水泥生产中微量元素的行为及环境影响

水泥生产中微量元素的行为及环境影响

蔡亮

天辰水泥有限责任公司新疆石河子市832012

摘要：随着水泥工业的发展，许多废弃物作为代替原料被广泛的应用于水泥生产，减少了资源消耗，有利于水泥行业的可持续发展。但在带来经济效益的同时，也带来了环境污染的问题。废弃物的种类繁多，其组分非常复杂，一些有害组分会随着废弃物和其它原材料被引入，部分有害组分在生产过程中会排放出来，造成环境污染。其中，Hg、Pb、Cd等重金属的排放污染问题尤为值得注意。基于此，本文主要对水泥生产中微量元素的行为及环境影响进行分析探讨。

关键词：水泥生产；微量元素；行为；环境影响

1、前言

目前水泥工业利用各种低品位原燃料、工业废渣以及可燃废弃物和城市垃圾等做二次材料愈来愈广泛，引入水泥中的微量元素的量大大增加了。探索水泥中微量元素的行为及其环境影响已成当务之急。

2、微量元素在水泥窑中的行为

水泥窑内煅烧温度相当的高，在烧成带气体温度高达1750℃，物料温度高达1450℃，同时被煅烧物质在窑内滞留的时间长约20-30min。微量元素在高温下被激活，根据本身的物理和化学性质的不同，它们或参与各种烧结反应而固定于熟料中，或挥发后随粉尘进入除尘器中，部分随废气输出回转窑系统。

因为重金属的沸点相对很高，因而绝大部分重金属都留在熟料和粉尘中，只有少数沸点低的，如铅和锌的卤化物（沸点低于1000℃）被蒸发从烟道气体中排出。据测量表明，进入水泥窑的废料中的重金属有41%固化在熟料中，46%进入粉尘中，9%存在于废水中，只有4%的重金属从烟道气体中排出。因此，在烟道气体中排出的重金属远远低于排放标准。

德国水泥厂协会根据带悬浮预热器的回转窑中元素的物料平衡情况，将微量元素分为4类：高挥发元素、易挥发元素、难挥发元素和不挥发元素。

高挥发性元素Hg是一种低沸点元素，其沸点为356.58℃，故Hg及其化合物非常易于挥发。在窑中达1450℃的高温下，它大部分以气态形式存在。研究者对水泥厂中Hg的排放进行了研究，对原材料、石油燃料、静电除尘器和尾气出口的灰尘进行了连续地监控。结果表明无论水泥窑是哪种类型，尾气中均排放出大量的Hg蒸气。难挥发和不挥发元素在熟料煅烧过程中，有90%会保留在熟料中。在回转窑内，微量元素还会与主要的成分发生一系列的反应，从而影响熟料的易烧性、熟料产物的结构和水泥产品的性能。

3、微量元素的环境影响

水泥熟料的煅烧过程，是水泥生产的主要污染源之一。它产生的烟气进入大气后，会直接造成对人体器官和生态环境的破坏。水泥行业的粉尘在我国一般为水泥产量的3%左右，年排放量高达1500-1800t。

水泥生产过程中引入的微量元素有一部分伴随水泥窑废气排放到环境中。美国和欧洲对废气的粉尘排放要求极高，目前它们规定的废弃物焚烧炉和焚烧废弃物的水泥生产线的排放标准分别为＜7mg/m3（标况）和＜5mg/m3（标况）。我国GWKB-1999〈危险废物焚烧污染控制标准〉中规定了危险废弃物焚烧炉的烟尘最高允许排放浓度为80mg/m3（标况）（当焚烧容量为300-2500kg/h）。

研究者认为环境对水泥生产的承受能力可通过水泥厂附近的环境污染程度来测量。几种主要微量元素对环境的污染如表1所示，表中数据是指水泥厂在掺25%可燃性废料时，向周围扩散的污染物浓度的计算值占所知作用阈值的百分数。按照1台悬浮预热器窑允许的排放极限计算的进入土壤的重金属在30年后的积累总量占自然土壤认可的阈值的百分数；同时假定沉积到土壤中的重金属不流失而且土壤正常使用。

表1

有毒气体和微量重金属元素引起的污染在所知作用阈值的1%范围内，在大多数情况下污染程度很低。进入土壤的重金属的量也不大，甚至30年积累的总量一般不超过自由使用的土壤认可的阈值的1%。因此水泥厂附近的环境污染程度实际上不会受影响。二次材料含有的重金属浓度一般较高，同时含量取决于二次材料的来源。至于二次材料引入的重金属是否会使得水泥窑排放的污染物中重金属的量增加，许多国外的学者曾做过研究。认为：在烧成过程中，非挥发性元素和轻微挥发性元素如Cr、Ni、V、Zn等将会固定在熟料中，因此在通常的波动范围内，这些元素的排放量在掺加废弃物前后相差很小。而其他学者认为，通常情况下，二次材料中硫含量小于1%，而煤中常大于2%，故用二次材料替代煤可以降低SOx的排放量。美国环保局根据从北美97个水泥窑中收集的试样分析得出：燃烧二次材料后12种金属元素（As、Sb、Ba、Bb、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Se、Ag和Tl）仅仅Cr在水泥中的浓度增加了，另外11种元素变化不大；在粉尘中，Pb、Cd和Cr的浓度大大增加，但不会引起太大的环境危险，Ba、Tl的浓度却降低了；同时粉尘中Ba、Cr和i的含量与美国一般土壤中的含量相差不大。其他研究者的实验则认为，根据水泥厂的水泥窑的污染物排放看出，使用废弃物燃料和使用煤作燃料相比，排放的粉尘中As、Cd、Cr和Pb的量会有所增加。

4、水泥窑生产过程中Hg、Pb和Cd的逸放污染

由前面的研究可知，在煅烧水泥熟料过程中有相当部分的重金属会随废气逸放污染环境，尤其是具有毒性的Hg、Pb、Cd，对周围的环境的污染更为严重。

对YH、FK和MS三家使用Pb、Cd含量较高的铅锌尾矿废渣等废弃物煅烧水泥3～5年的水泥厂附近的土壤进行取样，测定各土壤样品中Hg、Pb和Cd的含量，研究随废气逸放出来的Hg、Pb和Cd对土壤的污染。结果表明，工厂附近的土壤在不同程度受到Hg、Pb和Cd的污染。位于下风向500m处土壤中Hg、Pb和Cd的含量均大大超过下风向2000m处和上方向1000m处土壤中的含量，是其2～3倍。在距离工厂500m处的土壤样品中Hg、Pb和Cd的含量均超过了国家标准GB15618-1995土壤环境质量标准中所规定的最大限量：Pb最大限量为35mg•kg-1，Cd最大限量0.2mg•kg-1，Hg最大限量为0.15mg•kg-1。可见，煅烧水泥熟料过程中Hg、Pb和Cd的逸放会对周围的土壤造成污染，破坏生态平衡。

随水泥窑烟气逸放的Pb不仅对会周围的环境造成污染，而且会直接影响到人体的健康。空气中的Pb经呼吸道吸入肺中，再通过肺泡毛细血管吸收入血。当Pb通过呼吸道吸入时，估计成年人肺中的沉积率为30%～50%。为了研究水泥窑烟气中逸放的Pb对人体健康的影响，对YH、FK、MS三家水泥厂中不同工龄、不同工作岗位的若干名员工的头发进行取样，得到A系列样品，用原子吸收分光光度法测定头发样品的Pb含量，YH、FK和MS三家水泥厂中接受取样的若干名员工的头发样品的Pb含量均超过正常情况头发中Pb含量的上限30mg•kg-1。可见，随水泥窑烟气逸放的Pb等重金属不仅会对周围环境造成污染，还会对人体健康造成影响。特别是利用Pb等重金属含量高的废弃物煅烧水泥熟料时尤需重视重金属的逸放污染。

5、结语

总之，必须加强对水泥厂所排放废气、粉尘的处理，减少重金属等有害组分随之排放污染；淘汰立窑，大力发展新型干法窑；同时，应进一步完善控制水泥生产排放污染的相关法规，增列重金属等有害组分的排放限量，并制定水泥生料中重金属限量等规定，从源头防治水泥生产中重金属的排放污染。

参考文献：

[1]苏达根，林少敏．利用废弃物煅烧水泥熟料需注意的几个问题[J]．水泥，2003，（4）：10-11．

[2]乔龄山．水泥厂利用废弃物的有关问题，（二）——微量元素在水泥回转窑中的状态特性[J]．水泥，2002，（12）：1-5．