ИТС 6-2022. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Производство цемента

(утв. Приказом Росстандарта от 16.12.2022 № 3199)

ИСТОРИЯ ИЗМЕНЕНИЙ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ АКТОВ

flowchart LR
  n0["ИТС 6-2015"]:::rst
  click n0 "https://bukva.ai/docs/spravochnik-its-6-2015" "ИТС 6-2015. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Производство цемента (утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 15.12.2015 N 1576)"
  n1["ИТС 6-2022"]:::rst
  click n1 "https://bukva.ai/docs/spravochnik-its-6-2022" "ИТС 6-2022. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Производство цемента (утв. Приказом Росстандарта от 16.12.2022 N 3199)"
  n2["ИТС 6-2024"]:::doc
  click n2 "https://bukva.ai/docs/spravochnik-its-6-2024" "ИТС 6-2024. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Производство цемента (утв. Приказом Росстандарта от 16.09.2024 N 2231)"
  n1 --> n2
  n0 --> n1
classDef rst fill:#FFEBEB,stroke:#8B0000,color:#000;
classDef doc fill:#EBFFEB,stroke:#006400,color:#000;
classDef notEnt fill:#FFFFEB,stroke:#FF8C00,color:#000;

Утвержден Приказом Росстандарта от 16 декабря 2022 г. № 3199

ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК ПО НАИЛУЧШИМ ДОСТУПНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ

ПРОИЗВОДСТВО ЦЕМЕНТА

Manufacture of cement

ИТС 6-2022

Дата введения 1 сентября 2023 года

Введение

Настоящий информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям «Производство цемента» (далее — справочник НДТ) разработан на основе анализа технических, технологических и управленческих решений, применяемых при производстве цемента.

Структура настоящего справочника НДТ соответствует ГОСТ Р 113.00.03-2019 «Наилучшие доступные технологии. Структура информационно-технического справочника» [1], термины приведены в соответствии с ГОСТ Р 56828.15-2016 «Наилучшие доступные технологии. Термины и определения» [2].

Краткое содержание справочника:

Введение. Содержит краткое описание и общую информацию о справочнике НДТ.

Предисловие. Указаны цель разработки настоящего справочника НДТ, его статус, законодательный контекст, краткое описание процедуры создания в соответствии с установленным порядком, а также взаимосвязь с аналогичными международными документами.

Область применения. Описаны основные виды деятельности, на которые распространяется действие настоящего справочника НДТ.

В разделе 1 представлена информация о состоянии и уровне развития производства цемента в Российской Федерации, а также приведены приоритетные проблемы отрасли.

В разделе 2 описаны особенности технологических процессов и операций производства цемента, представлены характеристики сырья и готовой продукции с учетом положений ГОСТ Р 113.00.04-2020 «Наилучшие доступные технологии. Формат описания технологий» [3], включая утилизацию отходов и использование материалов из отходов в виде топлива.

В разделе 3 представлена информация о текущих уровнях потребления сырья, материалов, энергетических ресурсов и эмиссий, маркерных веществах, характерных для производства цемента.

Раздел подготовлен на основе данных, представленных предприятиями Российской Федерации в рамках разработки справочника НДТ, а также различных литературных источников с учетом положений [3].

В разделе 4 приведены сравнительный анализ и особенности учета критериев отнесения технологий, технологических и управленческих решений к наилучшим доступным технологиям в соответствии с требованиями ГОСТ Р 56828.8-2015 «Наилучшие доступные технологии. Методические рекомендации по описанию наилучших доступных технологий в информационно-техническом справочнике по наилучшим доступным технологиям» [4].

В разделе 5 приведены НДТ для производства цемента, включающие системы экологического и энергетического менеджмента, контроля и мониторинга технологических процессов, а также технические и технологические решения для повышения энергоэффективности, ресурсосбережения, снижения эмиссий загрязняющих веществ, методы обращения с отходами и вторичными продуктами производства в соответствии с ГОСТ Р 56828.8-2015 «Наилучшие доступные технологии. Методические рекомендации по описанию наилучших доступных технологий в информационно-техническом справочнике по наилучшим доступным технологиям» [4].

В разделе 6 описана информация о новых технологических, технических и управленческих решениях, способных на стадии промышленного внедрения обеспечить уровень воздействия на окружающую среду не ниже требований НДТ или же при соответствии им минимизировать производственные и/или экономические затраты, а также направленных на повышение энергоэффективности и ресурсосбережения. Раздел подготовлен с учетом положений ГОСТ Р 56828.1-2015 «Наилучшие доступные технологии. Методические рекомендации по описанию перспективных технологий в информационно-техническом справочнике по наилучшим доступным технологиям» [5].

Заключительные положения и рекомендации. Данный раздел включает в себя сведения о членах технической рабочей группы, принимавших участие в разработке настоящего справочника НДТ, и рекомендации о проведении дальнейших работ и сборе информации в области НДТ для рассматриваемой отрасли промышленности.

Приложения. Содержат перечень маркерных загрязняющих веществ, характерных для производства цемента, перечень технологических показателей, перечень НДТ, сведения о ресурсной (в том числе энергетической) эффективности, индикативные показатели выбросов парниковых газов при производстве клинкера и цемента, а также Заключение по наилучшим доступным технологиям.

Заключение по наилучшим доступным технологиям включает части справочника НДТ, содержащие:

• область применения;
• описание НДТ, уровни эмиссий, соответствующие НДТ (технологические показатели), а также информацию, позволяющую оценить их применимость;
• методы производственного экологического контроля (прежде всего — подходы к организации измерений, в том числе касающиеся систем автоматического контроля).

Заключение по наилучшим доступным технологиям приведено в справочнике НДТ для использования заинтересованными лицами, в том числе промышленными предприятиями, при формировании заявок на комплексные экологические разрешения, а также надзорными органами при выдаче комплексных экологических разрешений и является кратким описанием основных положений справочника, включая описание наилучших доступных технологий, информации, позволяющей оценить их применимость, уровни эмиссий и потребления ресурсов, методы производственного экологического контроля.

Приложения подготовлены с учетом положений ГОСТ Р 113.00.03-2019 «Наилучшие доступные технологии. Структура информационно-технического справочника» [1].

Библиография. Приведен перечень источников информации и нормативных правовых актов, использованных при разработке настоящего справочника НДТ.

Нормативные акты (термины и определения)

Справочник НДТ 6-2022 разработан в соответствии с поэтапным графиком актуализации информационно-технических справочников по наилучшим доступным технологиям, утвержденным распоряжением Правительства РФ от 10.06.2022 года № 1537 [6].

В основу Справочника НДТ 6-2022 положен ряд важных нормативно-правовых документов, предусматривающих комплекс мер по переходу на принципы НДТ и внедрению современных природоохранных технологий, в том числе:

• Федеральный закон от 10.01.2002 года № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» [7];
• распоряжение Правительства РФ от 8.07.2015 года № 1316-р «Перечень загрязняющих веществ, в отношении которых применяются меры государственного регулирования в области охраны окружающей среды» [8];
• приказ Министерства промышленности и торговли РФ от 23 августа 2019 года № 3134 «Об утверждении Методических рекомендаций по определению технологии в качестве наилучшей доступной технологии» [9];
• Постановление Правительства РФ от 31.12.2020 года № 2398 «Критерии отнесения объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, к объектам I, II, III и IV категорий» [10];
• Постановление Правительства РФ от 9.03.2019 года № 250 «О внесении изменений в Правила определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии, а также разработки, актуализации и опубликования информационно-технических справочников по наилучшим доступным технологиям» [11].

Кроме того, при формировании Справочника учитывались рекомендации национальных стандартов, определяющих структуру и содержание информационно-технических справочников:

• ГОСТ Р 113.00.03-2019 Наилучшие доступные технологии. Структура информационно-технического справочника [1];
• ГОСТ Р 113.00.04-2020 Наилучшие доступные технологии. Формат описания технологий [3];
• ГОСТ Р 56828.10-2015 Наилучшие доступные технологии. Методические рекомендации по актуализации информационно-технического справочника по наилучшим доступным технологиям [12];
• ГОСТ Р 56828.11-2015 Наилучшие доступные технологии. Методические рекомендации по разработке раздела информационно-технического справочника по наилучшим доступным технологиям по описанию приоритетных проблем отрасли [13];
• ГОСТ Р 56828.8-2015 Наилучшие доступные технологии. Методические рекомендации по описанию наилучших доступных технологий в информационно-техническом справочнике по наилучшим доступным технологиям [14];
• ГОСТ Р 56828.9-2015 Наилучшие доступные технологии. Методические рекомендации по проведению сравнительного анализа производств при разработке информационно-технического справочника по наилучшим доступным технологиям [15];
• ГОСТ Р 56828.2-2015 Наилучшие доступные технологии. Методические рекомендации представления информации по экономическим аспектам реализации наилучших доступных технологий в информационно-техническом справочнике по наилучшим доступным технологиям [16];
• ГОСТ Р 56828.4-2015 Наилучшие доступные технологии. Подходы к проведению сравнительного анализа ресурсоэффективности и экологической результативности предприятий для предупреждения или минимизации негативного воздействия на окружающую среду [17];
• ГОСТ Р 56828.45-2019 Наилучшие доступные технологии. Производство цемента. Производственный экологический контроль [18];
• ГОСТ Р 56828.46-2019 Наилучшие доступные технологии. Производство цемента. Порядок подготовки заявки на комплексное экологическое разрешение [19];
• ГОСТ Р 56828.47-2019 Наилучшие доступные технологии. Производство цемента. Выбор маркерных показателей для выбросов в атмосферу от промышленных источников [20].

В настоящем Справочнике применяются термины в соответствии со следующими национальными стандартами:

• ГОСТ Р 56828.15-2016 Наилучшие доступные технологии. Термины и определения [21];
• ГОСТ 16263-70 Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения [22].

Предисловие

Цели, основные принципы и порядок разработки справочника НДТ установлены Постановлением Правительства Российской Федерации от 23 декабря 2014 года № 1458 «О порядке определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии, а также разработки, актуализации и опубликования информационно-технических справочников по наилучшим доступным технологиям» [23]. Перечень областей применения наилучших доступных технологий определен распоряжением Правительства Российской Федерации от 24 декабря 2014 года № 2674-р «Об утверждении перечня областей применения наилучших доступных технологий» [24].

1 Статус документа

Настоящий справочник НДТ является документом национальной системы стандартизации.

2 Информация о разработчиках

Настоящий справочник НДТ разработан технической рабочей группой № 6 «Производство цемента» (ТРГ 6), состав которой утвержден приказом Министерства промышленности и торговли Российской Федерации № 855 от 18 марта 2022 года о создании технической рабочей группы «Производство цемента» [25]. Справочник НДТ представлен на утверждение Бюро наилучших доступных технологий (далее — Бюро НДТ) (www.burondt.ru).

3 Краткая характеристика

Данный справочник НДТ содержит описание применяемых при производстве цемента технологических процессов и особенностей используемых материалов и оборудования, кроме того, в справочнике НДТ представлен обзор современных технологий, позволяющих снизить негативное воздействие на окружающую среду, сократить потребление минерального сырья, повысить энергоэффективность и обеспечить ресурсосбережение. Из описанных технологических процессов, оборудования, технических способов, методов определены решения, являющиеся НДТ. В справочнике НДТ установлены соответствующие технологические показатели НДТ, а также приведены результаты бенчмаркинга удельных выбросов парниковых газов, установлены индикативные показатели удельных выбросов парниковых газов при производстве цемента.

Справочник НДТ рекомендован предприятиям цементной промышленности для подготовки программ внедрения НДТ, регулирующим органам — для оценки соответствия предприятий экологическим требованиям и государственным органам — для принятия решения о государственном софинансировании инвестиционных проектов (проектов модернизации).

4 Взаимосвязь с международными, региональными аналогами

Настоящий справочник НДТ разработан на основе справочника ЕС по наилучшим доступным технологиям «Комплексное предотвращение и контроль загрязнения окружающей среды. Справочный документ по наилучшим доступным технологиям. Производство цемента, извести и оксида магния» (Integrated Pollution Prevention and Control. Reference Document on Best Available Techniques in the Cement, Lime and Magnesium Oxide Manufacturing Industries) [26].

5 Сбор данных

Информация о технологических процессах, оборудовании, технических способах, методах, применяемых при производстве цемента в Российской Федерации, была собрана в процессе разработки настоящего справочника НДТ в соответствии с Порядком сбора данных, необходимых для разработки справочника по наилучшим доступным технологиям и анализа приоритетных проблем отрасли, утвержденным приказом Минпромторга России от 18 декабря 2019 года № 4841 [27].

6 Взаимосвязь с другими справочниками НДТ

Взаимосвязь настоящего справочника НДТ с другими действующими справочниками НДТ приведена в разделе «Область применения».

7 Информация об утверждении, опубликовании и введении в действие

Настоящий справочник НДТ утвержден приказом Росстандарта от 16 декабря 2022 года № 3199.

Настоящий справочник НДТ введен в действие с 1 сентября 2023 года, официально опубликован в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru).

8 Взамен ИТС 6-2015

Область применения

Настоящий справочник НДТ распространяется на следующий основной вид деятельности:

• производство цементного клинкера во вращающихся печах с проектной мощностью 500 т/сут и более.

В соответствии с общероссийским классификатором видов экономической деятельности производство цемента относится к 23 классу: «Производство прочей неметаллической минеральной продукции». Данный класс входит в состав «Раздела C — Обрабатывающие производства» классификатора 2021 года ОКВЭД-2.

В таблицах 1 и 2 приведены коды по ОКВЭД-2 (общероссийскому классификатору видов экономической деятельности) и ОКПД (общероссийскому классификатору продукции по видам экономической деятельности), соответствующие областям применения настоящего справочника НДТ.

Таблица 1

Коды по ОКВЭД-2

<*> Классификатор кодов ОКВЭД-2 2022 с расшифровкой по видам деятельности.

Таблица 2

Коды по ОКПД-2

<*> Общероссийский классификатор продукции по видам экономической деятельности (ОКПД 2) ОК 034-2014 (КПЕС 2008).

Справочник НДТ также распространяется на процессы, связанные с основными производственными переделами цементного производства, которые могут оказать влияние на объемы эмиссий или масштабы загрязнения окружающей среды:

• хранение и подготовка сырья;
• хранение и подготовка топлива;
• утилизация отходов и использование материалов из отходов в качестве сырья и (или) топлива — требования к качеству, контроль и подготовка;
• производственные процессы;
• методы предотвращения и сокращения эмиссий и образования отходов;
• хранение, упаковка и отгрузка продукции.

Справочник НДТ не распространяется на:

• некоторые процессы производства, такие как добыча сырья в карьере;
• вопросы, касающиеся исключительно обеспечения промышленной безопасности или охраны труда.

Вопросы охраны труда рассматриваются частично и только в тех случаях, когда оказывают влияние на виды деятельности, включенные в область применения данного ИТС НДТ.

Дополнительные виды деятельности при производстве цемента и соответствующие им справочники НДТ приведены в таблице 3.

Таблица 3

Дополнительные виды деятельности, осуществляемые при производстве цемента, и соответствующие им справочники НДТ

Аббревиатуры и сокращения

Единицы измерения

В таблице 4 приведены единицы измерения, используемые в Справочнике НДТ 6-2022 согласно ГОСТам, указанным в разделе Введение.

Таблица 4

Единицы измерения

Раздел 1 Общая информация о производстве цемента в Российской Федерации

1.1 Количество предприятий, их географическое расположение

В России максимальный объем производства цемента 84,7 млн т был достигнут в 1989 году. Анализ производства и потребления цемента за последние 30 лет, по данным компании СМ ПРО и аналитического агентства «Амикрон-консалтинг», свидетельствует о цикличном развитии российского рынка, который подвержен внешним факторам и макроэкономическим тенденциям (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 — Выпуск цемента в Российской Федерации в 2002 — 2021 гг. по [32]

В цементной промышленности России по состоянию на 01.01.2022 функционировало 54 из 60 цементных предприятий, в том числе 51 завод полного цикла производства и 3 помольные установки. Общая мощность цементных предприятий России по состоянию на 01.01.2022 составляет 87,42 млн т. Производство цемента в 2021 году по данным оперативной отчетности цементных предприятий и Росстата составило 60,0 млн т, что на 7,2% (3,7 млн т) больше, чем годом ранее.

Ввод новых 26 технологических линий в России общей мощностью ~ 36 млн т цемента в год и наличие еще потенциальных 7 современных технологических линий мощностью 15 млн т наряду с падением рынка сформировали существенный профицит мощностей на российском рынке. Коэффициент использования мощности — 68,5%.

По оценке, выпуск цементного клинкера в отрасли в 2021 году вырос на 3,3 млн т (до 54,1 млн т) [33]. В 2021 году рост производства цемента был достигнут на 39 действующих цементных предприятиях России.

В 2010 — 2020 гг. производство цемента по энергоэффективным технологиям выросло с 8,6 до 33,6 млн т, а его доля — с 17,1 до 60,2%.

Объем производства цемента сухим и комбинированным способами увеличился на 18 предприятиях, среди которых [34]:

а) заводы холдинга «ЕВРОЦЕМЕНТ груп»:

1. ООО «Петербургцемент»;

2. АО «Невьянский цементник»;

3. АО «Катавский цемент»;

4. Воронежский филиал ПАО «ЕВРОЦЕМЕНТ груп»;

б) Первомайский цементный завод (входит в структуру ОАО «Новоросцемент», управляемого ООО «Газметаллпроект»);

в) филиал ООО «ХайдельбергЦемент Рус» в п. Новогуровский;

г) АО «ХайдельбергЦемент Волга»;

д) АО «Спасскцемент» (входит в состав группы компаний «Востокцемент»);

е) ООО «Холсим (Рус)» (г. Вольск) (входит в группу компаний «Холсим (Россия)»;

ж) ООО «Азия Цемент»;

з) Филиал «Сухоложскцемент» ООО «СЛК Цемент».

Всего на 18 заводах сухого и комбинированного способов, увеличивших выпуск цемента в 2021 году, объем его производства вырос на 541,6 тыс. т. Доля цемента, выпущенного этими способами, составила 56,5% — в 1,3 раза больше, чем доля цемента, произведенного традиционным для России мокрым способом, но на 2,8 процентного пункта меньше показателя 2020 года [35].

В 2021 году объем производства цемента мокрым способом увеличился на 17 предприятиях, в том числе:

а) на заводах холдинга «ЕВРОЦЕМЕНТ груп»:

1. ЗАО «Осколцемент»;

2. ЗАО «Белгородский цемент»;

3. АО «Михайловцемент»;

б) ООО «Ачинский цемент», управляемом компанией «Группа Смиком»;

в) ООО «Красноярский цемент» (входит в состав холдинга АО «ХК „Сибцем“).»

В сумме выпуск цемента мокрым способом увеличился на 3167 тыс. т.

Корпоративная структура цементной промышленности России включает в себя 26 компаний и промышленно-финансовых групп. На долю 11 холдингов приходится 50,8 млн т цемента, произведенного в 2021 году, или 91,0% его суммарного выпуска в стране (таблицы 1.1, 1.2) [33].

Таблица 1.1

Производство цемента в России ведущими фирмами-производителями в 2020 и 2021 гг.

Таблица 1.2

Корпоративная структура цементной промышленности России в 2021 г. по [33]

Холдингу «ЕВРОЦЕМЕНТ груп» принадлежат 16 российских цементных предприятий общей мощностью около 27,1 млн т, не включая Савинский цементный завод проектной мощностью 1,24 млн т, находящийся на реконструкции. Холдинг занимает ведущее положение по производству и продажам цемента на международном уровне. В 2021 году ООО «Михайловский комбинат строительных материалов» приобрело акции материнской компании и долг группы компаний «ЕВРОЦЕМЕНТ».

В 2021 году состоялся пуск завода по производству белого цемента ООО «Цемикс», расположенного в Абзелиловском районе Республики Башкортостан (РБ), вблизи г. Магнитогорска Челябинской области, с технологической линией сухого способа производства проектной мощностью 240 тыс. т в год.

Было завершено строительство технологической линии производства цемента сухим способом мощностью 1,2 млн т в год на ООО «Сенгилеевский цементный завод» холдинга «ЕВРОЦЕМЕНТ груп».

В 2021 году вышел на проектную мощность — 550 тыс. т серого цемента в год — завод «АТОМ Цемент», введенный в эксплуатацию в 2020 году. Завод был построен компанией «Атомстройкомплекс» в районе г. Сысерть Свердловской области.

В 2021 году продолжилось строительство технологической линии сухого способа мощностью 300 тыс. т белого цемента в год на предприятии ОАО «Жигулевские стройматериалы» холдинга «ЕВРОЦЕМЕНТ груп».

АО «Себряковцемент» продолжало работы, необходимые для завершения полного перевода производства на сухой способ.

Изменились мощности ряда других предприятий, что обусловлено продолжающимся освоением новых технологических линий сухого способа, модернизацией производства, а также выводом из эксплуатации некоторых линий мокрого способа.

Размещение и концентрация цементных предприятий представлены на рисунке 1.2. В европейской части России сосредоточено 73,5% от общего объема производства и 75% от объема потребления цемента. Неравномерность размещения цементных заводов обусловлена наличием сырьевых ресурсов и неравномерностью концентрации производительных сил по территории России.

Рисунок 1.2 — Размещение и концентрация цементных предприятий РФ

В результате сложившейся структуры расположения предприятий и их мощностей удовлетворение спроса на цемент в отдельных регионах обеспечивается за счет межрегиональных поставок цемента и его импорта (см. таблицу 1.3).

Таблица 1.3

Баланс производства и потребления цемента в 2021 году, тыс. т

Производство цемента в 2021 году выросло по сравнению с показателем 2020 года в Дальневосточном (на 14,4%), Сибирском (на 13,9%), Северо-Западном (на 10,7%), Южном (на 7,8%), Приволжском (на 6,9%), Центральном (на 3,3%) и Уральском федеральных округах (на 2,3%) и сократилось на 0,5% в Северо-Кавказском федеральном округе (см. таблицу 1.3).

Основная часть цемента (44,0 млн т, или 73,4% общего объема его производства в России) выпущена в 2021 году на предприятиях, расположенных в федеральных округах европейской части страны. На предприятиях Урала, Сибири и Дальнего Востока за этот период произведено 15,9 млн т цемента.

Максимальный рост производства цемента в 2021 году к уровню 2020 года наблюдался на заводах холдингов «ЕВРОЦЕМЕНТ груп» (на 796 тыс. т, или 5,0%), АО «ХК „Сибцем“ (на 601 тыс. т, или 13,1%), AKKERMANN CEMENT (на 486 тыс. т, или 13,9%), „Газметаллпроект“ (на 456 тыс. т, или 8,4), „Востокцемент“ (на 368 тыс. т, или 15,0%), Buzzi Unicem (на 243 тыс. т, или 6,6%) и HeidelbergCement (на 202 тыс. т, или 5,4%) [33]. Сокращение производства в 2021 году не наблюдалось ни у одного участника рынка.»

В 2021 году сузились доли рынка холдингов «ЕВРОЦЕМЕНТ груп» (на 0,7%, до 27,9%), Holcim (на 0,4%, до 8,6%) и HeidelbergCement (на 0,1%, до 6,6%). Выросли доли групп компаний АО «ХК „Сибцем“ (на 0,4%, до 8,6%), AKKERMANN CEMENT (на 0,4%, до 6,6%) и „Востокцемент“ (на 0,3%, до 4,7%) [34].»

1.2 Сырьевая база для производства цемента

В соответствии со Стратегией развития минерально-сырьевой базы до 2035 года, утвержденной распоряжением Правительства РФ от 22 декабря 2018 года № 2914-р [36], цементное сырье относится к полезным ископаемым первой группы, сырьевая база которых достаточна для обеспечения потребностей экономики в долгосрочной перспективе при любых сценариях ее развития и не требует проведения активных геологоразведочных работ, направленных на ее воспроизводство. Тем не менее недропользователями ведутся геологоразведочные работы (в том числе ранних стадий) с целью выявления сырья высокого качества.

Суммарные балансовые запасы цементного сырья в целом по Российской Федерации по категориям A + B + C1 и категории C2 на 1 января 2021 года составляют 19 230,8 млн т и 12 103,9 млн т, соответственно; забалансовые запасы составляют 256 млн т.

По состоянию на 1 января 2021 года запасы цементного сырья, заключенные в 238 месторождениях, составили 31,3 <1> млрд т. Запасы цементного сырья разведаны на территории 59 из 85 субъектов Российской Федерации, однако распределены по территории страны неравномерно — более двух третей сосредоточено в европейской части страны (см. таблицу 1.4).

<1> Источник — ГБЗ РФ (предварительные (сводные) данные).

Таблица 1.4

Запасы цементного сырья в РФ, млн т

В европейской части страны сосредоточены 66 общероссийских промышленных запасов маломагнезиального карбонатного сырья, определяющих в основном размещение и мощность цементных заводов. Так же неравномерно размещены разведанные балансовые запасы глинистых пород и гидравлических добавок.

В целом по России около половины разведанных запасов цементного сырья относится к нераспределенному фонду, а в Дальневосточном округе они составляют 73% от разведанных. Большинство из них разведаны 40 — 50 лет назад, современное состояние месторождений нередко неизвестно, но среди них можно выделить объекты, перспективные для доизучения и освоения. На территории Российской Федерации имеются хорошие перспективы развития минерально-сырьевой базы цементного производства.

В 2020 году статус разрабатываемых имели 86 месторождений; среди них 57 месторождений карбонатных пород, 18 глинистых, 10 месторождений гидравлических добавок и одно месторождение песков и маршаллитов.

Наиболее весомое значение среди сырьевых компонентов (рисунок 1.3) в производстве цемента занимает карбонатное сырье, и именно его запасы преимущественно определяют как выбор технологии, так и выбор промплощадки и месторождения.

<*> При необходимости изменения физико-механических свойств сырьевого шлама возможно применение отработанных нефтепродуктов.

Рисунок 1.3 — Основные сырьевые материалы

В соответствии с техническими условиями на качество основных видов сырьевых материалов для производства цемента предъявляются следующие требования к химическому составу (таблица 1.5).

Таблица 1.5

Допускаемые значения содержания оксидов в сырьевых компонентах

Для сухого способа производства большое значение имеет наличие хлор-иона в сырьевых материалах и, в конечном счете, в сырьевой муке. Превышение примеси хлора в муке более 0,1% ведет к образованию настылей, остановке печного агрегата и трудоемким работам по очистке пылегазового тракта.

Физико-химические свойства карбонатных пород не регламентируются, но малопрочные разности (10 — 20 МПа) предпочтительнее. В последние годы зарубежные цементные компании при разработке технологии и строительстве цементных заводов, работающих на мелах, столкнулись с серьезной проблемой — в условиях аэрации частицы сырьевой муки быстро агрегируются, в результате чего текучесть и усреднение материала практически прекращаются. В связи с этим при оценке пригодности мелового сырья для производства цемента необходимо проводить его тестирование на изменение текучести в процессе аэрирования.

Для глинистых пород большую роль играет их гранулометрический состав. Пригодными по грансоставу считаются породы, в которых количество крупных фракций (кварцевый песок, полевой шпат, слюда, карбонатные породы) составляет:

• крупнее 0,2 мм — не более 10%;
• крупнее 0,08 мм — не более 20%.

При наличии доли крупных частиц в глине с превышением заданных значений вопрос об их пригодности должен решаться с участием специализированного института.

Основные компоненты и техногенные отходы/материалы из отходов, заменяющие природные ресурсы, а также их доля в сырьевой шихте, приведены в таблице 1.6.

Таблица 1.6

Основные сырьевые компоненты в производстве клинкера

В последние годы в цементной промышленности все более широкое распространение находит использование отходов смежных отраслей промышленности вместо природного сырья — карбонатного и глинистого компонентов. В зарубежной практике эксплуатируется ряд цементных предприятий, производящих цемент с применением техногенных отходов/материалов из отходов. В России в 80-е гг. XX в. доля отходов/материалов из отходов в производстве цемента достигла 26%, т.е. из 137 млн т сырьевых материалов, потраченных на выпуск 83 млн т цемента, 36 млн т было заменено отходами/материалами из отходов. В настоящее время этот показатель по разным причинам снизился до 15 — 17%. Полученный в процессе обжига сырьевой шихты клинкер в себестоимости цемента составляет 75 — 80%.

В целях снижения затрат на производство цемента при измельчении клинкера вводятся активные минеральные добавки, как природного происхождения, так и отходы/материалы из отходов смежных производств.

В таблице 1.7 представлены основные добавки в цемент как природного, так и техногенного происхождения. Ввод добавок используется для снижения расхода клинкера в производстве цемента и придания ему специальных строительно-технических свойств.

Таблица 1.7

Добавки в цемент

Обязательной добавкой в цемент является гипсовый камень (CaSO4·H2O), реже — ангидрит (CaSO4), которые являются регуляторами сроков схватывания цементного камня. Количество вводимого гипса при помоле клинкера составляет, как правило, не более 5% к общей массе шихты или около 3% гипсосодержащих минералов в пересчете на SO3.

В качестве природных добавок в цемент на отечественных цементных заводах используются опока, трепел, вулканические туфы, цеолиты и другие. Объем ввода добавок определяется технологическим регламентом и востребованностью цемента с добавками на рынке.

Наиболее распространенными добавками в цемент являются гранулированные доменные шлаки — отходы металлургического производства, шлаки — отходы цветной металлургии и химических производств, горелые земли, золошлаковые отходы и другие, а также фосфогипс — отход производства минеральных удобрений. Указанные отходы являются прямыми заменителями клинкера, и их доля в цементе может достигать до 80%.

В 2021 году в России на производство 1 т цемента расходовалось около 1,791 т природного и техногенного сырья, минеральных добавок и природного гипсового камня.

Всего в отрасли за 2021 год для выпуска цемента использовано около 107 млн т природного и техногенного сырья, минеральных добавок, попутно добываемых и вскрышных пород, а также природного гипсового камня [33].

Около 22,0 млн т, или почти 21,0% всей массы использованных сырья и добавок, составили техногенные материалы: гранулированные шлаки черной и цветной металлургии; нефелиновый шлам (отходы производства глинозема); золошлаковые отходы теплоэлектростанций (ЗШО ТЭС); пиритные (колчеданные) огарки; пыль и шламы, полученные в результате очистки отходящих газов печей черной металлургии; сульфатосодержащие отходы химической промышленности; отходы обогащения угля; железосодержащие отходы горно-обогатительных комбинатов; горелая порода; отработанные формовочные смеси литейного производства; технические лигносульфонаты (отходы гидролизного производства в целлюлозно-бумажной промышленности), а также попутно добываемые, вскрышные и вмещающие породы.

Объемы использованных в 2021 году при производстве цемента вторичных материальных ресурсов были выше, чем в 2020 году, вследствие роста объемов производства клинкера и цемента на большинстве предприятий.

В 2021 году использовано при помоле цементной шихты около 4,3 млн т шлаков доменного и других производств, трепела, опоки, вулканического туфа, ЗШО ТЭС, природного гипса и других добавок. Их расход на 1 т цемента в среднем составил около 71 кг.

По оценке, в 2021 году доля клинкера в цементной шихте составила в среднем 89,0%, а минеральных добавок — около 7,7% [33].

1.3 Топливо

В цементной промышленности РФ при производстве клинкера и цемента используются такие виды топлива, как природный газ, уголь и сланцы. С использованием в технологическом процессе природного газа произведено около 82% клинкера и цемента. Доля природного газа в структуре потребляемого технологического топлива для обжига цементного клинкера и сушки минеральных добавок в 2021 году составила 83,1%, а на долю энергетического угля приходилось около 14,0%. До 2005 года некоторые предприятия использовали мазут, но в дальнейшем в связи с ростом цен было принято решение перейти на другие виды топлива.

Доля отдельных видов топлива, используемого при выпуске клинкера, представлена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 — Структура производства цемента по видам используемого топлива

Природный газ использовался на 42 предприятиях; энергетический уголь — на девяти; горючие сланцы — на одном; нефтяной и сланцевый кокс, а также остатки сортировки твердых коммунальных отходов и другие альтернативные виды в 2021 году использовались на ООО «Петербургцемент», ОП ООО «Холсим (Рус) СМ» (п. Ферзиково), в филиалах ООО «ХайдельбергЦемент Рус» в п. Новогуровский и г. Стерлитамак, на заводе «ЦЕСЛА», в ПАО «Мордовцемент» и др. [37]. Однако сами предприятия зачастую не подтверждают применение альтернативных видов топлива.

Средний удельный расход условного топлива на обжиг клинкера в России постоянно снижается. Если в 2014 году средний удельный расход топлива по цементной отрасли составил 185,0 кг у.т./т клинкера <2>, то в 2021 году средний расход условного топлива составил 152,5 кг у.т./т клинкера, что на 2,3 кг у.т./т клинкера ниже показателя 2020 года. На заводах мокрого способа производства в среднем расходовалось около 205,2 кг у.т./т клинкера, сухого способа — 117,3, а на двух технологических линиях комбинированного способа предприятия ПАО «Мордовцемент» и ООО «Холсим (Рус)» (г. Вольск) — 147,6.

<2> Кг у.т. — кг условного топлива. 1 кг у.т. = 7000 Ккал = 29,3076 МДж.

По данным Росстата, в 2010 — 2020 гг. средний по России удельный расход топлива на обжиг клинкера сократился на 28% — с 193 до 141 кг у.т./т клинкера [35].

Всего предприятиями отрасли на технологические цели за 2021 год израсходовано 8,3 млн т условного топлива.

1.4 Электроэнергия

Средний удельный расход электроэнергии при производстве цемента на российских предприятиях в 2021 году составил 120,0 кВт·ч/т цемента; на предприятиях мокрого способа — 116,5; сухого способа — 123,1 и на технологических линиях комбинированного способа — 121,0.

Следует отметить, что в 2021 году средний удельный расход электроэнергии по цементной отрасли РФ составляет 117 кВт·ч/т, в т.ч. на печах мокрого способа — 114, на печах сухого способа — 153 кВт·ч/т.

Всего предприятиями отрасли на технологические цели за 2021 год израсходовано около 7,2 млрд кВт·ч электроэнергии.

В решении вопросов топливо- и электроснабжения современные технические решения позволяют исключить строительство инфраструктуры, передающей электроэнергию, и линий электропередач путем строительства собственной электрогенерирующей установки, работающей на природном газе. На практике затраты на строительство транспортных, топливных, электрических и других коммуникаций (вода, связь, канализация и пр.) составляют 10 — 20% от сметной стоимости проекта.

1.5 Основные показатели цементных предприятий России

Одним из важнейших показателей работы предприятий цементной промышленности является удельный расход энергоресурсов на производство клинкера, промежуточного продукта в производстве цемента, и цемента. В составе себестоимости цемента в зависимости от способа его производства и технической оснащенности доля топлива и электроэнергии составляет 28 — 45%. При выборе способа производства цемента особое внимание уделяется показателям затрат расход энергоресурсов при выпуске цемента.

Усредненные показатели расхода энергоресурсов по способам производства приведены в таблице 1.8.

Таблица 1.8

Сравнительные среднегодовые показатели расхода энергоресурсов по способам производства

По данным Минэкономразвития и Росстата, в 2021 году в основной капитал цементной промышленности России инвестировано около 13,5 млрд руб. Производственная мощность предприятий России, по данным Росстата, на начало 2021 года составила 105,7 млн т цемента. По оценке, среднегодовая производственная мощность по его выпуску в 2021 году составила 105,8 млн т, а мощность на 1 января 2022 года — 106,3 млн т (при расчете данного показателя учтен вывод из эксплуатации части морально устаревшего оборудования мокрого способа).

Благодаря росту производства цемента на части предприятий в 2021 году повысился коэффициент использования действующих мощностей. По предварительной оценке, в среднем по отрасли этот показатель составил 56,6% (в 2020 г. — 55,2%).

По оценке, средняя часовая производительность основного технологического оборудования отрасли в 2021 году повысилась с 84,2 до 87,0 т/ч для вращающихся печей, с 114,5 до 115,6 т/ч для сырьевых мельниц и с 55,3 до 57,0 т/ч для цементных мельниц. Среднеотраслевой коэффициент использования календарного времени работы оборудования также вырос: по печам — до 62,0%; по сырьевым и цементным мельницам — соответственно до 55,8 и 47,5%.

1.6 Ассортимент

В 2021 году большинство российских цементных предприятий полного цикла определяли качество вырабатываемого ими цемента по прочности на сжатие в возрасте 28 сут по классам 22,5; 32,5; 42,5; и 52,5 согласно межгосударственному стандарту ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия».

Более 20 цементных предприятий, объем производства цемента на которых в 2021 году составил 46,0% его общего выпуска в стране, продолжали учитывать качество своего цемента по маркам согласно требованиям действующего ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия». По оценке, средняя марка цемента по этой группе предприятий в 2021 году не изменилась по сравнению с показателем 2020 года и составила 469 кгс/см2 [33].

Основной объем произведенного в стране цемента пришелся на долю портландцементов без минеральных добавок. В 2021 году доля производства портландцемента без добавок повысилась с 61,7 до 63,0%. Второе место по объемам производства занимали портландцементы с минеральными добавками. Доля портландцемента с добавками уменьшилась с 33,8 до 32,5% [34] (таблица 1.9).

Таблица 1.9

Производство цемента по видам в 2020 — 2021 гг.

В 2021 году наблюдался рост объемов производства всех видов цемента за исключением тампонажных портландцементов. Больше всего за год выросло производство портландцемента без минеральных добавок — на 3350 тыс. т (9,7%), до 37 857 тыс. т. Производство тампонажных портландцементов снизилось на 51 тыс. т (6,8%), до 703 тыс. т.

В 2021 году, как и в предыдущие годы, почти все цементные предприятия занимались вопросами повышения качества цемента, совершенствовали технологию подготовки и обжига сырья, лабораторный контроль по всем переделам производства, обновляли лабораторное оборудование.

С 1 января 2022 года нормы стандартизации в российской цементной отрасли изменились. В частности, вступил в силу ГОСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные. Технические условия» и был отменен ГОСТ 10178-85.

Изменение видовой структуры потребления цемента в основном проходило в период экономических реформ 90-х гг. В видовой структуре производства цемента обращает на себя внимание продолжающаяся длительное время тенденция снижения доли выпуска шлакопортландцемента. Если в 1990 году его доля в общем выпуске составляла около 28%, то в настоящее время — около 3%. Это ведет к удорожанию себестоимости цемента и, соответственно, росту его стоимости.

За последние десять лет структура потребления по видам практически не изменилась т.к. цементные заводы России приспособились к потребностям рынка. Особо стоит отметить, что текущие потребности рынка представляются малообоснованными и вызваны общим снижением культуры использования цементов по их назначению.

Нередко вместо малоклинкерных цементов используются бездобавочные цементы. Так, цемент ЦЕМ I используется для производства кладочных и штукатурных растворов и в выпуске многих изделий, где экономически, а иногда и технически, целесообразно применять низкомарочные и добавочные цементы.

В условиях снижения темпов строительства на протяжении 2016 — 2021 гг. наблюдается рост потребления высокомарочного цемента для производства более качественной и конкурентоспособной продукции. В случае возобновления темпов роста строительства в 2022 году доля высокой марки в потреблении цемента также продолжит расти. А по дорожной карте к 2050 году клинкер-фактор в России должен снизиться с 0,889 (как в 2021 году) до 0,67.

1.7 Анализ приоритетных проблем отрасли

Важнейшей проблемой цементной промышленности является снижение конкурентоспособности цементных предприятий России. Являясь топливодобывающей страной, имея достаточные объемы энергоресурсов, сырьевой базы, трудовых ресурсов, Россия увеличила импорт цемента, начиная с 2005 года, в девять раз — до 7,8 млн т в 2008 году. В 2021 году импорт составил 1,687 млн т. Экспорт цемента снизился соответственно в три раза — с 3,1 млн т до 1,234 млн т.

К числу самых острых технологических проблем цементной отрасли в России следует отнести низкую энергоэффективность и, как следствие, высокую себестоимость выпускаемой продукции. Причины низкой производительности на уровне процесса производства — крайне низкая загрузка мощностей, использование мокрой технологии, приводящей к чрезмерному потреблению энергии.

К числу актуальных проблем цементной отрасли следует отнести недостаточно высокое качество производимой продукции и наличие контрафакта. Перспективы предприятий цементной промышленности заключаются в формировании цивилизованного рынка цемента, где основными игроками станут стратегические участники-цементники, заинтересованные в долгосрочном развитии рынка.

В среднесрочной и долгосрочной перспективе положительными факторами для отрасли станут антикризисные мероприятия Правительства России и региональных властей, пакеты поддержки предприятий и населения, а также реновация жилого фонда, реализация проектов комплексного освоения территорий, увеличение доли строительства цементобетонных дорог, выполнение национального проекта «Жилье и городская среда» и иных инициатив Президента России В.В. Путина.

Реконструкция ряда предприятий цементной промышленности включена в перечень важнейших строек, финансируемых за счет средств федерального бюджета. Из-за отсутствия этих средств основным источником финансирования становятся собственные средства предприятий, заемные и привлеченные средства.

По данным НИИ ПСМ и СМПРО, цементная промышленность имеет огромную закредитованность — объем задолженности отрасли перед банками составляет ~= 250 млрд рублей. Стоимость заемного финансирования для крупных предприятий в 2015 — 2020 гг. составляла 12 — 18%, для мелких и средних — более 15%.

Загрузка мощности предприятий последние два-три года в среднем по отрасли ~= 50 — 60%, мощности превосходят объем потребления цемента почти в два раза. Даже при самом лучшем сценарии развития экономики в отрасли мощностей достаточно для удовлетворения спроса на горизонте до 2025 — 2030 гг., при этом еще лет десять строить новые заводы не надо.

В последние годы в российской цементной промышленности начали формироваться элементы четвертой промышленной революции, которая характеризуется развитием кибернетических систем и их применением. Она осуществляется на основе глубокого внедрения технологии Интернета и высокопроизводительной электроники в различных технологических процессах, среде обитания человека, экологии и др. Среди ее средств — формирование и обработка больших массивов данных, создание цифровых двойников, искусственный интеллект, интеллект вещей и др. «Умная» система сама должна автоматически разрабатывать новые технологии, настраивать оптимальные режимы работы производственных линий, выпускать в нужных объемах продукцию с заданными потребительскими свойствами.

Таким образом, основные тренды развития цементной промышленности Российской Федерации сегодня и в ближайшем будущем включают в себя также цифровизацию, наряду с переходом на энергосберегающие технологии, использованием альтернативного топлива и снижением негативного воздействия на окружающую среду.

Определять развитие отрасли в ближайшее время будут динамика потребления цемента и неразрывно связанная с ней динамика изменения цен.

Стоимость цемента на рынке и прибыльность цементного бизнеса будут больше зависеть от консолидации рынка и рационального поведения крупнейших игроков, чем от динамики спроса. Рынок все еще находится в критической зоне 50 процентов использования мощности с одной стороны и высокой концентрации производства с другой.

Приближение к максимальным значениям потребления цемента в Российской Федерации 1989 года в средне- и долгосрочной перспективе возможно при одновременном влиянии следующих факторов:

• рост мировых цен на топливно-энергетические товары;
• рост или, в худшем случае, сохранение достигнутых объемов жилищного строительства;
• существенный рост промышленного и инфраструктурного строительства;
• сохранение текущего уровня цементоемкости строительства;
• сохранение текущей, то есть низкой доли использования минеральных добавок при производстве бетона и других строительных материалов на основе цемента.

С одной стороны, строительство новых цементных производств, которое началось в середине нулевых годов, может рассматриваться как позитивная динамика инновационного развития. С другой стороны, это стало одной из причин кризиса перепроизводства цемента и обострения конкуренции.

Для решения финансовых проблем производителей цемента необходимы консолидация отрасли и существенный рост потребления.

В цементной отрасли назрело множество проблем. Ряд из них носят общий характер для всех игроков рынка: падение спроса со стороны строителей гражданско-жилых объектов (70 — 80% потребления цемента в стране формируется застройщиками жилья), ежегодный рост тарифов естественных монополий, за которыми не поспевает цементный рынок, недоступность банковского кредитования, проблемы с контрафактной продукцией, недостаточно тщательная защита прав производителей цементной продукции, а также отсутствие драйверов отрасли в виде реализации крупных инфраструктурных проектов с применением цемента.

Огромной проблемой для отрасли по-прежнему остается наличие старых заводов, требующих модернизации в соответствии с экологическими стандартами, а также требованиями к качеству продукции. По мнению большинства участников рынка, драйвером отрасли могут стать инфраструктурное строительство с применением продукции цементных предприятий, внедрение инновационных технологий, дешевые кредиты, а также государственные программы по сносу аварийного жилья в регионах (для стимулирования жилищного строительства). Назрела необходимость изменений в части нормативной базы и внедрения новых технологий.

Сохранение текущего состояния производственных фондов предприятий отрасли приведет к усилению негативного воздействия на экологию и повышению финансовой нагрузки, связанной с ужесточением законодательства в области охраны окружающей среды. Таким образом, модернизация производственных мощностей и решение вопроса экологической безопасности являются приоритетами промышленной политики России.

Одна из главных задач экологической политики на среднесрочный период — применение принципа нормирования допустимого воздействия на окружающую среду на основе показателей наилучших доступных технологий.

Целью внедрения механизма НДТ, помимо снижения уровня промышленного загрязнения, будет являться ускоренное технологическое развитие цементной отрасли. Заводы, обязанные принимать меры, направленные на снижение отрицательного воздействия на окружающую среду в целях сохранения себестоимости на конкурентном уровне, будут вынуждены сконцентрировать усилия на модернизации и повышении эффективности технологий, а также на оптимизации производственных издержек. Внедрение механизма НДТ также избавит от необходимости установления единых для всех предприятий регламентов, которые могут не учитывать особенности процессов производства, применяемого сырья и т.п.

Проблем в цементной отрасли назрело немало. Так, рост цен на цементную продукцию не поспевает за тарифами естественных монополий — разница может доходить до 1 200 рублей за 1 т цемента.

В среднесрочной и долгосрочной перспективах положительными факторами для отрасли станут реновация жилого фонда, реализация проектов комплексного освоения территорий, увеличение доли строительства цементобетонных дорог, использование минеральных вяжущих для укрепления грунтов и 3D-печать.

В целях повышения эффективности работы цементных предприятий необходимо решить следующие проблемы:

На макроуровне:

• увеличение вклада предприятий по производству стройматериалов в ВВП;
• модернизация предприятий промышленности строительных материалов с целью выпуска конкурентоспособной продукции;
• ослабление до минимума зависимости страны от импорта строительных материалов и расширение экспорта высокотехнологичной продукции;
• увеличение налоговых поступлений в консолидированный бюджет РФ;
• снижение до минимума потребления природных ресурсов: сырья, топлива, минеральных добавок;
• повышение доли замещения природного топлива альтернативным;
• повышение доли замещения природного сырья техногенным (альтернативным);
• улучшение экологии за счет вовлечения в оборот вторичных сырьевых ресурсов (что должно стать общегосударственной задачей), использование экологически чистого оборудования и технологий;
• восстановление отраслевой науки;
• восстановление машиностроительной базы цементной промышленности;
• снижение доли энергозатратных производств;
• создание дополнительных рабочих мест в строительном и смежном секторах экономики;
• низкий уровень автоматизации технологических процессов предприятий, введение в эксплуатацию в 1990 году.

На микроуровне:

• обеспечение потребности региональных рынков в строительных материалах по объемам, ассортименту и качеству;
• формирование эффективных рыночно-ориентированных бизнес-структур нового поколения;
• повышение инновационной активности и уровня обновления основных фондов предприятий строительных материалов;
• повышение производительности труда;
• повышение спроса на квалифицированные научно-технические кадры;
• инициация выхода в высшие органы власти с предложениями по повышению эффективности функционирования строительной отрасли.

Необходимость рационального использования и экономии топливно-энергетических ресурсов указывает на то, что назрела объективная необходимость коренной реконструкции отечественной цементной промышленности на основе ввода производственных фондов с использованием энергосберегающих технологий и вывода из эксплуатации морально и физически изношенного оборудования.

Внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий предполагается осуществлять по следующим основным направлениям:

• реконструкция действующих предприятий, как правило, за счет строительства новых технологических линий сухого способа производства;
• прямая реконструкция мощных печей мокрого способа с переводом их на последующих этапах обновления промышленности при условиях экономической целесообразности;
• строительство новых предприятий в остро нуждающихся регионах при наличии сырья, пригодного для сухого способа производства (в исключительных случаях при крайней необходимости в новом заводе и при наличии влажного сырья применять мокрый способ производства);
• реконструкция действующих технологических линий мокрого способа с увеличением выпуска продукции и внедрением энергосберегающих мероприятий с одновременным выводом из эксплуатации устаревших обветшавших производств с повышенным расходом топливно-энергетических ресурсов, в первую очередь шахтными и вращающимися печами длиной до 100 м;
• широкое развитие производства тонкомолотых и смешанных цементов со строительством новых помольных агрегатов замкнутого цикла и оснащение действующих мельниц сепараторами и устройствами для предварительного (раздельного) измельчения (помола) материалов;
• реконструкция, модернизация и замена обеспыливающих и водосточных устройств с целью достижения санитарных норм;
• своевременное развитие сырьевых баз предприятий;
• широкое использование отходов других отраслей промышленности.

Серьезное внимание должно уделяться повышению качества цемента.

Современные технические средства позволяют обеспечить заданную стабильность химического и фазового состава сырьевой шихты, клинкера, стабильность ведения технологических процессов, что обеспечит выпуск цемента заданных состава и строительно-технических свойств.

В 2016 году Правительством РФ утверждена «Стратегия развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года и дальнейшую перспективу до 2030 года» [37].

Целями Стратегии являются:

• формирование высокотехнологичной, конкурентоспособной, устойчивой и сбалансированной (в части спроса и предложения) промышленности строительных материалов инновационного типа, обеспечивающей внутренний и внешний рынки качественной, доступной и энергоэффективной продукцией;
• снижение зависимости отрасли от зарубежных технологий, оборудования и сырьевых компонентов;
• обеспечение занятости населения и повышение уровня жизни граждан.

Реализация перечисленных в Стратегии мер, таких, как повышение финансовой доступности ресурсов для инновационных проектов, восстановление отраслевой науки и обеспечение ее устойчивой связи с производством путем организации деятельности отраслевых НИИ, а также применение инструментов налогового стимулирования инвестиционной деятельности предприятий, позволит провести реконструкцию и создать материалоемкую и энергоэффективную отечественную цементную промышленность.

Раздел 2 Основные технологические процессы, используемые в настоящее время при производстве цемента в Российской Федерации

Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом и добавками, образующее при затворении водой удобоукладываемое тесто, способное затвердевать в воде и на воздухе.

Портландцементный клинкер — продукт обжига до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины или некоторых других материалов (мергеля, нефелинового шлама, доменного шлака и др.), обеспечивающих образование в клинкере силикатов кальция (70 — 80%) и алюминатной и алюмоферритной фаз (20 — 30%).

При этом протекают следующие физико-химические процессы:

Основные стадии производства портландцемента представлены на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Стадии производства портландцемента. Общая схема технологического процесса получения цемента по [38]

При этом некоторые технологические процессы могут совмещаться в одном агрегате или, напротив, одинаковые процессы протекать в нескольких агрегатах и осуществляться в другой последовательности. В связи с тем, что отдельные сырьевые материалы имеют различные технологические свойства (прочность, влажность, липкость, абразивность, размалываемость, спекаемость и др.), для организации наиболее экономичного процесса их переработки и в соответствии с состоянием технологического оборудования и систем автоматизации разработаны и получили промышленную реализацию различные способы производства цемента.

2.1 Основные способы производства цемента

В цементной промышленности используют три способа производства, в основе которых лежат различные технологические приемы подготовки сырьевого материала:

а) мокрый, когда сырьевые компоненты измельчают совместно с водой с получением суспензии влажностью W ~ 40%, называемой шламом, из которого воду в последующем удаляют испарением;

б) сухой, при котором влажные компоненты подвергают сушке и измельчению с получением сырьевой смеси W ~ 1%;

в) комбинированный способ подразделяют на два варианта:

1. полумокрый <3>, когда шлам, полученный по мокрому способу, обезвоживают с применением пресс-фильтров с получением кека W ~ 20%;

2. полусухой, при котором сухую сырьевую муку увлажняют до W ~ 13% и гранулируют или брикетируют.

<3> Так именуют этот способ в зарубежной практике; в России его обозначают как полусухой, а так как вышеприведенный полусухой способ в настоящее время практически не применяют, то в дальнейшем полумокрый способ будет именоваться «комбинированным способом».

Все способы производства включают в себя следующие общие процессы:

• сырьевые материалы — хранение и подготовку;
• топливо — хранение и подготовку;
• использование отходов/материалов из отходов в качестве сырьевых материалов и (или) топлива, определение их качества, контроль и подготовку;
• печную систему, систему сжигания топлива и установки для снижения вредных выбросов;
• продукты — хранение и подготовку;
• упаковку и отгрузку.

Процесс производства белого цемента аналогичен процессу производства серого портландцемента. Процесс производства включает отбор сырьевых материалов, их хранение и подготовку, хранение и подготовку топлива, обжиг клинкера в печи, его охлаждение с отбеливанием и помол со строгим контролем на всех стадиях производства во избежание загрязнений и нежелательных изменений продукта. Совмещение процессов охлаждения и отбеливания необходимо для повышения белизны этого специального вида цемента и для придания ему однородной окраски.

Соответствующие технологические схемы, реализованные в России, представлены на рисунках 2.2 - 2.8, а сравнительные эксплуатационные показатели — в таблицах 2.1 - 2.2 [39].

Рисунок 2.2 — Традиционная технологическая схема мокрого способа производства клинкера при применении твердых и мягких сырьевых компонентов

Рисунок 2.3 — Технологическая схема полусухого способа производства клинкера с печью Леполь

Рисунок 2.4 — Технологическая схема сухого способа производства клинкера с вращающейся печью и циклонными теплообменниками

Рисунок 2.5 — Технологическая схема комбинированного способа приготовления клинкера

Рисунок 2.6 — Технологическая схема сухого способа без традиционного сырьевого цеха при применении мягких компонентов без твердых включений

Рисунок 2.7 — Технологическая схема сухого способа при применении материалов высокой влажности

Рисунок 2.8 — Технологическая схема сухого способа при применении материалов низкой влажности

Таблица 2.1

Основные проектные показатели печей мокрого способа производства

<*> кг у.т./т·кл. — кг условного топлива на тонну клинкера.

Таблица 2.2

Основные показатели различных способов производства цемента

<*> кг у.т./т·кл. — кг условного топлива на тонну клинкера.

Учитывая, что последняя стадия технологического процесса — измельчение клинкера и добавок с получением цемента — не зависит от способа производства, преимущества и недостатки отдельных способов представлены только до завершения процесса производства клинкера.

2.1.1 Технологическая схема мокрого способа производства цемента

Традиционная технологическая схема мокрого способа производства цемента широко распространена в России.

Преимущества:

• упрощенные технологическая схема и оборудование;
• получение качественной и стабильной сырьевой смеси (шлама).

Недостатки:

• высокий расход топлива и огнеупоров;
• повышенный выброс в атмосферу парникового газа (CO2), паров воды (H2O) и NOx;
• низкая единичная мощность печи;
• практически отсутствие системы автоматизации процесса обжига;
• пониженная производительность труда.

В России более 60% цемента производится на заводах мокрого способа с ориентировочными показателями вращающихся печей, приведенными в таблице 2.1.

В настоящее время на многих цементных заводах, например, на ЗАО «Белгородский цемент», АО «Себряковцемент» и других, печи пониженной производительности с рекуператорными холодильниками выводят из эксплуатации. Поэтому в дальнейшем мокрый способ будет рассмотрен на примере печей 5 x 185 м. Такие печи эксплуатируют на ЗАО «Осколцемент», ПАО «Мордовцемент», ЗАО «Кавказцемент», ООО «Топкинский цемент» и др.

До недавнего времени мокрый способ рекомендовали к применению для сырьевых компонентов с высокой природной влажностью (выше 15%). В настоящее время эти нормы пересмотрены, и фактически не строят заводы по традиционной схеме мокрого способа даже при влажности сырья 25 — 32%.

2.1.2 Технологическая схема полусухого способа производства цемента

Полусухой способ с печью «Леполь». Приготовление сырьевой смеси — по сухому способу, увлажнение с получением гранул, сушка и частичная декарбонизация — на конвейерном кальцинаторе, обжиг клинкера — по сухому способу.

Преимущество:

• пониженный расход топлива.

Недостатки:

• конструктивная сложность оборудования;
• повышенная требовательность к гранулируемости сырья.

В связи с появлением печей с циклонными теплообменниками печи «Леполь» утратили свое преимущество, и в настоящее время их практически не эксплуатируют. Поэтому в дальнейшем этот способ не рассматривается.

В России такие две печи сохранились на Липецком цементном заводе.

2.1.3 Технологическая схема сухого способа производства цемента с циклонными теплообменниками

Сухой способ производства. Приготовление сырьевой смеси и обжиг клинкера — по сухому способу.

Преимущества:

• низкий удельный расход топлива и сырьевых материалов;
• пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO2), паров воды (H2O) и NOx.

Недостатки:

• некоторое затруднение приготовления сырьевой смеси стабильного состава;
• некоторое снижение качества клинкера;
• усложненная технологическая схема.

Такие печи в настоящее время эксплуатируются на АО «Спасскцемент», АО «Липецкцемент» и ЗАО «Катавский цемент».

2.1.4 Технологическая схема комбинированного способа

Помол шлама производят по мокрому способу, частичное обезвоживание — фильтрацией, обжиг клинкера — по сухому способу.

Преимущества:

• пониженный расход топлива, огнеупоров и сырьевых материалов;
• пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO2), паров воды (H2O) и NOx;
• при переводе процесса с мокрого на комбинированный сохраняется стадия помола шлама, что снижает капитальные затраты на реконструкцию;
• получение качественной и стабильной сырьевой смеси, обеспечивающей повышенное качество клинкера;
• высокая степень автоматизации технологических процессов.

Недостатки:

• наличие дополнительного оборудования;
• необходимость дополнительной операции по фильтрации шлама.

Такие технологические линии реализованы на АО «Себряковцемент» и ПАО «Мордовцемент», ООО «Холсим (Рус)» (г. Вольск).

2.1.5 Технологическая схема сухого способа без традиционного сырьевого цеха

Такая схема может быть применена только для сырья мягкой породы без твердых включений. Сушка сырьевой смеси и обжиг клинкера производят без предварительного помола компонентов, т.е. практически реализована технологическая линия без традиционного сырьевого цеха.

Преимущества:

• пониженный расход топлива, огнеупоров и сырьевых материалов;
• повышенная единичная мощность агрегатов;
• пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO2) и паров воды (H2O);
• отсутствие традиционного сырьевого цеха;
• высокая степень автоматизации технологических процессов.

Недостатки:

• сложность приготовления гомогенной сырьевой смеси стабильного состава;
• отсутствие склада запаса сырьевой смеси.

В России такие технологические линии реализованы на Воронежском филиале АО «Евроцемент груп», на АО «Себряковцемент» и на ООО «Азия Цемент» в Пензенской области.

Подобную схему применяют и при мокром способе на заводе Рагби в Англии при влажности шлама 36 — 38%. Это позволяет повысить производительность печи и снизить расход тепла по сравнению с традиционным мокрым способом на ~ 10%.

2.1.6 Технологическая схема сухого способа производства для сырья высокой влажности

Приготовление сырьевой смеси и обжиг клинкера — по сухому способу.

Преимущества:

• низкий удельный расход топлива, огнеупоров и сырьевых материалов;
• высокая единичная производительность печи до 6000 т/сутки;
• пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO2), паров воды (H2O) и NOx;
• высокая степень автоматизации технологических процессов;
• возможность выработки электроэнергии с применением газотурбинной установки и утилизации газов после нее с температурой ~ 450 °C для сушки сырья;
• высокая производительность труда.

Недостатки:

• некоторое снижение качества клинкера;
• усложненная технологическая схема.

Такая технологическая схема реализована для мягких сырьевых компонентов на ПАО «Мордовцемент» и для твердых — на Первомайском цементном заводе, ОАО «Верхнебаканский цементный завод» Краснодарского края, ООО «Холсим (Рус) СМ» (г. Коломна) и ОП ООО «Холсим (Рус) СМ» (п. Ферзиково).

2.1.7 Технологическая схема сухого способа производства для сырья низкой влажности

Такая схема рациональна для твердых компонентов низкой влажности. Особенность данной схемы заключается в применении для измельчения сырья пресс-валкового измельчителя, который обеспечивает минимальный расход электроэнергии при помоле сырья.

В России такой способ реализован на заводе ЮУГПК в Новотроицке, который в качестве сырьевых компонентов применяет в основном техногенные отходы металлургического производства.

Ниже приводятся ориентировочные показатели работы печей различных способов производства цемента (таблица 2.2).

2.2 Сырьевые материалы — добыча, хранение и подготовка

2.2.1 Сырьевые материалы и их добыча

Современный цементный завод перерабатывает 5 — 20 тыс. т сырья в сутки. Основные сырьевые материалы — известняк, мел, мергель и сланец или глина — доставляются с карьера. В большинстве случаев карьер расположен близко к заводу.

Добыча всех природных сырьевых материалов включает горные и карьерные работы. Материалы чаще всего добывают открытым способом. Добыча включает следующие операции: бурение, взрывные работы, экскавация, транспортирование и дробление.

После первичного дробления сырьевые материалы транспортируются на цементный завод для хранения и дальнейшей переработки. Другие сырьевые материалы, такие как боксит, железная руда, доменный шлак или литейный (формовочный) песок, привозятся из других регионов или других предприятий.

Сырьевые материалы должны иметь химический состав, который бы обеспечивал процесс обжига клинкера и его качество.

2.2.2 Характеристика сырьевых материалов

Сырьевая смесь для получения портландцементного клинкера состоит из карбонатного, алюмосиликатного и корректирующего компонентов.

Основными карбонатсодержащими компонентами являются мел, известняк, мергель, алюмосиликатными — глина, металлургические шлаки и золы. Корректирующим компонентом, как правило, являются железосодержащие добавки — шлаки сталеплавильные, пиритные огарки.

Наиболее распространенные материалы представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3

Химический состав компонентов, % масс.

<4> Оскольский электрометаллургический комбинат.

<5> Южноуральская горноперерабатывающая компания.

<6> ЗШО — золошлаковые отходы.

Помимо «основных» оксидов (CaO, Al2O3, Fe2O3, SiO2), сырьевые материалы содержат «второстепенные» компоненты в количестве 1 — 5% (MgO, SO3, P2O5) и примеси, концентрация которых 0,05 — 1,0% (таблица 2.4).

Таблица 2.4

Содержание примесей в компонентах в пересчете на оксиды, % масс.

Карбонатный компонент оценивается по содержанию CaCO3, которое должно быть не менее 76%. В известняках и мелах CaCO3 содержится от 95 до 100%; в мергелистых известняках — 90 — 95%; в известняковых мергелях — 75 — 90%; в мергелях — 40 — 75%.

Мергель, содержащий CaCO3 ~= 76%, является мергелем-натуралом, и при добавлении к нему Fe2O3 создастся высокореакционная сырьевая смесь. Такая сырьевая смесь снижает температуру спекания клинкера на 50 — 100 °C, обеспечивает высокое качество клинкера, экономию топлива, огнеупоров и снижение выбросов в атмосферу отходящих из печи парниковых газов CO2 и NOx.

Качество алюмосиликатного компонента оценивается по трем показателям:

• отношению SiO2/Al2O3;
• наличию крупнокристаллического кварца (фракции более 80 мкм);
• наличию примесей.

Оптимальное отношение SiO2/Al2O3 = 3,5 — 3,8. Если отношение SiO2/Al2O3 > 4, то для приготовления оптимального состава в сырьевую смесь необходимо вводить алюмосодержащую добавку, а при отношении SiO2/Al2O3 < 3 — кремнеземсодержащую. Оценка алюмосиликатного компонента по кварцу и примесям будет представлена в соответствующих разделах.

Железосодержащая добавка оценивается по отношению Fe2O3/SiO2 и Fe2O3/Al2O3, которые должны быть не менее 0,4 и 2,0, соответственно.

Глины представлены кварцем, глинистыми минералами — каолинитом, монтмориллонитом, галлуазитом, бейделитом. Присутствуют (~= 3%) щелочесодержащие минералы — иллит, микроклин и альбит. Важным показателем качества глины является содержание в ней крупнокристаллического кварца, так как при превышении определенной величины необходима повышенная температура спекания клинкера, из-за чего повышаются расход топлива, объем отходящих из печи газов, включая CO2, SOx, NOx и, как следствие, выброс вредных веществ в атмосферу. Поэтому необходимо минимизировать содержание крупнокристаллического кварца в сырьевой смеси. Для ЗАО «Осколцемент» это ограничение равно 1,5%, для АО «Себряковцемент» — 4%.

Доменный шлак представляет собой стекло. Закристаллизованный доменный шлак имеет мелилитовый состав и содержит немного \alpha - CaO \cdot SiO_{2} и MgO.

Мартеновский шлак в основном содержит FeO, Fe3O4, Fe2O3 и FeO·SiO2. Присутствуют также \beta - SiO_{2} , MgO, монтичеллит CaO·MgO·SiO2 и диопсид CaO·MgO·2SiO2.

Шлак ОЭМК содержит 2CaO·SiO2·H2O (A), MgO, \gamma - C_{2}S , 7CaO·MgO·4SiO2, 5CaO·MgO·3SiO2, FeO и Fe2O3.

Шлаки мартеновские и ОЭМК могут быть применены как железосодержащая добавка.

Так как шлаки содержат значительное количество CaO, то при их применении снижается содержание CaCO3 в сырье, следовательно, затраты тепла на декарбонизацию и тепловой эффект клинкерообразования, что значительно снижает выброс в атмосферу продуктов горения и CO2 из сырья. Поэтому, чем больше некарбонатной извести в шлаке, тем больше будут экономический и экологический эффекты. Кроме того, при применении шлака решается еще одна экологическая проблема — снижается объем шлакохранилищ.

Значительный экологический эффект достигается также при применении в качестве кальцийсодержащего компонента отхода производства глинозема — белитового (нефелинового) шлама, что практически реализовано на Ачинском и Пикалевском цементных заводах.

Отходы различных отраслей промышленности могут частично заменять природные сырьевые материалы. Относительно использования отходов/материалов из отходов в качестве сырьевых материалов см. раздел 2.7.2.

Для производства белого цемента пригодны сырьевые материалы высокой чистоты, содержащие оксиды кальция, кремния и алюминия. Сырьевые материалы, например, высокочистый известняк, белые глины, каолин, кварцевый песок, полевой шпат, диатомит, выбираются с малым количеством железа, марганца и титана. Оксиды металлов влияют на белизну продукта и являются одним из факторов, определяющих их выбор в качестве сырьевых компонентов. Чтобы повысить белизну клинкера белого цемента, иногда используют минерализаторы в небольшом количестве (0,5 — 1,5%).

Все приведенные свойства сырьевых компонентов оказывают значительное влияние на технологические процессы производства и качество клинкера, а также на состояние окружающей среды. При оптимальном составе сырьевой смеси, когда отношение SiO2/Al2O3 = 3,5 — 3,8, ограничено содержание крупнокристаллического кварца, создаются благоприятные предпосылки для выпуска высококачественного цемента, высокой стойкости футеровки, следовательно, для экономии огнеупоров и топлива. Кроме того, при этом решается важнейшая экологическая задача по предотвращению клинкерного пыления и настылей в печных системах, что дополнительно приводит к экономии легированных колосников.

2.2.3 Влияние примесей в сырье на процессы обжига и качество клинкера

Примеси в основном присутствуют в алюмосиликатных компонентах. Многие из этих элементов в малых количествах являются минерализаторами, интенсифицируя процесс спекания и повышая качество клинкера. Отдельные примеси, такие как соединения S, K, Na, Cl, Cr, негативно влияют на технологию обжига и качество клинкера [40 - 42].

Содержание ангидрида серной кислоты SO3 в сырьевой смеси ограничивается до 0,8%, поскольку сернистые соединения в высокотемпературной зоне улетучиваются, накапливаются в печных зонах, затем вновь конденсируются, постоянно циркулируя в пределах печной системы. Содержание этих соединений в обжигаемом материале может увеличиться примерно в два и более раз, особенно в присутствии щелочей. При концентрации кислорода в отходящих газах более 2 — 2,5% серосодержащие соединения при 1100 — 1300 °C временно образуют силикосульфат кальция 2C2S·CaSO4, при разложении которого образуется алит пониженной активности. При концентрации O2 более 3 — 4% сера, окисляясь до SO3, в значительной степени остается в клинкере, снижая его качество. При пониженной концентрации O2 < 1,5% в зоне горения повышается содержание более легколетучего SO2, что снижает SO3 в клинкере, повышает его качество, но повышается выброс оксидов серы в атмосферу и, следовательно, ухудшается состояние окружающей среды. Кроме того, SO3 является одной из основных причин образования настылей в теплообменниках и колец в печи. Наличие повышенного количества SO3 в клинкере может снижать прочность цемента в результате заведомого снижения необходимого количества вводимого гипса при помоле, т.к. SO3 клинкера одновременно титруется на колонке при определении количества гипса в цементе.

Щелочи (K2O и Na2O) и хлор почти всегда содержатся во всех сырьевых материалах, переходя затем в клинкер. При обжиге сырьевой смеси щелочные, как сернистые и хлористые соединения, возгоняются и накапливаются в газовых и материальных потоках. Отрицательное влияние щелочесодержащие соединения оказывают при значительном их содержании и на обжиг клинкера, изменяя последовательность процесса минералообразования, значительно ускоряя образование белита, изменяя свойства клинкерного расплава, замедляют алитообразование. Летучесть хлора в высокотемпературных зонах печи, по данным фирмы KHD, составляет 99%, K2O — 50% и Na2O — 10%.

Наличие в материале печи щелоче- и серосодержащих соединений нарушает процесс гранулообразования клинкера, приводит к клинкерному пылению и снижению активности клинкера. Изменение грануляции клинкера нарушает режим его охлаждения в колосниковом холодильнике, что приводит к снижению теплового КПД холодильника и повышению расхода топлива на обжиг клинкера.

Кроме того, присутствие щелочей в цементе нежелательно, так как они иногда являются причиной непостоянства сроков схватывания при гидратации цемента, образования выцветов на цементных изделиях и появления трещин в бетонах. Для выпуска высокопрочных цементов необходимо ограничить в сырьевой смеси содержание R2O не более 0,5%.

При сухом способе производства накопление щелочей в совокупности с оксидом серы и особенно хлором приводит к настылеобразованию в системе запечных теплообменников, избавление от которого возможно с помощью байпасирования части отходящих из печи газов. Поэтому содержание хлора в сырьевой шихте ограничивается величиной 0,015%, в других источниках — не более 0,012%. По «Техническим требованиям» содержание хлора в сырьевой смеси можно повысить до 0,1% без байпасирования части отходящих газов при условии содержания SO3 менее 0,6 и суммы щелочных оксидов менее 0,2%.

Оксид магния MgO может поступать в сырьевую смесь с известняком или с глиной в виде примеси в них доломита CaCO3·MgCO3 или магнезита MgCO3. В интервале температур 600 — 750 °C в процессе разложения магнезита (доломита) выделяется MgO, который частично растворяется в клинкерном расплаве, незначительно снижая его вязкость, частично в алите, белите и в минералах плавнях. В основном MgO остается в свободном состоянии в виде кристаллического периклаза, который медленно гидратируется, когда раствор или бетон уже затвердели. В результате гидратации происходит увеличение объема, которое нарушает прочность изделия и даже может вызвать его разрушение. Поэтому содержание MgO в сырьевой смеси ограничивается не более 3%.

MgO в сырьевую смесь может поступать и с доменным шлаком, используемым в качестве сырьевого компонента. Однако оксид магния MgO в шлаке находится в основном в различных шлаковых минералах: диопсид CaO·MgO·2SiO2, акерманит 2CaO·2MgO·SiO2, мервинит 3CaO·MgO·2SiO2, монтичеллит CaO·MgO·SiO2, стекле и лишь менее 1% в виде периклаза MgO. При использовании шлака в качестве алюмосиликатного компонента сырьевой смеси в клинкере оксид магния выделяется преимущественно в свободном состоянии в виде периклаза, равномерно распределяясь в поле шлифа в виде мельчайших зернышек размером от 1 до 7 мкм. При нагревании шлаковой сырьевой смеси выделение MgO из стекла или из шлаковых минералов происходит в процессе твердофазовых реакций при 1200 — 1350 °C, и вследствие более позднего появления MgO рекристаллизуется в меньшей степени и не успевает значительно увеличиться в размерах.

Оксиды марганца обнаруживаются в глинах и мергелях в виде родохрозита MnCO3 или в доменных шлаках в виде алабандина MnS, радонита MnO·SiO2 и тефроита MnO2·SiO2, но в заводских сырьевых смесях количество их весьма невелико. Оксид марганца MnO положительно влияет на процессы минералообразования, которые ускоряются в присутствии 0,5 — 2,0% MnO и завершаются на 50 — 100 °C ниже обычной температуры. В процессе обжига понижается вязкость расплава и улучшается кристаллизация алита.

Введение в сырьевую смесь 0,5 — 1,0% Mn2O3 способствует увеличению количества жидкой фазы и образованию призматических кристаллов алита размером 10 — 40 мкм. Одновременно увеличивается в клинкере содержание алита и алюмоферритной фазы и уменьшается количество C3A и C2S. Присутствие оксида марганца повышает гидратационную активность цемента в 28-суточном возрасте.

Фосфорный ангидрид P2O5 может содержаться в сырьевых материалах лишь как случайная примесь и в самых ничтожных количествах. Содержание оксида фосфора в сырьевой смеси в количестве 0,2 — 0,3% оказывает положительное влияние, активизируя белитовую фазу. При повышенном содержании P2O5 в клинкере замедляется процесс твердения цементного камня.

Диоксид титана TiO2 всегда содержится в глинах и мергелях в количестве 0,01 — 0,5%, входя в состав чаще в виде минералов рутила TiO2, ильменита FeO·TiO2, перовскита CaO·TiO2, и затем попадает в клинкер. Наличие диоксида титана в небольших количествах оказывается полезным, так как он содействует лучшей кристаллизации клинкерных минералов. В клинкере TiO2 на 80 — 90% концентрируется в алюмоферритной фазе, через которую и оказывает влияние на фазовые соотношения в клинкерной системе. Обычно содержание TiO2 в сырьевой смеси должно составлять не более 0,3%.

Оксид стронция SrO в природных условиях чаще всего встречается в виде минералов целестина SrSO4 и стронцианита SrCO3 как возможные примеси в известняке, доломите, мергеле и гипсоносных глинах. В сырьевых смесях оксид стронция в количестве 0,5% ускоряет процесс клинкерообразования, снижает температуру образования клинкерного расплава и его вязкость, в количестве 0,25% от массы клинкера обеспечивает рост гидратационной активности цемента. При повышении содержания оксида стронция прочность цемента снижается. Таким образом, присутствие SrO в количестве 0,2 — 0,3% в клинкере весьма желательно для повышения активности портландцемента.

Наиболее нежелательным оксидом в сырьевой смеси и клинкере является оксид хрома Cr2O3. Европейским парламентом и Евросоюзом в 2003 году принята Директива 2003/53/EC об ограничении применения цемента с содержанием шестивалентного хрома Cr (VI) более 2 мг/кг, поскольку он является контактным аллергеном. Возможным источником хрома в клинкере являются глины, мергели, бокситы, пиритные огарки, а также хромсодержащие огнеупоры. Однако при устойчивой работе печи и наличии в зоне спекания обмазки сомнительно попадание в клинкер хрома из огнеупоров. Исследованиями влияния содержания Cr2O3 на свойства сырьевой смеси при нагревании установлено, что оксид хрома в количестве 0,1 — 0,3% положительно влияет на процессы минералообразования клинкера и способствует формированию оптимальной его кристаллической структуры. При 0,2 — 0,3% Cr2O3 обеспечивается повышение гидратационной активности цемента. Но при содержании свыше 0,3% оксида хрома снижается прочность цемента. Для снижения содержания Cr (VI) при помоле цемента применяются дехроматоры.

2.2.4 Транспортировка сырья с карьера

Для транспортировки сырья применяют железнодорожный транспорт, автотранспорт, воздушно-канатные дороги, конвейерный и гидротранспорт. При расстоянии карьера от завода в 1 — 8 км применяют ленточные транспортеры, которые являются наиболее экономичным видом транспорта. Такой вид транспорта в последние годы реализован на Воронежском филиале АО «Евроцемент груп» и ПАО «Мордовцемент». При применении подвесных дорог, ленточных транспортеров или гидротранспорта первичное измельчение производят на карьере.

При применении мягкого пластичного сырья при мокром или комбинированном способах производства экономичен гидротранспорт. В практике известны случаи перекачки сырья на расстояние до 40 км. Для перекачки применяют поршневые или центробежные насосы высокого давления. Такую систему перекачки на 7 км применяют на ЗАО «Осколцемент».

Гидротранспорт сырья является более предпочтительным в аспекте экологической безопасности. Все другие виды транспортировки сырья, а также выгрузка породы в отвалы, сопровождаются поступлением пыли в окружающую среду, особенно при применении автотранспорта, когда происходит интенсивное разрушение дорожных покрытий во время движения по ним транспортных средств. На многих карьерах пылевыделения с дорог с щебеночным и гравийным покрытием составляют около 70 — 90% всех выделений.

2.2.5 Первичное измельчение сырья

Измельчение сырья производят в дробилках и мельницах. Традиционно на цементных заводах применяют дробилки со способом разрушения путем давления и удара.

Дробилки с применением давления: щековые, конусные, валковые.

Дробилки ударного действия: молотковые, ударно-отражательные, ударно-валковые.

Кроме того, применяют и мельницы самоизмельчения (Аэрофол и Гидрофол).

Щековые и конусные дробилки из-за низкой кратности дробления эксплуатируются только на старых заводах, и для вновь строящихся заводов их не проектируют.

Валковые дробилки имеют широкое распространение для первичного измельчения мягких пород и применяются в настоящее время в России на заводах АО «Себряковцемент», ООО «Азия Цемент», Воронежском филиале АО «Евроцемент груп» и др. (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 — Роторы валковых дробилок для крупного, среднего и мелкого дробления

Преимущества валковой дробилки:

• возможность дробления липких высоковлажных материалов;
• простота конструкции;
• низкий удельный расход электроэнергии;
• малый износ дробящих элементов.

Недостатки:

• низкая кратность дробления;
• затруднения при дроблении твердых пород.

Мельницы самоизмельчения (рисунок 2.10) применяют для помола как мягких, так и твердых пород по мокрому и сухому способам на многих заводах России: ЗАО «Осколцемент», ЗАО «Белгородский цемент», ООО «Топкинский цемент», АО «Спасскцемент», СЛК Цемент (ф-л «Сухоложскцемент») и др. В этих мельницах материал измельчают без мелющих тел в барабане большого диаметра — 7 м. Однако при измельчении твердых пород необходимо производить доизмельчение материала.

Рисунок 2.10 — Мельницы самоизмельчения мокрого и сухого способов производства

Преимущества:

• повышенная производительность;
• пониженный расход электроэнергии;
• отсутствие мелющих тел;
• исключена операция догрузки и перегрузки мельницы мелющими телами;
• может измельчать как мягкие, так и твердые материалы;
• может работать по мокрому и сухому способам;
• может измельчать материал большого размера до 300 — 500 мм.

Недостаток:

• повышенная крупность измельченного материала, требующего домола.

Комбинированные двухроторные дробилки ударного действия (рисунок 2.11) получили широкое распространение за рубежом для первичного измельчения твердых пород. В России двухроторные дробилки в настоящее время не используются.

Рисунок 2.11 — Комбинированные двухроторные ударно- и валково-отражательные дробилки

Преимущества:

• высокая кратность измельчения до 70;
• пониженный расход электроэнергии;
• компактность и простота конструкции;
• возможность регулирования размера фракции дробимого материала в процессе работы;
• высокая степень автоматизации.

Недостатки:

• высокий износ дробящих элементов;
• повышенное пылевыделение.

Применяют также мобильные установки с дробилками, установленными на подвижной платформе. От такой установки дробленый материал подают на завод ленточными транспортерами.

Преимущества:

• дробилка максимально приближена к забою, что сокращает затраты на транспортировку исходного материала до дробилки;
• применение наиболее экономичного транспорта — ленточных транспортеров;
• отсутствие зданий и сооружений.

Недостаток:

• повышенная стоимость установки.

Мобильные установки с различными дробилками производят фирмы Германии. В цементной промышленности России их не применяют.

На стадии дробления сырья происходит выделение пыли на участках загрузки и выгрузки материалов из бункера, дробилки, а также при перегрузке с транспортера на транспортер. На этих участках необходимо устройство систем аспирации с очисткой запыленного воздуха в пылеулавливающем оборудовании.

2.2.6 Усреднение и хранение сырьевых компонентов

Для хранения сырьевых компонентов при мокром способе в России применяются закрытые и открытые склады с мостовыми грейферными кранами или кранами-перегружателями.

При сухом способе, как правило, применяют крытые усреднительные склады со штабелеукладчиками и штабелеразборщиками. Первичное усреднение сырьевой смеси производят путем послойной укладки материала различного состава и последующей вертикальной разборки и смешения слоев, в результате чего обеспечивается двух-трехкратное усреднение материала. Такие склады реализованы на ряде заводов России различными зарубежными фирмами (рисунок 2.12). Прямоугольные склады работают на заводах ПАО «Мордовцемент», АО «Пикалевская сода», ООО «АККЕРМАНН ЦЕМЕНТ», Воронежском филиале АО «Евроцемент груп» и др., круглый — на СЛК Цемент (ф-л «Сухоложскцемент»).

Рисунок 2.12 — Усреднительный склад сырьевых компонентов фирмы

Первичное усреднение компонентов при сухом способе производят преимущественно в специальных складах путем послойной укладки материала неоднородного состава в штабели. Разборку штабеля производят разборщиком вертикально поперек слоев, в результате чего обеспечивают двух-трехкратное усреднение материала.

Преимущество кругового усреднительного склада по сравнению с прямоугольным заключается в упрощенной схеме укладки и разборки штабеля, при прямоугольном складе необходимо поступательное перемещение укладчика и разборщика.

Процессы усреднения и хранения сырьевых компонентов сопровождаются выделением пыли, поэтому необходимо устройство укрытий очагов интенсивного пылевыделения и системы аспирации с очисткой запыленного воздуха в пылеулавливающем оборудовании.

2.3 Измельчение сырьевых материалов

Измельчение сырьевых материалов производят как по мокрому, так и по сухому способам.

2.3.1 Мокрый помол с получением сырьевого шлама

По мокрому способу помол производят в шаровых мельницах по традиционной распространенной в России технологии с добавлением воды, что способствует повышению эффективности этого процесса и улучшению экологической ситуации. Выделение пыли возможно при загрузке материалов в мельницу.

Эффективным способом экономии топлива является снижение влажности шлама, которое можно осуществить применением разжижителей. Эффективным разжижителем сырьевого шлама является органический разжижитель на основе лигносульфонатов. Введение разжижителя в количестве 0,1 — 0,15% позволило снизить влажность на ряде заводов, работающих на меловом и известняковом сырье, на 3,0 — 3,5%. Это обусловливало снижение удельного расхода тепла на 293 кДж/кг или на 10 кг у.т./т клинкера. Подобные разжижители применяют на ЗАО «Оскол цемент», ПАО «Мордовцемент», ЗАО «Белгородский цемент» и других цементных заводах. Разжижители, как правило, являются и интенсификаторами помола, обеспечивающими повышение производительности мельницы и снижение удельного расхода электроэнергии на ~ 10%.

2.3.2 Помол сырья по сухому способу

При сухом способе в зависимости от твердости и влажности сырья предусматриваются различные схемы и оборудование.

2.3.2.1 Рациональная схема помола высоковлажного мягкого сырья без трудноразмалываемых включений

Технологическая схема помола, устройство и принцип работы системы представлены на рисунке 2.13. Измельчение и сушку сырьевой смеси производят в молотковой сушилке-дробилке (мельнице), предназначенной для обработки мягких малоабразивных, высоковлажных и вязких сырьевых материалов, таких как мел, мергель и глина.

Рисунок 2.13 — Схема сушки и помола сырья в молотковой сушилке-дробилке (мельнице) фирмы FLSmidth

Преимущества:

• простота технологической схемы;
• практически отсутствие самостоятельного сырьевого цеха;
• возможность сушки сырья высокой влажности до 32%;
• пониженный расход электроэнергии;
• высокая скорость помола, обеспечивающая более легкую автоматизацию процесса.

Недостаток:

• ограниченность применения — только для мягкого сырья без твердых трудноразмалываемых включений.

Приведенная схема реализована на Воронежском филиале АО «Евроцемент груп», АО «Себряковцемент» мощностью 6000 т/сутки и на заводе ООО «Азия Цемент» для сырья с влажностью до 25%.

2.3.2.2 Рациональная схема помола сырья «тандем» с трудноразмалываемыми включениями

В тех случаях, когда в сырьевой смеси имеются включения различной размалываемости, целесообразно применять совмещенную схему «тандем» (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 — Схема «тандем» для помола материала различной размалываемости и влажности

Преимущества:

• применимость схемы для помола сырья различной размалываемости и влажности;
• высокая скорость помола, обеспечивающая более легкую автоматизацию процесса;
• умеренный расход электроэнергии.

Недостатки:

• усложненная схема, необходимость применения шаровой мельницы.

Такая схема реализована на цементном заводе АО «Пикалевская сода» в Башкирии.

2.3.2.3 Распространенная схема помола любого сырья

В последние годы наибольшее распространение для помола сырья получили вертикальные тарельчато-валковые мельницы (ВТВМ) [43]. Мельница представляет собой вращающийся размольный стол, по которому обкатываются помольные валки, прижимаемые валки, прижимающие гидравлической системой (рисунок 2.15). Сушильный агент подают под размольный стол, и он поступает на сушку через зазор между корпусом и размольным столом.

Рисунок 2.15 — Схема помола сырья с вертикальной тарельчато-валковой мельницей

Преимущества:

• возможность измельчения материала различной размалываемости и влажности с исходным размером до 300 — 500 мм;
• компактность (сепаратор встроен в мельницу);
• пониженный расход электроэнергии только на помол сырья 5 — 7 кВт·ч/т;
• малые эксплуатационные расходы — отсутствуют операции перегрузки, загрузки, выгрузки мелющих тел;
• низкий уровень шума;
• высокая скорость помола, обеспечивающая более легкую автоматизацию процесса;
• малое пылевыделение;
• высокая производительность до 1000 т/ч.

Недостатки:

• сложность конструкции и трудоемкость ремонта;
• повышенный расход электроэнергии на транспортирование размолотого материала восходящим газовым потоком;
• частая замена или восстановление размалывающих поверхностей при измельчении абразивных материалов.

Такая схема на мягком сырье высокой влажности реализована на ПАО «Мордовцемент» и на твердом сырье низкой влажности — на Первомайском цементном заводе в Краснодарском крае.

2.3.2.4 Рациональная схема помола трудноразмалываемого сырья пониженной влажности

Наиболее экономичной схемой для помола и сушки твердого сырья низкой влажности является схема с пресс-валковым измельчителем (ПВИ) (рисунок 2.16). Особенность работы системы заключается в двухступенчатой классификации измельчаемого материала и транспортировке крупной фракции элеватором.

Рисунок 2.16 — Схема помола и сушки твердого сырья низкой влажности с ПВИ

Преимущества:

• низкий расход электроэнергии — на ~ 10% ниже, чем на ВТВМ;
• относительная простота конструкция;
• малые эксплуатационные расходы — отсутствуют операции перегрузки, загрузки, выгрузки мелющих тел;
• сниженные ремонтные затраты;
• высокая скорость помола, обеспечивающая более легкую автоматизацию процесса;
• низкий уровень шума.

Недостаток:

• применимость только для твердых пород пониженной влажности.

Такая схема реализована фирмой на Новотроицком заводе, вследствие чего на этом заводе удельный расход электроэнергии составляет менее 100 кВт·ч/т цемента.

2.4 Корректировка и усреднение сырьевой смеси

Сырьевые смеси заданного химического состава производят из неоднородных сырьевых компонентов. Чтобы обеспечить оптимальный химический состав и избежать возможных отклонений, сырьевую смесь корректируют и усредняют. Состав и однородность сырьевой смеси определяют такие важнейшие показатели производства, как качество цемента, удельный расход топлива, огнеупоров и электроэнергии. На цементных заводах России применяются порционная и поточная системы корректирования.

В современных условиях с созданием непрерывного способа анализа с применением гамма-нейтронного анализатора (ПГНА) целесообразно корректировку и усреднение сырьевой смеси производить поточным способом. По сравнению с порционным, этот способ имеет следующие преимущества:

• отсутствие промежуточных коррекционных емкостей;
• получение более однородного состава сырьевой смеси из-за смешения компонентов в процессе помола;
• снижение расхода сжатого воздуха на перемешивание смеси в емкостях.

Недостатки:

• необходимость непрерывного анализа смеси в потоке;
• необходимость гамма-нейтронного анализатора или системы получения усредненной пробы смеси для оперативного периодического анализа.

2.4.1 Корректировка и усреднение шлама при мокром способе

Основными способами корректировки шлама являются порционный, полупоточный и поточный. Порционная и полупоточная схемы корректирования с применением вертикальных и горизонтальных бассейнов приведены на рисунках 2.17 и 2.18.

Рисунок 2.17 — Порционный и полупоточный способы корректирования шлама

Рисунок 2.18 — Вертикальный и горизонтальный шламбассейны

После пневмоперемешивания шлама в вертикальных бассейнах определяется его химический состав на рентгеновском спектрометре и в соответствии с расчетом перекачивается соответствующее количество в бассейны готового шлама — вертикальный или горизонтальный — емкостью 5000 — 8000 м3.

Преимущество:

• обеспечение высокой стабильности химического состава шлама.

Недостатки:

• необходимость значительного времени на приготовление шлама;
• необходимость большого количества емкостей;
• при каждой смене бассейна наблюдается некоторое резкое изменение режима работы печей, что требует соответствующую корректировку эксплуатационных показателей.

Для лучшего перемешивания шлама его следует разливать по «зеркалу» бассейна, для чего над бассейном устанавливается распределительный желоб, вращающийся вместе с крановой мешалкой.

С увеличением производительности заводов и развитием автоматизации возникла поточная схема корректирования, когда смешивание различных по составу шламов производится непрерывно в потоке. Одним из необходимых элементов поточной схемы являются оперативный анализ химического состава сырьевой смеси, точное измерение и дозирование количества материала и шлама в непрерывном режиме.

Для получения оперативного и достоверного анализа шлама необходимы получение представительной пробы и проведение экспресс-анализа. В настоящее время имеются технические возможности организации такого процесса в двух вариантах: дискретный анализ усредненной пробы и непрерывный анализ материалов непосредственно в потоке (рисунок 2.19). Дискретный анализ усредненной пробы по примеру АО «Осколцемент» можно организовать путем отбора из потока шлама каждые две-три минуты порцию около 15 — 20 л, чтобы за час набрать 0,5 м3 шлама, который одновременно измельчается в специальном агрегате, представляющем собой подобие молотковой дробилки с вертикальным ротором. Экспресс-анализ осуществляют на рентгеновском спектрометре за несколько минут.

Рисунок 2.19 — Поточная схема приготовления шлама:

АТ — автотранспорт, ДМ — дозатор массовый, ММС — мельница мокрого самоизмельчения, ПО — пробоотборник, ПГНА — поточный гамма-нейтронный анализатор, ИР — индукционный расходомер шлама, МШ — мельница шаровая, ЗР — задвижка регулируемая

В последние годы разработан поточный нейтронный анализатор, который позволяет определять химический состав и влажность шлама непрерывно в потоке.

Дозирование твердых материалов рекомендуется осуществлять весовыми ленточными дозаторами. Для измерения объема шлама наиболее рациональным является индукционный расходомер.

При таком подходе достигается более однородный состав конечного шлама, так как при небольших отклонениях соотношения «высокого» и «низкого» шламов из-за их близкого состава отклонение химического состава конечного шлама не будет выходить за пределы нормативного. Если же смешивать исходные компоненты — мел и глину, то небольшие колебания в дозировании компонентов приводили бы к значительным отклонениям химического состава готового шлама.

2.4.2 Корректировка и усреднение сырьевой смеси при сухом способе

При сухом способе в России применяют два способа корректирования сырьевой смеси: полупоточную и поточную схемы. Полупоточная схема с двухъярусными силосами распространена на старых заводах, например, на Спасском и Невьянском заводах. В последние годы с применением экспрессных анализов в потоке большее распространение получили поточные схемы. Такие схемы реализованы в двух вариантах, при которых корректировка и усреднение сырьевой смеси производятся до сушки и помола, т.е. кусковых влажных компонентов, или — после сушки и помола — сухих порошков. Ниже представлены варианты этих схем, реализованных на заводах России различными фирмами.

Возможности усреднения сырья на различных технологических переделах показаны на рисунке 2.20, которые свидетельствуют, что наибольшее, 10 — 15-кратное усреднение, обеспечивают силосы новейшей конструкции.

Рисунок 2.20 — Степень усреднения сырья на различных технологических переделах

Силос состоит из наружного железобетонного цилиндрического корпуса, распределительной многопоточной системы загрузки, внутреннего конуса, системы аэрации днища и усреднения сырьевой муки, разгрузочных аэрожелобов и бункера (рисунок 2.21). Наклонное по всему диаметру днище силоса оснащено радиально расположенными аэроплитами.

Рисунок 2.21 — Смесительный силос и этапы смешения

Сжатый воздух с низким давлением снижает сцепление материала, и он начинает течь в псевдоожиженном слое под собственным весом. Аэрированный сыпучий материал поступает из основной емкости силоса через окна конуса по аэрожелобам в разгрузочный бункер, где он частично дезаэрируется и далее по аэрожелобу и элеватором подается в дозирующий блок.

Усреднение смеси производится в силосе и под смесительным конусом. Процесс усреднения включает в себя три этапа (см. рисунок 2.21).

Первый этап — многопоточная система загрузки. Через специальный распределитель на крыше силоса сырьевая мука равномерно загружается по всей поверхности силоса, образуя тонкие слои с возможно различным химическим составом сырья. Чем тоньше слой, тем выше эффективность смешивания.

Второй этап — гравитационное смешивание в основной емкости силоса. Благодаря локальной аэрации днища силоса сырье воронкой течет под воздействием силы тяжести вниз в основную емкость. При этом смешиваются различные слои, выравнивая естественную неоднородность сырья, эффект смешивания достигается соприкосновением разных воронок, которые образуются в результате разгрузки материала из силоса по кругу.

Третий этап — пневматическое перемешивание в смесительной конусной камере. Наружное кольцо служит для разрыхления материала и обеспечения его текучести. Каждая секция имеет два окна во внутреннем конусе для транспортирования материала к внутренней камере. Внутреннее кольцо аэрирующих элементов обеспечивает гомогенизацию материала в конусе силоса и выгрузку материала из силоса. Для равномерной гомогенизации материала поочередно по окружности включаются по одной секции наружного кольца через одну-две секции. Таким образом, создаются условия для формирования 12 воронок, перемешивающих горизонтально расположенные слои. Подобные схемы реализованы на нескольких заводах России: АО «Пикалевская сода», ООО «АККЕРМАНН ЦЕМЕНТ» и др.

Поточный способ корректирования сырьевой смеси до сушки и помола влажных кусковых компонентов реализован на Воронежском филиале АО «Евроцемент груп» и АО «Себряковцемент» (рисунок 2.22).

Рисунок 2.22 — Поточная схема корректирования сырьевой смеси до сушки и помола, реализованная на Воронежском филиале АО «Евроцемент груп»

На заводе ООО «Азия Цемент» в Пензенской области реализован полупоточный способ корректирования (рисунок 2.23).

Рисунок 2.23 — Коррекционные и усредненные силосы сырьевой смеси на заводе ООО «Азия Цемент»

Когда применяют мягкие компоненты — мел, глину, мергель, имеющие тенденцию к агрегированию, возникают определенные затруднения при смешении порошков, и в таких случаях необходимо обеспечить усреднение смеси непосредственно в помольном агрегате с получением на выходе сырьевой смеси заданного состава. Для этого, как отмечено выше, целесообразно применять поточную схему корректирования с применением гамма-нейтронного анализатора непрерывного действия (рисунок 2.24).

Рисунок 2.24 — Поточная схема корректирования с применением гамма-нейтронного анализатора непрерывного действия

Такая схема реализована и успешно реализована на АО «Себряковцемент».

2.5 Характеристика, подготовка и сжигание топлива

В цементной промышленности для обжига цементного клинкера, сушки сырья и добавок применяют твердое, жидкое и газообразное ископаемое топливо. Кроме того, могут использоваться альтернативные виды топлива. Более подробно об этом в разделе 2.7.3.

2.5.1 Характеристика топлива

Характеристика топлива включает следующие показатели: химический состав, теплоту сгорания, расход воздуха на горение, выход продуктов горения, жаропроизводительность (теоретическую температуру горения) и содержание в сухих продуктах горения CO_{2} + SO_{2} = RO_{2}^{max} при отсутствии избытка воздуха.

2.5.1.1 Твердое топливо

К основным видам твердого топлива, применяемого в цементной промышленности, относятся каменные и бурые угли, горючие сланцы. В России в качестве твердого топлива применяют преимущественно каменный уголь (таблица 2.5).

Таблица 2.5

Параметры, характеризующие состав твердого топлива

В 50-е и 60-е гг. в России преимущественно применяли угольное топливо. В последующем, вплоть до конца прошлого века, практически все заводы перешли на газообразное топливо. В зарубежной цементной промышленности практически применяют только уголь. В настоящее время по данным [44] наблюдается тенденция к возврату к угольному топливу и в России.

Каменный уголь — характеристика горючей массы:

а) состав:

1. углерод — 75 — 90%;

2. водород — 4 - 6%;

3. кислород — 2 - 15%;

4. сера — 0,5 — 0,7%;

5. летучие — 10 — 50%;

6. зольность — 13 — 22% (сухой массы);

7. влажность — 5 - 15% (природной рабочей массы);

8. RO_{2}^{max} <7> - 18,0 — 19,3%;

б) теплота сгорания Q_{\text{н}}^{\text{г}} — 31 — 35 МДж/кг <8>;

в) жаропроизводительность tmax — 2200 °C;

г) теоретический расход воздуха на 1 кг у.т. — 7,63 нм3;

д) выход продуктов горения на 1 кг у.т. — 7,92 нм3;

е) нижний концентрационный предел воспламенения угольной пыли — 114 г/м3;

ж) температура воспламенения — 969 °C.

<7> RO_{2}^{max} = \text{С}O_{2} + SO_{2} в сухих продуктах сгорания при теоретическом расходе воздуха на горение.

<8> В системе СИ тепловой единицей является Дж. Однако на практике широкое распространение имеет «кал» и «кг у.т.» — кг условного топлива. Соотношение между ними: 1 кг у.т. = 7000 ккал = 29,31 МДж; 1 ккал = 4,19 кДж.

2.5.1.2 Жидкое топливо

В качестве жидкого топлива для вращающихся печей применяют в основном топочный мазут марок 40 и 100.

а) состав:

1. углерод — 86,1 — 86,3%;

2. водород — 9,6 — 10,7%;

3. сера — 0,5 — 3,5%;

4. влажность — 0 - 2%;

5. RO_{2}^{max} = 15,9 - 16,2\% ;

б) теплота сгорания Q_{\text{н}}^{\text{г}} = 38,3 - 40,3\text{МДж}/\text{кг} ;

в) жаропроизводительность tmax = 2240 °C;

с) теоретический расход воздуха на 1 кг у.т. — 7,63 нм3;

д) выход продуктов горения на 1 кг у.т. — 8,17 нм3;

е) температура застывания: М 40 < +10 °C, М 100 < +25 °C;

ж) температура вспышки: М 40 > 90 °C, М 100 > 110 °C.

В последние годы из-за высокой стоимости мазут практически не применяют в цементной промышленности России, поэтому способы его подготовки и сжигания в цементной печи не будут рассматриваться.

2.5.1.3 Газообразное топливо

В настоящее время наиболее распространенным топливом в цементной промышленности России является природный газ, который в основном состоит из метана и незначительного количества высокомолекулярных углеводородов.

Характеристика природного газа:

а) состав:

1. CH4 — 81,7 — 98,7%;

2. CnHm — 1,2 — 9,5%;

3. CO2 — 0,1 — 0,4%;

4. N2 — 0,5 — 8,5%;

5. RO_{2}^{max} — 11,6 — 12,0%;

б) теплота сгорания:

1. Q_{\text{н}}^{\text{р}} — 36 — 38 МДж/нм3;

2. Q_{\text{н}}^{\text{ст}} — 33 — 36 МДж/ст. м3 <9>;

в) жаропроизводительность tmax — 2040 °C;

г) теоретический расход воздуха на 1 кг у.т. — 7,77 нм3;

д) выход продуктов горения на 1 кг у.т. — 8,68 нм3.

<9> ст. м3 (стандартный м3) — объем газа при давлении 760 мм рт. ст. и 20 °C, применяют при коммерческих расчетах в РФ (1 ст. м3 = 0,932 нм3; 1 нм3 = 1,073 ст. м3).

2.5.2 Складирование и безопасное хранение угля

Площадки для складирования угля должны быть спланированы так, чтобы исключить их затопление паводковыми или грунтовыми водами.

Запрещается:

• складировать уголь свежей добычи на старые отвалы угля, пролежавшие более одного месяца;
• принимать на склады уголь с явно выраженными очагами самовозгорания;
• перемещать горящий уголь транспортерными лентами и отгружать их в железнодорожный транспорт или бункера;
• располагать штабели угля над источниками тепла (паропроводами, трубопроводами горячей воды, каналами нагретого воздуха и т.п.), а также над проложенными электрокабелями и нефтепроводами;
• предусмотреть станцию инертизации с жидким или газообразным CO2.

Неотъемлемой составной частью угольного отделения является центральная система пылеотсоса, которая должна обеспечить полное отсутствие или наличие минимального по толщине слоя пыли на полах и поверхностях агрегатов. В таком случае исключается возможность возникновения взрывоопасной атмосферы в результате поднятия пыли или возгорания слоя осевшей пыли.

Складской силос рассчитан на стойкость к давлению взрывной волны 2 бар (избыточному). На крышке установлены взрывной клапан для отвода взрывной волны и факела в случае взрыва, фильтр очистки воздуха, уровнемеры и термометр. Унос из фильтра составляет не более 10 мг/нм3.

В России для хранения угля применяются крытые (АО «Ангарскцемент», ООО «Красноярский цемент» и другие заводы) и открытый (АО «Спасскцемент») склады с мостовыми грейферными кранами.

2.5.3 Подготовка твердого топлива

2.5.3.1 Требования к форсуночному топливу

В качестве твердого топлива в цементном производстве России применяют каменный уголь, который для сжигания в печи необходимо подвергать определенной подготовке.

Во вращающейся печи производят факельное сжигание угля, который предварительно подвергают сушке и помолу до порошкообразного состояния.

Требования к форсуночному топливу:

• теплота сгорания низшая — Q_{\text{н}}^{\text{р}} \geq 21\text{МДж}/\text{кг} ;
• зольность — Aф <= 30% <10>;
• влажность — Wф ~ 1 — 2%;
• остаток на сите № 02 — R02 ~ 1,5 — 2,0%; № 008 — R008 ~ 10 — 15% <11>.

<10> При использовании сланцев зольность топлива может достигать и 50%. При этом сырьевая шихта корректируется с поправкой на присадку золы.

<11> Тонкость помола угольной шихты зависит от содержания в ней летучих.

2.5.3.2 Схемы подготовки форсуночного топлива

Подготовка топлива сводится к сушке и помолу угля. При этом применяют три принципиально различные схемы:

• объединенная с печью система, когда весь сушильный агент направляется в печь в качестве первичного воздуха для транспортирования угольного порошка (рисунок 2.25);
• разъединенная схема, когда применяется индивидуальная независимая от печи сушильно-помольная система (рисунок 2.26);
• система прямого вдувания угольного порошка из быстродействующей мельницы в печь (рисунок 2.27).

Рисунок 2.25 — Объединенная с печью система подготовки угля

Рисунок 2.26 — Разъединенная с печью система подготовки угля

Рисунок 2.27 — Система прямого вдувания угольного порошка в печь <12>

<12> Синим цветом на рисунках 2.26 и 2.27 показано вновь устанавливаемое оборудование.

Особенности работы каждой схемы приведены ниже.

Объединенная с печью система (рисунок 2.25):

Преимущество:

• отсутствие выброса угольной пыли и газов в атмосферу, следовательно, схема более экологична.

Недостатки:

• большой объем до 30% холодного первичного воздуха взамен горячего вторичного, что приводит к перерасходу топлива;
• ограничена влажность исходного угля до 8%;
• зависимость объема первичного воздуха от необходимого объема сушильного агента, т.е. работы печи от системы углеподготовки.

Разъединенная схема (рисунок 2.26) возникла именно в связи с необходимостью устранения этих недостатков. Это стало особенно актуально с появлением форсунок, позволяющих сжигать угольное топливо с небольшим, до 7%, количеством первичного воздуха и смеси различных топлив, в том числе и техногенных материалов.

Преимущества:

• возможность независимо регулировать процесс сжигания топлива и подготовки угольного порошка;
• применение горячего вторичного воздуха вместо холодного первичного, что приводит к экономии топлива;
• возможность применения более современных форсунок, позволяющих сжигать горючие отходы/материалы из отходов.

Недостаток:

• необходимо дополнительное оборудование для очистки газов и транспорта угольного порошка в печь.

Система прямого вдувания (рисунок 2.27) угольного порошка из мельницы в печь имеет предельно малое количество оборудования. Такая схема особенно эффективна при сушке угля невысокой влажности.

Преимущества:

• отсутствие выброса угольной пыли газов в атмосферу, следовательно, схема более экологична;
• компактность, малое количество оборудования;
• пониженный расход электроэнергии;
• низкие капитальные затраты.

Недостатки:

• повышенный объем холодного первичного воздуха;
• ограничена влажность исходного угля до 8%;
• зависимость работы печи от системы углеподготовки.

2.5.4 Система подачи газообразного топлива в печь

На рисунке 2.28 представлена система подачи газообразного топлива в печь.

Рисунок 2.28 — Система подачи газообразного топлива в печь:

1 — подвижный внутренний блок горелки, 2 — задвижка аксиального воздуха, 3 — задвижка завихряемого воздуха, 4 — задвижка охлаждающего воздуха, 5 — манометр на канале аксиального воздуха, 6 — гофрированная часть трубопровода, 7 — привод для перемещения внутреннего блока труб с газовой горелкой, 8 — внешняя труба газового канала, 9 — внутренняя труба для подачи альтернативного топлива или установки мазутной форсунки, 10 — манометр для определения давления газа в горелке, 11 — подвижная каретка, 12 — вентилятор для аварийного охлаждения горелки, 13 — задвижка на трубе аварийного воздуха, 14 — патрубок с шибером и расходомером воздуха, 15 — вентилятор первичного воздуха, 16 — направляющие рельсы, 17 — вращающаяся печь

Газообразное топливо поступает на завод под повышенным давлением. Поэтому до подачи газа в печь необходимо снизить его давление (избыточное) до 2 — 3 бар и при опасности взрыва предусмотреть возможность быстрой отсечки газа. Для этого применяют редуктор и предохранительный запорный клапан. Система подачи газообразного топлива во вращающуюся печь состоит из горелки, вентилятора первичного воздуха, аварийного вентилятора охлаждающего воздуха, передвижной каретки, запорной и регулирующей расход газа и воздуха арматуры и контрольно-измерительных приборов.

Первичный воздух от основного вентилятора задвижками разделяется на аксиальный и вихревой. Общий первичный воздушный поток затем истекает из воздушного сопла. Выходное сечение можно регулировать перемещением внутренней части горелки, которое контролируется по шкале на соответствующей рейке. Газ подается через шланг в соответствующий кольцевой канал горелки (1). Положение наконечника горелки в печи можно регулировать как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении, а также в осевом направлении путем перемещения каретки.

2.6 Горелочные устройства для вращающихся печей

В России для обжига клинкера в основном применяют газообразное топливо и, следовательно, применяют соответствующие горелки отечественного и зарубежного производства (рисунки 2.29 - 2.31).

Рисунок 2.29 — Наиболее распространенные газовые горелки ГИД и ДВГ, применяемые в России

Рисунок 2.30 — Многоканальная горелка 1 для сжигания смеси угля и мазута:

1 — вторичный воздух ~ 93%; 2 — охлаждающий воздух ~ 1%; 3 — аксиальный воздух ~ 1,6%; 4 — транспортирующий воздух для угольной пыли ~ 2%; 5 — завихряющий воздух ~ 2,4%; 6 — мазутная горелка; 7 — запальная горелка

Рисунок 2.31 — Устройство и принцип работы многоканальной горелки 2

Принцип их работы и параметры, приведенные на рисунках, свидетельствуют, что со временем головная часть горелок оснащалась регулирующими элементами, которые позволяют изменять скорость вылета топлива из сопла горелок и обеспечить завихрение газовой струи.

Наиболее эффективны газовая инжекционная диффузионная (ГИД) и диффузионная вихревая горелки (ДВГ). Это обусловлено тем, что данные горелки сжигают газообразное топливо с минимальным количеством (до 2%) или без первичного холодного воздуха. Вследствие этого увеличивается доля горячего вторичного воздуха, что приводит к экономии топлива. Кроме того, снижается расход электроэнергии на работу вентиляторов первичного воздуха. Например, при замене горелок Унитерм на горелки ДВГ может быть снижен расход топлива на 10% и электроэнергии на 4 кВт·ч/т клинкера.

За рубежом преимущественно применяют угольные форсунки. В Россию поставляют многоканальные форсунки для сжигания угля, кокса, мазута и природного газа и их смесей, а также альтернативного топлива. Ниже представлены многоканальные форсунки, эксплуатируемые на ряде российских цементных заводов. Данные форсунки (рисунки 2.30 и 2.31) требуют не более 7% первичного воздуха, обеспечивают снижение объема отходящих газов и расхода топлива.

Горелка 2 имеет различные способы регулирования пламени, может обеспечить следующие формы факела: короткий или длинный, острый или мягкий, широкий или узкий и все промежуточные комбинации, необходимые для обеспечения рационального сжигания топлива.

Все горелки имеют широкий диапазон регулирования процесса горения топлива и длины факела.

Преимущества горелок ГИД и ДВГ:

• простота конструкции;
• отсутствие или наличие первичного воздуха до 2%;
• возможность регулирования формы и температуры факела изменением скорости вылета газа и завихрением газового потока.

Недостатки:

• применимы только для газообразного топлива;
• отсутствие защитной теплоизоляции;
• не приспособлены для сжигания альтернативного топлива.

Преимущества зарубежных горелок:

• возможность применения различных видов топлива;
• возможность сжигания альтернативного топлива;
• наличие защитной теплоизоляции;
• возможность регулирования формы и температуры факела изменением скорости вылета и завихрением топливно-воздушного потока.

Недостатки:

• усложненная массивная конструкция;
• несколько завышен объем первичного воздуха.

Горелка 3 (см. рисунок 2.32) предназначена для сжигания твердого, газообразного топлива, а также альтернативных видов топлива.

Рисунок 2.32 — Многоканальная горелка 3

Особенностью конструкции горелки 3 является наличие системы гибких шлангов, встроенных в канал первичного воздуха, для настройки формы факела путем регулирования степени закрутки всего потока первичного воздуха (см. рисунок 2.33).

Рисунок 2.33 — Система гибких шлангов подачи первичного воздуха, обеспечивающих различную длину и форму факела

Горелка 3 обеспечивает сжигание топлива при минимальном количестве первичного воздуха — 5 - 8%, а также снижение концентрации NOx вследствие развитой зоны рециркуляции внутри пламени и быстрого воспламенения топлива перед соплом горелки.

Данная горелка используется на ОАО «Цесла». В качестве основного вида топлива используется уголь, в качестве альтернативного могут использоваться остатки сортировки TKO/RDF <13>.

<13> RDF (refuse-derived fuel) — топливо, полученное из отходов. Топливо, полученное путем измельчения и дальнейшей обработки твердых бытовых и промышленных отходов в соответствии с технологией утилизации отходов (ГОСТ Р 54258-2010 «Ресурсосбережение. Обращение с отходами и производство энергии. Стандартный метод определения качества топлива, полученного из отходов, на основе испытания объединенной выборки образцов»).

На ЗАО «Липецкцемент», работающем на газообразном топливе, газ на горение подается через систему гибких шлангов, а воздух, охлаждающий кожух горелки, поступает в печь в качестве первичного.

Многоканальная горелка 4 (см. рисунок 2.34) позволяет сжигать нефтяной кокс/уголь, остатки сортировки ТКО, отходы ГСМ, природный газ для разогрева и частично — в качестве резервного топлива.

Рисунок 2.34 — Многоканальная горелка 4

Преимущества горелки 4:

• возможность одновременного использования различных видов природного и альтернативного топлива (твердого, жидкого и газообразного);
• низкое выделение NOx при малом расходе первичного воздуха, но при повышенной скорости сгорания материала в горелке, что обеспечивается двумя каналами первичного воздуха;
• отсутствие движущихся частей — регулировка формы факела осуществляется с помощью воздушных вентилей, установленных на внутренних линиях подачи первичного воздуха.

Многоканальная горелка 5 (см. рисунок 2.35) позволяет использовать самые разные виды топлива, в том числе альтернативные (пластмасса, ТБО, биотопливо и т.д.) при сохранении высокого уровня качества клинкера. Горелки просты в эксплуатации, отличаются хорошей воспроизводимостью формы пламени. Простой принцип регулировки факела позволяет оптимизировать пламя в печи и снизить эксплуатационные риски. Подача первичного воздуха осуществляется через один канал одним вентилятором, благодаря чему снижаются энергопотребление и расходы на техобслуживание.

Рисунок 2.35 — Многоканальная горелка 5:

1 — завихритель; 2 — канал ввода мазутной форсунки; 3 — канал завихряемого потока газа; 4 — канал аксиального истечения газа; 5 — канал охлаждающего воздуха; 6 — жаростойкая изоляция; 7 — мембрана; 8 — узел регулирования щели аксиального канала; 9 — узел регулирования положения завихрителя

Особенностью конструкции горелок 5 является возможность работы их в различных режимах: I — сжигание только газообразного топлива; II — сжигание только жидкого топлива (мазута); III — сжигание смеси газообразного и жидкого топлива в различных соотношениях от 0% до 100%.

Горелки 5 используют два технических решения для уменьшения NOx: внутреннюю рециркуляцию дымовых газов благодаря инжекторам, использующим энергию струй природного газа, и раздробление общего факела в центральную часть и основную часть, распределенную по внешнему периметру горелки. При этом без внешней рециркуляции дымовых газов уровень NOx составляет от 105 до 115 мг/нм3. При слабой внешней рециркуляции дымовых газов уровень NOx становится 54 — 79 мг/нм3, что намного ниже гарантируемой величины.

Данные горелки эксплуатируются на ПАО «Мордовцемент» и ООО «Сенгилеевский цементный завод».

2.7 Утилизация отходов и использование материалов из отходов

2.7.1 Общие аспекты

Согласно Федеральному закону от 24 июня 1998 года № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» [45], отходы — это вещества или предметы, которые образованы в процессе производства, выполнения работ, оказания услуг или в процессе потребления, которые удаляются, предназначены для удаления или подлежат удалению. При производстве цемента не образуется технологических отходов. Наоборот, отходы многих производств могут использоваться в качестве сырьевых материалов и/или альтернативного топлива при производстве портландцементного клинкера и цемента.

В производстве цементного клинкера уровень потребления традиционных видов ископаемого топлива остается на высоком уровне. Цементная промышленность в Европейском союзе использует более 40% альтернативных видов ископаемого, смешанного топлива и топлива из биомассы в связи со значительной теплоемкостью производства серого клинкера (таблица 2.6) [46].

Таблица 2.6

Показатели эффективности по удельным выбросам CO2 на тонну серого клинкера в сравнении с углеродоемкостью топливной смеси и соотношение альтернативных видов топлива в различных регионах за 2016 год по [47]

Под альтернативным видом топлива 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.

Использование альтернативных видов топлива (АТ) наравне с современными печами и оптимизированными технологическими процессами способствует снижению удельного коэффициента выбросов CO2. Из таблицы 2.6 видно, что низкий уровень использования отходов/материалов из отходов в качестве альтернативного топлива сопровождается высокой углеродоемкостью топливной смеси и, следовательно, приводит к высоким удельным выбросам CO2 (на тонну серого клинкера).

Углеродоемкость СНГ (79,6 г CO2/МДж) включает относительно высокую долю горючего природного газа, имеющего низкий коэффициент выбросов. Использование только угля привело бы к гораздо более высоким выбросам CO2.

Локальные факторы ограничивают потенциал рынка гораздо больше, чем техническая и экономическая целесообразность самой цементной промышленности. Совместная переработка отходов и использование материалов из отходов в цементных печах помогает решить три основные проблемы, с которыми в настоящее время сталкивается ЕС:

1. Борьба с изменением климата — использование АТ является одним из основных подходов к снижению емкости CO2 в производстве цемента. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), АТ может способствовать сокращению выбросов CO2 на 0,9 млрд т во всем мире до 2050 года [48].

2. Повышение качества управления отходами — количество отправляемых для захоронения отходов может быть уменьшено путем их утилизации и использования материалов из отходов в качестве альтернативного топлива с высокоэффективным использованием их энергетического содержания. В этом смысле данный подход непосредственно вписывается в иерархию управления отходами ЕС в соответствии с Рамочной Директивой ЕС по отходам.

3. Движение в направлении безотходной экономики — потоки отходов из других областей экономики используются в цементной промышленности, тем самым способствуя реализации принципов безотходной экономики. Кроме того, совместная переработка позволяет частично заменить отдельные природные материалы, используемые в производстве цемента.

Дальнейшие экологические и прочие возможности/задачи, связанные с использованием АТ:

• сохранение ископаемых ресурсов;
• возможность получения альтернативных видов топлива из отходов достаточно высокого качества;
• изучение вопроса о внесении примесей и/или загрязнителей в технологический процесс (например, хлора, ртути и др.);
• качество клинкера;
• мониторинг выбросов отходящих газов;
• очистка отработавших газов.

При соблюдении структурных и технических требований совместная переработка в цементных печах может способствовать развитию устойчивой и ориентированной на будущее безотходной экономики с уменьшением выбросов CO2. Наряду с поэтапным сокращением масштабов захоронения отходов горючие отходы, непригодные для использования в процессе совместной переработки, по-прежнему требуют сжигания на специальных установках по сжиганию отходов и на электростанциях, работающих на отходах.

В 2016 году европейская цементная промышленность покрыла около 42% потребности в тепловой энергии за счет использования АТ (совместно с чистым топливом из биомассы) (см. таблицу 2.6). На некоторых заводах этот показатель даже превысил 90% (с учетом чистых видов топлива из биомассы).

Объемы совместной переработки отходов значительно варьируются в отдельных странах — членах ЕС и определяются совместным воздействием нескольких факторов (в частности, наличием высококачественных потоков отходов, пригодных для цементной промышленности). Текущие объемы совместной переработки отходов наряду с ожидаемыми объемами в среднесрочной и долгосрочной перспективах показаны ниже (рисунок 2.36).

Рисунок 2.36 — Текущие (2014 г.) и ожидаемые объемы совместной переработки в разных европейских странах [49]

Совет ЕС в мае 2018 года утвердил новые правила по переработке отходов, направленные на постепенное избавление от вывоза отходов на свалки и применение таких экономических инструментов, как «режимы расширенной ответственности производителей». Поставлены цели довести переработку муниципальных отходов до 55% к 2025 году, до 60% к 2030 году и до 65% к 2035 году.

В Еврокомиссии оценивают утвержденные новые меры как «самое современное в мире законодательство по отходам». А определение совместной переработки отходов на цементных заводах является одним из лучших проверенных методов повышения энергоэффективности переработки отходов в энергию [49].

В Российской Федерации на момент актуализации ИТС 6-2015 по данным самих цементных предприятий альтернативное топливо использовалось только на четырех цементных заводах: Филиал ООО «ХайдельбергЦемент Рус» в пос. Новогуровский, Филиал ООО «ХайдельбергЦемент Рус» в г. Стерлитамаке, ОП ООО «Холсим (Рус) СМ» (п. Ферзиково) и ООО «Холсим (Рус) СМ» (г. Коломна). Однако, согласно отраслевой программе Минпромторга России «Применение альтернативного топлива из отходов в промышленном производстве на 2022 — 2030 годы», в разработке которой принимал участие Российский экологический оператор (РЭО), 33 цементных предприятия выразили готовность принять участие в реализации пилотных проектов применения альтернативного топлива из отходов в своих производственных процессах.

Целью отраслевой программы является формирование комплекса мероприятий, направленных на развитие системы производства и потребления альтернативного топлива из отходов. Программа предусматривает внесение изменений в нормативные правовые акты, нормативно-технические документы и справочники, введение мер налогового и иного стимулирования производства альтернативного топлива из отходов и его применения в цементной и металлургической отраслях.

Ежегодно в России образуется около 54 млн тонн твердых коммунальных отходов (ТКО), из которых порядка 20% могут быть использованы в качестве RDF-топлива. Использование остатков сортировки ТКО в качестве возобновляемого источника энергии (вторичных энергетических ресурсов) рассматривается как элемент комплексной системы обращения с отходами, способный снизить экологический ущерб, связанный с традиционным захоронением мусора. Использование RDF-топлива для цементных заводов является альтернативой мусоросжигательным заводам.

Различные типы отходов/материалов из отходов могут заменять природные сырьевые материалы и ископаемое топливо в производстве цемента и будут способствовать, с одной стороны, сохранению природных источников и, с другой стороны, снижению материало- и энергозатрат [50 - 54]. Наиболее важные показатели процесса для утилизации отходов и использования материалов из отходов могут быть обобщены следующим образом:

• максимальные температуры приблизительно 2000 °C (основная горелка, температура пламени) во вращающихся печах;
• время пребывания газов при температуре около 1200 °C во вращающейся печах не менее 8 с;
• температура материала около 1450 °C в зоне спекания вращающейся печи;
• окислительная газовая атмосфера во вращающейся печи;
• время пребывания газов во вторичной обжиговой системе более 2 с при температуре выше 850 °C; в декарбонизаторе время пребывания газов еще больше и температура выше;
• постоянная температура 850 °C во вторичной обжиговой системе или декарбонизаторе;
• постоянство условий сжигания и отсутствие колебаний вследствие высокой температуры и достаточно длительного времени пребывания;
• разложение органических загрязнителей под воздействием высокой температуры и длительного времени пребывания;
• адсорбция газовых компонентов, таких как HF, HCl, SO2 на щелочных реагентах;
• высокая емкость связывания тяжелых металлов;
• короткое время пребывания отходящих газов в температурном интервале, способствующем синтезу полихлорированных дибензодиоксинов и фуранов;
• полная переработка топливной золы в составе клинкера и, следовательно, безотходное использование материала в качестве сырьевого компонента и дополнительная экономия энергии;
• химико-минералогическое связывание тяжелых металлов в клинкерную матрицу;
• введенные отходы/материалы из отходов полностью связываются в минералы портландцементного клинкера;
• при повышении концентрации нежелательных элементов байпасная пыль удаляется из системы.

Поскольку в качестве сырьевых материалов и/или топлива могут применяться различные типы отходов/материалов из отходов, то перед тем как принять решение об их применении, должны быть рассмотрены основные принципы их использования, такие, как предварительная сортировка и анализ технологических процессов по их подготовке. Чтобы сохранить стандартное качество клинкера, должны быть проведены предварительные исследования по влиянию отходов/материалов из отходов на процессы клинкерообразования, поскольку зола, образующаяся при сжигании топлива, полностью встраивается в клинкерную матрицу и изменяет фазовый состав клинкера. Окончательное решение о том, какой тип отходов/материалов из отходов будет принят к использованию на конкретном заводе, не может быть однотипным.

Рассмотрение и принятие решения должны быть основаны на процессе производства клинкера, режимах обжига, составе сырьевых материалов и топлива, способах подачи отходов/материалов из отходов в производство, используемой технологии очистки отходящих газов, данных по проблемам менеджмента отходов.

Как правило, для отходов/материалов из отходов, принятых в качестве альтернативного топлива и/или альтернативных сырьевых материалов для цементной печи, необходимо учитывать их калорийность и количество минеральной части. Кроме того, должны учитываться объемы и категории отходов/материалов из отходов, а также их физический и химический составы, характеристики и загрязняющие примеси. Альтернативное топливо, используемое цементной промышленностью, является частью, специально отобранной из отходов, которые обычно предварительно перерабатываются, например, дробятся, перемешиваются, измельчаются, гомогенизируются и приводятся в материал соответствующего качества. Подготовка отходов, как правило, выполняется на специальных предприятиях/площадках по предварительной обработке.

Как описано в разделах 2.5 - 2.6, для ввода топлива в цементную печь могут быть использованы различные точки питания. Эти точки также могут быть использованы для подачи альтернативного топлива.

При выборе соответствующего места подачи должны учитываться следующие аспекты:

• химический состав АТ (соответствующее содержание органических соединений и металлов; идентификация как опасных отходов/материалов из отходов в соответствующих случаях);
• качество топлива (особенно состав золы, но также, например, гранулометрический состав, форма частиц (двух- или трехмерные), теплотворная способность);
• температура и время выдержки в точке использования (газовая фаза);
• существующие или предусмотренные системы дозирования и горелки (здесь также следует учитывать специфическое распределение частиц АТ по размеру);
• существующие установки для очистки отходящих газов (например, установки селективного каталитического восстановления (SCR — Selective Catalytic Reduction) или регенеративного термического окисления RTO);
• прочие технические граничные условия в точке подачи (например, наличие перепуска).

АТ может добавляться через декарбонизатор (при наличии), через вход печи (по стояку) и на основную горелку в головке печи (таблица 2.7). Выбор точки подачи в значительной степени определяется химическими и физическими свойствами альтернативного горючего материала.

Таблица 2.7

Характеристика различных точек подачи альтернативных видов топлива [55]

Материалы с высоким содержанием токсичных органических соединений должны вводиться непосредственно в горячую зону для обеспечения соответствующих температур и времени выдержки для полного разрушения органических компонентов.

При наличии неопределенностей в отношении профиля температуры и времени выдержки должны быть проведены соответствующие предварительные измерения. Соблюдение требуемых минимальных температур (850 или 1100 °C) должно проверяться с помощью соответствующего измерительного оборудования непрерывного контроля, чтобы в случае падения температуры ниже минимально допустимого значения (например, из-за эксплуатационных помех) подача топлива могла быть прекращена автоматически в максимально короткий срок.

При этом для различных видов альтернативного топлива существуют преимущественные точки подачи (таблица 2.8).

Таблица 2.8

Применимость альтернативных видов топлива в зависимости от их категорий

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.

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.

Рисунок 2.41 — Резервуар с мешалкой

Рисунок 2.42 — Схема использования жидких материалов в качестве альтернативного топлива на цементном заводе

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

Рисунок 2.43 — Схемы подачи АТ на главную горелку (а) и декарбонизатор (б)

Если печь оборудована декарбонизатором с третичным воздуховодом, то камера предварительного сгорания позволяет сжигать АТ 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.

Рисунок 2.44 — Камера предварительного сгорания, установленная в третичном воздуховоде

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.

Рисунок 2.45 — Пример использования камеры поэтапного сжигания в качестве камеры предварительного сгорания [46]

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.

Альтернативное топливо, которое подается через главную горелку, будет разлагаться в первичной зоне горения при высокой температуре, достигающей 2000 °C. 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.

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

Рисунок 2.47 — Ступенчатая камера сгорания PREPOL

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 NOx.

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 (CaO), 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])

Характеристика отдельных техногенных материалов, применяемых в России, и эффективность их применения приведены в таблице 2.10.

Таблица 2.10

Эффективность применения техногенных материалов

<14> ГВ — горючее вещество.

<15> ОЭМК — Оскольский электрометаллургический комбинат.

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.

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 °C, что позволяет существенно снизить топливно-энергетические затраты на их производство, уменьшить «углеродный след» и 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).

Рисунок 2.51 — Альтернативные материалы, применяемые на заводе комбинированного способа в Lägerdorf (Германия)

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.

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 топливом <16>, 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.

<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.

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.

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) — до 70%, на цементном заводе «Wietersdorf» (Австрия) — более 50%, а на цемзаводе Zementwerke Rrogbeumker (Германия) — 100%.

Природный газ в европейской цементной промышленности используется только как резервное топливо, или как вспомогательное — для поддержки горения трудносгораемого 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 °C. Учитывая, что при нагревании многих горючих материалов выход летучих веществ происходит при 150 — 500 °C до воспламенения топлива (~ 650 °C), то при мокром способе, где температура газа в этой области выше 900 °C 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 °C 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 CO2 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.

Таблица 2.11

Различные типы отходов/материалов из отходов, которые могут быть используемы как топливо для вращающихся печей [56]

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).

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, АТ (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

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 CO2 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;
• 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 CO2. 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 вод, различные виды опилок и древесины, животная и костная мука, сельскохозяйственные отходы.

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 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 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 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]

<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.

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.

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 АТ 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.

Рисунок 2.58 — Диаграмма состояния тройной системы для CaO, SiO2 и Al2O3 + Fe2O3, входящих в состав цементного клинкера, и зольных компонентов различных видов сырья и топлива

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.

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 P) (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, Mn, Ni, V и Sn), определения влажности материала, содержания золы, теплотворной способности, а также содержания хлора и серы (таблица 2.14) [46].

Таблица 2.14

Минимальная программа анализа с целью проверки наличия экологически значимых компонентов в АТ

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.

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).

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 °C 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 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.

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).

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

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 °C и выполнены в виде цепных ковриков, а при более высоких температурах — в виде керамических теплообменников.

Наибольшее распространение в последние десятилетия получили печи 5 x 185 м с колосниковым холодильником «Волга 75» производительностью 1800 т/сутки при среднегодовом удельном расходе условного топлива ~ 201 кг/т клинкера.

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.

Рисунок 2.60 — Схемы навески трехзаходной гирляндной и свободновисящей цепных завес в печи 5 x 185 м

За цепной завесой устанавливаются периферийные керамические теплообменники, которые выполняются в виде перемешивающих полок и увеличивают теплообмен в два раза.

Наиболее распространенный способ питания печи шламом приведен на рисунке 2.61.

Рисунок 2.61 — Самоочищающийся питатель шлама

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).

Рисунок 2.62 — Система питания печной системы сырьевой смесью с лотковым измерителем

Рисунок 2.63 — Система питания печной системы материалом с дозирующим бункером

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.

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.

Рисунок 2.64 — Параметры газового и материального потоков в печной системе

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.

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.

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.

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 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 NOx, 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 NOx характеризуется созданием восстановительной зоны с низким содержанием кислорода для достижения эффекта уменьшения выбросов NOx и несколькими вариантами настройки параметров работы декарбонизатора для оптимизации снижения выбросов NOx.

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 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 NOx (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.

Рисунок 2.68 — Футеровка вращающейся печи мокрого способа производства

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 °C футеруется бетоном на портландцементной связке и для противодействия истиранию армируется.

При плохой грануляции материала температура порошкообразной смеси в горячей части цепной завесы может достигать ~ 400 °C, 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.

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 MgO.

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 MgO.

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.

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.

Рисунок 2.70 — Клинкерный ригельный холодильник

Рисунок 2.71 — Схема и устройство переталкивающего колосникового холодильника

Рисунок 2.72 — Принципиальная схема клинкерного холодильника

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).

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

Промежуточное дробление осуществляется с целью окончательного, как можно более полного, охлаждения всего клинкера на второй решетке до температуры < 95 °C. Преимущества валковой дробилки по сравнению с молотковой при дроблении клинкера приведены в таблице 2.15.

Таблица 2.15

Эффективность использования валковой дробилки для клинкера

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 применяются гидроприводы (рисунок 2.74, поз. 2).

Рисунок 2.74 — Схема колосниковой решетки холодильника

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.

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.

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 последние годы (рисунок 2.76).

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.

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

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.

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.

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).

Рисунок 2.78 — Модернизация шаровой мельницы

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.

В результате модернизации производительность мельницы повышается на 15 — 20% и пропорционально снижается удельный расход электроэнергии. В России модернизация шаровой мельницы произведена на АО «Себряковцемент».

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).

Рисунок 2.79 — Расход электроэнергии по отдельным агрегатам при замкнутой схеме помола цемента по данным фирмы Christian Pfeiffer

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.

Ниже представлен пример эффективности модернизации цементной мельницы (таблица 2.17).

Таблица 2.17

Эффективность установки сепаратора и замены внутренней оснастки мельницы 2,6 x 13 м по данным фирмы Christian Pfeiffer

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 с 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.

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.

Рисунок 2.81 — Эффективность применения пресс-валкового измельчителя

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.

Недостатки новых агрегатов:

• усложненность оборудования;
• повышенная стоимость;
• некоторая неопределенность по качеству цемента.

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).

Рисунок 2.83 — Сушилка взвешенного слоя

Особенность сушилки заключается в высокой скорости теплообмена между сушильным агентом и материалом при их тесном контакте в слое.

Преимущества:

• повышенная производительность;
• высокие скорость процесса и степень автоматизации;
• отсутствие подвижных деталей в сушилке;
• низкие затраты на ремонт и эксплуатацию;
• малые габариты, компактность.

Недостатки:

• ограниченность применения — только для сыпучего материала небольших размеров;
• работа топки под давлением, необходимость герметизации;
• повышенный расход электроэнергии на работу вентиляторов.

Такую сушилку 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

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: невысокая 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».

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).

Рисунок 2.87 — Схема хранения и отгрузки цемента

Рисунок 2.88 — Силос цемента (а) и упаковочная машина (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.

Рисунок 2.89 — Устройство для погрузки цемента навалом Fluxo

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.

Рисунок 2.90 — Последовательность операций тарирования цемента упаковочной машиной

При тарировании цемента наблюдается большая запыленность внутри упаковочной машины. Для предотвращения выбросов пыли в помещение установлена интенсивная аспирационная система, которая предотвращает выброс пыли за пределы упаковочной машины.

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 °C. Аэрозоли вращающихся печей сухого способа отличаются высокой дисперсностью частиц (до 75% частиц размером менее 5 мкм) и высокой температурой 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 CO2 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).

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