型的煤汞含量差別較大，應(yīng)盡量選擇低汞煤作為燃料，對于高汞煤應(yīng)進(jìn)行一定的預(yù)處理方可用作水泥生產(chǎn)的燃料。其他原料一般是從產(chǎn)地購買后運(yùn)輸至水泥廠，可以采用低汞材料，某些材料比如窯灰汞含量有較大的變化，在使用時應(yīng)對其進(jìn)行仔細(xì)選擇。通常，水泥廠會對其所使用的原燃料進(jìn)行詳細(xì)說明，包括對汞的限制進(jìn)行說明，通常會規(guī)定原燃料的分析周期，當(dāng)更換原燃料時確保其在限制范圍內(nèi)。

  2利用窯灰外排技術(shù)進(jìn)行控制

  新型干法水泥窯是一種典型的熱工窯爐，回轉(zhuǎn)窯及預(yù)熱器內(nèi)的煙氣溫度遠(yuǎn)高于汞的揮發(fā)溫度，在水泥燒制過程中，幾乎所有原燃料帶入的汞轉(zhuǎn)化為單質(zhì)汞在預(yù)熱器中全部揮發(fā)，極少隨熟料帶出系統(tǒng)，全部以汞蒸氣的形式進(jìn)入廢氣中。生料磨開啟時，廢氣被用來烘干生料，由于生料磨系統(tǒng)的溫度遠(yuǎn)低于汞的揮發(fā)溫度，汞蒸氣發(fā)生冷凝并被粉塵顆粒吸附，因此汞主要在除塵器中被粉塵吸附。除塵器收下來的粉塵又作為原料返回窯系統(tǒng)，造成了窯系統(tǒng)以及飛灰中的汞循環(huán)富集。生料磨關(guān)時，廢氣不再用來烘干生料，而是直接經(jīng)過除塵器從煙囪排出，所以生料磨關(guān)時煙氣中的汞與粉塵顆粒接觸時間短，煙氣中汞排放增加，窯灰中汞含量減少。

  為了限制汞的循環(huán)富集，可以定期清除富含汞的窯灰。這部分灰從窯內(nèi)取出后，可以引入到水泥磨中進(jìn)行水泥的生產(chǎn)，但需要對窯灰中的汞濃度進(jìn)行限制。為了使窯灰外排技術(shù)獲得較高的效率，煙氣的溫度應(yīng)低于140℃，因為此時汞在顆粒上的吸附顯著高于更高溫度時汞的吸附，在固定灰量的情況下，可以脫除更多的汞。生料磨開啟時，除塵器中煙氣溫度在90～120℃之間，生料磨關(guān)停時，除塵器中煙氣溫度在140～170℃之間，甚至高達(dá)200℃，因此在生料磨關(guān)時煙氣需通過冷卻塔降溫至120～140℃。通過此項技術(shù)，汞排放可以減少10%～35%。

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  3利用現(xiàn)有污染物控制措施協(xié)同控制

  3.1濕法脫硫技術(shù)

  濕法脫硫技術(shù)是世界上應(yīng)用最廣泛的一種脫硫技術(shù)，它的主要原理是將石灰石粉加水制成漿液作為吸收劑泵入吸收塔與煙氣充分接觸混合，煙氣中的二氧化硫與漿液中的碳酸鈣以及從塔下部鼓入的空氣進(jìn)行氧化反應(yīng)生成硫酸鈣，硫酸鈣達(dá)到一定飽和度后，結(jié)晶形成二水石膏。經(jīng)吸收塔排出的石膏漿液經(jīng)濃縮、脫水，使其含水量小于10%，然后用輸送機(jī)送至石膏貯倉堆放，這些石膏可再次用于水泥的生產(chǎn)。

  煙氣中的汞主要分為氣態(tài)單質(zhì)汞、二價汞和顆粒汞。生料在窯內(nèi)煅燒時釋放的汞為氣態(tài)單質(zhì)汞，當(dāng)煙氣中有其他元素（氯、溴、碘、硫）時，在高溫下氣態(tài)單質(zhì)汞轉(zhuǎn)化為二價汞（HgCl2、HgO、HgBr2、HgI2、HgS和HgSO4），在煙氣中凝結(jié)于顆粒表面的汞成為顆粒汞。其中，二價汞具有良好的水溶性，可以被吸收塔中的含水漿液吸收，從而使一部分二價汞有效脫除。而氣態(tài)單質(zhì)汞水溶性差，利用此技術(shù)無法脫除。可以將氣態(tài)單質(zhì)汞氧化為二價汞，從而提高脫除效率。

  濕法脫硫技術(shù)主要應(yīng)用于火力發(fā)電廠，水泥廠應(yīng)用還比較少。在美國目前有5家水泥廠使用了此技術(shù)，據(jù)研究，此技術(shù)對二價汞的脫除效率可達(dá)到80%以上。但是使用該技術(shù)會增加能源消耗、增加廢物產(chǎn)出、增加CO2排放、增加水資源消耗、增加運(yùn)行成本，并且可能對水造成汞污染。

  3.2選擇性催化還原技術(shù)

  選擇性催化還原技術(shù)是最成熟的煙氣脫硝技術(shù)，該技術(shù)利用NH3或尿素作為還原劑，在300～400℃下，在催化劑表面選擇性地與NOx反應(yīng)生成N2和H2O，從而減少NOx的排放。催化劑一般以TiO2為載體，以V2O5或V2O5-WO3或V2O5-MoO3為活性成分，制成蜂窩式、板式或波紋式三種類型。在催化劑表面一部分氣態(tài)單質(zhì)汞會被氧化為二價汞，這部分二價汞可以利用后續(xù)的濕法脫硫技術(shù)進(jìn)行脫除，這意味著選擇性催化還原技術(shù)可使氣態(tài)單質(zhì)汞轉(zhuǎn)化為易于捕捉的形態(tài)。該技術(shù)是電站煙氣脫硝的主流技術(shù)，但是由于建設(shè)成本和運(yùn)行成本較高，在水泥行業(yè)此技術(shù)應(yīng)用較少，全世界目前只有少數(shù)水泥廠采用此技術(shù)，該技術(shù)在中國正處于示范應(yīng)用階段。

  3.3除塵器技術(shù)

  除塵器技術(shù)包括袋式除塵器技術(shù)和靜電除塵器技術(shù)。煙氣中凝結(jié)于粉塵表面的顆粒汞，隨著粉塵被除塵器脫除也被收集到粉塵中，從而減少了大氣中的汞排放。對不同發(fā)電站除塵器研究表明，除塵器脫除煙氣中汞的效率不僅與飛灰顆粒對汞的吸附性能有關(guān)，而且與飛灰含碳量、煙氣組分等諸多因素有關(guān)，煤中氯和硫的含量也會影響到除塵器的脫汞性能。安裝布袋除塵器的兩個電站煙氣中汞的除效率約為80%和20%，安裝靜電除塵器的三個電站煙氣中汞的脫除效率約為4%、6%和20%。ICR對美國84個不同燃煤電廠進(jìn)行檢測顯示，靜電除塵器對煙煤和次煙煤煙氣中汞捕獲率分別為46%和16%，布袋除塵器對煙8--CMYK2016.No.2孟帥琦，等：水泥行業(yè)汞減排措施探討煤和次煙煤煙氣中汞捕獲率分別為83%和72%。由此可以看出，布袋除塵器對脫除煙氣中的汞更加有效。目前，我國水泥行業(yè)普遍使用了除塵器技術(shù)，有效減少了顆粒汞的排放。

  4專門技術(shù)進(jìn)行控制

  4.1溴化活性炭噴射技術(shù)

  該技術(shù)主要是在除塵器之前噴射溴化活性炭吸附劑，煙氣中的氣態(tài)單質(zhì)汞首先被活性炭上的溴化物氧化，而后被活性炭吸附，最后在除塵器中捕集下來。該技術(shù)充分利用除塵裝置對汞進(jìn)行聯(lián)合脫除，是最成熟的脫汞技術(shù)。除塵器捕集的活性炭灰塵如果用于水泥生產(chǎn)，需注意它們對水泥質(zhì)量的影響。在大多數(shù)情況下，生料磨運(yùn)行時是不需要噴射吸附劑的，因為生料磨對汞的捕捉會控制汞排放到合理的水平。吸附劑通常在生料磨停止運(yùn)行時噴入，從而削減峰值排放，該方法脫汞效率可達(dá)80%，并且對SO2、有機(jī)物、HCl、HF也有一定的脫除效果，但是運(yùn)行成本較高。為了避免負(fù)載汞的活性炭與灰塵混合，有時會在主除塵器之后的煙道中噴入溴化活性炭并利用二級除塵器捕捉噴入的吸附劑，這需要額外的費(fèi)用，因此在水泥工業(yè)并不常見。

  4.2汞焙燒爐技術(shù)

  汞焙燒爐技術(shù)[26-28]是指將除塵器收集下的富含汞的灰塵利用汞焙燒爐工藝進(jìn)行清潔，隨后將飛灰返回到窯系統(tǒng)。在這項已獲得專利的汞脫除工藝中，使用一個熱源將灰塵加熱到汞蒸發(fā)溫度之上，當(dāng)汞仍然在氣相時，氣體進(jìn)入到熱的靜電除塵器移除大多數(shù)干凈的灰塵，這些灰塵可用于水泥生產(chǎn)。在除塵器后，煙氣冷卻到汞的蒸發(fā)點之下，從而使汞凝結(jié)在未捕捉的顆粒上，再通過活性炭將其吸附，隨后干凈的氣體被排放到大氣中。實驗室的初步試驗中該技術(shù)可使布袋除塵器中灰塵脫汞效率達(dá)到95%。此技術(shù)對汞的脫除效率依賴于灰塵對汞的捕捉效率。

  5結(jié)束語

  1）GB4915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和GB30485—2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)于2014年3月1日開始實施，提出的汞減排指標(biāo)與歐盟相當(dāng)，僅次于美國，對我國水泥行業(yè)的汞減排提出了嚴(yán)格的要求。

  2）由于不同的原燃料汞含量差別較大，我國并未對其進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計，今后應(yīng)該重視對原燃料汞含量進(jìn)行有效的統(tǒng)計。

  3）利用窯灰外排技術(shù)控制汞排放需要對收集的灰塵作合適的處理，否則會導(dǎo)致二次污染。當(dāng)飛灰被用作水泥生產(chǎn)時，收集的汞會轉(zhuǎn)移到水泥產(chǎn)品中，實際利用此技術(shù)應(yīng)該對收集的飛灰的汞含量進(jìn)行定期檢測，防止汞含量超標(biāo)影響水泥的品質(zhì)。

  4）利用現(xiàn)有污染物控制措施協(xié)同控制汞排放時應(yīng)分析煙氣中汞的形態(tài)分布，濕法脫硫技術(shù)對二價汞有良好的脫除效果，除塵器對顆粒汞有良好的脫除效果，選擇性催化還原可將氣態(tài)單質(zhì)汞轉(zhuǎn)化為二價汞，利用不同的技術(shù)對不同形態(tài)的汞進(jìn)行脫除。

  5）利用專門技術(shù)對汞進(jìn)行控制時會增加建設(shè)費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用，并且溴化活性炭噴射技術(shù)與汞焙燒爐技術(shù)中汞最后被活性炭吸附，需要對吸附汞的活性炭進(jìn)行合適的處理，從而使廢物資源化利用。

  綜合來看，水泥行業(yè)汞減排措施很多，這些措施各有優(yōu)劣，需要依照水泥廠的實際情況選擇合適的措施控制汞排放。同時，我國對各種措施具體的減排效果的研究仍然比較少，對此有關(guān)部門可以加強(qiáng)這方面的研究。