数十年来，我国向着“水泥强国”发展，在水泥工业产业结构调整、生产工艺升级、节能减排等方面取得巨大进步，赋予现代水泥工业“生态、环保、绿色工业”的新内涵。特别是在水泥窑协同处置固体废物、二次资源和能源的资源化利用方面取得良好进展。水泥工业能源消耗总量约2亿吨标准煤，占全国能源消耗总量的5.8%左右;CO2排放量占全国总排放量的9%~10%。《水泥行业技术路线图》[1-2]表明水泥行业产生的CO2排放量占全球人为CO2排放总量的5%。然而国际水泥工业的发展趋势是以高性能、节能、低耗、低排放和提高劳动生产率为中心，走可持续发展的道路。因此，开展水泥工业协同处置固体废物安全生产技术应用对减缓全球气候变化具有重要意义。
水泥窑协同处置固体废物日渐成为社会、行业和市场关注的焦点。从政策、管理、技术、市场等各个方面的探讨此起彼伏。然而，与国际先进水平相比，我国水泥行业仍存在单位产品能源消耗较高，安全健康防护注意不当等问题。除了原燃材料、固体废物、替代燃料等差异，最重要的原因在于我国水泥窑协同处置固体废物工艺技术及安全管理水平与国际先进水平存在一定的差距。
1世界水泥工业发展概况
从水泥生产工艺来看，美国水泥生产线从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条降至10条(如图1);而水泥产量却由7380.7万吨增加到8270万吨。同样地，观察图2可以发现，德国水泥生产线由2005年的69条降低至2012年的53条，其中立窑生产线数一直维持在8条，篦式预热器窑炉由16条降低到6条，旋风预热器窑炉生产线数有小幅度降低。类似的，德国水泥产量从2005年到2012年也是呈现增长态势。这说明欧美这些城市化进程完成较早的国家，对水泥产品的需求量偏低且稳定，对现有水泥生产线的产能利用率稳步提高。
美国及德国水泥工业历年燃料消耗分别见图3和图4。可以看出，美国的燃料类型主要有煤炭、燃油、石油焦、天然气、轮胎、固体燃料、液体燃料等。其中轮胎、固体燃料及液体燃料的使用量逐年增加，而煤、燃油及天然气的使用量大幅下降。具体来看，1993年轮胎使用量仅为7万吨，但到2013年增加为39.9万吨，相当于使用量增加近5倍;1993年煤炭消耗量为1003.4万吨，但到2013年锐减为603万吨，相当于减少了一半。这说明替代燃料受到欧美发达国家的高度重视，使用替代燃料大大有助于减少来自化石来源热能消耗。
基于自然资源保护的基本原则，以及发展循环经济的需求，德国水泥行业的燃料替代率从1987年的4.1%迅速上升为2013年的62.2%(见图5)。由图6可见，工业固废的处置率几乎提高了7倍，混合生活垃圾的处置率也由1%提高到6%，轮胎的处置率基本稳定在7%左右。由此可见，水泥窑协同处置固体废物以及替代燃料应用，符合废物管理的理论模型，并能高效回收固体废物中的能量和物质。据预测，2030年全球水泥工业替代燃料应用率将达到23%，2050年应用率将达到37%[7]。
与此相比，到2018年，我国大宗工业固废年排放量趋于稳定，仍超过30亿吨，总堆存量约200亿吨;城市垃圾约18亿吨，大量占地堆存，空气、水体、土壤污染严重。然而我国水泥行业应用替代燃料的时间较短，对水泥工业煤耗总量的替代率还不到0.1%。随着社会经济的不断发展，协同处置固体废物以及水泥窑替代原燃料应用必将成为我国消纳固废的主要发展方向。
2水泥工业协同处置生产工艺
水泥工业协同处置生产工艺的一般流程包括：固体废物的收集、分离、预处理、运输，在水泥厂内的接收、预准备、储存、传输、计量、喂料、煅烧，大气污染物监测和熟料质量控制。以生活垃圾为例，通过不同的预处理技术系统分为：“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”的预处理技术和“先气化、后处理”预处理技术四大派系。
因固体废物本身粒度、组成、形态、危险性等差异，预处理方法也千差万别。对污泥，污泥燃料化预处理技术，采用多级干燥机制，利用水泥窑余热与污泥的热交换，大幅度减少污泥中的含水量。它能在处理过程中，通过保持系统的负压状态，保证臭气不会泄漏，并最终将其引入水泥窑中高温煅烧，完全消除臭味。对未粉碎的替代燃料，气化炉联合预处理技术可实现使用更多的替代燃料，节省大量的替代燃料粉碎加工所需的机械和能源消耗，为后续高温分解节省成本。
就计量而言，可采用一种新型的搅拌-切割-计量一体式的重力式计量设备，更适合于替代燃料，能稳定控制并能精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。应根据所用的替代燃料和原料的性质，选择适合替代原燃料的喂料点。替代燃料应喂入窑系统的高温区，即主燃烧器、分解炉、预热器或窑的中部。比如石油加工产生的黏土、油、废旧催化剂，化学制品产生的溶剂、塑料、催化剂，纸浆产生的研磨残渣，垃圾焚烧飞灰，市政污泥，汽车制造产生的涂料残渣、废旧轮胎、砂石等可运送到窑系统的高温区。对于轻质替代原燃料，可采用新型气动喂料装置进行输送。
就煅烧工艺而言，采用现代使用替代燃料的多通道燃烧器可极大地提高替代燃料的使用种类和用量。采用液体燃料，如废油、废溶剂，以及固体燃料，如废木料、动物骨粉等，加工分散的燃料使用是水泥替代燃料的发展趋势。基本原则是在燃料颗粒与窑喂料接触前应能被点燃。同时也可采用“热盘炉”技术和“预燃烧室”技术，使得燃料有充分的时间燃尽，也使得替代燃料的应用比例大幅提高，为利用处理过的生活垃圾、工业废物的进一步发展带来助力。
正是因为水泥工业协同处置生产工艺流程的复杂性，以及新技术的应用，现场安全管理和控制显得尤为重要。
3水泥工业协同处置的安全管理
首先，应制订应急预案和加强员工培训。确定员工的分配职责，细化应急培训要求。开展任何操作前，应进行安全技术交底。确定可能发生遗撒或污染的区域，现场高风险区域以及清洁程序。在任何存在感染或皮肤刺激之类的接触性风险的地方，应为操作人员提供合适的设施，以采取必要的卫生防范。操作中，若发现安全设施有缺陷和隐患时，必须及时解决，如果危及人身安全时，必须停止作业。紧急事件发生时，提供书面指示和应急预案，并记录发生紧急事件时所需的设备。
固体废物在预处理阶段的安全管理重点是高压用电、高空坠落、机械伤害、粉尘、噪音、火灾等。
就用电安全管理而言，每台用电设备必须有各自专用的开关箱;动力开关箱与照明开关箱必须分设;配电箱、开关箱应装设在干燥、通风及常温场所，且周围应有足够2人同时工作的空间和通道;配电箱、开关箱应设有明显的警示和指示标识。
就高空坠落安全防护而言，由于替代原燃料及协同处置生产工艺的要求，生产区域内有预热器塔架、物料存储库等多种高大建筑，以及磨机、输送皮带、窑炉等大型设备，使得工厂在生产及检修过程中，涉及大量高空作业。而在高空作业施工过程中，风险普遍存在。为避免发生高空坠落事故，应做好以下几点工作：一是做好操作前充分的准备。要求作业人员熟悉现场环境和施工安全要求。按照规定穿戴劳动防护用品，必须系好安全带，戴好安全帽，衣着要轻便，禁止穿硬底和带钉易滑的鞋。二是单位做好安全防护。要制定好作业方案和安全措施;应事先与车间负责人或值班主任取得联系，建立联系信号;按指定的路线进行作业。三是环境要安全。如遇到六级以上大风和雷电、暴雨、大雾等恶劣天气，影响其施工安全时，或者邻近高空作业地区有排放有毒、有害气体及粉尘超出允许浓度的烟囱及设备等场合时，禁止进行露天高空作业。不得站在不牢固的结构物上进行作业，不得坐在平台边缘、孔洞边缘和躺在通道或安全网内休息。必须铺设坚固、防滑的脚手板，设置尽可能多的便桥和扶手，以确保安全。四是要加强对高空作业的监护和检查。在高空作业范围以及伤害范围须设置安全警示标志，并设专人进行安全监护，监护人应坚守岗位，防止无关人员进入作业范围和落物伤人。
就机械伤害而言，首先要注意替代原燃料及其他材料应密封储存。其次应为机械设备留有足够的移动空间，移动路径标识应简单、清晰。另外，所有输送设备的回转部件，均须加装保护盖，包括：头轮、尾轮、重力拉紧装置、耦合器、减速器等。所有的旋转设备装设零速开关，如胶带输送机的尾轮、螺旋输送机的尾轮、回转下料器及皮带传动的从轮。对胶带输送机，需在头尾各安装一对跑偏开关，若长度超过30m，还需在中间部位设置一对跑偏开关，用以监测皮带工作状况;胶带输送机还需要安装拉绳开关，用于处理现场突发事件发生时，及时停止设备运行，确保人身安全。这样可以便于了解输送设备是否运行正常，防范电机运行而设备不工作，导致严重事故发生。最后要尤其注意场外运输，因为据调查，大部分事故发生在道路运输过程中，要做好道路运输事前咨询和事故发生后调查工作。固体废物或替代原燃料场外运输是在开放交通系统中展开的一项活动，其安全性既受到运输系统的影响，又受交通系统各要素的影响和制约。一方面要考虑运输的时节背景、运行速度、路面质量、空间路段、交通安全等因素对运输的影响;另一方面要加强合格运输人员的选拔、教育和培训，要求运输人员不仅要全面系统了解道路管理的各项法规、交通指示标识以及运输车辆的安全性能等，还应该了解运输物质的运输特性，即在什么样的路面质量下，有什么样的安全运输速度要求。
就粉尘而言，由于固体物料储存及输送环节多，几乎每个环节都有粉尘产生和排放。由于操作方法、原燃料和替代原燃料的性质、处置固体废物的性质以及工艺条件的不同决定了粉尘的性质，而且变换范围大且快速，因此粉尘的防治显得尤为重要。首先要着眼于员工的健康安全，加大粉尘危害防护设施、个体防尘用品的投入。加强粉尘危害日常监测和定期检测，确保作业场所粉尘浓度符合国家标准。采用先进除尘系统，强化防尘措施，比如优先采用无人全自动包装机，降低粉尘危害。采取密闭设备、通风除尘、抽风吸尘、润湿降尘、清扫积尘、控制电源、清除静电隔绝火源等，预防火灾危险和燃爆危险。
就火灾而言，由于替代原燃料及协同处置固体废物工艺的复杂性，使得易燃物质在水泥厂内储存的可能性增加。加之，物质储量大、长期积压易形成自燃，起火点随机性强、不易发现，随之而来的粉尘着火、甚至爆炸已成为重点关注的事情。一要加强仓库底部、仓柱体、锥体拐角和中心线部位的温度测量。二是要建立岗位责任制，对安全疏散、电气、报警、灭火等各种设施，要分片包干，明确职责，定人管理。三是要建立生产作业现场存放易燃、易爆化学品审批制度，严格控制存储量，并落实防火措施。四是要严禁无证人员乱拉乱接电线和维修电气设备。五是要建立火灾应急预案，避免重大火灾损失，把火灾扑灭在初期。要及时按照燃烧物质、特点和火场的具体情况，查明火情和火势发展蔓延的途径，确定灭火策略。确保各负责人掌握灭火剂与灭火器材的使用方法，正确使用消防器材进行灭火工作。
就协同处置固体废物及替代原燃料在水泥厂内的现场处理和储存注意事项包括：一是关于现场所用的原燃料的卸载、处理和储存，应制定完善的书面规程和说明，并确保相关责任人熟悉和掌握。二是应保持所有区域清洁。不受控的易燃材料不应出现在储存区。标志，如安全警示牌、禁烟标志、防火标志、疏散路线标志以及其他，应张贴准确和清晰。三是紧急洗眼淋浴装置应安置于液态替代燃料的储存区附近，并配有清晰和准确的警示标识。四是消防系统必须随时可用，并符合当地政府或当地消防局的所有标准和规范。五是设备应接地，并且选用适当的防静电装置和电气设备(例如电机、仪器等等)。六是采取合适的控制技术和储存设施操作方式，防止排放物排至空气、水或土壤中。
就协同处置固体废物及替代原燃料在水泥厂内卸料及取料阶段，应注意提醒和监督操作人员安全用品的使用，如佩戴可防吸入灰尘、烟雾或化学毒物的口罩，穿戴防化学腐蚀、微生物侵害或机械损伤的手套，穿戴工作眼镜和防皮肤接触式损伤的工作服和工作鞋。
在水泥厂过程监控方面，要注意以下内容：不能损害窑炉运行的平稳性和持续性。要确保产品质量合格或现场环保设施有效。应持续测量、记录和评估所有相关工艺参数，其中包含f-CaO含量和CO的浓度。根据工艺类型和特定的现场条件，分别设定这些成分的输入限值和操作设定值。在窑的启动、停止或不正常状态时，应发布相应的书面说明，以介绍使用替代燃料和原料的条件。开窑和停窑期间不能使用替代燃料，除非窑炉温度足够高，可以生产符合质量标准的熟料。在空气污染控制装置(如除尘器)出现故障期间不能使用替代燃料。最终产品，如熟料或水泥，必须符合相关的国家或国际质量标准的要求。
4结论
水泥窑协同处置固体废物以及替代原燃料应用是水泥工业绿色升级的重要方向。发达国家在固体废物协同处置工艺、种类及替代率等方面具有丰富的应用经验，而国内正日渐兴起。因此未来较长一段时期，水泥窑协同处置固体废物以及替代原燃料应用将仍然是行业、市场以及全社会关注的焦点。随之而来，我国水泥窑协同处置固体废物安全管理水平亟须提升。只有掌握了安全管理知识，严格遵守安全生产法律法规，牢记安全生产的责任，在生产过程中要严格执行国家的技术规范和操作规程、落实各项安全管理工作，才能避免安全事故的发生，从而保障水泥窑协同处置固体废物、替代原燃料应用以及社会经济的健康、持续、稳定和快速发展。
参考文献：
[1]WBCSD, IEA. Cement Technology Roadmap 2009: Carbon emissions reductions up to 2050, 2009.
[2]Joachim Harder. Developments in the Global Cement Markets[C]//The 7th VDZ International Congress, Dusseldorf, Germany, 2013.
[3]Mineral cement report from U. S. Geological Survey. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/cement/.
[4]VDZ activity report, 2002-2012. http://www.cembureau.be/Documents/Publications/Activity_Report_2002.pdf.
[5]VDZ activity report, 2009-2012.
[6]Martin Oerter. Latest developments regarding the use of alternative fuels. Research Institute of the cement industry(Dusseldorf) Seminar S 15-01 March 25, 2015.
[7]Martin Schneider. Technology Developments in the Cement Industry [C]//The 7th VDZ International Congress, Dusseldorf, Germany, 2013.
作者单位：
中国建筑材料科学研究总院 绿色建筑材料国家重点实验室
原标题：水泥窑协同处置固体废物工艺及安全管理
