水泥工业协同处置固体废物安全生产技术应用，助力全球气候减缓

水泥工业协同处置固体废物安全生产技术应用，助力全球气候减缓

几十年来，我国朝着“水泥强国”的方向发展，在调整水泥工业产业结构、升级生产工艺、降低能耗减排等方面取得了长足进步，赋予了现代水泥工业“生态、环保、绿色工业”的新内涵。特别是在水泥窑固体废弃物、二次资源和能源的资源化利用方面取得了良好进展。水泥工业总能耗约2亿吨标准煤，约占全国能源消费总量的5.8%；CO2排放量占全国总排放量的9%～10%。《水泥工业技术路线图》[1-2]显示，水泥工业产生的CO2排放量占全球人为CO2排放量的5%。但国际水泥工业的发展趋势是走以高效节能、低耗低排放、提高劳动生产率为中心的可持续发展道路。 因此，水泥行业固体废物协同处置安全生产技术的应用，对减缓全球气候变化具有重要意义。

水泥窑协同处置固废已成为社会、行业和市场关注的焦点，政策、管理、技术、市场等各方面的探讨一直不断。但与国际先进水平相比，我国水泥行业还存在单位产品能耗高、对安全健康保障重视不够等问题。除了原料、固废、替代燃料等方面的差异外，最主要的原因是我国水泥窑协同处置固废工艺技术和安全管理水平与国际先进水平还存在一定的差距。

1 世界水泥工业发展概况

从水泥生产工艺来看，美国水泥生产线数量由1993年的113条减少到2013年的94条，减少了17%。其中，干法生产线由72条增加到83条，湿法生产线由37条减少到10条（如图1所示）；而水泥产量则由7380.7万吨增加到8270万吨。同样，从图2中可以看出，德国水泥生产线数量由2005年的69条减少到2012年的53条，其中立窑生产线数量仍为8条，篦预热器窑由16条减少到6条，旋风预热器窑生产线数量略有减少。 同样，德国的水泥产量在2005年至2012年也呈现上升趋势。这说明在城镇化进程较早完成的欧美等国家，水泥产品需求量低且稳定，现有水泥生产线的产能利用率稳步提高。

美国和德国历年水泥行业燃料消耗情况分别如图3和图4所示。可以看出，美国主要燃料种类有煤炭、燃料油、石油焦、天然气、轮胎、固体燃料、液体燃料等。其中，轮胎、固体燃料和液体燃料的使用量逐年增加，而煤炭、燃料油和天然气的使用量则大幅下降。具体来说，1993年轮胎的使用量仅为7万吨，但2013年却增长到39.9万吨，相当于使用量增长了近5倍；1993年煤炭消耗量为1003.4万吨，但2013年却急剧下降到603万吨，相当于减少了一半。 由此可见替代燃料受到欧美发达国家的高度重视，使用替代燃料对减少化石能源热能的消耗有很大帮助。

基于保护自然资源的基本原则和发展循环经济的需要，德国水泥行业的燃料替代率从1987年的4.1%迅速上升到2013年的62.2%（见图5）。如图6所示，工业固体废物处置率增长了近7倍，混合生活垃圾处置率也从1%上升到6%，轮胎处置率基本稳定在7%左右。可以看出，固体废物的协调处置和水泥窑替代燃料的应用符合废物管理的理论模型，可以高效地从固体废物中回收能源和材料。预测2030年全球水泥行业替代燃料的应用率将达到23%，2050年将达到37% [7]。

相比之下，到2018年，我国大宗工业固体废物年排放量已趋于稳定，仍然超过30亿吨，总堆存量约200亿吨；城镇垃圾约18亿吨，占用大量土地进行堆存，对空气、水和土壤造成严重污染。而我国水泥行业应用替代燃料才刚刚起步，对水泥行业煤炭消费总量的替代率还不到0.1%。随着社会经济的不断发展，固体废物协同处置和水泥窑替代原料燃料的应用必将成为我国固体废物处置的主要发展方向。

2. 水泥行业协同处置生产工艺

水泥行业协同处置生产过程的一般流程包括：固体废物的收集、分选、预处理、运输、接收、预制备、储存、传输、计量、供料、水泥厂内煅烧、大气污染物监测和熟料质量控制。以生活垃圾为例，不同的预处理技术体系分为“先预处理、后脱水控制”预处理技术、“先发酵、后分选”预处理技术、“先焚烧、后处理”预处理技术和“先气化、后处理”预处理技术四大派系。

由于固体废物的粒径、成分、形貌、危害性等存在差异，预处理方式差异很大。对于污泥，污泥燃料预处理技术采用多级干燥机制，利用水泥窑的余热与污泥进行热交换，大大降低了污泥中的含水量。在处理过程中，通过维持系统内负压状态，保证臭味不会外泄，最后引入水泥窑进行高温煅烧，彻底消除臭味。对于未经粉碎的替代燃料，气化炉联合预处理技术可实现更多替代燃料的使用，节省替代燃料粉碎所需的大量机械和能耗，节省后续高温分解的成本。

在计量方面，可采用新型一体化混切计量重力计量设备，更加适用于替代燃料，可以稳定控制并准确记录和检测替代燃料的流量。

就喂料而言，关键是喂料点和喂料设备的选择。应根据所用替代燃料和原料的性质，选择适合替代原燃料的喂料点。应将替代燃料喂入窑系统的高温区，即主燃烧器、分解炉、预热器或窑中部。例如，可将粘土、油、石油加工产生的废催化剂、溶剂、塑料、化学品产生的催化剂、纸浆产生的磨削残渣、垃圾焚烧产生的粉煤灰、城市污泥、汽车制造产生的油漆残渣、废轮胎、砂石等输送到窑系统的高温区。对于轻质替代原燃料，可采用新型气力喂料装置进行输送。

就煅烧工艺而言，采用使用替代燃料的现代化多通道燃烧器，可大大增加替代燃料的种类和使用量。使用废油、废溶剂等液体燃料和废木料、动物骨粉等固体燃料，以及使用经过加工分散的燃料是水泥替代燃料的发展趋势。基本原则是燃料颗粒在接触窑料前应能点燃。同时，还可采用“热板炉”技术和“预燃室”技术，使燃料有充分的时间燃烧殆尽，这也大大增加了替代燃料的使用比例，为处理后的生活垃圾和工业废弃物的进一步利用带来帮助。

正是由于水泥行业协同处置生产工艺的复杂性和新技术的应用，现场安全管控显得尤为重要。

3.水泥行业协同处置安全管理

一是制定应急预案，加强员工培训。确定员工分工职责，细化应急培训要求。任何作业前应进行安全技术交底，标明可能发生泄漏或污染的区域、现场高危区域、清理程序等。凡存在感染、皮肤刺激等接触风险的场所，应为操作人员提供相应设施，采取必要的卫生防护措施。作业过程中，如发现安全设施存在缺陷和隐患，应及时解决，如危及人身安全，应停止作业。发生紧急情况时，提供书面指示和应急预案，记录紧急情况下所需设备。

预处理阶段固废安全管理重点：高压电、高空坠落、机械伤害、粉尘、噪音、火灾等。

在用电安全管理方面，每台用电设备必须有自己专用的开关箱；动力开关箱与照明开关箱必须分开；配电箱、开关箱应安装在干燥、通风、温度正常的地方，周围应有足够的空间和通道，可供两人同时作业；配电箱、开关箱上应有明显的警告、指示标志。

关于高空坠落的安全防护，由于替代原料、协同加工生产工序的要求，生产区内预热器塔、物料储存仓库等高大建筑物较多，磨机、传送带、窑炉等大型设备较多，涉及工厂生产、检修过程中大量高空作业。高空施工过程中，危险性普遍存在。为避免高空坠落事故，应做好以下几点：一是作业前充分准备。要求操作人员熟悉现场环境、施工安全要求。按规定穿戴劳动防护用品，必须系好安全带，戴好安全帽，穿轻便衣服，禁止穿容易滑倒的硬底、带钉鞋。二是单位要做好安全防护工作。要制定好作业计划和安全措施；提前与车间负责人或值班主管联系，建立联络信号；按指定路线作业。 三是环境要安全。若出现6级以上大风、雷电、暴雨、大雾等影响施工安全的恶劣天气，或高空作业区附近有烟囱、设备排放有毒有害气体和粉尘超过允许浓度时，禁止露天高空作业。不准站在不稳定结构上作业，不准坐在平台边缘、洞口边缘，不准躺在通道或安全网内休息。要铺设牢固防滑的脚手板，尽可能多地设置临时桥、扶手，确保安全。四是要加强对高空作业的监督检查。高空作业范围和伤亡范围必须设立安全警示标志，并派专人进行安全监护。 监护人应坚守岗位，防止无关人员进入作业范围和坠物伤人。

对于机械损坏，首先应注意代用原燃料等物料应密闭存放。其次应留有足够的机械设备移动空间，移动路径标记应简单明了。另外，输送设备所有旋转部分均应加装防护罩，包括：头轮、尾轮、重力张紧装置、耦合器、减速器等。所有旋转设备均应安装零速开关，如带式输送机的尾轮、螺旋输送机的尾轮、旋转给料机、胶带传动的从动轮等。对于带式输送机，应在头尾各安装一对跑偏开关，如果长度超过30m，应在中部安装一对跑偏开关，以监视胶带的工作情况；带式输送机还需安装拉绳开关，以便在现场处理紧急情况时，及时停止设备，确保人身安全。 这样便于了解输送设备是否运行正常，防止设备不工作时电机运转，造成严重事故。最后，要特别重视场外运输，因为据调查，大多数事故发生在公路运输过程中，要做好公路运输前会诊和事故后调查。固体废物或替代原料的场外运输是在开放的运输系统中进行的活动，它的安全性除受运输系统的影响外，还受到运输系统各要素的影响和制约。一方面要考虑运输的季节背景、运行速度、道路质量、空间断面、交通安全等因素对运输的影响；另一方面要加强对合格运输人员的选拔和教育培训，要求运输人员不仅要对各类道路管理法规、交通标志和运输车辆的安全性能有全面系统的了解，还要了解所运输物料的运输特性，即什么样的道路质量下，需要什么样的安全运输速度要求。

就粉尘而言，由于固体物料储运环节多，几乎每个环节都会产生和排放粉尘。由于粉尘的性质由不同的操作方式、原燃料和替代原燃料的性质、固体废物处置性质和工艺条件决定，且变化范围大而迅速，因此粉尘防治尤为重要。首先要注重员工的健康安全，加大粉尘危害防护设施和个体防尘用品的投入。加强粉尘危害的日常监测和定期检测，确保工作场所粉尘浓度符合国家标准。采用先进的除尘系统，加强防尘措施，如优先使用无人值守的全自动包装机等，减少粉尘危害。采取密闭设备、通风除尘、排气除尘、加湿减尘、清理积尘、电源控制、去除静电和隔离火源等措施，防止火灾危害和爆炸危害。

就火灾而言，更换原料燃料和协同处置固体废物的工艺复杂性增加了水泥厂储存易燃材料的可能性，加之材料储备量大、长期积压，极易发生自燃，着火点随机性强、不易发现，随之而来的粉尘起火甚至爆炸已成为值得关注的问题。一是要加强库底、柱子、锥角、中心线等部位的测温。二是要建立岗位责任制，安全疏散、电气、报警、灭火等各类设施要分段设置，责任明确，专人管理。三是要建立生产现场储存易燃易爆化学品的审批制度，严格控制储存量，落实防火措施。四是严禁无证人员随意拉、接电线、维修电气设备。五是要建立火灾应急预案，避免重大火灾损失，将火灾扑灭在早期。 要根据燃烧物质、特点、火灾现场具体情况，及时辨别火灾形势和火势发展蔓延途径，确定灭火策略。确保各责任人员掌握灭火剂和灭火器材的使用方法，正确使用灭火器材开展灭火工作。

水泥厂固体废物与替代原料联合处置的现场处理和储存注意事项包括：第一，应为现场所用原料的卸货、处理和储存制定全面的书面程序和说明，并确保相关责任人熟悉和掌握。第二，应保持所有区域清洁。储存区域不应出现不受控制的易燃材料。应准确、清晰地张贴标志，如安全警告标志、禁止吸烟标志、消防标志、疏散路线标志等。第三，应在液体替代燃料储存区域附近设置紧急洗眼喷淋器，并配备清晰、准确的警告标志。第四，消防系统必须随时可用，并遵守当地政府或当地消防部门的所有标准和规定。第五，设备应接地，并选择适当的防静电装置和电气设备（如电机、仪表等）。第六，应采用适当的控制技术和储存设施操作方法，防止排放物排入空气、水或土壤中。

水泥厂固体废物与替代原料协同处置的卸车和回收利用阶段，应提醒和监督操作人员使用安全设备，如戴口罩防止吸入粉尘、烟雾或化学毒物，戴手套防止化学腐蚀、微生物侵入或机械损伤，戴工作眼镜及穿工作服、工作鞋防止皮肤接触性损伤等。

在水泥厂工艺监控方面，应注意以下几点： 窑炉运行的平稳性和连续性不能受到影响。为确保产品质量合格或现场环境保护设施有效。 应连续测量、记录和评估所有相关工艺参数，包括f-CaO含量和CO浓度。这些部件的输入限值和操作设定点根据工艺类型和具体现场条件分别设定。 在窑炉启动、关闭或异常状态时，应发布相应的书面说明，介绍使用替代燃料和原材料的条件。窑炉启动和关闭期间不能使用替代燃料，除非窑炉温度高到足以生产出符合质量标准的熟料。在空气污染控制装置（如除尘器）发生故障时不能使用替代燃料。 最终产品，如熟料或水泥，必须符合相关国家或国际质量标准的要求。

4。结论

水泥窑固废协同处理及替代原料应用是水泥行业绿色升级的重要方向，发达国家在固废协同处理工艺、种类、替代率等方面都有着丰富的应用经验，而我国也正在逐步兴起。因此，未来相当长一段时间内，水泥窑固废协同处理及替代原料应用仍将是行业、市场和全社会关注的焦点。由此，我国水泥窑固废协同处理的安全管理水平亟待提高。只有掌握安全管理知识，严格遵守安全生产法律法规，牢记安全生产责任，在生产过程中严格执行国家技术规范和操作规程，落实各项安全管理任务，才能避免安全事故的发生，从而保证水泥窑固废协同处理、替代原料应用和社会经济的健康、持续、稳定、快速发展。

参考：

[1]WBCSD、IEA.2009：至2050年，2009年。

[2] 在[C]//第七届VDZ，，，2013年。

[3]来自美国。

[4] VDZ，2002-2012。

[5] VDZ，2009-2012。

[6] .燃料的使用。（）S 15-01 2015年3月25日。

[7] 在[C]//第七届VDZ中，，，2013年。

作者单位：

中国建筑材料科学研究院绿色建筑材料国家重点实验室