ИТС 7-2022. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Производство извести

(утв. Приказом Росстандарта от 16.12.2022 № 3198)

ИСТОРИЯ ИЗМЕНЕНИЙ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ АКТОВ

flowchart LR
  n0["ИТС 7-2015"]:::rst
  click n0 "https://bukva.ai/docs/spravochnik-its-7-2015" "ИТС 7-2015. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Производство извести (утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 15.12.2015 N 1577)"
  n1["ИТС 7-2022"]:::doc
  click n1 "https://bukva.ai/docs/spravochnik-its-7-2022" "ИТС 7-2022. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Производство извести (утв. Приказом Росстандарта от 16.12.2022 N 3198)"
  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. № 3198

ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК ПО НАИЛУЧШИМ ДОСТУПНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ

ПРОИЗВОДСТВО ИЗВЕСТИ

Manufacture of lime

ИТС 7-2022

Дата введения 1 сентября 2023 года

Введение

Настоящий информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям «Производство извести» (далее — справочник НДТ) является документом по стандартизации, разработанным в результате анализа технических, технологических и управленческих решений, применяемых в производстве извести.

Структура настоящего справочника НДТ соответствует ГОСТ Р 113.00.03-2019 [1], формат описания технологий — ГОСТ Р 113.00.04-2020 [2], термины приведены в соответствии с ГОСТ Р 56828.15-2016 [3].

Краткое содержание справочника

Введение. Представлено краткое содержание настоящего справочника НДТ.

Предисловие. Указана 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 в Российской Федерации производства извести, описаны основные виды извести, области применения и объемы производства. Также приведены основные факторы и аспекты, характеризующие охрану окружающей среды при производстве извести.

В разделе 2 представлены сведения о производстве извести:

• общие сведения о процессе добычи сырья (карбоната кальция);
• общие сведения о технологии производства извести;
• общие сведения об основном технологическом и природоохранном оборудовании, применяемом при производстве извести.

В разделе 3 дана оценка удельного потребления энергоресурсов и уровней эмиссий в окружающую среду, характерных для производства извести в Российской Федерации. Раздел подготовлен на основании данных, представленных предприятиями Российской Федерации в рамках актуализации настоящего справочника НДТ, а также различных литературных источников.

В разделе 4 описаны особенности подходов, использованных при разработке настоящего справочника НДТ и в целом соответствующих Правилам определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии, а также разработки, актуализации и опубликования информационно-технических справочников по наилучшим доступным технологиям (утверждены постановлением Правительства Российской Федерации от 23 декабря 2014 г. № 1458 [4]) и Методическим рекомендациям по определению технологии в качестве наилучшей доступной технологии (утверждены приказом Министерства промышленности и торговли Российской Федерации от 23 августа 2019 г. № 3134 [5]).

В разделе 5 приведены краткие описания НДТ, внедрение которых целесообразно и актуально при производстве извести и которые позволяют сократить эмиссии в окружающую среду, потребление сырья, воды, энергоресурсов и снизить образование отходов и побочных продуктов производства. Кроме того, в разделе приведены НДТ, относящиеся к системам экологического менеджмента, контроля и мониторинга технологических процессов производства.

В разделе 6 приведены перспективные технологии производства извести.

Заключительные положения и рекомендации. Приведены сведения о членах технической рабочей группы, принимавших участие в разработке настоящего справочника НДТ, и рекомендации предприятиям отрасли по дальнейшим исследованиям экологических аспектов производственной деятельности и улучшению технологических показателей.

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

Предисловие

Цели, основные принципы и порядок разработки информационно-технического справочника по наилучшим доступным технологиям установлены постановлением Правительства Российской Федерации от 23 декабря 2014 г. № 1448 [4]. Перечень областей применения наилучших доступных технологий определен распоряжением Правительства Российской Федерации от 24 декабря 2014 г. № 2674-р [6].

1 Статус документа

Настоящий справочник НДТ является документом по стандартизации и разработан в соответствии с положениями, требованиями и терминологией, изложенными в национальных стандартах в области наилучших доступных технологий [1], [2], [3].

2 Информация о разработчике

Настоящий справочник НДТ разработан технической рабочей группой «Производство извести» (ТРГ 7), состав которой утвержден приказом Министерства промышленности и торговли 18 марта 2022 г. № 857 «О создании технической рабочей группы „Производство извести“.»

Перечень организаций и их представителей, принимавших участие в разработке настоящего справочника НДТ, приведен в разделе «Заключительные положения и рекомендации».

Настоящий справочник НДТ представлен на утверждение Бюро наилучших доступных технологий (далее — Бюро НДТ) (www.burondt.ru).

3 Краткая характеристика

Настоящий справочник НДТ содержит описание применяемых при производстве извести технологических процессов, оборудования, технических способов, методов, в том числе позволяющих снизить негативное воздействие на окружающую среду, сократить водопотребление, повысить энергоэффективность и ресурсосбережение. Из описанных технологических процессов, оборудования, технических способов, методов определены решения, являющиеся наилучшими доступными технологиями (НДТ).

В настоящем справочнике НДТ установлены соответствующие технологические показатели НДТ для производств извести.

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) [7].»

5 Сбор данных

Информация о технологических процессах, оборудовании, технических способах, методах, применяемых при производстве извести в Российской Федерации, была собрана в процессе актуализации настоящего справочника НДТ в соответствии с Порядком сбора данных, необходимых для разработки информационно-технического справочника по наилучшим доступным технологиям и анализа приоритетных проблем отрасли, утвержденным приказом Министерства промышленности и торговли от 18 декабря 2019 г. № 4841 [8].

6 Взаимосвязь с другими справочниками НДТ

Взаимосвязь настоящего справочника НДТ с другими справочниками НДТ, разработанными в соответствии с распоряжением Правительства Российской Федерации от 31 октября 2014 г. № 2178-р [9], приведена в разделе «Область применения».

7 Информация об утверждении, опубликовании и введении в действие

Настоящий справочник НДТ утвержден приказом Росстандарта от 16 декабря 2022 г. № 3198.

Настоящий справочник НДТ введен в действие с 1 сентября 2023 г., 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 7-2015

Область применения

В соответствии с постановлением Правительства РФ от 31 декабря 2020 г. № 2398 «Об утверждении критериев отнесения объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, к объектам I, II, III и IV категорий» деятельность по производству извести (негашеной, гашеной) при наличии печей (с проектной мощностью 50 тонн в сутки и более) относит предприятия к объектам I категории [10].

Настоящий справочник НДТ распространяется на следующие основные виды экономической деятельности:

• производство негашеной, гашеной и гидравлической извести;
• производство прочей неметаллической минеральной продукции;
• производство цемента, извести и гипса.

Производство указанных продуктов относится в соответствии с общероссийским классификатором видов экономической деятельности (ОКВЭД 2) к производству прочей неметаллической минеральной продукции (код ОКВЭД 2 23).

Настоящий справочник НДТ также распространяется на процессы, связанные с основными видами деятельности, которые могут оказать влияние на объемы эмиссий или масштабы загрязнения окружающей среды:

• хранение и подготовка сырья;
• хранение и подготовка топлива;
• производственные процессы;
• методы предотвращения и сокращения эмиссий, образования отходов;
• хранение и подготовка продукции.

Настоящий справочник НДТ не распространяется на:

• добычу сырья на месторождениях;
• вопросы, относящиеся исключительно к обеспечению промышленной безопасности или охране труда.

Вопросы охраны труда рассматриваются частично и только в тех случаях, когда они оказывают непосредственное влияние на виды деятельности, включенные в область применения настоящего справочника НДТ.

Сфера распространения настоящего справочника НДТ приведена в Приложении Б.

Дополнительные виды деятельности (технологические процессы, промышленные системы для реализации отдельных видов деятельности), осуществляемые при производстве извести, и соответствующие им справочники НДТ, определенные распоряжением Правительства Российской Федерации от 31 октября 2014 г. № 2178-р [9], приведены в таблице 1.

Таблица 1

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

Раздел 1 Общая информация об отрасли промышленности

1.1 Общие сведения об известковой отрасли

1.1.1 Виды извести

Известь — оксид и/или гидроксид кальция, также оксид и/или гидроксид магния, образующийся при термическом разложении (декарбонизации) природных карбонатов кальция и магния (известняка, мела, доломита) [11].

Известь — кристаллическое вещество белого цвета (с оттенками серого, серо-зеленого, желтого). Известь обладает высокой химической активностью и низкой плотностью, эти свойства существенно расширяют области использования ее в различных отраслях.

Негашеная известь нестабильна на воздухе, соединяет сначала влагу из воздуха, превращаясь в гидратную известь, затем реагирует с углекислым газом, превращаясь в карбонат.

Полный цикл извести в природе описывается следующими реакциями:

CaCO_{3} \leftrightarrow CaO + CO_{2}

CaCO + H_{2}O \leftrightarrow Ca(OH)_{2}

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃

Для производства извести используют природные кальциево-магниевые горные породы — известняк, доломит, мел, состоящие из карбоната кальция CaCO3, карбоната магния MgCO3 и небольшого количества примесей SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaSO4 [12].

Кальциево-магниевые породы при 800 °C — 1200 °C диссоциируют с образованием окислов кальция CaO, магния MgO и углекислого газа CO2. Продукт обжига, помимо чистых окислов кальция и магния, всегда содержит некоторое количество соединений SiO2, Al2O3, Fe2O3 с CaO, недожог (CaCO3, MgCO3) [13], [14].

По назначению известь разделяют на строительную и технологическую. Строительная известь используется для производства силикатных изделий, сухих строительных и асфальтобетонных смесей, укрепления и консолидации грунтов, приготовления строительных растворов и бетонов.

Технологическая известь применяется в металлургии, целлюлозно-бумажной промышленности, в химии и нефтепереработке.

По условиям твердения строительная известь подразделяется на воздушную, твердеющую только в воздушно-сухой среде, и гидравлическую, способную твердеть, наращивать прочность и сохранять ее как на воздухе, так и в воде [11].

По содержанию основных окислов (CaO, MgO) известь подразделяется на кальциевую, магнезиальную и доломитовую.

Кальциевая известь содержит 70 — 97% CaO и в пределах 0,5 — 5% MgO, что достигается применением для обжига (в печах любого типа) чистых кальциевых известняков с низким содержанием MgCO3.

Магнезиальная известь содержит до 20% MgO, а доломитовая — до 40%. Магнезиальную и доломитовую известь получают обжигом чистых карбонатных пород в печах, обеспечивающих получение MgO в активной форме, т.е. способную гаситься водой в обычные сроки.

Воздушная известь выпускается следующих видов:

• известь негашеная комовая;
• известь негашеная дробленая (до 20 мм);
• известь негашеная порошкообразная (молотая);
• известь гидратная (гашеная).

Негашеная комовая известь (кипелка) представляет собой воздушную известь после ее обжига в печи.

Известь порошкообразную (молотую) получают путем помола в мельнице негашеной комовой извести.

Гидратную известь получают действием определенного количества воды на негашеную воздушную известь, в результате которого образуется продукт в виде сухого порошка (пушонки), известкового теста или известкового молока.

Сухая гидратная известь (пушонка) — тончайший порошок, который получается при гидратации негашеной извести точным количеством воды, необходимым для полного протекания реакции гидратации (соединения с водой).

Известковое тесто получается при гашении воздушной извести водой в количестве, превышающем теоретически необходимое в несколько раз. В среднем берут 2,5 — 3 л воды на 1 кг извести.

Известковое молоко образуется при введении количества воды, превышающего теоретически необходимое более чем в десять раз. При дальнейшем увеличении количества воды продукт гашения носит название известковой воды.

Гидравлическая известь — продукт умеренного обжига (при температурах 900 — 1100 °C) карбонатных пород с высоким (8 — 20%) содержанием глинистых веществ. Такая известь содержит цементные компоненты и используется в приготовлении строительных растворов, бетонов для построек, находящихся в период эксплуатации во влажных условиях. Основные требования к различным видам извести приведены в таблицах 1.1, 1.2, 1.3, 1.4.

Таблица 1.1

Основные показатели строительной извести по ГОСТ 9179-2018 [11]

Таблица 1.2

Спецификация негашеной извести для целлюлозно-бумажной промышленности

Таблица 1.3

Общие технические требования к металлургической извести

Таблица 1.4

Спецификация гидратной извести для производства присадок моторных масел

1.1.2 Применение извести

Размер и относительная значимость различных рыночных сегментов для негашеной и гашеной извести зависят от многих факторов, включая степень индустриализации, специфическую промышленность, качество, пригодность карбонатной породы, традиционные строительные методы.

Продукты извести используют во многих областях (см. таблицу 1.5). Крупнейшими потребителями извести в Российской Федерации являются металлургическая, химическая промышленность и промышленность строительных материалов. Также известь широко применяется в сфере защиты окружающей среды и сельском хозяйстве [15], [16], [17].

Таблица 1.5

Основные области применения извести

1.2 Производство извести в Российской Федерации

Производителей негашеной извести можно разделить на несколько групп:

• известковые заводы (производство извести основной вид деятельности), реализующие известь на свободном рынке;
• комбинаты строительных материалов, выпускающие известь как для собственных потребностей (для использования в производстве силикатного кирпича и ячеистых бетонов), так и на продажу;
• предприятия нескольких отраслей, где произведенная известь практически полностью используется для дальнейшего технологического процесса (металлургическая промышленность, сахарное производство, целлюлозно-бумажное производство, производство кальцинированной соды).

По данным Росстата объем выпуска негашеной извести в 2021 году составил около 8,4 млн. тонн. Основной объем приходится на выпуск извести предприятиями металлургической и химической промышленности. Произведенная известь на металлургических предприятиях, содовых заводах и сахарных заводах практически полностью используется в технологической цепочке для выпуска профильной продукции. На реализацию сторонним предприятиям приходится очень незначительная доля излишков производства извести предприятиями указанных отраслей.

По оценке крупнейших аналитиков, в 2021 году объем выпуска товарной негашеной извести составил около 3,2 млн. тонн. В этом объеме учтен выпуск извести известковыми заводами и комбинатами строительных материалов, как для собственного потребления, так и на продажу.

В настоящее время основной объем выпуска (75%) приходится на производителей из группы «известковые заводы», у которых выпуск извести является профильным производством (см. таблицу 1.6). Около 25% выпуска приходится на комбинаты строительных материалов, которые значительную часть извести используют в дальнейшем производстве на собственном предприятии (силикатного кирпича, газосиликата и других строительных материалов).

Таблица 1.6

Объемы производства товарной извести в 2019 — 2021 гг., тыс. т (по данным компании «Строительная информация» [18])

Региональная структура производства товарной извести представлена на рисунке 1.1. Основной объем данной продукции (порядка 51%) производится в Центральном федеральном округе, где сосредоточено большинство крупных производителей. Второе место по объемам производства занимает Уральский федеральный округ (около 20%).

Основной объем извести в России потребляется предприятиями промышленности строительных материалов. Несмотря на наличие в отрасли значительного числа предприятий, которые производят известь для собственных нужд, промышленность строительных материалов остается крупнейшим потребителем товарной извести.

Рисунок 1.1 — Региональная структура производства товарной извести в 2021 г.

В 2021 году доля этого сегмента составила порядка 40%. Второе место по объемам потребления извести занимает черная металлургия. Крупными потребителями товарной извести являются производители минеральных удобрений. Именно этот сегмент потребления показывает существенный спрос на известь в последние годы. Основные потребители извести в 2021 году представлены в таблице 1.7.

Таблица 1.7

Основные потребители извести в 2021 году

Объем выпуска гидратной извести в 2021 году составил около 170 тыс. тонн (см. рисунок 1.2). Объемы выпуска крупнейших производителей составляют по 20 — 30 тыс. тонн гидратной извести в год. Основным сегментом потребления гидратной товарной извести является производство сухих строительных смесей. Второе место занимает сегмент цветной металлургии и золотодобычи — около 20% от общего объема потребления. На третьем месте — сегмент энергетики и коммунального хозяйства. При этом за последние годы наибольшие темпы роста были характерны для сегмента цветной металлургии и золотодобычи. Объем потребления гидратной извести в этом сегменте рынка в 8 раз превысил уровень 2015 г. [19].

Рисунок 1.2 — Оценка производства гидратной извести в России

Региональная структура производства гидратной извести в 2021 г. представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 — Региональная структура производства гидратной извести в 2021 г.

1.3 Основные факторы, характеризующие охрану окружающей среды и устойчивое развитие производства извести

Основными факторами, характеризующими охрану окружающей среды при производстве извести, являются:

• удельное потребление электроэнергии и топлива;
• выбросы (эмиссии) CO2, загрязняющих веществ (ЗВ), содержащихся в дымовых газах обжиговых печей;
• контроль загрязнения воздуха (запыленность);
• усовершенствование стадий подготовки, перегрузки, транспортирования сырья, топлива и готового продукта;
• защита сложившейся вокруг предприятия экосистемы;
• мониторинг состояния почв, водоемов, рек вокруг предприятия.

Факторы, характеризующие устойчивое развитие, связаны с наличием месторождений высококачественной карбонатной породы для сохранения геологических запасов в течение отдаленного будущего. Известняки, доломиты, мел широко распространенные в земной коре породы. Тем не менее, трудно найти месторождения, отвечающие следующим характеристикам:

• запасы, обеспечивающие эксплуатацию в течение 50 лет и более;
• высокая химическая чистота;
• специфические физические и механические характеристики;
• наличие инфраструктуры, благоприятной для транспортирования.

Список наиболее крупных месторождений Российской Федерации представлен в приложении А.

Раздел 2 Описание технологических процессов, используемых в настоящее время при производстве извести

2.1 Общее описание процесса подготовки сырья и топлива

2.1.1 Общее описание процесса подготовки сырья и топлива

Для производства извести используются осадочные карбонатные горные породы, состоящие из углекислого кальция, углекислого магния и различных примесей. К ним относятся в основном известняки, мел, доломиты.

Известняк — осадочная горная порода, состоящая из кальцита, может содержать примеси обломочного, глинистого материала. Твердость по шкале Мооса — 3, средняя плотность — 2,57 т/м3, пористость — 6 - 15%, в основном белого цвета, но может быть серого, зеленоватого, розоватого, желтого, коричневого и черного цвета. Цвет зависит от примесей, содержащихся в породе.

Мел — белая, маркая, сцементированная осадочная порода, состоящая преимущественно из кальцитовых остатков морских планктонных водорослей. Средняя плотность — 1,5 — 1,6 т/м3, влажность — 15 — 35%, пористость — до 40%.

Доломит — минерал с химической формулой CaMg(CO₃)₂, белого, серого, зеленоватого или красноватого цвета, удельный вес 2,86 т/м3, твердость — 4. В чистом доломите 30,4% CaO, 21,86% MgO и 47,75% CO2 [20].

Физико-механические свойства пород отражаются на выборе оборудования, технологии производства извести и на показателях готовой продукции. К ним относятся показатели прочности на сжатие, пористость, влажность, удельный и объемные веса, коэффициент разрыхления [48].

В зависимости от химического состава пород определяются области применения произведенной из них извести. Известняки, мел, доломиты, предназначенные для производства строительной и технологической извести, исследуются на содержание CaCO3, MgCO3, CO2, SiO2, Al2O3, Fe2O3, нерастворимый в HCl осадок, тяжелые металлы, радиоактивные изотопы. Карбонатные породы для металлургической извести должны иметь показатели по содержанию Na2O, K2O, SO3, P2O5, Cl, F.

Карбонатные породы образовались в основном из останков живых организмов, обитавших миллионы лет назад в морской воде. Скопления скелетов, раковин, панцирей, в состав которых входил углекислый кальций, образовали известняковый ил, который под действием огромного давления столба воды и вышележащих пластов уплотнялся. Чем больше времени прошло с момента образования таких скоплений, тем более плотным является известняк.

Некоторая часть карбонатной породы образовалась химическим путем при переходе растворенной в воде двууглекислой соли кальция в нерастворимую углекислую (химические известняки).

Российская Федерация обладает большими запасами карбонатного сырья. Месторождение карбонатного сырья имеет промышленное значение в том случае, если его запасы достаточны для длительной эксплуатации (свыше 25 лет). Запасы сырья в месторождении определяют бурением скважин на всю глубину месторождения. Скважины распределяют в шахматном порядке на всем участке, где предполагается наличие сырья, на расстоянии 100 м одна от другой. Одновременно с бурением отбирают пробы породы для определения ее химического состава.

После промера толщины пустой породы и полезного слоя в каждой скважине определяют их среднюю величину по месторождению. Запасы сырья подсчитывают умножением площади разведанной части месторождения в квадратных метрах на толщину полезного слоя (мощность пласта) в метрах.

Большинство разрабатываемых месторождений карбонатного сырья относится к залежам, выходящим на поверхность земли или находящимся под небольшим слоем пустых пород. Разработка таких месторождений ведется открытым способом, т.е. полезную породу разрабатывают в карьере после сноса вышележащих пустых пород (вскрыши).

Системой разработки называется определенный порядок выборки полезного ископаемого из месторождения. Открытые работы обычно ведутся горизонтальными слоями, уступами. После подготовительных работ по устройству карьера, называемых вскрытием карьера, проводятся вскрышные работы, обнажающие залежи сырья на расчетный период работы. Вскрышные работы ведутся в один уступ. Выемка полезного ископаемого ведется экскаватором в один или несколько уступов в зависимости от мощности пласта.

Пластом называется масса полезного ископаемого, ограниченная двумя более или менее параллельными плоскостями, имеющая значительные размеры по длине и ширине. Пласты редко бывают горизонтальными и чаще всего имеют наклон (угол падения) в пределах 45°. Толщина пород называется мощностью или глубиной залегания пласта.

К вскрышным работам относятся снятие вскрыши с пласта и транспортирование пустой породы за пределы карьера или засыпка ею уже выработанного пространства карьера.

Первой операцией при разработке месторождений карбонатной породы является бурение шпуров, представляющих собой цилиндрические скважины для закладки зарядов взрывчатого вещества. Заряды при взрыве отделяют куски породы от массива, подготавливая горную массу для дробильно-сортировочных фабрик.

Буровзрывные работы занимают важное место в добыче сырьевых материалов. Эффективность буровзрывных работ зависит от типа применяемых для бурения скважин механизмов, системы закладки скважин и качества применяемых взрывчатых веществ. Для известняковых карьеров необходимо применять вращательные и ударные способы бурения. В карьерах рекомендуется применять эффективные бризантные (дробящие) взрывчатые вещества в сочетании с электродетонаторами паспортизованного замедления. На некоторых карьерах применяют безвзрывные методы рыхления известняков и доломитов: механическое разрушение с использованием фрезерного комбайна; механическая разборка гидравлическим экскаватором с комплектом навесного оборудования; механическое рыхление с использованием рыхлительно-бульдозерного агрегата. При выборе метода учитывают прочность и слоистость пород, а также фракционный состав получаемой массы [21].

Рисунок 2.1 — Обобщенная схема подготовки карбонатных пород для производства извести

В процессе производства извести в качестве топлива используют уголь, кокс, мазут, природный газ, коксовый газ. Выбор вида топлива зависит от доступности, экономической целесообразности и технологических требований к продуктам обжига. Например, на сахарных заводах применяется твердое топливо, так как имеются требования к дымовым газам по содержанию CO2 для дальнейшего их использования в технологии. В настоящее время на российских известковых заводах наиболее распространенный вид топлива — природный газ [14].

2.1.2 Хранение сырья и топлива

Складское хозяйство предприятия, изготовляющего известь, состоит из открытых или закрытых площадок, емкостей и хранилищ. Промежуточные (складские) емкости позволяют предприятию накапливать в них запас сырьевых материалов, топлива и продукции для бесперебойной работы основного технологического оборудования [12].

Различают склады, служащие для хранения сырья, топлива и готовой продукции.

Склады заводов часто получают сырье и топливо по железной дороге. Транспортируется оно обычно в саморазгружающихся полувагонах грузоподъемностью до 70 т.

При доставке сырья автомобильным транспортом склад обычно представляет собой открытую бетонированную площадку с эстакадой, на которую заезжают самосвалы.

Сырье поступает на склад во фракционированном или нефракционированном виде. В первом случае оно распределяется со склада по приемным бункерам печей, во втором — его вначале отправляют в приемные бункера дробильно-сортировочной установки, а после дробления и рассева ленточными транспортерами распределяют по приемным бункерам обжиговых печей.

Каменный уголь хранят в штабелях. В зависимости от склонности к самовозгоранию ископаемые угли делятся на две категории: А — опасные (бурые и каменные длиннопламенные) и Б — устойчивые (антрацит, тощие каменные угли). Угли категории А хранят в штабелях высотой до 3 м, если срок хранения не превышает двух месяцев. При большем сроке высота штабеля не должна превышать 2 — 2,5 м. Высота штабеля при хранении антрацита не ограничивается.

Склады твердого топлива оборудуют противопожарным инвентарем, обеспечивают водопроводом и ящиками с песком.

Уголь доставляют со склада к бункерам дробильно-сортировочной линии или приемным бункерам печей (при фракционированном угле) чаще всего передвижными или стационарными ленточными транспортерами — конвейерами. Иногда используются скреперные установки и опрокидные вагонетки узкой колеи.

Мазут хранят в резервуарах, отдаленных от других помещений на 200 — 300 м. Резервуары оснащаются змеевиками, по которым пропускают пар, подогревающий мазут для снижения его вязкости. Мазут подается к обжиговым печам по обогреваемому паром трубопроводу при помощи шестеренчатого насоса.

2.1.3 Контроль качества сырья и топлива

Качество исходных материалов (сырья и топлива) контролируют при их поступлении на склад, периодически при хранении на складе и раз в смену на технологической линии перед поступлением в обжиговый агрегат.

Качество карбонатной породы на складе контролируют как по документации поставщика, так и непосредственным анализом проб, взятых из прибывшей партии сырья или различных мест штабеля.

Для определения физико-химических свойств сырья необходимо отобрать среднюю пробу. Карбонатную породу для средней пробы отбирают из каждой партии в размере 20 кг равными порциями не менее чем из 20 мест.

Перед определением влажности и химического состава карбонатного сырья отобранную пробу подвергают сокращению квартованием. Среднюю пробу в количестве до 1 кг, отобранную методом квартования, помещают в эксикатор и направляют в лабораторию для исследования.

Для определения влажности карбонатную породу из средней пробы измельчают до полного прохождения через сито с отверстиями 3 мм и квартованием отбирают 20 — 40 г. Навеску взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г в предварительно просушенной и взвешенной фарфоровой чашке. Далее чашку с навеской материала помещают в сушильный шкаф, где выдерживают до постоянного веса при температуре 105 — 110 °C. Высушенную навеску охлаждают в эксикаторе и взвешивают.

Потери при прокаливании (П.П.П.) карбонатной породы контролируют для косвенного определения содержания в сырье углекислого кальция и магния. П.П.П. химически чистого CaCO3 составляют 44%, в доломитизированных известняках П.П.П. несколько выше, а П.П.П. известняков, засоренных примесями, ниже 44%. При величине П.П.П. ниже 40% карбонатное сырье не рекомендуется применять для производства воздушной извести.

Далее определяют содержание в средней пробе CaO, MgO, SiO₂, полуторных окислов (R₂O₃ = Al₂O₃ + Fe₂O₃), CaSO₄, S, P, Cl.

Если контрольная проверка качества сырья показывает неудовлетворительные результаты, то производят повторную проверку, отбирая двойное количество проб. При отрицательных результатах повторной проверки партия карбонатной породы не принимается предприятием и не пускается в производство.

Гранулометрический состав карбонатного сырья периодически, 1 раз в смену, проверяют на технологической линии перед его подачей в скип или питатель печи.

Все данные соответствующих анализов заносят в журнал по контролю сырья.

Твердое топливо контролируют особенно тщательно, так как его качество существенно колеблется в процессе добычи и поставки потребителю. Поставщик обязан выслать предприятию удостоверение о качестве отгруженного топлива, в котором указываются марка и группа угля, выход летучих веществ, зольность, размер кусков, содержание влаги, теплотворность топлива.

От каждой поступающей на предприятие партии твердого топлива берется средняя проба, которая подвергается анализу с определением влажности, зольности, сортности и теплотворности топлива.

Влажность топлива определяют таким же способом, как и влажность сырья.

Зольность топлива определяют следующим образом. 5 — 10 г из средней пробы помещают в тигель и прокаливают при постепенном повышении температуры до полного сгорания органической части.

Сортность твердого топлива устанавливают рассевом средней пробы топлива на грохоте или контрольных ситах с размерами отверстий, соответствующими гранулометрическому составу топлива по технологической карте.

Влажность и зольность твердого топлива, идущего в производство извести, определяют один раз в сутки, а сортность (гранулометрический состав) — один раз в смену.

Кроме того, необходимо периодически контролировать правильность хранения твердого топлива в штабелях.

Жидкое топливо контролируют как по паспорту поставщика, так и отбором проб от полученной партии. В паспорте поставщика указываются марка мазута, содержание серы и теплотворность.

Среднюю пробу отбирают в чистый металлический сосуд во время слива мазута в хранилище из напорной части мазутопровода между расходным баком и печью. На каждые 10 т для пробы берут 1 л. Для получения лабораторной пробы первичную пробу при температуре не выше 25 °C сильно взбалтывают в течение 5 — 10 мин и затем быстро отливают из нее 1 л в чистую сухую бутылку с пробкой. Теплотворность мазута определяют, как и для твердого топлива.

Качество мазута, идущего в производство, контролируют 2 — 4 раза в месяц.

Газообразное топливо принимают по паспортным данным поставщика.

Все данные по качеству топлива заносят в специальный журнал по контролю топлива.

2.1.4 Дробление и помол

Измельчением называется процесс превращения крупных кусков материала в мелкие под действием внешних сил. Процесс измельчения характеризуется степенью (коэффициентом) измельчения, величина которой показывает, во сколько раз уменьшился средний размер кусков материала после измельчения по отношению к их первоначальному среднему размеру.

При грубом измельчении (дроблении) коэффициент измельчения составляет 3 — 20, при тонком (помоле) — достигает 500 — 1000. Машины, служащие для грубого измельчения, получили название дробилок, а тонкого — мельниц.

Процесс дробления условно делят на три стадии: крупное дробление — с измельчением кусков материала от 1500 — 1000 мм до 300 — 200 мм, среднее дробление — от 300 — 200 мм до 80 — 20 мм и мелкое дробление — от 80 — 20 мм до 10 — 3,0 мм.

Процесс помола соответственно делится на грубый помол — измельчение материала до размера части 0,3 — 0,1 мм, тонкий помол — до размера 0,1 — 0,001 мм и сверхтонкий, когда размер частиц в материале ниже 0,001 мм.

Различают четыре способа воздействия на материал при измельчении: раздавливание, раскалывание, истирание и удар. Способ измельчения выбирают, учитывая свойства материала: для твердых эффективными являются удар и раскалывание, для вязких — истирание, для хрупких — раскалывание.

Дробление и помол являются основными технологическими стадиями при производстве извести и известняковой муки. Дроблению подвергают карбонатное сырье и твердое топливо перед загрузкой в печной агрегат и перед помолом в мельницах. Известь подвергают как дроблению, так и дальнейшему измельчению в мельницах.

Дробилки, применяемые в известковом производстве, по конструкции и принципу действия разделяют на следующие типы:

• щековые, в которых раздавливание и частичное истирание материала происходит между неподвижной и подвижной щеками;
• конусные, раздавливание и истирание материала в которых происходит между неподвижным наружным и вращающимся внутренним конусами;
• валковые, в которых материал измельчается раздавливанием и частичным истиранием между вращающимися навстречу валками;
• ударного действия, в которых материал измельчается вследствие ударов по кускам быстро вращающихся молотков, кусков друг о друга, о плиты брони и колосники.

Мельницы подразделяются на следующие типы:

• быстроходные ударного действия, аналогичные с молотковыми дробилками;
• тихоходные, измельчающие при вращении материал по принципу удара и частичного истирания свободно падающими мелющими телами (шарами, цилиндрами, стержнями).

Щековые дробилки применяют для крупной и средней стадии дробления.

Конусные дробилки — более сложные агрегаты, в связи с чем реже применяются в известковом производстве. Их преимуществом являются высокая производительность, непрерывность процесса измельчения, постоянство размера продуктов дробления.

Валковые дробилки применяют в основном для измельчения мягких материалов (мел, уголь) небольших размеров (до 150 мм). По количеству валков дробилки разделяют на одновалковые, двухвалковые и многовалковые.

Дробилки ударного действия широко применяются для дробления угля, мела, извести и известняка средней твердости. Дробилки этого типа просты по конструкции, компактны, имеют небольшой вес, большую производительность и высокую степень измельчения.

Шахтные и аэробильные мельницы являются видоизмененными молотковыми дробилками, отличающимися от последних тем, что отбор готового продукта производится воздушным потоком. Шахтные и аэробильные мельницы применяются для измельчения карбонатной породы, каменного угля, комовой извести и других малоабразивных материалов. В этих мельницах совмещаются два процесса: помол и подсушка измельченного материала. В шахтных мельницах используются горячие газы с температурой 300 — 600 °C.

Шаровые мельницы широко применяются для тонкого измельчения (размола) извести и карбонатной породы. Основным элементом шаровой мельницы является цилиндрический или конический барабан, бронированный изнутри плитами. Цилиндрические мельницы выпускают различной длины, одно-, двух- и многокамерными. Многокамерные мельницы называются трубными.

В известковом производстве применяют цилиндрические мельницы непрерывного действия. В мельницах непрерывного действия материал непрерывно загружается через переднюю центральную торцовую пустотелую цапфу, а продукт непрерывно выгружается через заднюю цапфу.

По способу помола различаются шаровые мельницы сухого и мокрого помола. В известковом производстве применяют мельницы сухого помола.

Шаровые мельницы работают как по замкнутому циклу с сепаратором, так и по открытому циклу. По замкнутому циклу работают короткие однокамерные мельницы. Двухкамерные и многокамерные шаровые мельницы дают более тонкий и однородный помол извести (карбонатной породы). Работают они без сепараторов, их производительность выше однокамерных.

2.1.5 Сортировка

На многих участках известкового производства материал сортируют по размеру кусков. Наиболее широкое применение нашел механический способ сортировки, или грохочение. Грохочение применяют перед дроблением, а также в промежутке между первичной или вторичной стадиями дробления.

Грохочение выполняется грохотами — сортировочными машинами, снабженными поверхностями грохочения. В качестве просеивающих поверхностей применяют колосниковые решетки, листовые решета, штампованные сита, проволочные сита, резиновые, капроновые и полиуретановые сетки.

Количество получаемых при грохочении фракций материала определяется числом применяемых сит, а размер кусков каждой фракции — размером отверстий соответствующих сит.

Эффективность сортировки материала грохотами оценивается коэффициентом качества грохочения, равного отношению количества кусков (частиц) материала, размер которых несколько меньше размера отверстий в сите, к фактическому количеству кусков этого класса в исходном материале. Коэффициент качества грохочения зависит от размера отверстий сита в свету и их формы, угла наклона грохота, скорости продвижения по нему материала, влажности материала, количества глинистых примесей и т.п.

Воздушная сепарация применяется для отделения готового продукта от общего потока. Способ основан на выделении частиц материала определенного размера под действием силы тяжести из вертикального или горизонтального потока, или под влиянием центробежной силы из криволинейного потока. Аппараты, в которых осуществляется этот способ, называются воздушными сепараторами. Работа сепараторов характеризуется коэффициентом полезного действия, представляющего отношение количества готового продукта к общему количеству пыли, поступившей в сепаратор.

Магнитный способ применяется в магнитных сепараторах для выделения из материала металлических предметов перед его поступлением в дробильно-размольные или транспортные машины и механизмы.

Гидравлический способ может применяться при промывке засоренной глиной и песком карбонатной породы на карьере или перед подачей в обжиговые печи.

Грохоты подразделяют на инерционные наклонные, самобалансные, гирационные. В зависимости от насыпного веса применяемого материала они подразделяются на три типа: легкого — насыпной вес материала до 1000 кг/м3, среднего — до 1600 кг/м3 и тяжелого — до 2500 кг/м3.

Инерционные наклонные грохоты выпускают двух типов: тяжелые колосниковые грохоты и средние.

Тяжелые колосниковые грохоты применяют на дробильно-сортировочных фабриках для предварительного грохочения материала перед подачей его в дробилку первичного дробления.

Средние инерционные грохоты предназначены для разделения крупнокускового материала на фракции. Инерционные грохоты характеризуются круговыми колебаниями сит, вызываемыми эксцентриситетом (смещением) проводного вала. Отсюда грохоты этого типа называют также эксцентриковыми.

Воздушные сепараторы (классификаторы) подразделяются на два основных типа: воздушно-проходные и механические. В воздушно-проходных классификаторах воздушный поток создается вентилятором, расположенным вне сепаратора. В механических сепараторах внутри аппарата установлен вентилятор, который создает в нем замкнутый поток воздуха.

2.1.6 Транспортировка и дозирование

В известковом производстве для транспортирования и дозирования известняка, мела, извести и каменного угля применяют машины непрерывного и периодического транспорта. Машины непрерывного транспорта предназначены для перемещения порошкообразных, сыпучих, кусковых материалов и штучных грузов непрерывным потоком на сравнительно большие расстояния (до 2 км) по определенной траектории. Машины периодического транспорта предназначены для перемещения материалов определенными порциями на коротком участке пути и называются дозаторами или питателями.

К машинам непрерывного транспорта относятся: ленточные, пластинчатые, ковшовые, винтовые конвейеры и пневмовинтовые насосы.

Ленточные конвейеры применяют для непрерывного перемещения крупно- и мелкокускового известняка, мела и каменного угля.

Пластинчатые конвейеры применяются для перемещения горячей комовой извести от выгрузочных устройств печей до приемных воронок дробилок или бункеров. Пластинчатые конвейеры позволяют подавать материал под большим углом, чем ленточные.

Ковшовые конвейеры (элеваторы) предназначены для перемещения мелкокусковых и порошкообразных материалов под большим углом к горизонту или вертикально. Тяговым органом элеватора служит бесконечная лента или цепь с жестко закрепленными на ней ковшами.

Винтовые конвейеры (шнеки) предназначены для транспортирования сухих мелкозернистых и пылевидных материалов (известь, известняковая мука, пыль).

Пневмовинтовые насосы применяют в системах пневмотранспорта нагнетательного типа для перемещения молотой извести и известняковой муки.

Ленточные питатели применяют при подаче мелкого материала. Пластинчатые питатели применяют для питания дробилок первичного дробления крупными и тяжелыми материалами. Лотковые (качающиеся) питатели применяют для транспортирования как крупного, так и мелкого материала.

Ящичный питатель используется для дозирования сырья низкой механической прочности (мел, рыхлый известняк и т.д.). Дисковые (тарельчатые) питатели широко применяют для подачи мелкокусковых и зернистых материалов (карбонатная порода, известь, уголь) в дробильно-размольные машины, во вращающиеся печи и сушильные барабаны.

Скиповые подъемники применяют для доставки материалов в загрузочные воронки шахтных печей. Камерный насос представляет собой цилиндрическую камеру, в которую из бункера периодически загружается материал. Преимуществами камерных насосов являются отсутствие вращающихся механизмов, простота и надежность эксплуатации и возможность транспортирования крупнозернистых материалов (до 12 мм).

Электровибрационные питатели применяют для подачи сыпучих материалов с размером кусков до 150 мм.

2.1.7 Очистка воздуха и газов от пыли

Пыль образуется при эксплуатации основного технологического оборудования: обжиговых печей, дробилок, грохотов, мельниц; при работе технологического транспорта: транспортеров, шнеков, питателей; при погрузочно-разгрузочных работах и т.п. Пылеобразование является неотъемлемой частью процесса производства извести, поэтому оснащение его пылеулавливающим оборудованием должно быть обязательным во всех случаях.

Методы очистки воздуха (аспирация) или дымовых газов от пыли разделяются на следующие виды:

• механическая очистка, при которой осаждение частиц происходит под действием силы тяжести, инерционных или центробежных сил. Механическая очистка осуществляется при помощи пылевых камер и аппаратов — циклонов;
• фильтрование, т.е. пропускание газов через пористые перегородки. Фильтрование осуществляется при помощи тканевых (рукавных) фильтров;
• электрическая очистка, при которой осаждение взвешенных в газовом потоке частиц происходит под воздействием электромагнитного поля высокого напряжения; электрическая очистка осуществляется в электрических фильтрах;
• мокрая чистка, при которой запыленный поток пропускают через слой жидкости или орошают потоком жидкости, осуществляется в скрубберах и пенных аппаратах.

Пылеосадительные камеры широко применяются для механического осаждения крупных фракций пыли (от 0,2 до 2 мм) при ее выносе отходящими газами вращающихся печей и сушильных барабанов [22], [23].

Циклоны применяются для более эффективной механической очистки газового потока с размером частиц пыли 0,003 — 0,1 мм.

Рукавные фильтры используются для более полного осаждения тонкодисперсной пыли. Степень пылеосаждения рукавных фильтров составляет 90 — 98%.

Электрофильтры изготовляют двух видов: трубчатые и пластинчатые.

Трубчатый электрофильтр состоит из группы установленных вертикально труб, в центре которых на изоляторах подвешены коронирующие электроды. Механизм пылеосаждения в электрофильтре состоит в следующем. Частицы пыли, попав в область короны, получают отрицательный заряд и притягиваются положительным электродом, которым служит стальная круглая или многогранная труба. Притянутые положительным электродом частицы оседают на нем, в связи с чем трубы называются осадительными электродами.

Пыль удаляют периодическим встряхиванием осадительных электродов при помощи специального механизма. Осажденная пыль накапливается в бункере, откуда она периодически удаляется. В трубчатом электрофильтре газы пропускаются внутри труб снизу вверх.

Пластинчатый электрофильтр представляет собой герметичную камеру, в которой на равном расстоянии друг от друга установлены металлические пластины с натянутыми между ними проводами, служащими коронирующими электродами. Таких групп пластин (полей) установлено четыре, поэтому электрофильтр называется четырехпольным. Высокое напряжение поступает на электроды от аппаратуры, установленной в помещении.

Отходящие из печи запыленные газы по трубопроводу поступают в камеру электрофильтра. Газы, двигаясь вдоль пластин горизонтально, пересекают магнитное поле. Частицы пыли, получая от коронирующих электродов отрицательный заряд, оседают на пластинах, имеющих положительный потенциал.

Пластины с помощью специального механизма периодически встряхиваются, и осевшая на них пыль ссыпается в расположенные под пластинами бункера. Пыль из бункеров периодически выгружается шнековыми транспортерами в промежуточный бункер, куда поступает также пыль, осевшая в пылеосадительной камере печи. Печные газы просасываются через электрофильтр дымососом.

Преимущества очистки газов при помощи электрофильтров состоят в том, что при этом достигается высокая степень очистки газов (94 — 99%).

Центробежные скрубберы и пенные аппараты очищают газы следующим образом. В цилиндрический корпус скруббера запыленный газ поступает тангенциально и, получив вращение, движется снизу вверх. Частицы пыли в закрученном потоке отбрасываются центробежными силами к стенке аппарата. Стенки корпуса орошаются водой, поступающей в скруббер через сопла, расположенные в верхней части цилиндра. Смоченные водой частицы пыли удаляются вместе с ней через коническое днище скруббера.

В пенных аппаратах запыленный газ проходит через камеру, в которой непрерывно взбивается пена. В центробежных скрубберах и пенных аппаратах степень очистки газов от тонкодисперсной пыли достигает 99%.

Аспирационные установки используют для двух- и трехступенчатых систем аспирации воздуха. Двухступенчатые применяются для аспирации оборудования дробильно-сортировочного отделения и состоят из циклона и рукавного фильтра или из циклона и мокрого пылеуловителя. Трехступенчатая очистка используется для аспирации шаровых мельниц и состоит из вертикальной шахты, циклона и рукавного фильтра [46].

2.2 Общие сведения об обжиге карбонатных пород

Выбор способа производства извести, типа обжиговой печи осуществляется на основании технико-экономической оценки всех факторов, влияющих на себестоимость и качество извести, с учетом характеристик применяемого сырья, вида технологического топлива и эффективности их использования, а также с учетом факторов, влияющих на чистоту окружающей среды. Обобщенная технологическая схема производства извести приведена на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 — Обобщенная технологическая схема производства извести

В процессе обжига чистых карбонатных пород происходит термическая диссоциация карбонатов кальция (CaCO₃) и магния (MgCO₃) с поглощением тепла по уравнениям:

CaCO₃ + 178 кДж/моль = CaO + CO₂

MgCO₃ + 130 кДж/моль = MgO + CO₂.

Величина теплового эффекта соответствует температуре 25 °C. Для температуры 900 °C тепловой эффект определяется законом Кирхгофа и составляет для CaCO3 164,19 кДж/моль. Теоретическая потеря веса за счет выделения CO2 при полном термическом разложении составляет 44%, для доломита потери больше, так как карбонат магния теряет 52,2% своего веса [14].

Оксид кальция CaO, образующийся в процессе обжига, взаимодействует и с глинистыми примесями, содержащимися в породе и золе твердого топлива, образуя CaSO4, 2CaOAl2O3, 3CaOAl2O3, CaOFe2O3, 2CaOFe2O3, 2CaOSiO2. Эти соединения называются клинкерными, CaO в этих соединениях не активен.

Скорость разложения карбонатов в обжиговой печи зависит от следующих параметров:

• температуры и времени обжига;
• размера и плотности кусков породы;
• теплопроводности и микроструктуры сырья;
• коэффициента теплоотдачи от газов к материалу;
• от упругости диссоциации PCO2.

Температура разложения CaCO3 по справочным данным 898 °C. Полное разложение CaCO3 происходит при температурах выше 900 °C. Разложение MgCO3 начинается при температурах 480 °C, полное разложение начинается с 750 °C. Так как у CaCO3 и MgCO3 температуры разложения различны, то MgO может пережигаться прежде, чем при более высокой температуре образуется CaO, изменять плотность и реакционную способность негашеной извести. Существует оптимальная температура обжига и скорость нагрева для каждой карбонатной породы, которые определяются практическими исследованиями.

Скорость реакции разложения карбонатов кальция и магния растет с уменьшением давления газа CO2, однако колебания концентрации CO2 в печных газах (25 — 40%) не оказывают существенного влияния на ведение обжига.

Разложение CaCO3 в куске и основное количество тепла диссоциации (разложения) сосредоточено на некоторой границе (поверхности), величина и положение которой непрерывно меняются. Граница между наружным обожженным слоем и внутренним необожженным называется зоной диссоциации. Эта граница хорошо видна на изломе куска извести с недожогом.

При повышении температуры обжига выше 800 °C скорость разложения карбонатной породы резко возрастает. Так, если скорость продвижения зоны диссоциации при температуре 950 °C принять за единицу, то при температуре 1050 °C она увеличится в 1,8 раза, а при 1150 °C — в 4 раза. Отсюда следует, что температура обжига является основным фактором в увеличении производительности печи. Физико-механические свойства пород отражаются на выборе оборудования и технологии производства извести, на показателях готовой продукции.

По мере того как кусок карбонатной породы обжигается, увеличивается толщина слоя извести на его поверхности. Вследствие высокой пористости коэффициент теплопроводности CaO в 3 раза ниже, чем карбонатной породы, что уменьшает подвод тепла к границе диссоциации. Таким образом, время полного разложения куска карбонатной породы зависит не только от температуры обжига, но и от его линейного размера.

На время разложения оказывает влияние форма кусков карбонатной породы. Время полного разложения куска карбонатной породы неправильной округлой формы в 1,5 — 2 раза меньше времени обжига равного ему по объему куска в виде плиты.

Продолжительность полного разложения кусков карбонатной породы различного размера при данной температуре пропорциональна квадрату линейного размера куска. Поэтому для получения равномерно (одинаково) обожженной извести необходимо, чтобы исходное сырье имело близкие по размеру куски. Для обжига в шахтных печах пригодны породы с прочностью не менее 10 МПа, с одинаковым размером кусков от 40 мм до 120 мм. Для обжига во вращающихся печах подходят размеры кусков 10 — 20 мм, 20 — 40 мм, 20 — 50 мм. Многие сахарные заводы в Российской Федерации получают известь в шахтных пересыпных печах с активностью выше 91 — 92%, используя известняки с прочностью более 30 МПа, размером кусков 50 — 150 мм и содержанием CaCO3 >= 93% [12], [13].

Степень диссоциации карбонатов определяется содержанием в готовой извести неразложившегося известняка (недожог/непогасившиеся зерна). Их процентное содержание определяет сорт готового продукта. Реакционная способность извести характеризуется химической активностью CaO + MgO с водой в обычных условиях. Основными показателями при этом являются время и температура гашения.

2.3 Типы известеобжигательных печей

Выбор типа известеобжиговой печи зависит от физико-химических свойств, фракционного состава карбонатных пород, доступности топлива.

2.3.1 Шахтные печи

Наиболее широкое распространение в России получили шахтные печи. Это обусловлено простотой их конструкции и эксплуатации, относительно низкими капитальными затратами на строительство, высокой тепловой эффективностью.

Шахтная печь представляет собой установленную вертикально на фундаменте шахту, снабженную в верхней части устройством для загрузки исходных материалов, а в нижней — механизмом для выгрузки продукции [25].

Движущийся в шахте сверху материал проходит последовательно три технологические зоны: зону подогрева, зону обжига и зону охлаждения. В зоне подогрева происходит нагревание сырьевых материалов от температуры окружающей среды до 900 °C за счет тепла движущихся из зоны обжига газообразных продуктов. В зоне обжига происходит горение топлива и разложение горной породы на известь и углекислый газ при температуре 1000 — 1200 °C. В зоне охлаждения температура извести снижается движущимся снизу вверх холодным воздухом до 80 — 100 °C.

По применяемому при обжиге топливу принято различать шахтные печи пересыпные, работающие на твердом кусковом топливе в пересыпку с обжигаемым материалом, газифицированные, работающие на газообразном топливе, работающие на жидком топливе (мазуте) [25].

Пересыпными называют печи, в которых слой обжигаемого материала пересыпан слоями твердого короткопламенного топлива.

Шахтными печами на газообразном топливе называют печи, оборудованные устройствами для ввода и распределения в шахте природного, искусственного или смешанного газа.

Шахтными печами на жидком топливе называют печи, оборудованные устройствами для ввода, распыления и газификации мазута.

2.3.1.1 Шахтные пересыпные печи

В пересыпных печах, работающих на короткопламенном твердом топливе, производится более 30% всей выпускаемой в РФ и странах СНГ извести. В пересыпной печи образуется минимальный объем газообразных продуктов обжига на единицу продукции, благодаря чему концентрация CO2 в сухих отходящих газах достигает 40 — 42% (по объему) и его утилизация становится экономически целесообразной.

Пересыпные печи, работающие на твердом топливе, в среднем имеют производительность от 30 до 200 т в сутки. Печи отличаются значительной рабочей высотой шахты в пределах 18 — 19 м и достаточной теплоизоляцией корпуса, что обеспечивает более высокую экономичность процесса обжига.

Общий вид одной из шахтных пересыпных печей этого типа производительностью 100 т извести в сутки показан на рисунке 2.3. Зоны обжига и подогрева имеют цилиндрическую форму с круглым сечением, которое в зоне охлаждения, постепенно уменьшаясь, переходит в квадратное.

1 — выгрузочный механизм; 2 — футеровка; 3 — слой кладки из легковесного кирпича; 4 — слой теплоизоляционной засыпки; 5 — отверстия для установки датчиков уровнемера шихты; 6 — патрубки для отсоса газов; 7 — загрузочное устройство; 8 — скиповой подъемник; 9 — вспомогательные люки (лазы); 10 — гляделки; 11 — барабанный затвор; 12 — фундаментная плита

Рисунок 2.3 — Шахтная пересыпная печь производительностью 100 т извести в сутки

В корпусе шахты печи предусмотрено по высоте три лаза (люка), необходимых для загрузки печи материалами в период ее подготовки к пуску и во время ремонта. В верхней части шахты имеются отверстия для установки датчиков уровня материалов в шахте и отверстия для установки термопар, датчиков разрежения и заборных устройств для анализа газа. В зоне обжига шахты предусмотрено два ряда отверстий-гляделок для контроля режима обжига. Имеются также отверстия для установки термопар и датчиков давления (разрежения).

Загрузка сырья и топлива в печь производится при помощи скипового подъемника и автоматического весового дозатора. Из печей производительностью 50 и 100 т/сут газы отсасываются с двух сторон шахты через патрубки, из печи производительностью 200 т/сут — через металлический короб, сообщающийся с шахтой нижней своей частью. Короб находится постоянно под слоем карбонатной породы, что значительно снижает подсос холодного воздуха в печь через загрузочное устройство. На печах предусмотрена очистка отходящих газов от пыли при помощи циклонов. Известь выгружается выгрузочной решеткой с возвратно-поступательным движением. Привод решетки — гидравлический. Герметизация нижней части печей осуществляется барабанным затвором, у 200-тонной печи — при помощи трехшлюзового затвора. Воздух под решетку нагнетается дутьевым вентилятором.

Показатели шахтных пересыпных печей представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Показатели шахтных пересыпных печей [25]

Для того чтобы при обжиге карбонатной породы получить известь заданных свойств и качества, необходимо обеспечить в печи определенный тепловой и аэродинамический режим.

Выделение необходимого для разложения карбонатной породы количества тепла происходит при горении твердого топлива. Шихта известеобжигательных печей содержит 6,5 — 10,5% топлива. Процесс горения разбавленного слоя топлива происходит в несколько стадий. Вначале из топлива выделяется влага, затем летучие вещества, позднее образовавшийся твердый остаток сгорает в присутствии кислорода воздуха.

Пиролиз каменного угля начинается при низких температурах. При температуре до 500 °C из антрацита выделяется водород, метан и летучая сера. Летучие вещества выделяются в интервале 500 — 700 °C, т.е. в зоне подготовки топлива, где кислорода недостаточно для их полного сжигания. Ввиду высокой теплотворности метана и водорода потери тепла (химический недожог) для антрацита достигает 8,5% от его теплотворности. Меньше всего летучих содержится в коксе, поэтому химический недожог для кокса не превышает 2% его теплотворности.

При горении углерода топлива помимо CO2 образуется значительное количество окиси углерода CO. Этому процессу способствует соприкосновение CO2 с раскаленной поверхностью углерода топлива (твердого остатка). Такие условия создаются при неравномерном распределении топлива в слое шихты и завышенной дозировке топлива.

Разбавление слоя топлива инертным материалом способствует дожиганию окиси углерода. Однако процесс сжигания CO никогда не происходит полностью и ухудшается с увеличением содержания в шихте мелочи, которая забивает промежутки между кусками и тем самым препятствует перемешиванию газов.

Содержание CO в отходящих газах увеличивается также при послойной загрузке сырья и топлива. Следовательно, окись углерода является одним из первичных продуктов горения твердого топлива независимо от количества подводимого воздуха и даже при хорошей организации процесса содержится в отходящих газах в количестве 1 — 2%.

По мере выгорания топлива его размеры непрерывно уменьшаются и поэтому часть из них, проваливаясь между кусками извести, попадает на выгрузочный механизм, составляя потери тепла от механического недожога топлива. Потери от механического недожога минимальны при соотношении кусков материала и топлива 1:1.

Основным параметром процесса является температура обжига. Ввиду сложности непосредственного измерения температуры материала по поперечному сечению шахты, она контролируется обжигальщиком визуально через гляделки, расположенные в зоне обжига.

На температуру материала влияют многочисленные факторы, основными из которых являются:

• соотношение «топливо — сырье»;
• гранулометрический состав и качество топлива и сырья;
• соотношение «топливо — воздух» и скорость выгрузки извести.

Воздействуя на перечисленные факторы, обжигальщик поддерживает в печи необходимую температуру обжига и обеспечивает выпуск извести заданного качества.

Топливо подается в шихту на современных печах автоматическим дозатором. Первоначальный вес топлива устанавливают на основании проектных данных печи и калорийности применяемого топлива. Если на склад поступает антрацит худшего качества (выше зольность и влажность и ниже теплотворность), то необходимо сделать перерасчет установки дозатора, так как для поддержания в печи необходимой температуры придется израсходовать большее количество топлива.

Состав топлива и карбонатной породы оказывает большое влияние на температуру обжига в печи и на полноту горения топлива, т.е. на его удельный расход. Наилучшим считается такое соотношение размеров топлива и карбонатной породы, когда применяются идентичные фракции. Однако такой гранулометрический состав шихты обеспечить трудно. Удовлетворительные результаты получаются, если размер кусков антрацита не более, чем вдвое, меньше кусков карбонатной породы.

Применение для обжига в шахтных пересыпных печах каменных углей с размером кусков меньше 25 мм сопровождается перерасходом топлива на 1 т выпускаемой извести, снижением производительности печи и ухудшением качества извести (появление пережога и уменьшение содержания CaO).

Отрицательное влияние на процесс обжига оказывает неодинаковый гранулометрический состав карбонатной породы. Удовлетворительные результаты получены при обжиге фракций, размеры мелких кусков в которых не более чем в 1,5 — 2 раза меньше крупных. Наличие в карбонатной породе свыше 10% мелочи вызывает неравномерное распределение воздуха по сечению шахты и поэтому неравномерное и неполное выгорание топлива. Следствием этого является образование в зоне обжига отдельных участков повышенных и низких температур, что сопровождается недожогом и пережогом извести [6].

2.3.1.2 Шахтные газифицированные печи

Применение газообразного топлива в шахтных печах повышает культуру производства и степень его механизации, позволяет вырабатывать известь без пережога.

Таблица 2.2

Проектные показатели шахтных печей, работающих на газообразном топливе [25]

Газифицированная шахтная печь изображена на рисунке 2.4

1 — выгрузочная решетка; 2 — периферийные горелки нижнего яруса; 3 — отверстия для установки отбора давления и термопар; 4 — две балочные горелки верхнего яруса; 5 — гляделка; 6 — предохранительный взрывной клапан; 7 — двухклапанное загрузочное устройство; 8 — скиповой подъемник; 9 — отверстия датчиков уровнемера шахты; 10 — короб отсоса дымовых газов; 11 — две балочные горелки нижнего яруса; 12 — трехшлюзовой затвор; 13 — периферийные горелки верхнего яруса

Рисунок 2.4 — Газифицированная шахтная печь

Шахта печи в зоне обжига имеет форму квадрата размером 3,74 x 3,74 м со скругленными углами. В нижней части зоны подогрева квадратное сечение, постепенно расширяясь кверху, переходит на круглое диаметром 4,3 м и затем в верхней части на диаметр 4,9 м. В зоне охлаждения квадратное сечение сужается до размера 2,6 x 2,6 м на уровне выгрузочной решетки. Рабочая высота шахты 19 м.

Шахта в зоне обжига выложена из шамотного легковесного кирпича и имеет минимальную толщину слоя (по углам квадрата) 230 мм и максимальную (по осям квадрата) — 500 мм. Кладка футерована внутри слоем многошамотного кирпича длиной 345 мм или хромомагнезитовым кирпичом. Зоны подогрева и охлаждения футерованы кирпичом.

Между стальным кожухом печи (толщиной 10 мм) и кладкой уложен слой теплоизоляционной засыпки (трепела) толщиной 65 мм.

В кладке шахты предусмотрены гляделки, отверстия для установки приборов.

Газообразное топливо вводится в один или несколько ярусов через периферийные и центральные балочные горелки. В нижний ярус газ подается через периферийные диффузионные горелки и в центральную область шахты при помощи балочных многосопловых горелок.

Балочные горелки расположены в ярусе параллельно друг другу на расстоянии 900 мм. По высоте шахты они смещены одна относительно другой на 600 — 700 мм, что необходимо для предотвращения подвисания материала на балках. В верхнем ярусе газ вводится в центральную область печи при помощи двух балочных горелок, расположенных в направлении, перпендикулярном к нижним горелкам, и по периферии — через шесть диффузионных горелок.

Одновременно с топливом через балочные горелки вводится первичный воздух. Вторичный воздух подается в зону охлаждения печи через гребень выгрузочного механизма дутьевым вентилятором. Таким образом, данная система ввода и распределения газообразного топлива создает благоприятные условия для полного его сжигания в слое кускового материала.

Печь снабжена загрузочно-распределительным устройством, состоящим из скипового подъемника с ковшом, вращающейся чаши и двухклапанного затвора, нижний распределительный конус которого — спиралеобразный с отбойной пластиной. Карбонатная порода загружается в скип автоматическим весовым дозатором.

Выгрузочная решетка с возвратно-поступательным движением и гидравлическим приводом обеспечивает равномерную выгрузку извести по всему поперечному сечению шахты. Герметизация печи осуществляется трехшлюзовым затвором.

Печные газы отсасываются через выходной коллектор дымососом. Перед выбросом в атмосферу они проходят очистку от пыли в группе циклонов. В верхней части шахты предусмотрено два предохранительных взрывных клапана.

Необходимый уровень материала в печи поддерживается автоматически при помощи датчика уровня, установленного в отверстиях шахты и посылающего управляющий сигнал электродвигателю скиповой лебедки [25].

Для того чтобы газообразное топливо полностью сгорело, необходимо обеспечить хорошее перемешивание его с достаточным количеством воздуха и минимальную температуру для воспламенения. В зависимости от типа системы ввода природного газа в шахтную печь и конструкции горелочных устройств эти условия удовлетворяются разными способами.

Периферийная диффузионная горелка, широко применяемая в шахтных печах, представляет собой отрезок трубы диаметром 25 — 40 мм с соплом на конце, вставленный в прямоугольное отверстие в футеровке шахты (см. рисунок 2.5).

1 — слой известняка в шахте; 2 — сопло горелки; 3 — футеровка шахты; 4 — горелка

Рисунок 2.5 — Установка периферийной диффузионной горелки

Газ под давлением 100 — 1000 мм вод. ст. вылетает из сопла со скоростью 25 — 100 м/сек в слой карбонатной породы. Так как межкусковое пространство не имеет прямых каналов, то энергия струи газа быстро падает от столкновения с кусками сырья и глубина проникновения струи в слой материала невелика (0,5 — 0,8 м от места ввода). Газ и воздух, двигаясь в межкусковом пространстве шихты, перемешиваются относительно медленно, и полное сгорание топлива происходит на пути 2,5 — 3 м от места ввода (горелки).

При наличии в шихте значительного количества мелочи условия смешения газа и воздуха ухудшаются и часть газа не успевает выгореть в зоне обжига. Попадая в зону с температурой ниже 700 °C (зона подогрева), газ даже при образовании газовоздушной смеси не сгорает и выбрасывается дымососом в атмосферу.

Периферийные диффузионные горелки самостоятельно применяются лишь в шахтных печах щелевидного или эллипсного сечения с размером одной из сторон не более 1,6 м. При этом необходимо использовать сырье с отношением размера мелких кусков к крупным не более 1:1,6.

Для ввода газообразного топлива в центральную часть шахты широко применяют диффузионные горелки в виде охлаждаемых балок (см. рисунок 2.6).

1 и 7 — патрубки выхода и входа охлаждающего масла; 2 — горелка; 3 — сопло; 4 — патрубок; 5 — стальная балка; 6 — труба для ввода воздуха

Рисунок 2.6 — Балочная многосопловая горелка

Вода поступает в балочную горелку через патрубок с температурой 10 — 40 °C, а выходит через патрубок с температурой до 100 °C.

Газ и первичный воздух выходят через сопло и патрубки в подбалочное пространство, где они смешиваются и газ частично сгорает. Основная же масса выходящего из горелки газа перемешивается со вторичным воздухом, двигаясь в межкусковом пространстве шахты, ввиду чего процесс выгорания газа растягивается по высоте шахты на 2,5 — 3 м.

Балочная горелка позволяет пропустить 400 — 600 м3/ч природного газа при давлении 0,2 — 0,5 кГ/см2 и 1000 — 1500 м3/ч воздуха при потере напора 40 мм вод. ст. Для ее охлаждения требуется от 2 до 5 м3/ч воды. Потери тепла с охлаждающей водой достигают 10% от общего расхода тепла на единицу продукции.

Центральная (подовая) газовая горелка (см. рисунок 2.7) состоит из стального пирамидального корпуса, в который по отдельным трубопроводам подается природный газ (в камеру 4) и рециркуляционный газ (в камеру 5). Природный и рециркуляционный газы выходят через щели под пирамидальный козырек и перемешиваются под ним, после чего образованная смесь выходит в зону охлаждения шахтной печи.

1 и 3 — трубы ввода рециркуляционного и природного газов; 2 — щели; 4 — камера газа; 5 — камера рециркулята; 6 — стальной козырек; 7 — корпус горелки

Рисунок 2.7 — Центральная (подовая) горелка

Смесь газов, поднимаясь в зоне охлаждения печи вверх, смешивается с движущимся по шахте печи воздухом, образуя топливную смесь. Топливная смесь (природный газ, рециркуляционный газ и воздух), достигнув низа зоны обжига (температура 900 °C и выше), воспламеняется и сгорает в пределах зоны обжига.

Карбонатную породу обжигают в три стадии, последовательно протекающие в зонах подогрева, обжига и охлаждения печи.

Зона подогрева газовых печей составляет около 35% рабочей высоты шахты, что позволяет снизить температуру отходящих газов до 250 °C (без учета подсосов холодного воздуха) и подогреть карбонатную породу в конце зоны до температуры 500 °C. Выходящие из зоны подогрева печные газы при рациональном режиме содержат 16 — 22% углекислого газа (CO2) и 3 — 4% кислорода (O2).

Зона обжига занимает примерно 40% рабочей высоты шахты. В зоне обжига происходит сжигание природного газа и диссоциация карбонатной породы. Среднюю температуру газов в зоне обжига поддерживают 1100 — 1200 °C. Равномерность распределения температуры газового потока по поперечному сечению шахты в зоне обжига зависит от равномерности распределения газа и воздуха по сечению шахты и условий их перемешивания. В результате неблагоприятных условий смешивания газа и воздуха в слое коэффициент избытка воздуха поддерживают в пределах a = 1,2 — 1,3 [25].

Зона охлаждения занимает четвертую часть полезной высоты шахты и служит для охлаждения извести до 80 — 120 °C перед ее поступлением на выгрузочный механизм.

2.3.1.3 Шахтные печи, работающие на жидком топливе

Рассматриваемая шахтная печь производительностью 30 т/сут (см. рисунок 2.8) предназначена для работы на многосернистом топливе, теплотворностью QPH = 9000 ккал/кг. Шахта печи в зоне обжига имеет квадратное сечение в поперечнике размером 2 x 2 м, которое в зоне охлаждения плавно переходит на размеры 1,6 x 1,6 м (на уровне выгрузочной решетки). Зона подогрева печи имеет круглое сечение диаметром 2 м и в своей нижней части плавно переходит на квадратное. Рабочая высота шахты — 19,2 м, средняя площадь поперечного сечения в зонах обжига и подогрева — 3,57 м2.

1 — выгрузочная решетка; 2 — форкамеры; 3 — мазутные форсунки; 4 — охлаждаемая балка; 5 — гляделки; 6 — отверстия датчиков уровнемера шахты; 7 — скиповой подъемник; 8 — загрузочное устройство; 9 — предохранительный взрывной клапан; 10 — отверстие для отсоса газов; 11 — барабанный затвор

Рисунок 2.8 — Шахтная печь на жидком топливе производительностью 30 т/сут

Кладка шахты выполнена из красного кирпича с максимальной толщиной 380 мм. Футеровка выложена многошамотным кирпичом. Теплоизоляционная засыпка трепелом между стальным кожухом и кладкой составляет толщину 62 мм. Гляделки, расположенные в два яруса, предназначены для контроля процесса обжига.

Мазут сжигают в печи при помощи шести ротационных форсунок, из которых две вводят мазут в пространство под охлаждаемой балкой (центральная подача мазута), а четыре остальные с противоположных сторон шахты периферийно.

Форсунка подает распыленный мазут в форкамеру, где он газифицируется и воспламеняется. Образовавшиеся продукты газификации поступают либо в подбалочное пространство, где, перемешиваясь с воздухом, сгорают, либо периферийно в слой материала, где, смешиваясь с движущимся по шахте воздухом, сгорают в межкусковом пространстве. К форсункам мазут подается насосом при давлении до 25 кГ/см2.

Первичный воздух (для газификации мазута) и вторичный вводят в форсунки и под выгрузочную решетку от вентилятора. Дымовые газы через отверстие удаляются из печи дымососом и перед выбросом в атмосферу проходят очистку в группе циклонов диаметром 800 мм. В верхней части установлен предохранительный взрывной клапан.

Карбонатная порода загружается в печь скиповым подъемником с ковшом емкостью 0,5 м3. Герметизация печи и распределение шихты по сечению осуществляется двухклапанным затвором. Карбонатная порода подается в печь автоматически по сигналу указателя уровня загрузки печи, установленного в отверстиях шахты [25].

Известь выгружается платформой с возвратно-поступательным движением. Герметизация низа печи и выдачи извести на транспортер осуществляется барабанным затвором.

Жидкое топливо (мазут различных марок) удается эффективно сжигать в шахтных известеобжигательных печах только при условии его предварительной газификации в камерах или топках. На рисунке 2.9 изображена топка (форкамера), представляющая собой футерованную огнеупорным кирпичом выносную камеру, сообщающуюся с шахтой печи в зоне обжига.

1 — форкамера; 2 — мазутная форсунка

Рисунок 2.9 — Топка для газификации мазута при его сжигании в шахтной печи

В торцовой части форкамеры расположена форсунка, через которую в форкамеру подается распыленный мазут и воздух для его газификации.

Для нормального протекания процесса газификации на 1 кг мазута необходимо ввести в камеру 3 м3 воздуха. Скорость воздуха на входе в форкамеру — 30 — 40 м/сек. Стенка камеры разогревается до температуры 850 — 900 °C, что способствует стабильному процессу горения.

Продукты газификации под давлением 300 — 400 мм вод. ст. поступают в подбалочное пространство или слой обжигаемой карбонатной породы. Теплотворность продуктов газификации — 2200 ккал/м3.

Сжигание продуктов газификации в шахте печи происходит в основном таким же образом, как и в шахтной газовой печи, оснащенной периферийными и балочными горелками.

При рациональной организации сжигания жидкого топлива 40% от общего расхода мазута на обжиг подают в нижний ярус и 60% — в верхний. Воздух в количестве 20% от необходимого для сжигания топлива вводится в форкамеру и используется для газификации мазута (первичный воздух), остальные 80% вводятся дутьевым вентилятором под решетку выгрузочного механизма (вторичный воздух).

На температуру в зоне обжига оказывают влияние количество и теплотворность поступающих продуктов газификации мазута, фракционный и химический состав карбонатной породы, соотношение «топливо — воздух» и скорость выгрузки извести.

Количество поступающих в печь продуктов газификации мазута обжигальщик регулирует, изменяя количество подаваемого в форсунки мазута.

Теплотворность продуктов газификации мазута зависит от качества распыления и соотношения «мазут — воздух» в форкамере. Для обеспечения хорошего распыления мазута механической форсункой давление мазута должно быть около 20 кГ/см2, а температура не ниже 60 °C. Соотношение «мазут — воздух» настолько сильно отражается на теплотворности продуктов газификации, что должно поддерживаться регулирующим устройством.

Чем больше воздуха поступает на газификацию 1 кг мазута, тем ниже теплотворность его продуктов. При хорошей организации процесса газификации продукты имеют следующий химический состав (в об. %): CO2 — 4,8; O2 — 0; CO — 13,6; H2 — 8,5; CH4 — 3,2; CnHm — 1,2; N2 — 68,5. Теплотворность их равна приблизительно 2200 ккал/м3. Температуру продуктов газификации на выходе из форкамеры поддерживают в пределах 900 — 1000 °C.

Соотношение «топливо — воздух» в зоне обжига при сжигании мазута поддерживают в пределах a = 1,2 — 1,3.

2.3.1.4 Регенеративные печи

Характерной особенностью регенеративной печи с параллельным потоком материала является наличие двух соединенных переходным каналом цилиндрических шахт. Чаще всего печи имеют проектную мощность 100 — 600 т/сутки.

Двухшахтная прямоточно-противоточная регенеративная (ППР) печь (см. рис. 2.10) состоит из заполненных известняком шахт А и Б, соединенных на уровне 1/3 их высоты переходным каналом 4. В зоне подогрева известняка расположены диффузионные горелки 5, равномерно расположенные по поперечному сечению шахты. Горелка представляет собой трубу в трубе, в межтрубное пространство которой подается воздуходувкой 1 под давлением 20 ... 25 кПа холодный первичный воздух. Горелка снабжена наконечником длиной 300 мм, выполненным из жаропрочной стали. Длина кожуха — 3 м, горелки — около 4 м, срок службы — 1 год, демонтаж горелки длится 8 часов. В каждой шахте размещено по 9 ... 12 горелок. Воздух для охлаждения извести непрерывно нагнетается воздуходувкой 1 под давлением 15 кПа в зоны охлаждения обеих шахт. Расход воздуха на охлаждение извести до температуры 50 ... 90 °C устанавливается вне зависимости от необходимого для полного сгорания топлива (в горелки воздух поступает с коэффициентом избытка \alpha = 1,1 ) [25].

1 — вентилятор с вращающимися поршнями, 2 — вентилятор, 3 — механизм выгрузки, 4 — переходной канал, 5 — диффузионные горелки, 6 — клапан, 7 — загрузочный бункер, 8 — шиберы, 9 — дутьевой конус, 10 — воздухопровод, 11 — бункер извести, 12 — конвейер, 13 — питатель электровибрационный

Рис. 2.10 — Пример двухшахтной печи ППР

Печь работает циклически. Взвешенное количество известняка поступает в загрузочный бункер 1 и через клапаны 8 заполняет шахты А и Б. Известняк движется сверху вниз и обжигается одновременно в двух шахтах. При подаче топлива в горелки шахты А клапан 6 открыт, и воздух поступает в шахту А вместе с топливом, где, нагреваясь от известняка, смешивается в межкусковом пространстве с природным газом, который двигается в параллельном токе с материалом. Горение природного газа с разогретым до 800 °C воздухом происходит без его химического недожога при \alpha = 1,1 и сопровождается образованием продуктов горения при температуре 1450 ... 1500 °C, которая быстро снижается до 1250 °C ... 1300 °C из-за интенсивного потребления тепла реакцией декарбонизации CaCO3 подогретого до 850 °C известняка. Необходимо выдерживать точное соотношение расходов воздуха и топлива, вводимых в зону горения топлива, чтобы зона максимальных температур в шахте находилась в зоне неразложившегося известняка, так как температура материала при этом не поднимается выше 1000 °C ... 1050 °C и пережога извести (CaO) не происходит. Опускаясь, известняк все больше превращается в мелкокристаллический оксид CaO и CO2, температура извести в конце зоны обжига не превышает 1100 °C, а печные газы, отдавая тепло материалу, снижают свою температуру к концу зоны обжига до 1150 °C ... 1200 °C.

Известь в нижней части шахты А охлаждается воздухом до 50 °C ... 90 °C на выходе из печи, а воздух нагревается от движущейся с ним в противотоке извести, смешивается с печными газами, выходящими из зоны обжига, и по перетоку 4 поступают в шахту Б. Температура печных газов в перетоке поддерживается регулятором не выше 1200 °C. В шахте Б отходящие печные газы отдают тепло в противотоке с опускающимся материалом, охлаждаясь до температуры 80 °C ... 100 °C. При этом происходит обжиг известняка, но с меньшей скоростью из-за невысоких температур. Шахты работают циклически в двух режимах: прямотока и противотока продолжительностью по 12 ... 15 мин. Поэтому через 12 ... 15 мин. клапан 5 шахты А закрывает поступление воздуха в горелки с одновременным прекращением в них топлива. Примерно через 80 с (время переключения клапанов) клапан 5 шахты Б открывает подачу воздуха в горелки шахты Б, отключив отбор печных газов на дымосос. Одновременно прекращается подача топлива в горелки шахты Б. Наступает новый цикл работы печи, при котором газы, топливо и материал в шахте Б движутся в прямотоке, а отходящие печные газы и материал в шахте А — в противотоке.

Положительными сторонами печи ППР является ряд процессов, в числе которых высокотемпературный подогрев воздуха (до 800 °C), идущего на сжигание топлива, в зоне подогрева печи. При этом регенеративной насадкой служит известняк. Такое техническое решение подогрева воздуха намного эффективнее, чем применение теплообменника для утилизации тепла отходящих из печи газов или отбор нагретого до 550 — 600 °C воздуха из зоны охлаждения печи и его транспортирование к выносным топочным горелкам зоны обжига. Кроме того, в печи ППР происходит максимально полная регенерация физического тепла извести и отходящих печных газов, благодаря чему термический КПД печи достигает 85%, расход топлива 3720 кДж/кг извести при остаточной CO2 в извести менее 1,5 — 2%. Низкая температура отходящих из печи газов позволяет использовать для их обеспыливания рукавные фильтры. К положительным сторонам печей ППР относятся обжиг известняка мелких фракций (30 — 60 мм), эффективная работа на мазуте и даже на смеси мазута с угольной пылью (40%).

К отрицательным сторонам печей ППР относятся высокая стоимость, работа при условии полной автоматизации всех процессов и операций, повышенный расход электроэнергии. Печи характеризуются возможностью регулирования производительности, при пониженной производительности снижается их тепловая эффективность. Особенностью печей является пониженная стойкость футеровки, которая в зоне обжига и в соединительном канале составляет 4 — 8 лет [27].

Для печи требуется чистый камень, идеальное соотношение камня по гранулометрии (не выше 2:1), минимальный размер камня 30 мм. Модифицированные печи могут работать с мелким (10 — 30 мм) чистым известняком. В таблице 2.3 приведены технические характеристики регенеративных печей с параллельным потоком материала.

Таблица 2.3

Технические характеристики регенеративных печей с параллельным потоком материала

2.3.1.5 Шахтная кольцевая печь

Основной особенностью печей этого типа является наличие центрального цилиндра, который ограничивает ширину кольцевого пространства и обеспечивает хорошее распределение тепла [27].

Шахта кольцевой печи (рис. 2.11) состоит из наружного 20 и внутреннего 19 полых стальных футерованных огнеупорным кирпичом цилиндров. Внутренний цилиндр охлаждается воздухом. Загрузочное устройство печи — кюбельное. Выгрузка извести производится при помощи вращающегося диска 2 (улиты). Камеры 4 и 17 для сжигания газообразного или жидкого топлива расположены в два яруса по высоте шахты в шахматном порядке и соединены мостами 18 с наружным и внутренним цилиндрами. В каждом ярусе установлено по пять камерных горелок. Печь оборудована футерованным изнутри металлическим рекуператором 10.

1, 3, 22 — трубопроводы холодного воздуха, 2 — механизм выгрузки, 4, 17 — топочные камеры для сжигания мазута или природного газа, 5, 16 — трубопроводы горячего воздуха, охлаждающего цилиндры, 6, 9 — трубопроводы горячего воздуха из рекуператора, 7 — инжектор, 8, 14 — трубопровод печных газов, соединяющий рекуператор и дымосос, рекуператор, 11 — футерованный трубопровод печных газов, 12 — футерованный цилиндр, 13 — трубопровод отходящих из печи газов, 15 — дымосос, 18 — керамические перемычки (мостики), 19, 20 — полые цилиндры, 21 — полость, 23, 25 — вентиляторы, 24 — желоб электровибрационный, 26 — дымосос, 27 — пылеосадительная установка. ПГ-1 — противоток отходящих газов в зоне подогрева, ПГ-2 — прямоток части продуктов полного горения топлива в нижнем ярусе топочных камер

Рисунок 2.11 — Пример шахтной кольцевой печи производительностью 300 т/сут

Первичный воздух по трубопроводу 3 под давлением 5 кПа поступает в рекуператор 10, подогревается в нем отходящими газами печи до 450 °C ... 460 °C и направляется по трубам 9 и 6 в камеры горения топлива. Выходящие из зоны обжига при температуре 900 °C ... 950 °C печные газы ПГ-1 разделяются футерованным цилиндром 12 на два потока. Один поток по внутренней полости цилиндра и газоходу 11 направляется в рекуператор, после которого по газоходам 8 и 14 поступает в дымосос 15. Второй поток просасывается через кольцевой слой известняка в зоне подогрева, охлаждаясь до температуры 100 °C ... 120 °C, и по газоходу 13 удаляется из печи дымососом 15. Печь работает под разрежением.

Часть воздуха, идущего на горение, по трубе 22 нагнетается вентилятором в полость 21 внутреннего цилиндра, где подогревается до температуры 200 °C, и по трубам 16 и 5 поступает в горелки верхнего и нижнего ярусов. Часть воздуха по трубе 1 поступает через выгрузочный механизм 2 в зону охлаждения печи и движется вверх в противотоке с опускающейся известью. Нагретый воздух из зоны охлаждения переходит во внутреннюю полость цилиндра 19, из которой он через полости под мостами 18 инжекторами 7 подается в нижние и верхние камеры горения. Температуру в камерах горения топлива поддерживают на уровне 1350 °C.

Продукты полного горения топлива ПГ-2 при \alpha = 1,6 поступают из камер горения нижнего яруса в слой образовавшейся в середине зоны обжига извести, проходят с ней в прямотоке сверху вниз в кольцевом пространстве между цилиндрами. Выходящие из камер верхнего яруса продукты неполного горения топлива, образующиеся при \alpha = 0,5...0,6 , движутся в противотоке с опускающимся материалом. Поступающие в кольцевой слой продукты неполного горения топлива (CO и H2) догорают в слое известняка, развивая температуру 1450 °C ... 1500 °C, что обеспечивает высокую скорость декарбонизации известняка, опускающегося из зоны подогрева. При этом пережога извести не происходит из-за падения температуры в результате поглощения тепла реакцией декарбонизации. Так как продукты горения ПГ-2 не содержат горючих элементов, то их температура снижается за счет потребления тепла продолжающейся реакцией декарбонизации опускающейся извести. Поэтому прямоточная организация движения газов в нижней части зоны обжига увеличивает ее протяженность, не вызывая при этом пережога извести из-за падающей температуры печных газов. В конце зоны обжига печные газы ПГ переходят во внутреннюю полость цилиндра 19, смешиваясь с поступающим сюда воздухом из зоны охлаждения. Образовавшаяся при этом смесь газов представляет собой рециркуляционные газы с температурой 900 °C, которые инжекторами 7 нагнетаются в камерные горелки 17 верхнего яруса, а продукты газификации топлива поступают в подмостиковое пространство кольцевого слоя известняка и движутся в нем в противотоке с материалом. Технические характеристики кольцевых шахтных печей представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4

Технические характеристики кольцевых шахтных печей

2.3.1.6 Другие типы шахтных печей

В эту группу попадает ряд конструкций печей. В этих печах топливо вводят через стенки и сжигают в зоне обжига, продукты горения поднимаются вверх в противотоке извести и известняку. В некоторых конструкциях топливо частично сжигают во внешних газогенераторах. В других оно подается через центральную горелку, балочные горелки или вдувается под внутренние своды [27].

Печи с двумя наклонами шахты

В печах можно получать продукт высокой активности. Печь обычно имеет прямоугольное сечение и две наклонные секции в зоне обжига. В расположенных напротив каждой наклонной секции компенсирующих сводах создается пространство, где в камерах горения сжигаются топливо и подогретый воздух. Охлаждающий воздух подается в основание печи, он подогревается, удаляется и вновь инжектируется в камеры горения. Извилистые пути как газов, так и шихты сочетаются в двухстороннем обжиге, обеспечивая эффективное распределение тепла. Для обжига можно использовать твердое, жидкое и газообразное топливо, но его необходимо тщательно подбирать, чтобы предотвратить возникновение приваров из золы топлива и сульфата кальция.

Многошахтные печи

Это вариант печи с двумя наклонами шахты. Он представляет собой четыре или шесть имеющих различный наклон участков зоны обжига, напротив которых располагаются компенсирующие своды. В зоне охлаждения известь подогревает охлаждающий воздух, который затем отбирают, очищают от пыли и вновь подают в камеры горения.

Для регулирования активности извести можно изменять в широком диапазоне температуру в нижних камерах горения. Такие печи можно отапливать твердым, жидким и газообразным топливом, возможно использовать топливную смесь.

2.3.1.7 Автоматизация шахтных печей

Современные шахтные известеобжигательные печи оснащены автоматическими устройствами и механизмами, которые осуществляют автоматическую загрузку сырья и топлива в печь, автоматическое измерение теплотехнических параметров процесса обжига, контрольно-измерительными приборами, автоматическое отключение подачи газообразного топлива в печь при падении давления газа в газопроводе и нарушении работы системы водяного охлаждения балочных горелок.

Система автоматической загрузки шихты в шахтную печь включает следующие устройства:

• автоматический дозатор;
• загрузочное устройство;
• механизм поворота чаши загрузочного устройства;
• радиоактивный или штанговый измеритель уровня материала в шахте;
• штанговый или ультразвуковой уровнемер.

Различают весовые и объемные автоматические дозаторы.

Весовой автоматический дозатор шихты (см. рисунок 2.12) работает следующим образом. Карбонатная порода из левого бункера лотковым питателем подается в дозирующий бункер. По мере заполнения бункера материалом измерительная весовая система приближается к равновесию. Как только вес карбонатной породы в бункере достигнет установленной величины, измерительная система выключает электродвигатель лоткового питателя.

1, 2 и 4 — рычаги; 3, 6 и 13 — течки; 5 и 14 — лотковые питатели; 7 — бункера; 8 и 10 — тросы и тяги; 9 — весовая измерительная система; 11 — дозирующий бункер; 12 — затвор; 15 — ковш

Рисунок 2.12 — Автоматический весовой дозатор

Одновременно с этим включится электродвигатель лоткового питателя, который из правого бункера подает твердое топливо в бункер. Когда общий вес шихты в бункере достигнет заданного значения, измерительная весовая система выключает питатель.

При возвращении в нижнее положение ковш скипового подъемника нажимает на рычаг 1, который через рычаги 2 и 4 открывает затвор дозирующего бункера, и материал по течке ссыпается в ковш. При движении скипа вверх система рычагов 1, 2 и 4 под действием контргруза прочно закрывает затвор дозирующего бункера. Командный аппарат включает лотковый питатель, и цикл дозирования шихты повторяется. К моменту возвращения скипа в нижнее положение дозирующий бункер вновь заполнен шихтой.

Автоматические объемные дозаторы используют в печах, работающих на жидком и газообразном топливе.

Принцип действия автоматического объемного дозатора (см. рисунок 2.13) состоит в следующем. Из приемного бункера карбонатная порода по течке поступает в дозирующий бункер. Ковш скипового подъемника, занимая нижнее положение, нажимает на рычаг 1 и через рычаги 3, 4 открывает затвор. Карбонатная порода в объеме бункера по течке высыпается в ковш.

1, 3, 4 и 8 — рычаги; 2 — затвор; 5 — затвор течки; 6 и 11 — течки; 7 — бункер; 9 — рычаг с вилкой; 10 — дозирующий бункер; 12 — бункер

Рисунок 2.13 — Автоматический объемный дозатор

При движении ковша вверх рычаг 1 освобождается и под воздействием соединенного с его осью контргруза закрывает затвор. При дальнейшем движении ковша вверх он входит в зацепление с вилкой рычага 9, поворачивает его в верхнее положение, открывая рычагом 8 затвор. При этом карбонатная порода поступает в дозирующий бункер до его заполнения.

При движении ковша вниз скип поворачивает рычаг 9 в нижнее положение и затвор перекрывает отверстие течки. После этого цикл работы дозатора повторяется. Для того чтобы скип не смог занять нижнее положение при открытом затворе, установлена электрическая блокировка, останавливающая движение ковша на некотором расстоянии от рычага 1.

Загрузочное устройство шахтной печи состоит из скипового подъемника с электрической лебедкой, поворотной чаши и двухклапанного затвора. На рисунке 2.14 изображена кинематическая схема работы загрузочного устройства. Электрическая лебедка посредством троса и системы блоков транспортирует шихту ковшом на верх печи.

1 — лебедка; 2 — ковш силового подъемника; 3, 4, 5 и 6 — шкивы; 7 — верхний клапан; 8 — нижний клапан; 9 — груз; П-1 и П-2 — ползуны; Д1 и Д2 — гидравлические демпферы

Рисунок 2.14 — Кинематическая схема автоматической работы загрузочного устройства

При движении вверх по стволу ковш своим выступом входит в зацепление с зубом ползуна П-1, поднимая при помощи троса и шкивов и верхний клапан. При этом шихта, находящаяся в приемной чаше, проваливается в нижнюю камеру, выходное отверстие которой закрыто клапаном.

Выйдя из зацепления с ползуном, ковш продолжает подниматься по стволу, а верхний клапан под действием привода (или собственного веса) опускается вниз, плотно закрывая загрузочное отверстие верхней камеры. При дальнейшем движении вверх ковш входит в зацепление с ползуном П-2 и поднимает груз, который при помощи троса и блоков удерживает клапан в верхнем положении.

Под действием собственного веса и веса шихты нижний клапан опускается вниз, пропуская сырье и топливо в шахту печи.

Выйдя из зацепления с ползуном П-2, ковш продолжает движение по стволу, а конус под действием груза поднимается вверх и плотно закрывает нижнее загрузочное отверстие.

Гидравлические демпферы Д1 и Д2 служат для смягчений ударов, которые возникают в системе тросов в начале и в конце контакта ковша с ползунами П-1 и П-2.

Поднявшись на горизонтальный участок направляющих ствола подъемника, ковш воздействует на конечный выключатель, опрокидывается и высыпает содержимое в загрузочную чашу. Конечный выключатель разрывает цепь питания электродвигателя лебедки скипа и включает через реле времени электродвигатель вращения поворотной чаши. После возвращения ковша в нижнее положение он наполняется сырьем и топливом и, получив соответствующий сигнал, начинает движение вверх по стволу подъемника. При этом описанные выше операции повторяются.

Радиоактивный указатель уровня располагается на двух уровнях по высоте шахты. Указатель уровня состоит из двух источников излучения, двух приемников и одного общего электронного блока, имеющего два выходных реле. При прохождении луча через слой материала приемник фиксирует снижение мощности излучения по сравнению с прохождением луча через свободное пространство. Электронный блок, воспринимая соответствующие электрические сигналы от нижнего и верхнего приемников, управляет выходным реле, рабочие контакты которых посредством электрической цепи управляют электродвигателем скиповой лебедки и включают световую сигнализацию на пульте оператора.

Штанговый указатель уровня представляет собой металлический стержень с грузом на конце. Груз лежит на поверхности слоя шихты и опускается вместе с ней.

Перед загрузкой шихты в печь штанговый указатель поднимается вверх на тросе, соединенном с ползуном, которым управляет ковш скипового подъемника. Находящаяся снаружи шахты часть стержня уровнемера снабжена выступом, расположенным по высоте между двумя конечными выключателями, которые входят в цепь управления лебедкой и цепь световой сигнализации.

Если уровень шихты в печи опустится ниже заданного значения, то штанговый указатель своим выступом воздействует на нижний конечный выключатель и он включит электродвигатель лебедки и световой сигнал на пульте управления. Верхний конечный выключатель играет роль предохранителя на случай переполнения шахты материалами, при его нажатии отключается цепь питания электродвигателя лебедки.

На рисунке 2.15 изображена схема автоматической загрузки карбонатной породы в шахтную печь, работающую на газообразном топливе. Автоматическая загрузка печи осуществляется в зависимости от уровня находящейся в ней карбонатной породы. Рабочим (управляющим) при этом является нижний указатель уровня 13, а верхний 14 служит для аварийного отключения механизмов загрузки.

1, 3 и 4 — станции управления; 2, 5 — командно-электропневматический прибор КЭП; 6 — электродвигатель привода лебедки; 7 — лебедка скипа; 8 — ковш скипа; 9, 16 — конечный выключатель ВК; 10 — обмотка электрического вибратора; 11 — электровибрационный питатель; 12 — бункер; 13, 14 — нижний и верхний указатель уровня; 15 — электродвигатель привода поворота загрузочной чаши; 17 — загрузочная чаша; 18 — термометр ТХА; 19 — заборное устройство газоанализатора; 20, 21, 22 — датчик разрежения в печи; 23 — термобаллон; 24, 26, 28 — датчик давления; 25, 27 — диафрагма; 29 — предохранительно-запорный клапан ПЗК; 30 — показывающий милливольтметр; 31 — газоанализатор на кислород; 32 — газоанализатор на CO2; 33 — показывающий мембранный тягомер; 35, 37 — показывающий мембранный напоромер; 34, 36 — самопишущий дифманометр; 38 — сигнализирующий термометр ТС; 39, 40 — лампочки красного и зеленого цвета; 41 — регистратор импульсов электрический ЭИР

Рисунок 2.15 — Схема автоматической загрузки сырья и теплового контроля процесса обжига в шахтной печи, работающей на газообразном топливе

Когда уровень загрузки карбонатной породы в печи опускается ниже отметки «Уровень загрузки», то выходное реле указателя уровня 13 срабатывает и включает командно-электропневматический прибор (КЭП). КЭП-1 включает на заранее установленное время электровибрационный питатель, подающий карбонатную породу из загрузочного бункера в ковш скипа. После загрузки (по времени) ковша карбонатной породы КЭП-1 размыкает электрическую цепь питателя и замыкает электрическую цепь подъема скипа на верх печи.

Скип, достигнув крайнего верхнего положения, воздействует на конечный выключатель. Выключатель прекращает движение скипа вверх и подает импульсы на реле отсчета количества загруженной в печь карбонатной породы ЭИР и на промежуточное реле времени. Промежуточное реле времени с заданной выдержкой подает сигнал на опускание скипа вниз и на КЭП-2, который управляет механизмом поворота загрузочной чаши [25].

Получив соответствующий сигнал, КЭП-2 включает электродвигатель поворота загрузочной чаши. Длительность замыкания контактов КЭП-2 обеспечивает поворот чаши на угол, величина которого возрастает с каждым циклом.

Циклы загрузки печи карбонатной породы продолжаются до тех пор, пока уровень шихты в печи не достигнет отметки «Уровень загрузки». При этом выходное реле электронного блока уровнемера разорвет цепь электродвигателя скиповой лебедки. Нижний конечный выключатель служит для блокировки, предотвращая подъем скипа при его загрузке сырьем.

Схема автоматической загрузки предусматривает возможность перехода на местное (ручное) управление при помощи кнопок.

Элементы схемы теплового контроля параметров обжига показаны в правой части на рисунке 2.14. В шахтной печи, работающей под разрежением и отапливаемой природным газом, разрежение измеряется датчиками 20, 21, 22 и передается на показывающий тягомер мембранного типа.

Температура отходящих газов измеряется термометром в комплекте с показывающим милливольтметром.

Расход подаваемого в балочную горелку природного газа измеряется комплектом, состоящим из диафрагмы и самопишущего дифманометра. Давление газа перед горелкой отбирается датчиком 26 и поступает на показывающий прибор 35 (манометр или мембранный напоромер). Аналогичными приборами измеряется расход и давление первичного воздуха, поступающего в балочную горелку (датчики 25 и 24).

Анализ отходящих газов на содержание в них углекислого газа CO₂ и кислорода O₂ выполняется заборным устройством и автоматическими газоанализаторами, расположенными, как и все перечисленные выше приборы, на щите КИП оператора (обжигальщика).

Автоматический предохранительно-запорный клапан (ПЗК) и сигнализирующий термометр обеспечивают безопасность работы печи. При падении давления в газопроводе клапан ПЗК получает импульс от датчика давления 28 и мгновенно перекрывает газопровод, прекращая поступление газа в печь.

2.3.2 Вращающиеся печи

Вращающаяся печь (см. таблицу 2.3) обладает рядом преимуществ по сравнению с шахтной: большей единичной мощностью агрегата; равномерным качеством получаемой извести при высокой степени ее обжига (90 — 99%); возможностью обжига мелких фракций карбонатного сырья любой механической прочности и высокой влажности (см. таблицу 2.4). Основными недостатками вращающихся печей являются: повышенный удельный расход энергоносителей, топлива на обжиг, большие капиталовложения на оборудование и сооружения, значительная металлоемкость [12], [13], [59].

Таблица 2.5

Основные технико-экономические показатели вращающихся печей для выпуска извести

Таблица 2.6

Характеристики вращающейся известеобжигательной печи [12]

Опыт эксплуатации вращающихся печей мощностью 500 т/сут и выше во многих странах показывает, что с ростом производительности вращающейся печи ее технико-экономические показатели (ТЭП) приближаются к ТЭП современных шахтных печей. Поэтому производство извести с использованием только вращающихся печей рекомендуется создавать при их производительности не менее 300 т/сут [25].

Вращающаяся печь представляет собой футерованный изнутри вращающийся стальной цилиндрический барабан, установленный наклонно (3 — 4%) на роликовых опорах.

Длинные вращающиеся печи применяют для производства извести сухим и мокрым способами. При сухом способе карбонатное сырье поступает во вращающуюся печь в виде кусков фракции 5 — 20 мм или 20 — 50 мм с влажностью 2 — 24%. При мокром способе сырье (мел) поступает в печь в виде сметанообразной массы (шлама) с содержанием воды 37 — 43%.

Длинные вращающиеся печи выпускают с внутренними теплообменными устройствами или без них. В коротких вращающихся печах, в зависимости от конструкции запечного теплообменника, обжигают карбонатные породы в виде узких фракций: 0,1 — 2 мм; 10 — 20 мм; 20 — 40 мм с влажностью до 8%.

2.3.2.1 Длинные вращающиеся печи с внутрипечным теплообменником

Длинная вращающаяся печь с теплообменными устройствами внутри корпуса (см. рисунок 2.16) состоит из следующих основных узлов: цилиндрического корпуса с надетыми на него бандажами, роликовых опор, предохранительных упоров и контрольных роликов, установленных на опорах, и привода.

1 — роликовые опоры; 2 — бандажи; 3 — подвенцовая шестерня; 4 — редуктор привода; 5 — электродвигатель; 6 — головка печи; 7 — кольца жесткости; 8 — цилиндрический корпус; 9 — венцовая шестерня; 10, 11 и 14 — теплообменные устройства; 12 — пылеосадительная камера; 13 — течка сырья

Рисунок 2.16 — Длинная вращающаяся печь с внутрипечным теплообменником

Корпус вращающейся печи представляет собой полый сварной барабан диаметром от 2,2 до 5 м, установленный на роликовые опоры. Каждая опора состоит из двух опорных роликов с четырьмя подшипниками скольжения и клиновинтовыми упорами, воспринимающими осевое давление печи.

Опорные ролики передвигаются и закрепляются в направляющих либо параллельно оси печи, либо под некоторым углом, что необходимо для предотвращения подъема или опускания печи по роликам при ее эксплуатации. Подшипники роликовых опор имеют водяное охлаждение.

Для контроля величины предельного осевого смещения корпуса печи от нормального положения по обе стороны от бандажа расположены контрольные ролики, вращение которых свидетельствует о наличии предельного смещения. В пролетах между опорами для повышения жесткости корпуса установлены кольца жесткости.

Корпус печи имеет наклон 3 — 4% к горизонту и вращается со скоростью до 3 об/мин от электродвигателя, соединенного с корпусом через редуктор, подвенцовую и венцовую шестерни. Кроме того, современные печи снабжают вспомогательным приводом небольшой мощности, служащим для вращения печи со скоростью около 4 об/мин в периоды пуска и остановки, а также при ремонтных работах.

Привод печи и опорные ролики установлены с тем же уклоном, что и корпус печи. Внутренняя часть стального корпуса выложена огнеупорной футеровкой.

Печь работает по принципу противотока. Сырье подается со стороны верхнего «холодного» конца печи по течке, а со стороны нижнего «горячего» конца (головки печи) через горелку, подается топливо. Отходящие газы удаляются со стороны холодного конца печи, проходят предварительную очистку в пылеосадительной камере и окончательную в электрофильтре, а затем дымососом выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу.

Печь имеет следующие технологические зоны: зону подогрева сырья, где материал теряет влагу и подогревается до температуры 950 °C; зону обжига (декарбонизации), где при температуре газов 1250 — 1300 °C происходит разложение сырья с выделением CO2 и образованием свободной окиси кальция; зону предварительного охлаждения извести до температуры 1000 °C.

Для нормальной работы печи большое значение имеет правильная футеровка ее зон. Это обусловлено тяжелыми условиями службы футеровки в связи с вращением печи, вызывающим сотрясение кладки и ее истирание движущимся материалом.

При обжиге извести холодные зоны футеруют фасонным шамотным кирпичом, а зону обжига — магнезитовыми огнеупорами. Шамотный кирпич укладывают на огнеупорных растворах.

Теплообменные устройства (10, 11, 14 рис. 2.15) служат для улучшения теплообмена между газовым потоком и материалом в загрузочной части длинных печей. С этой целью во вращающихся печах, работающих как по мокрому, так и по сухому способам обжига, применяют цепные, экранно-лопастные, циклоидные и ячейковые теплообменники [25].

Цепные теплообменники — устройства, в которых происходит конвективно-регенеративный теплообмен газов и материала: прогрев цепей печными газами конвекцией и отдача тепла нагретыми цепями материалу теплопроводностью. При мокром способе в цепном теплообменнике на коротком участке печи влажность шлама снижается с 45 ... 42% до 10 ... 5%. Дальнейшее снижение влажности материала нежелательно, так как ухудшается его грануляция. При сухом способе использование цепного теплообменника из жаропрочной стали позволяет подогревать кусковой материал до температуры 500 ... 600 °C на значительно меньшем участке зоны подогрева, чем в печи, не оборудованной теплообменником.

На практике применяют три способа навески цепей: навеску со свободными концами, гирляндную навеску с креплением за оба конца и хордовую навеску.

Металлический наклонный экранно-лопастной теплообменник представляет собой лопасть с ножкой, которая двумя болтами крепится к сегменту, приваренному к корпусу печи. Лопасть размером 0,3 x 0,3 x 0,1 м имеет двойной уклон под углами 40° и 15° к поверхности материала во время вращения печи.

Металлический циклоидный теплообменник представляет собой набор лопастей, изготовленных из листовой жаропрочной стали толщиной 12 ... 16 мм. Лопасти болтами крепятся к пластинам, приваренным к корпусу печи. Такая конструкция теплообменника обеспечивает интенсификацию теплообмена материала с газами при незначительном повышении пылеуноса и аэродинамического сопротивления печи.

Металлический ячейковый теплообменник из литой жаропрочной стали эффективен в теплотехническом отношении. Он состоит из полок, шарнирно соединенных с коробками крепления, приваренными к корпусу печи. Каждая пара полок соединена между собой шарнирно. Такое крепление предохраняет теплообменник от температурных деформаций. Теплообменник делит поперечное сечение печи на секции (ячейки), благодаря чему происходит расчленение материала на несколько потоков, в которых интенсивность отдачи тепла от газов к материалу из-за его лучшего перемешивания значительно увеличивается. В результате температура газового потока снижается на 150 ... 180 °C, а материала повышается на 250 ... 300 °C. Теплообменник устанавливают после цепного с интервалом 2 ... 3 м.

Отсутствие внутренних теплообменников существенно снижает тепловой КПД печи и соответственно увеличивает расход топлива на обжиг.

2.3.2.2 Вращающиеся печи с запечным подогревателем

На рисунке 2.17 дан общий вид короткой вращающейся печи. Опорные и упорные устройства коротких печей аналогичны по конструкции длинным вращающимся печам.

1 — загрузочная головка; 2 — корпус печи; 3 — кожух венцовой шестерни; 4 — откатная разгрузочная головка; 5 — устройство крепления горелки; 6 — ролик опорный; 7 — упорные ролики; 8 — электродвигатель главного привода; 9 — бак системы централизованной смазки оборудования печи; 10 — ролик упорный; 11 — мазутные насосы (при использовании форсунки)

Рисунок 2.17 — Короткая вращающаяся печь

В качестве коротких необходимо использовать вращающиеся печи с корпусом следующих размеров: 2,5 x 30 м, 2,5 x 40 м, 3 x 40 м, 3,6 x 50 м, 3,6 x 75 м, 4 x 50 м, 4 x 60 м, 4,5 x 60 м.

Главный привод коротких вращающихся печей аналогичен по устройству главному приводу длинных печей, отличаясь для печей одинакового диаметра корпуса мощностью электропривода и редуктора. Для главного привода современных коротких вращающихся печей применяют электродвигатели переменного тока с частотными преобразователями, позволяющими плавно менять частоту вращения барабана печи в широком диапазоне.

В качестве подогревателей кускового материала применяют подогреватели неподвижного слоя сырья типа колосниковой конвейерной решетки, шахтные с подвижным слоем сырья и шахтные с падающим слоем сырья, подогреватели дисперсного сырья циклонного типа, шахтные комбинированные теплоутилизаторы, использующие энергию отходящих печных газов одновременно для подогрева материала и выработки пара, котлы-утилизаторы, вырабатывающие пар.

2.3.2.3 Обжиг карбонатных пород во вращающейся печи

Во вращающейся известеобжигательной печи различают три основные зоны, отличающиеся режимными параметрами термообработки материала и физико-химическими процессами, происходящими в нем. На рисунке 2.18 изображены кривые распределения по длине печи температуры газового потока (кривая 3), температуры поверхности материала (кривая 2) и содержание в извести активных окислов кальция и магния (кривая 1).

а — зона обжига и предварительного охлаждения печи; б — зона подогрева теплообменника; 1 — кривая активности извести; 2 — кривая температуры поверхности материала; 3 — кривая температуры газообразных продуктов

Рисунок 2.18 — Распределение температуры газов, материала и активности извести по длине вращающейся печи

Зона подогрева расположена в холодном конце печи, начиная от места поступления в нее сырья, и занимает до 70% общей длины корпуса длинной печи. Поступающий в зону подогрева материал (пунктирная кривая 2) проходит последовательно сушку (tm — до 120 °C) и нагрев (tm — 850 — 900 °C). В конце зоны подогрева, в температурном интервале 700 — 900 °C, полностью разлагается содержащийся в сырье углекислый магний (MgCO3) и частично углекислый кальций (CaCO3).

Выходящие из зоны обжига с температурой 1100 — 1250 °C печные газы (кривая 3) отдают тепло материалу, и их температура снижается до 600 — 800 °C. Температура печных газов на выходе из печи (в начале зоны подогрева) в значительной мере зависит от влажности сырья и от организации теплообмена с сырьем в зоне подогрева.

При отсутствии в зоне подогрева теплообменных устройств материал в результате незначительной поверхности теплообмена забирает меньше тепла, чем он мог бы теоретически принять от газов, и температура газов на выходе из печи остается высокой (500 — 600 °C) даже при обжиге влажного мела. При обжиге карбонатных пород (влажность 2 — 4%) температура отходящих газов из печи длиной 75 м составляет 700 — 800 °C.

Применение внутренних теплообменников позволяет интенсифицировать конвективный теплообмен в зоне подогрева, и температура отходящих газов снижается до 350 — 400 °C. Температура материала по длине печи растет при этом значительно быстрее, и длина зоны подогрева сокращается, а длина зоны обжига увеличивается. Поэтому применение внутренних теплообменных устройств позволяет на 10% — 15% увеличить производительность печи при одновременном снижении удельного расхода топлива на 20 — 25% за счет лучшего использования тепла печных газов.

Значительный эффект достигается при установке за короткой вращающейся печью запечного теплообменника, например, конвейерной решетки. При этом сушка и подогрев материала до температуры 700 — 750 °C происходит на конвейерной решетке, куда печные газы поступают с температурой 900 — 1000 °C, а после двойного просасывания через слой выходят с температурой 350 — 380 °C. Из-за подсосов холодного воздуха в теплообменнике температура газов обычно равна 200 — 250 °C. Дальнейшее нагревание сырья до температуры 900 °C происходит на коротком участке зоны подогрева печи.

Выходящие из зоны подогрева печи газы при правильной организации процесса обжига содержат 26 — 28% углекислого газа (CO2) и 1,0 — 1,5% кислорода (O2).

Зона обжига длинной вращающейся печи занимает 25 — 30%, а короткой — 50 — 75% общей длины корпуса печи. В зоне обжига происходит сгорание топлива и завершаются основные физико-химические реакции разложения карбонатного сырья.

Ввиду малого времени пребывания материала в зоне обжига (30 — 45 мин) его нагревают до температуры 1200 °C, при которой реакция разложения CaCO3 происходит достаточно быстро. В результате сырье успевает почти полностью диссоциировать, и содержание активных CaO + MgO в воздушной извести обычно составляет 90% — 99%.

Для обеспечения быстрого нагрева материала максимальную температуру газов поддерживают на 250 — 300 °C выше температуры материала. Передача тепла материалу происходит от факела и поверхности футеровки печи. От факела тепло передается материалу лучеиспусканием и конвекцией, от футеровки преимущественно теплопроводностью.

В конце зоны обжига расположен порог высотой 200 — 500 мм, иногда на расстоянии 16 — 18 м от него устраивают второй порог. Применение кольцевых порогов (местных сужений внутреннего диаметра печи) улучшает характеристики процесса обжига за счет увеличения времени пребывания материала в зоне высоких температур и уменьшения потерь тепла излучением факела в холодный конец печи. В итоге устройство двух-трех порогов в печи позволяет на 5 — 10% повысить ее производительность и несколько снизить удельный расход топлива на обжиг.

Длину и расположение зоны обжига регулируют длиной и формой факела, а также тягой дымососа. Сжигание топлива в факеле организуют при общем коэффициенте избытка воздуха от 1,05 до 1,15. Смещение зоны обжига к холодному концу печи увеличивает потери тепла с отходящими газами, а смещение ее к горячему концу приводит к уменьшению длины зоны обжига и появлению в связи с этим потери тепла с выходящей известью.

Зона предварительного охлаждения занимает 5% длины печи и расположена непосредственно за зоной обжига. Ввиду незначительной длины зоны материал на выходе из нее имеет температуру 900 — 1000 °C и физическое тепло отдает вторичному воздуху в основном в рекуператорном или барабанном холодильнике. Воздух нагревается в зоне предварительного охлаждения до температуры 600 — 700 °C, что способствует повышению температуры факела и лучшему использованию тепла в целом.

В холодильнике печи известь охлаждается до температуры 80 — 120 °C. Холодный воздух, поступающий в холодильник из окружающей среды, нагревается в нем до 400 — 500 °C [28].

2.3.2.4 Автоматизация вращающихся печей

Одним из основных способов интенсификации процесса производства извести во вращающейся печи является автоматизация основного и вспомогательного технологического оборудования и процесса обжига. Уровень автоматизации производственного процесса при этом может быть различным.

На рисунке 2.19 представлены элементы системы автоматического контроля и регулирования процесса обжига извести во вращающейся печи без запечного теплообменника, оборудованной рекуператорным холодильником и работающей на природном газе.

1 и 14 — потенциометры; 2 — регулятор температуры; 3 — регулятор давления; 4 — радиационный пирометр; 5, 8 и 9 — термометры; 6 — регулятор загрузки печи сырьем; 7 — газоотборное устройство; 10 — регулятор полноты сжигания топлива; 11, 12 — милливольтметры пирометрические; 13 — газоанализатор на кислород; 15 — сигнализирующий термометр; 16, 17 — тягомеры мембранные показывающие; 18 — расходомер; 19 — дифференциальный манометр; 20 — исполнительный механизм

Рисунок 2.19 — Схема системы автоматического контроля и регулирования процесса обжига извести во вращающейся печи без запечного теплообменника

Схема теплового контроля предусматривает автоматическое измерение и запись на диаграмме приборов расхода природного газа, разрежения в горячей головке печи и пылеосадительной камере, температуры газов в зоне обжига, в пылеосадительной камере и перед дымососом, температуры материала перед зоной обжига, содержания кислорода в отходящих газах. Так же осуществляется тепловизионный контроль за распределением температур по корпусу печи (осуществляется сканирующим тепловизором).

Расход природного газа измеряется мембранным дифференциальным манометром и регистрируется вторичным прибором — расходомером. Разрежение по тракту измеряется при помощи мембранных манометров (тягомеров). Температура в зоне обжига измеряется радиационным пирометром, показания которого записываются автоматическим потенциометром. Температура газового потока в пылевой камере и дальше по газовому тракту измеряется термопарами и термометром сопротивления.

Температура материала внутри вращающейся печи перед зоной обжига может измеряться комплектом, состоящим из стандартного термоэлектрического термометра и автоматического потенциометра.

Содержание кислорода в отходящих печных газах измеряется автоматическим газоанализатором, снабженным записывающим прибором. Для непрерывного отбора, очистки и подачи в прибор пробы газа служит газоотборное устройство, устанавливаемое в переходной или пылеосадительной камере.

Система автоматического регулирования (САР) предусматривает регулирование температуры в зоне обжига и полноты сгорания топлива, а также стабилизацию давления газа перед горелкой и количества подаваемого в печь сырья.

Температуру в зоне обжига регулируют следующим образом. При отклонении температуры в зоне обжига от заданного значения потенциометр 1 посылает в измерительную схему регулятора 2 электрический импульс, и регулятор через исполнительный механизм 20 поворачивает регулирующую заслонку газопровода, увеличив или уменьшив подачу природного газа в печь.

Регулятор, кроме того, получает корректирующие импульсы при значительных отклонениях от заданной величины температуры материала перед зоной обжига (от потенциометра) и содержания кислорода в отходящих газах (от газоанализатора) и соответственно изменяет в определенных пределах подачу в печь топлива.

Полнота сгорания топлива в печи обеспечивается регулятором 10, который воздействует своим исполнительным механизмом 20 на направляющий аппарат дымососа. Например, при увеличении содержания O2 в отходящих газах измерительная схема регулятора, получающая сигнал от газоанализатора 13, выходит из равновесия и исполнительный механизм несколько прикрывает направляющий аппарат дымососа. При этом разрежение в горячей головке печи несколько снижается, что приводит к уменьшению поступления в печь вторичного воздуха, и содержание O2 в отходящих газах снижается.

Регулятор 3 поддерживает давление в газопроводе, воздействуя на регулирующий орган (клапан, заслонку). Регулятор 6 получает импульс от датчика расхода материала в печь и воздействует на питатель, уменьшая или увеличивая его производительность. Таким образом он поддерживает постоянную величину подаваемого в печь сырья.

Сигнализирующий термометр подает световой или звуковой сигнал при повышении температуры масла в системе смазки главного привода печи выше допустимого значения.

2.4 Дробление и измельчение извести

Гранулометрический состав молотой извести варьируется от относительно грубой до очень тонкой. Чаще применяется молотая порошкообразная известь размером до 0,2 мм.

Такая известь применяется для производства силикатного кирпича, газосиликатных блоков, производства минеральных удобрений, приготовления известесодержащих растворов в защите растений, стабилизации грунтов, обработке сточных вод промышленных предприятий и животноводческих комплексов.

Кроме гранулометрии к такой извести предъявляются требования по удельной поверхности, времени гашения (реакционной способности), температуре гашения. Помольные установки используются те же, что для измельчения сырья (п. 2.1.2).

2.5 Производство гашеной извести

Гидратация (гашение) кальциевой извести идет с выделением тепла и образованием водяного пара. Реакция гидратации обратимая. Ее направление зависит от температуры и парциального давления водяных паров в гасильном агрегате. Дегидратация гидрооксидов кальция и магния возможна при температуре выше 520 °C [12].

Гидратация доломитовой и магнезиальной извести по формуле:

CaO + MgO + H₂O = Ca(OH)₂ + MgO + Q (при обычном гашении),

CaO + MgO + H2O = Ca(OH)2 + Mg(OH)2 + Q (при автоклавном гашении).

Гашение извести в «пушонку» можно производить в гидраторах периодического и непрерывного действия. На современных производствах применяют гидраторы непрерывного действия, у которых больше производительность, есть возможности полной автоматизации процесса подачи исходных продуктов и контроля качества гидратной извести.

Чаще всего для гашения извести используют лопастные двух- или трехсекционные аппараты, внутри которых установлены лопасти, перемешивающие и перемещающие известь. Такие гидраторы могут быть одно- и двухвальные. Двухвальные гидраторы отличаются несколько большей производительностью [29]. Конструкция трехсекционного лопастного гидратора представлена на рис. 2.20.

1 — корпус, 2 — форсунки, 3 — скруббер, 4 — циклон, 5 — шлюзовый питатель, 6 — вентилятор, 7 — мотор-редуктор, 8 — вал с лопастями, 9 — люки, 10, 11, 12 — винтовые транспортеры трехсекционного лопастного гидратора

Рисунок 2.20 — Конструкция одновального трехсекционного лопастного гидратора

Исходная негашеная известь в виде порошка или гранул подается в верхнюю секцию аппарата 1. В эту же секцию подается вода для гашения извести. При гашении извести образуется большое количество водяного пара и известковой пыли. На рисунке 2.17 изображен вариант, когда вода подается через форсунки 2 в скруббер 3. В скруббере происходит ее нагрев за счет конденсации пара на поверхности капель воды и частичная очистка пара от пыли. Далее пар поступает в циклон 4, где происходит обеспыливание пара: осажденная известковая пыль шлюзовым питателем 5 возвращается в верхнюю секцию аппарата, а паровоздушная смесь вентилятором 6 подается на дальнейшую очистку от пыли. Вентилятор 6 подключен к частотному преобразователю (ЧРП), который позволяет установить минимальную частоту вращения рабочего колеса, что позволяет свести к минимуму подсос воздуха через неплотности корпуса аппарата.

Гашение наиболее интенсивно происходит в первой, верхней, секции аппарата. В последующих секциях происходит догашивание и охлаждение гашеной извести. Готовая гидратная известь выгружается из нижней секции гидратора винтовым транспортером 12. На каждой секции аппарата-гидратора установлен мотор-редуктор 7, который вращает вал с лопастями 8 со скоростью 20 — 30 об/мин. Скорость вращения вала каждой секции регулируется ЧРП в зависимости от качества исходной негашеной извести. Люки 9 служат для обслуживания и замены лопастей гидратора. Гидратор установлен на опорах 10.

Для очистки паровоздушной смеси используют сухой способ очистки от пыли (циклоны, фильтры) или мокрый способ (скрубберы, циклоны с водяной пленкой, пенные аппараты), а также их комбинация.

Существует вариант расположения фильтра на второй секции аппарата, при этом первая секция устанавливается со сдвигом. В таком случае забор паровоздушной смеси происходит из области не столь интенсивного гашения, а пыль с первой секции успевает осесть в аппарате до поступления смеси в фильтр.

Рукавные фильтры имеют существенный недостаток. Рукава со временем забиваются гидратной известью, на них образуется корка (известковое тесто), гидравлическое сопротивление рукавов фильтра возрастает, и фильтры прекращают нормальную работу. На практике через 2 — 3 месяца фильтровальные рукава подлежат замене. В таблице 2.7 представлены основные характеристики лопастных гидраторов.

Таблица 2.7

Основные характеристики лопастных гидраторов

На российских предприятиях используют несколько различных схем получения гидратной извести:

• получение гидратной извести из дробленой до 20 мм негашеной извести;
• получение гидратной извести из молотой негашеной извести 0 — 0,2 мм.

При первом варианте после гашения извести в гидраторе классификацией удаляют непогасившиеся зерна, которые могут удаляться в отвал или использоваться в производстве строительных растворов. Во втором случае известь негашеная фракции 0 — 0,2 мм сразу подается в гидратор, после гашения классификация не требуется.

Также используется схема, когда известь негашеную сначала дробят до фракции 0 — 40 мм, затем гасят в гидраторе и всю гашеную известь отправляют на помол для получения фракции 0,2 мм.

2.6 Складирование готовой продукции

Современный известковый комбинат выпускает известь комовую, гидратную (пушонку), молотую и известняковую муку для сельского хозяйства. Предприятия большой мощности имеют отдельные склады под каждый вид выпускаемой продукции. Емкость склада выбирается из конкретных условий продолжительности хранения продукции не более 5 — 10 суток.

В качестве примера на рисунке 2.21 показан склад комовой извести емкостью 2000 т с галереей выдачи продукции. В настоящее время существуют более современные установки. Склад состоит из шести силосов комовой извести, двух галерей с ленточными транспортерами и двух погрузочных машин.

1 — погрузочные машины; 2 — галереи; 3 — ленточные транспортеры; 4 — электровибрационные питатели; 5 — аспирационная система; 6 — реверсивный ленточный конвейер; 7 — силоса

Рисунок 2.21 — Склад комовой извести емкостью 2000 т

Силос комовой извести представляет собой цилиндрическую банку со стенками из монолитного железобетона. Емкость банки — 330 м3, диаметр — 6 м, высота — 15,8 м. Для снижения запыленности помещения при загрузке силосов комовой известью предусмотрена аспирационная система.

Известь загружают в силос передвижным реверсивным ленточным конвейером, а выгружают при помощи электровибрационных питателей и ленточного транспортера, который подает известь в бункер погрузочной машины. Погрузочная машина грузит

Склады молотой извести и известняковой муки состоят из однотипных сооружений и оборудования. Склад молотой извести емкостью 2000 т (см. рисунок 2.22) состоит из четырех силосов емкостью 500 т каждый, снабженных аспирационной системой. Железобетонная банка силоса имеет высоту 20,6 м при диаметре 6 м.

1 — трубопровод пневмоперекачки; 2 — пневмовинтовой насос; 3 и 4 — шнеки; 5 — воздухораспределительные коробки; 6 — силос; 7 — трубопровод; 8 — аспирационная система; 9 — автомобильный транспорт; 10 — пневматические боковые разгружатели с дистанционным управлением; 11 — железнодорожный транспорт; 12 — двухходовые переключатели

Рисунок 2.22 — Склад молотой извести емкостью 2000 т

Силосы загружаются пневмотранспортом по трубопроводу. Молотая известь распределяется по банкам с помощью двухходовых переключателей. Наполнение силосной банки известью контролируется по сигнализаторам нижнего и верхнего уровня. При наполнении банки известью до верхнего уровня загорается сигнальная лампочка, и оператор отключает силос от питающего трубопровода.

Известь выгружается из силоса двумя пневматическими боковыми разгружателями через выпускные отверстия, устроенные в нижней части банки. Выдача извести со склада предусматривается в автомобильный и железнодорожный транспорт.

Известь перекачивают из центрального выгрузочного отверстия банки при помощи разгрузочных шнеков и пневмотранспортного шнека, который направляет известь в бункер пневмовинтового насоса. Пневмовинтовой насос подает порошкообразный материал по трубопроводу пневмоперекачки в тот же бункер или другой, заполняя его сверху.

Аспирационные системы, установленные на силосных складах, отсасывают запыленный воздух в местах загрузки силосов. Очистка воздуха осуществляется в рукавных фильтрах.

2.7 Контроль качества готовой продукции

Контроль качества негашеной извести

Каждые два часа из печи отбирают известь в количестве около 50 кг, методом квартования получают пробу 5 кг и помещают ее в герметически закрываемый сосуд. Первичную пробу извести (20 кг), отобранную за смену, методом квартования сокращают до 5 кг, получая среднюю пробу, которую и испытывают.

Среднюю пробу комовой извести разбивают на куски до 20 мм, перемешивают и последовательным квартованием отбирают 500 г, которые измельчают до полного прохождения сквозь сито. От просеянной пробы отбирают квартованием 60 г извести, растирают ее в ступке до полного прохождения сквозь сито и хранят в герметически закрытом сосуде.

Среднюю пробу порошкообразной извести перемешивают и последовательным квартованием отбирают 300 г, которые помещают в герметически закрываемый сосуд.

Полученный порошок используют для испытаний в соответствии с ГОСТ 22688-2018 [30].

Для определения суммарного содержания активных CaO и MgO при содержании в извести MgO до 5% применяют реактивы и растворы: кислота соляная 1H-раствор; однопроцентный спиртовой раствор фенолфталеина.

Для определения содержания непогасившихся зерен из 1 кг негашеной извести готовят известковое тесто и выдерживают его в течение 24 ч, затем разбавляют водой до состояния известкового молока и пропускают через сито, одновременно промывая слабой непрерывной струей воды и слегка растирая кусочки стеклянной палочкой с резиновым наконечником. Остаток на сите высушивают при температуре 105 — 110 °C до постоянного веса. Полученный остаток в граммах, деленный на 10, дает содержание непогасившихся зерен в процентах.

Чтобы определить время гашения извести, берут сосуд Дьюара, представляющий собой колбу емкостью 0,5 л, и помещают его в коробку. Пространство между сосудом Дьюара и стенками коробки заполняют теплоизоляционным материалом (асбестовой мелочью, минеральной ватой и т.п.).

10 г измельченной извести помещают в сосуд Дьюара, вливают в него 20 мл воды температурой 20 °C и закрывают пробкой, в которой плотно закреплен ртутный термометр со шкалой 0 — 150 °C и длиной хвостовой части 100 — 150 мм. При этом наблюдают, чтобы ртутный шарик термометра был погружен в реагирующую смесь.

Смесь в сосуде взбалтывают и оставляют в покое. Через каждые 30 с с момента добавления воды отмечают температуру реагирующей смеси. Наблюдения ведут до достижения максимальной температуры и начала ее падения.

За время гашения принимают интервал времени в минутах от момента добавления воды к извести до начала снижения максимальной температуры.

Испытание по определению остаточной потери при прокаливании извести (П.П.П.) проводят для определения величины «недожога» извести или степени декарбонизации сырья при обжиге. При достаточно полном разложении карбонатных пород остаточные П.П.П. составляют 2 — 7%.

Результаты всех испытаний заносят в журнал контроля качества извести.

Контроль качества гашеной извести

Качество гашеной извести оценивают по четырем показателям: суммарному содержанию CaO и MgO, содержанию углекислоты CO2, влажности и дисперсности.

Суммарное содержание окисей кальция и магния гашеной извести определяют таким же методом, как и для комовой извести.

Влажность пушонки определяют влагомерами.

Дисперсность гидратной извести определяют так: 50 г пробы извести, предварительно высушенной до постоянного веса при 105 — 110 °C, просеивают сквозь сита. Просеивание считается законченным, если при дополнительном просеивании в течение 1 мин сквозь указанное сито проходит не более 0,1 г материала. Остаток на сите в граммах, умноженный на 2, соответствует содержанию зерен данной крупности в процентах.

Содержание углекислоты в извести определяют по ГОСТ 22688-2018 [30].

В зависимости от результатов испытания гидратная известь соответствует первому или второму сорту. Данные испытаний средних проб заносятся в журнал контроля качества продукции.

Контроль качества продукции на складе

От каждой партии извести, хранящейся на складе или отгружаемой потребителю, отбирают первичную пробу весом не менее 20 кг. При контроле комовой извести пробу отбирают примерно равными частями не менее чем из 10 различных мест по всей толщине извести: из верхнего, среднего и нижнего слоя. При контроле молотой извести в мешках пробу отбирают из 10 мешков из разных мест штабеля, примерно по 2 кг из каждого мешка. При контроле гашеной извести пробу отбирают примерно равными частями не менее чем из 5 различных мест по всей толщине извести: из верхнего, среднего и нижнего слоя извести, примерно по 2 кг из каждого места.

Отобранную первичную пробу комовой, молотой или гашеной извести квартуют и делят на две равные части. Одну из проб извести испытывают, другую — помещают в герметически закрываемый сосуд, который опечатывают и хранят в течение 15 дней на случай арбитражных испытаний.

Если при испытании средней пробы установлено несоответствие ее хотя бы одному из требований стандарта на известь, то необходимо провести повторные испытания, результаты которых следует считать окончательными.

2.8 Вредные производственные факторы

Санитарно-гигиенические условия труда на известковом предприятии характеризуются следующими специфическими вредностями производства: запыленностью воздуха при загрузке материалов в печь, выгрузке извести из печей, транспортировании, складировании, дроблении, помоле каменного угля, карбонатной породы и извести; загазованностью воздуха и повышенной температурой в печном отделении.

ПДК кальций оксида в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м3, допускаемая концентрация пыли для производственных помещений составляет для извести 3 мг/м3, для известняка 6 мг/м3, для угля 10 мг/м3. Известковая пыль, действуя на организм человека, разъедает ткани и вызывает ожоги, иногда тяжелого характера, изъязвление верхних дыхательных путей, воспаление легких. Попадание известковой пыли в глаза в некоторых случаях вызывает стекловидный отек и помутнение роговицы. Индивидуальными средствами защиты от воздействия известковой пыли являются защитные очки, респираторы, марлевые повязки [31], [32], [33], [34].

При нарушении режима сжигания топлива в печных агрегатах возможно отравление обслуживающего персонала продуктами его горения. Наиболее опасными газами, выделяющимися при неполном сгорании топлива, является оксид углерода (CO). Индивидуальным средством защиты от воздействия оксида углерода является шланговый противогаз.

Перевод шахтных печей с твердого топлива на природный газ значительно снижает запыленность рабочих мест, территории предприятия и окружающей местности, а также ликвидирует ряд ручных операций при обслуживании тепловых агрегатов. Внедрение в производство извести мощных шахтных и вращающихся печей с эффективной системой обеспыливания всей технологической линии, оборудованных совершенной системой автоматического регулирования процесса обжига и системой управления всеми механизмами с диспетчерского пульта, позволит полностью устранить вредное влияние извести на организм обслуживающего персонала.

Совершенствование технологических схем производства извести должно сопровождаться, помимо автоматизации процесса, максимально возможным исключением из них пересыпных узлов, сокращением путей транспортирования материала, высоты его подъема и сброса, улучшением обслуживания складских емкостей и совершенствованием погрузочно-разгрузочных средств.

Раздел 3 Текущие уровни эмиссии в окружающую среду и потребления ресурсов

К промышленным источникам эмиссий и негативного воздействия на окружающую среду относятся: предприятие, установка, печь, технологический процесс, производственный объект, потребляющие электрическую и/или тепловую энергию и выделяющие в окружающую среду загрязняющие вещества в виде выбросов в атмосферный воздух, сбросов сточных вод в водные объекты и в виде отходов производства и потребления, которые подлежат размещению, утилизации или обезвреживанию. Конкретные источники эмиссий — это предприятия, осуществляющие инвентаризацию выбросов/сбросов загрязняющих веществ, отходов и специальный учет эмиссий (производственный экологический контроль) от источников негативного или любого техногенного воздействия. На основании указанного учета эмиссий по предприятиям отрасли и была выполнена оценка текущих уровней эмиссий в окружающую среду и потребления ресурсов [61].

Основными видами воздействия на окружающую среду, связанными с производством извести, являются потребление природных ресурсов, энергии и загрязнение атмосферного воздуха продуктами разложения карбонатной породы и горения различных видов топлива. Процессы дробления, измельчения, гидратации полученной извести связаны с существенным потреблением энергии и являются источниками выбросов в атмосферу твердых частиц (известковой пыли).

Выбор эффективно работающего оборудования, оптимальных режимов работы основного и вспомогательного оборудования, качественного сырья и топлива, автоматизация технологических процессов определяют энергоэффективность, ресурсосбережение и экологические показатели производства извести.

3.1 Потребление материальных ресурсов

3.1.1 Обжиг

В качестве сырья для производства извести используются карбонатные породы с содержанием CaCO₃ + MgCO₃ от 84 до 98%. Количество известняка/мела/доломита, используемого на одну тонну извести, зависит от:

• качества породы (физико-химических параметров);
• качества получаемой извести (степени обжига);
• количества потерь при загрузке, выгрузке из печи, пылеуноса с дымовыми газами;
• влажности.

Наибольший удельный расход карбонатного сырья приходится на печи, работающие на меле, в данных породах высокое содержание влаги, низкая прочность, что влечет за собой потери при его подготовке к обжигу и в процессе обжига. Удельный расход карбонатного сырья при обжиге на основе сбора данных анкет предприятий производителей извести приведен в таблице 3.1. Большие значения относятся к получению извести 1-го сорта с содержанием CaO + MgO >= 90%, меньшие — 3-го сорта с содержанием CaO + MgO 70% — 79%.

Таблица 3.1

Удельный расход карбонатного сырья при обжиге

Величина пылеуноса зависит от подготовки сырья к обжигу. На многих российских предприятиях перед подачей известняка/мела/доломита в печь отсевают фракции ниже нижнего предела (кроме длинных вращающихся печей по мокрому способу). Это улучшает процесс обжига в печи, снижает пылеунос и теплопотери, связанные с ним. Количество уносимой из печи пыли зависит от типа печи и прочности сырья. Показатели потерь в процентах от общей массы загружаемого в печь материала приведены в таблице 3.2. Данные взяты из ежегодных отчетов предприятий по производству извести.

Таблица 3.2

Показатели потерь в процентах от общей массы загружаемого в печь материала

3.1.2 Гидратация извести

Гидратация извести идет с выделением тепла и образованием водяного пара.

CaO + H₂O = Ca(OH)₂ + 67 кДж/моль

В соответствии с химической реакцией для гашения 1 кг CaO теоретически необходимо 0,321 кг H2O. Гидратация — процесс экзотермический, идет с выделением тепла, под воздействием которого часть воды расходуется на образование пара. На производство гашеной извести (пушонки) влажностью до 0,5% расходуется 0,44 — 0,6 т воды на одну тонну извести. При гашении воздушной извести в пушонку происходит увеличение объема последней в 2 — 3,5 раза. Выделяющееся при гидратации CaO тепло вызывает интенсивное парообразование. Образующийся пар разрыхляет известь, превращая ее в тонкий порошок с размером частиц около 6 мкм. При гашении 1 тонны негашеной извести получается около 1,3 тонны гидратной извести [13].

3.2 Энергетические ресурсы

Процесс декарбонизации известняка/доломита/мела — эндотермический, идет с потреблением значительного количества энергии. В себестоимости производства извести более половины расходов составляют затраты на электроэнергию и топливо.

Теоретически на производство 1 т извести используется в среднем 3,2 ГДж тепла. Доломитовые известняки обжигаются при более низких температурах, следовательно, количество потребляемого тепла ниже на 5 — 10% и теоретически составляет 2,95 ГДж [13].

3.2.1 Расход топлива

Потребление топлива в процессе обжига зависит от следующих факторов:

• качества используемого топлива;
• типа и конструкции печи;
• типа и конструкции горелочного устройства;
• степени диссоциации известняка/доломита/мела (степени обжига);
• гранулометрического состава сырья;
• потерь обжигаемого материала (пылеунос, просыпи);
• влажности;
• использования энергосберегающей футеровки.

Удельный расход теплоты и условного топлива для получения извести 2-го сорта с содержанием CaO + MgO равным 80% приведен в таблице 3.3.

Таблица 3.3

Удельный расход тепла и условного топлива для получения извести

Таблица 3.4

Удельное потребление ресурсов в отрасли при производстве извести (по данным анкетирования)

Удельный расход условного топлива при производстве извести с содержанием активных CaO + MgO, отличающимся в ту или другую сторону от 80%, определяется по формуле:

q\text{ф } = \frac{qoA\text{ф}}{80} \text{кг}/\text{кг},

где qo — удельный расход условного топлива на получение извести с содержанием активных CaO + MgO, равным 80%;

Aф — фактическое содержание активных CaO + MgO, % [40].

Удельный расход тепла отличается от теоретического (п. 3.2). Это связано с потерями тепла с отходящими дымовыми газами, потерями тепла с пылеуносом, потерями тепла через корпус печи. С учетом затрат энергетических и материальных ресурсов мокрый способ получения извести в длинных вращающихся печах наиболее негативно влияет на окружающую среду. В данных печах использование воды для пульпы требует большего расхода топлива на процесс ее испарения. В длинных вращающихся печах и вращающихся печах с шахтными подогревателями увеличение расхода топлива происходит из-за потерь тепла с большими объемами отходящих газов, уносимыми твердыми частичками, потерь тепла через корпус печи в зоне работы горелок. Для сравнения, в шахтной печи при получении 1 тонны извести образуется около 3000 м3 отходящих газов, в длинных вращающихся печах образуется 4000 — 5000 м3 газов. Особое значение имеет футеровка печи. Она выполняет функцию уменьшения потерь тепла через корпус и функцию уменьшения воздействия высоких температур на корпус печи. В обжиговых печах футеровка служит и термоаккумулятором, обеспечивающим оптимальный режим обжига (плавное нарастание температуры), а также инфракрасным излучателем, равномерно прогревающим зону обжига. Футеровка шахтных печей должна состоять из двух слоев: внутреннего (огнеупорного) и наружного (теплоизоляционного). Внутренний слой футеровки должен обладать высокой механической прочностью на истирание и стойкость к воздействию температур и окислов. Теплоизоляционный слой футеровки должен обладать достаточными теплоизоляционными свойствами, чтобы потери тепла в окружающую среду через наружные стенки шахты не превышали 125 кДж/кг извести. Для футеровки зоны обжига вращающихся печей применяют хромомагнезитовые или магнезитохромитовые кирпичи. Температура корпуса снаружи не должна превышать 300 °C [13], [40].

3.2.2 Расход электроэнергии

Обжиг

Расход электроэнергии при обжиге складывается из энергопотребления скиповых подъемников, приводов печей, приводов холодильников, дымососов, очистительного оборудования, погрузочно-разгрузочных транспортеров.

Удельный расход электроэнергии на производство 1 т извести печами разного типа (конструкции) приведен в таблице 3.5.

Таблица 3.5

Удельный расход электроэнергии на производство 1 т извести (по данным анкетирования)

Дробление и измельчение извести

Энергопотребление при помоле и измельчении зависит от двух главных факторов:

• размера получаемой фракции;
• типа помольного оборудования, классифицирующего оборудования.

Так, при дроблении извести до размера 10 — 20 мм, энергопотребление составляет 1,2 — 4 кВтч на тонну готового продукта, при измельчении до фракции менее 1 мм — 10 — 50 кВтч/т. Данные взяты из данных предприятий по производству извести.

Гидратация (гашение) извести

Энергопотребление при работе гидраторов по разным предприятиям составляет от 5 — 30 кВт на 1 т негашеной извести. Данные приведены в таблице 3.6.

Таблица 3.6

Удельный расход материалов, электроэнергии на 1 т гидратной извести при разных способах получения

Производство извести характеризуется наличием организованных и неорганизованных выбросов загрязняющих веществ, к которым относятся пыль, оксид углерода (CO), оксиды азота (NOx), диоксид серы (SO2).

При этом CO и NOx характеризуют технологию обжига, параметры работы обжиговой печи, качество топлива, работу газовых горелок, SO2 характеризует физико-химические свойства топлива и сырья, уровни выбросов пыли — качественную работу очистного оборудования.

Классификация выбросов загрязняющих веществ производства извести приведена в таблице 3.7.

Таблица 3.7

Классификация выбросов

Характерные для обжиговых печей эмиссии в атмосферу приведены в таблице 3.8.

Таблица 3.8

Характерные эмиссии в атмосферу

Распоряжением Правительства Российской Федерации от 8 июля 2015 г. № 1316-р [63] углерода оксид, серы диоксид, азота оксид, азота диоксид, взвешенные вещества определены как загрязняющие вещества (ЗВ) в выбросах в атмосферу. Они являются значимыми в выбросах в атмосферу при производстве извести и являются маркерными веществами.

Основанием считать ЗВ маркерным является:

• присутствие этого вещества в сырье и топливе или его образование в технологическом процессе;
• присутствие ЗВ в эмиссиях постоянно;
• присутствие ЗВ в значимых количествах;
• доступность количественного определения ЗВ в эмиссиях в окружающую среду.

Выбросы оксида углерода СО характеризуют оптимальность выбора параметров работы обжиговой печи (соотношение «топливо-воздух»), увеличение удельных выбросов оксида углерода указывает на неполное горение топлива в печи, следовательно, увеличение расхода топлива на тонну производимой извести. Показателем, связанным с излишней подачей воздуха в печь, является увеличение удельных выбросов оксидов азота NO + NO2. Образующийся в печи диоксид серы SO2 характеризует физико-химические свойства используемого топлива и сырья. Показатели выбросов взвешенных веществ (пыль известковая) показывают качественную работу очистительного оборудования, правильную организацию экологического менеджмента.

Показатели предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ, характеризующих производство извести, приведены в таблице 3.9.

Таблица 3.9

Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ [31], [36], [37], [38]

Состав загрязняющих атмосферу веществ и их концентрация зависят от:

• химического состава карбонатной породы;
• вида используемого топлива;
• типа печи и параметров ее работы;
• качества работы очистного оборудования.

Известняки/мел/доломиты являются достаточно чистыми породами. Содержание в них примесей серы, хлора, тяжелых металлов, органических соединений очень низкое. Результаты исследований известняков и мела на содержание тяжелых металлов, проведенные предприятием — производителем извести, приведены в таблице 3.10.

Таблица 3.10

Содержание тяжелых металлов в известняках и меле

Одним из основных факторов, определяющих состав выбросов в атмосферу, является вид и качество используемого топлива. При производстве извести используют каменный уголь, кокс, природный газ, коксовый газ, мазут. Выбор топлива зависит от доступности, от целей дальнейшего использования полученной извести и отходящих газов. Около 70% известковых печей в России работают на природном газе. Металлургические заводы, производящие известь для своих технологических процессов и имеющие свое коксохимическое производство, используют коксовый газ.

Известковые печи, работающие в сахарной промышленности, производстве соды, используют твердое топливо. При сжигании твердого топлива концентрация CO2 в отходящих газах выше, чем при сжигании газообразного топлива. Отходящие газы после прохождения очистки от взвешенных частиц используются в последующих технологических процессах.

Виды топлива и продукты их сжигания приведены в таблице 3.11 [41].

Таблица 3.11

Виды топлива и продукты их сжигания

При выборе печи учитывают следующие факторы:

• возможность обжига в печи данной конструкции карбонатных пород с имеющимся гранулометрическим составом;
• возможность получения извести определенной степени обжига и реакционной способности.

Параметры технологического процесса подбирают так, чтобы обеспечить минимальный расход топлива и максимальный обжиг известняка/доломита/мела. Коэффициент избытка воздуха, требуемого для полного сгорания топлива во вращающихся и шахтных известковых печах, равен 1,15 — 1,25, а в шахтных пересыпных печах 1,05 — 1,15. Коэффициент избытка воздуха перед дымососными установками вращающихся печей составляет:

• для длинных печей, работающих по мокрому способу, — 1,6 — 1,8;
• для вращающихся печей с запечным подогревателем сырья — 1,4 — 1,5 [40].

Температурный профиль в печи определяется соотношением газовой составляющей и твердого материала и влияет на содержание NO2, NO, CO в выбросах в атмосферу.

Обжиговые печи, дробильное, измельчающее оборудование и гидраторы комплектуются пылеуловителями и пылесборниками. Методы очистки печных газов от пыли подразделяются на следующие виды:

• механическая очистка, при которой частицы осаждаются под действием силы тяжести, инерционных, центробежных сил в пылевых камерах, циклонах;
• фильтрование, при котором газы продуваются через тканевые (рукавные) фильтры;
• электрическая очистка, при которой взвешенные в газовом потоке частички осаждаются под воздействием электромагнитного поля высокого напряжения в электрических фильтрах;
• мокрая очистка, при которой запыленный поток пропускают через слой жидкости или орошают потоком жидкости в скрубберах и пенных аппаратах.

На российских предприятиях по производству извести установки, применяемые для улавливания загрязняющих веществ, двух- или трехступенчатые. В качестве первой ступени применяется пылевая камера, в качестве второй ступени — циклоны, в качестве третьей ступени — рукавные фильтры/электрофильтры. Компоновка систем осуществляется по разомкнутой системе, запыленный поток проходит аппараты всех ступеней очистки, а затем выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Для процесса гашения извести используют мокрые скрубберы и мешочные фильтры. Выбор очистного оборудования зависит от конструкции печи и используемого топлива [25], [42], [43].

3.3.1 Пыль. Источники выбросов пыли

Обжиг

Пыль (твердые частицы) в известковых печах образуется при движении материала по печи, при растрескивании известняка в процессе диссоциации и в зоне охлаждения. Эта пыль состоит из частично обожженного известняка, активной извести, зольных остатков (при использовании твердого топлива). Обычно содержание активных CaO + MgO в этих выбросах составляет 3 — 28%. Количество образующейся пыли зависит от:

• гранулометрического состава материала;
• физико-механических свойств карбонатной породы;
• вида и типа охлаждающего оборудования;
• зольности твердого топлива.

Наличие мелких частиц в обжигаемом материале ухудшает процесс обжига, ведет к потерям тепла с уносимой пылью, ведет к снижению выхода готового продукта.

Твердость известняка по шкале Мооса — 3, мел мягче известняка, более прочными являются доломиты. Истираемость этих пород при движении в печи — более 2%. При выборе типа печи учитывают прочность материала. Так, при использовании пород с пределом прочности более 10 МПа рекомендуются шахтные печи. Для карбонатных пород с пределом прочности менее 10 МПа рекомендованы длинные вращающиеся печи, работающие по сухому и мокрому способу. Обожженная известь из вращающихся печей охлаждается в барабанных или шахтных холодильниках. Наибольшее количество пыли образуется в барабанных холодильниках. При вращении в них известь пересыпается и измельчается.

Все отходящие газы проходят очистку от пыли. Пылевые камеры устанавливаются после печи, улавливают крупные частички пыли. Их действие основано на использовании силы тяжести. Степень очистки по данным российских предприятий составляет 40 — 60%.

Циклоны, батарейные циклоны улавливают частички размером до 500 мкм, которые падают под действием центробежных сил. Коэффициент пылеулавливания в циклонах — 76 — 85%. Их используют для предварительной очистки перед электрофильтрами и рукавными фильтрами, которые улавливают частицы размером 1 — 5 мкм и имеют степень очистки при правильной технической эксплуатации 99,9% (см. таблицу 3.12). На многих предприятиях работает двух- или трехступенчатая система очистки отходящих газов [23], [24].

Таблица 3.12

Степень очистки неорганической пыли различными методами

Предельная допустимая концентрация неорганической пыли с содержанием SiO2 до 20% в выбросах в атмосферу составляет 0,5 мг/м3 [37].

Дробление и измельчение извести

На большинстве российских предприятий при дроблении и помоле извести используют воздушные классификаторы, сепараторы. Готовый продукт удаляется потоком воздуха, который затем очищается в скрубберах, циклонах и рукавных фильтрах. Содержание пыли в таком воздухе по данным предприятий до очистки достигает 8 г/м3. В зависимости от типа очистного оборудования уровень пылевыбросов составляет 10 — 50 мг/м3. На 1 т произведенной продукции образуется 1,2 — 1,6 кг пыли, которая собирается и, в зависимости от качества, подается снова на классификацию или в готовый продукт.

Гидратация

Известковая пыль, образующаяся при гидратации извести, тонкодисперсная. Учитывая особенности процесса гашения, где в воздухе наряду с пылью присутствуют пары воды, используют мокрые скрубберы и рукавные фильтры. На производство 1 т гашеной извести используется около 800 м3 воздуха. Содержание пыли в таком воздухе составляет по эксплуатационным показателям до 2 г/м3, что в пересчете на 1 т произведенной гидратной извести составляет 1,6 кг/т. Выбросы в атмосферу после мокрых скрубберов составляет 10 — 20 мг/м3 [24].

Вспомогательные процессы

Предварительное дробление, грохочение, транспортировка, отгрузка, хранение извести являются источниками выбросов пыли. Эти места укрываются, оснащаются очистительным оборудованием, воздух перечисленных мест проходит через рукавные фильтры. Собранная пыль, в зависимости от качества, возвращается в техпроцесс или в готовый продукт. При отгрузке извести вагонами и автотранспортом используют мягкие загрузочные рукава, которые соединены с пылесборниками.

В результате анкетирования предприятий по производству извести, были собраны данные по выбросам взвешенных веществ (пыли) в атмосферный воздух. Удельные величины выбросов приведены на основании данных форм федерального статистического наблюдения (таблица 3.13).

Таблица 3.13

Удельные выбросы взвешенных веществ (пыли)

3.3.2 Оксиды азота

При сжигании топлива вся масса топлива превращается в отходы, при этом продукты сгорания превышают массу топлива за счет включения кислорода и азота воздуха. Выбросы оксидов азота в атмосферу по данным Росприроднадзора за последние три года составляли 11 — 16,3% в общей массе выбросов [55].

Расчет выбросов в соответствии с Методикой расчета рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе (п. 4.3), утвержденной приказом № 273 Минприроды РФ от 06.06 2017 г., производится с учетом химической трансформации в атмосфере NO в NO2. Химическая трансформация NO в NO2 начинается через 30 с после выброса из дымовой трубы и зависит от интенсивности солнечной радиации, температуры и других факторов метеоусловий. Под NOx понимают смесь оксидов NO и NO2, которые приводятся в пересчете на NO2:

NOx (в пересчете на NO₂) = 1,53NO + NO₂. При определении валовых выбросов оксидов азота (NOx) ориентируются на их значения, полученные эксплуатационным путем [44].

В процессе горения в основном образуется оксид азота NO (более 95%). Оксиды азота образуются при окислении азота воздуха под воздействием высоких температур в факеле сгорания топлива (термические) и азотосодержащих органических веществ, содержащихся в составе топлива (тепловые). Топливные окислы образуются при температурах выше 1000 °C, термические — при температурах выше 1500 °C, чем выше температура в зоне обжига, тем выше содержание NOx в отходящих газах. Высокотемпературный механизм окисления азота воздуха в зоне горения был описан Я.Б. Зельдовичем и считается основным механизмом образования оксидов азота (механизм Зельдовича). Прямые измерения показали, что NO образуются уже в начале зоны химических реакций. Образование NO по «быстрому механизму» связано с реакцией радикала CH, который присутствует только в начальной зоне разложения углеводородного топлива с азотом воздуха (механизм Фенимора).

Существующие технологические способы уменьшения образования NOx:

• снижение температуры факела;
• сокращение времени пребывания продуктов в зоне высоких температур;
• выбор топлива с низким содержанием азота.

В реальных условиях обжига концентрация NOx определяется условиями выгорания топлива, теплопередачи между факелом и нагреваемым материалом, конструктивных параметров горелочного устройства, количеством подаваемого избытка воздуха \alpha . Важным моментом является автоматизация контроля параметров обжига — температуры факела, подачи газа и избытка воздуха [45].

Для сжигания топлива во вращающихся печах характерна организация длиннофакельного горения ввиду необходимости обеспечить определенное время пребывания обжигаемого материала в зоне высоких температур.

Температура факела в длинных вращающихся печах и во вращающихся печах с запечным теплообменником достигает 1500 °C — 1600 °C. Вследствие теплопередачи температура печных газов высокая, это приводит к увеличению уровня термических окислов. Для мертво обожженного доломита и известняка высокой степени обжига требуется поддерживание этих температур, при этом выбросы NOx находятся в диапазоне 100 — 1200 мг/м3. Большие значения концентраций NOx характерны для процесса розжига печи. Величина оксидов азота, генерируемого из воздуха, определяется тепловыми и конструктивными параметрами топочного устройства, регулировкой сечения, типом и единичной производительностью горелки.

Температурный профиль шахтных печей отличается от вращающихся, обычно температура в зоне обжига менее 1400 °C. Короткое пламя в таких печах в сочетании с плохим перемешиванием способствует образованию оксидов азота с концентрацией 20 — 260 мг/м3. Количество выбрасываемых дымовых газов составляет 3000 м3 на 1 т извести. При содержании O2 11% выбросы NOx из таких печей составляют 0,06 — 0,76 кг на тонну извести [7].

Диоксид азота — токсичное вещество, красно-коричневый газ, с едким запахом, коррозионно активен, класс опасности в воздухе рабочей зоны — 3, ПДК — 2 мг/м3 [37], [38], [39], [46].

Азота оксид — бесцветный газ, без запаха, в воздухе окисляется до NO2.

Концентрация NO2 в воздухе 15 мг/м3 вызывает раздражение глаз, при попадании в легкие соединяется с гемоглобином крови и вызывает отеки легких, астму, бронхит. Порог запаха — 0,2 мг/м3. Более 95% оксидов азота попадают в атмосферу с продуктами сгорания топлива. При соединении с водой образуется азотная кислота, что может являться причиной кислотных дождей. Рекомендованные ВОЗ критерии по NO2: 40 мг/м3 — среднегодовая концентрация; 200 мг/м3 — для экспозиции за 1 ч [33], [34].

Уровни выбросов оксидов азота в пересчете на 1 т произведенной извести (по данным анкетирования) приведены в таблице 3.13.

Таблица 3.13

Уровни выбросов окислов азота в пересчете на 1 т произведенной извести

3.3.3 Диоксид серы

Оксид серы SO2 — стабильный продукт высокотемпературного горения.

Источниками образования SO2 являются:

• топливо (уголь, мазут, природный газ);
• известняки/доломиты, содержащие серу.

Основным оксидом серы, образующимся при горении, является диоксид SO2. Дальнейшее превращение SO2 в SO3 может происходить в атмосфере, скорость мала. Эти оксиды рассеиваются посредством высоких дымовых труб, впоследствии соединяясь с влагой, содержащейся в воздухе, становятся причиной кислотных дождей.

SO2 — бесцветный газ с резким запахом. Действует на дыхательную систему и функции легких, вызывает раздражение глаз. Оксиды серы токсичны и коррозионно активны. Образуют в атмосфере аэрозоль серной кислоты. При вдыхании такого воздуха появляются насморк, кашель, охриплость, першение в горле и своеобразный привкус. Отравление сернистым газом вызывает удушье, расстройство речи, затруднение глотания. ПДКм.р. составляет 0,5 мг/м3, ПДКср.с. — 0,05 мг/м3, ПДК в рабочей зоне — 10 мг/м3 [36], [37].

Рекомендованные ВОЗ критерии по SO2:

• среднесуточная — 20 мг/м3;
• средний уровень экспозиции за 10 мин — 500 мг/м3.

Сера в топливе.

По справочным данным угли, используемые при обжиге, содержат серы: низкосернистые — 0,1 — 1,5%; среднесернистые — 1,5 — 2,5%; сернистые — 2,5 — 4%; высокосернистые — > 4%.

Мазуты: малосернистые — 0,5 — 1,0%; сернистые — 2,0%; высокосернистые — 2,0 — 3,5% [9].

В российских природных газах содержание серы по ГОСТ 5542-2014 - не более 0,036 мг/м3 (фактически в пределах 0,0016 г/м3), содержание сероводорода H2S составляет 0,020 мг/м3 (фактически — 0,001 мг/м3). Не вся сера, содержащаяся в топливе, уносится с отходящими газами. В обжиговых печах происходит абсорбция большей части оксидов серы активной негашеной известью с образованием сульфата кальция [7].

Сера в известняке/доломите/меле.

Сера в известняках и доломитах содержится в основном в виде сульфата кальция (CaSO4). Его содержание в известняках/доломитах/меле, используемых в производстве извести, по месторождениям составляет 0 — 0,2%, в пересчете на 1 т производимой извести — 0 - 0,1%. Сера в данном соединении не влияет на концентрацию в отходящих газах, так как оно практически не разлагается при данных температурах.

Для шахтных печей характерен эффективный контакт между газовой средой печи и негашеной известью, что приводит к интенсивной абсорбции оксидов серы. Образующийся при этом сульфат кальция влияет на время гашения извести. Оно составляет 6 — 20 мин. Такая известь пригодна для производства газосиликата. Анализ отходящих газов печей, использующих твердое топливо с содержанием серы до 1%, показал концентрацию оксидов серы 53 — 400 мг/нм3. В пересчете на 1 т извести выбросы в атмосферу из таких печей составляют 0,16 — 1,2 кг/т.

Анализ отходящих газов вращающихся печей с запечным теплообменником, работающих на природном газе и использующих известняк с содержанием до 0,07% CaSO4, показал выбросы оксидов серы 0,012 — 0,03 мг/нм3. Исходя из образования в печах такого типа отходящих газов 4000 — 4200 нм3/т продукции (при условии O2 равном 11%) удельный выброс SO2 составляет 0,048 — 0,12 кг/т извести.

В длинных вращающихся печах производится низкосернистая известь, большая часть серы топлива в восстановительной атмосфере возгоняется и выносится с отходящими газами. При использовании в качестве топлива природного газа выбросы диоксида серы составляют 15 — 50 мг/нм3.

Выбросы диоксида серы по типам печей и по виду используемого топлива по данным анкет предприятий — производителей извести приведены в таблице 3.14.

Таблица 3.14

Выбросы диоксида серы по типам печей и по виду используемого топлива

3.3.4 Оксид углерода

В процессе обжига известняков/мела/доломитов образуются диоксид углерода (углекислый газ CO2) и оксид углерода (угарный газ CO).

Оксид углерода — вещество с остронаправленным механизмом действия, требующее автоматического контроля за его содержанием в воздухе. ПДК оксида углерода в воздухе рабочей зоны — 20 мг/м3. При длительности работы в атмосфере, содержащей оксид углерода, не более 1 ч предельно допустимая концентрация оксида углерода может быть повышена до 50 мг/м3, при длительности работы не более 30 мин — до 100 мг/м3, при длительности работы не более 15 мин — 200 мг/м3. Повторные работы при условиях повышенного содержания оксида углерода в воздухе рабочей зоны могут проводиться с перерывом не менее, чем в 2 ч [36], [37].

Одним из источников эмиссии CO в атмосферу являются предприятия по производству извести. Оксид углерода в атмосфере окисляется кислородом воздуха до CO2, процесс идет медленно, среднее время пребывания CO в воздухе составляет 6 мес. Измерения оксида углерода в отходящих газах производятся у основания дымовой трубы. Наличие CO в отходящих газах указывает на нарушение технологических режимов работы печи, в первую очередь на недостаток кислорода.

Оксид углерода в процессе горения углеродосодержащих веществ, в основном органического топлива, образуется при неполном горении топлива. На эффективность горения влияет коэффициент избытка воздуха \dot{\alpha} , который приводится в технологических регламентах для каждого типа печи.

2C + O2 -> 2CO

CH₄ + O₂ -> CO₂ + 2H₂O + CO + C.

Шахтные печи

Причинами неполного горения могут быть неравномерное распределение воздуха, неправильная дозировка топлива и его неравномерное распределение по шихте, плохое перемешивание топлива с воздухом, понижение температуры в отдельных частях зоны обжига. При послойной загрузке известняка и топлива в шахтных печах увеличение концентрации CO объясняется повышением температуры в зоне горения топлива из-за отсутствия отбора тепла на разложение известняка/доломита и ростом восстановительной реакции:

CO2 + C = 2CO.

С ростом температуры растет и скорость этой реакции. Измерения концентраций CO в выбросах в атмосферу из печей такого типа показали 1000 — 2500 мг/м3, а некоторые значения достигали 2900 мг/м3. Исходя из образования отходящих газов в количестве 3000 нм3 на 1 т извести, выбросы CO могут составлять 7,3 — 8,9 кг/т [7].

Вращающиеся печи

Полнота сгорания топлива во вращающихся печах обеспечивается оптимизацией подготовки и подачи топлива, смешиванием с воздухом. Режимные карты работы печей регламентируют содержание O2 в отходящих газах соответственно коэффициенту избытка воздуха. Выбросы CO в таких печах кратковременно повышаются при технологических остановках печей, когда выключаются циклоны и фильтры. Проведенные инструментальные измерения CO в отходящих газах таких печей показали содержание 50 — 350 мг/м3, в пересчете на 1 т извести 0,2 — 1,4 кг/т для вращающихся печей с запечным теплообменником и 0,3 — 8 кг/т для длинных вращающихся печей. Удельный выброс оксида углерода на основе сбора данных с предприятий отрасли приведен в таблице 3.15.

Таблица 3.15

Удельный выброс CO для разных видов известковых печей

Оксид углерода — бесцветный газ, без запаха и вкуса, способен диффундировать через перегородки, стены, слои почвы. Химически малоактивен, но обладает специфической способностью связываться с гемоглобином крови. Предельно допустимая концентрация в атмосферном воздухе CO — 5 мг/м3 [37], [39].

Рекомендуемые ВОЗ критерии по CO:

100 мг/м3 — за 15 мин;

60 мг/м3 — за 30 мин;

30 мг/м3 — за 1 ч;

10 мг/м3 — за 8 ч;

7 мг/м3 — за 24 ч [26].

3.3.5 Полихлорированные дибензо-n-диоксины и дибензофураны (ПХДД и ПХДФ)

Эмиссии ПХДД и ПХДФ в окружающую среду — результат комбинированных механизмов формирования хлоридов и фторидов в зависимости от типа печей, условий обжига, характеристики топлива, типа и работы газоочистительного оборудования. Образуются непреднамеренно при взаимодействии ионов хлора и фтора с активным углеродом. Выбросы в атмосферу происходят при одновременном наличии:

• хлоридов в сырье и топливе (уголь, отходы);
• углеводородов, катализаторов в сырье;
• соответствующего температурного режима между 200 — 450 °C с максимальным значением образования ПХДД/ПХДФ при температурах 300 — 325 °C;
• длительного пребывания в температурном диапазоне.

ПХДД и ПХДФ — стойкие вещества в окружающей среде и могут перемещаться между средами (например, поступать в воду из почвы).

Факторы эмиссии для производства 1 т извести: без системы очистного оборудования — 10 мкг ТЭ/т (ТЭ — токсический эквивалент); производство извести с использованием системы пылеулавливания — 0,07 мкг ТЭ/т.

По имеющимся данным международных и европейских организаций, проводивших измерения ПХДД/ПХДФ известкового производства, составляет весьма малую долю выбросов. В таблице 3.16 приведены средние значения выбросов для печей стран ЕС [7].

Таблица 3.16

Средние значения выбросов ПХДД и ПХДФ для печей стран ЕС [7]

Российская Федерация 22 мая 2002 г. подписала Стокгольмскую конвенцию по стойким органическим загрязнителям, в число которых входят ПХДД и ПХДФ, 27 июня 2011 г. ратифицировала на основании ФЗ № 164. Конвенция предусматривает постепенную минимизацию и, по мере возможности, окончательное прекращение непреднамеренно продуцируемых диоксинов и фуранов.

ПДК для ПХДД и ПХДФ:

• в атмосферном воздухе — 0,5 пг/нм3;
• в выбросах — 0,1 пг/нм3;
• в поверхностных водах, местах водозабора — 1 пг/нм3;
• в почве — 0,33 нг/нм3.

Допустимая суточная доза — 10 пг/кг массы тела человека [24].

3.3.6 Общий углерод

В выбросах в атмосферу известковых печей содержится аморфный углерод (сажа) — продукт неполного сгорания и термического разложения углеводородов. Образуется так называемый черный углерод при сжигании всех видов твердого топлива, продуктов нефти, природного газа. Сажа в виде аэрозоля выносится из печи, частично улавливается циклонами. В атмосфере сажа поглощает солнечное излучение, превращая ее в тепловую.

В диапазоне температур 700 — 800 °C на границе зоны обжига и зоны подогрева образуется полициклический углеводород бенз(а)пирен (C2OH16). Сажа способна адсорбировать бенз(а)пирен, в результате чего ее частицы приобретают канцерогенные свойства. Количество выброшенного углерода и бенз(а)пирена зависит от улавливающей способности сухих циклонов. По данным предприятий бенз(а)пирен в выбросах вращающихся печей составляет 0,02 — 0,46 мг/т, в выбросах шахтных печей на твердом топливе составляет 0,1 — 2,6 мг на 1 тонну извести. Наибольшее количество углерода образуется при использовании твердого топлива. При слоевом сжигании твердого топлива в шахтных пересыпных печах при нарушении топливного режима, в период загрузки угля, в процессе горения в зоне восстановления происходит выброс продуктов неполного сгорания, в том числе и сажи. При сжигании жидкого топлива в дымовых газах образуются крупнодисперсные липучие частицы сажи, состоящие из углерода. По данным анкет производителей извести в выбросах шахтных печей, использующих твердое топливо, содержится углерода 1,3 — 1,6 мг/м3, в выбросах длинных вращающихся печей менее 0,3 мг/м3.

Выброс органического углерода связан с содержанием органических веществ в карбонатных породах, используемых для получения гидравлической извести. Содержание органического материала в таких породах — 2 - 5%, выброс органического углерода составляет по данным европейских производителей гидравлической извести 0,46 — 1,66 г/м3 [7].

Углерод в соответствии с классификацией СанПиН 1.2.3685-21 относится к 3-му классу опасности. Предельно допустимые концентрации углерода в атмосферном воздухе:

• максимальная разовая — 0,15 мг/м3;
• среднесуточная — 0,05 мг/м3.

3.3.7 Хлористый водород (HCl). Фтористый водород (HF)

Содержание в отходящих газах хлористого водорода и фтористого водорода незначительно ввиду их низкого содержания в обжигаемом материале и топливе. В процессе обжига хлориды и фториды связываются с образовавшейся известью.

CaO + 2HCl = CaCl2 + H2O

CaO + 2HF = CaF2 + H2O

Периодические анализы дымовых газов печей, обжигающих мел и известняк, показали содержание в них HCl — 0,3 — 5 мг/м3, HF — менее 1 мг/ м3. Содержание хлористого водорода в доломитах выше, чем в известняках и меле. По данным анкет предприятий, обжигающих доломиты, выбросы в дымовых газах HCl составляют 21 — 47 мг/м3, HF — от 1 до 2,2 мг/м3.

По ГН 2.1.6.1338-2003 HCl и HF относятся к 2-му классу опасности.

ПДК максимальная разовая для HCl — 0,2 мг/м3, для HF — 0,02 мг/м3; среднесуточная ПДК для HCl — 0,1 мг/м3, для HF — 0,005 мг/м3.

3.3.8 Парниковые газы

Целью Федерального закона от 02.07.2021 г. № 296 «Об ограничении выбросов парниковых газов» [53] является создание условий для устойчивого и сбалансированного развития экономики Российской Федерации при снижении уровня выбросов парниковых газов. Федеральный закон устанавливает правовое регулирование отношений, связанных с ограничением выбросов парниковых газов, и принципы ограничения выбросов парниковых газов.

Ограничение выбросов парниковых газов осуществляется с соблюдением следующих принципов:

1. обеспечение устойчивого и сбалансированного развития экономики Российской Федерации при снижении уровня выбросов парниковых газов;

2. обязательность регулярного представления регулируемыми организациями отчетов о выбросах парниковых газов;

3. обязательность выполнения целевых показателей сокращения выбросов парниковых газов;

4. добровольность реализации климатических проектов;

5. научная обоснованность, системность и комплексность подхода к ограничению выбросов парниковых газов.

Парниковые газы — газы, которые поглощают и излучают лучистую энергию в тепловом инфракрасном диапазоне, вызывая парниковый эффект. Основными парниковыми газами в атмосфере Земли являются: углекислый газ CO2, водяной пар H2O, закись азота N2O, метан CH4, фторированные газы.

Парниковые газы (ПГ) делятся на два типа: вынужденные ПГ (CO₂, CH₄, N₂O, фторированные газы) и ПГ с обратной связью (H₂O).

Парниковые газы с обратной связью — водяной пар — существует в атмосфере несколько дней и является активным компонентом климатической системы. Изменение концентрации водяного пара в воздухе зависит от потепления, которое является результатом воздействия других парниковых газов. Выбросы вынужденных парниковых газов находятся в атмосфере много лет, они не реагируют на изменения температуры, давления воздуха. Антропогенные парниковые газы вызывают глобальное потепление и меняют климат Земли. Парниковая активность соединений выражается через так называемые «потенциалы глобального потепления» (ПГП). Это специальные коэффициенты, рассчитываемые для каждого газа, исходя из способности его молекул задерживать солнечную радиацию.

Парниковые газы в разной степени способствуют изменению климата, поэтому подсчитывать общий объем выбросов стали через сопоставимые им объемы углекислого газа CO2 — он обладает наименьшей парниковой активностью. За 100 лет одна тонна метана удерживает в атмосфере столько же тепла, сколько 25 тонн CO2, а тонна закиси азота (N2O) эквивалентна в этом отношении уже 298 тоннам CO2.

CO2-эквивалент — это условная единица, которую используют для оценки объемов выбросов парниковых газов (в том числе для расчета углеродного следа). Коэффициент ПГП введен в 1997 году Киотским протоколом [50].

«Стратегия социально-экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года» подготовлена для исполнения Указа Президента Российской Федерации от 4 ноября 2020 г. № 666 «О сокращении выбросов парниковых газов» и в целях реализации статьи 4 Парижского соглашения от 12 декабря 2015 г., подписанного Российской Федерацией 22 апреля 2016 г. [51].

Для реализации целевого (интенсивного) сценария Стратегии необходима реализация следующих мер:

• создание национальной системы содействия сокращению выбросов парниковых газов и поддержки устойчивого развития в рамках механизмов, предусмотренных статьей 6 Парижского соглашения;
• развитие системы публичной нефинансовой отчетности компаний;
• повышение энергетической и экологической эффективности в секторах экономики;
• доработка информационно-технических справочников по наилучшим доступным технологиям с учетом показателей энергоэффективности и ресурсоэффективности, перевод технологических процессов на наилучшие доступные технологии с низкими показателями выбросов парниковых газов и технологии нулевого воздействия на окружающую среду;
• оказание мер государственной поддержки в отношении внедрения технологий с низким уровнем выбросов парниковых газов;
• повышение доли использования вторичных энергетических ресурсов с низким уровнем выбросов парниковых газов;
• развитие устойчивого, в том числе «зеленого», финансирования;
• поддержка и распространение технологий улавливания, захоронения и дальнейшего использования парниковых газов [52], [53].

В Стратегии социально-экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года установлены показатели массы выбросов парниковых газов при инерционном и целевом (интенсивном) сценариях развития (см. таблицу 3.17).

Таблица 3.17

Показатели массы выбросов парниковых газов при инерционном и целевом (интенсивном) сценариях развития

Категорией источников выбросов парниковых газов являются производственно-технологические процессы, приводящие к возникновению выбросов парниковых газов в атмосферу и объединенные по признаку контроля со стороны организации.

Перечень категорий источников выбросов и парниковых газов, подлежащих обязательному учету в организациях, осуществляющих хозяйственную деятельность на территории Российской Федерации, приведен в приложении 1 Методических указаний и руководства по количественному определению объема выбросов парниковых газов организациями, осуществляющими хозяйственную и иную деятельность в Российской Федерации, утвержденных приказом Минприроды от 30.06.2015 г. № 300.

Количественное определение выбросов парниковых газов осуществляется с использованием методов, установленных для соответствующих категорий источников выбросов парниковых газов согласно приложению 2 указанных выше методических указаний. Для производства извести в данном приложении определен парниковый газ — диоксид углерода CO2 [50].

Диоксид углерода

Диоксид углерода (CO2) — парниковый газ. Содержание его в атмосфере — 0,0393 — 0,0397%. Углекислый газ составляет 76% от общей массы глобальных антропогенных выбросов. Количество выброшенного в атмосферу диоксида углерода квотируется.

CO2 в отходящих газах из обжиговых печей бывает двух видов:

• продукт разложения известняка/доломита/мела (производство извести);
• продукт горения топлива (стационарное сжигание топлива). Эти выбросы считаются отдельно.

Количественное определение выбросов CO2 от производства извести выполняется для отдельных обжиговых печей или по организации в целом одним из следующих методов:

• расчет выбросов CO2 на основе данных о расходе карбонатного сырья;
• расчет выбросов CO2 на основе данных о производстве извести.

Выбор метода количественного определения выбросов осуществляется организациями, исходя из доступности исходных данных для выполнения расчетов и обеспечения наилучшей точности результатов. Масса карбоната, израсходованного в обжиговой печи за отчетный период, определяется по результатам измерений (взвешивания) карбонатного сырья за вычетом содержания влаги и примесей. Значение коэффициента выбросов для карбоната принимается по таблице 6.1 приложения 2 к методическим указаниям или при отсутствии необходимых данных рассчитывается как стехиометрическое отношение молекулярной массы CO2 к молекулярной массе карбоната [50].

Степень кальцинирования карбоната определяется на основе фактических измерений содержания карбонатов в извести, отнесенных к общему количеству, израсходованных карбонатов за отчетный период, выраженных в тоннах, а при отсутствии фактических данных принимается для всего карбонатного сырья равным 1,0 (или 100%). Поправка (уменьшение) количества выбросов CO2 от производства извести, связанная с неполным кальцинированием карбонатов удаленных с известковой пылью и другими сопутствующими продуктами и отходами производства, осуществляется в случае, если в организации имеются фактические данные о степени кальцинирования карбонатов в составе известковой пыли и других сопутствующих отходах. В противном случае, степень кальцинирования известковой пыли принимается равной 1,0 (или 100%) [50].

Основные химические реакции в производстве извести:

CaCO₃ -> CaO + CO₂

При декарбонизации 1 т чистого CaCO₃ образуется 0,56 т CaO и 0,44 т CO₂. В пересчете на 1 т извести 0,44·100/56 = 0,785 т CO₂.

На 0,963 т CaO·MgO образуется 0,880 т CO₂, соответственно, на 1 т доломитовой извести выбрасывается 0,913 т CO₂. Это теоретические расчеты, в карбонатных породах содержание CaCO3 + MgCO3 84 — 98%, поэтому при изменении соотношения CaCO3 + MgCO3 необходимо сделать перерасчет. Чем выше степень обжига, тем больше выделяется CO2 [9].

Стационарное сжигание топлива — источник выбросов парниковых газов, включает выбросы CO2 в атмосферу, возникающие в результате сжигания всех видов газообразного, жидкого и твердого топлива в обжиговых печах для осуществления технологических операций.

Химические реакции сжигания топлива.

CH4 + 2O2 -> ₂H₂O + CO2 (полное горение природного газа)

CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + CO + C

C + O2 -> CO2 (полное горение твердого и жидкого топлива).

Количество CO2, выделяющегося при горении топлива, зависит от степени обжига материала (чем выше степень обжига, тем выше расход топлива), от полноты сгорания топлива. Выбросы диоксида углерода с учетом вида обжигаемого материала и расхода топлива на разных типах печей, представленные предприятиями Союза производителей извести, приведены в таблице 3.18. Большие значения соответствуют выбросам при получении извести с содержанием активных окислов кальция и магния более 90%, меньшие значения получаются при содержании активных окислов кальция и магния от 80%. Парниковые газы считаются отдельно от загрязняющих атмосферу веществ. Их показатели могут быть только индикативными. Для установления обоснованных индикативных показателей выбросов CO2 проводится бенчмаркинг.

Таблица 3.18

Индикативные показатели выбросов диоксида углерода с учетом вида обжигаемого материала и расхода топлива на разных типах печей

Бенчмаркинг — количественная оценка удельных выбросов парниковых газов, которая измеряется в тоннах эквивалента диоксида углерода на единицу произведенной извести.

Целью установления индикативных показателей является:

• установление целевых показателей углеродоемкости;
• определение национальных бенчмарков развития системы углеродных налогов или квот;
• обоснование проектов, претендующих на зеленое финансирование [45].

В сахарной промышленности и в производстве соды CO₂ дымовых газов используется в последующей технологической схеме, поэтому необходимо при расчетах учитывать эти показатели «поглощения».

Результаты отраслевого бенчмаркинга по выбросам CO2 за 2017 — 2020 гг. металлургических предприятий, производящих известь для собственного потребления, приведены в таблице 3.19 и на рисунках 3.1, 3.2, 3.3.

Таблица 3.19

Удельные выбросы CO2, т/т продукции

Рисунок 3.1 — Средние (за 2017 — 2020 гг.) показатели выбросов парниковых газов металлургическими предприятиями, производящих известь

ШПгаз — шахтная печь на природном газе; ВПЗТ — вращающаяся печь с запечным теплообменником; ДВПсс — длинная вращающаяся печь по сухому способу; ШПтв.топ. — шахтная печь на твердом топливе; ДВПмс — длинная вращающаяся печь по мокрому способу

Рисунок 3.2 — Индикативные показатели удельных выбросов CO2 (для известняка/мела)

ШПгаз — шахтная печь на природном газе; ВПЗТ — вращающаяся печь с запечным теплообменником; ДВПсс — длинная вращающаяся печь по сухому способу; ШПтв.топ. — шахтная печь на твердом топливе; ДВПсс — длинная вращающаяся печь по мокрому способу

Рисунок 3.3 — Индикативные показатели удельных выбросов CO2 (для доломита)

В тех случаях, когда производство извести входит в состав предприятия черной металлургии, объем выбросов CO2 от производства извести может определяться в совокупности с выбросами CO2 от других производств и источников металлургического предприятия [50].

Индикативные показатели выбросов парниковых газов показаны на рисунках 3.2 и 3.3.

3.4 Побочные продукты в производстве извести

Перед подачей в печь карбонатные породы подвергаются грохочению по нижнему размеру (кроме длинных вращающихся печей по мокрому способу). Отсев, полученный при этом, отправляется в дробильно-сортировочный цех, в дальнейшем используется для получения известняковой муки, в качестве наполнителя в строительных растворах, в цементном производстве для приготовления шихты.

В процессе обжига встречным потоком отходящих газов выносятся твердые частички обжигаемого известняка/доломита/мела. Они осаждаются в очистительном оборудовании: крупные — в пылевых камерах, скрубберах, более мелкие — в циклонах, рукавных фильтрах, электрофильтрах.

Частички пыли, собранные в пылевых камерах перед циклонами, имеют активность CaO + MgO 8 — 18%. Этот материал используется для отсыпки и укрепления дорог. Пыль, полученная после циклонов, электрофильтров, рукавных фильтров технологической линии обжига, имеет активность 12 — 28%, используется для раскисления почв, обеззараживания водоемов в рыбоводческих хозяйствах.

Известковая пыль, собранная в аспирационных системах при работе разгрузочно-загрузочных линий транспортировки готовой продукции, при классификации дробленой и молотой извести, по своим качествам соответствует товарной извести. Эта пыль возвращается в технологический процесс.

На предприятиях сахарной промышленности, производства соды известь отправляется из печи в гидратор для получения известкового молока. Непогасившиеся зерна из гидратора складируют на специальных площадках, в дальнейшем используются для строительных и дорожных работ.

3.5 Использование воды

Вода, используемая в производстве извести, циркулирует в замкнутых системах, и сбросов с предприятий в водные объекты не происходит. Вода в производстве извести используется:

• для промывки известняка, содержащего глину и песок;
• для добавления в шихту при мокром способе обжига;
• для охлаждения барабанных холодильников;
• для охлаждения горелок;
• для гашения извести в гидраторах.

При проектировании некоторых заводов была заложена операция промывки породы. На данный момент в известковом производстве эта операция не осуществляется. Вода, применяемая для охлаждения оборудования, является оборотной, после отстаивания в отстойниках, прошедшая очистку от твердых частиц и охлажденная в градирнях, возвращается в технологический процесс. Вода, используемая при мокром способе обжига и при гашении извести, не вносит вклад в образование сточных вод, она полностью испаряется на стадиях технологических процессов. В данное время для охлаждения горелок используются масла, которые тоже циркулируют в замкнутых линиях.

В технологических процессах производства извести промышленные сточные воды не образуются. Однако на таких предприятиях происходит образование хозяйственно-бытовых сточных вод: функционируют туалеты, душевые, столовые, комнаты отдыха, административные корпуса и др.

В тех случаях, когда предприятия по производству извести осуществляют очистку хозяйственно-бытовых сточных вод, образующихся на промплощадке, на собственных очистных сооружениях, они могут руководствоваться подходами, описанными в ИТС 8-2022 [62].

3.6 Шум

Шум является одним из наиболее распространенных неблагоприятных факторов производственной среды. Источниками шума при производстве извести являются:

• подача известняка/мела/доломита в печь, работа скиповых устройств;
• работа ленточных транспортеров, шнековых конвейеров;
• работа вращающейся печи и вращающегося холодильника;
• дымососы, вентиляторы, вытяжки;
• дробилки, мельницы, грохота, классификаторы, пневмотранспорт, вибраторы.

Длительное воздействие шума отрицательно влияет на слух человека, угнетает его нервную систему, способствует переутомлению, снижению производительности труда, возникновению сердечно-сосудистых заболеваний, приводит к возникновению профзаболеваний.

Для снижения шума на производстве необходимо создать препятствия для его распространения: закрытые здания, стены, перегородки, звукоизолирующие и звукопоглощающие кожуха для оборудования [18]. Средние значения уровня шума, измеренные на рабочих местах предприятий, входящих в состав Союза производителей извести, приведены в таблице 3.20.

Таблица 3.20

Средние значения уровня шума, измеренные на рабочих местах в цехе обжига

3.7 Экологический менеджмент

Достижение баланса между окружающей средой, обществом и экономикой — главная задача системы экологического менеджмента. Устойчивое развитие как цель достигается за счет баланса между тремя этими составляющими.

Ожидания общества в отношении устойчивого развития, прозрачности и подотчетности развивались наряду с ужесточением законодательства, растущим воздействием загрязнений на окружающую среду, неэффективным использованием ресурсов, неправильным управлением отходами, климатическими изменениями, деградацией экосистем и потерей биологического разнообразия. Системный подход к экологическому менеджменту дает в долгосрочной перспективе создание условий для устойчивого развития.

Ключевыми методами по ГОСТ Р ИСО 14001-2016 «Система экологического менеджмента. Требования и руководство по применению» являются:

• идентификация экологических аспектов производства;
• укрепление системы производственного экологического мониторинга и контроля;
• разработка и выполнение программ экологического контроля и достижения результатов;
• разработка и внедрение процедур, необходимых для обеспечения соответствия организации требованиям нормативов, установленных на основе технологических показателей.

Экологический менеджмент на предприятиях по производству извести предусматривает порядок проведения мероприятий с целью:

• обеспечения безопасной работы технологического оборудования;
• эффективное потребление сырья, материалов, топлива, электроэнергии;
• снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу;
• снижение образования отходов;
• организация водооборотных циклов;
• исключение случаев возникновения нештатных ситуаций с выбросами загрязняющих веществ.

Методы предотвращения загрязнений могут оказаться результативными и экономически выгодными. Это относится к методам изменения технологических решений — автоматизированный контроль производственных процессов, использование образующихся отходов, увеличение производительности оборудования. В соответствии с приказом Минприроды РФ № 871 от 19 ноября 2021 года «Об утверждении Порядка проведения инвентаризации стационарных источников и выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, корректировки ее данных, документирования и хранения данных, полученных в результате проведения таких инвентаризаций и корректировки» выбросы в атмосферу стационарных источников подлежат федеральному учету. Детализированные требования к технологическим показателям устанавливаются с учетом технологических показателей. Для производства извести показатели приведены в Нормативном документе в области охраны окружающей среды «Технологические показатели наилучших доступных технологий в производстве извести», документ утвержден приказом Минприроды РФ № 208 от 02.04.2019 г. [35], который подлежит актуализации в течение 6 месяцев с момента утверждения настоящего Справочника НДТ.

Производственный экологический контроль

Производственный экологический контроль (ПЭК) проводится с целью обеспечения наиболее безопасной работы технологического оборудования, соблюдения установленных нормативов выбросов, сбросов, образования отходов производства и потребления, выполнения требований природоохранного законодательства в сфере охраны окружающей среды, направленных на рациональное использование и восстановление природных ресурсов.

Программа производственного экологического контроля (программа ПЭК) определяет основные положения к организации и проведению ПЭК, обеспечивающие выполнение хозяйствующими субъектами требований природоохранительного законодательства и мероприятий по охране окружающей среды. ПЭК разрабатывается в соответствии с Приказом Минприроды России от 18.02.2022 г. № 109 «Об утверждении требований к содержанию программы производственного экологического контроля, порядка и сроков представления отчета об организации и о результатах осуществления производственного экологического контроля», ГОСТ Р 56061-2014 Производственный экологический контроль. Требования к программе производственного экологического контроля.

В соответствии со ст. 31.1 Федерального Закона № 453-ФЗ от 27.12.2019 г. ПЭК является неотъемлемой частью заявки на комплексное экологическое разрешение (КЭР) с обязательным утверждением ее регулятором при получении КЭР. Предприятия, осуществляющие хозяйственную и (или) иную деятельность на объектах I категории, обязаны получить комплексное экологическое разрешение.

Комплексное экологическое разрешение выдается на отдельный объект, оказывающий негативное воздействие на окружающую среду, на основании заявки, подаваемой в уполномоченный Правительством Российской Федерации федеральный орган исполнительной власти.

Заявка на получение комплексного экологического разрешения должна содержать следующую информацию:

• наименование, организационно-правовая форма и адрес (место нахождения) юридического лица или фамилия, имя, отчество (при наличии), место жительства индивидуального предпринимателя;
• код объекта, оказывающего негативное воздействие на окружающую среду;
• вид основной деятельности, виды и объем производимой продукции (товара);
• информация об использовании сырья, воды, электрической и тепловой энергии;
• сведения об авариях и инцидентах, повлекших за собой негативное воздействие на окружающую среду и произошедших за предыдущие семь лет;
• нормативы допустимых выбросов, нормативы допустимых сбросов высокотоксичных веществ, веществ, обладающих канцерогенными, мутагенными свойствами (веществ I, II класса опасности), при наличии таких веществ в выбросах, сбросах загрязняющих веществ;
• проект программы производственного экологического контроля.

Требования к программе производственного экологического контроля регламентированы законодательно в ст. 67 № 7-ФЗ [64]: согласно положениям закона, программа ПЭК должна содержать сведения:

• об инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух и их источниках;
• об инвентаризации сбросов загрязняющих веществ в окружающую среду и их источниках;
• об инвентаризации отходов производства и потребления и объектах их размещения;
• о подразделениях и/или должностных лицах, отвечающих за осуществление ПЭК;
• о собственных и/или привлекаемых лабораториях, аккредитованных в соответствии с законодательством РФ об аккредитации в национальной системе аккредитации;
• о периодичности и методах осуществления производственного экологического контроля, местах отбора проб и методиках (методах) измерений.

Производство извести относится к материало- и энергоемким процессам, связанным со значительными выбросами в атмосферу, кроме этого на окружающую среду могут воздействовать шум и вибрация. В настоящее время к I категории отнесены все предприятия производства извести с производительностью 50 тонн извести в сутки.

Регулярному наблюдению на предприятиях по производству извести подлежат:

• выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных организованных источников;
• выбросы загрязняющих веществ от неорганизованных стационарных источников (как правило, расчетный метод);
• содержание загрязняющих веществ на границе санитарно-защитной зоны предприятия;
• шумовое воздействие на границе санитарно-защитной зоны предприятия.

Ключевыми (значимыми) загрязняющими веществами, попадающими в атмосферу, являются пыль, оксиды азота и оксиды серы, углерода оксид. В очень незначительных количествах в воздух могут выбрасываться полихлорированные дибензодиоксины и дибензофураны, углерод, содержащийся в органических соединениях, металлы, хлористый и фтористый водород. Количество ЗВ зависит от вида используемых карбонатных пород и топлива, типа обжиговой печи.

В соответствии с Приказом Минприроды России от 18.02.2022 г. № 109 «Об утверждении требований к содержанию программы производственного экологического контроля, порядка и сроков представления отчета об организации и о результатах осуществления производственного экологического контроля» [65] в ПЭК должен быть представлен план-график проведения наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха с указанием измеряемых ЗВ, периодичности, мест и методов отбора проб, используемых методов и методик измерений для объектов, включенных в перечень, предусмотренный п. 3 ст. 23 Федерального закона № 96-ФЗ от 4 мая 1999 г. «Об охране атмосферного воздуха».

3.8 Энергетический менеджмент

Система энергетического менеджмента (СЭнМ) включает в себя организационную структуру, деятельность по планированию, распределение ответственности, практики, процедуры, процессы и ресурсы. Как и любая другая система менеджмента (менеджмента качества экологического менеджмента, менеджмента безопасности и охраны труда и др.), система энергетического менеджмента наиболее результативна в том случае, когда она органично встроена в общую систему менеджмента организации, а приоритет высокой энергетической эффективности присутствует в процессах принятия решений в компании. Достижение высоких показателей не зависит от того, является ли система энергетического менеджмента сертифицированной на соответствие российскому (ГОСТ Р ИСО 50001-2012) стандарту. Российское законодательство не требует обязательной сертификации систем энергетического менеджмента. Таким образом, решение о необходимости процедуры сертификации, хотя и дающей вполне определенную ценность независимой оценки внедренной системы и дополнительные инструменты ее совершенствования, остается на усмотрение каждого предприятия. Необходимо принимать во внимание, что любые методики и стандарты носят рекомендательный характер. Внедрение в конкретной организации всегда требует учета ее специфики. Преимущества применения инструментов энергоменеджмента проявляются при внедрении и поддержании функционирования системы энергетического менеджмента.

В состав СЭнМ входят следующие элементы:

• обязательства высшего руководства;
• разработка и принятие энергетической политики (политики в области энергоэффективности);
• организация учета и мониторинга, энергетические аудиты, определение базовой линии энергопотребления, использование методов визуализации и построение моделей, бенчмаркинг;
• планирование, в том числе выбор значимых энергопотребителей и энергетический анализ;
• установление целей и задач, показателей энергетической результативности (показатели удельного потребления энергоресурсов на единицу выпускаемой);
• определение возможностей для улучшений и формирование плана энергосберегающих мероприятий (программы энергосбережения) с оценкой их ожидаемой экономической эффективности по одному или нескольким параметрам (срок окупаемости, чистый доход, индекс рентабельности и т.д.);
• операционный контроль, критические операционные параметры и технические проверки;
• проектирование;
• закупки;
• внедрение энергосберегающих мероприятий с дальнейшим мониторингом последовательного повышения энергоэффективности, соблюдения требований процедур и пр., включая определение полученного энергосберегающего эффекта в сопоставимых условиях;
• проверки результативности, в том числе внутренние аудиты; оценка со стороны руководства; подготовка периодической декларации об энергоэффективности;
• обеспечение вовлеченности персонала, в том числе информирование, обучение и повышение квалификации; создание системы рационализаторских предложений; создание системы мотивации;
• разработка и соблюдение процедур, в том числе организационная структура; документирование и ведение записей.

Для предприятий решение о внедрении системы энергетического менеджмента должно приниматься на основании анализа текущей ситуации и определения приоритетных (реалистичных, позволяющих добиться значимого эффекта) направлений повышения эффективности использования энергии. При проведении такого анализа целесообразно использовать рекомендации относительно возможностей сокращения затрат энергии на всех этапах производства и ГОСТ Р 56828.23-2017 «НДТ Производство извести. Аспекты повышения энергетической эффективности» [56].

Раздел 4 Определение наилучших доступных технологий

В соответствии с определением, приведенным в статье 1 Федерального закона № 7-ФЗ от 10 января 2002 г. «Об охране окружающей среды» [64], наилучшая доступная технология — технология производства продукции (товаров), выполнения работ, оказания услуг, определяемая на основе современных достижений науки и техники и наилучшего сочетания критериев достижения целей охраны окружающей среды при условии наличия технической возможности ее применения. Это определение идентично определению, сформулированному в Директиве 2010/75/ЕС о промышленных эмиссиях — основном законодательном документе ЕС, устанавливающем обязательность применения НДТ для отраслей экономики, отнесенным к основным загрязнителям окружающей среды и характеризующимся значительным потреблением сырьевых и энергетических ресурсов при производстве [66].

Понятие «технологии» относится как к используемым технологиям производства, так и к способам проектирования, создания, обслуживания, управления, эксплуатации и вывода предприятий из эксплуатации.

Доступные технологии — это технологии, разработанные в масштабах, позволяющих их внедрить в соответствующей отрасли промышленности экономически и технически осуществимым способом с учетом соответствующих материальных затрат и выгод.

Наилучшие технологии — это технологии, позволяющие наиболее эффективным способом достичь общего высокого уровня защиты окружающей среды в целом.

Таким образом, опыт применения НДТ в ЕС непосредственно связан с внедрением в странах — членах Европейского союза системы комплексных природоохранных разрешений для ключевых предприятий — загрязнителей окружающей среды. При этом в Директиве 2010/75/ЕС речь идет о технологии в наиболее широком ее смысле — технологии как совокупности методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы, сырья, материалов, применяемых в процессе производства для получения готовой продукции [66].

В некоторых случаях упоминают наилучшие доступные технологии, имея в виду новейшие решения, направленные на защиту одного из компонентов окружающей среды или на решение конкретной проблемы. Это связано с историей вопроса и эволюцией понятия НДТ, а также с тем, что привлекательность идеи внедрения НДТ, призванных обеспечить высокий уровень защиты окружающей среды и экологической безопасности, распространяется на самые разные отрасли экономики, включая жилищно-коммунальное хозяйство, городское хозяйство, электросети, тепловые сети и т.п.

Для понимания концепции НДТ в целом и направлений ее практического применения в Российской Федерации целесообразно привести перечень критериев, в соответствии с которыми следует оценивать, является ли данная технология наилучшей доступной технологией. К числу таких основных, но не исчерпывающих относятся:

• рациональное потребление сырья, материалов и воды (ресурсосбережение);
• обеспечение высокой энергоэффективности;
• применение малоотходных или безотходных процессов;
• характер и уровень негативного воздействия на окружающую среду и возможность снижения удельных значений эмиссий, связанных с процессом;
• использование в технологических процессах веществ, которые в наименьшей степени опасны для человека и окружающей среды, и отказ от использования особо опасных веществ;
• снижение вероятности аварий и инцидентов, связанных с производством;
• возможность регенерации и повторного использования (рециклинга) веществ, применяемых в технологических процессах, в том числе в составе образующихся отходов;
• свидетельства предыдущего успешного применения в промышленных масштабах сопоставимых процессов, установок, оборудования, методов управления;
• сроки ввода в эксплуатацию для новых и существующих установок;
• экономическая приемлемость для отрасли экономики.

В настоящее время при определении наилучших доступных технологий все большее внимание уделяется системам менеджмента. Так, предприятиям практически всех отраслей экономики настоятельно рекомендовано разрабатывать и внедрять системы экологического менеджмента, а также системы энергетического менеджмента, позволяющие учесть приоритеты охраны окружающей среды и повышения энергоэффективности при планировании и осуществлении деятельности хозяйствующих субъектов.

Изменения, внесенные в Федеральный закон № 7-ФЗ от 10 января 2002 г. «Об охране окружающей среды» [64] Федеральным законом от 21 июля 2014 г. № 219-ФЗ, определяют правовую основу для широкого практического применения в Российской Федерации наилучших доступных технологий и комплексных экологических разрешений.

Для реализации требований Федерального закона № 7-ФЗ от 10 января 2002 г. [64] в области НДТ необходимо разработать различные нормативные документы, информационно-технические справочники, документы по стандартизации и пр. При этом целесообразно наиболее полно учесть отечественный и международный опыт, накопленный промышленными предприятиями и другими субъектами экономической деятельности.

Определение наилучших доступных технологий в области применения настоящего справочника проводилось на основании Правил определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии, а также разработки, актуализации и опубликования информационно-технических справочников по наилучшим доступным технологиям, утвержденным постановлением Правительства Российской Федерации от 23 декабря 2014 г. № 1458 [4] и с учетом Методических рекомендаций по определению технологии в качестве наилучшей доступной технологии, утвержденных приказом Министерства промышленности и торговли Российской Федерации от 23 августа 2019 г. № 3134 [5].

При определении технологии, в том числе технологического оборудования, в качестве НДТ учитывались следующие критерии, установленные действующим законодательством Российской Федерации [4]:

• наименьший уровень негативного воздействия на окружающую среду в расчете на единицу времени или объем производимой продукции (товара) либо соответствие другим показателям воздействия на окружающую среду, предусмотренным международными договорами Российской Федерации;
• экономическая эффективность внедрения и эксплуатации;
• применение ресурсо- и энергосберегающих методов;
• период внедрения;
• промышленное внедрение технологических процессов, оборудования, технических способов, методов на двух и более объектах в Российской Федерации, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду.

На основании указанных Правил определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии [4], Методических рекомендаций по определению технологии в качестве наилучшей доступной технологии [5] и на основании результатов анализа и систематизации исходных сведений при разработке настоящего справочника НДТ были определены наилучшие доступные технологии для следующих технологических процессов при производстве извести:

• подготовка карбонатных пород и топлива;
• обжиг карбонатных пород в шахтных печах разного типа;
• обжиг карбонатных пород в длинных вращающихся печах;
• обжиг во вращающихся печах с запечным теплообменником;
• гидратации негашеной извести;
• дробление и измельчение извести;
• хранение и транспортирование готовой продукции.

Технологии, которые определены в качестве наилучших доступных технологий при производстве извести представлены в приложениях к настоящему справочнику НДТ. При выявлении наилучших доступных технологий большое внимание уделено системам экологического и энергетического менеджмента, а также прочим мероприятиям, направленным на повышение энергоэффективности производства, сокращение различных эмиссий в окружающую среду, улучшение ресурсосбережения (снижение сырьевого индекса) и повышения качества контроля и мониторинга производственных процессов и эмиссий.

Раздел 5 Наилучшие доступные технологии

5.1 Наилучшие доступные технологии при производстве извести

5.1.1 НДТ 1 Система экологического менеджмента

Система экологического менеджмента предусматривает повышение общей результативности природоохранной деятельности, внедрение и поддержание системы экологического менеджмента (СЭМ), соответствующей требованиям ГОСТ Р ИСО 14001 или ISO 14001. Соответствие систем менеджмента указанным стандартам не означает их обязательную сертификацию.

Выбор периодичности измерения для окислов азота, окислов серы, оксида углерода устанавливается в зависимости от нормальных условий эксплуатации печей и в соответствии с программой экологического контроля. Периодичность измерений HCl и HF, ПХДД/ПХДФ зависит от качества сырья и топлива. Измерения для мониторинга окружающей среды обычно проводят для водных объектов ежеквартально, для почв не менее 1 раза в год.

5.1.2 НДТ 2 Система энергетического менеджмента

Система управления энергетической эффективностью (СЭнМ) в соответствии с требованиями ГОСТ Р ИСО 50001 или ISO 50001. Соответствие систем менеджмента указанным стандартам не означает их обязательную сертификацию.

При использовании НДТ могут быть достигнуты уровни потребления тепловой энергии, приведенные в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Уровни использования тепловой энергии, связанные с применением НДТ

5.1.3 НДТ 3 Обеспечение стабильности производственных процессов

НДТ для обеспечения стабильности технологических процессов предусматривает внедрение систем автоматического контроля и управления и достигается применением следующих решений.

5.1.4 НДТ 4 Оптимизация потребления электроэнергии

НДТ для снижения потребления электроэнергии при работе обжиговых печей, помоле, измельчении, гидратации извести является применение комплекса следующих технических решений.

Удельный расход электроэнергии при производстве извести приведен в таблице 3.4 и пункте 3.2.2.

5.1.5 НДТ 5 Расход известняка/мела/доломита

НДТ для минимизации расхода карбонатной породы является применение следующих технических решений по отдельности или в сочетании.

Удельный расход известняка/мела/доломита на производство 1 тонны извести приведен в таблице 3.1.

5.1.6 НДТ 6 Подбор и расход топлива

Топливо, используемое для обжига карбонатных пород, содержит определенное количество примесей и оказывает значительное влияние на выбросы в атмосферу. Содержание серы, азота, хлора, фтора определяет количество выбросов SOx, NOx, HCl, HF.

Удельный расход условного топлива для разных типов печей, представленный предприятиями — производителями извести, приведен в таблице 3.3.

5.1.7 НДТ 7 Минимизация неорганизованных выбросов пыли

НДТ для минимизации неорганизованных выбросов пыли характеризуется применением отдельно или совместно следующих технических решений:

5.1.8 НДТ 8 Организованные выбросы пыли в процессе обжига, дробления, измельчения и гашения извести

В целях снижения пыли в отходящих газах в процессе обжига НДТ предусматривают использование очистки дымовых газов с помощью специального очистного оборудования. Можно использовать следующие технические решения.

В мокром скруббере пыль отделяется за счет смешивания поступающего газа с водой, обычно сочетающегося с удалением грубых частиц с помощью центробежной силы. Удаленная пыль собирается на дне скруббера. Помимо пыли, с помощью скруббера могут удаляться такие загрязняющие вещества, как SO2.

5.1.9 НДТ 9 Снижение выбросов газообразных соединений

НДТ для снижения выбросов газообразных соединений (NOx, SO₂, HCl, HF, CO, CO₂, металлов) с дымовыми газами печного процесса является применение отдельно или совместно следующих технических решений.

5.1.10 НДТ 10 Снижение выбросов NOx

НДТ является снижение выбросов NOx в отходящих печных газах в результате следующих технических решений, используемых отдельно или в совокупности друг с другом (см. п. 3.3.2).

Применение горелок с низкими выбросами NOx уменьшает образование NOx за счет снижения максимальной температуры пламени, замедляя процесс горения и одновременно увеличивая теплопередачу (повышение излучательной способности пламени). При использовании НДТ могут быть достигнуты уровни выбросов NOx, представленные в таблице 5.2.

Таблица 5.2

Уровень выбросов NOx в печных дымовых газах с использованием НДТ

5.1.11 НДТ 11 Снижение выбросов SO2

НДТ является снижение выбросов SO2 в отходящих печных газах путем применения отдельно или совместно следующих технических решений.

В таблице 5.3 приведены уровни выбросов SO2 при использовании НДТ.

Таблица 5.3

Уровень выбросов SO2 с дымовыми печными газами обжига извести с применением НДТ

5.1.12 НДТ 12 Снижение выбросов CO

НДТ по снижению выбросов CO в отходящих печных газах путем использования мероприятий по оптимизации процесса, которые обеспечивают устойчивое и полное горение (см. 3.3.4)

По требованиям безопасности из-за риска взрыва электрофильтры следует отключать при повышенных уровнях CO в отходящих газах. Для предотвращения отключений по уровню CO и сокращения времени простоя электрофильтров необходимо контролировать процесс горения и загрузки сырья, контроль качества топлива и системы подачи топлива.

5.1.13 НДТ 13 Снижение выбросов HCl, HF

НДТ — это снижение выбросов HCl и HF путем использования топлива с пониженным содержанием хлора и фтора (см. 3.3.7).

5.1.14 НДТ 14 Снижение выбросов ПХДД и ПХДФ

НДТ — это снижение выбросов ПХДД и ПХДФ путем использования по отдельности или совместно следующих мероприятий (см. 3.3.5):

5.1.15 НДТ 15 Снижение образования побочных продуктов

НДТ для снижения производственных потерь и отходов являются (см. 3.4) следующие технические решения

5.1.16 НДТ 16 Снижение потребления воды

НДТ для снижения потребления воды являются следующие технические решения:

5.1.17 НДТ 17 Снижение уровня шума

НДТ — это снижение уровня шума путем использования отдельно или в совокупности следующих технических решений (см. 3.6).

Перечень технологических показателей, характерных для производства извести, представлен в приложении Д, перечень НДТ, характерных для производства извести, — в приложении Г.

5.2 Преимущества, которые могут быть достигнуты при внедрении НДТ

При внедрении приведенных выше НДТ могут быть достигнуты следующие преимущества новых технологий и оборудования для рассматриваемой отрасли:

• сокращение удельных затрат тепловой энергии и электроэнергии на производство товарной продукции;
• сокращение выбросов загрязняющих веществ, в том числе пыли, и парниковых газов в атмосферный воздух;
• сокращение производственных потерь;
• снижение уровня шума при производстве и воздействия шума на окружающую среду и среду обитания человека;
• снижение потребления воды;
• снижение образования побочных продуктов.

Раздел 6 Перспективные технологии

6.1 Перспективные технологии производства извести

ПТ 1 Обжиг в кипящем слое

В течение многих лет обжиг тонко измельченной карбонатной породы в кипящем слое осуществляют в небольших объемах. У этой технологии имеется несколько потенциальных достоинств: использование содержащей серу карбонатной породы; низкие выбросы NOx; низкие выбросы SO2. Помимо того, что при использовании этой технологии не достигается особенно низкий удельный расход тепла на обжиг, тонко измельченная продукция не подходит для многих целей, при этом в ней относительно велико содержание карбоната кальция.

На рисунке 6.1 показана схема печи кипящего слоя. Тонко измельченную карбонатную породу подают в подогреватель, использующий тепло отходящих печных газов. Подогретая карбонатная порода затем поступает в емкость, где создается первая ступень кипящего слоя, температура карбонатной породы повышается, и она начинает обжигаться. По мере обжига карбонатной породы более легкая негашеная известь перетекает через разделительную стенку в пространство второй стадии кипящего слоя, где завершается обжиг. Затем негашеная известь проходит через холодильник, где охлаждается наружным воздухом.

Рисунок 6.1 — Схема печи кипящего слоя

Печи кипящего слоя позволяют получать известь высокого качества при обжиге мелкодробленой и пылевидной карбонатной породы фракции 0,2 ... 0,6; 0,2 ... 3; 3 ... 12; 12 ... 25 мм. При выборе карбонатного сырья для обжига в печи кипящего слоя важным является величина изменения размеров частиц извести по отношению к размерам исходного материала. Величина этого изменения в ряде случаев может влиять на оценку пригодности имеющегося сырья для выпуска извести необходимого фракционного состава [7].

В печах кипящего слоя можно использовать твердое, жидкое и газообразное топливо. Недостатком данных печей является высокий пылеунос (до 30%).

Циклонные печи для производства извести имеют ряд преимуществ перед короткими вращающимися печами с запечными подогревателями сырья:

• отсутствие металлоемкого вращающегося оборудования;
• низкий расход топлива и высокий КПД установки (до 60%);
• высокий коэффициент использования во времени (95 ... 96%);
• использование тонкодисперсного материала (0, ..., 0,1 мм), что позволяет создать малоотходную переработку карбонатного сырья в карьерах.

Недостаток такой печи — низкая активность извести из-за рекарбонизации.

ПТ 2 Обжиг во взвешенном состоянии

В цементной промышленности разработана технология подачи тонко измельченной карбонатной породы в подогреватель взвешенного состояния — декарбонизатор. Однако такая технология подходит лишь для карбонатной породы определенного качества и поэтому используется в очень малом количестве установок. Эта технология осуществлена на двух печах в Австралии. На одной из них продукт из декарбонизатора проходит короткую вращающуюся печь, используемую для регулирования содержания CaCO3 и контроля соответствия активности требованиям потребителя.

Такая технология особенно подходит для «песчаной» карбонатной породы, поскольку обжиг во взвешенном состоянии подразумевает подачу материала размером 0 — 2 мм. Для осуществления рассматриваемой технологии необходимы высокие капиталовложения, которые, вероятно, ограничивают их относительно высокую (например, около 500 т/сут) производительность [7].

ПТ 3 Печи с движущейся решеткой

Для известняка с размером кусков в диапазоне 15 — 45 мм используют разработанную в Германии печь с движущейся решеткой или печь CID с прямоугольной шахтой зоны подогрева, откуда известняк поступает в зону обжига, где он каскадом перемещается по пяти вибрирующим плитам, против которых располагается ряд горелок. Известь поступает в прямоугольную зону охлаждения.

Для обжига в такой печи можно использовать газообразное, жидкое и измельченное твердое топливо, которое обеспечивает получение мягко обожженной извести с остаточным содержанием CaCO3 менее 2 — 3%. Построенные на данный момент четыре печи имеют производительность 80 — 139 т негашеной извести в сутки.

ПТ 4 Печи с надстройкой

Эта японская разработка позволяет использовать для обжига камень с размером 10 — 25 мм. У печи имеется кольцевая зона подогрева, из которой известняк с помощью толкающей штанги передается в цилиндрическую зону обжига. Горячие газы из центральной расположенной ниже в центре зоны подогрева отапливаемой мазутом горелки с помощью эжектора направляются в зону обжига. Готовая известь переходит в коническую зону охлаждения. В печи получают высококачественную негашеную известь, отвечающую требованиям производства стали и осажденного карбоната кальция. Производительность печи 100 т негашеной извести в сутки. Ввиду небольшой высоты такой печи в ней можно обжигать низкопрочный известняк.

ПТ 5 Печи для обжига в газовой суспензии

Печи для обжига в газовой суспензии (GSC) представляют собой новое решение для обжига измельченных известняка, доломита и магнезита с получением высокоактивного и однородного продукта. В печной установке использовано стационарное оборудование с минимальным количеством подвижных деталей.

ПТ 6 Керамические фильтры

Керамические фильтры способны эффективно удалять пыль из газов с очень высокой температурой. И в таких печах, как вращающиеся, производящие мертво обожженный доломит, возможно использование керамических теплообменных устройств.

Дожигание дымовых газов в шахтных пересыпных печах

Для обработки дымовых газов шахтных пересыпных печей рассматривается два варианта очистки:

• рекуперативный термический окислитель. Основным достоинством рассматриваемой технологии является относительно слабая чувствительность к концентрации пыли до 30 мг/нм3. Кроме того, из-за наличия в окислителе высоких температур не могут образоваться аммонийные соли, которые засоряют и корродируют оборудование. Однако при самых благоприятных режимах эта технология требует дополнительных (до 0,85 ГДж/т продукции) затрат тепла. В данный момент отсутствуют практические испытания, подтверждающие эффективность очистки и затраты при использовании этой технологии;
• регенеративный термический окислитель. Опытные испытания небольшого регенеративного окислителя провели на нескольких заводах ЕС, оснащенных отапливаемыми различными видами твердого топлива шахтными пересыпными печами. Окислитель устанавливали между тканевым фильтром и трубой и часть (до 1500 нм3/ч) дымовых газов (как показано на рисунке 6.2) отделяли от основного потока дымовых газов.

Рисунок 6.2 — Пример технологической схемы обработки дымовых газов

Состав дымовых газов на входе и выходе из окислителя подвергался тщательному контролю в течение нескольких часов (см. таблицу 6.1).

Таблица 6.1

Состав дымовых газов по результатам мониторинга в течение нескольких часов [13]

Из приведенных данных можно сделать вывод о том, что хорошо спроектированный окислитель может работать в автотермическом (без подвода дополнительной энергии) режиме в том случае, если концентрация CO в дымовых газах до обработки превышает 1,5 — 2%. В этом случае эффективность удаления оксида углерода, общего органического углерода и сероводорода достигает 98%. Концентрация CO в дымовых газах после очистки не превышает 100 мг/нм3. Однако в противоположность рекуперативной системе это оборудование требует, чтобы в дымовых газах содержалось очень мало (не более 5 мг/нм3) пыли. Если температура на выходе слишком низкая (ниже 200 °C), могут формироваться аммонийные соли. В этом случае наблюдается коррозия труб и (или) неконтролируемый выброс пыли. Эти испытания также показали, что в том случае, когда CO превышает 2 — 3%, в окислителе при окислении загрязняющих веществ образуется слишком много тепла. Это может привести к серьезным нарушениям в работе оборудования.

ПТ 7 Двухшахтные регенеративные печи обжига

Конструкция данного типа печей обжига основана на регенеративной технологии рекуперации тепла и имеет две вертикальные шахты, соединенные между собой через переходной канал.

Процесс обжига в двухшахтных печах имеет две составляющие: параллельный поток и регенерация тепла.

Применяют два типа дизайна формы шахт (см. рис. 6.3 и рис. 6.4). В первом случае — это две шахты обжига с прямоугольным или многоугольным поперечным сечением шахт, расположенные рядом таким образом, чтобы печные газы могли перетекать непосредственно из одной шахты в другую через прямой переходной канал в нижней части шахт. Благодаря своей конструкции такой тип является простым в изготовлении и характеризуется уменьшенным использованием стальных конструкций и огнеупорных материалов. Такая форма применяется как правило для печей производительностью до 600 тонн извести в сутки.

Рисунок 6.3 — Конструкция простой двухшахтной регенеративной печи

Рисунок 6.4 — Конструкция двухшахтной регенеративной печи, применяемая в случае больших мощностей производства

В случае больших мощностей производства извести, например, в диапазоне от 400 до 800 тонн в сутки применяются круглого поперечного сечения шахты с кольцевым каналом, собирающим продукты горения в одной шахте для направления во вторую шахту через радиальный переходной канал, обеспечивая абсолютно равномерное распределение тепла. Это является главным ключевым фактором в обеспечении высокого качества обожженной извести.

В традиционной шахтной вертикальной печи обжига извести воздух для горения подогревается за счет теплосодержания продуктов извести и топливо вводится в нижнюю часть зоны горения. При использовании этого процесса сгорания воздух не может быть нагрет до высокой температуры, так как теплосодержание извести значительно меньше того количества тепла, которое необходимо для подогрева воздуха для горения.

С другой стороны, количество тепла, которое содержится и может быть извлечено из отходящих газов в зоне подогрева печи, значительно выше, чем то количество, которое может быть поглощено известняком. Из-за этой ситуации традиционные печи для обжига извести потребляют большое количество тепла для подогрева воздуха для горения, а отработанные газы оставляют печь, имея большое содержание тепла, которое могло бы быть извлечено. Такая ситуация приводит к высокому удельному потреблению тепла.

Кроме того, подача топлива в нижнюю часть печи (конечная зона горения) создает перегрев и, следовательно, пережог извести и укорачивает срок службы огнеупорного материала.

В регенеративных печах теплообмен между газами, образованными продуктами сгорания на выходе из печи, и воздухом для горения осуществляется с использованием известняка в зоне подогрева печи (вторая шахта) в качестве накопителя тепла. В течение цикла сгорания известняк поглощает тепло от отходящих газов, а на втором цикле отдает его обратно воздуху для горения.

6.2 Общие рекомендации по перспективным технологиям производства

Вывод о том, какую технологию следует выбрать, следует основывать на следующем (не исчерпывающем) перечне критериев:

• характеристика дымовых газов — скорость течения, содержание кислорода, CO, TOC и температура;
• изменение этих параметров во времени;
• характеристика обеспыливающей системы.

Заключительные положения и рекомендации

Настоящий справочник НДТ подготовлен в соответствии с распоряжением Правительства Российской Федерации № 1537-р от 10.06.2022 г. «Об утверждении поэтапного графика актуализации информационно-технических справочников по наилучшим доступным технологиям» и приказом Минпромторга РФ № 3134 от 23 августа 2019 г. «Об утверждении методических рекомендаций по определению технологий в качестве НДТ». ИТС 7-2022 «Производство извести» подготовлен ТРГ 7, состав которой утвержден приказом Минпромторга России от 18 марта 2022 г. № 857.

Целью внедрения НДТ является модернизация оборудования и производства всех отраслей промышленности, повышение конкурентоспособности российской промышленности, снижение негативного воздействия на окружающую среду, создание производственных объектов, соответствующих мировым по показателям энергоэффективности и ресурсосбережения.

Справочник НДТ актуализирован с учетом имеющихся в Российской Федерации технологий, оборудования, материальных и энергетических ресурсов. При подготовке справочника НДТ были использованы материалы, полученные от российских производителей извести в ходе обмена информацией, организованного Бюро НДТ в 2022 году. Кроме того, составители справочника НДТ учитывали результаты отечественных научно-исследовательских и диссертационных работ, маркетинговых исследований, российских и международных проектов, выполненных в России в 2016 — 2022 годах. При написании справочника НДТ были использованы зарубежные материалы — справочник ЕС по наилучшим доступным технологиям «Европейская комиссия. Комплексное предупреждение и контроль загрязнений. Производство цемента, извести и оксида магния. Май 2009 г.» и Исполнительное решение Комиссии ЕС от 26.03.2013, устанавливающее заключение по наилучшим доступным технологиям (НДТ) согласно Директиве 2010/75/EU Европейского парламента и Совета по промышленным выбросам при производстве цемента, извести и оксида магния.

Наиболее активное участие в работе на производственных площадках, сборе, анализе и систематизации информации, а также в написании текста справочника НДТ и его обсуждении приняли специалисты следующих организаций:

Союз производителей извести, ЗАО «Известняк» Джегонасский карьер, АО «ЭЛЬДАКО», АО «Искитимизвесть», ООО «Известь Сысерти», АО «Соликом», АО «Известковый завод» Стерлитамак, АО «БСК» Стерлитамак, ООО «Придонхимстрой Известь», CIMPROGETTI, АО «ЕВРАЗ», ПАО «Трубная металлургическая компания», ПАО «Северсталь», ПАО «ГМК „Норильский никель“, АО „Выксунский металлургический завод“, ООО „ЕвразХолдинг“.»

Общее заключение, которое можно сделать в результате подготовки справочника НДТ, состоит в том, что ведущие отечественные компании активно занимаются внедрением современных технологических процессов и оборудования, разрабатывают программы повышения энергоэффективности и экологической результативности производства.

Рекомендации составителей справочника НДТ основаны на сделанном заключении:

• для продвижения идеи перехода к наилучшим доступным технологиям необходимо организовать масштабную информационно-просветительскую кампанию и систему подготовки (повышения квалификации, дополнительного профессионального образования) кадров;
• обсуждение сути перемен призвано подготовить к ним предприятия и разъяснить основные мотивы и стимулы экологической модернизации отечественной экономики.

Действенным инструментом актуализации справочника НДТ могут и должны стать пилотные проекты, к участию в которых необходимо привлечь 5 — 10 ведущих компаний по производству извести.

Процесс внедрения НДТ должен отражать принцип последовательного улучшения — основной принцип современных систем менеджмента. Составители справочника НДТ «Производство извести» надеются, что коллеги готовы разделить эту позицию и поддержать продвижение наилучших доступных технологий в известковой промышленности.

Приложение А (справочное)

КРУПНЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ МЕЛА/ИЗВЕСТНЯКА/ДОЛОМИТА НА ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Приложение Б (справочное)

КОДЫ ОКВЭД2 И ОКПД2 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Приложение В (обязательное)

ПЕРЕЧЕНЬ МАРКЕРНЫХ ВЕЩЕСТВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Таблица В.1

Маркерные вещества для контроля выбросов в атмосферный воздух

Таблица В.2

Технологические показатели выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, соответствующие НДТ