Раздел 3. Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссий в окружающую среду

Раздел 3 Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссий в окружающую среду

3.1 Материальный баланс процесса производства портландцемента

Материальные балансы процесса производства 1 т портландцементного клинкера по мокрому и сухому способам производства представлены на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Материальный баланс процесса производства портландцементного клинкера по мокрому (а) и сухому (б) способам производства

В экологическом аспекте мокрый способ оказывает наибольшее негативное воздействие на окружающую среду с учетом затрат материальных ресурсов и выбросов загрязняющих веществ. Потребление материальных ресурсов и выбросов увеличивается на 1,5 т/т клинкера. Производство портландцементного клинкера по мокрому способу требует расхода топлива примерно в два раза больше, чем по сухому. Тепло, получаемое при сжигании технологического топлива, расходуется на тепловые процессы клинкерообразования, испарение воды, а также теряется с отходящими газами, с воздухом из клинкерного холодильника, с горячим клинкером и на прямые потери в окружающую среду.

С другой стороны, при сухом способе производства несколько увеличиваются выбросы горячего третичного воздуха, что связано с использованием современных клинкерных холодильников, охлаждающих портландцементный клинкер до температур менее 80-100 °С. Аэрозоли вращающихся печей сухого способа отличаются высокой дисперсностью частиц (до 75 % частиц размером менее 5 мкм) и высокой температурой по сравнению с мокрым способом. Но из-за снижения расхода материалов, топлива, выбросов газов и пыли в атмосферу данная технология является более прогрессивной как в экономическом, так и в экологическом аспектах.

Основными экологическими аспектами, связанными с производством цемента, являются выбросы в атмосферу и потребление энергии. Основными атмосферными выбросами при производстве цемента являются выбросы печи: газы и твердые частицы. Эти выбросы происходят в результате физических и химических реакций, связанных с обрабатываемым сырьем и топливом, используемым для приготовления сырьевой смеси.

Основными компонентами дымовых печных газов, являются СО ₂ при обжиге из CaCO ₃ и сгорания топлива, оксиды азота (NO _x), водяной пар (H ₂O) и избыток кислорода (O ₂).

Согласно международным кадастрам и руководствам по выбросам, список загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу, которые считаются актуальными в случае производства цемента, включая использование отходов/материалов из отходов в качестве заменителей сырья и топлива, выглядит следующим образом:

- углекислый газ (CO ₂);

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

- оксиды азота (NO _x) и другие соединения азота;

- диоксид (SO ₂) серы и других соединений серы;

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

- полихлородибензодиоксины и полихлородибензофураны (ПХДД и ПХДФ);

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

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

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

- оксид углерода (CO);

- аммиак (NH ₃).

Некоторые нормативные акты и кадастры выбросов в атмосферу в цементном секторе также включают в список соответствующих загрязнителей следующие вещества:

- оксид азота (I) (N ₂O);

- полихлордифенилы (PCB);

- неметаниновые летучие органические соединения(COVNM);

- метан (CH ₄);

- полициклические ароматические углеводороды (ПАУ);

- бензол;

- гексахлорбензол (HCB);

- циановодород (HCN);

- антрацен;

- нафталин.

Некоторые из перечисленных в этом перечне веществ, которые представляют серьезную опасность для здоровья человека и окружающей среды, входят в состав стойких органических загрязнителей (СОЗ), группы из 12 + 9 веществ, определенных в Стокгольмской конвенции (2004 г.) - международном договоре, разработанном Советом управляющих Программы Организация Объединенных Наций по окружающей среде (PNUMA).

Стокгольмская конвенция по СОЗ обеспечивает основу, базирующуюся на принципе осторожности, которая направлена на обеспечение безопасного удаления и сокращения производства и использования (применения) этих веществ, вредных для здоровья человека и окружающей среды.

3.2 Удельный расход сырьевых материалов на производство 1 т портландцементного клинкера и портландцемента

Производство портландцемента является материалоемким процессом. В таблице 3.1 представлено среднее потребление сырьевых материалов для производства цемента. Цифры в последней колонке таблицы являются примерными показателями для завода мощностью 3000 т/сут или 1 млн т/год по клинкеру, что соответствует 1,23 млн т цемента в год при содержании минеральной добавки в цементе в количестве 14 %.

Таблица 3.1 - Потребление сырьевых материалов при производстве цемента

Материал (в сухом состоянии)	на 1 т клинкера	на 1 т цемента	на 1 млн т клинкера в год
Известняк, глина, сланец, мергель и др.	1,57 т	1,27 т	1 568 000 т
Гипс, ангидрит	-	0,05 т	61 000 т
Минеральные добавки	-	0,14 т	172 000 т

3.2.1 Утилизация отходов/материалов из отходов в качестве сырьевых материалов и минеральных добавок при производстве портландцемента

Промышленные отходы/материалы из отходов различного происхождения могут заменять значительное количество сырьевых материалов при обжиге портландцементного клинкера (см. раздел 2.7.2).

Данных по общему объему промышленных отходов/материалов из отходов, использованных в качестве сырьевых материалов на цементных заводах РФ, нет. В странах ЕС с 2001 по 2004 год использование таких отходов/материалов из отходов увеличилось более чем в два раза, позволив в 2004 году сэкономить почти 14 млн т природного сырья, что составляет примерно 6,5 % от общего объема сырьевых материалов, использованных для обжига портландцементного клинкера.

Также постоянно увеличивается использование промышленных отходов/материалов из отходов в качестве минеральных добавок при помоле портландцемента. Так, использование сланцевой золы в ЕС за период с 2000 до 2005 год удвоилось и достигло 100000 т/год [26].

Использование промышленных отходов/материалов из отходов в качестве сырьевых материалов при производстве цемента, как правило, приводит к снижению удельного расхода тепла на обжиг 1 т портландцементного клинкера и повышению производительности вращающейся печи.

Постоянный контроль содержания вредных веществ в отходах/материалах из отходов и использование правильного способа их введения в состав сырьевой смеси или цемента не приводит к увеличению вредных выбросов в атмосферу при обжиге портландцементного клинкера или помоле портландцемента и не отражается на качестве производимого цемента.

3.3 Удельный расход топлива на обжиг 1 т портландцементного клинкера

Удельный расход топлива на обжиг 1 т портландцементного клинкера зависит, главным образом, от способа производства портландцемента, типа и конструкции вращающейся печи, химических и физических (влажность) свойств сырьевых компонентов и сырьевой смеси, используемых для производства клинкера. Подробный анализ существующих способов производства портландцемента представлен в разделе 2.1 настоящего документа.

Наиболее энергоемким является мокрый способ получения цемента. При производстве цемента таким способом непроизводительные затраты топлива составляют около 75 %. На выпуск 1 т цемента затрачивается более 5 т таких материалов, как сырье, добавки, топливо, вода и воздух [68-69]. Поэтому для новых заводов и модернизируемых действующих предприятий типичным становится сухой способ производства цемента с многоступенчатым циклонным теплообменником и декарбонизатором.

Практика показала, что удельный расход топлива при использовании печей сухого способа с циклонными теплообменниками и декарбонизатором составляет 3000-3800 МДж/т клинкера как среднегодовое значение, а изменчивость показателя связана с пуском и остановкой печей и со свойствами сырьевых материалов. Энергоэффективность процесса обжига клинкера зависит, прежде всего, от конфигурации применяемого оборудования (таблицы 3.2, 3.3), однако сегодня уже практически достигнут физический предел снижения удельного расхода топлива на обжиг клинкера.

Таблица 3.2 - Потребление тепла на обжиг клинкера при различных технологиях

Обжиговый агрегат/способ производства		Удельный расход топлива, МДж/кг клинкера
Вертикальные шахтные печи		5,0
Горизонтальные вращающиеся печи
Мокрый способ производства		5,0-6,4
Сухой способ производства
	Длинная сухая печь	4,6
	Циклонный теплообменник (1 ступень)	4,2
	Циклонный теплообменник (2 ступени)	3,8
	Циклонный теплообменник (4 ступени)	3,3
	Циклонный теплообменник (6 ступеней	3,2
	Циклонный теплообменник (4 ступени + кальцинатор)	3,1
	Циклонный теплообменник (5 ступеней + кальцинатор)	2,9-3,1

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

Тип печи, способ производства	Удельный расход тепла, МДж/т клинкера	Удельный расход топлива, кг у.т./т клинкера
Печи сухого способа с циклонными теплообменниками и декарбонизатором	3000-4000	100-135
Печи сухого способа с циклонными теплообменниками	3100-4200	105-145
Комбинированный (полусухой/полумокрый способ) производства, печь Леполь	3300-5400	115-185
Длинные печи сухого способа производства	до 5000	до 170
Длинные печи мокрого способа производства	5000-6400	170-220
Печи для производства специальных цементов	3100-6500 и выше	105-225

Наилучшие имеющиеся в мире значения удельных расходов энергии для производства клинкера составляют 96 кг у.т./т (2814 МДж/т) [47]. Такой показатель уже достигнут на лучших предприятиях Индии, и именно такой целевой ориентир ставит Индия на 2030 год. Для производства цемента наилучшее имеющееся в мире значение удельных расходов энергии - 56 /т. В этой части распределения движение вниз происходит довольно медленно (таблица 3.4) по мере приближения к термодинамическому минимуму - 58-62 кг у.т./т [70-71].

Таблица 3.4 - Удельный расход топлива на производство клинкера по различным способам производства по [72]

Способ производства	Удельный расход топлива, кг у.т./т клинкера
	1990	2000	2010	2019
Сухой с циклонными теплообменниками и декарбонизатором	116	115	114	115
Сухой с циклонными теплообменниками без декарбонизатора	126	122	123	120
Сухой без предварительного нагрева (длинная сухая печь)	153	146	137	133
Полумокрый/полусухой	129	130	131	142
Мокрый/шахтная печь	205	208	204	183

Поэтому дальнейшее (незначительное) снижение удельного расхода топлива на обжиг клинкера связано с:

- использованием оптимального сочетания внутрипечных теплообменных устройств;

- использованием оптимального количества ступеней циклонных теплообменников;

- обеспечением стабильного режима работы печи;

- использованием современных клинкерных холодильников;

- применением отходов/материалов из отходов в качестве сырьевых материалов;

- применением альтернативных видов топлива с учетом их состава, стабильности характеристик, точки сжигания в печи;

- оптимизацией состава обжигаемых сырьевых смесей;

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

Наиболее рациональными современными печами сухого и комбинированного способов являются обжиговые агрегаты с выносным декарбонизатором. Наибольшее распространение в последние годы получили декарбонизаторы (кальцинаторы) с восходящим вертикальным газоходом и третичным воздухом высотой 80 м. Для таких систем характерны высокая единичная мощность до 12 тыс. т в сутки; малые габариты печей, малое количество опор; высокая стойкость футеровки; пониженный расход топлива; пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO ₂) и NO _х; высокая степень автоматизации и высокая производительность труда.

В настоящее время наибольшее распространение имеют колосниковые холодильники, в которых охлаждение клинкера происходит в слое при тесном взаимодействии проходящего через него воздуха.

Применение современных многоканальных форсунок с низким выделением NO _x для сжигания угля, кокса, мазута и природного газа и их смесей, а также альтернативного топлива требуют не более 7 % первичного воздуха, обеспечивают снижение объема отходящих газов и расхода топлива.

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

а) схемы и конструкции линии обжига клинкера:

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

2) наличия и конструкции декарбонизатора;

3) использования третичного воздуха;

4) использования печных газов в качестве сушильного агента в сырьевой мельнице;

5) отношения длины печи к ее диаметру;

6) типа клинкерного холодильника;

б) производительности печи;

в) содержания влаги в сырьевых материалах и топливе;

г) свойств сырьевых материалов, их обжигаемости;

д) калорийности топлива;

е) модульных характеристик обжигаемого клинкера;

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

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

и) степени байпасирования газов.

Использование низкокалорийных видов альтернативного топлива приводит к некоторому повышению удельного расхода тепла на обжиг клинкера. Избежать этого можно путем специальной оптимизации работы печи и стабильным вводом АТ в печь.

Влажное топливо увеличивает удельный расход тепла на обжиг клинкера, кроме случаев, когда сушка твердого топлива осуществляется вне печи с использованием дымовых газов в качестве сушильного агента.

Нестабильный режим работы, частые остановки и пуски печи также могут привести к увеличению удельного расхода тепла на обжиг клинкера.

3.3.1 Влияние альтернативного топлива на удельный расход тепла при обжиге портландцементного клинкера

Виды альтернативного топлива, его классификация и свойства, а также требования к качеству подробно рассмотрены в разделе 2.7.3 настоящего документа.

Данные об использовании АТ на цементных заводах стран ЕС в 2003-2004 годах представлены в таблице 3.5 [26].

Таблица 3.5 - Использование АТ в цементных печах стран ЕС

N п/п	Вид альтернативного топлива	Потребление, тыс. т
		2003 г.		2004 г.
		опасные	не опасные	опасные	не опасные
1	2	3	4	5	6
1	Дерево, бумага и картон	0,000	214,991	1,077	302,138
2	Текстиль	0,000	19,301	0,000	8,660
3	Полимеры	0,000	354,070	0,000	464,199
4	Промышленные отходы	4,992	570,068	1,554	734,296
5	Резина/шины	0,000	699,388	0,000	810,320
6	Промышленные осадки	52,080	161,660	49,597	197,720
7	Городские осадки сточных вод	0,000	174,801	0,000	264,489
8	Животные, пищевые отходы и жиры	0,000	1313,094	0,000	1285,074
9	Отходы углеобогащения	1,890	137,213	7,489	137,013
10	Сельскохозяйственные отходы	0,000	73,861	0,000	69,058
11	Твердые отходы (пропитанные древесные опилки)	164,931	271,453	149,916	305,558
12	Растворители и относящиеся к ним отходы	425,410	131,090	517,125	145,465
13	Отходы нефтепереработки	325,265	181,743	313,489	196,383
14	Другие	0,551	199,705	0,000	212,380
Общее потребление:		975,119	4502,435	1040,247	5133,353

Данные об объемах использования АТ на цементных заводах РФ довольно противоречивы. Согласно [33], остатки сортировки твердых коммунальных отходов и другие альтернативные виды топлива в 2021 году использовались в ООО "Петербургцемент", на ОП ООО "Холсим (Рус) СМ" (п. Ферзиково), в филиалах ООО "ХайдельбергЦемент Рус" в п. Новогуровский и Стерлитамаке, ОАО "Цесла", в ПАО "Мордовцемент" и др. Другие предприятия не сообщают об использовании альтернативного топлива.

На ОП ООО "Холсим (Рус) СМ" (п. Ферзиково) предварительно отсортированные ТКО измельчаются, затем из измельченных отсортированных ТКО и RDF-топлива удаляются металлические включения и фракция более 80 мм. Линия подачи сортированного мусора на этом предприятии в начале августа 2019 года достигла проектной мощности - 15 т/ч. Готовое альтернативного топливо транспортируется в декарбонизатор, где в результате сжигания выделяется тепловая энергия, используемая в основном технологическом процессе - производстве клинкера.

В 2020 году завод переработал 54 тыс. т отходов, что позволило достичь замещения природного топлива альтернативным на 14,3 %. Существующая линия альтернативного топлива сможет перерабатывать в два раза больше отходов/материалов из отходов после модернизации, которая приведет к увеличению ее мощности. За 2021 год процент замещения природного газа составил 15,8 %.

За год работы цеха альтернативного топлива на цементном заводе в Ферзиково отсортировывается и перерабатывается более 50 000 т муниципальных отходов (а это означает, что 12 500 мусоровозов не повезли 125 000 несортированных отходов на полигон).

В ООО "Холсим (Рус) СМ" (г. Коломна) в качестве альтернативного топлива используются изношенные отработанные шины и сухой осадок сточных вод. Разработан проект модернизации предприятия, в рамках которого будет возведена технологическая линия подачи RDF-топлива. После модернизации на цементном заводе планируется утилизировать 250 тыс. т RDF до 2024 года.

На филиале ООО "ХайдельбергцементРус" в п. Новогуровский уже несколько лет в печь подаются отходы древесины (древесная щепа) и осадок сточных вод, в стадии разработки находятся проекты по утилизации шин и твердых бытовых отходов. Предприятие сухого способа производства мощностью 1,6 млн т клинкера в год может "переработать" 100 000 тонн твердых отходов, 75 000 т древесных отходов, 50 000 т осадка сточных вод и 25 000 т шин (рисунок 3.2).

В сентябре 2019 года было объявлено, что рязанские областные власти собираются включить Серебрянский цементный завод в региональную схему операторов по обращению с отходами. Цементный завод готов принимать и утилизировать брикетированные отходы с площадки будущего мусороперерабатывающего комплекса. Мусороперерабатывающий комплекс проектной мощностью около 200 тыс. т отходов ежегодно должен быть построен на окраине Рязани. Комплекс собирается принимать на переработку отходы с семи сортировочных станций.

Рисунок 3.2 - Наиболее перспективные виды альтернативного топлива в России сегодня

Проект группы компаний AKKERMANN CEMENT по внедрению экологической технологии альтернативного топлива на предприятии "Горнозаводскцемент" получил статус приоритетного инвестиционного проекта. Завод сократит использование природного газа при производстве цемента, частично заместив его топливом из древесных отходов, которые образуются в результате лесозаготовки и лесопереработки. Проект снизит количество отходов и вредных выбросов в Горнозаводском округе.

В Петербурге в 2022 году начинают строительство крупных заводов по переработке ТКО. На начальном этапе доля выделяемых в процессе сортировки вторичных материальных ресурсов (ВМР) прогнозируется на уровне 15 % от общего объема ТКО (то есть порядка 30 тыс. т в год). После запуска комплекса также планируется производство тестовых партий RDF-топлива, которые в соответствии с достигнутыми договоренностями будут переданы для тестирования производителям цемента. По результатам анализа цементные заводы смогут оценить объемы потребления и дать прогноз по срокам модернизации оборудования.

Более 30 регионов Российской Федерации планируют перерабатывать ТКО за счет "зеленых облигаций". Российский экологический оператор (РЭО), госкомпания-регулятор на рынке обращения с отходами, предложил компенсировать цементным заводам расходы на переход к использованию топлива из переработанных отходов за счет средств из фонда расширенной ответственности производителей (РОП).

Цементные заводы, которые решат провести модернизацию, смогут рассчитывать на компенсацию капитальных затрат на создание инфраструктуры, необходимой для приема и утилизации отходов (например, приемочные механизмы, новое оборудование для печей). Объем господдержки пока не определен и будет зависеть от логистики, оборудования на конкретном предприятии и т.д. Также им планируется компенсировать операционные расходы, в том числе на перевозку топлива.

Существенным шагом более масштабного использования альтернативного топлива при производстве цемента в России стало участие 33 цементных предприятий в реализации пилотных проектов применения альтернативного топлива в своих производственных процессах в рамках отраслевой программы Минпромторга России "Применение альтернативного топлива из отходов в промышленном производстве на 2022-2030 годы".

На основе данных, предоставленных предприятиями цементной промышленности, потенциальный объем потребления альтернативного топлива на территории РФ может составить 3 млн т в год. Для этого предстоит модернизировать системы подачи топлива, разработать и согласовать необходимую документацию. Реализация пилотных проектов на 33 предприятиях уже к 2025 году сможет обеспечить применение альтернативного топлива в объеме до 1,8 млн т в год.

Использование в качестве вторичных энергетических ресурсов ТКО после извлечения из них полезных компонентов на объектах обработки соответствует целям федерального проекта "Комплексная система обращения с твердыми коммунальными отходами" и достижению показателя направления на утилизацию 25,2 млн т ТКО к 2024 году, а также задаче по снижению полигонного захоронения. Кроме того, альтернативное топливо - возобновляемый источник энергии, который обладает относительно низкой себестоимостью и широкой сырьевой базой для его производства.

В производство альтернативного топлива из отходов планируется вовлечь как остатки сортировки твердых коммунальных отходов, так и горючие компоненты отходов промышленных предприятий.

В июне 2022 года Госдума приняла закон "О внесении изменений в ФЗ "Об отходах производства и потребления" и федеральный закон "Об охране окружающей среды" в части регулирования обращения со вторичными ресурсами. Закон вводит новые понятия: "вторичные ресурсы" и "вторичное сырье", "побочный продукт", а также положения, реализация которых обеспечит развитие системы обращения с вторичными ресурсами - с 2030 года их захоронение запрещается.

В августе 2022 года Минпромторг РФ подготовил перечни видов продукции и услуг, производство и выполнение которых осуществляется с использованием определенной доли вторичного сырья и подлежит стимулированию со стороны государства. Как следует из проекта постановления правительства, размещенного на сайте regulation.gov.ru, стимулирование использования вторсырья предполагается при производстве стали, чугуна и ферросплавов, бетона, цемента и строительных смесей; стекла; бумаги и картона; полиэтилентерефталата (ПЭТФ), дорожных битумов и шин.

Как отмечалось выше, использование топливосодержащих отходов/материалов из отходов приводит к некоторому повышению удельного расхода тепла на обжиг клинкера. Однако при этом удельный расход условного топлива на обжиг 1 т клинкера снижается вследствие замещения основного технологического топлива альтернативными видами топлива.

Постоянный контроль за содержанием вредных веществ в топливосодержащих отходах/материалах из отходов и выбор рациональных путей и методов их сжигания не приводят к увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу. При сжигании альтернативного топлива дополнительно к перечисленным ниже в разделе 3.8 маркерным веществам рекомендуется осуществлять периодический контроль содержания в отходящих из печей дымовых газах летучих органических веществ (ЛОС), металлов (As, Sb, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V), бензола, толуола, этилбензола, ксилола, полиароматических углеводородов и других органических соединений, полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов (ПХДД/ПХДФ). Перечень дополнительно контролируемых маркерных веществ и периодичность их контроля зависят от видов используемого АТ и содержания в них данных загрязняющих веществ.

Использование альтернативных видов топлива при соблюдении технологического процесса не отражается на качестве выпускаемого цемента.

3.4 Удельный расход энергии на производство 1 т портландцемента

Так как основные технологические стадии производства цемента связаны с тонким измельчением сырьевых материалов и цемента, то главными потребителями электроэнергии при производстве цемента являются помольные агрегаты - сырьевые и цементные мельницы, а также вентиляторы и дымососы, потребляющие в сумме до 80 % всей энергии на 1 т производимого цемента.

Удельный расход электроэнергии на производство цемента составляет 90-150 /т цемента. Удельный расход электроэнергии при мокром способе производства цемента несколько выше, чем при сухом или комбинированном способах производства.

Удельные расходы электроэнергии на производство цемента постоянно снижаются. В среднем по выборке предприятий, по которым проводит анализ GCCA, они снизились с 119 до 102 /т в 1990-2010 гг. В ЕС-28 этот показатель несколько вырос, а в Индии динамично снижался до 73 /т, что существенно ниже значений в других регионах мира. В Китае он также ниже 80 /т [72].

Расход электроэнергии на тонкое измельчение сырьевых материалов и цемента определяется природой и особенностями структуры измельчаемого материала. Наибольший расход наблюдается при измельчении хорошо спеченного портландцементного клинкера, гранулированного доменного шлака, твердых известняков, песка, кварцитов, наименьший - при измельчении мелов и глин, особенно монтмориллонитовых. При мокром способе производства монтмориллонитовые глины измельчаются в результате самопроизвольной диспергации (размучивания) в воде в так называемых глиноболтушках.

Общий расход электроэнергии на измельчение материалов зависит от конструкции мельницы. В некоторых случаях минимизация энергопотребления может быть достигнута заменой старых сырьевых мельниц на новые (таблица 3.6).

Таблица 3.6 - Сравнение технологий помола на основе ключевых характеристик

Процесс помола	Потребление энергии	Требуемый уход	Производительность по сухому материалу	Способность измельчать до высокой тонины
Шаровая мельница	100 %	малый	средняя	хорошая
Роликовая мельница	50-65 %	от малого до большого	низкая	средняя
Вертикальная роликовая мельница	70-75 %	средний	высокая	средняя

Замена традиционно используемых шаровых мельниц на роликовые мельницы позволяет снизить удельный расход энергии на измельчение материалов на 25-50 % при одинаковой степени измельчения. Однако возможность такой замены должна в обязательном порядке сопровождаться специальными технологическими исследованиями и проводиться с учетом экономических факторов.

Следует отметить, что не всегда возможна замена одной мельницы на другую. Более того, возможность такой замены определяется применением соответствующей технологии измельчения с учетом экономических аспектов.

Технологический прогресс в разработке помольных агрегатов привел к тому, что сегодня уже достигнут физический предел удельного расхода электроэнергии для производства цемента.

В связи с вышеизложенным, дальнейшие пути снижения энергозатрат при помоле материалов могут быть связаны с:

- использованием замкнутого цикла помола материалов и применением сепараторов третьего-четвертого поколений;

- использованием более экономичных, энергоэффективных помольных агрегатов (вертикальные валковые мельницы, пресс-валки, мельницы HOROMIL и их комбинации);

- модернизацией и оптимизацией внутримельничных устройств - мелющих тел, бронеплит, межкамерных перегородок;

- оптимизацией параметров процесса измельчения,

- применением рациональных схем измельчения с использованием валковых предизмельчителей;

- ориентацией на гранулометрический состав продукта;

- раздельным помолом компонентов цемента;

- использованием интенсификаторов процесса помола материалов;

- использованием в качестве минеральных добавок при помоле цемента легко измельчаемых материалов.

В разделе 2.10.2 настоящего документа показаны основные направления экономии электроэнергии при тонком измельчении цемента.

Снижение удельного расхода электроэнергии на производство 1 т портландцемента может быть достигнуто при использовании на предприятии системы энергетического менеджмента.

3.5 Интеллектуальные системы управления и оптимизации процессов

Развитие информационных систем, цифровизация производства позволяют обеспечить сбор, фильтрацию, хранение и обработку данных. Расширение возможностей цифровых технологий ведет к созданию интеллектуальных информационных систем. Интеллектуализация процессов значительно улучшает операционную эффективность актива и снижает появление негативных осложнений в ходе реализации принятых управленческих решений. Интеграция цифровых систем, их последующая интеллектуализация дают возможность проводить глобальную оптимизацию всего актива в целом [73-74].

В настоящее время автоматические системы управления все активнее замещаются интеллектуальными системами управления. Они характеризуются самообучением, интеллектуальными обратными связями, применением множества алгоритмов управления из библиотеки и другими возможностями.

Модели на основе больших данных и искусственный интеллект относятся к технологиям нового поколения, которые предположительно дадут отрасли множество серьезных преимуществ. Такие инструменты позволят более эффективно реагировать на изменения в процессах, обусловленных, например, активным переходом с традиционного топлива на альтернативное. Интеллектуальные системы контроля и виртуальные ассистенты будут обеспечивать эффективную эксплуатацию, сокращать энергопотребление, повышать качество, предсказывать и избегать критических ситуаций, которые могут повлечь за собой нарушение ограничений по объемам вредных выбросов. Таким образом, эти инструменты могут поддерживать работу не только цементной, но также бетонной промышленности, использующей цемент, обеспечивая высокие технологические качества бетона и его долговечность.

Однако именно в отношении инновационных технологий на основе моделей (больших) данных для их применения все еще требуется больше практического опыта. Решения должны быть выверены, проверены в режиме стресс-тестирования и быть достаточно надежными, чтобы работать надежно в изменяющихся условиях процесса производства. Такие решения должны быть полностью понятны операторам и безопасны с точки зрения эксплуатации, уровня вредных выбросов, обеспечения качества, технического обслуживания и безопасности в киберпространстве. Операторы и технологи должны быть полностью готовы к работе с такими решениями, чтобы их внедрение приносило организации максимальную выгоду в долгосрочной перспективе.

В настоящее время многие зарубежные компании готовы предоставить для производителей цемента решения, которые помогают эффективно управлять потреблением энергии, затратами на энергию и выбросами CO ₂, все в производственном контексте, что помогает оптимизировать эффективность и прибыльность. Это многопользовательские информационные системы, представляющие всеобъемлющую панель инструментов и функции отчетности, которые объединяют данные об энергии (электричество и тепло), производстве (сырьевая мука, клинкер, цемент) и экологические данные (углеродный след и выбросы) в значимые ключевые показатели эффективности цемента (KPI), чтобы помочь повысить производительность на каждом этапе.

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

1. Управление и контроль производственных процессов. Системы управления и контроля за производственными процессами предоставляют данные об энергопотреблении и технологических процессах, создавая возможность непрерывного контроля в реальном времени. Это интеграция с системами управления производством, управления активами и энергопотреблением для оптимизации процессов и снижения энергозатрат.

2. Управление энергопотреблением и информационная система. Инструменты мониторинга и управления для анализа данных энергопотребления в производственной среде и оптимизации энергоэффективности. Отраслевые решения для мониторинга и контроля энергопотребления обеспечат прозрачную картину использования электроэнергии в производственных процессах для определения потенциальных возможностей экономии средств и выработки лучших методик для других объектов.

3. Энергоэффективность и устойчивое развитие. Производство цемента является энергоемкой отраслью, для которой требуется точное определение и измерение потребности использования в целях применения стратегий оптимизации и поиска возможностей для экономии. Консультативный подход определяет наиболее экономичные возможности для уменьшения расхода энергии, экономии средств, а также реализации целей энергопотребления и устойчивого развития.

Безусловно, для создания таких моделей-технологий требуется большая, полноценная база данных, гарантирующая надежность и качество результатов применения модели. Сохранение архивных данных упрощает разработку новых моделей - это касается как классических моделей на основе физико-химической симуляции на этапе параметризации, так и моделей на основе данных на этапе обучения. В целом сбор данных в течение продолжительного периода и поддержание базы данных не требуют особых усилий и финансовых затрат.

Для использования (больших) данных в интеллектуальных технологиях требуется инфраструктура, обеспечивающая эффективную интеграцию данных из различных источников, таких как данные датчиков и операционные данные из центра управления, аналитические данные из лабораторий и метеорологические данные.

Инфраструктура должна поддерживать хранение большого объема данных и предоставлять достаточную пропускную способность канала для передачи данных, переноса их в формат базы данных и обработки. Кроме того, полезны также унифицированные коды доступа и интеграция отраслевых знаний в базу с использованием семантического моделирования.

Модели на основе данных позволяют расширить набор инструментов для компьютерной поддержки процессов, однако не заменяют традиционные подходы к моделированию. Поэтому гибридное моделирование (сочетание модели на основе "больших" данных + классическая модель) представляет собой весьма перспективную область для дальнейшего изучения. Учитывая высокий уровень сложности процессов и недостаток подробной физико-химической информации, в классических моделях ищется компромиссное решение, при котором используются приближение и упрощение, что вызывает расхождения между расчетными и смоделированными результатами. Комбинирование классических моделей с моделями на основе данных позволяет выполнить калибровку и параметризацию моделей, что в свою очередь существенно улучшает результаты. В то же время это гарантирует, что модели не будут создавать результаты, не соответствующие заданным принципам работы процесса [74].

Искусственный интеллект не заменит технологическую разработку процесса, поскольку глубокие знания в соответствующей области по-прежнему остаются обязательным требованием. Экспертные отраслевые знания нужны на всех этапах, от сбора данных до проверки и стресс-тестирования в условиях эксплуатации. Кроме того, искусственный интеллект нельзя обучить таким образом, чтобы он эффективно самостоятельно действовал в ситуациях, которые раньше не происходили, или в чрезвычайных ситуациях, которые весьма редки. Однако современные интеллектуальные решения обеспечивают высокую точность и надежность прогнозирования и таким образом поддерживают работу процессов и устраняют необходимость выполнения рутинных задач операторами и технологами.

Сегодня в России на всех цементных заводах установлены автоматические системы управления. На ряде передовых предприятий автоматические системы управления все активнее замещаются интеллектуальными системами управления. Модели на основе больших данных и искусственный интеллект относятся к технологиям нового поколения, которые дадут отрасли множество серьезных преимуществ, к которым надо стремиться.

Примером успешного применения искусственного интеллекта стал новый сервис - современная технология поможет быстро подбирать вяжущие для укрепления грунтов, разработанный экспертами испытательного центра Группы компаний "Холсим Россия". Раньше рецепт дозировки смеси подсказывали специалисты грунтовой лаборатории, которые сначала исследовали привезенный с рабочей площадки грунт, после чего производили грунтоцементные образцы и определяли их предел прочности на одноосное сжатие. На эти манипуляции уходило от двух недель до месяца. Теперь же им на помощь пришел искусственный интеллект.

Сервис на основе искусственного интеллекта будет полезен в строительстве складов, парковок, торговых центров для возведения оснований под фундамент. Также технология укрепления грунта применяется в дорожном строительстве при производстве верхнего и нижнего слоев основания методом холодной регенерации старого асфальтового покрытия. Новая технология послужит и для инфраструктурного строительства в процессе укрепления откосов.

По мнению представителя Sinoma International, улучшенный контроль качества, возможный с системой искусственного интеллекта, делает более реальной возможность производства цемента специализированного назначения (спеццементов), что может стать источником роста прибыли компаний в будущем.

Таким образом, интеллектуальные решения для контроля и оптимизации процессов представляют собой мощные инновационные технологии, расширяющие возможности существующих решений, объединенных под понятием компьютерных средств поддержки процессов. Чтобы систематически обеспечивать надежную бесперебойную работу, максимальную эффективность, соответствие высочайшим стандартам качества и перспективы устойчивого развития в цементной промышленности, требуются не только наилучшие доступные технологии. Чтобы с выгодой использовать все доступные преимущества применения таких технологий, компьютеризированные решения должны быть реализованы не только в области эксплуатации и оптимизации, но на всех этапах жизненного цикла оборудования, начиная с этапа проектирования. Применение таких технологий требует глубокого знания как соответствующих методик, так и процессов, к которым они применяются. С учетом проблематики и доступных данных можно подобрать и применить максимально перспективный подход. Независимо от выбранной модели важно оценить и протестировать результаты ее применения до практической реализации изменений в процессе.

3.6 Выбросы вредных веществ при производстве цемента

3.6.1 Выбросы пыли

Выбросы пыли чаще всего ассоциируются с производством цемента, поскольку технология его производства включает в качестве обязательного процесса тонкое измельчение материалов. Выбросы пыли возникают везде, где потоки газов или воздуха контактируют с тонкоизмельченным неорганическим материалом: в процессе дробления, транспортировки, складирования сырьевых материалов, при помоле и обжиге сырьевой смеси, охлаждении и складировании портландцементного клинкера, помоле, транспортировке и отгрузке цемента, при хранении и подготовке твердого традиционного и (или) альтернативного топлива.

Пыль - это мелкие (менее 0,1 мм) частицы минерального или органического происхождения, взвешенные в воздухе или газе. Выбрасываемая пыль характеризуется разной дисперсностью. Согласно [26], при использовании электрофильтра в выбрасываемой пыли содержится до 90 % фракции менее 10 мкм (РМ10) и около 50 % фракции менее 2,5 мкм (РМ 2,5).

Выбросы тонкодисперсной пыли, состоящей из частиц размером менее 10 и 2,5 мкм, появляются в виде твердых веществ или аэрозолей. Такой тип пыли является результатом серии физико-химических реакций, например, взаимодействия оксидов азота, серы и аммиака, реагирующих с образованием сульфатов и нитратов аммония. Эти частицы оказывают серьезное влияние на здоровье человека. В цементной промышленности частицы размером 10 и 2,5 мкм могут появляться в процессе обжига и охлаждения, однако и вспомогательные процессы могут также привести к образованию тонкодисперсной пыли. Кроме того, тонкодисперсная пыль очень медленно оседает из атмосферы. Нахождение в верхних слоях атмосферы тонкодисперсной пыли в большой концентрации снижает уровень инсоляции земной поверхности, что может привести к заметному понижению средней годовой температуры.

Основная часть тонкой пыли может быть снижена путем снижения общего количества пыли. Заводы, оборудованные высокоэффективными обеспыливающими системами, содействуют образованию относительно малого количества тонкодисперсной пыли.

Источники выбросов пыли промышленных предприятий бывают стационарными, когда координата источника выброса не изменяется во времени, и передвижными (нестационарными), например, автотранспорт. Источники выбросов пыли подразделяются также на организованные и неорганизованные. Из организованного источника пыль поступает в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и трубы. Неорганизованный источник образуется в результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по удалению пыли в местах загрузки, выгрузки или хранения материалов. К неорганизованным источникам относят дороги, автостоянки, склады сыпучих материалов и другие площадные источники [56].

Химический состав пыли может изменяться в широких пределах. Для цементных заводов обычно рассматривают выбросы пыли с содержанием SiO ₂ до 20 масс. % и с содержанием SiO ₂ от 20 до 70 масс. %. Пыль с более высоким содержанием SiO ₂ считается более вредной для организма человека. Длительное вдыхание пыли с высоким содержанием SiO ₂ может привести к силикозу или силикатозу - распространенному и тяжело протекающему заболеванию с диффузным разрастанием в легких соединительной ткани и образованием характерных узелков [75].

По той же причине обычно рассматривают выбросы пыли с размером частиц более 10 мкм и тонкодисперсной пыли с размером частиц до 10 (до 2,5) мкм. Тонкодисперсная пыль значительно быстрее проникает в легочные альвеолы человека, вызывая, как было показано выше, не только силикоз или силикатоз, но и обостряет течение других легочных заболеваний, например, туберкулеза. Кроме того, тонкодисперсная пыль очень медленно оседает из атмосферы. Нахождение в верхних слоях атмосферы тонкодисперсной пыли в большой концентрации снижает уровень инсоляции земной поверхности, что может привести к заметному понижению средней годовой температуры.

Количество частиц фракции до 10 (до 2,5) мкм в пылевых выбросах цементных заводов после обеспыливания газов в современных рукавных и электрофильтрах может достигать 87-99 % от массы частиц, уносимых с безвозвратным пылеуносом [26].

Помимо экологических, снижение безвозвратных выбросов пыли имеет важные технологические аспекты: как правило, пыль представляет собой достаточно энергоемкий продукт, поэтому ее возврат в технологический процесс снижает общую энергоемкость процесса производства и улучшает качество конечного продукта.

Основным источником организованных выбросов пыли на цементных заводах являются вращающиеся печи, клинкерные холодильники, мельницы сухого помола (цементные, угольные), цементные силосы, установки для тарирования и отгрузки цемента. Неорганизованные выбросы пыли возникают при дроблении, транспортировке, складировании сухих материалов, при их подаче в бункера мельниц, движении автотранспорта по дорогам.

Информация по выбросам пыли на цементных заводах РФ достаточно противоречива. По данным, представленным предприятиями в анкетах, из 19 печных линий сухого способа производства на 10 выбросы взвешенных веществ (пыли) не превышают 50 мг/м ³, на 6 составляют 240-330 мг/м ³, а на одном предприятии - превышают 800 мг/м ³, что намного превышает технологические показатели выбросов взвешенных веществ (пыли) по ИТС 6-2015 (рисунок 3.3 а).

Для заводов мокрого способа производства картина несколько иная (рисунок 3.3 б) - выбросы взвешенных веществ (пыли) только у трех технологических линий превышают 500 мг/м ³. Причем на 12 технологических линиях отмечены выбросы менее 50 мг/м ³. Однако очень настораживают выбросы по технологической линии, отмеченной на графике под N 31, которые составили более 2800 мг/м ³.

Газоочистное оборудование для очистки отходящих печных газов от взвешенных веществ (пыли) работает одинаково эффективно как на заводах по мокрому, так и на заводах по сухому способу производства. И это достаточно наглядно показывают данные, представленные на рисунке 3.3.

В общем случае, максимальные выбросы пыли из цементных печей наблюдаются на старых цементных заводах мокрого способа производства, оснащенных электрофильтрами вертикального типа и работающих длительное время без модернизации и необходимого технического обслуживания. При своевременном проведении необходимых организационно-технических мероприятий средний уровень выбросов пыли из цементных печей на данных заводах не превышает 150-250 мг/м ³. Для современных цементных заводов сухого способа производства при правильно подобранной системе обеспыливания и своевременном проведении ее технического обслуживания выбросы пыли из цементных печей обычно не превышаю 50 мг/м ³.

Выбросы взвешенных веществ (пыли) из цементных мельниц сильно разнятся для предприятий сухого и мокрого способов производства (рисунок 3.4). Из 31 цементной мельницы сухого способа производства на 24-х выбросы взвешенных веществ (пыли) не превышают 50 мг/м ³ и лишь на семи составляют 78-105 мг/м ³.

Рисунок 3.3 - Выбросы взвешенных веществ (пыли неорганической с содержанием SiO ₂ до 20, от 20 до 70 и более 70 масс. %), в мг/м ³, из печи по предприятиям сухого (а) и мокрого (б) способов производства

Вместе с тем на предприятиях мокрого способа производства только на 27 цементных мельницах из 67 выбросы взвешенных веществ (пыли) не превышают 50 мг/м ³. На отдельных цементных мельницах выбросы составляют 600-900 мг/м ³, что позволяет сделать вывод о неэффективной работе газоочистного оборудования на этих предприятиях.

Для снижения выбросов пыли на цементных заводах используются различные устройства: пылеосадительные камеры, циклоны (одиночные или групповые), скрубберы (мокрые циклоны), рукавные фильтры и электрофильтры.

Рисунок 3.4 - Выбросы взвешенных веществ (пыли неорганической с содержанием SiO ₂ до 20, от 20 до 70 и более 70 масс. %), в мг/м ³, из цементных мельниц по предприятиям сухого (а) и мокрого (б) способов производства

Пылеосадительные устройства различаются по эффективности своего действия. Минимальной эффективностью (способностью улавливать пыль) обладают пылеосадительные камеры и одиночные циклоны, максимальной - рукавные фильтры и электрофильтры. Пылеосадительные камеры и циклоны используются для первичной очистки запыленных газов или воздуха. Эффективность их действия увеличивается с ростом концентрации пыли. Рукавные фильтры и электрофильтры используются, как правило, для окончательной (финишной) очистки газов. Эффективность их действия обычно возрастает с уменьшением концентрации пыли в обеспыливаемых газах.

Важнейшим фактором, оказывающим влияние на эффективность функционирования рукавных фильтров, является удельная нагрузка на фильтрующий материал С, м ³/. Величина удельной нагрузки зависит от свойств пыли и фильтрующего материала и обычно составляет 50-200 м ³/. Чем меньше величина С, тем выше эффективность функционирования рукавного фильтра.

Эффективность работы электрофильтра зависит от степени ионизации обеспыливаемого газа и скорости газового потока в сечении электрофильтра, которая не должна превышать 0,5-1,5 м/с. Чем выше степень ионизации и ниже скорость газового потока, тем больше пыли улавливается в фильтре.

В таблице 3.7 приведены средние значения эффективности различных пылеулавливающих устройств.

Правильный подбор оборудования для обеспыливания газов и обеспечение оптимальных режимов его работы позволяют снизить выбросы пыли при производстве цемента до приемлемых уровней.

Таблица 3.7 - Эффективность обеспыливания технологических газов в устройствах различного типа

Устройство	Эффективность обеспыливания (%)
	По общему количеству пыли	Частицы менее 10 мкм	Частицы менее 2,5 мкм
Циклон	70-75	52-55	30-33
Электрофильтр	95-99	94-98	93-99
Рукавный фильтр	97-99	98-99	95-99
Скруббер	90-99	92-98	85-96

3.6.2 Выбросы оксидов азота NO _x

Оксиды азота представляют собой одно из ключевых загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу при производстве цемента. Они состоят из смеси монооксида NO ( 95 %) и диоксида азота N ₂O ( 5 %).

Монооксид азота NO - это бесцветный, без запаха, плохо растворимый в воде газ. При концентрации до 50 ppm он не проявляет токсических или раздражающих свойств. Диоксид азота NO ₂ - это газ, который заметен даже при небольшой концентрации: он имеет коричневато-красноватый цвет и особый острый запах. При концентрации более 10 ppm является сильным коррозийным агентом и сильно раздражает носовую полость и глаза. При концентрации более 150 ppm вызывает бронхит, а свыше 500 ppm. - отек легких, даже если воздействие длилось всего несколько минут. Монооксид азота NO, который присутствует в городском воздухе, может самопроизвольно переходить в диоксид азота NO ₂ при фотохимическом окислении с формированием такого явления, как смог.

Существуют три пути образования оксидов азота при обжиге портландцементного клинкера:

- тепловые оксиды азота (тепловые NO _x);

- быстрые оксиды азота (быстрые NO _x);

- топливные оксиды азота (топливные NO _x).

Тепловые NO _x образуются при высокой температуре (Т > 1200 °С) в основном в зоне обжига и высокой концентрации кислорода при окислении атмосферного азота кислородом в процессе горения (механизм Зельдовича). Количество образующихся тепловых NO _x увеличивается с повышением температуры факела и коэффициента избытка воздуха в печи. Поэтому трудно обжигаемая смесь, которая требует создания более горячей зоны, будет способствовать большему образованию NO _x, чем легко обжигаемая смесь. Скорость реакции также увеличивается с повышением содержания кислорода (коэффициент избытка воздуха). Работа печи с повышенным содержанием кислорода на холодном конце приводит к повышению количества NO _x в зоне горения (хотя выделение SO ₂ и СО может снизиться), как показано на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Образование NO _x при высокой температуре (зона горения с температурой > 1200 °C) с атмосферным N ₂, O и OH по [76]

Тепловые NO _x образуются преимущественно при сжигании газообразного топлива (природный газ и сжиженный нефтяной газ) и топлива, в котором не содержатся вещества, имеющие в своем составе азот.

Быстрые NO _x образуются в факеле горящего топлива путем сложных реакций взаимодействия радикалов СН с азотом N ₂ с образованием HCN, который затем быстро распадается на NO _x, CO ₂ и H ₂O (механизм Фенимора). Количество быстрых NO _x зависит от формы и температурного профиля факела и увеличивается при сжигании обогащенных смесей и при низкотемпературном горении, достигая 25 % от общего количества образующихся оксидов азота.

Топливные NO _x образуются из азотсодержащих соединений, входящих в состав твердых и жидких топлив, особенно угля. Даже относительно чистый уголь содержит около одного процента по массе химически связанного азота. Механизм образования NO _x заключается в превращении азотсодержащих соединений топлива в аммиак NH ₃ и HCN с последующим доокислением до NO _x. Топливные NO _x образуются при низкотемпературном горении, когда образование NO _x по остальным механизмам относительно невелико.

Выбросы NO _x особенно велики для длинных вращающихся печей мокрого способа производства при обжиге труднообжигаемых сырьевых смесей с использованием газообразного топлива. С увеличением влажности топлива выбросы NO _x снижаются.

В печах сухого способа, оснащенных циклонными теплообменниками и декарбонизаторами, часть топлива (до 60 %) сжигается в декарбонизаторе при температурах до 1000 °С, что приводит к снижению суммарных выбросов NO _x за счет снижения образования тепловых NO _x. Подобным образом действуют и другие способы частичного сжигания топлива в холодном конце печи: в газоходе перед первой ступенью циклонного теплообменника или в камере колосникового теплообменника.

При снижении температуры факела и коэффициента избытка воздуха в печи, снижении содержания азота в топливе или сжигаемых топливных отходах, снижении реакционной способности и увеличении длительности реакции горения топлива выбросы NO _x обычно снижаются. Большое влияние на образование NO _x оказывает конструкция форсунки печи.

По данным [26], среднегодовое выделение NO _x из цементных печей стран ЕС в 2004 году составило примерно 785 мг/нм ³ (в пересчете на NO ₂) с минимумом в 145 мг/нм ³ и максимумом 2040 мг/нм ³. В большинстве стран ЕС концентрация NO _x в отходящих газах цементных печей ограничена законодательно. Для печей сухого способа с циклонными теплообменниками она составляет 200-450 мг/нм ³, для длинных печей мокрого способа производства - 400-800 мг/нм ³. Нижние пороговые значения выбросов характерны при использовании специальных технологий.

На цементных заводах РФ в отходящих печных газах производят отдельные замеры оксида азота NO и диоксида азота NO ₂ (рисунки 3.6 и 3.7), и полученные значения не пересчитывают на NO ₂.

Рисунок 3.6 - Содержание диоксида азота NO ₂ (а) и оксида азота NO (б) в отходящих печных газах технологических линий сухого способа производства

В дымовой трубе концентрация NO выше NO ₂. Содержание NO составляет 95 % от общего содержания оксидов азота, а NO ₂ - 5 % (теоретически). На воздухе происходит окисление оксида азота (трансформация) NO + 1/2 O ₂ NO ₂, и тогда уже на границе ССЗ концентрация NO ₂ намного будет превышать концентрацию NO.

Если посмотреть на значения выбросов оксидов и диоксидов азота, представленных на рисунках 3.6 и 3.7, то видно, что на одних технологических линиях (например, 4, 6 сухого способа производства, и 7, 8, 9, 17, 18, 19, 21 и 22 мокрого способа производства) производят замеры выбросов оксидов азота именно из печной трубы. На остальных же предприятиях указывают выбросы оксидов азота на границе ССЗ.

Рисунок 3.7 - Содержание диоксида азота NO ₂ (а) и оксида азота NO (б) в отходящих печных газах технологических линий мокрого способа производства

Кроме того, указанные некоторыми предприятиями выбросы (например, на технологических линиях 1-3, 8-11 сухого способа производства и 1, 20, 31-33 мокрого способа производства) получены не инструментальными методами, а расчетным путем. Не могут быть выбросы оксидов азота при получении серого портландцементного клинкера 100-150 мг/м ³, поскольку это противоречит физической сущности процесса горения топлива. При производстве клинкера белого цемента процесс происходит в восстановительной атмосфере, в которой образование NO _x затруднено или они восстанавливаются до элементарного азота. Поэтому при обжиге клинкера белого цемента возможны очень низкие значения выбросов оксидов азота - 80-100 мг/м ³.

3.6.3 Выбросы диоксида серы SO ₂

Выбросы диоксида серы SO ₂ из цементных печей зависят прежде всего от концентрации летучих соединений серы в сырьевых материалах и топливе, а также от способа производства цемента и внутренней циркуляции летучих сернистых соединений в печи. Диоксид серы может выбрасываться в атмосферу в виде SO ₂, а также в виде различных сернистых соединений с пылью или клинкером.

Диоксид серы - бесцветный газ с раздражающим запахом, токсичен. Симптомы отравления сернистым газом - насморк, кашель, охриплость, першение в горле. При вдыхании сернистого газа более высокой концентрации - удушье, расстройство речи, затруднение глотания, рвота, возможен острый отек легких. Предельно допустимая концентрация SO ₂ в воздухе рабочей зоны - 10 мг/нм ³.

В зависимости от месторождения сырьевые материалы могут содержать серу в виде сульфатов MeSO ₄ (реже - сульфитов MeSO ₃) или сульфидов MeS. Сульфаты - это стабильные соединения, которые только частично разлагаются термически при высокой температуре в зоне спекания вращающейся печи. Большая часть сульфатной или сульфитной серы выходит из печи с портландцементным клинкером. Сульфидная сера окисляется кислородом еще в циклонном теплообменнике и частично выходит из печи в виде газообразного SO ₂. Сера и сернистые соединения, поступающие во вращающуюся печь с топливом, окисляются до SO ₂. Однако в более холодных зонах печи SO ₂ реагирует со щелочами сырья с образованием сульфитов или сульфатов, вновь поступающих в печь. Создается кругооборот диоксида серы в печи, что приводит к его постепенному накоплению.

Зона декарбонизации вращающейся печи - идеальное место для захвата SO ₂ из отходящих газов. Степень связывания SO ₂ из газов зависит от содержания в них кислорода, температуры, влагосодержания, времени пребывания газа в зоне, концентрации SO ₂, поверхности материала, связывающего SO ₂. В дальнейшем часть диоксида серы может удаляться из печи с безвозвратным пылеуносом, а большая часть - с портландцементным клинкером.

Выбросы SO ₂ из вращающейся печи увеличиваются при наличии в сырьевых материалах органической серы или серы в виде пирита или марказита (лучистого колчедана). При обжиге сырьевых материалов, в которых сера присутствует в виде сульфатов (сульфитов), выбросы SO ₂ из печи обычно не превышают 10 мг/нм ³.

В длинных печах мокрого способа производства контакт между SO ₂ и щелочными материалами не так хорош, поэтому сера из топлива может привести к некоторому увеличению выбросов SO ₂.

В башне кондиционирования отходящих газов при сухом способе производства связывается относительно небольшое - около 10 % - количество SO ₂. А вот сырьевая мельница, в которой происходит постоянное обнажение новых поверхностей материала и присутствует большое количество водяных паров, позволяет снизить концентрацию SO ₂ в отходящих дымовых газах на 20-70 %.

При отклонении от нормальных режимов работы печи выбросы SO ₂ могут значительно увеличиваться. К таким отклонениям относятся:

- восстановительная среда при обжиге клинкера, снижающая связывание SO ₂ в нелетучие неорганические соединения;

- чрезмерное накопление сульфатов при длительном внутреннем кругообороте летучих соединений серы в печи и (или) циклонном теплообменнике.

Для цементных заводов стран ЕС данные по выбросам диоксида серы были обобщены в 2004 году для 253 вращающихся печей как среднегодовые результаты 24-х часовых измерений [26]. Установлено, что величина выбросов колеблется от 0 до 4837 мг/нм ³ при среднем значении выбросов 218,9 мг/нм ³.

Для цементных заводов РФ выбросы оксидов серы не превышают 400 мг/м ³ (рисунок 3.8). Причем значения в интервале 200-400 мг/м ³ связаны, скорее всего, с повышенным содержанием летучих соединений серы в сырьевых материалах и топливе.

Рисунок 3.8 - Содержание диоксида серы SO ₂ в отходящих печных газах технологических линий сухого (а) и мокрого (б) производства

3.6.4 Выбросы оксида углерода СО

Оксид углерода СО в дымовых газах клинкерообжигательных печей может появиться двумя путями. Первый путь связан с неполным сгоранием технологического топлива при недостаточном количестве кислорода в воздухе или недостаточном количестве воздуха, подаваемого во вращающуюся печь или в декарбонизатор вращающейся печи. Второй путь связан с присутствием различных органических соединений, содержащих углерод, в сырьевых материалах. В газовой среде, содержащей до 3 об. % кислорода О ₂, 80-95 % органического углерода окисляются до СО ₂, а 5-20 % образуют СО.

Оксид углерода СО - бесцветный ядовитый газ без запаха и вкуса. Даже в низкой концентрации попадание СО в организм человека приводит к головной боли, головокружению, шуму в ушах, одышке и повышенному сердцебиению, в тяжелых случаях - к судорогам, потере сознания, коме. ПДК СО (разовое значение) составляет 20 мг/м ³ (около 0,0017 %).

Присутствие СО в дымовых газах цементных печей приводит к снижениям выбросов оксидов азота NO _x вследствие их восстановления до элементарного азота.

Однако выбросы диоксида серы SO ₂ могут при этом увеличиться, так как в восстановительной среде SO ₂ хуже связывается со щелочными соединениями и образует менее стабильные сульфиты. При концентрации СО более 0,5 % в дымовых газах, содержащих кислород, образуется взрывоопасная смесь, способная к взрыву и разрушению оборудования для улавливания пыли (электрофильтра). На современных цементных заводах специальные устройства отключают электрофильтр при превышении порогового значения концентрации СО в отходящих дымовых газах.

Восстановительная среда в печи приводит к ухудшению качества портландцементного клинкера: идет частичное разрушение алюмоферритов кальция, алита, образуются менее активные полиморфные модификации белита.

Выбросы СО, как правило, увеличиваются при пуске или остановке вращающихся печей, при нестабильном питании печи топливом или при использовании топлива с резко изменяющимися характеристиками. При стабильной работе и правильной настройке печного агрегата выбросы СО из печей для обжига клинкера обычно невелики.

Измерения, выполненные для 29 цементных заводов Германии, оснащенных оборудованием для непрерывного мониторинга концентрации СО в отходящих газах вращающихся печей, показали среднегодовую концентрацию в пределах 200-2200 мг/нм ³ при разовых выбросах до 5000 мг/нм ³[26].

В ЕС выбросы монооксида углерода в отходящих газах вращающихся печей законодательно не нормируются. Ограничивается только проскок СО, который не может превышать 30 мин за год.

Для цементных заводов РФ выбросы СО изменяются в среднем от 75 до 800 мг/м ³ (рисунок 3.9). Высокие выбросы 1030 мг/м ³ для технологической линии сухого способа производства и 3420 мг/м ³ для технологической линии мокрого способа производства, скорее всего, являются не средними, а разовыми.

Рисунок 3.9 - Содержание монооксида углерода СО в отходящих печных газах технологических линий сухого (а) и мокрого (б) производства

3.6.5 Выбросы CO ₂ от печей для обжига клинкера

В процессах производства клинкера выбросы CO ₂ связаны с кальцинированием карбонатов используемого сырья, в основном известняковых пород (и, в гораздо меньшей степени, сжиганием органического углерода, содержащегося в этом сырье) и сжиганием печного топлива.

В ЕС и в большинстве стран мира выбросы CO ₂ определяются и регистрируются как выбросы парниковых газов (ПГ).

Киотский протокол (международное соглашение, заключенное с целью сокращения выбросов ПГ в атмосферу Земли для противодействия глобальному потеплению), подписанный более чем 190 странами, был принят в 1997 году и вступил в силу в 2005 году. Его главная цель - сокращение выбросов парниковых газов в промышленно развитых странах как минимум на 5 % в период с 2008 по 2012 год по сравнению с уровнями 1990 года. В настоящее время принят Парижский договор, вступивший в силу с 2016 года, основная цель которого поддерживать повышение глобальной температуры значительно ниже 2 °C по сравнению с доиндустриальными уровнями.

В ЕС и некоторых штатах США выбросы CO ₂ контролируются и сообщаются в соответствии со схемами выбросов парниковых газов, которые в ЕС включают схему торговли выбросами (ETS).

Подсчитано, что выбросы СО ₂ составляют 900-1000 кг/т серого клинкера при потреблении тепла 3500-5000 МДж/т клинкера, однако эта величина зависит от типа применяемого топлива [26]. Благодаря снижению клинкер-фактора количество выделяемого СО ₂ снижается в пересчете на тонну цемента.

Около 62 % от общего количества СО ₂ выделяется в процессе декарбонизации известняка сырьевой смеси, а оставшееся 38 % - при горении топлива. Выделение СО ₂ при сгорании топлива прямо пропорционально удельному расходу тепла на обжиг клинкера и отношению содержания в нем углерода к его теплотворной способности.

За последние 25 лет выделение СО ₂ при сгорании топлива снизилось примерно на 30 % в связи с постоянным увеличением эффективности процессов его сжигания в печи.

Сегодня технологии для контроля выбросов CO ₂ в цементной промышленности находятся в стадии разработки или опытной проверки. Сокращения, достигнутые за последние 30 лет, были в основном сосредоточены на двух основных аспектах: сокращение энергии (электрической и термической), необходимой для производства продукции, а также в цементном секторе - частичной замене клинкера другими материалами (вяжущие/добавки).

Следовательно, в настоящее время нет НДТ для сокращения выбросов CO ₂ для цементной промышленности, за исключением многих мероприятий, проводимых в рамках сокращения энергопотребления и замены клинкера при производстве цемента.

Помимо надлежащего проведения операций обжига цементного клинкера, рекомендуется использовать следующие методы предотвращения и контроля выбросов СО ₂:

- выбор технологического процесса и режима работы, способствующих повышению эффективности энергопотребления (сушка/предварительный нагрев/предварительный обжиг);

- выбор топлива с низким отношением содержания углерода к калорийности (например, природный газ, дизельное топливо или некоторые виды альтернативного топлива);

- увеличение использования биогенного (нейтрального в отношении выбросов СО ₂) топлива;

- выбор сырья с низким содержанием органических веществ;

- производство многокомпонентных цементов, которые потенциально позволяют существенно снижать потребление топлива и, соответственно, выбросы СО ₂ в расчете на тонну конечного продукта.

3.6.6 Выбросы металлов и их соединений

Металлы и их соединения поступают в печь для обжига клинкера с сырьевыми материалами и с технологическим топливом. Их концентрация может изменяться в широких пределах. Уровень эмиссии металлов в атмосферу определяется сложными механизмами.

В зависимости от летучести металлов и их соединений все металлы могут быть разделены на 4 класса:

1. Металлы, которые в чистом виде или в виде соединений с другими элементами представляют собой тугоплавкие, нелетучие вещества. К ним относятся такие металлы, как Ва, Ве, Cr, As, Ni, Al, Ca, Fe, Mn, Cu и Ag. В процессе обжига эти металлы полностью адсорбируются клинкером и выводятся из печи вместе с ним. В отходящих газах они могут присутствовать только в виде пыли, а уровень их эмиссии в атмосферу зависит только от эффективности работы пылеулавливающего оборудования.

2. Металлы, которые в виде соединений являются частично летучими: Sb, Cd, Pb, Se, Zn, K и Na. В виде сульфатов или хлоридов эти металлы способны возгоняться в интервале температур 1000-1300 °С и конденсироваться при 700-900 °С, что приводит к явлению внутренней рециркуляции и их накоплению в нижних ступенях циклонного теплообменника и в зоне твердофазовых реакций. Они также практически полностью выводятся из печи с клинкером, а уровень их эмиссии в атмосферу зависит от эффективности работы пылеулавливающего оборудования.

3. Таллий Tl в виде металла или в виде соединений обладает высокой летучестью. Так, конденсация TlCl происходит в температурном интервале 450-550 °С, т.е. в верхних ступенях циклонного теплообменника, что приводит к накоплению и постепенному росту его концентрации в составе пыли.

4. Ртуть Hg является крайне летучим соединением. Она почти полностью удаляется из печи с отходящими газами, и лишь незначительная ее часть адсорбируется пылью с последующим осаждением в пылеулавливающих установках.

В соответствии с [77], металлами или их соединениями, относящимися к 1 классу опасности, являются Ba, Be, V, Hg, Cd, Ni, Pb, Tl, Te и Se. Среди этих металлов частичной и высокой летучестью обладают Hg, Cd, Tl и Pb.

Поведение и уровень эмиссии отдельных металлов зависит от их летучести, способа ввода в печь, концентрации металла в сырьевых материалах и топливе (как минеральном, так материалах из отходов - альтернативном), возникновения явления рециркуляции и аккумулирования металлов и от эффективности осаждения пыли в пылеосадительной системе.

Металлы, внедренные в процесс обжига через сырьевые материалы и топливо, могут испаряться полностью или частично в печи в зависимости от их летучести, взаимодействия с соединениями, присутствующими в газовой фазе, и конденсироваться на клинкере, подаваемом в холодильник. Металлы из топлива первоначально поступают в дымовые газы, но выбрасываются вместе с ними из печи в очень малом количестве благодаря удерживающей способности печи.

Поскольку отношение сырьевых материалов к топливу в клинкере составляет примерно 10:1, вид и природа сырьевых материалов являются решающим фактором для выбросов металлов, но для очень летучих металлов, таких как ртуть, твердое топливо (например, уголь) может вносить значительный вклад в выбросы из дымовой трубы.

Нелетучие металлы почти полностью выходят из печи с портландцементным клинкером. Концентрация этих металлов в пыли, выбрасываемой в атмосферу после очистки газов в пылеосадительных установках, незначительна. Многолетними исследованиями установлено, что с портландцементным клинкером выносятся следующие тяжелые элементы: As ( 92 %), Ni ( 97 %), Zn ( 88 %), Be ( 96 %).

Частично летучие и высоколетучие металлы и их соединения имеют тенденцию к организации кругооборота (рецикла) внутри печной системы и циклонного теплообменника. В процессе кругооборота их концентрация в определенных зонах печи и теплообменника постепенно увеличивается, что приводит к некоторому увеличению эмиссии данных металлов и их соединений в атмосферу вместе с пылью. Большая часть Cd ( 88 %) и Pb ( 77 %) удаляется вместе с безвозвратным пылеуносом. Одновременно увеличивается их вынос из печи вместе с портландцементным клинкером.

Особое положение среди металлов благодаря своей высокой летучести занимает ртуть. В интервале температур, соответствующих температуре отходящих из печи газов, почти вся ртуть находится в газообразном состоянии и полностью выносится из печи в атмосферу. Лишь незначительная часть ртути при резком снижении температуры отходящих газов может конденсироваться на частицах пыли и, таким образом, улавливаться в системе пылеосаждения. Высоколетучие Hg ( 98 %) и Tl ( 42 %) удаляются из вращающейся печи с отходящими газами.

В таблице 3.8 приведен примерный диапазон концентраций тяжелых металлов, выбрасываемых в атмосферу из цементных печей, после прохождения отходящих газов через системы пылеулавливания. Определение концентраций металлов в воздухе выполнялось в соответствии с методикой [78]. В таблице использованы данные, полученные в 1996-1998 гг. для цементных заводов стран ЕС, и данные отдельных измерений, выполненных в РФ в 2010-2014 гг.

Замеры выбросов тяжелых металлов, проведенные предприятиями Группы компаний "Холсим (Россия)" и Хайдельбергцемент Рус в 2017-2020 гг., показали, что значения выбросов не превышают технологических показателей, установленных в ЕС [26].

Токсичные свойства тяжелых металлов проявляются при вдыхании их пыли, паров или при контакте этих же веществ с кожей человека.

В странах Европы допустимые выбросы тяжелых металлов регламентируются Шведским (LRV) и Германским (TA-Luft) Международными соглашениями о чистоте воздуха. В соответствии с этими соглашениями тяжелые металлы разделены на классы в соответствии со своей токсичностью.

Наибольшую опасность представляют Cd, Hg, Tl, которые отнесены к I классу по токсичности. Максимальная допустимая концентрация этих металлов в газовых выбросах в сумме не должна превышать 0,20 мг/нм ³.

Ко II классу отнесены As, Co, Ni, Se, Те с максимальной допустимой концентрацией 1,00 мг/нм ³.

Таблица 3.8 - Уровни эмиссии тяжелых металлов в атмосферу из цементных печей, оснащенных системами пылеулавливания

Металл	Концентрация, мг/нм 3
	Цементные заводы ЕС	Цементные заводы РФ
Сурьма Sb	< 0,007-0,05	0,0037-0,13
Мышьяк As	< 0,007-0,025	< 1,0
Бериллий Be	< 0,004	-
Свинец Pb	< 0,012-0,2	0,0054-4,38 *
Кадмий Cd	< 0,002-0,008	0,0007-0,13
Хром Cr	< 0,014-0,03	0,0017-3,41 *
Кобальт Co	< 0,012-0,15	< 0,009
Медь Cu	< 0,011-0,095	0,0017-0,23 *
Марганец Mn	< 0,007-2,0	0,013-0,82 *
Никель Ni	< 0,008-0,075	0,0025-0,13 *
Ртуть Hg	< 0,005-0,12	0,0005-0,0013
Селен Se	< 0,008-0,02	-
Теллур Te	< 0,0017-0,015	-
Таллий Tl	< 0,005-0,03	0,0025-0,67 *
Ванадий V	< 0,007-0,075	0,0068-0,22
Цинк Zn	< 0,1-0,45	< 0,006
Олово Sn	< 0,01-0,025	-
*Примечание: значение получено при низкой эффективности системы пылеулавливания.

К III классу по токсичности отнесены Cr, Сu, Pb, Pd, Pt, Rh, Sb, Sn, V с максимально допустимой концентрацией в газовых выбросах 5,00 мг/нм ³.

3.6.7 Выбросы газообразных хлоридов и фторидов (HCl и HF)

Неорганические соединения хлора и фтора являются минорными компонентами портландцементного клинкера: их содержание в клинкере обычно не превышает 0,05-0,1 масс. % в пересчете на ион хлора Cl ^-.

Хлориды и фториды попадают в систему вращающейся печи двумя способами: с сырьевыми материалами как примесь или, в некоторых случаях, как специальная добавка с целью интенсификации процесса клинкерообразования и снижения температуры обжига портландцементного клинкера или как компонент использующихся для производства цемента отходов/материалов из отходов, главным образом топливных. В процессе обжига хлориды и фториды взаимодействуют со щелочными компонентами сырьевой смеси (Ca, Na, K и др.) с образованием легкоплавких и летучих соединений. Благодаря своей высокой летучести щелочные хлориды и фториды возгоняются (испаряются) в горячих зонах печи (декарбонизации, твердофазовых реакций, спекания) и потоком дымовых газов уносятся в более холодные зоны, где при температурах 600-900 °С вновь переходят в твердое состояние (конденсируются), оседают на поверхности частиц сырьевой смеси и пыли и вновь направляются в более горячие зоны печи. В результате внутри печи и частично циклонного теплообменника образуется устойчивый кругооборот щелочных соединений хлора и фтора, что приводит к многократному локальному повышению концентрации этих соединений. В присутствии значительного количества легкоплавких щелочных соединений хлора и фтора наблюдается неконтролируемое налипание обжигаемого материала на стенки циклонов, газоходов, футеровку печи, что приводит к нарушению газодинамического режима работы печного агрегата. Кроме того, увеличивается концентрация соединений хлора и фтора в клинкере и безвозвратном пылеуносе.

Для разрыва циклического кругооборота легкоплавких соединений хлора и фтора в печи используется система байпасирования печных газов. Принцип работы системы байпаса заключается в отборе из соответствующей зоны печи или теплообменника небольшого количества (5-15 об. %) дымовых газов с температурой 900-1000 °С, содержащих соединения хлора и фтора в газообразном состоянии, с последующим резким охлаждением этих газов до 400-550 °С путем разбавления воздухом или впрыском воды; при этом газообразные соединения хлора и фтора конденсируются на поверхности пылевидных частиц в газовом потоке с последующим улавливанием этих частиц в циклоне или рукавном фильтре. Обеспыленные дымовые газы с температурой до 400-500 °С возвращаются в печную систему, а пыль с осевшими на ней соединениями хлора и фтора направляется в отвал или утилизируется путем использования в качестве вспомогательного компонента при помоле портландцемента. Благодаря разрыву циклического кругооборота концентрация соединений хлора и фтора в печи постепенно снижается до допустимого предела.

Негативным явлением при использовании байпасной системы является некоторое увеличение удельного расхода тепла на обжиг клинкера и образование дополнительного количества трудно утилизируемого отхода производства.

Так как соединения хлора и фтора удаляются из печи вместе с пылью, то выбросы этих соединений в значительной мере зависят от эффективности функционирования системы пылеулавливания, особенно в отношении пыли мелкой фракции с размером частиц менее 10 (2,5) мкм.

Периодические измерения, проводимые на цементных заводах стран ЕС, показали среднее значение выбросов HCl 3,63-4,23 мг/нм ³; при этом примерно треть значений оказалась ниже предела обнаружения. Среднее значение выбросов HF составило 0,32-0,61 мг/нм ³; при этом более половины измеренных значений оказались ниже предела обнаружения [26].

В РФ на цементных заводах на ряде предприятий (ООО "Холсим (Рус) Строительные Материалы" (Щурово), филиал ООО "Хайдельбергцемент Рус" в пос. Новогуровском и др.) проводятся периодические замеры выбросов хлоридов и фторидов. Выбросы из печей HCl составили 0,1-3 мг/м ³ и HF - 0,06-0,2 мг/м ³, что существенно ниже предельно допустимых значений по [26].

3.6.8 Выбросы полихлорированных пара-дибензодиоксинов (ПХДД) и дибензофуранов (ПХДФ)

Дибензодиоксины и дибензофураны могут образовываться в результате сложных процессов, зависящих от конструкции печи, условий горения, условий питания печи и типа эксплуатируемого обеспыливающего оборудования. Кроме того, присутствие хлора совместно с органическими соединениями может потенциально вызвать образование ПХДД и ПХДФ в любом высокотемпературном процессе. Указанные соединения могут образоваться в циклонном теплообменнике или после теплообменника, в установках обеспыливания, если в сырьевых материалах присутствуют в достаточном количестве хлор и углеводороды. Однако образование дибензодиоксинов и дибензофуранов и их последующие выбросы происходят, если одновременно соблюдаются пять условий:

а) наличие углеводородов;

б) наличие хлоридов;

в) наличие катализатора:

1) считается, что Cu ²⁺ (и Fe ²⁺) оказывают каталитический эффект;

г) наличие соответствующего температурного интервала:

1) между 200 и 450 °С с максимумом при 300-325 °С;

д) длительное время пребывания материалов в соответствующем интервале температур.

Кроме того, молекулярный кислород должен присутствовать в газовом потоке. Скорость образования ПХДД и ПХДФ увеличивается с повышением концентрации кислорода с порядком реакции примерно 0,5.

Как отмечалось выше, преобразование хлордибензооксинов и дибенофуранов может осуществиться в температурном интервале 450-200 °С. Таким образом, важно, чтобы газы, выходящие из печной системы, быстро охлаждались ниже этих температур. На практике это достигается тем, что дымовые газы в теплообменнике контактируют с сырьевыми материалами. Образование ПХДД и ПХДФ в теплообменнике не происходит при превышении температуры, при которой эти соединения разлагаются. Быстрое разложение ПХДД и ПХДФ происходит при температурах выше 925 °С. Более того, деструкция поддерживается динамикой процесса перемещения материала в более горячие зоны теплообменника, в то время как газ перемещается в более холодные зоны. Адсорбированные на материале, поступающем в печь, ПХДД и ПХДФ транспортируются к зонам с повышенной температурой (400-600 °С), где они термически разлагаются или деградируют до более легких гомологов. Они переходят в газовую фазу и в более холодных зонах (200-300 °С) ресублимируются на материале, входящем в печь. Следовательно, благодаря длительному времени пребывания в печи и высокой температуре при постоянных режимах работы печи выбросы указанных соединений в основном невелики. Детальные исследования и измерения в странах ЕС показали, что уровень выбросов ПХДД и ПХДФ в цементной промышленности может быть классифицирован в настоящее время как низкий, даже когда различные виды отходов/материалов из отходов используются в качестве альтернативного топлива. Данные в ЕС были собраны с печей мокрого и с печей сухого способа производства, работавших в различных эксплуатационных условиях и с использованием широкого класса отходов/материалов из отходов, подаваемых как через горелку, так и через вход печи (теплообменник или декарбонизатор).

Для оценки результатов измерений и для сравнения результатов, полученных в различных лабораториях, было введено понятие об I-TEQ, являющегося аббревиатурой для международного эквивалента токсичности [79].

Эти исследования позволили сделать заключение, что в Европе цементное производство является редчайшим (очень незначительным) источником выбросов ПХДД и ПХДФ, потому что:

- большинство цементных печей имеют выбросы на уровне 0,1 нг I-TEQ/нм ³ при применении первичных мер предосторожности;

- использование отходов/материалов из отходов в качестве альтернативного топлива и сырьевых материалов при подаче в главную горелку, печной питатель или в декарбонизатор не влияет на выбросы ПХДД и ПХДФ [80].

В 2004 году данные по выбросам ПХДД и ПХДФ были собраны для различных цементных заводов в странах ЕС. При измерениях рассчитывается средний показатель за период отбора проб 6-8 ч. Полученные данные показывают, что цементные печи в Европе в основном соответствуют требованиям Европейского законодательства по сжиганию опасных отходов (Директива ЕС 2000/76/ЕС) с уровнем выбросов 0,1 нг I-TEQ/нм ³.

Измерение выбросов ПХДД и ПХДФ из 39 вращающихся печей в Германии (печи с запечными циклонными теплообменниками и печи Леполь) показали, что концентрация выбросов находится в основном ниже 0,2 нг I-TEQ/нм ³. Минимальный обнаруживаемый уровень ПХДД и ПХДФ составляет 0,0024 нг I-TEQ/нм ³. В 26 случаях выбросы вообще не были зафиксированы. В Испании измерение выбросов (89 измерений) ПХДД и ПХДФ были выполнены на 41 печи. Причем для процесса обжига в печах использовали различные виды топлива. Для печей, использующих альтернативное топливо, выбросы находились в интервале 0,83-1,33 нг I-TEQ/т клинкера и являются вполне сравнимыми с результатами, полученными для обычного топлива, при использовании которого выбросы находились в пределах 0,67-246 нг I-TEQ/т клинкера [81-82].

В работе [83] было проанализировано 2200 измерений выбросов диоксинов/фуранов из дымовых труб, собранных из различных источников. Показано, что большинство цементных печей могут обеспечить уровень выбросов 0,1 нг I-TEQ/нм ³, если применяются первичные меры, т.е. меры, интегрированные в технологический процесс.

На некоторых цементных заводах в России в 2017-2021 гг. были проведены измерения выбросов ПХДД/ПХДФ. Протоколы измерений, выполненных ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, показывали во всех случаях среднюю концентрацию ПХДД/Ф, равную < 0,1 нг/нм ³ ПХДД/Ф I-TEQ/нм ³.

3.7 Уровень шума, возникающего в процессе производства цемента

Для производства цемента характерен высокий уровень шума и вибраций, возникающих в процессе работы различных установок и аппаратов: дробилок, мельниц, сепараторов, вентиляторов, дымососов, вибраторов, электродвигателей и приводов печей и мельниц.

Длительное воздействие шума и вибраций на человека может повредить его слуховой аппарат, угнетает центральную нервную систему, вызывает изменение скорости дыхания и пульса, способствует нарушению обмена веществ, возникновению сердечно-сосудистых заболеваний, гипертонической болезни, может приводить к профессиональным заболеваниям.

Часто уровень шума и вибраций зависит от конструкции фундамента, на котором установлено оборудование. Использование специальных фундаментов и устройств, гасящих вибрацию, позволяет заметно снизить уровень шума в производственных цехах.

Общий уровень шума на территории предприятия может быть снижен путем размещения оборудования с высоким уровнем шума в изолированных закрытых цехах, укрытиях, путем рационального использования природных звукозащитных барьеров, таких, как строения, стены, деревья или кустарники.

Если жилая зона находится близко от завода, планирование строительства новых зданий на промплощадке должно увязываться с необходимостью снижения шумовых выбросов.

3.8 Экологические маркеры при производстве портландцемента

Производство цемента может осуществляться различными способами, различающимися потреблением тепла (топлива), энергии и природных материальных ресурсов. Сам процесс производства сопровождается эмиссией в окружающую среду различных веществ и факторов, оказывающих негативное влияние на экологию: пыли, вредных и токсичных газов, соединений металлов, органических веществ, шума, запаха и т.п.

Использование всего перечня технологических особенностей производства, выбросов вредных веществ или физических явлений для сравнения технологий с целью выбора наилучших из них, обеспечивающих максимальную защиту окружающей среды, является чрезвычайно сложной или практически невыполнимой задачей.

Федеральным законом от 21 июля 2014 года N 219-ФЗ [84] определено, что измерения при осуществлении производственного экологического контроля производятся в отношении маркерных загрязняющих веществ, определяемых для контроля загрязнения окружающей среды в зависимости от применяемых технологических процессов.

Для сравнительной оценки технологий производства портландцемента предлагается использовать следующие маркеры:

- маркеры - показатели технологической эффективности производства, непосредственно влияющие на экологию процесса производства;

- маркеры экологические - вещества или физические явления, возникающие при производстве цемента, эмитируемые в окружающую среду и наносящие ощутимый экологический вред окружающей среде и здоровью человека.

В качестве маркеров - показателей технологической эффективности производства - предлагается использовать:

- удельный расход сырьевых материалов на производство 1 т портландцементного клинкера и цемента;

- удельный расход топлива на обжиг 1 т портландцементного клинкера;

- удельный расход энергии на производство 1 т портландцемента.

В качестве экологических маркеров при применении традиционного ископаемого топлива следует использовать:

выбросы:

- взвешенные вещества (пыль неорганическая);

- оксидов азота NO _x (сумма азота оксида (NО) и азота диоксида (NО ₂), в пересчете на NО ₂);

- серы диоксид SO ₂;

- углерода оксид СО.

При использовании альтернативных видов топлива возможны изменения состава загрязняющих веществ в выбросах отходящих газов. Поэтому перечень маркерных веществ изменяется. В технологиях с процессами совместного сжигания отходов/материалов из отходов мониторинг предусматривает контроль содержания следующих компонентов:

- NO _x (сумма азота оксида (NО) и азота диоксида (NО ₂), в пересчете на NО ₂);

- углерода оксид CO;

- взвешенные вещества (пыль);

- HCl;

- HF;

- серы диоксид SO ₂;

- металлы: Hg, Cd, Tl, Pb, Cu.

Перечень экологических маркеров, устанавливаемых данным справочно-нормативным документом, может быть расширен с учетом технологических особенностей процесса производства цемента на том или ином предприятии. Так, если сырьевая база предприятия характеризуется высоким содержанием соединений того или иного металла, относящегося к I или II классу токсичности, или предприятие использует альтернативные сырьевые материалы и (или) топливо, в отношении которых имеется вероятность, что они содержат вредные с экологической точки зрения вещества, то на данном предприятии должны быть организованы периодические измерения концентрации данных веществ в основных технологических выбросах предприятия. Перечни дополнительных маркерных загрязняющих веществ устанавливаются нормативными документами в области охраны окружающей среды в соответствии со ст. 29 ФЗ-219 [84].

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Имеется в виду "статья 29 Федерального закона от 10 января 2002 г. N 7-ФЗ "Об охране окружающей среды", в редакции Федерального закона от 21 июля 2014 г. N 219-ФЗ"

Выбросы маркерных веществ обычно измеряются в мг/нм ³. Эта концентрация соответствует потоку газа в стандартном состоянии, т.е. сухому газовому потоку при температуре 273 К и давлении 101,3 кПа при содержании кислорода О ₂ 10 об. %. Если фактическое содержание кислорода в газовом потоке отличается от 10 об. %, то пересчет концентрации выбросов в стандартное состояние осуществляется по формуле:

,

Где: С _изм. и С _станд. - концентрация выбросов, соответственно измеренная в потоке и при стандартном состоянии, мг/нм ³;

О _факт. - фактическая концентрация кислорода в потоке в момент измерения, об. %.