ПРОИЗВОДСТВО ЦЕМЕНТА (ИТС 6—2022)

Таблица 2.8 - Применимость альтернативных видов топлива в зависимости от их категорий

Категория АТ

Характеристики АТ

Примеры АТ

Очень крупные

Не переносятся печными газами

Цельные шины, рукавные

фракции

(горят на входе в печь)

фильтры,

упаковочный

3D > 50mm

материал

2D > 200mm

Крупные фракции

Может

легко

переноситься

Измельченные

шины,

3D < 50mm

печными

газами (подходит для

пластик, текстиль, SRF

2D < 200mm

подачи на главную горелку (ГГ) и

декарбонизатор).

Возможна

пневматическая подача

Измельченные

Перекачивается

поршневым

RDF,

древесная

пыль,

фракции

насосом. Распыляется

сжатым

костная

мука,

рисовая

3D < 5mm

воздухом или шламовым насосом

шелуха, лузга семян

2D < 50mm

(на ГГ и декарбонизатор)

Шламы

Перекачивается

поршневым

Нефтяные шламы, отходы

насосом. Распыляется сжатым

ЛКМ

воздухом или шламовым насосом

(ГГ и декарбонизатор).

Жидкости

Может

распыляться

сжатым

Отработанные

масла,

воздухом (твердые частицы в

сольвенты, эмульсии

жидкости <2-4 мм) на ГГ

При этом количество замещения традиционного топлива альтернативным TSR

(Thermal Substitution Rate) зависит от свойств материала, консистенции, точности

дозирования и размера декарбонизатора (рисунок 2.37).

Рисунок 2.37 - Ограничение по количеству подачи альтернативного топлива через

главную горелку и декарбонизатор в зависимости от его крупности. TSR (Thermal

Substitution Rate) - процент замещения традиционного топлива альтернативным

При подаче в главную горелку слишком мелких частиц АТ они могут покрывать

клинкер, ухудшая качество клинкера и способствуя образованию наростов. При подаче

же кусковых твердых частиц они осыпаются, плохо смешиваются с кислородом O2,

медленно сгорают. Это приводит к накоплению материала и низкому потенциалу TSR.

Если подавать мелкие твердые частицы АТ в декарбонизатор, то для их сгорания

требуется увеличенное время пребывания в нем (не менее 5 с). При пребывании в

декарбонизаторе меньшее время происходит потеря тепла. Напротив, крупные твердые

частицы перемещаются в потоке газа со скоростью 35-45 м/с, что обеспечивает

хорошее перемешивание.

В зависимости от установленной системы печи, вида топлива и планируемых

точек подачи возможны различные технические решения. Самый простой способ

совместной переработки АТ заключается в подаче отработанных шин через входное

отверстие печи. Простейшее техническое решение заключается в установке цепного

конвейера с крюками, который будет загружаться вручную персоналом завода. Более

сложное устройство подачи, оборудованное пешеходными настилами, представлено на

рисунке 2.38.

Рисунок 2.38 - Устройство загрузки отработавших шин

Дополнительно установленные счетчик учета или дозирующий питатель могут

обеспечить возможность управления весовым расходом и высокое качество

дозирования подаваемого топлива. Таким образом, может быть достигнут коэффициент

замещения от 10 до 20 % общего необходимого объема тепловой мощности.

Дальнейший переход на АТ на этапе основного сжигания требует установки

современной многоканальной горелки (см. рисунки 2.35, 2.39), которая позволяет,

помимо угля, сжигать газообразные, твердые и жидкие виды топлива (например,

отработанные масла и растворители). В случае необходимости может быть установлена

вспомогательная горелка.

а)

б)

Рисунок 2.39 - Современные многоканальные горелки для сжигания комбинации масел,

растворителей, газа, угля и твердого АТ (а ), а также угля, твердого АТ,

жидких видов топлива и растворителей (б)

Переносимое воздухом топливо может подаваться на горелку по трубе и

дозирующему устройству со станции разгрузки самосвалов или полуприцепов с

подвижным полом (рисунок 2.40) при условии наличия соответствующей горелки. Такое

решение подходит для сжигания альтернативного топлива, муки животного

происхождения и прочих твердых видов топлива с соответствующими характеристиками

текучести.

Рисунок 2.40 - Прием самосвалов или полуприцепов с подвижным полом

Жидкое альтернативное топливо в виде отработанного масла или растворителей

обычно требует установки отдельного резервуара с мешалкой (рисунки 2.41, 2.42)

внутри объединенного коллектора утечек во избежание попадания масел и

растворителей в грунтовые воды.

Схемы подачи АТ на главную горелку и декарбонизатор показаны на рисунке 2.43.

Рисунок 2.41 - Резервуар с мешалкой

Рисунок 2.42 - Схема использования жидких материалов в качестве альтернативного

топлива на цементном заводе

Если печь оборудована декарбонизатором с третичным воздуховодом, то камера

предварительного сгорания позволяет сжигать AТ в декарбонизаторе. На рисунке 2.44

показана камера предварительного сгорания, установленная в третичном воздуховоде.

Эта технология позволяет воспламенять и сжигать альтернативное топливо или

подобные виды топлива при температуре до 1200 °C.

При этом стены печи должны быть защищены завесой из сырьевой муки. Газы

сгорания подаются в декарбонизатор, где они полностью окисляются. Одна из самых

последних разработок представляет собой камеру поэтапного сжигания (рисунок 2.45),

которая позволяет сжигать крупногабаритные отходы/материалы из отходов благодаря

длительному времени удерживания и уменьшает влияние колебаний топлива.

Топливо подается в камеру сгорания через шнек-дозатор. Так как сжигание

топлива происходит поэтапно (дальнейшая транспортировка топлива производится

воздушными пушками), топливо сгорает в течение 15 мин в камере сгорания, прежде

чем остатки сгорания достигают декарбонизатора.

Отходы/материалы из отходов, используемые в качестве сырьевых материалов

(далее - альтернативные сырьевые материалы), чаще всего подаются в печь в том же

месте, где производится подача обычных сырьевых материалов, например, по месту

подачи сырьевой смеси.

Следует отметить, что способ питания печи топливом является очень важным,

поскольку он может оказать влияние на выбросы. При подаче топлива через главную

горелку при прохождении через высокотемпературную зону печи происходит

разложение отходов/материалов из отходов. Относительно других точек подачи топлива

можно отметить, что в этих случаях температура и время пребывания зависят от

конструкции печи и ее эксплуатации.

а)

б)

Рисунок 2. 43 - Схемы подачи АТ на главную горелку (а) и декарбонизатор (б)

Альтернативное топливо, которое подается через главную горелку, будет

разлагаться в первичной зоне горения при высокой температуре, достигающей 2000 ^оС.

АТ, подаваемое во вторичную горелку, подогреватель или декарбонизатор, будет

сжигаться при низкой температуре, которая не всегда достаточна для разложения

хлорсодержащих органических веществ (в высоких концентрациях). Летучие

компоненты в материале, который подается в холодный конец печи или отдельный

участок печи, могут улетучиваться.

Рисунок 2.44 - Камера предварительного сгорания, установленная

в третичном воздуховоде

Рисунок 2.45 - Пример использования камеры поэтапного сжигания в качестве камеры

предварительного сгорания [46]

Эти компоненты не проходят через первичную зону горения и не могут быть

разложены или связаны в цементный клинкер. Поэтому использование

отходов/материалов из отходов, содержащих летучие металлы (ртуть, таллий) или

летучие органические компоненты, может приводить к увеличению выбросов указанных

соединений, когда используются неправильные точки ввода АТ. Чтобы избежать

увеличения выбросов, такие компоненты, содержащие летучие при низкой температуре

компоненты (например, углеводороды), должны подаваться в высокотемпературную

зону печи.

Для подачи АТ в печь разработаны специальные камеры сгорания (рисунки 2.46,

2.47).

Рисунок 2.46 - Камера сгорания HOTDISC

Камера сгорания HOTDISC представляет собой объемную, подвижную подовую

печь, совмещенную с теплообменником и декарбонизатором, предназначенную для

сжигания альтернативных видов топлива и замены от 20 до 80 % (в среднем около 50 %)

топлива, подаваемого в декарбонизатор (рисунок 2.46). Камера сгорания позволяет

сжигать разнообразные твердые отходы размером до 1,2 м, начиная от шлама и гранул

и заканчивая цельными автомобильными покрышками. Это избавляет от необходимости

дорогостоящей процедуры измельчения разнородных отходов/материалов из отходов и

делает производство более экологически чистым.

Камера сгорания встраивается в систему печи, в которой декарбонизатор

расположен непосредственно над загрузочным отсеком (рисунок 2.46 - 1).

Камера сгорания состоит из:

- камеры кольцевого типа со слоем огнеупора, стационарным кожухом, крышей и

центральным валом; нижняя часть камеры сгорания выполнена из горизонтального

вращающегося диска (стола) с огнеупорным слоем;

- стенки, на которой устанавливаются компоненты скребка; стенка делит

кольцевую камеру сгорания на отсеки загрузки топливных материалов и выхода зольных

остатков;

- опорно-поворотного кольца, опирающегося на крепление и несущего

вращающийся диск; опорно-поворотное кольцо имеет внутренний ряд зубьев и

приводится в движение двумя двигателями с частотно-регулируемыми приводами.

Скорость вращения стола варьируется от 1 до 22 оборотов в час.

Производительность камеры сгорания составляет 3-30 т/ч.

В камеру сгорания по транспортеру подают твердое АТ через шлюзовой затвор

(рисунок 2.46 - 2). Сюда же подают третичный воздух и часть сырьевой смеси из

предпоследнего циклона циклонного теплообменника.

Альтернативные виды топлива подают на медленно вращающийся стол, где они

начинают сгорать в окислительной среде при взаимодействии с третичным воздухом

(рисунок 2.46 - 3, 4). Время пребывания топлива регулируют с помощью скорости

вращения стола.

Горящее топливо перемещаются на столе примерно на 270° до места установки

скребка, где зольные остатки и частично декарбонизированный материал поступают в

вертикальный газоход печи. Тяжелые остаточные продукты сгорания падают в

загрузочное отверстие печи, более легкие частицы и отходящие газы движутся вверх в

декарбонизатор.

На случай аварийной ситуации для прекращения процесса горения в камере

сгорания предусмотрена подача холодной сырьевой муки из дополнительного бункера

(рисунок 2.46 - 3, 4).

Ступенчатая камера сгорания PREPOL позволяет сжигать низкосортные и

крупнокусковые альтернативные виды топлива (рисунок 2.47).

Применение камеры сгорания не оказывает негативного воздействия на

окружающую среду и на процесс обжига клинкера:

- выбросы CO после теплообменника находятся в пределах 0,08 % ± 0,04 %;

- стабильное содержание SO3 в горячей муке;

- постоянная температура на выходе из декарбонизатора;

- отсутствует образование настылей;

- снижаются выбросы NOх.

Рисунок 2.47 - Ступенчатая камера сгорания PREPOL

Информация о воздействии альтернативного топлива на состояние выбросов

представлена в разделе 2.7 настоящего документа.

Контроль параметров и выбросов при использовании АТ в качестве топлива и /или

сырьевых материалов представлен в разделах

4.3.1.1,

4.3.2.1 и

4.5 настоящего

документа.

2.7.2 Утилизация отходов и использование материалов из отходов в

качестве сырья

Химическая пригодность отходов/материалов из отходов как сырьевых

материалов является важным фактором: они должны обеспечивать требуемый состав

производимого клинкера. Первичными необходимыми химическими соединениями

являются материалы, содержащие известь, кремний, алюминий и железо, а также серу,

щелочи и другие элементы, которые должны быть классифицированы по группам в

соответствии с их химическим составом. При использовании отходов/материалов из

отходов оксиды, содержащиеся в альтернативных сырьевых материалах, связываются

в процессе обжига в клинкер, как и в случае обжига сырьевых материалов. Они

содержат, как и сырьевые материалы, оксиды кальция (СаО), кремния (SiO2), алюминия

(Al2O3) и железа (Fe2O3).

Многие отходы - белитовый (нефелиновый), доменный шлак, зола - близки по

своему химическому составу к используемым в цементной промышленности природным

компонентам, поэтому одним из рациональных вариантов экономии топлива при обжиге

клинкера является использование техногенных материалов в качестве сырьевых

компонентов.

Зола-унос может применяться как сырьевой материал при получении клинкера (в

основном как компонент, содержащий оксид алюминия) и как добавка при измельчении

при производстве цемента. Она может заменять до 50 % портландцементного клинкера.

Более того, современные побочные продукты производства гипса пригодны сами по

себе для использования в качестве сульфатного компонента. В таблице 2.9 показаны

отходы/материалов из отходов, применяемые как сырьевой материал, распределенные

по различным группам в соответствии с их химическим составом.

Таблица 2.9 - Список отходов, классифицированных по их химическому составу, которые

могут быть использованы в качестве сырьевых материалов в цементных печах (по [56])

Отходы/материалов из отходов, применяемые в качестве

Группа сырьевых материалов

сырьевых материалов

Са  группа

Промышленная известь (отходы известняка)

Известковый шлам

Шлам карбида кальция

Осадок очистки питьевой воды

Si  группа

Формовочный литейный песок

Песок

Fe  группа

Доменный и конверторный шлак

Пиритные огарки

Синтетический гематит

Красные шламы

Al  группа

Промышленные шламы

Si-Al-Ca  группа

Зола-унос

Шлаки

Мелкие отсевы дробления, земля (грунт)

S  группа

Промышленные гипсовые отходы

F  группа

CaF2, шламы после фильтрации

Характеристика отдельных техногенных материалов, применяемых в России, и

эффективность их применения приведены в таблице 2.10.

Портландцементный клинкер характеризуется определенным составом, который

предопределяет гидравлические свойства цемента. Это означает, что все сырьевые

материалы и зола топлива должны быть тщательно подобраны по минеральному

составу и скорости подачи, чтобы получить заданный состав клинкера.

Таблица 2.10 - Эффективность применения техногенных материалов

Содержание, %

Экономия

Возможный

Ограни-

топлива,

Материал

ввод, % к

чение

CaO

SiO2

Al2O3

Fe2O3

ГВ¹⁴

кг у.т./т

клинкеру

по

кл.

Белитовый

75 (в

SiO2

(нефелиновый)

шлам)

Шлак

60 (в

0,4

SiO2

100

доменный 1

печь)

Шлак

40 (в

0,4

Al2O3

доменный 2

печь)

30 (в

Шлак ОЭМК¹⁵

Fe2O3

печь)

35 (в

Зола

3-5

SiO2

шлам)

20 (в

Углеотходы

~ 22

ГВ

шлам)

Другим, чрезвычайно важным и востребованным, является использование

промышленных отходов (вторичных ресурсов) для создания цементов специального

назначения (рисунок 2.48).

Рисунок 2.48 - Использование промышленных отходов для производства цементов

специального назначения

Специальные цементы, выпуск которых в настоящее время в России крайне низок,

получают при температурах

1 100-1 300 ^°С, что позволяет существенно снизить

топливно-энергетические затраты на их производство, уменьшить «углеродный след» и

¹⁴ ГВ - горючее вещество.

¹⁵ ОЭМК - Оскольский электрометаллургический комбинат.

существенно расширить области применения. Многие технологии специальных

цементов были разработаны в советское время в НИИЦементе и МХТИ им.

Д.И. Менделеева, а в настоящее время разрабатываются на кафедре химической

технологии композиционных и вяжущих материалов РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Отходы/материалы из отходов, используемые как сырьевые материалы,

поступают в обжиговую печь или кальцинатор (декарбонизатор) с сырьевой смесью. В

период нагревания в подогревателе органические компоненты могут высвобождаться из

печного питания при низкой температуре, которая не всегда достаточна для разложения

галогенсодержащих органических веществ. При использовании альтернативного

топлива они должны быть проверены на потенциальную возможность выделения

органических соединений и, соответственно, должно быть выбрано место подачи

материала в печь.

Особенность мокрого и сухого способов производства клинкера применительно к

применению минеральных и горючих отходов обусловлена двумя отличительными

аспектами: мокрым и сухим помолом сырья и теплообменом в подготовительных зонах:

через поверхность материала и в пылегазовом потоке. Различия в подготовке сырья

связаны с тем, что многие минеральные техногенные материалы, например, шлаки при

мокром помоле, активизируются, гидратируются и твердеют, в результате чего

зарастают трубопроводы и образуются осадки в бассейнах. Поэтому шлак нельзя

вводить в мельницу при помоле шлама, а целесообразно подавать непосредственно в

печь, предварительно смешав его со шламом (рисунок

2.49). Это исключает

избирательный пылеунос и снижает его величину. При сухом же способе минеральные

отходы являются компонентом и размалываются с другими составляющими сырьевой

смеси.

Рисунок 2.49 - Схемы применения минеральных отходов

при различных способах производства клинкера

При применении техногенных материалов с невысоким содержанием горючего

вещества при их подаче в печную систему возникает проблема стабилизации

химического состава клинкера. Поэтому при высоком содержании минеральной

составляющей применяется специальная технологическая схема с реактором для

предварительного сжигания горючего вещества и выделением минеральной части,

подаваемой в сырьевую мельницу (рисунок 2.50).

Рисунок 2.50 - Технологическая линия получения портландцементного клинкера

со специальным реактором для сжигания различных горючих отходов

Подобная схема реализована на заводе Rüdersdorf, где для сжигания различного

альтернативного топлива, в частности золы, установлен специальный реактор

взвешенного слоя.

При применении горючих материалов с невысоким содержанием минерального

вещества целесообразно АТ подавать непосредственно в декарбонизатор (см. раздел

2.8.3).

На заводе комбинированного способа в Lägerdorf (Германия) применяется более

60 % альтернативного топлива и более 10 % минеральных отходов (рисунок 2.51).

При мокром способе производства наиболее рациональный вариант применения

материалов, содержащих горючие вещества,

- совместный помол техногенного

продукта с традиционными сырьевыми компонентами. В этих условиях достигается

заданный стабильный химический состав шлама, так как при совместном помоле

сырьевых компонентов и топливосодержащих техногенных материалов корректировка

производится традиционным способом.

Теплотехнические расчеты и испытания, проведенные на ряде цементных

заводов, показали, что каждый процент введенной в шлам горючей массы обеспечивает

экономию около 15 кг условного топлива на тонну клинкера [57]. При введении

выгорающих добавок в шлам необходимо повысить коэффициент избытка воздуха в

факельном пространстве, что приводит к снижению температуры горения.

Теплотехнические расчеты и промышленные испытания свидетельствуют, что для

обеспечения необходимой температуры факела для спекания клинкера в сырьевую

смесь можно вводить до 3 % выгорающей добавки.

Синий цвет - альтернативное сырье, красный - альтернативное топливо

Рисунок 2.51 - Альтернативные материалы, применяемые на заводе

комбинированного способа в Lägerdorf (Германия)

Это позволит заменить до 45 кг у.т./т клинкера ценного форсуночного топлива на

альтернативные источники энергии.

Одновременно при этом дополнительно обеспечивается еще три положительных

эффекта. Органическая составляющая техногенных материалов, как правило, является

разжижителем и интенсификатором помола шлама, что приводит к снижению его

влажности и повышению производительности сырьевых мельниц и, следовательно, к

экономии топлива и электроэнергии. Выгорание горючей составляющей

интенсифицирует подготовку материала до зоны спекания, что способствует

предотвращению образования клинкерной пыли и, следовательно, снижению

загрязнения окружающей среды. Кроме того, клинкер, полученный из сырьевой смеси с

выгорающими добавками, более пористый и имеет повышенную размолоспособность,

из-за чего повышается производительность цементных мельниц, что приводит к

дополнительной экономии электроэнергии.

При выборе и применении отходов/материалов из отходов в качестве сырьевого

материала следует принимать во внимание следующие факторы:

- изначально отходы/материалы из отходов состоят из тех же оксидов, что и

клинкер;

- низкая концентрация тяжелых металлов, однако, необходимо учитывать

присутствие ртути, таллия и аналогичных металлов;

- регулярный контроль материалов с отбором и анализом используемых

отходов/материалов из отходов.

В январе 2022 года Holcim произвела первый в мире клинкер, полностью

изготовленный из возвращаемых в производство минеральных отходов, на своем

заводе в Altkirch во Франции. Клинкер является основным производимым компонентом

цемента, поэтому его производство из вторичного сырья является крупным шагом

вперед в развитии строительства. Такой клинкер полностью соответствует европейским

стандартам и будет использоваться для производства цемента. Путем смешивания

этого цемента с возвращаемыми в производство водой, арматурой и другими

компонентами планируется получить бетон из вторичных материалов, поставка которого

запланирована на третий квартал 2022 года.

Производство клинкера из вторичного сырья включало в себя сочетание поиска

рационально организованных потоков отходов и разработки наилучшей схемы

организации для перестройки производства клинкера. В ходе испытания на заводе

Altkirch использовалось альтернативное сырье, начиная от древесной золы и заканчивая

отходами переработки полезных ископаемых, в основном из местных источников.

2.7.3 Утилизация отходов и использование материалов из отходов в

качестве топлива

Ископаемое топливо может быть частично заменено альтернативным топливом¹⁶,

то есть отходами, материалами из отходов, содержащими твердые или жидкие горючие

компоненты и (или) биомассу. В состав АТ входят калорийные компоненты, такие как

пластик, бумага, картон, текстиль, резина, кожа, дерево и проч.

Альтернативное топливо имеет калорийность в среднем

20±2 МДж/кг, что

сопоставимо с калорийностью углей и газа. К примеру: 1,7-2 кг АТ замещают 1 м³

природного газа.

Величина зерна АТ составляет ~20-25 мм.

Содержание опасных составляющих в топливе строго контролируется и не

превышает допустимых норм.

Средний цементный завод может потреблять от

40 до

100 тысяч т/г

альтернативного топлива при замещении до 30 % основного топлива.

Альтернативное топливо - возобновляемый источник энергии, который обладает

относительно низкой себестоимостью и широкой сырьевой базой для его производства

В странах ЕС существует законодательно оформленное целое направление в

утилизации отходов

- производство альтернативного топлива. В

2019 году

использование АТ достигло 50 % от общих потребностей отрасли в тепловой энергии

(рисунок 2.52), что позволило ежегодно экономить 22,7 млн т CO2. В 2019 году в ЕС на

долю альтернативных топлив пришлось 32 %, биомассы - 18 %, а ископаемых топлив -

только 50 %. Отрасль находится на верном пути к достижению целевого показателя

использования альтернативного топлива на 60 % к 2030 году и на 90 % к 2050 году.

¹⁶ Под альтернативным топливом понимают любые материалы или вещества, которые могут

быть использованы в качестве топлива, отличного от ископаемого топлива, такого как нефть,

уголь и природный газ и др.

Рисунок 2.52 - Количество тепловой энергии (%), полученной из альтернативных

видов топлива в цементном секторе в ЕС 28 по [58]

В мировой цементной промышленности доля ископаемого топлива упала с 98 % в

1990 году до 81 % в 2019 году.

Следует отметить, что сегодня в ЕС существуют предприятия, использование

альтернативных видов топлива различной природы на которых достигает 100 % от

общего потребления топлива. Так, на цементном заводе «Dückerhoff» в г. Ленгерих

(Lengerich, Германия) доля альтернативного топлива составляет примерно 60 % от

общего расхода топлива, на цементном заводе «Rüdersdorf» (Германия) - до70 %, на

цементном заводе «Wietersdorf» (Австрия) - более 50 %, а на цемзаводе Zementwerke

Rrogbeumker (Германия) - 100 %.

Природный газ в европейской цементной промышленности используется только

как как резервное топливо, или как вспомогательное - для поддержки горения трудно

сгораемого топлива, углеродсодержащих отходов и розжига печей.

В США есть опыт обеспечения АТ цементного завода мощностью 1,6 млн тонн

цемента в год с помощью мусороперерабатывающей установки, окупаемость которой

составляет до трех лет. Цементные заводы в Европе получают горючие отходы даже с

доплатой за их утилизацию, так как использование печей цементных заводов для этой

цели обходится как местным властям, так и предприятиям дешевле, чем вывоз мусора

на свалку или утилизация в специальных установках с дорогостоящей технологией и

значительными капитальными затратами на строительство.

Различные типы альтернативного топлива, замещая ископаемые виды топлива,

тем самым решают две важнейшие задачи: сохранность (экономия) природных ресурсов

и утилизация части образующихся в процессе потребления и использования товаров и

услуг отходов, что совпадает с основными принципами экономического регулирования в

области обращения с отходами [45].

В случае использования отходов в качестве топлива для производства

цементного клинкера необходимо наличие паспортов на отходы, содержащих сведения

по морфологическому и химическому составам, физико-химическим свойствам, что

позволит выполнить оценку воздействия и разработать меры защиты окружающей

среды при их дальнейшем использовании, а также организовать входной контроль.

Альтернативное топливо, произведенное из отходов, должно иметь сертификат

соответствия и ТУ, разработанные в соответствии с требованиями потребителя топлива.

В настоящее время используется большое количество различных типов отходов,

включая уловленные золы. Отходы могут быть твердыми, жидкими или пастообразными

в зависимости от источника их образования, например, промышленные,

сельскохозяйственные, городские. Соответственно, для производства АТ требуется

предварительная обработка, часто довольно серьезная: сепарация, измельчение,

смешивание, сушка и т.п., дающая в итоге гарантии постоянства его состава и качества.

Решение проблемы организации переработки горючей части отходов для

снижения доли захоронения и получения альтернативного топлива для сжигания на

цементном заводе предполагало выполнение нескольких основных требований:

1. Должны быть сохранены существующее качество продукции и экологическая

обстановка на цементном заводе, а также соблюдены нормы существующего

экологического законодательства при работе цементного завода на альтернативном

топливе.

2. Альтернативное топливо может поступать на завод как товар, в сопровождении

необходимых документов (сертификат соответствия), отвечать требованиям и

характеристикам, необходимым для замещения минерального топлива. Либо же при

необходимости цементный завод может получать АТ в качестве отходов, организовывая

последующую утилизацию отходов.

3. Должны быть соблюдены экономические целесообразность и взаимовыгодный

интерес цементников и мусоропереработчиков.

Как отмечено в разделе 2.7.1, необходимо применять различные технологические

способы использования горючих отходов/материалов из отходов при мокром и сухом

способах производства. Это связано со следующими обстоятельствами. В

подготовительных зонах вышеприведенных печных систем проявляются различные

условия теплообмена (рисунок 2.53).

Рисунок 2.53 - Рациональный способ подачи АТ

при сухом и мокром способах производства

В печи мокрого способа в зонах сушки, подогрева и декарбонизации тепло во

вращающейся печи передается через поверхностный слой, и поэтому температура

газового потока превышает температуру материала более чем на 700 ºС. Учитывая, что

при нагревании многих горючих материалов выход летучих веществ происходит при

150-500 ºС до воспламенения топлива

650 ºС), то при мокром способе, где

температура газа в этой области выше

900 ºС и, следовательно, обеспечится

воспламенение и сгорание летучих. Поэтому горючие вещества при мокром способе

можно подавать в сырьевую мельницу при приготовлении шлама.

Если при применении минеральных техногенных материалов снижается

удельный расход тепла на обжиг клинкера и, следовательно, пропорционально

повышается производительность печи, то при применении горючих добавок один вид

топлива заменяют на другой, и поэтому производительность печи остается неизменной.

Эффективность применения минеральных и топливосодержащих техногенных

материалов приведена на рисунке 2.54 и свидетельствует, что при их совместном

применении можно в пределе снизить удельный расход технологического ценного

форсуночного топлива ниже 100 кг у.т./т клинкера, т.е. приблизиться к расходу по сухому

способу.

Рисунок 2.54 - Эффективность применения минеральных и

горючих техногенных материалов

При сухом же способе теплообмен в подготовительных зонах в циклонах и

декарбонизаторе, где материал в пылевидном состоянии распределен в газовом потоке,

происходит за доли секунды. Поэтому температура материала и газа практически

выравнивается, и если подавать материал в сырьевую смесь, то в первом циклоне при

~ 350 ºС будет происходить выход летучих без их выгорания, что приведет к

безвозвратной потере тепла, к возможному взрыву в электрофильтре и загрязнению

окружающей среды. Поэтому при сухом способе выгорающие отходы нельзя подавать в

сырьевую смесь.

Если даже только частично реализовать данное направление с введением до 25

% шлака и 2,5 % горючего вещества, то можно достичь величины ~ 130 кг у.т./т, и снизить

выброс СО2 в атмосферу на 200 кг/т клинкера.

Еще одним направлением является сжигание отработанных автомобильных шин.

При мокром способе их необходимо подавать через шлюзовый затвор в зону

декарбонизации. Такой способ был успешно осуществлен на АО «Кавказцемент» и в

настоящее время работает в Беларуси на Цементно-шиферном комбинате. Ввод шин

обеспечивает экономию до 10 % основного топлива.

На ПАО «Мордовцемент» с 2008 года функционировала линия по подаче в печь

автомобильных покрышек производительностью 14 т/ч.

При сухом способе сжигание АТ в печных системах происходит путем подачи его в

зону горения вращающейся печи и в декарбонизатор. В тех случаях, когда применяют

горючие материалы с невысоким содержанием минерального вещества, целесообразно

такие отходы/материалы из отходов подавать непосредственно в декарбонизатор. Для

обеспечения в нем полного сжигания применяют систему PYROTOP, которая повышает

время пребывания крупных горючих веществ в декарбонизаторе из-за завихрения газового

потока в камере PYROTOP и обеспечивает их полное сгорание. Такая система для сжигания

дробленых автомобильных шин реализована на ПАО «Мордовцемент» (рисунок 2.55).

Рисунок 2.55 - Система с вихревой камерой PYROTOP, обеспечивающая

полное сгорание АТ

С 2017 года на ПАО «Мордовцемент» осваивается способ подачи древесной щепы

в факельное пространство с горячего конца печи. По публикациям в журнале «Цемент и

его применение» в 2011 году на заводе ОАО «Цесла» был проведен промышленный

эксперимент по подаче АТ в печь с замещением до 15 % основного топлива; на ООО

«Петербургцемент» 50 % сырьевых материалов и 50 % природного топлива заменено

отходами/материалами из отходов. Альтернативное топливо используется на ОАО

«Себряковцемент», группы компаний «Холсим (Россия)», заводах группы

HeidelbergCement RUS, ОАО «Красноярский цементный завод», ОАО «Воркутацемент»,

ОАО «Серебрянский цементный завод» и многих других, хотя в настоящее время эти

цементные предприятия не подтверждают использование АТ.

2.7.3.1 Типы альтернативного топлива

В соответствии со ст. 4 Федерального закона № 89-ФЗ «Об отходах производства

и потребления» [45], все отходы в зависимости от степени негативного воздействия на

окружающую среду (при непосредственном или опосредованном воздействии опасного

отхода на нее) подразделяются в соответствии с критериями [59], установленными

федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим государственное

регулирование в области охраны окружающей среды, на пять классов опасности:

- I класс - чрезвычайно опасные отходы;

- II класс - высокоопасные отходы;

- III класс - умеренно опасные отходы;

- IV класс - малоопасные отходы;

- V класс - практически неопасные отходы.

В соответствии со ст. 14 Федерального закона «Об отходах производства и

потребления» [45,59], на отходы I-IV классов опасности должен быть составлен паспорт.

Паспорт отходов I-IV классов опасности составляется на основании данных о составе и

свойствах этих отходов, оценки их опасности.

Существует государственный кадастр отходов, который включает в себя

федеральный классификационный каталог отходов

[60], государственный реестр

объектов размещения отходов, а также банк данных об отходах и о технологиях

утилизации и обезвреживания отходов различных видов.

Поскольку процесс обжига клинкера характеризуется благоприятными условиями

для утилизации отходов/использования материалов из отходов, альтернативное

топливо используется для замены части обычного топлива. Как показано в таблице 2.11,

в цементных печах в качестве топлива могут использоваться различные типы

отходов/материалов из отходов.

В качестве альтернативного топлива могут применяться различные отходы III-V

классов опасности согласно ФККО.

АТ с высокой калорийностью могут заменять первичное топливо в цементных

печах, поэтому постоянство качества АТ является обязательным (например,

достаточная теплотворная способность, низкое содержание тяжелых металлов, хлора,

золы, способность к горению, горючесть).

Таблица

2.11

- Различные типы отходов/материалов из отходов, которые могут быть

используемы как топливо для вращающихся печей [56]

№№ п/п

Наименование отходов/материалов из отходов

дерево, бумага, картон

текстиль

пластмассы

продукты перегонки

шины/резина

промышленные шламы

городские сточные воды

отходы животноводства

уголь/отходы углерода

сельскохозяйственные отходы

твердые отходы (насыщенные древесные опилки)

растворители и соответствующие отходы

нефть и нефтяные отходы

другие

Наряду с влажностью и зольностью, важными характеристиками и параметрами

альтернативного топлива являются его теплотворная способность, содержание серы,

хлора и тяжелых металлов (особенно ртути, кадмия и таллия). Кроме того, необходимо,

чтобы топливо обладало определенными геометрическими характеристиками,

определяемыми транспортной системой подачи АТ на горелку и размером сопел самой

горелки. Оценка пригодности топлива, как правило, базируется на максимально

допустимых концентрациях вредных веществ в отходах/материалах из отходов.

2.7.3.2 Твердое альтернативное топливо

Количество и вид АТ, пригодное для использования в цементных печах,

определяются практическими, техническими и экологическими критериями, которые во

многих случаях специфичны для собственно печей или для конкретного региона.

Например, наличие ограниченного количества отходов или полная непригодность по

экологическим причинам использования имеющихся отходов без их предварительной

подготовки. Такая непригодность к использованию особенно характерна для не

переработанных твердых бытовых отходов, которые, помимо неблагоприятных

параметров горения, могут иметь высокое содержание микроэлементов.

Свойства пригодного для сжигания топлива в значительной степени

определяются заводским оборудованием (например, наличием / отсутствием

декарбонизатора, наличием камеры сгорания или газификатора).

Как правило, AТ (а также альтернативное сырье) должны давать дополнительную

теплотворную и/или материальную ценность цементной печи. Физико-химические

свойства большинства видов АТ существенно отличаются от свойств обычных видов

топлива. В то время как некоторые виды топлива (например, мука животного

происхождения) могут быть легко использованы цементной промышленностью, многие

другие могут вызвать технические проблемы из-за низкой теплотворной способности,

высокого содержания влаги, крупного размера частиц или высокой концентрации хлора

или других микроэлементов в рассматриваемых отходах. В соответствии с основными

правилами, АТ должно создавать дополнительную теплотворную способность и/или

материальную ценность цементной печи, а для поддержания основного горения

необходима средняя теплотворная способность топливной смеси не менее 18-22 ГДж/т

топлива.

При сжигании в декарбонизаторе может также использоваться топливная смесь с

более низкой теплотворной способностью - 11-13 ГДж/т топлива. Свойства топливной

смеси должны соответствовать техническим требованиям соответствующей системы

печи, поэтому возможны отклонения этих значений. В таблице 2.12 приведены типичные

диапазоны значений теплотворной способности и зольность для возможных

альтернативных видов топлива.

Таблица 2.12 - Характеристики теплотворной способности и зольности видов

альтернативного топлива

Значения теплотворной

Виды альтернативного топлива

Зольность, %

способности (МДж/кг)

Древесина (отходы пилорам, ДСП, ж/д

приблизительно 16

до 1,5

шпалы) при влажности 25 %

Бумага, картон

3-16

до 8

Текстиль

до 40

не опред.

Пластики (первичная переработка)

17-40

до 2

Топливо из ТБО (RDF)

18-20

10-22

100

Окончание таблицы 2.12

Значения теплотворной

Виды альтернативного топлива

Зольность, %

способности (МДж/кг)

Резина/шины

приблизительно 26

Промышленный шлам

8-14

до 30

Костная мука и жиры животных

14-18, 27-32

не опред.

Мука туши животного

14-21,5

не опред.

Сельскохозяйственные отходы

12-16

до 10

Растворители, масла, отходы ЛКМ и др.

20-36

не опред.

Шлам сточных вод (влажность > 10%)

3-8

до 40

Шлам сточных вод (влажность < 10% до 0)

8-13

до 40

Нефтешламы

8-42

5-40

Специфические характеристики используемых видов топлива определяют общий

спрос на получаемую энергию. Увеличение потребления АТ - в зависимости от свойств

топлива - может привести к умеренному увеличению удельной потребности в энергии,

но также увеличивает возможности для применения дальнейших мер рекуперации

тепла.

При подаче АТ во вращающуюся печь компоненты минеральной части

отходов/материалов из отходов участвуют в процессах минерало- и

клинкерообразования и «входят» в состав получаемого портландцементного клинкера.

Органическая часть отходов/материалов из отходов при высоких температурах

полностью разлагается до СО2 и воды. Поэтому в конце процесса производства

клинкера не образуется никаких дополнительных твердых отходов, в отличие от

мусоросжигающих заводов, где в конце процесса сжигания появляется зола, требующая

дальнейшей утилизации.

Вся зола от сжигания альтернативного топлива включается в цементный

клинкер и становится частью продукта. Сочетание одновременной рекуперации энергии

и переработки материалов является уникальным для совместной переработки

отходов/материалов из отходов (например, при сжигании отработанных шин с высокой

теплотворной способностью и значительным содержанием железа).

Но оно подразумевает, что состав золы должен придавать добавленную

стоимость процессу с целью обеспечения соответствия состава сырья высокому

качеству продукции. Кроме того, содержание энергии в топливной смеси должно

соответствовать определенным требованиям процесса. Высокие коэффициенты

замещения ископаемых видов топлива альтернативными видами топлива могут быть

достигнуты только путем комплексной предварительной переработки, а также

надлежащего контроля качества АТ.

Твердые отходы могут быть однородными или неоднородными смесями

разнообразных компонентов, таких как:

- частиц с разной способностью к горению, например, бумага, картон,

пластмасса, резина, обломки (остатки обработки) дерева;

- смесями с различным количеством инертных материалов, содержащих

органические фракции, например, песок, камень, керамика, железистые и нежелезистые

металлы, органические влажные материалы;

101

- например, шины, смолы, пропитанные древесные отходы или неопасных

материалов.

На рисунке 2.56 показаны некоторые виды АТ.

Рисунок 2.56 - Ассортимент альтернативных видов топлива, используемых в цементной

промышленности (источник: FLSmidth Pfister)

Особое внимание следует уделить использованию отходов/материалов из

отходов биомассы, поскольку при ее применении выбросы от чистой биомассы и от

биогенной углеродной составляющей смешанных топлив не учитываются в общих

валовых выбросах СО2. Так, целью CEMBUREAU является достижение к 2030 году 60 %

альтернативных видов топлива, половина из которых (30 %) будет состоять из отходов

биомассы, а к 2050 году - 90 %, причем более половины (50 %) будут отходами

биомассы. Как видно из рисунка 2.57, к отходам биомассы относятся осадок сточных

102

вод, различные виды опилок и древесины, животная и костная мука,

сельскохозяйственные отходы.

а)

б)

Рисунок 2.57 - Распределение альтернативных видов топлива (а) и

отходов биомассы (б) по [61]

Отходы, смешанные городские отходы, смешанные коммунальные отходы или

отходы разрушения конструкций должны пройти предварительную подготовку с

выделением высококалорийных фракций.

Технологии подготовки твердого топлива в большой степени зависят от типа

отходов/материалов из отходов и требований цементной промышленности.

Одним из основных требований, проистекающих из способа транспортировки

материала и типа используемой горелки, является подача АТ в печь: в главной

обжиговой системе (на головке печи или выходном отверстии, вдувание топлива через

103

форсунку): высокая абразивность отходов/материалов из отходов  высушенного шлама

 и необычная форма частиц и их размеры могут привести к проблемам эксплуатации.

Когда используется пневматическая система транспортировки, чтобы подать твердое АТ

в печь, можно избежать повреждения и заклинивания вращающихся частей

(пневматическая система всецело функционирует без движущихся частей). Количество

подаваемого воздуха, инжектируемого в печь с АТ, ничтожно в общем объеме,

необходимом по стехиометрии для горения.

Крупные частицы вызывают необходимость применения более мощных

пневматических конвейерных линий и вентиляторов. Поэтому важным шагом процесса

являются снижение размера и дезагломерация АТ (обычно размер окатышей не должен

превышать

25 мм). Среднее уплотнение при слабой агломерации окатышей

способствует улучшению текучести АТ и их дозировки.

Вторичная обжиговая система (топливо подается в печь через впускное отверстие

между печью и нижним циклоном или кальцинатором); ограничение размера для

твердого АТ не важно для вторичной обжиговой системы. Даже целая покрышка может

быть введена через впускное отверстие. Кроме того, могут использоваться

отходы/материалы из отходов с высоким содержанием золы.

В последние годы предложены камеры сгорания HOTDISC и PREPOL,

позволяющие сжигать низкосортные и крупнокусковые (размером до

1,2 м)

альтернативные виды топлива (см. подраздел 2.7.1).

2.7.3.3 Жидкое альтернативное топливо

Жидкое альтернативное топливо обычно приготавливается смешением

различных отходов/материалов из отходов использованных растворителей, красок или

нефтяных отходов с подходящей величиной теплотворной способности с

использованием специальных средств менеджмента.

Жидкое альтернативное топливо в большинстве является опасным

отходом/материалом из отходов. Это необходимо учитывать при обращении с ним,

например, при складировании, подаче материала, чтобы предотвратить выбросы

органических соединений. Существуют некоторые технологии, например, испарители,

которые используются, где это необходимо. Система испарения эксплуатируется таким

образом, чтобы обеспечить выход органических веществ только при согласовании с

работой системы испарения, и не выпускает пары органических веществ в воздух при

нормальной работе, что необходимо с точки зрения безопасности.

2.7.3.4 Требования по качеству к альтернативному топливу и входной контроль

Отходы/материалы из отходов, используемые как сырьевые материалы и/или как

топливо в цементных печах, должны обладать стандартным качеством (поскольку

топливные золы полностью связываются с образованием клинкера), минимальным

негативным действием на состав клинкера и не давать дополнительных выбросов в

атмосферу. Кроме того, необходимо стабильное качество отходов/материалов из

отходов. Чтобы гарантировать характеристики АТ, требуется система менеджмента

качества. Кроме того, должны учитываться требования существующих нормативных

документов. Основная роль требований качества заключается в признании

104

отходов/материалов из отходов как топлива и/или сырьевых материалов, если они

обеспечивают дополнительно следующее:

- калорийность за счет органической части;

- увеличение материала за счет минеральной части.

Высокая калорийность отходов/материалов из отходов может быть использована

для замены первичного топлива в цементной печи. Следует отметить, что величина

калорийности АТ колеблется в широких пределах (см. раздел 2.7.3.2).

Подготовку различных типов горючих отходов/материалов из отходов обычно

выполняют вне цементного завода. Такие отходы/материалы из отходов обычно

подготавливаются поставщиком или специальными организациями предварительной

обработки отходов/материалов из отходов, использующих специальные устройства и

оборудование для получения материалов, пригодных для использования в цементных

печах без дополнительной подготовки на цементном заводе. Однако до их

использования в цементных печах отходы/материалы из отходов регулярно

проверяются и анализируются персоналом цементного завода. Используется

специальное лабораторное оборудование для проверки различных качественных

характеристик материала.

Технологии подготовки и смешения отходов/материалов из отходов

определенного качества зависят от характеристик вводимого материала и требований

потребителя. Даже однотипные отходы/материалы из отходов специального

производства до их применения обрабатываются и смешиваются в установках,

предназначенных для отходов/материалов из отходов, чтобы обеспечить однородность

смеси и постоянство качества, термических свойств и химического состава. Только в

некоторых случаях можно использовать отходы/материалы из отходов без

предварительной их обработки, например, шины и отработанные масла. Любые

неоднородные отходы/материалы из отходов, похожие на смесь твердых

отходов/материалов из отходов различных источников, или отобранная фракция из

смешанных городских отходов требуют повышенного контроля для обеспечения

надежного качества с постоянным малым вводом загрязнителя.

При совместном сжигании отходов/материалов из отходов необходимо оценивать

изменения в выбросах через отходящие газы. Например, в ЕС мониторинг выбросов

регламентируется Директивой ЕС 2010/75/ЕС о промышленных выбросах, в которой

изложены требования, применимые к процессам совместного сжигания

отходов/материалов из отходов. Мониторинг предусматривает непрерывный контроль

содержания следующих компонентов:

- NOx;

- CO;

- общее содержание пыли;

- общий органический углерод;

- HCl;

- HF;

- SO2.

Кроме того, необходимо постоянно контролировать такие эксплуатационные

параметры, как температура в репрезентативной точке камеры сгорания, концентрация

кислорода, давление, температура и содержание водяного пара в отходящих газах. Если

оператор установки совместного сжигания отходов/материалов из отходов может

105

доказать, что выбросы HCl, HF или SO2 ни при каких обстоятельствах не могут

превышать соответствующее предельное значение выбросов (таблица

2.13), то

непрерывное измерение выбросов такой сжигательной установкой является излишним.

Таблица 2.13 - Предельные значения выбросов согласно частям 3 и 4 приложения VI к

Директиве Европейского парламента и Совета Европейского Союза 2010/75/ЕС от 24 ноября

2010 года о промышленных выбросах (о комплексном предотвращении загрязнения и контроле

над ним) [62]

Компонент

Ед. изм.

Отчетный период

Значение

Приложение VI, часть 3, мусоросжигательные заводы ¹⁾

Органически связанный

мг/нм³

Среднесуточное значение

общий углерод

Среднее значение получаса

Оксид углерода

мг/нм³

Среднесуточное значение

Среднее значение получаса

100

Среднее значение 10 мин

150

Приложение VI, часть 4 № 2, цементные печи, в которых

производится совместное сжигание отходов ²⁾

Общее

количество

мг/нм³

Среднесуточное значение

пыли

HCl

мг/нм³

Среднесуточное значение

мг/нм³

Среднесуточное значение

NOX

мг/нм³

Среднесуточное значение

500 ³⁾

Σ Cd, Tl

мг/нм³

Среднее значение за время

0,05

выборки

мг/нм³

Среднее значение/

0,05

Среднее значение за время

выборки

Σ Sb, As, Pb, Cr, Co,

мг/нм³

Среднее значение за время

0,5

Cu, Mn, Ni, V

выборки

ПХДД/ПХДФ

I-TEQ/нм³

В среднем за период отбора

0,1

проб (в течение 6-8 час)

SO2

Среднесуточное значение

50 ⁴⁾

Общее содержание

Среднесуточное значение

10 ⁴⁾

органического углерода

СО

Компетентный орган может установить предельное значение

выбросов

¹⁾ Предельные значения выбросов в атмосферу, применимые к мусоросжигательным заводам;

предельные значения выбросов выражают содержание кислорода в отходящих газах в объеме

11 %.

²⁾ Специальные требования к цементным печам совместного сжигания отходов; предельные

значения выбросов выражают содержание кислорода в отходящих газах 10 %.

³⁾ Вплоть до 1 января 2016 года были возможны исключения для длинных печей и печей Леполя

(макс. 800 мг/м³).

⁴⁾ Возможны исключения, связанные с сырьем.

106

Что касается соблюдения условий сжигания для полного разрушения

органических компонентов, то минимальная температура и содержание кислорода в

отходящих газах должны проверяться надлежащим образом, по крайней мере, один раз

во время ввода в эксплуатацию и при наиболее вероятных неблагоприятных условиях

эксплуатации (максимально возможная загрузка печи, самые высокие уровни выбросов,

максимально возможное использование альтернативного сырья и топлива).

На международном уровне также существуют руководящие документы

Руководящие принципы CSI по мониторингу выбросов и отчетности в цементной

промышленности

[63], в которых определяются соответствующие практические

требования.

Важными характеристиками и параметрами АТ являются величина калорийности,

а также содержание воды, серы, хлора, тяжелых металлов (особенно ртути и таллия) и

золы. Дополнительной важной характеристикой является способность к горению

(горючесть). Хлор может оказывать негативное действие на процесс производства.

Поэтому приемлемая концентрация хлора зависит от индивидуальной ситуации на

агрегате (установке, аппарате). Однако эта концентрация должна поддерживаться на

минимальном уровне, чтобы предотвратить эксплуатационные проблемы печной

системы, например, замазывание теплообменника. В случае повышенного количества

хлора необходима байпасная система, чтобы предотвратить замазывание, остановку и

т.д. Типичная концентрация хлора находится в пределах 0,5-2 %.

При выборе топлива (традиционного или альтернативного) также необходимо

учитывать требования к качеству материала. Поэтому для производства цемента

пригодны только ограниченный круг и количество горючих отходов/материалов из

отходов. Имеются соответствующие ограничения по типам и количеству горючих

отходов/материалов из отходов, пригодных для производства цемента, которые сильно

зависят от специфичных обстоятельств.

Как заранее, так и в процессе непрерывной работы необходимы тщательное

тестирование, планирование и контроль качества, особенно при использовании

топлива, содержащего тяжелые металлы и/или высокотоксичные органические

соединения.

Концентрация металлов изменяется в зависимости от происхождения

отходов/материалов из отходов. Во многих европейских странах законодатели и/или

промышленность выпустили список с максимально допустимой величиной концентрации

металлов для выбора отходов/материалов из отходов, которые будут использованы в

качестве топлива или сырьевых материалов.

Такие критерии включают:

- значимость влияния цементной промышленности на окружающую среду в

контексте с региональным развитием промышленности;

- усилия, направленные на гармонизацию региональных законов и стандартов

по охране окружающей среды;

- уровень загрязнителей в традиционных сырьевых материалах и

отходах/материалах из отходов;

- условия производства и выбросы;

- альтернативный обезвреживанию способ обращения с отходами;

- необходимую минимальную величину калорийности;

- требования к качеству цемента.

107

2.7.3.5 Проведение испытаний на пригодность отходов и материалов из отходов

для производства цемента

Наиболее важной является оценка отходов/материалов из отходов на основе уже

имеющейся информации, например, от поставщика. Если говорить об

отходах/материалах из отходов, которые использовались в цементной промышленности

в течение длительного времени, то в принципе их можно использовать на основе

имеющихся эмпирических значений и информации.

Во-первых, следует уточнить тип и происхождение отходов/материалов из

отходов (например, как производственных остатков в процессе промышленного

производства). Кроме того, должна иметься информация об однородности

отходов/материалов из отходов (ориентировочная). Например, ожидаем однородный

состав остаточных материалов, получаемых в результате определенных

производственных процессов. С другой стороны, при определенных обстоятельствах

состав топлива, полученного из твердых отходов/материалов из отходов, и твердого

восстановленного топлива может существенно различаться.

Количество отходов/материалов из отходов, которые будут использоваться в

качестве АТ, также, в конечном счете, определяет спецификации для требуемого

анализа и контроля качества. Поэтому сначала следует уточнить, утилизируются ли

отходы один раз или регулярно и в каких количествах, а также имеется ли возможность

непрерывного использования производимого количества топлива на цементном заводе.

Чтобы цемент соответствовал установленным требованиям к качеству,

необходимо точное соблюдение установленного состава сырья. Допускается лишь

небольшое отклонение от идеального состава. Помимо ингредиентов сырья,

минеральная фракция (зола) топлива также участвует в образовании клинкера. Топливо

с высоким содержанием золы особенно хорошо подходит для использования в процессе

обжига клинкера. Зола полностью используется и включается в состав клинкера на

этапах производства клинкера, почти все потоки пыли рециркулируются в процессе

обжига клинкера или используются для производства цемента или цементирующей

продукции.

Поэтому

на

следующем

этапе

следует

проверить

пригодность

отходов/материалов из отходов для использования в качестве AТ при производстве

цементного клинкера. Для этой цели пропорции CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 в золе топлива

могут быть определены вначале на одном или нескольких представительных образцах

с помощью рентгено-флюоресцентного анализа с целью определения распределения

компонентов клинкера по группам Ca, Si, Fe, Si/Al/Ca, S или F (рисунок 2.58). Состав золы

также влияет на количество, которое может быть использовано, или рецептуру смеси

сырья в соответствии с желаемым качеством клинкера.

Перед началом использования АТ в процессе обжига клинкера рекомендуется

провести пробный пуск. При этом может быть оценено влияние различных видов АТ на

работу печей, качество клинкера и объемы выбросов на основании предварительных

испытаний, проводимых в течение ограниченного периода времени с изначально

небольшими и постепенно увеличивающимися входными количествами (вплоть до

максимального запланированного на будущее количества), а также с одновременным

мониторингом выбросов (при необходимости

- с привлечением сторонней

контролирующей организации) и качества клинкера.

108

Рисунок 2.58 - Диаграмма состояния тройной системы для CaО, SiO2 и Al2O3+ Fe2O3,

входящих в состав цементного клинкера, и зольных компонентов различных видов

сырья и топлива

Требуемый тщательный мониторинг в ходе опытной эксплуатации также

позволяет разумно определить экономические и экологические меры контроля качества

и выбросов для последующей непрерывной работы.

Для дальнейшей оценки должны быть на регулярной основе определены

следующие физические, химические и экологические свойства АТ:

- содержание влаги в отходах/материалов из отходов (для определения

удельного энергопотребления и выбора места применения);

- зольность (для оценки влияния на качество клинкера);

- гранулометрический состав (для оценки физического состояния и точки

подачи);

- теплотворная способность (некоторые материалы, такие как высушенные

осадки сточных вод, служат в качестве сырья и заменителей топлива);

- содержание хлора, серы, щелочи и фосфата (только при ожидаемом более

высоком содержании Р) (для оценки качества клинкера и во избежание образования

нагара в ходе циклов сжигания вещества);

- содержание сульфидов, соединений серы и аммиака (для дальнейшей оценки

экологической значимости);

- концентрации тяжелых металлов.

В качестве «минимальной программы» рекомендуется проводить анализы для

определения содержания соответствующих металлов (Hg, Cd, Tl, Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu,

109

Mn, Ni, V и Sn), определения влажности материала, содержания золы, теплотворной

способности, а также содержания хлора и серы (таблица 2.14) [46].

Для оценки содержания тяжелых металлов в соответствующих видах АТ,

получения соответствующих выбросов и формирования соответствующих циклов

(например, Hg) необходимо проведение анализов с использованием соответствующих

методов элементного анализа (например, спектрометрии с индуктивно связанной

плазмой и атомно-абсорбционной спектрометрии). При наличии соответствующих

аналитических данных можно рассчитать дополнительное или варьирующее

поступление следовых элементов при использовании АТ в системе печи.

Таблица

2.14 - Минимальная программа анализа с целью проверки наличия экологически

значимых компонентов в АТ

Альтернативное топливо

Дополнительно - при потенциальном наличии

Все виды

высокотоксичных органических компонентов

Примесные элементы

Hg, Cd, Tl, Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V и Sn

Физические / химические

влажность, зольность, теплотворная способность,

характеристики

хлор, сера

Высокотоксичные

ПХДД/ПХДФ, ПХБ, летучие

органические соединения

хлорированные углеводороды, бензол,

толуол, этилбензол и ксилол, ПАУ

Воздействие на ситуацию с выбросами можно прогнозировать с помощью

соответствующих коэффициентов выбросов. Выбросы ртути могут быть оценены (с

учетом дополнительных технических граничных условий в соответствующей системе

печей) с расчета цикла ртути.

На основе полученных результатов можно также определить, необходимы ли с

самого начала дальнейшие меры по сокращению и/или ограничению массовых

расходов. Однако не менее важно обеспечить стабильное качество используемых

материалов при незначительных колебаниях химического состава и определенных

верхних пределах (максимальных или процентильных значениях) содержания тяжелых

металлов и токсичных органических соединений.

Если имеется информация или если есть предположения, что АТ также содержит

токсичные органические соединения, то должны быть проведены дальнейшие

исследования. В случае определения соответствующего содержания токсичных

органических соединений такое содержание токсичных органических соединений может,

в частности, ограничивать выбор места подачи в систему печи и максимально

возможное количество применения АТ.

В качестве «программы минимум» рекомендуется проведение анализов в целях

определения содержания следующих высокотоксичных соединений: ПХДД/ПХДФ

(полихлорированные дибензодиоксины и дибензофураны), ПХБ (полихлорированные

бифенилы), летучие хлорированные углеводороды, бензол, толуол, этилбензол и

ксилол, ПАУ (полициклические ароматические углеводороды), в том числе бенз(а)пирен

(см. таблицу 2.14).

110

При оценке образования галогенорганических соединений важно исходное

содержание галогенов. При содержании галогенированных органических веществ (в

пересчете на хлориды)

1 % (мас.) законодательством ЕС предписывается

температура горения таких веществ не менее 1100 °С в течение не менее 2 с выдержки

(Директива по промышленным выбросам) для обеспечения полного разрушения

хлорированных соединений. Однако для высокотоксичных органических соединений с

содержанием хлора < 1 % по массе может также потребоваться температура горения не

менее 1100 °C со временем выдержки не менее 2 с. Это относится, в частности, к

случаям, когда разрушение органических веществ происходит только при

соответствующих высоких температурах.

Ниже перечислены наиболее важные шаги, которые должны учитываться в связи

с разработкой концепции регулярного контроля:

1. Входной контроль, в том числе:

- проверка происхождения вещества;

- проверка информации, предоставленной поставщиком;

- проверка декларации состава;

- визуальный осмотр.

2. Отбор проб.

В целях обеспечения постоянного качества АТ должен производиться регулярный

отбор и анализ проб. Рекомендуется разработать соответствующий план отбора проб

для каждой АТ. В целях получения представительной выборки должны учитываться

требования действующих национальных регламентов и директивных указаний.

3. Проведение регулярных анализов.

Состав загружаемых материалов должен регулярно анализироваться в целях

контроля параметров технологического процесса, а также в целях контроля выбросов и

состава каждой новой партии отходов/материалов из отходов. Для проведения этих

видов контроля должны привлекаться только специализированные и надлежащим

образом аккредитованные лаборатории. Если иное не предусмотрено законом и/или

подтверждающим извещением, спецификации, касающиеся продолжительности,

периодичности и состава процедур анализа, должны основываться на спецификациях,

изложенных в национальных принципах и директивных указаниях. Это относится, в

частности, к случаям, когда состав вещества может значительно варьироваться.

2.7.3.6 Мониторинг выбросов при использовании отходов/материалов из отходов

В штатном режиме работы мониторинг выбросов осуществляется в соответствии

с нормативными актами, а также в соответствии с любыми прочими требованиями,

указанными в Разрешении. Кроме того, оператор может самостоятельно продолжить

проведение непрерывных или периодических замеров либо поручить их проведение

сторонней измерительной лаборатории.

Если АТ используется впервые и имеются признаки наличия содержания

металлов и/или органических компонентов, то в отходящих газах должно подвергаться

особому контролю остаточное содержание органических соединений и тяжелых

металлов. Даже если орган, выдавший официальное Разрешение, не указал каких-либо

специальных метрологических требований на пробное использование АТ,

рекомендуется проведение внешнего инспектирования авторитетной измерительной

111

лабораторией в рамках добровольного самоконтроля. Эта же рекомендация относится,

в частности, и к мониторингу выбросов компонентов, не проходящих непрерывного и/или

периодического мониторинга на заводе.

В качестве примера законодательные требования к мониторингу выбросов в ЕС

приведены в таблице 2.13.

2.7.3.7 Хранение, подготовка и предварительная обработка отходов/материалов

из отходов

Если аналитические исследования подтверждают, что использование

отходов/материалов из отходов в процессе обжига клинкера в основном целесообразно,

то должны быть спланированы и определены процедуры безопасного обращения и

экологически чистого и безопасного (промежуточного) хранения отходов/материалов из

отходов на цементном заводе. Основное внимание при этом должно уделяться

соблюдению требований по охране труда и окружающей среды. Для каждого

используемого вещества рекомендуется провести соответствующий анализ возможных

последствий его использования для окружающей среды и здоровья. Результаты должны

быть задокументированы в письменной легко понятной форме, должны быть доступны

и заранее сообщены персоналу завода, официальным органам и персоналу экстренных

служб. В частности, в случае использования отходов/материалов из отходов,

содержащих экологически значимые и воздействующие на здоровье компоненты,

должны разрабатываться соответствующие планы ликвидации аварий, подлежащие

регулярному пересмотру и обновлению. Также должны предоставляться средства

индивидуальной защиты.

При хранении отходов/материалов из отходов должны проводиться

соответствующие мероприятия по охране окружающей среды, пожаро- и

взрывобезопасности. В случае хранения отходов/материалов из отходов повышенной

влажности должны использоваться площадки хранения или контейнеры, защищающие

от попадания их в грунтовые воды. Однако в случае хранения очень сухого

мелкозернистого материала должны быть приняты соответствующие меры по

герметизации помещения хранения, вытяжки и фильтрации воздуха с целью

предупреждения образования диффузных пылевых выбросов.

Вопрос о необходимости предварительной подготовки (измельчения, сушки) до

подачи в печь и типе дозирующей системы должен решаться с учетом физического

состояние материала.

Предварительная обработка, такая как измельчение и сушка, требует проведения

очень тщательного предварительного тестирования и использования надежных методов

предупреждения образования и выделения органических соединений. При наличии

токсичных органических соединений может быть рассмотрена необходимость

проведения предварительной термической обработки и/или измельчения/сушки с

соответствующей обработкой отходящих газов. Часто используемое решение

заключается в откачке воздуха из мельницы/сушилки и использовании его в качестве

воздуха горения во вращающейся печи для дожигания выбрасываемых органических

загрязнителей.

112

2.8 Обжиг цементного клинкера

В настоящее время обжиг клинкера осуществляют в печных системах мокрого,

сухого и комбинированного способов производства (см. раздел 2.1, рисунки 2.2-2.8).

2.8.1 Печи мокрого способа производства

Обжиг цементного клинкера по мокрому способу производится в длинных

вращающихся печах с отношением длины к диаметру L/D ≈ 37 (рисунок 2.59).

Комплекс теплообменных устройств для вращающейся печи мокрого способа

производства обычно состоит из цепных завес и зацепных периферийных

теплообменников, которые расположены в области температур материала до 500 ºС и

выполнены в виде цепных ковриков, а при более высоких температурах - в виде

керамических теплообменников.

Наибольшее распространение в последние десятилетия получили печи 5×185 м с

колосниковым холодильником «Волга

75» производительностью

1800 т/сутки при

среднегодовом удельном расходе условного топлива ~ 201 кг/т клинкера.

Рисунок 2.59 - Вращающаяся печь мокрого способа производства:

1 - дымосос, 2 - электрофильтр, 3 - шлампитатель, 4 - теплообменные

устройства (цепная завеса), 5 - бандаж, 6 - корпус печи, 7 - привод печи,

8 - роликоопора, 9 - горелка, 10 - клинкерный холодильник

Цепные теплообменники располагаются обычно на участке 25-35 % длины печи и

вместе с керамическими теплообменниками могут распространяться до 50 % ее длины.

Существуют различные способы навески цепей: свободновисящая и гирляндная. Выбор

вида навески определяется свойствами сырья. Если шлам способен создавать гранулы

и сохранять их по всей печи, то рекомендуется гирляндная завеса.

При подборе схемы цепную завесу в зависимости от свойств материала

целесообразно разделить на участки: текучего (I), вязко-пластичного (II) и сыпучего (III-

IV) состояния. Варианты распространенных цепных завес приведены на рисунке 2.60.

113

В связи с тем, что стабильная работа печи в значительной степени зависит от

стабильного питания шламом, данный способ имеет следующие преимущества:

- обеспечивается стабильное питание вследствие двух уровней контроля

индукционным расходомером и контрольным бачком;

- отсутствуют непрерывно работающие подвижные детали;

- в системе не образуется осадок, в связи с чем отпадает необходимость

периодической очистки питателя шлама и обеспечивается более стабильное питание

печи шламом;

- не требуется персонал для обслуживания питателя.

Недостаток:

- наличие обратного слива шлама, приводящего к дополнительному расходу

электроэнергии.

2.8.2 Печные системы с циклонным теплообменником

В печах с циклонными теплообменниками процесс обжига разделяют на два

этапа: обычный вращающиеся барабан значительно укорачивается, а подогрев и

частичная декарбонизация сырьевой муки осуществляются в циклонном

теплообменнике.

При сухом способе в России реализованы два варианта питания с проходным

лотковым и с циклически работающими массорасходомерами (рисунки 2.62, 2.63).

Точное дозирование сырьевой муки для подачи в печную систему производится с

использованием комплекса оборудования. Дозирующий блок состоит из взвешиваемого

бункера, питающего узла и проходного лоткового массоизмерителя. Бункер опирается

на три датчика нагрузки, которые определяют текущую массу муки в бункере. Питающий

узел представляет собой аэрожелоб, в котором установлен дозирующий валок, принцип

работы которого заключается в изменении проходного сечения валка при его повороте.

Расход сырьевой смеси контролируется проходным лотковым массоизмерителем.

Вторая система состоит из усреднительного силоса, загрузочного, разгрузочного

и дозирующих устройств (рисунок 2.62).

Из буферной емкости сырьевая смесь поступает в дозирующий бункер,

установленный на весах. Регулирование количества подаваемого материала в печь

основано на следующем принципе. Расходный бункер заполняется и опорожняется

периодически.

115

Когда сырьевая мука не поступает в бункер, определяется массовый расход

материала за определенное время, который используется для расчета фактического

питания печи.

Этот показатель управляет положением регулятора расхода, которое затем

остается неизменным во время заполнения расходного бункера материалом. Подобная

операция повторяется при каждом цикле. Параметры работы печи и движение газового

потока и материала показаны на рисунке 2.64.

Наиболее рациональными современными печами сухого и комбинированного

способов являются обжиговые агрегаты с выносными декарбонизаторами. Поэтому

ниже будут рассмотрены только такие системы.

2.8.3 Печные системы с циклонным теплообменником и декарбонизатором

Наиболее рациональными современными печами сухого и комбинированного

способов являются обжиговые агрегаты с выносным декарбонизатором.

Рисунок 2.64 - Параметры газового и материального потоков в печной системе

Принцип работы заключается в том, что при сухом способе самую теплоемкую

зону - зону декарбонизации, потребляющую до 60 % тепла, - выносят из вращающейся

печи в суспензионный теплообменник, где скорость теплообмена на несколько порядков

выше, чем во вращающейся печи (рисунок 2.65). Это позволило уменьшить размеры

вращающейся печи, создать установки с единичной мощностью до 12 тыс. т клинкера в

сутки.

117

Рисунок 2.65 - Современная печная система с декарбонизатором

В настоящее время имеются десятки различных систем декарбонизаторов. В

России применяются системы Pyroclon-S, RSP и Pyroclon-R, приведенные на рисунке

2.66.

PYROCLON-S

RSP

PYROCLON-R

Рисунок 2.66 - Применяемые в России системы печей с декарбонизаторами

Система PYROCLON-S без третичного воздуха с дополнительным сжиганием

топлива в запечном теплообменнике не имеет широкого распространения, так как

позволяет повысить производительность печи всего на 20-25 %. В России была

реализована одна такая линия на АО «Себряковцемент».

Система RSP с декарбонизатором камерно-циклонного типа впервые

реализована в Японии в 1967 году. Степень декарбонизации достигает 95 %. Такая

линия реализована в России на Невьянском заводе.

Декарбонизатор (в системе PYROCLON-R) с восходящим вертикальным газоходом

и третичным воздухом высотой ~ 80 м получил в последние годы наибольшее

распространение. В России за последнее десятилетие зарубежными фирмами

118

реализовано 20 технологических линий сухого способа на ПАО «Мордовцемент», АО

«Себряковцемент», в Башкирии, Новотроицке, Ленинградской, Московской, Тульской,

Ульяновской, Калужской областях и Краснодарском крае.

Помимо указанных выше систем декарбонизаторов, в настоящее время

разработаны варианты декарбонизатора с низким уровнем выбросов NOх, которые

являются неотъемлемой частью процесса (рисунок 2.67) [46].

Рисунок 2.67 - Примеры различных типов декарбонизаторов с низким уровнем

выбросов NOx (схематическая иллюстрация, зона восстановления отмечена

серым цветом)

Обычно это модифицированная версия встроенного декарбонизатора.

Конструкция с низким уровнем выбросов NOх характеризуется созданием

восстановительной зоны с низким содержанием кислорода для достижения эффекта

уменьшения выбросов NOх и несколькими вариантами настройки параметров работы

декарбонизатора для оптимизации снижения выбросов NOх.

Для регулировки уровня кислорода в восстановительной зоне используется

постадийная подача воздуха, для повышения температуры в декарбонизаторе

используется постадийная подача смеси, а для оптимизации подачи топлива иногда

119

используется постадийная подача топлива. Основные факторы, влияющие на

уменьшение выбросов NOx в декарбонизаторе и выгорание топлива, включают, помимо

уровня кислорода и температуры, также:

- свойства топлива (в частности, содержание в нем летучих компонентов и

топливного азота);

- смешивание потоков газа и твердых тел;

- время пребывания в зонах восстановления и выгорания;

- начальную концентрацию NOх (начиная с розжига вращающейся печи).

Преимущества систем с декарбонизатором:

- высокая единичная мощность до 12 тыс. т в сутки;

- малые габариты печей, малое количество опор;

- высокая стойкость футеровки;

- пониженный расход топлива;

- пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO2) и NOX;

- высокая степень автоматизации;

- высокая производительность труда.

Недостатки:

- усложненность оборудования;

- затруднения в получении сырьевой смеси стабильного состава;

- затруднения в получении высококачественного стабильного клинкера.

2.8.4 Футеровка вращающихся печей

Внутренняя часть печи покрыта слоем огнеупора (футеровкой), который служит для

защиты корпуса печи от воздействия высоких температур и снижения теплопотерь через

корпус. На различных участках вращающейся печи (рисунок

2.68) используют

огнеупорные материалы.

I участок печи - область теплообменных устройств (зоны сушки и частично

подогрева). Первая половина холодной части цепной завесы не футеруется. Вторая

половина зоны сушки при температуре материала до 100 ºС футеруется бетоном на

портландцементной связке и для противодействия истиранию армируется.

Рисунок 2.68 - Футеровка вращающейся печи мокрого способа производства

При плохой грануляции материала температура порошкообразной смеси в

горячей части цепной завесы может достигать ~ 400 ºС, тогда эта часть футеруется

огнеупорным бетоном на основе жидкого стекла или глиноземистого цемента. Для

предотвращения истирания бетон рекомендуется покрывать жаростойкими

металлическими бронеплитами. Участок цепного коврика следует футеровать

шамотным кирпичом.

120

II участок - подготовительные зоны (часть зоны подогрева и декарбонизации) -

футеруется шамотным огнеупором на связке или без нее. В качестве связки может

применяться портландцементная суспензия или специальный мертель.

III участок - высокотемпературные зоны (экзотермических реакций и спекания).

Зона спекания - самый ответственный участок печи, так как здесь на футеровку

воздействуют высокая температура и клинкерный расплав. Наибольшее

распространение в настоящее время имеют огнеупоры на основе МgО.

Футеровка вращающейся печи сухого способа производства осуществляется

такими же огнеупорными материалами, как и в печи мокрого способа: подготовительные

зоны - шамотным огнеупором, а спекания - кирпичом на основе МgО.

При футеровке циклонных теплообменников используется многослойная

футеровка, состоящая из теплоизолирующего и защищающего от износа огнеупорного

слоя. Теплоизолирующий слой выполняется панелями из силиката кальция или

легковесных огнеупорных кирпичей. При футеровке теплообменника широко

используется огнеупорный бетон.

2.9 Клинкерные холодильники

В настоящее время в основном применяют следующие клинкерные холодильники:

рекуператорные (планетарные), барабанные и колосниковые.

2.9.1 Рекуператорные (планетарные) и барабанные холодильники

Рекуператорные холодильники представляют собой барабаны, расположенные

вокруг выгрузочного конца печи.

Преимущества рекуператорного холодильника:

- простота конструкции;

- отсутствие привода;

- отсутствие вентиляторов;

- низкий расход электроэнергии на охлаждение клинкера.

Недостатки:

- повышенная температура охлажденного клинкера;

- невозможность применения для печей с декарбонизатором;

- невысокий тепловой КПД.

Поэтому на вновь строящихся заводах такие холодильники больше не

устанавливают.

В настоящее время в России рекуператорные холодильники выведены из

эксплуатации (ПАО «Мордовцемент», ЗАО «Белгородский цемент», АО

«Себряковцемент» и другие заводы) и сохранились только на старых печах низкой

производительности.

Барабанные холодильники в основном имеют те же недостатки, что и

рекуператорные, и на цементных заводах России не эксплуатируются.

121

2.9.2 Колосниковый клинкерный холодильник

В настоящее время наибольшее распространение имеют холодильники, в

которых охлаждение клинкера происходит в слое при тесном взаимодействии

проходящего через него воздуха. Такой непосредственный контакт воздуха с

поверхностью клинкерных гранул обеспечивает высокую интенсивность теплообмена и

поэтому позволяет повысить тепловой КПД холодильника и снизить его габариты и

выброс горячего воздуха в атмосферу. Этот эффективный процесс реализован в

колосниковых холодильниках различных конструкций. Распространение получили в

основном две принципиально отличающиеся разновидности: с провальной и

беспровальной решетками. Каждый вид имеет несколько модификаций. В России на

высокопроизводительных печах мокрого способа преимущественно установлены

отечественные колосниковые переталкивающие холодильники с провальной решеткой

типа «Волга» (рисунок 2.69).

Рисунок 2.69 - Устройство и принцип работы колосникового

переталкивающего холодильника «Волга 75»

Для повышения эффективности работы холодильника и, следовательно,

снижения расхода топлива и выброса парниковых газов и пыли в окружающую среду

необходимо снижать расход воздуха на охлаждение клинкера, что можно

компенсировать повышением времени охлаждения путем повышения высоты слоя и

снижением размера клинкерных гранул [64].

В последнее время распространение получил новый тип холодильника с

беспровальной решеткой (рисунок 2.70 [65], рисунки 2.71-2.72). В России реализованы

перечисленные холодильники.

Проект переталкивающего колосникового холодильника реализован на заводе АО

«Пикалевская сода» (рисунок 2.71).

Между горячей и холодными решетками расположена валковая дробилка для

клинкера с гидроприводом (рисунок 2.73).

122

Рисунок 2.72 - Принципиальная схема клинкерного холодильника

б)

а)

Рисунок 2.73 - Валковая дробилка для клинкера (а) с элементами зубчатого валка (б)

Таблица 2.15 - Эффективность использования валковой дробилки для клинкера

№

Значения для дробилок

Наименование параметров

п/п

молотковая

валковая

Тип привода

механический

гидравлический

Размер максимального исходного куска

 500 мм

 1000 мм

Возможность реверса при заклинивании

нет

да

дробилки

Размер дробленого клинкера

 35 мм

Допустимая температура клинкера

350 ^оС

800 ^оС

Частота вращения

367 об/мин

4 об/мин

Окружная скорость

25 м/с

0,07 м/с

Расход дробящих элементов

300 г/т

4 г/т

Расход электроэнергии

0,9 кВт∙ч/т

0,3 кВт∙ч/т

Межремонтный период

100 %

300 %

Выделение пыли

высокое

низкое

124

На ПАО «Мордовцемент» и других заводах установлены холодильники,

представленные на рисунке 2.72. Холодильник состоит из ограждающего корпуса,

колосниковой решетки, по которой передвигается клинкер, вентиляторов, продувающих

воздух через слой клинкера, и аспирационного вентилятора, удаляющего после очистки

избыточный воздух в атмосферу (см. рисунок 2.73). Колосниковая решетка состоит из

возвратно-поступательно движущихся дорожек.

Для создания возвратно-поступательного движения средних дорожек

применяется гидроприводы (рисунок 2.74, поз. 2).

Транспортировка клинкера осуществляется одновременным движением вперед

всех дорожек и движением назад отдельной дорожки или двух, не расположенных

рядом. При движении вперед весь клинкерный слой движется к выходу. При движении

назад отдельной дорожки возврат клинкера на нем тормозится соседними слоями, и

поэтому дорожка проскальзывает под слоем клинкера без значительной

транспортировки его назад.

Рисунок 2.74 - Схема колосниковой решетки холодильника

При такой совокупности движений вперед и назад осуществляется

транспортировка клинкера к выходу.

Преимущества колосникового холодильника с беспровальной решеткой:

- повышенный тепловой КПД;

- отсутствие просыпи мелкого клинкера через решетку;

- пониженный объем дутьевого и избыточного воздуха;

- отсутствие скребкового транспортера под решеткой;

- пониженный износ колосников;

- возможность индивидуального регулирования потока воздуха через слой

клинкера.

Недостатки:

- повышенный расход электроэнергии на работу вентиляторов;

- некоторое усложнение конструкции.

125

Избыточный воздух из холодильника подвергается очистке от пыли

преимущественно в электрофильтре, а аспирационный воздух от узлов перегрузки

клинкера - в рукавных фильтрах [66].

2.10 Складирование клинкера и помол цемента

2.10.1 Складирование клинкера

Для хранения клинкера в России используют открытые склады и силосы. С

открытого склада клинкер загружают на конвейер для подачи в мельницу с помощью

грейферного крана.

Преимущество открытого склада заключается в возможности одновременного

использования клинкера с разных печей для подачи в одну мельницу. Недостаток - в

загрязнении пылью окружающей воздушной среды и территории завода.

Открытый склад используют на ООО «Топкинский цемент», АО «Липецкцемент»,

ОП ООО «Холсим (Рус) СМ» (г. Воскресенск), ЗАО «Осколцемент», АО

«Себряковцемент» и др.

Силосы применяют для хранения кондиционного и некондиционного клинкера

(рисунок 2.75).

Рисунок 2.75 - Силос для хранения кондиционного и некондиционного клинкера

фирмы Aumund

Для хранения кондиционного клинкера имеет распространение круговой силос с

механизированными системами разгрузки. Так, на ПАО «Мордовцемент» для хранения

кондиционного клинкера предусмотрен шатровый склад, для некондиции - силос. Кроме

того, предусмотрена возможность отвала клинкера на открытую площадку. Выгрузка

кондиционного клинкера из склада осуществляется через 16 разгрузочных узлов, из

которых 12 - с механизированным приводом, а 4 - с ручным. Разгрузочные узлы

оборудованы штанговыми и прижимными шиберами. Далее клинкер подают ковшовыми

транспортерами в соответствующий бункер цементной мельницы.

Система разгрузки клинкера из силоса может включать стержневые и секторные

затворы, что реализовано практически на всех заводах сухого способа России,

построенных в последних годы (рисунок 2.76).

126

Рисунок 2.76 - Система разгрузки силоса клинкера со стержневыми и секторными затворами

и погрузка в автотранспорт

2.10.2 Помол цемента

Помол цементного клинкера является важной и в то же время последней

технологической операцией в процессе производства цемента. От этой операции в

значительной степени зависит качество цемента. Технология помола цемента ставит

своей задачей получение высокопрочного вяжущего материала, минимизацию затрат

электроэнергии и повышение экологической безопасности этого процесса. Цемент

производят измельчением клинкера и добавок до высокой дисперсности,

соответствующей удельной поверхности

300-500 м²/кг. Для помола применяют

различные агрегаты, но наиболее распространенным пока остается шаровая мельница,

устройство и принцип работы которой, а также способы интенсификации процессов в

ней приведены ниже.

2.10.2.1 Помол цемента в шаровой мельнице

Шаровая мельница имеет невероятно низкий КПД, который находится на уровне

3-5 % (рисунок 2.77). Способы снижения энергозатрат приведены в таблице 2.16.

Основная энергия расходуется на нагрев цемента, что негативно сказывается на

процессе помола, качестве цемента и окружающей среде. Поэтому применение

эффективных способов снижения энергозатрат на помол цемента является важнейшей

задачей.

127

Рисунок 2.77 - Затраты энергии на отдельные процессы при помоле цемента

в шаровой мельнице по данным фирмы Christian Pfeiffer

Таблица 2.16 - Способы снижения энергозатрат на помол цемента в шаровой мельнице

№

Мероприятия

Эффект, %

Квалифицированная эксплуатация

до 10

Применение ПАВ

до 10

Новая внутренняя оснастка

до 20

Установка сепаратора

до 25

Предизмельчение

до 30

Применение минеральных добавок

до 30

Они включают совершенствование внутримельничных устройств и подбор

ассортимента мелющих тел, применение химических интенсификаторов помола,

применение замкнутых схем помола с сепараторами, а также новых помольных

агрегатов.

2.10.2.2 Применение интенсификаторов помола

В качестве интенсификаторов помола широко применяют поверхностно-активные

вещества - ПАВ. Согласно [67] механизм действия интенсификаторов помола основан

на адсорбции молекул ПАВ на поверхности цементных частиц, что позволяет:

- снять электростатические заряды с поверхности частиц, что предотвращает

агрегирование мелких частиц, устраняет проблему налипания материала на шары и

бронефутеровку мельниц;

- снизить твердость измельчаемых продуктов, тем самым снизить энергозатраты

на помол;

- изменить

коэффициент

сцепления

между

мелющими

телами,

бронефутеровкой и материалом, тем самым повысить силу удара и истирающего

воздействия;

- повысить скорость продвижения материала по мельнице и циркуляцию в

поперечном сечении.

128

Технико-технологическая эффективность применения интенсификаторов помола:

- повышение производительности помольных агрегатов при заданной тонкости

помола, что позволяет снизить удельные затраты электроэнергии на помол на 2-10

кВт·ч/т цемента, затраты на обслуживание процесса помола;

- повышение гарантированной прочности при повышении тонкости помола при

заданной производительности мельницы;

- изменение гранулометрического состава цемента, что может способствовать

изменению таких свойств, как водоотделение, сроки схватывания, ускорение набора

ранней прочности;

- повышение эффективности работы сепараторов в замкнутом цикле из-за

снижения содержания агрегированных частиц;

- повышение текучести цемента, что важно при транспортировке цемента по

аэрожелобам, выгрузке цемента из силосов.

2.10.2.3 Модернизация внутримельничных устройств

Развитие в последние годы новых внутримельничных устройств позволяет

производить модернизацию мельниц, один из вариантов которой приведен на

рисунке 2.78 (цветом показаны измененные узлы).

Модернизация сводится к следующим технологическим и конструктивным

решениям:

- длина первой камеры сокращается с ~ 1/2 до ~ 1/3 общей длины мельницы;

- сортирующие бронеплиты первой камеры заменяют на волнистые;

- гладкие бронеплиты второй камеры заменяют на сортирующие;

- одинарную межкамерную перегородку меняют на двойную;

- во второй камере устанавливают диафрагмы;

- во второй камере цильпебсную загрузку заменяют на мелкие шары, в основном

размером 17 мм.

Рисунок 2.78 - Модернизация шаровой мельницы

В результате модернизации производительность мельницы повышается на 15-

20 % и пропорционально снижается удельный расход электроэнергии. В России

модернизация шаровой мельницы произведена на АО «Себряковцемент».

129

2.10.2.4 Интенсификация помола цемента путем применения сепаратора

Наиболее эффективным способом интенсификации помола цемента является

перевод шаровой мельницы на замкнутый цикл с применением сепаратора (рисунок

2.79).

Преимущества:

- повышенная производительность мельницы;

- снижение электроэнергии на помол материалов;

- возможность получения тонкомолотого высокомарочного цемента;

- повышенная эффективность при помоле смешанных цементов;

- предотвращение перегрева цемента за счет охлаждения в сепараторе;

- снижение расхода мелющих тел;

- повышение срока службы бронефутеровки.

Недостатки:

- усложнение схемы помола материала;

- установка дополнительного оборудования.

Рисунок 2.79 - Расход электроэнергии по отдельным агрегатам при замкнутой схеме

помола цемента по данным фирмы Christian Pfeiffer

Ниже представлен пример эффективности модернизации цементной мельницы

(таблица 2.17).

130

Таблица

2.17

- Эффективность установки сепаратора и замены внутренней оснастки

мельницы 2,6×13 м по данным фирмы Christian Pfeiffer

Значения от реконструкции

Параметры

Размерность

Эффект

до

после

Удельная поверхность

м²/кг

290

300-320

+ 20

Производительность

т/час

+ 52 %

Расход электроэнергии

кВт∙ч/т

41,3

29,3

- 29 %

Температура цемента

^оС

120-130

70-80

-50 ^оС

2.10.2.5 Новые современные агрегаты для помола цемента

В последнее время шаровые трубные мельницы частично вытесняются более

экономичными помольными агрегатами: вертикальными тарельчато-валковыми

мельницами и пресс-валковыми измельчителями.

Устройство и принцип работы этих агрегатов изложены в разделах 2.3.2.3 и 2.3.2.4.

Преимущество их заключается в высокой производительности и пониженном расходе

электроэнергии. Эффективность вертикальной валковой мельницы значительно

возрастает

повышением

тонкости

помола

материалов,

особенно

трудноразмалываемых, таких как шлак (рисунок 2.80).

Рисунок 2.80 - Эффективность вертикальной валковой мельницы

в сравнении с шаровой по данным фирмы Loesche

При помоле клинкера до удельной поверхности 300 м²/кг расход электроэнергии

составляет на шаровой мельнице 32, а на вертикальной - 28 кВт·ч/т, следовательно,

экономия составляет около 12 %, а при 500 м²/кг эти значения равны соответственно 68

и 41 кВт·ч/т, и экономия будет уже 40 %. Следовательно, вертикальные мельницы

целесообразно применять для тонкого измельчения клинкера и особенно шлака, при

помоле которого эффект еще выше. Пока остается не совсем понятным вопрос качества

цемента. Согласно некоторым данным, из-за изменения принципа измельчения с

ударного на раздавливание изменяется форма частиц цемента, что приводит к

повышенной водопотребности цемента и, следовательно, к снижению качества бетона.

131

Эффективность применения пресс-валкового измельчителя при помоле цемента

по различным схемам представлена на рисунке 2.81. При применении схемы помола с

пресс-валковым измельчителем в сравнении с шаровой мельницей экономия

электроэнергии составляет по данным фирмы KHD Humboldt Wedag от 12 до 54 , по

данным же фирмы Polysius - не менее 30 %. Наибольшая экономия достигается, если

полностью исключить из схемы шаровую мельницу. Однако при помоле только в пресс-

валковом измельчителе возникают те же проблемы, что и при помоле в вертикальной

мельнице. В связи с этим в настоящее время применяют схемы 2 и 3 с домолом цемента

в шаровой мельнице.

Преимущества новых агрегатов:

- пониженный расход электроэнергии на помол;

- высокая скорость процесса, создающая благоприятные условия для

автоматизации;

- пониженный уровень шума;

- пониженный объем ремонтных работ;

- отсутствие работ по догрузке и перегрузке мелющих тел.

Рисунок 2.81 - Эффективность применения пресс-валкового измельчителя

Недостатки новых агрегатов:

- усложненность оборудования;

- повышенная стоимость;

- некоторая неопределенность по качеству цемента.

132

Пресс-валковые измельчители эксплуатируются на ООО «Азия Цемент» и

Первомайском цементном заводе.

2.11 Сушилки

В производстве цемента необходимо производить сушку различных материалов:

сырья, добавок, топлива. Сушка при помоле сырья была рассмотрена в разделе 2.6.

Поэтому в данном разделе будет представлен только процесс сушки. До недавнего

времени имели распространение преимущественно барабанные сушилки.

Преимущество их заключалось в универсальности, так как в них можно сушить любые

материалы, независимо от размера кусков и влажности. Недостатки - в больших

размерах, низкой производительности, КПД и скорости процесса. В настоящее время в

основном применяют сушилки с более интенсивной и скоростной сушкой. Во всех

случаях для сушки необходим сушильный агент - горячие газы, для получения которых

применяют топки. Раньше преимущественно применяли камерные топки больших

размеров. Сейчас большее распространение имеют компактные топки с холодными

стенками (рисунок 2.82).

Рисунок 2.82 - Топка с холодными стенками по данным фирмы Loesche

Особенность такой топки заключается в том, что через кольцевой канал между

высокотемпературной камерой сгорания и корпусом в смесительную область поступает

вторичный воздух, что исключает потери тепла в окружающую среду. В сравнении с

камерной, представленная топка имеет следующие преимущества:

- малые габариты;

- высокая производительность;

- отсутствие потерь тепла через корпус;

- высокая скорость процесса и оперативность при регулировании, позволяющие

легко автоматизировать процесс.

Недостатки:

- работа системы под давлением;

- необходимость герметизации системы.

Для однородного материала мелкой фракции, каким является гранулированный

шлак, целесообразно применять сушилку взвешенного слоя (рисунок 2.83).

Особенность сушилки заключается в высокой скорости теплообмена между

сушильным агентом и материалом при их тесном контакте в слое.

133

Преимущества:

- повышенная производительность;

- высокие скорость процесса и степень автоматизации;

- отсутствие подвижных деталей в сушилке;

- низкие затраты на ремонт и эксплуатацию;

- малые габариты, компактность.

Рисунок 2.83 - Сушилка взвешенного слоя

Недостатки:

- ограниченность применения - только для сыпучего материала небольших

размеров;

- работа топки под давлением, необходимость герметизации;

- повышенный расход электроэнергии на работу вентиляторов.

Такую сушилка отечественного производства применяют для сушки шлака на ЗАО

«Липецкцемент» и других заводах.

Высокоскоростная сушилка представлена на рисунке

2.84. Сушилка

предназначена для сушки пластичных высоковлажных до 30 % материалов, таких как

глина. Помимо сушки, установка производит дезагломерацию материала, тем самым

облегчая дальнейшую его переработку.

Рисунок 2.84 - Высокоскоростная сушилка

134

Преимущества:

- высокая скорость процесса, и, следовательно, возможность автоматизации;

- возможность сушки пластичных материалов высокой влажности;

- простота обслуживания и ремонта.

Недостатки:

- нежелательность сушки твердых абразивных материалов, приводящих к

быстрому износу роторов.

Взамен громоздких барабанных сушилок в последнее время созданы более

компактные и эффективные трехходовые барабанные сушилки (рисунок 2.85).

Рисунок 2.85 - Трехходовая барабанная сушилка

Преимущества:

- возможность сушки материалов различных размеров и влажности;

- компактность сушилки;

- пониженный расход тепла на сушку по двум причинам: невысока поверхность

соприкосновения сушилки с окружающей средой, и наружная поверхность сушилки

имеет пониженную температуру.

Недостатки:

- при износе транспортирующих лопастей прекращается передвижение

материала, и сушилка перестает работать.

В некоторых случаях при невысокой влажности добавок или невысоком их

содержании в цементе можно сушить их непосредственно в камере сушки шаровой

мельницы (рисунок 2.86).

В России такая мельница реализована на ООО «АККЕРМАНН ЦЕМЕНТ».

135

Рисунок 2.86 - Шаровая мельница с сушильной камерой

2.12 Хранение, отгрузка и упаковка цемента

На рисунке 2.87 представлена схема хранения и отгрузки цемента. Хранение

цемента осуществляют в двухсекционных силосах (рисунок 2.88-а). Для выгрузки

силосов их снабжают аэрирующими кассетами и аэрожелобами, виброгрохотами для

отсева инородных включений и загрузочными устройствами. Часть цемента подвергают

упаковке в мешки и в паллеты (рисунок 2.88-б).

Для погрузки цемента в транспортные средства навалом применяют систему

загрузки Fluxo (рисунок 2.89), которая предотвращает выброс цемента в окружающую

среду. Телескопическое гофрированное устройство позволяет плотно прижимать

подающий цемент трубопровод к горловине транспортного средства, в результате чего

предотвращается просыпь цемента. Кроме того, система погрузки аспирируется с

применением вентилятора и рукавного фильтра.

Система Fluxo применяется на Воронежском филиале АО «ЕВРОЦЕМЕНТ груп»

и других заводах.

Последовательность операций наполнения мешков цементом на упаковочной

машине представлена на рисунке 2.90.

136

Раздел 3 Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссий в

окружающую среду

3.1 Материальный баланс процесса производства портландцемента

Материальные балансы процесса производства 1 т портландцементного клинкера

по мокрому и сухому способам производства представлены на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Материальный баланс процесса производства портландцементного

клинкера по мокрому (а) и сухому (б) способам производства

В экологическом аспекте мокрый способ оказывает наибольшее негативное

воздействие на окружающую среду с учетом затрат материальных ресурсов и выбросов

загрязняющих веществ. Потребление материальных ресурсов и выбросов

увеличивается на 1,5 т/т клинкера. Производство портландцементного клинкера по

мокрому способу требует расхода топлива примерно в два раза больше, чем по сухому.

Тепло, получаемое при сжигании технологического топлива, расходуется на тепловые

процессы клинкерообразования, испарение воды, а также теряется с отходящими

газами, с воздухом из клинкерного холодильника, с горячим клинкером и на прямые

потери в окружающую среду.

С другой стороны, при сухом способе производства несколько увеличиваются

выбросы горячего третичного воздуха, что связано с использованием современных

клинкерных холодильников, охлаждающих портландцементный клинкер до температур

менее 80-100 °С. Аэрозоли вращающихся печей сухого способа отличаются высокой

дисперсностью частиц (до 75 % частиц размером менее 5 мкм) и высокой температурой

139

по сравнению с мокрым способом. Но из-за снижения расхода материалов, топлива,

выбросов газов и пыли в атмосферу данная технология является более прогрессивной

как в экономическом, так и в экологическом аспектах.

Основными экологическими аспектами, связанными с производством цемента,

являются выбросы в атмосферу и потребление энергии. Основными атмосферными

выбросами при производстве цемента являются выбросы печи: газы и твердые частицы.

Эти выбросы происходят в результате физических и химических реакций, связанных с

обрабатываемым сырьем и топливом, используемым для приготовления сырьевой смеси.

Основными компонентами дымовых печных газов, являются СО2 при обжиге из

CaCO3 и сгорания топлива, оксиды азота (NOx), водяной пар (H2O) и избыток кислорода

(O2).

Согласно международным кадастрам и руководствам по выбросам, список

загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу, которые считаются актуальными

в случае производства цемента, включая использование отходов/материалов из

отходов в качестве заменителей сырья и топлива, выглядит следующим образом:

- углекислый газ (CO2);

- частицы, включая мелкие частицы (PM10 и PM2,5);

- оксиды азота (NOx) и другие соединения азота;

- диоксид (SO2) серы и других соединений серы;

- общий органический углерод (COT), включая летучие органические соединения

(ЛОС);

- полихлородибензодиоксины и полихлородибензофураны (ПХДД и ПХДФ);

- металлы (As, Sb, Cd, Co, Cr, Cu, Pb, Mn, ни, Tl, V и Hg) и их сочиненные;

- фтор и неорганические соединения, измеренные как фтористый водород (HF);

- хлор и неорганические соединения, измеренные как хлористый водород (HCl);

- оксид углерода (CO);

- аммиак (NH3).

Некоторые нормативные акты и кадастры выбросов в атмосферу в цементном

секторе также включают в список соответствующих загрязнителей следующие

вещества:

- оксид азота (I) (N2O);

- полихлордифенилы (PCB);

- неметаниновые летучие органические соединения(COVNM);

- метан (CH4);

- полициклические ароматические углеводороды(ПАУ);

- бензол;

- гексахлорбензол (HCB);

- циановодород (HCN);

- антрацен;

- нафталин.

Некоторые из перечисленных в этом перечне веществ, которые представляют

серьезную опасность для здоровья человека и окружающей среды, входят в состав

стойких органических загрязнителей (СОЗ), группы из 12 + 9 веществ, определенных в

Стокгольмской конвенции (2004 г.) - международном договоре, разработанном Советом

управляющих Программы Организация Объединенных Наций по окружающей среде

(PNUMA).

140

Стокгольмская конвенция по СОЗ обеспечивает основу, базирующуюся на

принципе осторожности, которая направлена на обеспечение безопасного удаления и

сокращения производства и использования (применения) этих веществ, вредных для

здоровья человека и окружающей среды.

3.2 Удельный расход сырьевых материалов на производство

1 т

портландцементного клинкера и портландцемента

Производство портландцемента является материалоемким процессом. В таблице

3.1 представлено среднее потребление сырьевых материалов для производства

цемента. Цифры в последней колонке таблицы являются примерными показателями

для завода мощностью 3000 т/сут или 1 млн т/год по клинкеру, что соответствует 1,23

млн т цемента в год при содержании минеральной добавки в цементе в количестве 14 %.

Таблица 3.1  Потребление сырьевых материалов при производстве цемента

на 1 т

на 1 млн т

Материал (в сухом состоянии)

клинкера

цемента

клинкера в год

Известняк, глина, сланец, мергель и др.

1,57 т

1,27 т

1 568 000 т

Гипс, ангидрит

0,05 т

61 000 т

Минеральные добавки

0,14 т

172 000 т

3.2.1 Утилизация отходов/материалов из отходов в качестве сырьевых

материалов и минеральных добавок при производстве портландцемента

Промышленные отходы/материалы из отходов различного происхождения могут

заменять значительное количество сырьевых материалов при обжиге

портландцементного клинкера (см. раздел 2.7.2).

Данных по общему объему промышленных отходов/материалов из отходов,

использованных в качестве сырьевых материалов на цементных заводах РФ, нет. В

странах ЕС с 2001 по 2004 год использование таких отходов/материалов из отходов

увеличилось более чем в два раза, позволив в 2004 году сэкономить почти 14 млн т

природного сырья, что составляет примерно 6,5 % от общего объема сырьевых

материалов, использованных для обжига портландцементного клинкера.

Также

постоянно

увеличивается

использование

промышленных

отходов/материалов из отходов в качестве минеральных добавок при помоле

портландцемента. Так, использование сланцевой золы в ЕС за период с 2000 до 2005

год удвоилось и достигло 100000 т/год [26].

Использование промышленных отходов/материалов из отходов в качестве

сырьевых материалов при производстве цемента, как правило, приводит к снижению

удельного расхода тепла на обжиг 1 т портландцементного клинкера и повышению

производительности вращающейся печи.

Постоянный контроль содержания вредных веществ в отходах/материалах из

отходов и использование правильного способа их введения в состав сырьевой смеси

или цемента не приводит к увеличению вредных выбросов в атмосферу при обжиге

141

портландцементного клинкера или помоле портландцемента и не отражается на

качестве производимого цемента.

3.3 Удельный расход топлива на обжиг 1 т портландцементного клинкера

Удельный расход топлива на обжиг 1 т портландцементного клинкера зависит,

главным образом, от способа производства портландцемента, типа и конструкции

вращающейся печи, химических и физических (влажность) свойств сырьевых

компонентов и сырьевой смеси, используемых для производства клинкера. Подробный

анализ существующих способов производства портландцемента представлен в разделе

2.1 настоящего документа.

Наиболее энергоемким является мокрый способ получения цемента. При

производстве цемента таким способом непроизводительные затраты топлива

составляют около 75 %. На выпуск 1 т цемента затрачивается более 5 т таких

материалов, как сырье, добавки, топливо, вода и воздух [68-69]. Поэтому для новых

заводов и модернизируемых действующих предприятий типичным становится сухой

способ производства цемента с многоступенчатым циклонным теплообменником и

декарбонизатором.

Практика показала, что удельный расход топлива при использовании печей сухого

способа с циклонными теплообменниками и декарбонизатором составляет 3000-3800

МДж/т клинкера как среднегодовое значение, а изменчивость показателя связана с пуском

и остановкой печей и со свойствами сырьевых материалов. Энергоэффективность

процесса обжига клинкера зависит, прежде всего, от конфигурации применяемого

оборудования (таблицы 3.2, 3.3), однако сегодня уже практически достигнут физический

предел снижения удельного расхода топлива на обжиг клинкера.

Таблица 3.2 - Потребление тепла на обжиг клинкера при различных технологиях

Удельный расход

Обжиговый агрегат/ способ производства

топлива, МДж/ кг

клинкера

Вертикальные шахтные печи

≈ 5,0

Горизонтальные вращающиеся печи

Мокрый способ производства

5,0-6,4

Сухой способ производства

Длинная сухая печь

4,6

Циклонный теплообменник (1 ступень)

4,2

Циклонный теплообменник (2 ступени)

3,8

Циклонный теплообменник (4 ступени)

3,3

Циклонный теплообменник (6 ступеней

3,2

Циклонный теплообменник (4 ступени + кальцинатор)

3,1

Циклонный теплообменник (5 ступеней + кальцинатор)

2,9-3,1

142

Таблица 3.3 - Удельные расходы тепла на обжиг клинкера для печей различного размера и

способов производства

Удельный расход

Тип печи, способ производства

тепла, МДж/т

топлива, кг у.т./т

клинкера

Печи сухого способа с циклонными

3000-4000

100-135

теплообменниками и декарбонизатором

Печи сухого способа с циклонными

3100-4200

105-145

теплообменниками

Комбинированный

(полусухой/полумокрый способ)

3300-5400

115-185

производства, печь Леполь

Длинные печи сухого способа

до 5000

до 170

производства

Длинные печи мокрого способа

5000-6400

170-220

производства

Печи для производства специальных

3100-6500 и выше

105-225

цементов

Наилучшие имеющиеся в мире значения удельных расходов энергии для

производства клинкера составляют 96 кг у.т./т (2814 МДж/т) [47]. Такой показатель уже

достигнут на лучших предприятиях Индии, и именно такой целевой ориентир ставит

Индия на 2030 год. Для производства цемента наилучшее имеющееся в мире значение

удельных расходов энергии - 56 кВт·ч/т. В этой части распределения движение вниз

происходит довольно медленно (таблица

3.4)

по мере приближения к

термодинамическому минимуму - 58-62 кг у.т./т [70-71].

Таблица 3.4 - Удельный расход топлива на производство клинкера по различным способам

производства по [72]

Удельный расход топлива,

Способ производства

кг у.т./т клинкера

1990

2000

2010

2019

Сухой с циклонными теплообменниками и

116

115

114

115

декарбонизатором

Сухой с циклонными теплообменниками без

126

122

123

120

декарбонизатора

Сухой без предварительного нагрева (длинная

153

146

137

133

сухая печь)

Полумокрый/ полусухой

129

130

131

142

Мокрый/ шахтная печь

205

208

204

183

Поэтому дальнейшее (незначительное) снижение удельного расхода топлива на

обжиг клинкера связано с:

- использованием оптимального сочетания внутрипечных теплообменных

устройств;

143

- использованием

оптимального

количества

ступеней

циклонных

теплообменников;

- обеспечением стабильного режима работы печи;

- использованием современных клинкерных холодильников;

- применением отходов/материалов из отходов в качестве сырьевых

материалов;

- применением альтернативных видов топлива с учетом их состава,

стабильности характеристик, точки сжигания в печи;

- оптимизацией состава обжигаемых сырьевых смесей;

- использованием отходящих из печи дымовых газов для сушки сырья и топлива.

Наиболее рациональными современными печами сухого и комбинированного

способов являются обжиговые агрегаты с выносным декарбонизатором. Наибольшее

распространение в последние годы получили декарбонизаторы (кальцинаторы) с

восходящим вертикальным газоходом и третичным воздухом высотой ~ 80 м. Для таких

систем характерны высокая единичная мощность до 12 тыс. т в сутки; малые габариты

печей, малое количество опор; высокая стойкость футеровки; пониженный расход

топлива; пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO2) и NOх; высокая

степень автоматизации и высокая производительность труда.

В настоящее время наибольшее распространение имеют колосниковые

холодильники, в которых охлаждение клинкера происходит в слое при тесном

взаимодействии проходящего через него воздуха.

Применение современных многоканальных форсунок с низким выделением NOx

для сжигания угля, кокса, мазута и природного газа и их смесей, а также альтернативного

топлива требуют не более 7 % первичного воздуха, обеспечивают снижение объема

отходящих газов и расхода топлива.

В общем случае удельный расход тепла на обжиг клинкера зависит от:

а) схемы и конструкции линии обжига клинкера:

1) количества ступеней циклонного теплообменника (от трех до шести);

2) наличия и конструкции декарбонизатора;

3) использования третичного воздуха;

4) использования печных газов в качестве сушильного агента

в сырьевой мельнице;

5) отношения длины печи к ее диаметру;

6) типа клинкерного холодильника;

б) производительности печи;

в) содержания влаги в сырьевых материалах и топливе;

г) свойств сырьевых материалов, их обжигаемости;

д) калорийности топлива;

е) модульных характеристик обжигаемого клинкера;

ж) однородности и точности дозирования топлива, подаваемого в печь;

з) оптимизации процесса обжига, включая охлаждение пламени (в случае

необходимости);

и) степени байпасирования газов.

Использование низкокалорийных видов альтернативного топлива приводит к

некоторому повышению удельного расхода тепла на обжиг клинкера. Избежать этого

можно путем специальной оптимизации работы печи и стабильным вводом АТ в печь.

144

Влажное топливо увеличивает удельный расход тепла на обжиг клинкера, кроме

случаев, когда сушка твердого топлива осуществляется вне печи с использованием

дымовых газов в качестве сушильного агента.

Нестабильный режим работы, частые остановки и пуски печи также могут

привести к увеличению удельного расхода тепла на обжиг клинкера.

3.3.1 Влияние альтернативного топлива на удельный расход тепла при

обжиге портландцементного клинкера

Виды альтернативного топлива, его классификация и свойства, а также

требования к качеству подробно рассмотрены в разделе 2.7.3 настоящего документа.

Данные об использовании АТ на цементных заводах стран ЕС в 2003-2004 годах

представлены в таблице 3.5 [26].

Таблица 3.5 - Использование АТ в цементных печах стран ЕС

Потребление, тыс. т

№

2003 г.

2004 г.

Вид альтернативного топлива

п/п

не

опасные

Дерево, бумага и картон

0,000

214,991

1,077

302,138

Текстиль

0,000

19,301

0,000

8,660

Полимеры

0,000

354,070

0,000

464,199

Промышленные отходы

4,992

570,068

1,554

734,296

Резина/шины

0,000

699,388

0,000

810,320

Промышленные осадки

52,080

161,660

49,597

197,720

Городские осадки сточных вод

0,000

174,801

0,000

264,489

Животные, пищевые отходы и

0,000

1313,094

0,000

1285,074

жиры

Отходы углеобогащения

1,890

137,213

7,489

137,013

Сельскохозяйственные отходы

0,000

73,861

0,000

69,058

Твердые отходы (пропитанные

164,931

271,453

149,916

305,558

древесные опилки)

Растворители и относящиеся к ним

425,410

131,090

517,125

145,465

отходы

Отходы нефтепереработки

325,265

181,743

313,489

196,383

Другие

0,551

199,705

0,000

212,380

Общее потребление:

975,119

4502,435

1040,247

5133,353

Данные об объемах использования

АТ на цементных заводах РФ довольно

противоречивы. Согласно [33], остатки сортировки твердых коммунальных отходов и

другие альтернативные виды топлива в

2021 году использовались в ООО

145

«Петербургцемент», на ОП ООО «Холсим (Рус) СМ» (п. Ферзиково), в филиалах ООО

«ХайдельбергЦемент Рус» в п. Новогуровский и Стерлитамаке, ОАО «Цесла», в ПАО

«Мордовцемент» и др. Другие предприятия не сообщают об использовании

альтернативного топлива.

На ОП ООО «Холсим (Рус) СМ» (п. Ферзиково) предварительно отсортированные

ТКО измельчаются, затем из измельченных отсортированных ТКО и RDF-топлива

удаляются металлические включения и фракция более

80 мм. Линия подачи

сортированного мусора на этом предприятии в начале августа 2019 года достигла

проектной мощности - 15 т/ч. Готовое альтернативного топливо транспортируется в

декарбонизатор, где в результате сжигания выделяется тепловая энергия,

используемая в основном технологическом процессе - производстве клинкера.

В 2020 году завод переработал 54 тыс. т отходов, что позволило достичь

замещения природного топлива альтернативным на 14,3 %. Существующая линия

альтернативного топлива сможет перерабатывать в два раза больше

отходов/материалов из отходов после модернизации, которая приведет к увеличению

ее мощности. За 2021 год процент замещения природного газа составил 15,8 %.

За год работы цеха альтернативного топлива на цементном заводе в Ферзиково

отсортировывается и перерабатывается более 50 000 т муниципальных отходов (а это

означает, что 12 500 мусоровозов не повезли 125 000 несортированных отходов на

полигон).

В ООО «Холсим (Рус) СМ» (г. Коломна) в качестве альтернативного топлива

используются изношенные отработанные шины и сухой осадок сточных вод. Разработан

проект модернизации предприятия, в рамках которого будет возведена технологическая

линия подачи RDF-топлива. После модернизации на цементном заводе планируется

утилизировать 250 тыс. т RDF до 2024 года.

На филиале ООО «ХайдельбергцементРус» в п. Новогуровский уже несколько лет

в печь подаются отходы древесины (древесная щепа) и осадок сточных вод, в стадии

разработки находятся проекты по утилизации шин и твердых бытовых отходов.

Предприятие сухого способа производства мощностью 1,6 млн т клинкера в год может

«переработать» 100 000 тонн твердых отходов, 75 000 т древесных отходов, 50 000 т

осадка сточных вод и 25 000 т шин (рисунок 3.2).

В сентябре

2019 года было объявлено, что рязанские областные власти

собираются включить Серебрянский цементный завод в региональную схему

операторов по обращению с отходами. Цементный завод готов принимать и

утилизировать

брикетированные

отходы

площадки

будущего

мусороперерабатывающего комплекса. Мусороперерабатывающий комплекс проектной

мощностью около 200 тыс. т отходов ежегодно должен быть построен на окраине

Рязани. Комплекс собирается принимать на переработку отходы с семи сортировочных

станций.

146

Рисунок 3.2 - Наиболее перспективные виды альтернативного топлива

в России сегодня

Проект группы компаний AKKERMANN CEMENT по внедрению экологической

технологии альтернативного топлива на предприятии «Горнозаводскцемент» получил

статус приоритетного инвестиционного проекта. Завод сократит использование

природного газа при производстве цемента, частично заместив его топливом из

древесных отходов, которые образуются в результате лесозаготовки и

лесопереработки. Проект снизит количество отходов и вредных выбросов в

Горнозаводском округе.

В Петербурге в

2022 году начинают строительство крупных заводов по

переработке ТКО. На начальном этапе доля выделяемых в процессе сортировки

вторичных материальных ресурсов (ВМР) прогнозируется на уровне 15 % от общего

объема ТКО (то есть порядка 30 тыс. т в год). После запуска комплекса также

планируется производство тестовых партий RDF-топлива, которые в соответствии с

достигнутыми договоренностями будут переданы для тестирования производителям

цемента. По результатам анализа цементные заводы смогут оценить объемы

потребления и дать прогноз по срокам модернизации оборудования.

Более 30 регионов Российской Федерации планируют перерабатывать ТКО за

счет «зеленых облигаций». Российский экологический оператор (РЭО), госкомпания-

регулятор на рынке обращения с отходами, предложил компенсировать цементным

заводам расходы на переход к использованию топлива из переработанных отходов за

счет средств из фонда расширенной ответственности производителей (РОП).

Цементные заводы, которые решат провести модернизацию, смогут рассчитывать

на компенсацию капитальных затрат на создание инфраструктуры, необходимой для

приема и утилизации отходов (например, приемочные механизмы, новое оборудование

для печей). Объем господдержки пока не определен и будет зависеть от логистики,

оборудования на конкретном предприятии и т. д. Также им планируется компенсировать

операционные расходы, в том числе на перевозку топлива.

Существенным шагом более масштабного использования альтернативного

топлива при производстве цемента в России стало участие 33 цементных предприятий

в реализации пилотных проектов применения альтернативного топлива в своих

производственных процессах в рамках отраслевой программы Минпромторга России

147

«Применение альтернативного топлива из отходов в промышленном производстве на

2022-2030 годы».

На

основе

данных,

предоставленных

предприятиями

цементной

промышленности, потенциальный объем потребления альтернативного топлива на

территории РФ может составить 3 млн т в год. Для этого предстоит модернизировать

системы подачи топлива, разработать и согласовать необходимую документацию.

Реализация пилотных проектов на 33 предприятиях уже к 2025 году сможет обеспечить

применение альтернативного топлива в объеме до 1,8 млн т в год.

Использование в качестве вторичных энергетических ресурсов ТКО после

извлечения из них полезных компонентов на объектах обработки соответствует целям

федерального проекта «Комплексная система обращения с твердыми коммунальными

отходами» и достижению показателя направления на утилизацию 25,2 млн т ТКО к 2024

году, а также задаче по снижению полигонного захоронения. Кроме того, альтернативное

топливо - возобновляемый источник энергии, который обладает относительно низкой

себестоимостью и широкой сырьевой базой для его производства.

В производство альтернативного топлива из отходов планируется вовлечь как

остатки сортировки твердых коммунальных отходов, так и горючие компоненты отходов

промышленных предприятий.

В июне 2022 года Госдума приняла закон «О внесении изменений в ФЗ «Об

отходах производства и потребления» и федеральный закон «Об охране окружающей

среды» в части регулирования обращения со вторичными ресурсами. Закон вводит

новые понятия: «вторичные ресурсы» и «вторичное сырье», «побочный продукт», а

также положения, реализация которых обеспечит развитие системы обращения с

вторичными ресурсами - с 2030 года их захоронение запрещается.

В августе 2022 года Минпромторг РФ подготовил перечни видов продукции и

услуг, производство и выполнение которых осуществляется с использованием

определенной доли вторичного сырья и подлежит стимулированию со стороны

государства. Как следует из проекта постановления правительства, размещенного на

сайте regulation.gov.ru, стимулирование использования вторсырья предполагается при

производстве стали, чугуна и ферросплавов, бетона, цемента и строительных смесей;

стекла; бумаги и картона; полиэтилентерефталата (ПЭТФ), дорожных битумов и шин.

Как отмечалось выше, использование топливосодержащих отходов/материалов

из отходов приводит к некоторому повышению удельного расхода тепла на обжиг

клинкера. Однако при этом удельный расход условного топлива на обжиг 1 т клинкера

снижается

вследствие

замещения

основного

технологического

топлива

альтернативными видами топлива.

Постоянный контроль за содержанием вредных веществ в топливосодержащих

отходах/материалах из отходов и выбор рациональных путей и методов их сжигания не

приводят к увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу. При сжигании

альтернативного топлива дополнительно к перечисленным ниже в разделе

3.8

маркерным веществам рекомендуется осуществлять периодический контроль

содержания в отходящих из печей дымовых газах летучих органических веществ (ЛОС),

металлов (As, Sb, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V), бензола, толуола, этилбензола, ксилола,

полиароматических

углеводородов

других

органических

соединений,

полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов (ПХДД/ПХДФ). Перечень

148

дополнительно контролируемых маркерных веществ и периодичность их контроля

зависят от видов используемого АТ и содержания в них данных загрязняющих веществ.

Использование альтернативных видов топлива при соблюдении технологического

процесса не отражается на качестве выпускаемого цемента.

3.4 Удельный расход энергии на производство 1 т портландцемента

Так как основные технологические стадии производства цемента связаны с

тонким измельчением сырьевых материалов и цемента, то главными потребителями

электроэнергии при производстве цемента являются помольные агрегаты - сырьевые и

цементные мельницы, а также вентиляторы и дымососы, потребляющие в сумме до

80 % всей энергии на 1 т производимого цемента.

Удельный расход электроэнергии на производство цемента составляет 90-150

КВтч/т цемента. Удельный расход электроэнергии при мокром способе производства

цемента несколько выше, чем при сухом или комбинированном способах производства.

Удельные расходы электроэнергии на производство цемента постоянно

снижаются. В среднем по выборке предприятий, по которым проводит анализ GCCA, они

снизились с 119 до 102 кВт∙ч/т в 1990-2010 гг. В ЕС-28 этот показатель несколько вырос,

а в Индии динамично снижался до 73 кВт∙ч/т, что существенно ниже значений в других

регионах мира. В Китае он также ниже 80 кВт∙ч/т [72].

Расход электроэнергии на тонкое измельчение сырьевых материалов и цемента

определяется природой и особенностями структуры измельчаемого материала.

Наибольший расход наблюдается при измельчении хорошо спеченного

портландцементного клинкера, гранулированного доменного шлака, твердых

известняков, песка, кварцитов, наименьший - при измельчении мелов и глин, особенно

монтмориллонитовых. При мокром способе производства монтмориллонитовые глины

измельчаются в результате самопроизвольной диспергации (размучивания) в воде в так

называемых глиноболтушках.

Общий расход электроэнергии на измельчение материалов зависит от

конструкции мельницы. В некоторых случаях минимизация энергопотребления может

быть достигнута заменой старых сырьевых мельниц на новые (таблица 3.6).

Таблица 3.6 - Сравнение технологий помола на основе ключевых характеристик

Способность

Потребление

Требуемый

Производительность по

Процесс помола

измельчать до

энергии

уход

сухому материалу

высокой тонины

Шаровая

100 %

малый

средняя

хорошая

мельница

Роликовая

от малого до

50-65 %

низкая

средняя

мельница

большого

Вертикальная

роликовая

70-75 %

средний

высокая

средняя

мельница

149

Замена традиционно используемых шаровых мельниц на роликовые мельницы

позволяет снизить удельный расход энергии на измельчение материалов на 25-50 %

при одинаковой степени измельчения. Однако возможность такой замены должна в

обязательном

порядке

сопровождаться

специальными

технологическими

исследованиями и проводиться с учетом экономических факторов.

Следует отметить, что не всегда возможна замена одной мельницы на другую.

Более того, возможность такой замены определяется применением соответствующей

технологии измельчения с учетом экономических аспектов.

Технологический прогресс в разработке помольных агрегатов привел к тому, что

сегодня уже достигнут физический предел удельного расхода электроэнергии для

производства цемента.

В связи с вышеизложенным, дальнейшие пути снижения энергозатрат при помоле

материалов могут быть связаны с:

- использованием замкнутого цикла помола материалов и применением

сепараторов третьего-четвертого поколений;

- использованием более экономичных, энергоэффективных помольных

агрегатов (вертикальные валковые мельницы, пресс-валки, мельницы HOROMIL и их

комбинации);

- модернизацией и оптимизацией внутримельничных устройств - мелющих тел,

бронеплит, межкамерных перегородок;

- оптимизацией параметров процесса измельчения,

- применением рациональных схем измельчения с использованием валковых

предизмельчителей;

- ориентацией на гранулометрический состав продукта;

- раздельным помолом компонентов цемента;

- использованием интенсификаторов процесса помола материалов;

- использованием в качестве минеральных добавок при помоле цемента легко

измельчаемых материалов.

В разделе

2.10.2 настоящего документа показаны основные направления

экономии электроэнергии при тонком измельчении цемента.

Снижение удельного расхода электроэнергии на производство

1 т

портландцемента может быть достигнуто при использовании на предприятии системы

энергетического менеджмента.

3.5 Интеллектуальные системы управления и оптимизации процессов

Развитие информационных систем, цифровизация производства позволяют

обеспечить сбор, фильтрацию, хранение и обработку данных. Расширение

возможностей цифровых технологий ведет к созданию интеллектуальных

информационных систем. Интеллектуализация процессов значительно улучшает

операционную эффективность актива и снижает появление негативных осложнений в

ходе реализации принятых управленческих решений. Интеграция цифровых систем, их

последующая интеллектуализация дают возможность проводить глобальную

оптимизацию всего актива в целом [73-74].

В настоящее время автоматические системы управления все активнее

150

замещаются интеллектуальными системами управления. Они характеризуются

самообучением, интеллектуальными обратными связями, применением множества

алгоритмов управления из библиотеки и другими возможностями.

Модели на основе больших данных и искусственный интеллект относятся к

технологиям нового поколения, которые предположительно дадут отрасли множество

серьезных преимуществ. Такие инструменты позволят более эффективно реагировать

на изменения в процессах, обусловленных, например, активным переходом с

традиционного топлива на альтернативное. Интеллектуальные системы контроля и

виртуальные ассистенты будут обеспечивать эффективную эксплуатацию, сокращать

энергопотребление, повышать качество, предсказывать и избегать критических

ситуаций, которые могут повлечь за собой нарушение ограничений по объемам вредных

выбросов. Таким образом, эти инструменты могут поддерживать работу не только

цементной, но также бетонной промышленности, использующей цемент, обеспечивая

высокие технологические качества бетона и его долговечность.

Однако именно в отношении инновационных технологий на основе моделей

(больших) данных для их применения все еще требуется больше практического опыта.

Решения должны быть выверены, проверены в режиме стресс-тестирования и быть

достаточно надежными, чтобы работать надежно в изменяющихся условиях процесса

производства. Такие решения должны быть полностью понятны операторам и

безопасны с точки зрения эксплуатации, уровня вредных выбросов, обеспечения

качества, технического обслуживания и безопасности в киберпространстве. Операторы

и технологи должны быть полностью готовы к работе с такими решениями, чтобы их

внедрение приносило организации максимальную выгоду в долгосрочной перспективе.

В настоящее время многие зарубежные компании готовы предоставить для

производителей цемента решения, которые помогают эффективно управлять

потреблением энергии, затратами на энергию и выбросами CO2, все в

производственном контексте, что помогает оптимизировать эффективность и

прибыльность.

Это

многопользовательские

информационные

системы,

представляющие всеобъемлющую панель инструментов и функции отчетности, которые

объединяют данные об энергии (электричество и тепло), производстве (сырьевая мука,

клинкер, цемент) и экологические данные (углеродный след и выбросы) в значимые

ключевые показатели эффективности цемента (KPI), чтобы помочь повысить

производительность на каждом этапе.

Условно эти решения могут быть подразделены на 3 группы [75].

1. Управление и контроль производственных процессов. Системы управления и

контроля за производственными процессами предоставляют данные об

энергопотреблении и технологических процессах, создавая возможность непрерывного

контроля в реальном времени. Это интеграция с системами управления производством,

управления активами и энергопотреблением для оптимизации процессов и снижения

энергозатрат.

2. Управление энергопотреблением и информационная система. Инструменты

мониторинга и управления для анализа данных энергопотребления в производственной

среде и оптимизации энергоэффективности. Отраслевые решения для мониторинга и

контроля энергопотребления обеспечат прозрачную картину использования

электроэнергии в производственных процессах для определения потенциальных

возможностей экономии средств и выработки лучших методик для других объектов.

151

3. Энергоэффективность и устойчивое развитие. Производство цемента является

энергоемкой отраслью, для которой требуется точное определение и измерение

потребности использования в целях применения стратегий оптимизации и поиска

возможностей для экономии. Консультативный подход определяет наиболее

экономичные возможности для уменьшения расхода энергии, экономии средств, а также

реализации целей энергопотребления и устойчивого развития.

Безусловно, для создания таких моделей-технологий требуется большая,

полноценная база данных, гарантирующая надежность и качество результатов

применения модели. Сохранение архивных данных упрощает разработку новых

моделей - это касается как классических моделей на основе физико-химической

симуляции на этапе параметризации, так и моделей на основе данных на этапе

обучения. В целом сбор данных в течение продолжительного периода и поддержание

базы данных не требуют особых усилий и финансовых затрат.

Для использования (больших) данных в интеллектуальных технологиях требуется

инфраструктура, обеспечивающая эффективную интеграцию данных из различных

источников, таких как данные датчиков и операционные данные из центра управления,

аналитические данные из лабораторий и метеорологические данные.

Инфраструктура должна поддерживать хранение большого объема данных и

предоставлять достаточную пропускную способность канала для передачи данных,

переноса их в формат базы данных и обработки. Кроме того, полезны также

унифицированные коды доступа и интеграция отраслевых знаний в базу с

использованием семантического моделирования.

Модели на основе данных позволяют расширить набор инструментов для

компьютерной поддержки процессов, однако не заменяют традиционные подходы к

моделированию. Поэтому гибридное моделирование (сочетание модели на основе

«больших» данных + классическая модель) представляет собой весьма перспективную

область для дальнейшего изучения. Учитывая высокий уровень сложности процессов и

недостаток подробной физико-химической информации, в классических моделях ищется

компромиссное решение, при котором используются приближение и упрощение, что

вызывает расхождения между расчетными и смоделированными результатами.

Комбинирование классических моделей с моделями на основе данных позволяет

выполнить калибровку и параметризацию моделей, что в свою очередь существенно

улучшает результаты. В то же время это гарантирует, что модели не будут создавать

результаты, не соответствующие заданным принципам работы процесса [74].

Искусственный интеллект не заменит технологическую разработку процесса,

поскольку глубокие знания в соответствующей области по-прежнему остаются

обязательным требованием. Экспертные отраслевые знания нужны на всех этапах, от

сбора данных до проверки и стресс-тестирования в условиях эксплуатации. Кроме того,

искусственный интеллект нельзя обучить таким образом, чтобы он эффективно

самостоятельно действовал в ситуациях, которые раньше не происходили, или в

чрезвычайных ситуациях, которые весьма редки. Однако современные

интеллектуальные решения обеспечивают высокую точность и надежность

прогнозирования и таким образом поддерживают работу процессов и устраняют

необходимость выполнения рутинных задач операторами и технологами.

Сегодня в России на всех цементных заводах установлены автоматические

системы управления. На ряде передовых предприятий автоматические системы

152

управления все активнее замещаются интеллектуальными системами управления.

Модели на основе больших данных и искусственный интеллект относятся к технологиям

нового поколения, которые дадут отрасли множество серьезных преимуществ, к

которым надо стремиться.

Примером успешного применения искусственного интеллекта стал новый сервис

- современная технология поможет быстро подбирать вяжущие для укрепления грунтов,

разработанный экспертами испытательного центра Группы компаний «Холсим Россия».

Раньше рецепт дозировки смеси подсказывали специалисты грунтовой лаборатории,

которые сначала исследовали привезенный с рабочей площадки грунт, после чего

производили грунтоцементные образцы и определяли их предел прочности на

одноосное сжатие. На эти манипуляции уходило от двух недель до месяца. Теперь же

им на помощь пришел искусственный интеллект.

Сервис на основе искусственного интеллекта будет полезен в строительстве

складов, парковок, торговых центров для возведения оснований под фундамент. Также

технология укрепления грунта применяется в дорожном строительстве при

производстве верхнего и нижнего слоев основания методом холодной регенерации

старого асфальтового покрытия. Новая технология послужит и для инфраструктурного

строительства в процессе укрепления откосов.

По мнению представителя Sinoma International, улучшенный контроль качества,

возможный с системой искусственного интеллекта, делает более реальной возможность

производства цемента специализированного назначения (спеццементов), что может

стать источником роста прибыли компаний в будущем.

Таким образом, интеллектуальные решения для контроля и оптимизации

процессов представляют собой мощные инновационные технологии, расширяющие

возможности существующих решений, объединенных под понятием компьютерных

средств поддержки процессов. Чтобы систематически обеспечивать надежную

бесперебойную работу, максимальную эффективность, соответствие высочайшим

стандартам качества и перспективы устойчивого развития в цементной

промышленности, требуются не только наилучшие доступные технологии. Чтобы с

выгодой использовать все доступные преимущества применения таких технологий,

компьютеризированные решения должны быть реализованы не только в области

эксплуатации и оптимизации, но на всех этапах жизненного цикла оборудования,

начиная с этапа проектирования. Применение таких технологий требует глубокого

знания как соответствующих методик, так и процессов, к которым они применяются. С

учетом проблематики и доступных данных можно подобрать и применить максимально

перспективный подход. Независимо от выбранной модели важно оценить и

протестировать результаты ее применения до практической реализации изменений в

процессе.

153

3.6 Выбросы вредных веществ при производстве цемента

3.6.1 Выбросы пыли

Выбросы пыли чаще всего ассоциируются с производством цемента, поскольку

технология его производства включает в качестве обязательного процесса тонкое

измельчение материалов. Выбросы пыли возникают везде, где потоки газов или воздуха

контактируют с тонкоизмельченным неорганическим материалом: в процессе

дробления, транспортировки, складирования сырьевых материалов, при помоле и

обжиге сырьевой смеси, охлаждении и складировании портландцементного клинкера,

помоле, транспортировке и отгрузке цемента, при хранении и подготовке твердого

традиционного и(или) альтернативного топлива.

Пыль - это мелкие (менее 0,1 мм) частицы минерального или органического

происхождения, взвешенные в воздухе или газе. Выбрасываемая пыль характеризуется

разной дисперсностью. Согласно

[26], при использовании электрофильтра в

выбрасываемой пыли содержится до 90 % фракции менее 10 мкм (РМ10) и около 50 %

фракции менее 2,5 мкм (РМ 2,5).

Выбросы тонкодисперсной пыли, состоящей из частиц размером менее 10 и 2,5

мкм, появляются в виде твердых веществ или аэрозолей. Такой тип пыли является

результатом серии физико-химических реакций, например, взаимодействия оксидов

азота, серы и аммиака, реагирующих с образованием сульфатов и нитратов аммония.

Эти частицы оказывают серьезное влияние на здоровье человека. В цементной

промышленности частицы размером 10 и 2,5 мкм могут появляться в процессе обжига и

охлаждения, однако и вспомогательные процессы могут также привести к образованию

тонкодисперсной пыли. Кроме того, тонкодисперсная пыль очень медленно оседает из

атмосферы. Нахождение в верхних слоях атмосферы тонкодисперсной пыли в большой

концентрации снижает уровень инсоляции земной поверхности, что может привести к

заметному понижению средней годовой температуры.

Основная часть тонкой пыли может быть снижена путем снижения общего

количества пыли. Заводы, оборудованные высокоэффективными обеспыливающими

системами,

содействуют

образованию

относительно

малого

количества

тонкодисперсной пыли.

Источники выбросов пыли промышленных предприятий бывают стационарными,

когда координата источника выброса не изменяется во времени, и передвижными

(нестационарными), например, автотранспорт. Источники выбросов пыли

подразделяются также на организованные и неорганизованные. Из организованного

источника пыль поступает в атмосферу через специально сооруженные газоходы,

воздуховоды и трубы. Неорганизованный источник образуется в результате нарушения

герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы

оборудования по удалению пыли в местах загрузки, выгрузки или хранения материалов.

К неорганизованным источникам относят дороги, автостоянки, склады сыпучих

материалов и другие площадные источники [56].

Химический состав пыли может изменяться в широких пределах. Для цементных

заводов обычно рассматривают выбросы пыли с содержанием SiO2 до 20 масс. % и с

содержанием SiO2 от 20 до 70 масс. %. Пыль с более высоким содержанием SiO2

считается более вредной для организма человека. Длительное вдыхание пыли с

154

высоким содержанием SiO2 может привести к силикозу или силикатозу

распространенному и тяжело протекающему заболеванию с диффузным разрастанием

в легких соединительной ткани и образованием характерных узелков [75].

По той же причине обычно рассматривают выбросы пыли с размером частиц

более 10 мкм и тонкодисперсной пыли с размером частиц до 10 (до 2,5) мкм.

Тонкодисперсная пыль значительно быстрее проникает в легочные альвеолы человека,

вызывая, как было показано выше, не только силикоз или силикатоз, но и обостряет

течение других легочных заболеваний, например, туберкулеза. Кроме того,

тонкодисперсная пыль очень медленно оседает из атмосферы. Нахождение в верхних

слоях атмосферы тонкодисперсной пыли в большой концентрации снижает уровень

инсоляции земной поверхности, что может привести к заметному понижению средней

годовой температуры.

Количество частиц фракции до 10 (до 2,5) мкм в пылевых выбросах цементных

заводов после обеспыливания газов в современных рукавных и электрофильтрах может

достигать 87-99 % от массы частиц, уносимых с безвозвратным пылеуносом [26].

Помимо экологических, снижение безвозвратных выбросов пыли имеет важные

технологические аспекты: как правило, пыль представляет собой достаточно

энергоемкий продукт, поэтому ее возврат в технологический процесс снижает общую

энергоемкость процесса производства и улучшает качество конечного продукта.

Основным источником организованных выбросов пыли на цементных заводах

являются вращающиеся печи, клинкерные холодильники, мельницы сухого помола

(цементные, угольные), цементные силосы, установки для тарирования и отгрузки

цемента. Неорганизованные выбросы пыли возникают при дроблении, транспортировке,

складировании сухих материалов, при их подаче в бункера мельниц, движении

автотранспорта по дорогам.

Информация по выбросам пыли на цементных заводах РФ достаточно

противоречива. По данным, представленным предприятиями в анкетах, из 19 печных

линий сухого способа производства на 10 выбросы взвешенных веществ (пыли) не

превышают 50 мг/м³, на 6 составляют 240-330 мг/м³, а на одном предприятии -

превышают 800 мг/м³, что намного превышает технологические показатели выбросов

взвешенных веществ (пыли) по ИТС 6-2015 (рисунок 3.3 а).

Для заводов мокрого способа производства картина несколько иная (рисунок

3.3 б) - выбросы взвешенных веществ (пыли) только у трех технологических линий

превышают 500 мг/м³. Причем на 12 технологических линиях отмечены выбросы менее

50 мг/м³. Однако очень настораживают выбросы по технологической линии, отмеченной

на графике под № 31, которые составили более 2800 мг/м³.

Газоочистное оборудование для очистки отходящих печных газов от взвешенных

веществ (пыли) работает одинаково эффективно как на заводах по мокрому, так и на

заводах по сухому способу производства. И это достаточно наглядно показывают

данные, представленные на рисунке 3.3.

В общем случае, максимальные выбросы пыли из цементных печей наблюдаются

на старых цементных заводах мокрого способа производства, оснащенных

электрофильтрами вертикального типа и работающих длительное время без

модернизации и необходимого технического обслуживания. При своевременном

проведении необходимых организационно-технических мероприятий средний уровень

выбросов пыли из цементных печей на данных заводах не превышает 150-250 мг/м³.

155

Для современных цементных заводов сухого способа производства при правильно

подобранной системе обеспыливания и своевременном проведении ее технического

обслуживания выбросы пыли из цементных печей обычно не превышаю 50 мг/м³.

Выбросы взвешенных веществ (пыли) из цементных мельниц сильно разнятся для

предприятий сухого и мокрого способов производства (рисунок 3.4). Из 31 цементной

мельницы сухого способа производства на 24-х выбросы взвешенных веществ (пыли) не

превышают 50 мг/м³ и лишь на семи составляют 78-105 мг/м³.

900,00

800,00

700,00

600,00

500,00

400,00

300,00

200,00

100,00

0,00

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

а)

2500,00

2000,00

1500,00

1000,00

500,00

0,00

11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33

б)

Рисунок 3.3 - Выбросы взвешенных веществ (пыли неорганической

с содержанием SiO2 до 20, от 20 до 70 и более 70 масс. %), в мг/м³, из печи

по предприятиям сухого (а) и мокрого (б) способов производства

Вместе с тем на предприятиях мокрого способа производства только на

27 цементных мельницах из 67 выбросы взвешенных веществ (пыли) не превышают 50

мг/м³. На отдельных цементных мельницах выбросы составляют 600-900 мг/м³, что

позволяет сделать вывод о неэффективной работе газоочистного оборудования на этих

предприятиях.

156

Для снижения выбросов пыли на цементных заводах используются различные

устройства: пылеосадительные камеры, циклоны (одиночные или групповые),

скрубберы (мокрые циклоны), рукавные фильтры и электрофильтры.

120,00

100,00

80,00

60,00

40,00

20,00

0,00

а)

1000,00

900,00

800,00

700,00

600,00

500,00

400,00

300,00

200,00

100,00

0,00

7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67

б)

Рисунок 3.4 - Выбросы взвешенных веществ (пыли неорганической с содержанием SiO2

до 20, от 20 до 70 и более 70 масс. %), в мг/м³, из цементных мельниц по предприятиям

сухого (а) и мокрого (б) способов производства

Пылеосадительные устройства различаются по эффективности своего действия.

Минимальной эффективностью (способностью улавливать пыль) обладают

пылеосадительные камеры и одиночные циклоны, максимальной - рукавные фильтры и

электрофильтры. Пылеосадительные камеры и циклоны используются для первичной

157

очистки запыленных газов или воздуха. Эффективность их действия увеличивается с

ростом концентрации пыли. Рукавные фильтры и электрофильтры используются, как

правило, для окончательной (финишной) очистки газов. Эффективность их действия

обычно возрастает с уменьшением концентрации пыли в обеспыливаемых газах.

Важнейшим фактором, оказывающим влияние на эффективность

функционирования рукавных фильтров, является удельная нагрузка на фильтрующий

материал С, м³/м²час. Величина удельной нагрузки зависит от свойств пыли и

фильтрующего материала и обычно составляет 50-200 м³/м²час. Чем меньше величина

С, тем выше эффективность функционирования рукавного фильтра.

Эффективность работы электрофильтра зависит от степени ионизации

обеспыливаемого газа и скорости газового потока в сечении электрофильтра, которая

не должна превышать 0,5-1,5 м/с. Чем выше степень ионизации и ниже скорость

газового потока, тем больше пыли улавливается в фильтре.

В таблице

3.7 приведены средние значения эффективности различных

пылеулавливающих устройств.

Правильный подбор оборудования для обеспыливания газов и обеспечение

оптимальных режимов его работы позволяют снизить выбросы пыли при производстве

цемента до приемлемых уровней.

Таблица

3.7

- Эффективность обеспыливания технологических газов в устройствах

различного типа

Эффективность обеспыливания (%)

Устройство

По общему количеству

Частицы менее

Частицы менее 2,5

пыли

10 мкм

мкм

Циклон

70-75

52-55

30-33

Электрофильтр

95-99

94-98

93-99

Рукавный фильтр

97-99

98-99

95-99

Скруббер

90-99

92-98

85-96

3.6.2 Выбросы оксидов азота NOx

Оксиды азота представляют собой одно из ключевых загрязняющих веществ,

выбрасываемых в атмосферу при производстве цемента. Они состоят из смеси

монооксида NO ( 95 %) и диоксида азота N2O ( 5 %).

Монооксид азота NO - это бесцветный, без запаха, плохо растворимый в воде газ.

При концентрации до 50 ppm он не проявляет токсических или раздражающих свойств.

Диоксид азота NO2 - это газ, который заметен даже при небольшой концентрации: он

имеет коричневато-красноватый цвет и особый острый запах. При концентрации более

10 ppm является сильным коррозийным агентом и сильно раздражает носовую полость

и глаза. При концентрации более 150 ppm вызывает бронхит, а свыше 500 ppm. - отек

легких, даже если воздействие длилось всего несколько минут. Монооксид азота NO,

который присутствует в городском воздухе, может самопроизвольно переходить в

диоксид азота NO2 при фотохимическом окислении с формированием такого явления,

как смог.

158

Существуют три пути образования оксидов азота при обжиге портландцементного

клинкера:

- тепловые оксиды азота (тепловые NOx);

- быстрые оксиды азота (быстрые NOx);

- топливные оксиды азота (топливные NOx).

Тепловые NOx образуются при высокой температуре (Т > 1200 ^оС) в основном в

зоне обжига и высокой концентрации кислорода при окислении атмосферного азота

кислородом в процессе горения (механизм Зельдовича). Количество образующихся

тепловых NOx увеличивается с повышением температуры факела и коэффициента

избытка воздуха в печи. Поэтому трудно обжигаемая смесь, которая требует создания

более горячей зоны, будет способствовать большему образованию NOx, чем легко

обжигаемая смесь. Скорость реакции также увеличивается с повышением содержания

кислорода (коэффициент избытка воздуха). Работа печи с повышенным содержанием

кислорода на холодном конце приводит к повышению количества NOx в зоне горения

(хотя выделение SO2 и СО может снизиться), как показано на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Образование NOx при высокой температуре (зона горения

с температурой > 1200 °C) с атмосферным N2, O и OH по [76]

Тепловые NOx образуются преимущественно при сжигании газообразного топлива

(природный газ и сжиженный нефтяной газ) и топлива, в котором не содержатся

вещества, имеющие в своем составе азот.

Быстрые NOx образуются в факеле горящего топлива путем сложных реакций

взаимодействия радикалов СН с азотом N2 с образованием HCN, который затем быстро

распадается на NOx, CO2 и H2O (механизм Фенимора). Количество быстрых NOx зависит

от формы и температурного профиля факела и увеличивается при сжигании

обогащенных смесей и при низкотемпературном горении, достигая 25 % от общего

количества образующихся оксидов азота.

159

Топливные NOx образуются из азотосодержащих соединений, входящих в состав

твердых и жидких топлив, особенно угля. Даже относительно чистый уголь содержит

около одного процента по массе химически связанного азота. Механизм образования

NOx заключается в превращении азотосодержащих соединений топлива в аммиак NH3 и

HCN с последующим доокислением до NOx. Топливные NOx образуются при

низкотемпературном горении, когда образование NOx по остальным механизмам

относительно невелико.

Выбросы NOx особенно велики для длинных вращающихся печей мокрого способа

производства при обжиге труднообжигаемых сырьевых смесей с использованием

газообразного топлива. С увеличением влажности топлива выбросы NOx снижаются.

В печах сухого способа, оснащенных циклонными теплообменниками и

декарбонизаторами, часть топлива (до

60 %) сжигается в декарбонизаторе при

температурах до 1000 ^оС, что приводит к снижению суммарных выбросов NOx за счет

снижения образования тепловых NOx. Подобным образом действуют и другие способы

частичного сжигания топлива в холодном конце печи: в газоходе перед первой ступенью

циклонного теплообменника или в камере колосникового теплообменника.

При снижении температуры факела и коэффициента избытка воздуха в печи,

снижении содержания азота в топливе или сжигаемых топливных отходах, снижении

реакционной способности и увеличении длительности реакции горения топлива

выбросы NOx обычно снижаются. Большое влияние на образование NOx оказывает

конструкция форсунки печи.

По данным [26], среднегодовое выделение NOx из цементных печей стран ЕС в

2004 году составило примерно 785 мг/нм³ (в пересчете на NO2) с минимумом в 145 мг/нм³

и максимумом 2040 мг/нм³. В большинстве стран ЕС концентрация NOx в отходящих

газах цементных печей ограничена законодательно. Для печей сухого способа с

циклонными теплообменниками она составляет 200-450 мг/нм³, для длинных печей

мокрого способа производства - 400-800 мг/нм³. Нижние пороговые значения выбросов

характерны при использовании специальных технологий.

На цементных заводах РФ в отходящих печных газах производят отдельные

замеры оксида азота NO и диоксида азота NO2 (рисунки 3.6 и 3.7), и полученные

значения не пересчитывают на NO2.

160

800,00

700,00

600,00

500,00

400,00

300,00

200,00

100,00

0,00

10 11 12 13 14 15 16 17

а)

1200,00

1000,00

800,00

600,00

400,00

200,00

0,00

10 11 12 13 14 15 16 17 18

б)

Рисунок 3.6 - Содержание диоксида азота NO2 (а) и оксида азота NO (б) в отходящих

печных газах технологических линий сухого способа производства

В дымовой трубе концентрация NO выше NO2. Содержание NO составляет ~95 %

от общего содержания оксидов азота, а NO2 - ~5 % (теоретически). На воздухе

происходит окисление оксида азота (трансформация) NO + ½ O2 → NO2, и тогда уже на

границе ССЗ концентрация NO2 намного будет превышать концентрацию NO.

Если посмотреть на значения выбросов оксидов и диоксидов азота,

представленных на рисунках 3.6 и 3.7, то видно, что на одних технологических линиях

(например, 4, 6 сухого способа производства, и 7, 8, 9, 17, 18, 19, 21 и 22 мокрого способа

производства) производят замеры выбросов оксидов азота именно из печной трубы. На

остальных же предприятиях указывают выбросы оксидов азота на границе ССЗ.

161

1200,00

1000,00

800,00

600,00

400,00

200,00

0,00

а)

1800,00

1600,00

1400,00

1200,00

1000,00

800,00

600,00

400,00

200,00

0,00

б)

Рисунок 3.7 - Содержание диоксида азота NO2 (а) и оксида азота NO (б)

в отходящих печных газах технологических линий мокрого способа производства

Кроме того, указанные некоторыми предприятиями выбросы (например, на

технологических линиях 1-3, 8-11 сухого способа производства и 1, 20, 31-33 мокрого

способа производства) получены не инструментальными методами, а расчетным путем.

Не могут быть выбросы оксидов азота при получении серого портландцементного

клинкера 100-150 мг/м³, поскольку это противоречит физической сущности процесса

горения топлива. При производстве клинкера белого цемента процесс происходит в

восстановительной атмосфере, в которой образование NOx затруднено или они

восстанавливаются до элементарного азота. Поэтому при обжиге клинкера белого

цемента возможны очень низкие значения выбросов оксидов азота - 80-100 мг/м³.

162

3.6.3 Выбросы диоксида серы SO2

Выбросы диоксида серы SO2 из цементных печей зависят прежде всего от

концентрации летучих соединений серы в сырьевых материалах и топливе, а также от

способа производства цемента и внутренней циркуляции летучих сернистых соединений

в печи. Диоксид серы может выбрасываться в атмосферу в виде SO2, а также в виде

различных сернистых соединений с пылью или клинкером.

Диоксид серы - бесцветный газ с раздражающим запахом, токсичен. Симптомы

отравления сернистым газом - насморк, кашель, охриплость, першение в горле. При

вдыхании сернистого газа более высокой концентрации - удушье, расстройство речи,

затруднение глотания, рвота, возможен острый отек легких. Предельно допустимая

концентрация SO2 в воздухе рабочей зоны - 10 мг/нм³.

В зависимости от месторождения сырьевые материалы могут содержать серу в

виде сульфатов MeSO4 (реже - сульфитов MeSO3) или сульфидов MeS. Сульфаты - это

стабильные соединения, которые только частично разлагаются термически при высокой

температуре в зоне спекания вращающейся печи. Большая часть сульфатной или

сульфитной серы выходит из печи с портландцементным клинкером. Сульфидная сера

окисляется кислородом еще в циклонном теплообменнике и частично выходит из печи в

виде газообразного SO2. Сера и сернистые соединения, поступающие во вращающуюся

печь с топливом, окисляются до SO2. Однако в более холодных зонах печи SO2

реагирует со щелочами сырья с образованием сульфитов или сульфатов, вновь

поступающих в печь. Создается кругооборот диоксида серы в печи, что приводит к его

постепенному накоплению.

Зона декарбонизации вращающейся печи - идеальное место для захвата SO2 из

отходящих газов. Степень связывания SO2 из газов зависит от содержания в них

кислорода, температуры, влагосодержания, времени пребывания газа в зоне,

концентрации SO2, поверхности материала, связывающего SO2. В дальнейшем часть

диоксида серы может удаляться из печи с безвозвратным пылеуносом, а большая часть

- с портландцементным клинкером.

Выбросы SO2 из вращающейся печи увеличиваются при наличии в сырьевых

материалах органической серы или серы в виде пирита или марказита (лучистого

колчедана). При обжиге сырьевых материалов, в которых сера присутствует в виде

сульфатов (сульфитов), выбросы SO2 из печи обычно не превышают 10 мг/нм³.

В длинных печах мокрого способа производства контакт между SO2 и щелочными

материалами не так хорош, поэтому сера из топлива может привести к некоторому

увеличению выбросов SO2.

В башне кондиционирования отходящих газов при сухом способе производства

связывается относительно небольшое - около 10 % - количество SO2. А вот сырьевая

мельница, в которой происходит постоянное обнажение новых поверхностей материала

и присутствует большое количество водяных паров, позволяет снизить концентрацию

SO2 в отходящих дымовых газах на 20-70 %.

При отклонении от нормальных режимов работы печи выбросы SO2 могут

значительно увеличиваться. К таким отклонениям относятся:

- восстановительная среда при обжиге клинкера, снижающая связывание SO2 в

нелетучие неорганические соединения;

163

- чрезмерное накопление сульфатов при длительном внутреннем кругообороте

летучих соединений серы в печи и (или) циклонном теплообменнике.

Для цементных заводов стран ЕС данные по выбросам диоксида серы были

обобщены в 2004 году для 253 вращающихся печей как среднегодовые результаты 24-х

часовых измерений [26]. Установлено, что величина выбросов колеблется от 0 до 4837

мг/нм³ при среднем значении выбросов 218,9 мг/нм³.

Для цементных заводов РФ выбросы оксидов серы не превышают 400 мг/м³

(рисунок 3.8). Причем значения в интервале 200-400 мг/м³ связаны, скорее всего, с

повышенным содержанием летучих соединений серы в сырьевых материалах и топливе.

400,00

350,00

300,00

250,00

200,00

150,00

100,00

50,00

0,00

а)

350,00

300,00

250,00

200,00

150,00

100,00

50,00

0,00

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

б)

Рисунок 3.8 - Содержание диоксида серы SO2 в отходящих печных газах

технологических линий сухого (а) и мокрого (б) производства

164

3.6.4 Выбросы оксида углерода СО

Оксид углерода СО в дымовых газах клинкерообжигательных печей может

появиться двумя путями. Первый путь связан с неполным сгоранием технологического

топлива при недостаточном количестве кислорода в воздухе или недостаточном

количестве воздуха, подаваемого во вращающуюся печь или в декарбонизатор

вращающейся печи. Второй путь связан с присутствием различных органических

соединений, содержащих углерод, в сырьевых материалах. В газовой среде,

содержащей до 3 об. % кислорода О2, 80-95 % органического углерода окисляются до

СО2, а 5-20 % образуют СО.

Оксид углерода СО - бесцветный ядовитый газ без запаха и вкуса. Даже в низкой

концентрации попадание СО в организм человека приводит к головной боли,

головокружению, шуму в ушах, одышке и повышенному сердцебиению, в тяжелых

случаях - к судорогам, потере сознания, коме. ПДК СО (разовое значение) составляет

20 мг/м³ (около 0,0017 %).

Присутствие СО в дымовых газах цементных печей приводит к снижениям

выбросов оксидов азота NOx вследствие их восстановления до элементарного азота.

Однако выбросы диоксида серы SO2 могут при этом увеличиться, так как в

восстановительной среде SO2 хуже связывается со щелочными соединениями и

образует менее стабильные сульфиты. При концентрации СО более 0,5 % в дымовых

газах, содержащих кислород, образуется взрывоопасная смесь, способная к взрыву и

разрушению оборудования для улавливания пыли (электрофильтра). На современных

цементных заводах специальные устройства отключают электрофильтр при

превышении порогового значения концентрации СО в отходящих дымовых газах.

Восстановительная среда в печи приводит к ухудшению качества

портландцементного клинкера: идет частичное разрушение алюмоферритов кальция,

алита, образуются менее активные полиморфные модификации белита.

Выбросы СО, как правило, увеличиваются при пуске или остановке вращающихся

печей, при нестабильном питании печи топливом или при использовании топлива с резко

изменяющимися характеристиками. При стабильной работе и правильной настройке

печного агрегата выбросы СО из печей для обжига клинкера обычно невелики.

Измерения, выполненные для 29 цементных заводов Германии, оснащенных

оборудованием для непрерывного мониторинга концентрации СО в отходящих газах

вращающихся печей, показали среднегодовую концентрацию в пределах 200-2200

мг/нм³ при разовых выбросах до 5000 мг/нм³[26].

В ЕС выбросы монооксида углерода в отходящих газах вращающихся печей

законодательно не нормируются. Ограничивается только проскок СО, который не может

превышать 30 мин за год.

Для цементных заводов РФ выбросы СО изменяются в среднем от 75 до 800 мг/м³

(рисунок 3.9). Высокие выбросы 1030 мг/м³ для технологической линии сухого способа

производства и 3420 мг/м³ для технологической линии мокрого способа производства,

скорее всего, являются не средними, а разовыми.

165

1200,00

1000,00

800,00

600,00

400,00

200,00

0,00

10 11 12 13 14 15 16 17 18

а)

3500,00

3000,00

2500,00

2000,00

1500,00

1000,00

500,00

0,00

б)

Рисунок 3.9 - Содержание монооксида углерода СО в отходящих печных газах

технологических линий сухого (а) и мокрого (б) производства

3.6.5 Выбросы CO2 от печей для обжига клинкера

В процессах производства клинкера выбросы CO2 связаны с кальцинированием

карбонатов используемого сырья, в основном известняковых пород (и, в гораздо

меньшей степени, сжиганием органического углерода, содержащегося в этом сырье) и

сжиганием печного топлива.

В ЕС и в большинстве стран мира выбросы CO2 определяются и регистрируются

как выбросы парниковых газов (ПГ).

Киотский протокол (международное соглашение, заключенное с целью

сокращения выбросов ПГ в атмосферу Земли для противодействия глобальному

потеплению), подписанный более чем 190 странами, был принят в 1997 году и вступил

в силу в 2005 году. Его главная цель - сокращение выбросов парниковых газов в

промышленно развитых странах как минимум на 5 % в период с 2008 по 2012 год по

166

сравнению с уровнями 1990 года. В настоящее время принят Парижский договор,

вступивший в силу с 2016 года, основная цель которого поддерживать повышение

глобальной температуры значительно ниже 2 °C по сравнению с доиндустриальными

уровнями.

В ЕС и некоторых штатах США выбросы CO2 контролируются и сообщаются в

соответствии со схемами выбросов парниковых газов, которые в ЕС включают схему

торговли выбросами (ETS).

Подсчитано, что выбросы СО2 составляют 900-1000 кг/т серого клинкера при

потреблении тепла 3500-5000 МДж/т клинкера, однако эта величина зависит от типа

применяемого топлива

[26]. Благодаря снижению клинкер-фактора количество

выделяемого СО2 снижается в пересчете на тонну цемента.

Около 62 % от общего количества СО2 выделяется в процессе декарбонизации

известняка сырьевой смеси, а оставшееся 38 % - при горении топлива. Выделение СО2

при сгорании топлива прямо пропорционально удельному расходу тепла на обжиг

клинкера и отношению содержания в нем углерода к его теплотворной способности.

За последние 25 лет выделение СО2 при сгорании топлива снизилось примерно

на 30 % в связи с постоянным увеличением эффективности процессов его сжигания в

печи.

Сегодня технологии для контроля выбросов CO2 в цементной промышленности

находятся в стадии разработки или опытной проверки. Сокращения, достигнутые за

последние 30 лет, были в основном сосредоточены на двух основных аспектах:

сокращение энергии (электрической и термической), необходимой для производства

продукции, а также в цементном секторе - частичной замене клинкера другими

материалами (вяжущие / добавки).

Следовательно, в настоящее время нет НДТ для сокращения выбросов CO2 для

цементной промышленности, за исключением многих мероприятий, проводимых в

рамках сокращения энергопотребления и замены клинкера при производстве цемента.

Помимо надлежащего проведения операций обжига цементного клинкера,

рекомендуется использовать следующие методы предотвращения и контроля выбросов

СО2:

- выбор технологического процесса и режима работы, способствующих

повышению эффективности энергопотребления (сушка / предварительный нагрев /

предварительный обжиг);

- выбор топлива с низким отношением содержания углерода к калорийности

(например, природный газ, дизельное топливо или некоторые виды альтернативного

топлива);

- увеличение использования биогенного (нейтрального в отношении выбросов

СО2) топлива;

- выбор сырья с низким содержанием органических веществ;

- производство многокомпонентных цементов, которые потенциально позволяют

существенно снижать потребление топлива и, соответственно, выбросы СО2 в расчете

на тонну конечного продукта.

167

3.6.6 Выбросы металлов и их соединений

Металлы и их соединения поступают в печь для обжига клинкера с сырьевыми

материалами и с технологическим топливом. Их концентрация может изменяться в

широких пределах. Уровень эмиссии металлов в атмосферу определяется сложными

механизмами.

В зависимости от летучести металлов и их соединений все металлы могут быть

разделены на 4 класса:

Металлы, которые в чистом виде или в виде соединений с другими

элементами представляют собой тугоплавкие, нелетучие вещества. К ним относятся

такие металлы, как Ва, Ве, Cr, As, Ni, Al, Ca, Fe, Mn, Cu и Ag. В процессе обжига эти

металлы полностью адсорбируются клинкером и выводятся из печи вместе с ним. В

отходящих газах они могут присутствовать только в виде пыли, а уровень их эмиссии в

атмосферу зависит только от эффективности работы пылеулавливающего

оборудования.

Металлы, которые в виде соединений являются частично летучими: Sb, Cd,

Pb, Se, Zn, K и Na. В виде сульфатов или хлоридов эти металлы способны возгоняться

в интервале температур 1000-1300 ^оС и конденсироваться при 700-900 ^оС, что приводит

к явлению внутренней рециркуляции и их накоплению в нижних ступенях циклонного

теплообменника и в зоне твердофазовых реакций. Они также практически полностью

выводятся из печи с клинкером, а уровень их эмиссии в атмосферу зависит от

эффективности работы пылеулавливающего оборудования.

Таллий Tl в виде металла или в виде соединений обладает высокой

летучестью. Так, конденсация TlCl происходит в температурном интервале 450-550 ^оС,

т. е. в верхних ступенях циклонного теплообменника, что приводит к накоплению и

постепенному росту его концентрации в составе пыли.

Ртуть Hg является крайне летучим соединением. Она почти полностью

удаляется из печи с отходящими газами, и лишь незначительная ее часть адсорбируется

пылью с последующим осаждением в пылеулавливающих установках.

В соответствии с [77], металлами или их соединениями, относящимися к 1 классу

опасности, являются Ba, Be, V, Hg, Cd, Ni, Pb, Tl, Te и Se. Среди этих металлов частичной

и высокой летучестью обладают Hg, Cd, Tl и Pb.

Поведение и уровень эмиссии отдельных металлов зависит от их летучести,

способа ввода в печь, концентрации металла в сырьевых материалах и топливе (как

минеральном, так материалах из отходов - альтернативном), возникновения явления

рециркуляции и аккумулирования металлов и от эффективности осаждения пыли в

пылеосадительной системе.

Металлы, внедренные в процесс обжига через сырьевые материалы и топливо,

могут испаряться полностью или частично в печи в зависимости от их летучести,

взаимодействия с соединениями, присутствующими в газовой фазе, и конденсироваться

на клинкере, подаваемом в холодильник. Металлы из топлива первоначально поступают

в дымовые газы, но выбрасываются вместе с ними из печи в очень малом количестве

благодаря удерживающей способности печи.

Поскольку отношение сырьевых материалов к топливу в клинкере составляет

примерно 10:1, вид и природа сырьевых материалов являются решающим фактором для

168

ПРОИЗВОДСТВО ЦЕМЕНТА (ИТС 6—2022) - часть 2