International Journal of Geology, A

International Journal of Geology, Agriculture and Environmental Sciences
Volume – 2 Issue – 3 June 2014

Website: www.woarjournals.org/IJGAES ISSN: 2348-0254


A Review On Environmental and Health Impacts Of

Cement Manufacturing Emissions

Shraddha Mishra, Dr. Nehal Anwar Siddiqui

Health, Safety & Environment, University of Petroleum &

Energy Studies, Dehradun, Uttarakhand, India


Abstract: Climate change is considered as major environmental challenge for the world. Emissions from cement manufacturing are one of the major contributors in global warming and climate change. Cement manufacturing is a highly energy intensive process , which involves intensive fuel consumption for clinker making and resulting in emissions. Beside Fuel consumption, the calcining process is a major source of emissions such as NOx, SOx, CO2, particulate matters etc. In this paper, the role of cement indu stry is reviewed in causing impact on environment and health. It describes the cement production process and its emission sources followed by overview of emissions and their environmental and health impacts. Review study has focused on emission generation from cli nker production and excluded the emissions due to indirect energy (electricity, transportation, supply chain etc.) used for cement operations. This review observed a comprehensive literature in term of peer reviewed journals, industry sector reports, websi tes etc on cement industry and associated emissions and health impacts.

Keywords: Cement manufacturing, emissions, SO2, NOx, PMs, CO2, environmental impact, health impacts, sustainability.



1. Introduction

It is impossible to envisage a modern life without cement. Cement is an extremely important construction material used for housing and infrastructure development and a key to economic growth. Cement demand is directly associated to economic growth and many growing economies are striving for rapid infrastructure development which underlines the tremendous growth in cement production [1]. The cement industry plays a major role in improving living standard all over the world by creating direct employment and providing multiple cascading economic benefits to associated industries. Despite its popularity and profitability, the cement industry faces many challenges due to environmental concerns and sustainability issues [2].

The cement industry is an energy intensive and significant contributor to climate change. The major environment health and safety issues associated with cement production are emissions to air and energy use. Cement manufacturing requires huge amount of non renewable resources like raw material and fossil fuels. It is estimated that 5-6% of all carbon dioxide greenhouse gases generated by human activities originates from cement production [2]. Raw material and Energy consumption result in emissions to air which include dust and gases. The exhaust gases from a cement kiln contains are nitrogen oxides (NOx), carbon dioxide, water, oxygen and small quantities of dust, chlorides, fluorides, sulfur dioxide, carbon monoxide , and still smaller quantities of organic compounds and heavy metals [3]. Toxic metals and organic compounds are released when industrial waste is burnt in cement kiln. Other sources of dust emissions include the clinker cooler, crushers, grinders, and materials-handling equipment.





























Figure 1: Global Cement Production 1970-2050 (Source:

International Energy Agency (IEA)


These emissions are not only deteriorating air quality but also degrading human health. Emissions have local and global environment impact resulting in global warming, ozone depletion, acid rain, biodiversity loss, reduced crop productivity etc [4]. Scientific evidence indicates that air pollution from the combustion of fossil fuels causes a spectrum of health effects from allergy to death [5]. The results of several studies showed that these emissions are adversely affecting human health in a variety of ways, like itchy eyes,


WOAR Journals Page 26

respiratory diseases like tuberculosis, chest discomfort, chronic bronchitis, asthma attacks, cardio-vascular diseases and even premature death [6], [7].


2. Cement Manufacturing Process:

The main component of cement is clinker, which is produced from raw materials, such as limestone and clay. [8]. Limestone supplies CaCO3 for the cement production. Silica, alumina, and iron are considered to be other raw materials. The lime stone used for cement manufacturing contains 75-90 % of CaCo3 and remainder is MgCo3 and impurities [11]. Raw material is extracted through mining and quarrying which follows drilling, blasting, excavating, handling, loading, hauling, crushing, screening, stockpiling, and storing [10].

A specific composition of the raw materials are crushed and then milled into a raw meal for the quality and uniformity of cement. This raw meal is blended in blending silos and is then heated in the pre-heating system. This process dissociates carbonate to calcium oxide and carbon dioxide [11]. It can be accomplished by any of three processes: the dry process, the wet process, or the semidry process [10]. In a dry cement manufacturing process, dry raw mix contains less than 20% moisture by mass. However, in a wet process water is added to the raw mix to form slurry and then is transported to the kiln

[11].

Raw meal or blended raw materials are fed into the upper end of the pre-heater tower and then passed through the end of the rotary Kiln. A rotary kiln is a tube with a diameter up to about 6 m. which is installed at a horizontal angle of 3o–4 o and rotates slowly with about one to four RPM [9]. The Kiln rotates and the ground raw material moves down toward the flame. As the temperature increases, the sequence of chemical and physical changes starts with reaction taking place between calcium oxide and other elements. This reaction will produce calcium silicates and aluminates at about 1500◦ C. The flame can be produced by fuel materials such as coal, petroleum coke, or by natural gas, oil, biomass, industrial waste and recycled materials. A series of chemical reactions will take place and the raw material will be melted and fused together to form a clinker. The clinker is discharged as red-hot at approximately 1500oC from the end of the kiln, which is passed through coolers, where the excess heat is recovered. Most commonly cooling of the clinker can be performed in a grate cooler, a tube (rotary) cooler, or a planetary cooler. It recovers up to 30% of kiln system heat and route it back to the pre-heater units [9], [10], [11], [12].

In the final step, clinker is ground together with additives (e.g., fly ash, blast furnace slag, pozzolana, gypsum, and anhydrite) in a cement mill to control the properties of the cement. Combinations of milling techniques including ball mills, roller mills, or roller presses are often applied to ground clinker with additives in cement mill. The finished cement is being transferred via bucket elevators and conveyors to silo for storage [9].







































Figure 2: Cement Manufacturing Process

3. Emissions from cement manufacturing

The most significant environment health and safety issue of cement manufacturing is emission [15]. Cement industry is potential anthropogenic source of air pollution. It has estimated that cement production originates about 5% of global manmade CO2 emissions [13]. The typical gaseous emissions to air from cement production include NOx, SOx, CO, CO2, H2S, VOCs, dioxins, furans and particulate matters [14], [15], [16]. These major pollutants can be classified in two categories- gaseous and particulates. Fuel combustion process is the source of gaseous emissions which include oxides of nitrogen, oxides of sulfur, oxides of carbon and volatile organic compounds and hydrogen sulfide. Quarrying, drilling, blasting, hauling, Cement mill, fuel preparation, packaging, road cleaning and stacks are sources of particulate matter in the form of dust and carbon particle [14], [15], [16].

There are many other sources of emissions from cement manufacturing, such as emissions from transportation equipment used in the mining and transporting raw and finished material, fuel used for electricity production for operating other process in cement manufacturing [23].

Types of fuel used in cement industries for few selected countries [11]





WOAR Journals Page 27

SO2 and O2. But the highly alkaline condition in the kiln can
Process [19], [20]
absorb 90% of the sulphur oxides. Sox emission can be
controlled by using low slphur fuel and raw material.
Sulfides + O2 → Oxides +

SO2 Formation SO2 Table 2: Process SO2 Emission
Organic S + O2 → SO2
Raw mill The sulfur oxides react with water vapor and other chemicals
CaCO3 + SO2 → CaSO3 +
SO2 Absorptio high in the atmosphere in the presence of sunlight to form
n CO2 sulfuric acids. The acids formed usually dissolve in the
suspended water droplets, which can be washed from the air
Sulfides + O2 → Oxides + on to the soil by rain or snow. This is known as acid rain. It is
Preheatin SO2 Formation SO2 responsible for so much damage to life and health. Respiratory
Organic S + O2 → SO2 illnesses such as bronchitis are seen to increase with sulfur
g zone
SO2 Absorptio CaCO3 + SO2 → CaSO3 + oxide levels [21]. Increased level of SOx in the atmosphere

n CO2 can also degrade agricultural productivity and death of some
plants.
Fuel S + O2 → SO2

Calcining SO2 Formation CaSO4 + C → CaO + SO2 + Nitrogen Oxide (NOx):
CO
zone
SO2 Absorptio CaO + SO2

Kết quả (Việt) 2:

Tạp chí Quốc tế về Địa chất, Nông nghiệp và Khoa học Môi trường
Volume - 2 Issue - 03 tháng 6 2014 Website: www.woarjournals.org/IJGAES ISSN: 2348-0254 Một đánh giá tác động môi trường và sức khỏe của phát thải sản xuất xi măng Shraddha Mishra, Tiến sĩ Nehal Anwar Siddiqui Sức khỏe, An toàn & Môi trường, Đại học Dầu khí & Nghiên cứu Năng lượng, Dehradun, bang Uttarakhand, Ấn Độ Tóm tắt: Biến đổi khí hậu được coi là thách thức lớn về môi trường cho thế giới. Khí thải từ sản xuất xi măng là một trong những đóng góp lớn trong sự nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu. Sản xuất xi măng là một quá trình rất tốn kém năng lượng, trong đó có việc tiêu thụ nhiên liệu chuyên sâu cho việc clinker và kết quả là lượng khí thải. Bên cạnh tiêu thụ nhiên liệu, quá trình nung là một nguồn chính của khí thải như NOx, SOx, CO2, vấn đề hạt vv Trong bài báo này, vai trò của Indu stry xi măng được xem xét trong việc gây ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe. Nó mô tả các quá trình sản xuất xi măng và các nguồn phát thải của mình theo sau tổng quan về khí thải và tác động môi trường và sức khỏe của họ. Nghiên cứu xem xét đã tập trung vào thế hệ phát thải từ sản xuất cli vùng KTTĐ Bắc Bộ và loại trừ các khí thải do năng lượng gián tiếp (điện, giao thông, chuỗi cung ứng, vv) được sử dụng cho các hoạt động xi măng. Đánh giá này được quan sát một nền văn học toàn diện trong nhiệm kỳ của hàng tạp chí xem xét, báo cáo ngành công nghiệp, vv websi tes vào ngành công nghiệp xi măng và lượng khí thải liên quan và tác động sức khỏe. Từ khóa: sản xuất xi măng, khí thải, SO2, NOx, Thủ tướng, CO2, tác động môi trường, ảnh hưởng sức khỏe , tính bền vững. 1. Giới thiệu Không thể mường tượng ra một cuộc sống hiện đại mà không có xi măng. Xi măng là một vật liệu xây dựng vô cùng quan trọng được sử dụng cho nhà ở và phát triển cơ sở hạ tầng và một chìa khóa để tăng trưởng kinh tế. Nhu cầu xi măng có liên quan trực tiếp đến tăng trưởng kinh tế và nhiều nền kinh tế phát triển đang phấn đấu cho sự phát triển cơ sở hạ tầng nhanh chóng đó nói lên sự tăng trưởng to lớn trong sản xuất xi măng [1]. Các ngành công nghiệp xi măng đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện mức sống khắp nơi trên thế giới bằng cách tạo việc làm trực tiếp và cung cấp nhiều lợi ích kinh tế cho tầng ngành công nghiệp liên quan. Mặc dù phổ biến và khả năng sinh lợi của nó, các ngành công nghiệp xi măng phải đối mặt với nhiều thách thức do những lo ngại về môi trường và các vấn đề phát triển bền vững [2]. Các ngành công nghiệp xi măng là một năng lượng đóng góp tích cực và quan trọng cho sự thay đổi khí hậu. Các vấn đề sức khỏe và an toàn môi trường chính liên quan đến sản xuất xi măng là phát thải vào không khí và năng lượng sử dụng. Sản xuất xi măng đòi hỏi số lượng lớn các nguồn tài nguyên không thể tái sinh như các nhiên liệu hóa thạch và nguyên liệu thô. Người ta ước tính rằng khoảng 5-6% của tất cả các loại khí nhà kính carbon dioxide tạo ra bởi hoạt động của con người bắt nguồn từ sản xuất xi măng [2]. Vật chất và năng lượng kết quả tiêu thụ nguyên liệu phát thải vào không khí bao gồm bụi và khí. Khí thải từ lò nung xi măng chứa là các oxit nitơ (NOx), carbon dioxide, nước, oxy và một lượng nhỏ bụi, clorua, florua, sulfur dioxide, carbon monoxide, và số lượng vẫn còn nhỏ hơn của các hợp chất hữu cơ và kim loại nặng [3] . Các kim loại độc hại và các hợp chất hữu cơ được giải phóng khi thải công nghiệp được đốt cháy trong lò nung xi măng. Các nguồn khác của bụi thải bao gồm mát clinker, nghiền, mài, vật liệu và thiết bị xử lý. Hình 1: Sản xuất xi măng toàn cầu 1970-2050 (Nguồn: Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) Những phát thải không chỉ suy giảm chất lượng không khí mà còn làm giảm con người sức khỏe. Khí thải có tác động môi trường địa phương và toàn cầu dẫn đến sự nóng lên toàn cầu, suy giảm tầng ôzôn, mưa axit, mất đa dạng sinh học, làm giảm năng suất cây trồng vv [4]. Bằng chứng khoa học chỉ ra rằng ô nhiễm không khí từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch gây ra một quang phổ của ảnh hưởng sức khỏe từ dị ứng với cái chết [5]. Kết quả của một số nghiên cứu cho thấy khí thải này sẽ ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người trong nhiều cách khác nhau, như ngứa mắt, WOAR Journals Page 26 bệnh đường hô hấp như bệnh lao, tức ngực, viêm phế quản mãn tính, hen, tim mạch bệnh -vascular và thậm chí tử vong sớm [6], [7]. 2. Quy trình sản xuất xi măng: Các thành phần chính của xi măng là clinker, được sản xuất từ nguyên liệu như đá vôi và đất sét. [8]. Đá vôi CaCO3 cung cấp cho sản xuất xi măng. Silica, nhôm, sắt và được coi là nguyên liệu khác. Các đá vôi được sử dụng cho sản xuất xi măng có chứa 75-90% của CaCO3 và còn lại là MgCo3 và các tạp chất [11]. Nguyên liệu được chiết xuất thông qua khai thác mỏ và khai thác đá mà sau khoan, nổ mìn, đào, bốc dỡ, bốc xếp, vận chuyển, nghiền, sàng lọc, tàng trữ, lưu trữ và [10]. Một thành phần cụ thể của các nguyên liệu được nghiền nát và sau đó xay thành bột liệu về chất lượng và tính đồng nhất của xi măng. Bột liệu này được pha trộn trong silo trộn và sau đó được nung nóng trong hệ thống pre-sưởi ấm. Quá trình này phân ly cacbonat để oxit canxi và carbon dioxide [11]. Nó có thể được thực hiện bởi bất kỳ của ba quá trình: quá trình khô, quy trình ướt, hoặc quá trình semidry [10]. Trong quá trình sản xuất xi măng khô, hỗn hợp nguyên liệu khô chứa ít hơn 20% độ ẩm theo khối lượng. Tuy nhiên, trong một quá trình ướt nước được thêm vào hỗn hợp nguyên liệu để tạo thành bùn và sau đó được vận chuyển đến các lò [11]. bữa ăn thô, nguyên liệu pha trộn được đưa vào phần trên của tháp trước khi nóng và sau đó đi qua các cuối của lò quay. Một lò quay là một ống có đường kính lên đến khoảng 6 m. được lắp đặt tại một góc ngang của 3o-4 o và quay chậm với khoảng 1-4 RPM [9]. Các lò quay và vật liệu mặt đất thô di chuyển xuống phía ngọn lửa. Khi nhiệt độ tăng, các chuỗi các thay đổi hóa học và vật lý bắt đầu với phản ứng diễn ra giữa oxit canxi và các nguyên tố khác. Phản ứng này sẽ sản xuất silicat canxi aluminat và khoảng 1500◦ C. Ngọn lửa có thể được sản xuất bằng vật liệu nhiên liệu như than đá, than cốc dầu khí, hoặc bằng khí tự nhiên, dầu, sinh khối, chất thải công nghiệp và vật liệu tái chế. Một loạt các phản ứng hóa học sẽ diễn ra và các nguyên liệu sẽ được nấu chảy và hợp nhất với nhau để tạo thành một clinker. Clinker được thải ra như nóng đỏ vào khoảng 1500oC từ cuối của lò nung, trong đó được đưa qua thiết bị làm mát, nơi nhiệt dư thừa được thu hồi. Phổ biến nhất làm mát của clinker có thể được thực hiện trong thùng lạnh grate, một ống dẫn (quay) mát, hoặc làm mát hành tinh. Nó phục hồi lên đến 30% nhiệt hệ thống lò nung và tuyến đường nó lại cho các đơn vị tiền nóng [9], [10], [11], [12]. Trong bước cuối cùng, clinker là mặt đất cùng với các chất phụ gia (ví dụ, tro bay, xỉ lò cao, pozzolana, thạch cao, và anhydrit) trong một nhà máy xi măng để điều khiển các tính chất của xi măng. Sự kết hợp của kỹ thuật bao gồm các nhà máy xay xát bóng, các nhà máy con lăn, hoặc ép con lăn thường được áp dụng để nghiền clinker với chất phụ gia trong nhà máy xi măng. . Các xi măng thành phẩm được chuyển qua thang máy thùng và băng tải tới nơi để lưu trữ [9] Hình 2: Quy trình sản xuất xi măng 3. Khí thải từ sản xuất xi măng Vấn đề quan trọng nhất về sức khỏe và an toàn môi trường của sản xuất xi măng là khí thải [15]. Ngành xi măng là nguồn tiềm năng con người gây ra ô nhiễm không khí. Nó đã ước tính sản lượng xi măng bắt nguồn khoảng 5% lượng khí thải CO2 do con người tạo toàn cầu [13]. Các phát thải khí điển hình để không khí từ sản xuất xi măng bao gồm NOx, SOx, CO, CO2, H2S, VOC, dioxin, furan và các vấn đề hạt [14], [15], [16]. Những chất gây ô nhiễm chính có thể được phân loại trong hai hạt khí và categories-. Quá trình đốt nhiên liệu là nguồn phát thải khí trong đó bao gồm các oxit nitơ, oxit lưu huỳnh, oxit cacbon và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và hydrogen sulfide. Khai thác đá, khoan, nổ mìn, vận chuyển, nhà máy xi măng, chuẩn bị nhiên liệu, bao bì, rửa đường và ngăn xếp được nguồn hạt vật chất ở dạng bụi và carbon hạt [14], [15], [16]. Có rất nhiều nguồn khác khí thải từ sản xuất xi măng, như lượng khí thải từ các thiết bị giao thông vận tải được sử dụng trong khai thác và vận chuyển nguyên liệu và thành phẩm, nhiên liệu sử dụng cho sản xuất điện cho các hoạt động khác trong quá trình sản xuất xi măng [23]. Các loại nhiên liệu được sử dụng trong ngành công nghiệp xi măng cho vài quốc gia lựa chọn [11] WOAR Journals Page 27 SO2 và O2. Nhưng điều kiện có tính kiềm cao trong lò có thể Process [19], [20] hấp thụ 90% của các oxit lưu huỳnh. Phát thải Sox có thể được kiểm soát bằng cách sử dụng nhiên liệu slphur thấp và nguyên liệu. sulfide + O2 → Oxit + SO2 hình thành SO2 Bảng 2: Quy trình SO2 thải hữu cơ S + O2 → SO2 Raw mill Các ôxít lưu huỳnh phản ứng với hơi nước và hóa chất khác CaCO3 + SO2 → CaSO3 + SO2 Absorptio cao trong bầu không khí trong sự hiện diện của ánh sáng mặt trời để tạo thành axit sulfuric n CO2. Các axit hình thành thường hòa tan trong những giọt nước lơ lửng, có thể được rửa sạch từ không khí sulfide + O2 → Oxit + về với đất do mưa hoặc tuyết. Điều này được gọi là mưa axit. Nó là Preheatin SO2 hình thành SO2 chịu trách nhiệm về thiệt hại rất nhiều đến cuộc sống và sức khỏe. Hô hấp hữu S + O2 → SO2 bệnh như viêm phế quản được nhìn thấy để tăng với lưu huỳnh khu g SO2 Absorptio CaCO3 + SO2 → CaSO3 + mức oxit [21]. Tăng mức độ SOx trong khí quyển n CO2 cũng có thể làm giảm năng suất nông nghiệp và cái chết của một số nhà máy. Nhiên liệu S + O2 → SO2 nung SO2 Formation CaSO4 + C → CaO + SO2 + Nitrogen Oxide (NOx): CO khu SO2 Absorptio CaO + SO2