第一节　水泥的种类及其生产工艺

一、水泥的种类及执行的产品标准

水泥是一种无机水硬性胶凝材料。水泥与水混合形成塑性浆体后，能在空气中水化硬化，并保持一定的强度和体积稳定性。为满足不同工程建设的特殊要求和需要，近百年来，水泥行业研究开发出具有不同特性的水泥品种，并制定了相关产品性能标准。

1.水泥的种类

一般来说，水泥按用途及性能分为通用水泥和特种水泥。

通用水泥指一般土木建筑工程通常采用的水泥。主要是指以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏或（和）混合材料制成的水硬性胶凝材料，通常以水泥的硅酸盐矿物名称冠以混合材料名称或其他适当名词命名的。通用硅酸盐水泥按混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。

特种水泥指具有特殊性能或用途的水泥。通常以水泥的主要矿物名称、特性或用途命名，并可冠以水泥中主要混合材的名称或不同型号命名。例如铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、G级油井水泥、快硬硅酸盐水泥、道路硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥等。

此外，水泥也可以按其主要水硬性物质名称进行分类，可划分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥和氟铝酸盐水泥等。

硅酸盐水泥：主要水硬性矿物为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙；

铝酸盐水泥：主要水硬性矿物为铝酸钙；

硫铝酸盐水泥：主要水硬性矿物为无水硫铝酸钙和硅酸二钙；

铁铝酸盐水泥：主要水硬性矿物为无水硫铝酸钙、铁铝酸钙和硅酸二钙；

氟铝酸盐水泥：主要水硬性矿物为氟铝酸钙和硅酸二钙。

在水泥产品命名过程中，按照需要会标明一些主要技术特性，包括快硬性（快硬和特快硬）、水化热（中热和低热）、抗硫酸盐性（中抗硫酸盐腐蚀和高抗硫酸盐腐蚀）、膨胀性（膨胀和自应力）、耐高温性等。

2.水泥执行的产品标准

截至2014年10月，国内现行有效的各类水泥产品标准共计26个，不包括原料标准、测试方法标准等在内。其中铝酸盐水泥、油井水泥、道路硅酸盐水泥等强制性国家标准正在修订过程中，修订后有可能不再作为强制性标准，而是转为推荐性国家标准。这些标准从产品定义、组分、化学指标、物理指标、强度、出厂检验、型式检验、包装、运输储存等多方面做出相应规定，确保产品合格，满足不同工程质量的要求，见表4.1。

二、水泥的生产工艺

从1824年第一个水泥专利标志着水泥的诞生算起，水泥至今已有100多年的历史。水泥生产工艺一般包括原材料的开采运输、原材料（能源）的储存和制备、熟料煅烧、水泥粉磨和储存、包装和发送等阶段。

水泥企业的主要设备是“两磨一窑”，“两磨”指生料磨和水泥磨，“一窑”指水泥窑，包括回转窑和立窑等工业炉窑，其中回转窑是发展方向。从能源消耗与环境保护的角度来说，窑系统是水泥企业最主要的废气污染源，排放大量的粉尘、NO_x、CO₂和少量SO₂、CO、VOC（挥发性有机物）等，同时窑系统也是煤炭消耗最大的工序。粉磨过程则是水泥生产中电耗最大的过程，同时伴随粉尘、噪声排放。目前较为先进的水泥生产工艺是新型干法生产线，其典型工艺流程见图4.1。

1.原料

通用水泥生产中所用原材料主要分为石灰质原料、黏土质原料和辅助原料三类。

（1）石灰质原料　石灰质原料是水泥熟料中氧化钙的主要来源，是水泥生产中使用最多的一种原料，在生料中约占原料总量的80％，一般生产1t水泥熟料约需1.3～1.5t石灰质原料。石灰质原料指石灰石、石灰质泥灰岩、白垩、贝壳以及工业废渣中的赤泥等以CaCO₃为主要成分的原料。我国生产水泥的石灰质原料主要采用石灰石，泥灰岩次之，再次之为大理石。

石灰岩在我国的分布非常广泛，资源丰富，它依成因可分为生物石灰岩、化学石灰岩和碎屑石灰岩三种。石灰岩中常有其他混合物，并含有白云石、黏土、石英或燧石及硫酸钙等杂质。石灰石中的白云石是熟料中MgO的主要来源。石灰石分解产生的二氧化碳是水泥工艺过程二氧化碳气体排放居高不下的直接原因。生产配料中，石灰质原料对CaO、MgO、R₂O、SO₃、Cl^-、燧石或石英的含量有所要求。

（2）黏土质原料　黏土质原料一般由硅酸盐矿物在地球表面风化形成，主要化学成分是SiO₂，其次为Al₂O₃，还有少量Fe₂O₃以及Mg、Na、K、Ca等，主要是供给熟料所需要的各种成分。一般生产1t熟料约用0.2～0.4t黏土质原料。由于地域广大，我国水泥行业采用的黏土质原料种类较多，主要以黏土、黄土为主，其次为页岩、泥岩、粉砂岩及河泥等。衡量黏土的质量主要取决于黏土的化学成分、含砂量、碱含量及黏土的可塑性、热稳定性、需水量等工艺性能。这些性能随黏土中所含的主导矿物不同、黏粒多寡及杂质不同而异。根据主导矿物不同，黏土可分成高岭石类、蒙脱石类与水云母类等。南方的红壤与黄壤属于高岭石类，华北与西北的黄土属于水云母类。黏土中常常有石英砂、方解石、黄铁矿、氧化铁、碳酸盐、硫酸盐及有机物等杂质，化学成分差别很大，因此呈现出黄色、褐色或红色等不同的颜色。生产配料中，黏土质原料对硅酸率、铝氧率、MgO（％）、R₂O（％）、SO₃（％）有规定。

（3）辅助原料　水泥生产配料中还有一些辅助原料，它们用量较少，但对保证正常生产、提高质量、改善操作条件等起着良好的作用。有些辅助原料还可以起到节能减排、保护环境的作用。常用的辅助原料有铁质校正原料、铝质校正原料、硅质校正原料、综合利用的废料等。

铁质校正原料如铁矿石或硫铁矿渣，可以用来补充生料中Fe₂O₃的含量。铁矿石常用的有赤铁矿、菱铁矿。它们的化学成分分别为Fe₂O₃和FeCO₃。硫铁矿渣是硫铁矿经过煅烧脱硫以后的渣子，是硫酸厂的废渣。另外，铜矿渣、铅矿渣也含有较高的氧化铁，都可作为水泥工业中的铁质校正原料。

硅质校正原料通常可采用的有硅藻土、硅藻石、蛋白石，含SiO₂高的黏土、硅质渣、砂岩等。

铝质校正原料有含Al₂O₃比较多的炉渣、煤矸石、铁矾石、铝矾土等，其质量要求Al₂O₃>30％。

综合利用的废料包括部分水泥企业采用粉煤灰双掺工艺，在生料配料过程中掺加少量的粉煤灰，也有部分水泥企业利用水泥窑进行污泥、生活垃圾惰性物质的协同处置等。

2.燃料

水泥工业是消耗大量燃料的工业，燃料按其物理状态不同可分为固体（煤）、液体和气体三种。目前世界水泥工业中，回转窑工厂燃料常采用烟煤、无烟煤、重油或渣油，很少采用煤气，在中国目前使用的只有烟煤和无烟煤。立窑工厂则采用无烟煤或焦炭屑。对于煤来讲，通常以其热值的高低分为优质煤、普通煤和低质煤三种。

（1）煤　水泥工业通常采用元素分析和工业分析来确定燃煤的应用。元素分析提供煤的主要元素含量，如碳、氢、氮、硫等。这种分析方法对于精确地进行燃烧计算来说是必要的。工业分析包括对水分、挥发分、固定碳、灰分的测定。在四项总量以外，还需测定硫分，作为单独的百分数提出。由此也可工业分析计算煤的热值（发热量以每千克煤能发出的以千焦计的热量表示）。由于煤的灰分是水泥熟料的组分，对煤的灰分需作全分析，SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO等均应通过化学分析得出。回转窑对燃煤的热值、挥发分、灰分、水分、煤粉细度有一定的要求。

为了减轻燃煤发热量与灰分的波动对熟料煅烧过程的影响，现代化水泥厂均有可靠的工艺措施对燃煤进行预均化。并以较大的储存量作为生产工艺中的缓冲环节。煤预均化库顶，设置若干水喷头，当煤的水分低时，以提高煤库湿度，减小扬尘。必要时，可大量喷水降温，以防止出现超温自燃。库顶设置了若干排气天窗，以防止可燃气体的富集，从而避免可能产生的烟云爆燃和作业人员的CO中毒。

原煤不能直接用于煅烧熟料，一般用煤磨将含有一定水分的原煤烘干，粉磨成细度为88μm筛余10％左右、水分小于1％的煤粉。这样，煤就能在一定空间内充分燃烧，形成较高的热力强度，以利于煅烧的进行。煤的粉磨需要十分小心，避免以下三种情况，以防止煤粉的爆炸：①气体混合物中的可燃物浓度达到爆炸的极限；②气体混合物中的氧含量达到足以发生爆炸的程度；③混合物中引入了具有一定能级的启爆热源。

（2）液体和气体燃料　采用液体或气体燃料时，由于没有灰分，燃料用量的变化不影响熟料的成分，熟料成分将比较均匀和稳定，有利于熟料质量的提高，加之熟料颗粒的表面没有如同燃煤灰分形成的较为致密的壳，不但有利于熟料的冷却，而且使熟料的易磨性有所改善，有利于水泥粉磨时电耗的降低。气体和液体燃料流量的计量与控制相对而言也比较简单。

从降低成本考虑，液体燃料多为价格较低的重油、渣油。重油的热值为41316kJ/kg（9870kcal/kg）左右。煅烧水泥熟料所用重油的杂质含量一般要求为：硫分<3％，水分<2％，机械杂质<3％。为了降低其燃料黏度，以利于输送和燃烧时的雾化，根据燃料的不同，一般需要预热到80～120℃。

气体燃料通常为天然气和人造煤气两种，由于气体燃料的体积较大，带入的非助燃气体较多，且影响高温的二次风的充分利用，而且气体燃料的火焰黑度较低，在窑头燃烧时辐射传热效率较低，因而影响窑头熟料的烧成。因此水泥工业主要采用热值较高的天然气作为回转窑燃料，天然气的热值为33440～37620kJ/m³。气体燃料供气系统简单，操作控制灵便。

3.破碎

水泥生产所需原料的进厂粒度多数超出了粉磨设备允许的进料粒度，需要预先破碎。此外，物料的粒度过大也不利于烘干、运输与储存等工艺环节。破碎是用机械挤压或冲击的方法减小物料粒度的过程。生产水泥所消耗的电能约有3/4用于物料的破碎和粉磨。因此合理地选择破碎和粉磨设备就具有重要意义。由于从增加同样的表面能而言，破碎过程要比粉磨过程经济而方便得多，因此在物料进入粉磨设备之前，应尽可能将物料破碎至粒径较小的小块。一般要求石灰石进入粉磨设备之前破碎至小于25mm。这样就可以减轻粉磨设备的负荷，提高磨机的产量。物料破碎至细小的颗粒后，可减少在运输和储存过程中不同粒度物料的离析现象，从而避免由此引起的原料成分的波动。缩小物料粒度对磨前的配料环节也有着重要的意义，因此破碎过程的产品粒度的要求应合理。追求过小的破碎粒度，不但降低了破碎效率，也将使破碎系统更为复杂。

破碎设备的类型主要有颚式破碎机、锤式破碎机、环锤式破碎机、黏土冲击式破碎机和反击式破碎机。

（1）颚式破碎机　颚式破碎机在水泥工厂中被广泛采用，主要用来破碎石灰石、铁矿石、石膏和大块熟料等。颚式破碎机的优点是：构造简单、制造维护容易，机体坚固，能破碎高强度的矿石，进料口大，能装大料块，适用范围广，对耐磨和韧性强的物料有较好的适应性。其缺点是：破碎比较小，粗碎式颚式破碎机出料粒度往往不能满足入磨要求；片状岩石由于容易发生漏料，不宜用颚式破碎机进行破碎；其动颚运动时呈往复运动，空行程不起破碎作用，工作效率较低；当破碎湿的和可塑性的物料时，出料口容易堵塞。

（2）锤式破碎机　水泥工业中广泛地采用锤式破碎机，用来破碎石灰石、泥灰岩、熟料和煤块等。锤式破碎机可分为单转子和双转子两种类型。锤式破碎机的优点是：生产能力大，破碎比高，最大可达70；构造简单，机体小，产品粒度较小，零件易检修、拆换。缺点是：锤头、篦条、衬板磨损快；工作时产生粉尘大；不适合硬度较高、潮湿及黏性物料的破碎，当破碎水分大或黏性物料时，产量会大大下降，易堵塞出料口，同时易损件的磨损大大加速。

（3）环锤式破碎机　环锤式破碎机用于各种脆性物料，物料的抗压强度不超过100MPa，表面水分不大于15％。除用于煤的破碎外，也可用于焦炭和页岩等物料的破碎。环锤式破碎机是利用高速旋转的转子带动环锤对物料进行冲击破碎，使被冲击后的物料又在环锤、破碎板和筛板之间受到压缩、剪切、碾磨作用，进而达到所需粒度的高效率破碎机械。

（4）黏土冲击式破碎机　黏土质原料是水泥生产中的主要原料，约占水泥原料的10％～20％。由于黏土含水分高，又有较强的塑性，很容易黏结，故黏土破碎需要专用设备。

（5）反击式破碎机　反击式破碎机在水泥工业中被广泛采用。它适用于破碎石灰石等脆性物料，是一种高效率的破碎设备。反击式破碎机具有结构简单，生产效率高，破碎比大，单位能耗低，产品粒度较细，磨损较少等优点。缺点是不设下篦条的反击式破碎机产品中有少量大块；用于单段破碎时，必须严格控制最大进料粒度。

4.生料粉磨

应用于水泥行业的生料粉磨设备种类很多，从总的形式看，可分为球磨和立式磨两种。

（1）球磨机　通常“管磨”和“球磨”统称球磨机。管磨的长径比为（3～6）:1，而球磨的长径比小于3:1。球磨机构造简单，易磨损的零件容易检查和更换；工作效率低，筒体的有效容积利用率在50％以下，单位产量的能量消耗大，工作时噪声大，体型笨重，磨机转速低，减速机要求有较大的扭矩。

通常球磨机用于生料粉磨有两种工艺：开路粉磨和闭路粉磨。开路粉磨系统的优点是流程简单，设备少，投资省，操作简便。其缺点是物料必须全部达到产品细度后才能出磨。因此，当要求产品细度较细时，已被磨细的物料将会产生过粉磨现象，细粉会在磨内形成缓冲垫层，有时甚至产生细粉包球糊磨现象，降低粉磨效率，增加粉磨电耗。闭路粉磨系统的优点是：出磨物料经过分级设备能及时选出产品，从而可以减轻过粉磨现象，提高粉磨效率。同时，闭路系统的产品粒度较为均匀，且可以用调节分级设备的方法来改变产品细度。粗料量与产品量之比称为闭路系统的循环负荷率。一般产品细度越细，选粉机的效率将呈现下降趋势，返回磨内粗粉的量也将增加，循环负荷率将提高。

目前大部分水泥窑外分解生产线生料粉磨系统采用烘干和粉磨过程在磨内同时进行的方式。烘干大大降低了磨内物料的水分，避免了结团和包球现象的发生，从而提高了粉磨的效率。典型的球磨烘干粉磨系统有风扫磨系统、中卸提升磨循环系统、尾卸提升循环磨系统等。

（2）立式磨　立式磨亦称辊式磨，随着工艺技术水平的发展，立式磨在现代化水泥厂的生料磨和煤磨中得到越来越广泛的应用。立式磨比球磨具有许多优点：①粉磨效率高。立式磨是利用厚床原理粉磨，能量消耗较少，整个粉磨系统的电耗比球磨系统低10％～15％。②烘干能力强。可以充分利用出预热器的低温废气。由于热风从环缝中进入，风速高达60～80m/s，故烘干效率高。如采用热风炉的热源，可烘干含15％～20％水分的原料。而一般带烘干仓的球磨系统最大烘干水分为8％（通常不超过5％）。③入磨粒度大，物料入磨粒度可在50～150mm，最大入磨粒度通常可按磨辊直径的5％计算，从而可放宽对破碎设备的要求。④生料的化学成分和细度控制更为有效，由于物料在辊式磨内停留时间仅2～3min，大大低于球磨机的10～20min。因此，对于检测滞后于控制的生料化学成分控制，将由于时间滞后的缩短而大大提高控制精度。同时，立式磨能使合格的细粉及时分选出来，避免了过粉磨现象，产品粒度均匀，有利于水泥熟料的烧成。⑤占地面积小，占用空间小，噪声低。立式磨及其传动系统比球磨机、其传动系统需要的空间和基础都小，这种磨连同它的旋风筒、空气加热器和管道系统所需总的建筑空间小于球磨机、选粉机、提升机和其他附属设备所需的总建筑空间。立式磨的运转较球磨机噪声低得多。但立式磨对磨蚀性差的物料适应能力差，硬度较高的物料易造成研磨部件的快速磨损，而研磨部件的制造费用和维修费用均较高。

5.烧成

水泥熟料的煅烧是水泥生产的重要环节，包括孰料在高温窑里的烧制及出窑后的冷却两部分。水泥生产过程中，煅烧工序之前的原料预均化、生料制备和均化以及煤粉制备等都是为熟料烧成过程实现优质、高产、低消耗提供条件的。而熟料的产量、质量直接影响水泥的产量、质量以及水泥生产成本。煅烧熟料的方法很多，就现代化水泥厂熟料煅烧技术来说，不外乎悬浮预热器窑和在此基础上发展起来的窑外分解窑。

（1）悬浮预热器窑　悬浮预热器窑由一台回转窑和一组悬浮预热器构成，生料粉在预热器内呈悬浮状态与出回转窑的热烟气进行热交换，被加热至800℃左右，完成预热、黏土脱水分解和部分碳酸盐分解之后，再落入回转窑进行煅烧。采用悬浮换热的方法预热生料，具有许多突出的优点。1950年这种窑发明后不久，便得到迅速推广，并为后来窑外分解技术的产生打下了基础，是水泥煅烧技术的一项突破性的进展。尽管目前世界范围内，大型化水泥厂是窑外分解技术一统天下，但在国外部分生产线和国内特种水泥生产线中悬浮预热器窑依然占据了主导地位，特别是1000t/d以下的熟料生产线悬浮预热器窑居多。悬浮预热器有旋风预热器和立筒预热器两种。在预热器中，由于生料与气体接触面积大，热交换好，所以系统的热效率远比立窑等其他窑型高。

（2）窑外分解窑　窑外分解窑是一种能显著提高水泥回转窑产量的煅烧工艺设备。其主要特点是把大量吸热的碳酸钙分解反应从窑内传热速率较低的区域移到悬浮预热器与窑之间的特殊煅烧炉（分解炉）中进行。生料颗粒分散在煅烧炉中，处于悬浮或沸腾状态，以最小的温度差，在燃料燃烧的同时，进行高速传热过程，使生料迅速发生分解反应。入窑生料的碳酸钙表观分解率，可从原来的悬浮预热器的40％～50％提高到85％～95％，从而大大减轻了回转窑的热负荷，使回转窑的生产能力成倍增加。窑外分解窑是国内主流窑型，占总产能的90％以上。

（3）熟料冷却机　水泥工业中的熟料冷却机目前有三种形式，即单筒、多筒和篦式冷却机。

篦式冷却机是一种骤冷式冷却机。熟料在冷却机的篦板上铺成层状，并用鼓风机将冷风通过篦板鼓入料层，熟料在较短的时间内与冷空气进行充分热交换，使不同矿物在一定温度下形成的晶相迅速稳定下来，以确保水泥的质量。同时还能从冷却机的确定部位抽取热风，利用废热回收达到节约能源的目的。国内新型窑外分解窑多配备的是篦式冷却机。

单筒冷却机的优点是设备简单，易于制造，操作维护方便，不需要另行增加收尘设施。由于单筒冷却机的冷却风量受到限制，筒内气固两相的热交换的效率相对较低，所以出冷却机的熟料温度偏高，为200～250℃。冷却机出口气体速度3.8～4.3m/s，二次空气温度可达750℃，冷却机的单位容积产量为0.25～0.4m³/（t·d）。国内特种水泥企业多采用单筒冷却机，满足生产能力不大，维护可靠、方便，操作成本低廉。

6.水泥粉磨

出窑熟料经冷却机冷却后，经过储存后送到粉磨车间粉磨。熟料储存的目的是降低熟料温度，以保证磨机的正常工作，改善熟料质量，提高易磨性和作为缓冲环节，有利于窑磨生产的平衡和控制调配入磨熟料的质量。

熟料储存目前常用的有圆形储库或圆形帐篷库。圆形储库是由钢筋混凝土浇筑而成，密闭性较好，有利于收尘，但水泥熟料散热较慢。帐篷库的结构在高度上与圆形库相比降低很多，大约只有圆形库的1/3，与圆形储库相比，相同储量的帐篷库占地面积较大，熟料暴露面积大，易于散热，但不宜采用库底配料的方式，需要增加一轮转运。

根据水泥品质不同，水泥生产时常常掺加一定量的粉煤灰、磨细高炉矿渣等各种混合材料，一方面降低成本，另一方面满足各种特殊的性能要求。水泥粉磨系统多采用球磨机，许多企业在原有基础条件下逐步进行改造，加装辊轧机，采用联合粉磨系统提高磨机效率，从而降低水泥粉磨电耗。

7.水泥的储存与包装

（1）储存　出磨水泥进入水泥储库储存，有利于水泥质量的控制。大中型水泥厂水泥熟料质量稳定，用快速测定法几小时即可获得强度检验结果，但一般要看到3d强度检验结果，确认28d抗压强度有富余2.5MPa以上的把握方可出库。水泥在存放过程中吸收空气中的水分，使水泥所含的游离氧化钙消解，同时也使储存水泥的温度有所下降，以利水泥的输送与包装。

现代化的水泥工厂所采用的水泥库主要是圆柱形混凝土库，但出料方式、库底结构已经一改传统的锥斗结构的出料方式。取而代之的是设有充气装置的约15°的斜底库，以提高储库的卸空率。

（2）包装和散装　为了便于运输和使用，出厂水泥根据市场需求采用袋装和散装两种形式。袋装通常采用纸袋、编织袋或编织物和包装纸结合的复合袋，每袋水泥净重50kg。散装水泥则采用专用的散装车将出库水泥直接送至水泥使用点。

包装机主要分两种类型，即回转式包装机和固定式包装机。回转式包装机向包装袋灌注水泥基本有两种形式，一种采用压缩空气使水泥流态化，气力助卸；另一种是依靠叶轮强迫灌装式。通过灌装嘴灌入水泥袋内。这种包装机可用自动插袋机和码包机实现包装作业的全部自动化。由于回转式包装机的单机效率较高，工人劳动强度较轻，工作点比较集中，收尘负荷较小。因而对于50t/h以上的产量需求时，原则上应选用回转包装机。固定式包装机有螺旋式包装机、单嘴叶轮自卸式包装机和多嘴叶轮式包装机。它具有重量轻、体积小、便于安装维护等优点。水泥由进料装置中的给料器喂入包装机的四个室，卸料室中有高速转动的“十”字形叶轴。水泥受回转叶片的作用，从卸料室沿切线方向的鸭嘴形出料口喷出并灌入水泥袋内。在重量达到50kg时，包装机上的专设机构将中断灌装作业，将水泥包卸至胶带输送机上运走。

靠近城市周边的水泥企业散装率较高，多设置专用的水泥散装库或在水泥库库侧设置水泥散装机。散装机可满足火车或汽车的散装装车要求。散装机不工作时，内外套筒收缩，借锥阀和钢索把散装头悬吊起。当装卸水泥时，内外套可以节节下降，直到下部的锥形斗插入罐口中为止。锥形斗插入罐口后就被罐口托住，两者密切接触实现密封。而内套继续下降直到卡头与钢索座接触为止。此时，水泥就能畅通无阻地卸入罐中。当散装车料面达到一定高度时，料位计发出信号中断卸料，并使散装头升起。装卸期间的废气通过内外套之间的环形管道吸到收尘器中，净化后排空。

三、水泥工业环境影响分析

1.能源消耗

国内水泥生产过程中均使用煤作为主要燃料，用于原料的烘干与脱水、碳酸盐原料分解和熟料的煅烧。生产能耗中的电耗主要用于原料的破碎、均化和粉磨，熟料的煅烧与冷却，水泥的粉磨、包装和输送。

根据国家统计局历年数据可以看到，水泥行业的能源消耗占到了全国工业总能耗的7.5％左右，占整个建材行业能源消耗的73％左右，确实是能源消耗的大户。2013年全国水泥能源消耗折标煤2亿吨左右，一般来说煤炭占水泥生产所消耗能源的90％左右，电力消耗折合标煤所占比例10％左右，其他燃料占1％～2％。总体来说，在水泥产量持续攀升的情况下，总能耗有所增加，单位产品能耗有所下降，占全国工业总能耗比例也呈现出下降的趋势。总能耗能够不随产量快速提升而提升，部分年度还能明显下降的主要原因是水泥行业生产技术水平一直在不断发展提高，国家淘汰落后产能和结构调整的宏观调控政策起到了重要作用，单位熟料和单位水泥的生产综合能耗从2000年以来一直呈下降趋势。但是具体到企业，其能源消耗水平与技术装备水平均存在很大差异。

2.资源消耗

水泥生产中消耗量最大的是石灰石，一般生产1t熟料约需1.3～1.5t石灰质原料。2013年全国水泥熟料产量约为13.6×10⁸t，以每吨熟料耗用1.3t石灰石计算，全年消耗石灰石资源17.7亿吨。石灰石是水泥工业的重要资源，尽管我国石灰岩储量丰富，但是也存在分布不均衡的问题，渤海湾、江苏沿海、浙闽粤琼东南、内蒙古中部、吉林东部、赣西、陕北等地资源短缺，石灰岩作为不可再生资源，加之我国水泥和钢铁工业对石灰石资源的大量需求，因此应珍惜和综合利用。

黏土质原料是水泥生产消耗的第二大主要原料。一般生产1t熟料约用0.3～0.4t黏土质原料，以0.3t计算，2013年消耗黏土质原料4×10⁸t。由于地域广大，我国水泥行业采用黏土质原料种类较多，主要以黏土、黄土为主，其次为页岩、泥岩、粉砂岩及河泥等。

3.颗粒物

水泥工业对环境影响最为直观的是烟尘、粉尘等颗粒物的污染，从原料进厂至水泥产出整个生产过程的多个环节都有颗粒物的排放。

近20年来，国家标准在不断加严，水泥生产中的颗粒物排放总量逐年降低。收尘技术不断革新，收尘设备的收尘效率有了很大提高，水泥窑用布袋收尘和电收尘效率可以达到99.99％以上，在入口颗粒物浓度达到几十克甚至上百克的条件下，能够满足排放浓度30mg/m³的要求。2012年国家统计局数据显示全国废气中烟（粉）尘排放总量1234.3×10⁴t，工业废气中烟（粉）尘排放量1029.3×10⁴t，占总量的83.4％。同年国家统计局水泥行业数据为规模以上企业水泥熟料产量12.79×10⁸t、水泥产量22.1×10⁸t，以现行的污染物排放系数进行行业估算，水泥排放的烟（粉）尘约占全国排放总量的4％～6％（不含无组织排放），所占比例较以往数据大幅下降。

但是，随着社会进步、标准加严，仍然有少部分企业有组织排放颗粒物排放浓度存在超标现象。此外，由于工艺原料多为颗粒或粉状物料，原材料露天堆放、长距离大范围转运等，造成部分工厂无组织排放带来的污染比较严重。一般来说，工艺布局合理、收尘设备配备到位、物料储存及运输密闭的企业，通过严格管理和控制，正常生产情况下，颗粒物排放完全能够保持在一个较为先进的水平。

4.NO_x

水泥窑煅烧过程中温度能达到1500℃以上，煅烧过程中煤炭消耗量也较大，由此过程产生的NO_x是水泥企业排放的主要污染物之一。2012年国家统计局数据显示全国废气中氮氧化物排放总量2337.8万吨，其中，工业废气中氮氧化物排放量1658.1×10⁴t，占总量的70.9％；水泥行业排放的氮氧化物约占全国排放总量的9％～10％，在工业领域所占比例相对较高。水泥生产线NO_x排放点一般集中在窑尾烟气排放口，产生点主要在窑尾烟室和窑筒体内，如图4.2所示。

水泥工艺过程中燃料燃烧形成的NO_x中NO约占90％，NO排入大气后可缓慢氧化成NO₂。NO_x酸雨对树木和农作物的危害比SO₂还要大，即使浓度不高的情况下对人体健康也十分有害。并且，NO₂在阳光照射下分解为NO和O原子，O原子形成的臭氧会再和大气中碳氢化合物形成毒性很强的光化学烟雾，环境危害极大。因此，从环境保护的角度讲，水泥企业应该严格控制NO_x的排放。

5.SO₂

水泥生产中，由于原料及燃料中含硫，煅烧熟料时产生的SO₂，大部分与原料中的CaO作用生成CaSO₄留存在熟料中，很少部分随废气排出。

目前，国内现有新型干法水泥生产线，基本不需要对SO₂采取治理措施。但也有极少部分新型干法水泥生产线，由于原料中低温易分解的硫化物成分量较大，造成SO₂排放浓度较高。SO₂排放量与原料、燃料的硫含量有关，也与熟料煅烧工艺密切相关。在窑外分解及预热器窑中，窑尾高温废气在预热器中与水泥生料粉充分接触，使生料预热并充分分解，废气中的SO₂被生料吸附，有效地降低排放浓度，同时由于窑尾废气常被用于生料磨烘干，为出窑废气提供了再次与生料充分接触的机会，更加降低烟气中SO₂的含量。

立窑生产过程中，由于窑面保持一定的湿料层，同样可以对出窑废气中SO₂的排放起到抑制作用，稳定的暗火或浅暗火煅烧制度也可以有效地控制立窑SO₂的排放。与新型干法窑不同，控制立窑SO₂的排放需要严格控制原料、燃料中硫化物含量，以及更加严格的操作制度与管理水平。

水泥新型干法工艺自身特点能对SO₂起到有效控制的作用。现阶段，国内现有产能超过90％以上采用的是新型干法工艺，因此，相比于其他特征污染物，水泥行业SO₂的排放问题并不严重。

6.CO₂

水泥工业是我国较大的碳排放源，因水泥熟料煅烧造成的CO₂直接排放达到每年11亿吨左右，接近全国CO₂总排放的20％。水泥生产过程中的排放来源主要包括：煅烧工艺过程导致的CO₂直接排放、燃料燃烧导致CO₂直接排放、电力消耗引起的CO₂间接排放以及原材料及产品运输的CO₂排放。其中煤炭燃烧和熟料煅烧过程中碳酸盐分解是两大主要二氧化碳排放源，工艺过程中碳酸盐分解也是我国最大的非能源二氧化碳排放源。

煅烧过程的二氧化碳排放主要取决于原料类型及水泥品种。生产中所用石灰质原料，如石灰石、石灰质泥灰岩、白垩，在熟料煅烧过程中受热分解，生成CaO并释放出CO₂。石灰质原料是水泥生产中使用最多的一种原料，是熟料中CaO的主要来源，它在生料中约占80％，一般生产1t熟料约需1.3～1.5t石灰质原料。以熟料中CaO含量约为65％，MgO含量约为1.5％估算，石灰石为主要原料生产1t硅酸盐水泥熟料，碳酸盐分解造成CO₂工艺排放量约为0.52t。

目前我国水泥生产用燃料以煤为主，极少量柴油用于回转窑启动时的点火。如果以燃烧1t标煤排放2.72tCO₂，每吨熟料标煤耗0.11t计算，生产1t熟料燃料燃烧排放CO₂约为0.29t。水泥生产过程电力消耗造成的CO₂排放强度取决于企业自身电力消耗水平和电网的CO₂排放因子。如果以水泥熟料综合电耗65kW·h/t，电网CO₂排放因子0.9kg/（kW·h）计算，生产1t水泥熟料电力消耗排放CO₂0.06t。原材料及成品运输产生的CO₂排放取决于运输的距离和采用的运输工具。由于各企业情况不同，差距较大，同时相对前三项CO₂排放量较小，在此不作具体测试与计算。每吨水泥熟料CO₂排放总量为0.87t。其中，工艺CO₂排放占60％，燃料燃烧CO₂排放占33％，电力消耗CO₂排放7％。

7.噪声

水泥行业的噪声也是一个较严重的污染源，主要噪声源包括水泥磨、生料磨、煤磨、破碎机、空压机、各类风机等，噪声影响遍布厂区范围内。

8.废弃物与废水

水泥工业由于工艺及产品特点，固体废物产生量及排放量均比较小，不但产生和排放固体废物量少，同时还大量消纳煤炭、冶金、电力等行业的矸石、矿渣、粉煤灰等常规废渣、废料作为功能性调节材料，缓解这些行业对环境的污染。另一方面，水泥工业还能将一些可燃性危险废物作为替代燃料在水泥回转窑内加以降解，既消除了可能产生的环境危害，又节约了能源。

水泥工业生产主要水消耗用于余热发电和设备冷却，与固体废物一样，水泥工业废水排放量也比较少。水泥工业和化工、石油、造纸等行业不同，废水中基本不含硫化物、氰化物、铝、砷、汞、镉、石油类等污染物。常规水泥生产企业通过建立污水处理站能够完全实现零排放。

从以上八个方面分析水泥工业对环境的主要影响，可以看出一方面是燃料、电力、石灰石等资源、能源负荷；另一方面是二氧化碳、颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放等污染源负荷。同时，水泥工业还有充分利用工业废渣、废料作为功能调节材料，以及利用或降解工业、生活垃圾及可燃性危险废物的特点。