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浅谈水泥厂风险控制要点和安全评价关键点的把握

在建筑材料工业中,水泥行业并不属于风险较高的行业,其生产工艺相对而言是比较安全的。特别是在上世纪六十年代初出现新型干法(预热预分解)水泥熟料煅烧工艺之后,由于其生产规模大、热耗低、熟料质量高等优点,已在世界范围内获得了迅猛的发展,至今已有近五十年的历史。......

    在建筑材料工业中,水泥行业并不属于风险较高的行业,其生产工艺相对而言是比较安全的。特别是在上世纪六十年代初出现新型干法(预热预分解)水泥熟料煅烧工艺之后,由于其生产规模大、热耗低、熟料质量高等优点,已在世界范围内获得了迅猛的发展,至今已有近五十年的历史。我国目前已有各种类型/规模的新型干法水泥熟料生产线千余条,成为水泥行业的主流生产工艺,其生产的安全性已为实践所证明。但是在危险预知和安全评价工作中如何准确把握其风险控制点和安全评价关键点,确需要引起业内同仁高度重视。

  一、水泥厂安全评价的关键点把握  

  水泥厂安全评价的关键点,在于水泥厂以下三个特有的生产环节和设施(包括人身安全和设备安全)。

  熟料烧成系统:属于高温热工系统,煅烧温度最高达1450℃。主要包括三个部分,即预热预分解系统(窑尾)、回转窑和篦冷机。烧成系统的工作特点是:①处于高温状态,②流水线连续生产。高温使设备的故障率增加(除机械故障外还有热故障),流水线生产使设备出现故障后,其上下游设备、甚至整个工艺生产线都得停下来,造成巨大的停产损失。

  煤粉制备系统:煤粉属于易燃易爆物品,必须认真对待。包括原煤均化和储存、煤磨、煤粉储存及气力输送等环节。

  余热发电系统:主要包括余热锅炉、汽轮机及发电机等设备,类似于一个小型火电站。其中余热锅炉和汽轮机属于高温(310~400℃)、高压(一般1.35 MPa)的特种设备。                                         除此以外的生产工艺和机电设施,如原料矿物和混合材的破碎、输送、储存,生料和水泥的粉磨、水泥包装,以及供水、供电、机修、物资运输等辅助生产设施,均与一般的工业企业大同小异,其危险、有害因素的分析和防治措施的要求都是相类似的。

  二、水泥厂风险控制要点的把握

  (一)水泥厂烧成系统主要事故及预防措施

  水泥厂烧成系统主要包括三个部分,即预热预分解系统(窑尾)、回转窑、篦冷机。

  1、即预热预分解系统(窑尾)的主要工艺事故是预热器的结皮、堵塞。堵塞一旦发生,处理起来危险性很大,因为采用人工从捅料口去疏通堵塞(用高压水枪打)是十分危险的,一旦捅通,上面的堵料垮塌下来,这种高温料流的流动性极强,会从捅料口涌出来,甚至一直通过回转窑从窑头喷出来造成人员的伤亡。

  造成结皮、堵塞的主要原因是原、燃料中的钾、钠、氯、硫等挥发性有害元素在窑和各级预热器之间发生的“碱循环”。在生产过程中,由于这些有害元素在窑内的高温区挥发,又在预热器系统的某个低温部位凝结,或者当物料的易烧性不好,煅烧温度过高时,又或者是窑内有不完全燃烧出现还原气氛时,都会使这些元素循环富集,黏附在预热器系统的某个相对稳定的衬壁上,形成越来越厚的结皮,如果这些结皮没有得到及时的处理,就会导致预热器系统的堵塞。堵塞的直接后果是使预热器出口的有效断面缩小,系统阻力增大,总风量减少,从而影响窑系统的产量,甚至中断生产。严重的堵塞甚至会使生料连续堵到喂料口,形成“灌香肠”现象,这数十吨额外的事故荷载会严重威胁到窑尾塔架的结构安全。

  预热预分解系统事故主要预防措施包括:

  ① 严格控制原料中有害组分的含量,其中,石灰石矿石要求:R2O(K2O+Na2O)≤0.6~0.8%, SO3≤1%, Cl-≤0.03%; 其他校正原料中的MgO≤3.0%, R2O≤2%, SO3≤2%;生料中的R2O≤1.0%;均化后煤的全硫含量≤3.0%,窑内的硫碱摩尔比≤1.0(一般为0.6~0.8)。这就要求石灰石矿山进行均化/搭配开采,并且也是矿山的夹层和剥离物能否综合利用的制约因素之一。

  ② 烧成系统应保持稳定的热工制度,减少碱循环量。必要时可采取旁路防风、窑灰排放(即窑尾收尘器排出的窑尘不再入窑)等技术措施。

  ③加强密封措施,防止冷风漏入。由于窑尾和低位预热器的热物料特别容易在冷的地方,尤其是在漏风点附近凝结成结皮,因此,在窑喂料端密封处、预热器卸料阀以及在低位预热器上,应竭力防止有漏风点存在。此外,冷风的漏入还会造成热损失,使系统的能耗增加。  ④ 在容易结皮的卸料锥体处设置空气炮,按一定的频率定时轮流吹堵清扫,防止结皮的进一步发展。

  2.回转窑的主要工艺事故:

  停电事故。湖南新华水泥厂的事故实例:雷击造成停电停窑,随后的大暴雨造成窑体严重翘曲变形,窑衬碎裂、大窑报废,并且顶坏窑封,使全厂被迫停产。其教训是厂区总降压站的防雷设计必须有高标准的要求;在事故停电后,应急电源(自备柴油电站)必须在5~10分钟内及时启动,提供保安电源,使回转窑的辅传能进行慢速盘窑,防止窑体变形。现在一般在水泥厂设计中已将窑的辅助传动、窑尾高温风机、篦冷机风机、中控室(CCR)、消防水泵等列为一级负荷,实施双回路供电,以切实保证供电的稳定性。

  “红窑”事故。在正常生产时,窑胴体的外表温度不超过250~320℃(烧成段),这是耐热钢可以承受的正常工作范围(指强度、刚度)。但如果窑内的耐火砖发生局部掉砖,或严重磨损变薄的现象,就会使高温熟料(1300~1450℃)接近甚至直接接触窑壳体钢板而发生“红窑”事故(暗红色,约400~600℃),使钢板变软,严重时使窑体变形,无法正常运转。由于回转窑耐火砖的工作条件极其恶劣,它们长期受到高温的热腐蚀、孰料反应的化学腐蚀、窑转动时的交变机械应力和热应力的疲劳破坏,这三重影响的叠加,加上可能存在的耐火砖自身的质量问题或者砌筑、安装的质量问题,使得磨损、掉砖现象在生产过程中难以避免。其预防措施有:① 使用红外线扫描仪对窑胴体的表面温度变化实施连续的实时扫描监控,自动记录窑胴体温度曲线,发现温度异常报警时,立即进行处置,及时停止喂料,防止耐火砖进一步大面积垮塌。 ② 严格执行预检修制度,及时、定期更换腐蚀严重的窑衬(耐火砖、浇注料),防患于未然。

  一旦发生大面积垮砖的停窑事故,将造成企业巨大的停产损失,停窑处理事故需要花费10~15天的时间,其产值损失高达上千万元,而计划性预检修的成本要低得多。

  (二)煤粉制备系统主要事故及预防措施

  由于煤粉是易燃易爆物品,长期堆积会发生自燃,因此煤粉的制备、输送、储存系统是水泥厂的另一个危险源。必须有必要的安全设施预防火灾爆炸事故发生。

  煤粉系统的安全设施一般应有:

  ①CO2自动灭火系统(也可以使用氮气):除尘器、煤粉仓内均应设CO自动分析仪及温度测量装置。液态的CO2气体储存在钢瓶中,在下列情况下自动喷淋:

  除尘器出口的CO 浓度达到1.5% 时报警,超过2%时自动喷淋;

  ② 除尘器灰斗、煤粉仓的温度达到70~90℃时报警,超过90℃时自动喷淋。本系统需要具有资质的单位进行设计、制造和安装,CO2储气钢瓶及其自动喷淋装置属于压力容器设备。煤磨收尘器应采用专用的防爆型袋收尘器,煤粉仓、选粉机及收尘器应安装防爆阀,以确保事故发生时能够及时泄压。

  煤粉仓应保持煤粉的流动性,不能长期积压储存煤粉(因为有自燃的可能性)。在设备检修期间,应当放空仓内的煤粉。事故实例:某水泥厂在煤粉仓焊补时发生爆炸事故,其教训是焊补前必须排空仓内煤粉,并充分通风,降低煤尘浓度。

  (三)余热发电系统主要事故及预防措施

  水泥厂的余热发电装置包括窑头、窑尾的余热锅炉及其管道系统、汽轮机及其蒸汽和冷却水循环系统、化学水处理系统、发电机及其电器控制系统等,类似于一个小火电站。其中余热锅炉和汽轮机属于高温(320~400℃)、高压(1.25~1.5MPa)的特种设备。
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  其特点是水泥厂以水泥生产为主要任务,余热发电系统是其附属装置,目的是对熟料煅烧过程中产生的余热,当作次生能源进行节能减排的综合利用而已,这点在性质上与火电站的生产目的有所不同。因此,水泥厂的余热发电必然受制于水泥生产线,它必须在保证水泥熟料质量、产量、综合能耗的前提下进行运行。窑系统的余热有波动时,对发电系统的能力产生波动是很自然的事情(这对火电站是不允许的)。此外,余热发电系统生产的电能并不上网,而是本厂自用,故对其供电质量(指电压、电流、频率、相位等电参数的稳定性)的要求不像火电站那样严格。但余热发电需要与外接电源并网向本厂供电,而水泥厂有不少大型的高压变频调速电机装置,因此对自发电的供电质量还是应该有所控制。

  从安全角度看,余热发电系统应满足以下要求:

  其安装精度、热膨胀间隙的预留、管道焊接、试压试验、强制报检报验的项目、系统调试等方面,除了执行电力相关标准规范外,还必须执行压力容器行业的有关规定。如《压力容器安全技术监察规程》、《特种设备安全监察条例》等。

  在窑系统有故障(如窑尾风机、篦冷机风机故障、预热器堵塞等),造成热工制度波动、发电系统工作不正常时,应具有自动保护功能,以保证设备的安全。因其热源的稳定性比火电站要差。

  要严格控制原水的水质,以确保化学水处理系统的软水处理能力,确保锅炉的及时补水。锅炉结水垢是影响热交换效率和锅炉安全运行的主要因素。

  烟气温度、锅炉给水量、过热蒸汽的温度、压力、流量,汽轮机的转速、油温、发电机的电压、电流频率、相位等重要的控制参数,必须进入CCR的DCS系统,以确保中控室的正确判断和操作。当余热发电系统的设备出现故障需要立即停车检修时,为了确保熟料生产线的正常生产,原来进入SP锅炉的窑尾废气必须马上改为进增湿塔冷却后收尘排放,或者直接进入原料烘干的热源供应系统;原来进入AQC锅炉的窑头废气必须马上改为直接进入三次风管的分解炉供风系统,这一切都需要CCR的正确操控。

  余热发电系统主要安全事故有:

  锅炉爆炸事故,可能的原因有:

  ① 锅炉本体的问题,如制造缺陷,水质问题引起的结垢、腐蚀,停炉后保养不当造成的金属腐蚀,安装缺陷造成的跑冒滴漏等。

  ② 锅炉超压运行,原因有锅炉安全阀损坏或设定压力过高,压力表及其报警系统故障,锅炉工操作失职等。

  ③ 锅炉缺水爆炸,原因有司炉工未按操作规程操作,使锅炉烧干,后又突然大量上水,引起事故;水位计故障不能显示真实水位;给水系统故障;排污阀关闭不严造成漏水等。  应采取的预防措施有:

  ① 锅炉及蒸气管道的安全附件(安全阀、压力表、水位计、应急放空阀等)的规格、量程、精度、安装位置等必须满足《蒸气锅炉安全技术监察规程》的要求,制造/安装单位必须拥有相应的资质。

  ② 定期检查并检测安全附件的有效性和可靠性。

  ③ 建立健全安全操作规程,加强操作人员的培训。司炉工、水质化验工等特种作业人员应取得资质才能上岗。

  汽轮机的超速飞车、甩负荷事故,可能的原因有:

  ① 调速系统或保护系统(危急保安器)出现故障,不能及时动作。

  ② 输变电线路跳闸,使机组负荷无法正常输出。这是因为外部电路故障引起发电机保护性动作,跳开发电机出口开关。

  ③汽轮机叶片损坏,从而因失去动平衡而造成剧烈震动。

  ④ 油路故障,或油质不合格造成调速系统失灵。

  发电机的失磁事故,会造成局部过热,烧坏绕组绝缘,使发电机因短路造成火灾。可能的原因有:

  ① 失磁保护系统失灵拒动,失去保护作用。

  ② 励磁回路出现故障,如可控硅元件老化、脱焊,励磁绕组长期发热造成绝缘损坏等。

  辅助系统,如冷却水系统、软化水水质处理系统、润滑油路系统、高低压配电系统等的机械事故、触电事故、灼伤事故、火事故等。

  三、几点体会和结论

  综上所述,对于水泥厂的风险控制和安全评价而言,其特点是:

  ① 对于重要的主机设备及其关键件,预防性检修制度的制定和严格执行显得极为重要,决不能“小车不倒尽管推”,等到出了事故再来处理,得不偿失。这是水泥厂的风险控制特点和安全管理要点。

  ②中控室(CCR)的DCS集散型控制系统(集中管理,分散控制)是全厂的指挥枢纽,十分重要。由于整个生产系统的操作运行、故障诊断及停风、停料的连锁控制均在CCR内进行,因此现场一次仪表的正常工作十分重要(测量各工况点的温度、压力、流量、料位、震动、CO、NOx等有害气体含量的各类探头、热电偶、传感器、取样器),它们反馈回来的测量参数是判断系统是否正常运行,或者何处出故障、出何类故障的依据。一旦测量仪表失效,CCR就成了瞎子。然而一次仪表在现场各工况点的工作条件是十分恶劣的(高温、高速气流、料流的冲刷、磨蚀),因此必须经常巡检、定期更换,以确保其正常工作。此外,控制各工况点风量、料流大小或方向的各类阀门及其电动执行机构,是CCR进行控制操作的工具,是保证系统正常生产的必要手段,一旦失效,CCR就会失去控制能力。尤其是在投料初期系统进行联动调试时,或者主机设备出现运行故障的情况下,CCR失去控制能力,则后果难以设想。故对它们也要经常巡检,出现故障,立即更换,以确保CCR的控制功能。这是安全生产的必要条件。

  ③由于新型干法水泥生产线烧成系统的整个生产过程是在一个密闭、负压环境下进行的,因此生产过程中产生的CO、SO2、NOx等有害气体只能从窑尾的高烟囱排向大气,对环境有一定的影响,但对生产工人的操作并不构成重大的危险、危害因素。其中的SO2被物料中的CaO、R2O所吸收而形成硫酸盐及亚硫酸盐而进入熟料固化(其吸硫率达95%),排入大气的SO2很少。水泥生产流程中的主要危险因素是高温料流,一旦出事,对人员和生产设备的安全威胁极大。

  ④对供电可靠性的要求很高。厂区总降压站的防雷设计必须有高标准的要求;在事故停电后,应急电源(自备柴油电站)必须在5~10分钟内及时启动,提供保安电源,使回转窑的辅传能进行慢速盘窑,防止窑体变形。

  ⑤ 余热锅炉的水质处理系统(包括软化水处理剂及化学除氧剂)、厂区的中央化验室存有各类化学试剂,涉及有毒有害及腐蚀性危害,应纳入风险控制和评价范围,包括各类药剂的储存、使用管理,化验室的通风换气要求等。

  ⑥水泥包装及储运单元中,因为包括了包装系统的纸袋(或塑料编织袋)库及纸袋输送,故应增加对火灾危险的预先危险性分析。

  ⑦对处于海拔1000m标高以上的生产线,应进行高海拔系数的修正。因为高海拔地区的空气密度小,对预热预分解系统的悬浮热交换有较大影响,同时,空气中含氧量的减少也使烧成反应需要更多的空气,因此必须增大风量、扩大预热器,甚至窑的尺寸。

  ⑧水泥厂涉及的特种设备主要有空压机站及其管网系统、余热发电系统的蒸汽锅炉、汽轮机,以及各类起重机械,应按《特种设备安全监察条例》的要求进行管理,包括取得使用登记证、定期检验检测、作业人员持证上岗、制定事故应急预案等。  除了高温料流外,其他次要的危险源还有成品油库(燃料油及各类润滑油)、机修车间的氧气瓶、乙炔发生器等易燃易爆设施,也必须要有安全措施。

  ⑨ 企业不但要有完善的操作规程和各项管理制度,而且要加强操作人员的培训、考核,使他们能尽快熟悉掌握和正确理解操作规程,对于新建的水泥企业,这点十分重要。实践证明,不少事故的发生,与操作工不熟悉或不能正确理解操作规程有关。

  ⑩ 水泥厂的安全投资一般应占工程总投资的4%~8%,其计算内容应当包括:工业场地的护坡、挡土墙、防排水设施;工作场所用于防尘的收尘器(如物料下料点、转载点的收尘器,但不能把所有的收尘器都计入安全投资,例如窑尾电收尘应当算作环保投资);工艺流程设备的连锁装置、限位装置、防堵塞用的空气炮、防雷接地保护装置;柴油发电站(或其他应急电源);回转窑的辅助传动(盘窑)装置、烧成带的强制冷却风机;煤粉制备系统的防爆电机、CO2自动喷淋装置、防爆阀;为安全目的而设置的测速、测压、测温装置(如窑胴体红外扫描仪)、自动报警  装置、应急照明系统;皮带机的防尘罩、除铁装置、防跑偏装置;大型电机的过负荷、短路及断电保护装置;设备转动部分的防护装置、操作检修平台的防护栏等安全设施;高温管道的外保温层;噪音屏蔽设施;消防供水系统及其他消防设施;余热发电系统的软化水处理、化学除氧装置;润滑油冷却系统,包括所有与安全设施/装备有关的土建、施工、安装费用;安全警示标志;个人防护用品;安全培训设施及费用;安全评价及安全检测费用;应急预案演练的预算等等。如果是新建水泥厂项目,应要求工程初步设计时安全设施设计专篇一定要详细交待安全投入的具体内容,这样才能在对项目验收安全评价时准确衡量设计提出的安全设施是否实现了与主体工程建设的“三同时”

(责任编辑:姜立东)

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