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

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

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

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

При этом протекают следующие физико-химические процессы:

Основные стадии производства портландцемента представлены на рисунке 2.1.

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

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

2.1 Основные способы производства цемента

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

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

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

в) комбинированный способ подразделяют на два варианта:

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

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

Все способы производства включают в себя следующие общие процессы:

- сырьевые материалы - хранение и подготовку;

- топливо - хранение и подготовку;

- использование отходов/материалов из отходов в качестве сырьевых материалов и (или) топлива, определение их качества, контроль и подготовку;

- печную систему, систему сжигания топлива и установки для снижения вредных выбросов;

- продукты - хранение и подготовку;

- упаковку и отгрузку.

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

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

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

2.1.1 Технологическая схема мокрого способа производства цемента

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

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

Преимущества:

- упрощенные технологическая схема и оборудование;

- получение качественной и стабильной сырьевой смеси (шлама).

Недостатки:

- высокий расход топлива и огнеупоров;

- повышенный выброс в атмосферу парникового газа (CO₂), паров воды (H₂O) и NO_X;

- низкая единичная мощность печи;

- практически отсутствие системы автоматизации процесса обжига;

- пониженная производительность труда.

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

Таблица 2.1 - Основные проектные показатели печей мокрого способа производства

Показатели	Размерность	Производительность, т/сутки
Показатели	Размерность	500	600	850	1200	1800
Диаметр печи	м	4/3,5	3,6	4,0	4,5	5,0
Длина печи	м	125	150	150	170	185
Холодильник		рекуператорный		колосниковый
Удельный расход топлива	кг у.т./ ^*	190-230
^* кг у.т./т кл. - кг условного топлива на тонну клинкера.

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

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

2.1.2 Технологическая схема полусухого способа производства цемента

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

Преимущество:

- пониженный расход топлива;

Недостатки:

- конструктивная сложность оборудования;

- повышенная требовательность к гранулируемости сырья.

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

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

В России такие две печи сохранились на Липецком цементном заводе.

2.1.3 Технологическая схема сухого способа производства цемента с циклонными теплообменниками

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

Преимущества:

- низкий удельный расход топлива и сырьевых материалов;

- пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO₂), паров воды (H₂O) и NO_X.

Недостатки:

- некоторое затруднение приготовления сырьевой смеси стабильного состава

- некоторое снижение качества клинкера;

- усложненная технологическая схема.

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

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

2.1.4 Технологическая схема комбинированного способа

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

Преимущества:

- пониженный расход топлива, огнеупоров и сырьевых материалов;

- пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO₂), паров воды (H₂O) и NO_X;

- при переводе процесса с мокрого на комбинированный сохраняется стадия помола шлама, что снижает капитальные затраты на реконструкцию;

- получение качественной и стабильной сырьевой смеси, обеспечивающей повышенное качество клинкера;

- высокая степень автоматизации технологических процессов.

Рисунок 2.5 - Технологическая схема комбинированного способа приготовления клинкера

Недостатки:

- наличие дополнительного оборудования;

- необходимость дополнительной операции по фильтрации шлама.

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

2.1.5 Технологическая схема сухого способа без традиционного сырьевого цеха

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

Преимущества:

- пониженный расход топлива, огнеупоров и сырьевых материалов;

- повышенная единичная мощность агрегатов;

- пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO₂) и паров воды (H₂O);

- отсутствие традиционного сырьевого цеха;

- высокая степень автоматизации технологических процессов.

Недостатки:

- сложность приготовления гомогенной сырьевой смеси стабильного состава;

- отсутствие склада запаса сырьевой смеси.

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

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

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

2.1.6 Технологическая схема сухого способа производства для сырья высокой влажности

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

Приготовление сырьевой смеси и обжиг клинкера - по сухому способу.

Преимущества:

- низкий удельный расход топлива, огнеупоров и сырьевых материалов;

- высокая единичная производительность печи до 6000 т/сутки;

- пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO₂), паров воды (H₂O) и NO_X;

- высокая степень автоматизации технологических процессов;

- возможность выработки электроэнергии с применением газотурбинной установки и утилизации газов после нее с температурой 450 °С для сушки сырья;

- высокая производительность труда.

Недостатки:

- некоторое снижение качества клинкера;

- усложненная технологическая схема.

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

2.1.7 Технологическая схема сухого способа производства для сырья низкой влажности

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

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

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

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

Таблица 2.2 - Основные показатели различных способов производства цемента

N п/п	Параметры	Размерность	Способ производства
N п/п	Параметры	Размерность	мокрый	Комбинированный	сухой
1	Максимальная мощность печи:
2	- в мире	т/сут.	3000	6000	12000
3	- в России	т/сут.	1800	2300	6000
4	Расход условного топлива	кг у.т./ ^*	215	140	120
5	Расход электроэнергии:
6	- мягкое влажное сырье	/	90	105	115
7	- твердое сырье низкой влажности	/	120	-	110
8	Расход сырья, топлива и воздуха	т/	5,0	3,5	3,1
9	Расход огнеупоров в зоне спекания	кг/	1,0	0,5	0,3
10	Выход отходящих газов	т/	4,0	2,5	2,1
11	Выход СО₂	кг/	850	710	710
12	NO_X в факеле при газовом топливе	мг/нм³	1000	2000	2500
13	NO_X в отходящих газах	мг/нм³	1000	500	500
14	NO_X в отходящих газах	кг/	3,5	1,1	0,9
15	Качество клинкера	%	100	105	90
16	Технология	-	простая	сложная	сложная
17	Управление процессом	-	сложное	простое	простое
18	Степень автоматизации	-	низкая	высокая	высокая
^* кг у.т./т кл. - кг условного топлива на тонну клинкера.

2.2 Сырьевые материалы - добыча, хранение и подготовка

2.2.1 Сырьевые материалы и их добыча

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

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

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

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

2.2.2 Характеристика сырьевых материалов

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

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

Наиболее распространенные материалы представлены в таблице 2.3.

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

Карбонатный компонент оценивается по содержанию СаСО₃, которое должно быть не менее 76 %. В известняках и мелах СаСО₃ содержится от 95 до 100 %; в мергелистых известняках - 90-95 %; в известняковых мергелях - 75-90 %; в мергелях - 40-75 %.

Мергель, содержащий СаСО₃ 76 %, является мергелем-натуралом, и при добавлении к нему Fe₂O₃ создастся высокореакционная сырьевая смесь. Такая сырьевая смесь снижает температуру спекания клинкера на 50-100 °С, обеспечивает высокое качество клинкера, экономию топлива, огнеупоров и снижение выбросов в атмосферу отходящих из печи парниковых газов СО₂ и NO_X.

Качество алюмосиликатного компонента оценивается по трем показателям:

- отношению SiO₂/Al₂O₃;

- наличию крупнокристаллического кварца (фракции более 80 мкм);

- наличию примесей.

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

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

Таблица 2.3 - Химический состав компонентов, % масс.

Материалы	ППП	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	СаО	MgO	SiO₂/Al₂O₃
Компоненты - природные материалы
1. Мел	39,8-43,9	0,4-3,9	0,3-1,3	0,2-0,8	50,3-55,5	0,1-0,6	2,6
2. Известняк	33,6-44,2	0,2-12,3	0,1-2,5	0,1-1,9	41,2-54,4	0,3-2,2	4,8
3. Мергель	22,2-36,2	6,2-39,7	0,3-8,2	0,1-3,8	19,7-51,8	0,8-10,1	2,7
4. Глина	2,5-17,2	53,2-73,1	11,2-17,8	4,6--7,5	1,0-8,2	0,8-2,6	4,4
Компоненты - техногенные материалы
5. Огарки	0-8,8	4,8-19,7	2,8-9,5	65,2-80,1	2,8-9,5	0,3-5,2	2,0
6. Шлак доменный	-	20-44	5-23	0,2-1,0	29-53	0-18	2,3
7. Шлак мартенов.	-	18-22	6-10	3-8	35-42	5-20	2,5
8. Шлак ОЭМК ⁴	7,50	28	5	16	41	15	5,6
9. Шлам аглодом. "Тулачермет"	0	8,95	3,03	40,17	8,01	1,41	2,9
10. Шлак конверт. "Б", Липецк	0	7,4	1,51	64,25	7,73	2,64	4,9
11. Шлак конвер. "А", Липецк	0	2,0	0,53	75,13	10,91	4,71	3,8
12. Шлак конвертер. "Северосталь", Череповец	0	3,6	0,46	75,98	10,7	4,7	7,9
13. Щебень шлаковый (доменный) ЮУГПК ⁵	4,67	36,38	9,23	8,10	33,21	5,05	3,9
14. Шлам аглодоменный	0	13,7	1,54	68,6	11,1	2,89	8,9
15. Нефелиновый шлам	2,42	30,5	2,98	2,03	58,2	2,0	10,0
16. ЗШО ⁶ Рязанской ГРЭС	4,33	51,6	23,16	17,17	3,1	0,57	2,2
17. ЗШО Губкинской ТЭС	9,93	47-53	23-27	7-12	1-2,5	1-1,5	2,0
18. ЗШО Воронежской ТЭС	0,1	49-52	17-21	10-15	2,6-4	1,5	2,6
19. ЗШО ТЭС Мосэнерго	20-24	57-58	21-22	9,5	4,5	2,5	2,6

Таблица 2.4 - Содержание примесей в компонентах в пересчете на оксиды, % масс.

Компоненты	K₂О	Na₂O	SO₃	Cl^-	TiO₂	P₂O₅	Cr₂O₃	MnO	BaO	SrO	ZrO₂	V₂O₅	ZnO
Известняк	0	0	0,01	0	0,01	0,01	0	0,04	0	0,01	0	0	0	0,08
Глина	2,10	1,13	0,42	0,18	0,69	0,11	0,05	0,10	0	0,03	0,01	0,02	0,01	4,85
Шлак домен.	0,46	0,30	1,04	0	0,64	0	0,05	0,13	0	0,04	0,02	0	0	0,88
Шлак мартен.	0,06	0,03	0,42	0	0,29	0,53	1,14	6,67	0	0,02	0	0,23	0	9,39
Шлак ОЭМК	0,10	0,33	0,15	-	0,35	-	0,70	1,40	-	-	-	-	-	2,68
Шлак ОЭМК	0,10	0,33	0,15	0,1	0,35	-	0,21	2,15	-	-	-	-	-	2,68
Огарки пирит.	0,26	0,28	10,5	-	0,46	-	-	-	-	-	-	-	-	1,15
Шлам аглод.	0,18	0,1	0,79	0,1	0,5	-	0,003	-	-	-	-	-	-	1,67
Шлак "Б"	0,31	0,43	0,5	0,18	0,21	-	-	0,8	-	-	-	-	-	2,43
Шлак "А"	0,6	0,03	0,37	0,22	0,2	-	0,01	1,29	-	-	-	-	-	2,72
Шлак конверт.	0,54	0,8	0,71	0,43	0,78	0,3	0,06	0,94	-	0	0	-	-	4,56
Щебень шлак.	0,43	0,32	1,14	0	0,47	0,05	0,37	0,46	0,04	0,03	0,01	0,02	0,02	3,36
Шлам нефел.	0,43	0,54	0,22		0,22	0,43	0,01	0,11	-	-	-	-	-	-
ЗШО Рязанской ГРЭС	0,52	0,35	0,09	0,001	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,961
ЗШО Губкинской ТЭС	0,3	1,9	0,4	0,01	-	-	-	-	-	-	-	-	-	2,61
ЗШО Воронеж. ТЭС	0,29	3,1	0,9	-		-	-	-	-	-	-	-	-	4,29
ЗШО ТЭС Мосэнерго	1	1,5	0,7	0,01	-	-	-	-	-	-	-	-	-	3,21

Глины представлены кварцем, глинистыми минералами - каолинитом, монтмориллонитом, галлуазитом, бейделитом. Присутствуют ( 3 %) щелочесодержащие минералы - иллит, микроклин и альбит. Важным показателем качества глины является содержание в ней крупнокристаллического кварца, так как при превышении определенной величины необходима повышенная температура спекания клинкера, из-за чего повышаются расход топлива, объем отходящих из печи газов, включая СО₂, SО_X, NO_X и, как следствие, выброс вредных веществ в атмосферу. Поэтому необходимо минимизировать содержание крупнокристаллического кварца в сырьевой смеси. Для ЗАО "Осколцемент" это ограничение равно 1,5 %, для АО "Себряковцемент" - 4 %.

Доменный шлак представляет собой стекло. Закристаллизованный доменный шлак имеет мелилитовый состав и содержит немного - и MgO.

Мартеновский шлак в основном содержит FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃ и . Присутствуют также -SiO₂, MgO, монтичеллит и диопсид .

Шлак ОЭМК содержит (A), MgO, -C₂S, , , FeO и Fe₂O₃.

Шлаки мартеновские и ОЭМК могут быть применены как железосодержащая добавка.

Так как шлаки содержат значительное количество СаО, то при их применении снижается содержание СаСО₃ в сырье, следовательно, затраты тепла на декарбонизацию и тепловой эффект клинкерообразования, что значительно снижает выброс в атмосферу продуктов горения и СО₂ из сырья. Поэтому, чем больше некарбонатной извести в шлаке, тем больше будут экономический и экологический эффекты. Кроме того, при применении шлака решается еще одна экологическая проблема - снижается объем шлакохранилищ.

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

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

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

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

2.2.3 Влияние примесей в сырье на процессы обжига и качество клинкера

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

Содержание ангидрида серной кислоты SO₃ в сырьевой смеси ограничивается до 0,8 %, поскольку сернистые соединения в высокотемпературной зоне улетучиваются, накапливаются в печных зонах, затем вновь конденсируются, постоянно циркулируя в пределах печной системы. Содержание этих соединений в обжигаемом материале может увеличиться примерно в два и более раз, особенно в присутствии щелочей. При концентрации кислорода в отходящих газах более 2-2,5 % серосодержащие соединения при 1100-1300 °С временно образуют силикосульфат кальция , при разложении которого образуется алит пониженной активности. При концентрации О₂ более 3-4 % сера, окисляясь до SO₃, в значительной степени остается в клинкере, снижая его качество. При пониженной концентрации О₂ < 1,5 % в зоне горения повышается содержание более легколетучего SO₂, что снижает SO₃ в клинкере, повышает его качество, но повышается выброс оксидов серы в атмосферу и, следовательно, ухудшается состояние окружающей среды. Кроме того, SO₃ является одной из основных причин образования настылей в теплообменниках и колец в печи. Наличие повышенного количества SO₃ в клинкере может снижать прочность цемента в результате заведомого снижения необходимого количества вводимого гипса при помоле, т.к. SO₃ клинкера одновременно титруется на колонке при определении количества гипса в цементе.

Щелочи (K₂О и Na₂O) и хлор почти всегда содержатся во всех сырьевых материалах, переходя затем в клинкер. При обжиге сырьевой смеси щелочные, как сернистые и хлористые соединения, возгоняются и накапливаются в газовых и материальных потоках. Отрицательное влияние щелочесодержащие соединения оказывают при значительном их содержании и на обжиг клинкера, изменяя последовательность процесса минералообразования, значительно ускоряя образование белита, изменяя свойства клинкерного расплава, замедляют алитообразование. Летучесть хлора в высокотемпературных зонах печи, по данным фирмы KHD, составляет 99 %, K₂О - 50 %, и Na₂O - 10 %.

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

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

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

Оксид магния MgO может поступать в сырьевую смесь с известняком или с глиной в виде примеси в них доломита или магнезита MgСO₃. В интервале температур 600-750 °С в процессе разложения магнезита (доломита) выделяется MgO, который частично растворяется в клинкерном расплаве, незначительно снижая его вязкость, частично в алите, белите и в минералах плавнях. В основном MgO остается в свободном состоянии в виде кристаллического периклаза, который медленно гидратируется, когда раствор или бетон уже затвердели. В результате гидратации происходит увеличение объема, которое нарушает прочность изделия и даже может вызвать его разрушение. Поэтому содержание MgO в сырьевой смеси ограничивается не более 3 %.

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

Оксиды марганца обнаруживаются в глинах и мергелях в виде родохрозита MnСO₃ или в доменных шлаках в виде алабандина MnS, радонита и тефроита , но в заводских сырьевых смесях количество их весьма невелико. Оксид марганца MnO положительно влияет на процессы минералообразования, которые ускоряются в присутствии 0,5-2,0 % MnO и завершаются на 50-100 °С ниже обычной температуры. В процессе обжига понижается вязкость расплава и улучшается кристаллизация алита.

Введение в сырьевую смесь 0,5-1,0 % Mn₂O₃ способствует увеличению количества жидкой фазы и образованию призматических кристаллов алита размером 10-40 мкм. Одновременно увеличивается в клинкере содержание алита и алюмоферритной фазы и уменьшается количество С₃А и C₂S. Присутствие оксида марганца повышает гидратационную активность цемента в 28 суточном возрасте.

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

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

Оксидстронция SrO в природных условиях чаще всего встречается в виде минералов целестина SrSO₄ и стронцианита SrСO₃ как возможные примеси в известняке, доломите, мергеле и гипсоносных глинах. В сырьевых смесях оксид стронция в количестве 0,5 % ускоряет процесс клинкерообразования, снижает температуру образования клинкерного расплава и его вязкость, в количестве 0,25 % от массы клинкера обеспечивает рост гидратационной активности цемента. При повышении содержания оксида стронция прочность цемента снижается. Таким образом, присутствие SrO в количестве 0,2-0,3 % в клинкере весьма желательно для повышения активности портландцемента.

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

2.2.4 Транспортировка сырья с карьера

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

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

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

2.2.5 Первичное измельчение сырья

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

Дробилки с применением давления: щековые, конусные, валковые.

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

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

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

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

Преимущества валковой дробилки:

- возможность дробления липких высоковлажных материалов;

- простота конструкции;

- низкий удельный расход электроэнергии;

- малый износ дробящих элементов.

Недостатки:

- низкая кратность дробления;

- затруднения при дроблении твердых пород.

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

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

Преимущества:

- повышенная производительность;

- пониженный расход электроэнергии;

- отсутствие мелющих тел;

- исключена операция догрузки и перегрузки мельницы мелющими телами;

- может измельчать как мягкие, так и твердые материалы;

- может работать по мокрому и сухому способам;

- может измельчать материал большого размера до 300-500 мм.

Недостаток:

- повышенная крупность измельченного материала, требующего домола.

Рисунок 2.10 - Мельницы самоизмельчения мокрого и сухого способов производства

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

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

Преимущества:

- высокая кратность измельчения до 70;

- пониженный расход электроэнергии;

- компактность и простота конструкции;

- возможность регулирования размера фракции дробимого материала в процессе работы;

- высокая степень автоматизации.

Недостатки:

- высокий износ дробящих элементов;

- повышенное пылевыделение.

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

Преимущества:

- дробилка максимально приближена к забою, что сокращает затраты на транспортировку исходного материала до дробилки;

- применение наиболее экономичного транспорта - ленточных транспортеров;

- отсутствие зданий и сооружений.

Недостаток:

- повышенная стоимость установки.

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

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

2.2.6 Усреднение и хранение сырьевых компонентов

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

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

Рисунок 2.12 - Усреднительный склад сырьевых компонентов фирмы

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

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

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

2.3 Измельчение сырьевых материалов

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

2.3.1 Мокрый помол с получением сырьевого шлама

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

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

2.3.2 Помол сырья по сухому способу

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

2.3.2.1 Рациональная схема помола высоковлажного мягкого сырья без трудноразмалываемых включений

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

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

Преимущества:

- простота технологической схемы;

- практически отсутствие самостоятельного сырьевого цеха;

- возможность сушки сырья высокой влажности до 32 %;

- пониженный расход электроэнергии;

- высокая скорость помола, обеспечивающая более легкую автоматизацию процесса.

Недостаток:

- ограниченность применения - только для мягкого сырья без твердых трудноразмалываемых включений.

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

2.3.2.2 Рациональная схема помола сырья "тандем" с трудноразмалываемыми включениями

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

Рисунок 2.14 - Схема "тандем" для помола материала различной размалываемости и влажности

Преимущества:

- применимость схемы для помола сырья различной размалываемости и влажности;

- высокая скорость помола, обеспечивающая более легкую автоматизацию процесса;

- умеренный расход электроэнергии.

Недостатки:

- усложненная схема, необходимость применения шаровой мельницы.

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

2.3.2.3 Распространенная схема помола любого сырья

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

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

Преимущества:

- возможность измельчения материала различной размалываемости и влажности с исходным размером до 300-500 мм;

- компактность (сепаратор встроен в мельницу);

- пониженный расход электроэнергии только на помол сырья 5-7 /т;

- малые эксплуатационные расходы - отсутствуют операции перегрузки, загрузки, выгрузки мелющих тел;

- низкий уровень шума;

- высокая скорость помола, обеспечивающая более легкую автоматизацию процесса;

- малое пылевыделение;

- высокая производительность до 1000 т/ч.

Недостатки:

- сложность конструкции и трудоемкость ремонта;

- повышенный расход электроэнергии на транспортирование размолотого материала восходящим газовым потоком;

- частая замена или восстановление размалывающих поверхностей при измельчении абразивных материалов.

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

2.3.2.4 Рациональная схема помола трудноразмалываемого сырья пониженной влажности

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

Преимущества:

- низкий расход электроэнергии - на 10 % ниже, чем на ВТВМ;

- относительная простота конструкция;

- малые эксплуатационные расходы - отсутствуют операции перегрузки, загрузки, выгрузки мелющих тел;

- сниженные ремонтные затраты;

- высокая скорость помола, обеспечивающая более легкую автоматизацию процесса;

- низкий уровень шума;

Недостаток:

- применимость только для твердых пород пониженной влажности.

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

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

2.4 Корректировка и усреднение сырьевой смеси

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

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

- отсутствие промежуточных коррекционных емкостей;

- получение более однородного состава сырьевой смеси из-за смешения компонентов в процессе помола;

- снижение расхода сжатого воздуха на перемешивание смеси в емкостях.

Недостатки:

- необходимость непрерывного анализа смеси в потоке;

- необходимость гамма-нейтронного анализатора или системы получения усредненной пробы смеси для оперативного периодического анализа.

2.4.1 Корректировка и усреднение шлама при мокром способе

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

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

Рисунок 2.17 - Порционный и полупоточный способы корректирования шлама

Рисунок 2.18 - Вертикальный и горизонтальный шламбассейны

Преимущество:

- обеспечение высокой стабильности химического состава шлама.

Недостатки:

- необходимость значительного времени на приготовление шлама;

- необходимость большого количества емкостей;

- при каждой смене бассейна наблюдается некоторое резкое изменение режима работы печей, что требует соответствующую корректировку эксплуатационных показателей.

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

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

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

Рисунок 2.19 - Поточная схема приготовления шлама:

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

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

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

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

2.4.2 Корректировка и усреднение сырьевой смеси при сухом способе

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

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

Рисунок 2.20 - Степень усреднения сырья на различных технологических переделах

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

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

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

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

Рисунок 2.21 - Смесительный силос и этапы смешения

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

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

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

Рисунок 2.22 - Поточная схема корректирования сырьевой смеси до сушки и помола, реализованная на Воронежском филиале АО "Евроцемент груп"

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

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

Такая схема реализована и успешно реализована на АО "Себряковцемент".

Рисунок 2.23 - Коррекционные и усредненные силосы сырьевой смеси на заводе ООО "Азия Цемент"

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

2.5 Характеристика, подготовка и сжигание топлива

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

2.5.1 Характеристика топлива

Характеристика топлива включает следующие показатели: химический состав, теплоту сгорания, расход воздуха на горение, выход продуктов горения, жаропроизводительность (теоретическую температуру горения) и содержание в сухих продуктах горения CO₂ + SO₂ = RO₂^max при отсутствии избытка воздуха.

2.5.1.1 Твердое топливо

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

Таблица 2.5 - Параметры, характеризующие состав твердого топлива

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

Каменный уголь - характеристика горючей массы:

а) состав:

1) углерод - 75-90 %;

2) водород - 4-6 %;

3) кислород - 2-15 %;

4) сера - 0,5-0,7 %;

5) летучие - 10-50 %;

6) зольность - 13-22 % (сухой массы);

7) влажность - 5-5 % (природной рабочей массы);

8) RO₂^max - 18,0-19,3 %;

б) теплота сгорания - 31-35 МДж/кг ⁸;

в) жаропроизводительность t^max - 2200 °С;

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

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

е) нижний концентрационный предел воспламенения угольной пыли - 114 г/м³,

ж) температура воспламенения - 969 °С.

2.5.1.2 Жидкое топливо

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

а) состав:

1) углерод - 86,1-86,3 %;

2) водород - 9,6-10,7 %;

3) сера - 0,5-3,5 %;

4) влажность - 0-2 %;

5) RO₂^max = 15,9-16,2 %;

б) теплота сгорания = 38,3-40,3 МДж*/кг;

в) жаропроизводительность t^max = 2240 °С;

ГАРАНТ:

Нумерация подпунктов приводится в соответствии с источником

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

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

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

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

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

2.5.1.3 Газообразное топливо

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

Характеристика природного газа:

а) состав:

1) CH₄ - 81,7-98,7 %;

2) C_nH_m - 1,2-9,5 %;

3) CO₂ - 0,1-0,4 %;

4) N₂ - 0,5-8,5 %;

5) RO₂^max - 11,6-12,0 %;

б) теплота сгорания:

1) - 36-38 МДж/нм³;

2) - 33-36 МДж/ст.м³ ⁹;

в) жаропроизводительность t^max - 2040 °С;

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

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

2.5.2 Складирование и безопасное хранение угля

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

Запрещается:

- складировать уголь свежей добычи на старые отвалы угля, пролежавшие более одного месяца;

- принимать на склады уголь с явно выраженными очагами самовозгорания;

- перемещать горящий уголь транспортерными лентами и отгружать их в железнодорожный транспорт или бункера;

- располагать штабели угля над источниками тепла (паропроводами, трубопроводами горячей воды, каналами нагретого воздуха и т.п.), а также над проложенными электрокабелями и нефтепроводами.

- предусмотреть станцию инертизации с жидким или газообразным CO₂.

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

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

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

2.5.3 Подготовка твердого топлива

2.5.3.1 Требования к форсуночному топливу

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

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

Требования к форсуночному топливу:

- теплота сгорания низшая - 21 МДж/кг.

- зольность - A^ф 30 % ¹⁰;

- влажность - W^ф 1-2 %;

- остаток на сите N 02 - R₀₂ 1,5-2,0 %; N 008 - R₀₀₈ 10-15 % ¹¹;

2.5.3.2 Схемы подготовки форсуночного топлива

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

- объединенная с печью система, когда весь сушильный агент направляется в печь в качестве первичного воздуха для транспортирования угольного порошка (рисунок 2.25);

- разъединенная схема, когда применяется индивидуальная независимая от печи сушильно-помольная система (рисунок 2.26);

- система прямого вдувания угольного порошка из быстродействующей мельницы в печь (рисунок 2.27).

Особенность работы каждой схемы приведены ниже.

Объединенная с печью система (рисунок 2.25):

Преимущество:

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

Рисунок 2.25 - Объединенная с печью система подготовки угля

Недостатки:

- большой объем до 30 % холодного первичного воздуха взамен горячего вторичного, что приводит к перерасходу топлива;

- ограничена влажность исходного угля до 8 %;

- зависимость объема первичного воздуха от необходимого объема сушильного агента, т.е. работы печи от системы углеподготовки.

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

Рисунок 2.26 - Разъединенная с печью система подготовки угля

Преимущества:

- возможность независимо регулировать процесс сжигания топлива и подготовки угольного порошка;

- применение горячего вторичного воздуха вместо холодного первичного, что приводит к экономии топлива;

- возможность применения более современных форсунок, позволяющих сжигать горючие отходы/материалы из отходов.

Недостаток:

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

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

Рисунок 2.27 - Система прямого вдувания угольного порошка в печь ¹²

Преимущества:

- отсутствие выброса угольной пыли газов в атмосферу, следовательно, схема более экологична;

- компактность, малое количество оборудования;

- пониженный расход электроэнергии;

- низкие капитальные затраты.

Недостатки:

- повышенный объем холодного первичного воздуха;

- ограничена влажность исходного угля до 8 %;

- зависимость работы печи от системы углеподготовки.

2.5.4 Система подачи газообразного топлива в печь

На рисунке 2.28 представлена система подачи газообразного топлива в печь.

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

Рисунок 2.28 - Система подачи газообразного топлива в печь:

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

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

2.6 Горелочные устройства для вращающихся печей

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

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

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

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

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

Рисунок 2.31 - Устройство и принцип работы многоканальной горелки 2

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

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

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

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

Преимущества горелок ГИД и ДВГ:

- простота конструкции;

- отсутствие или наличие первичного воздуха до 2 %;

- возможность регулирования формы и температуры факела изменением скорости вылета газа и завихрением газового потока.

Недостатки:

- применимы только для газообразного топлива;

- отсутствие защитной теплоизоляции;

- не приспособлены для сжигания альтернативного топлива.

Преимущества зарубежных горелок:

- возможность применения различных видов топлива;

- возможность сжигания альтернативного топлива;

- наличие защитной теплоизоляции;

- возможность регулирования формы и температуры факела изменением скорости вылета и завихрением топливно-воздушного потока.

Недостатки:

- усложненная массивная конструкция;

- несколько завышен объем первичного воздуха.

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

Рисунок 2.32 - Многоканальная горелка 3

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

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

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

Данная горелка используется на ОАО "Цесла". В качестве основного вида топлива используется уголь, в качестве альтернативного могут использоваться остатки сортировки ТКО/RDF ¹³.

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

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

Рисунок 2.34 - Многоканальная горелка 4

Преимущества горелки 4:

- возможность одновременного использования различных видов природного и альтернативного топлива (твердого, жидкого и газообразного);

- низкое выделение NO_x при малом расходе первичного воздуха, но при повышенной скорости сгорания материала в горелке, что обеспечивается двумя каналами первичного воздуха;

- отсутствие движущихся частей - регулировка формы факела осуществляется с помощью воздушных вентилей, установленных на внутренних линиях подачи первичного воздуха.

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

Рисунок 2.35 - Многоканальная горелка 5:

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

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

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

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

2.7 Утилизация отходов и использование материалов из отходов

2.7.1 Общие аспекты

Согласно Федеральному закону от 24 июня 1998 года. N 89-ФЗ "Об отходах производства и потребления" [45], отходы - это вещества или предметы, которые образованы в процессе производства, выполнения работ, оказания услуг или в процессе потребления, которые удаляются, предназначены для удаления или подлежат удалению. При производстве цемента не образуется технологических отходов. Наоборот, отходы многих производств могут использоваться в качестве сырьевых материалов и/или альтернативного топлива при производстве портландцементного клинкера и цемента.

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

Таблица 2.6 - Показатели эффективности по удельным выбросам СО₂ на тонну серого клинкера в сравнении с углеродоемкостью топливной смеси и соотношение альтернативных видов топлива в различных регионах за 2016 год по [47]

Показатель	СНГ	ЕС 28	Германия
Валовые выбросы CO₂, за исключением CO₂, образующегося при производстве электроэнергии на месте, кг CO₂/т серого клинкера	15,0	13,0	18,0
Углеродоемкость топливной смеси, г CO₂/МДж	9,0	8,0	10,0
Потребление альтернативных ископаемых и смешанных видов топлива, производство серого клинкера, доля тепловой энергии	30,6	27,0	34,2
Потребление топлива из биомассы, производство серого клинкера, доля тепловой энергии	20,4	27,2	31,5

Под альтернативным видом топлива понимают любые материалы или вещества, которые могут быть использованы в качестве топлива, отличного от ископаемого топлива, такого как, нефть, уголь и природный газ и др.

Использование альтернативных видов топлива (АТ) наравне с современными печами и оптимизированными технологическими процессами способствует снижению удельного коэффициента выбросов СО₂. Из таблицы 2.6 видно, что низкий уровень использования отходов/материалов из отходов в качестве альтернативного топлива сопровождается высокой углеродоемкостью топливной смеси и, следовательно, приводит к высоким удельным выбросам CO₂ (на тонну серого клинкера).

Углеродоемкость СНГ (79,6 г СО₂/МДж) включает относительно высокую долю горючего природного газа, имеющего низкий коэффициент выбросов. Использование только угля привело бы к гораздо более высоким выбросам CO₂.

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

1. Борьба с изменением климата - использование AТ является одним из основных подходов к снижению емкости CO₂ в производстве цемента. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), AТ может способствовать сокращению выбросов СО₂ на 0,9 млрд т во всем мире до 2050 года [48].

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

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

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

- сохранение ископаемых ресурсов;

- возможность получения альтернативных видов топлива из отходов достаточно высокого качества;

- изучение вопроса о внесении примесей и/или загрязнителей в технологический процесс (например, хлора, ртути и др.);

- качество клинкера;

- мониторинг выбросов отходящих газов;

- очистка отработавших газов.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- максимальные температуры приблизительно 2000 °С (основная горелка, температура пламени) во вращающихся печах;

- время пребывания газов при температуре около 1200 °С во вращающейся печах не менее 8 с.;

- температура материала около 1450 °С в зоне спекания вращающейся печи;

- окислительная газовая атмосфера во вращающейся печи;

- время пребывания газов во вторичной обжиговой системе более 2 с. при температуре выше 850 °С; в декарбонизаторе время пребывания газов ещё больше и температура выше;

- постоянная температура 850 °С во вторичной обжиговой системе или декарбонизаторе;

- постоянство условий сжигания и отсутствие колебаний вследствие высокой температуры и достаточно длительного времени пребывания;

- разложение органических загрязнителей под воздействием высокой температуры и длительного времени пребывания;

- адсорбция газовых компонентов, таких как HF, HCl, SO₂ на щелочных реагентах;

- высокая емкость связывания тяжелых металлов;

- короткое время пребывания отходящих газов в температурном интервале, способствующем синтезу полихлорированных дибензодиоксинов и фуранов;

- полная переработка топливной золы в составе клинкера и, следовательно, безотходное использование материала в качестве сырьевого компонента и дополнительная экономия энергии;

- химико-минералогическое связывание тяжелых металлов в клинкерную матрицу;

- введенные отходы/материалы из отходов полностью связываются в минералы портландцементного клинкера;

- при повышении концентрации нежелательных элементов байпасная пыль удаляется из системы.

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

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

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

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

При выборе соответствующего места подачи должны учитываться следующие аспекты:

- химический состав АТ (соответствующее содержание органических соединений и металлов; идентификация как опасных отходов/материалов из отходов в соответствующих случаях);

- качество топлива (особенно состав золы, но также, например, гранулометрический состав, форма частиц (двух- или трехмерные), теплотворная способность);

- температура и время выдержки в точке использования (газовая фаза);

- существующие или предусмотренные системы дозирования и горелки (здесь также следует учитывать специфическое распределение частиц АТ по размеру);

- существующие установки для очистки отходящих газов (например, установки селективного каталитического восстановления (SCR - Selective Catalytic Reduction) или регенеративного термического окисления RTO);

- прочие технические граничные условия в точке подачи (например, наличие перепуска).

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

Таблица 2.7 - Характеристика различных точек подачи альтернативных видов топлива [55]

	Декарбонизатор	Вход печи	Главная горелка
Свойства топлива	для увлекаемых воздухом материалов	для неувлекаемых воздухом материалов (например, с высоким содержанием влаги)	для материалов, не требующих измельчения и пригодных для использования с вентиляционными трубами горелок
Подача	точка подачи в декарбонизаторе (горелка, вентиляционная труба и т.д.)	по течке с двойным затвором (например, при подаче отработанных шин)	через каналы (для АТ) главной горелки, пневмолинию или при помощи вспомогательной горелки в головке печи
Топливо, содержащее токсичные органические галогенсодержащие соединения	как правило, непригодно	пригодно при наличии достаточной температуры и времени выдержки	пригодно
Диапазон температур (газовая фаза)	850-900 °C (с локально более высокими температурами на некоторых модификациях декарбонизаторов)	1000-1200 °C	до 2000 °C
Время выдержки (газ)	3-4 сек (более продолжительное время пребывания на некоторых модификациях декарбонизаторов)	приблизительно 1-2 с. (с учетом геометрической формы подъемной шахты и входа печи)	> 2 с (6-8 с > 1200 °C)
Преимущества	- избыток кислорода; - высокое качество смешивания при подаче основного материала	- избыток кислорода, - высокие температуры	- избыток кислорода; - продолжительное время; - выдержки при высоких температурах
Дополнительные учитываемые факторы	- необходимость - наличия потока воздуха - достаточной увлекающей силы	- влияние байпасных установок	- воздействие на пламя; - теплопередача в зоне спекания
Мониторинг процессов	- образование нагара; - внутренние циклы материалов	- образование нагара; - концентрация О₂ на входе печи; - равномерное включение золы в состав клинкера	- равномерное включение золы в состав клинкера
Примеры пригодных для использования альтернативных видов топлива	- мелкие фракции (< 25 мм) топлива из отходов (RDF)/твердого - регенерированного топлива (SRF); - крупная фракция (> 25 мм) RDF/SRF; - осадки сточных вод	- отработанные шины, обезвоженный шлам сточных вод	- отработанные масла и растворители; - мелкие фракции (< 25 мм) топлива из отходов (RDF)/твердого - регенерированного топлива (SRF) - высушенный шлам сточных вод

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

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

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

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

Категория АТ	Характеристики АТ	Примеры АТ
Очень крупные фракции 3D > 50mm 2D > 200mm	Не переносятся печными газами (горят на входе в печь)	Цельные шины, рукавные фильтры, упаковочный материал
Крупные фракции 3D < 50mm 2D < 200mm	Может легко переноситься печными газами (подходит для подачи на главную горелку (ГГ) и декарбонизатор). Возможна пневматическая подача	Измельченные шины, пластик, текстиль, SRF
Измельченные фракции 3D < 5mm 2D < 50mm	Перекачивается поршневым насосом. Распыляется сжатым воздухом или шламовым насосом (на ГГ и декарбонизатор)	RDF, древесная пыль, костная мука, рисовая шелуха, лузга семян
Шламы	Перекачивается поршневым насосом. Распыляется сжатым воздухом или шламовым насосом (ГГ и декарбонизатор).	Нефтяные шламы, отходы ЛКМ
Жидкости	Может распыляться сжатым воздухом (твердые частицы в жидкости < 2-4 мм) на ГГ	Отработанные масла, сольвенты, эмульсии

При этом количество замещения традиционного топлива альтернативным TSR (Thermal Substitution Rate) зависит от свойств материала, консистенции, точности дозирования и размера декарбонизатора (рисунок 2.37).

Рисунок 2.37 - Ограничение по количеству подачи альтернативного топлива через главную горелку и декарбонизатор в зависимости от его крупности. TSR (Thermal Substitution Rate) - процент замещения традиционного топлива альтернативным

При подаче в главную горелку слишком мелких частиц АТ они могут покрывать клинкер, ухудшая качество клинкера и способствуя образованию наростов. При подаче же кусковых твердых частиц они осыпаются, плохо смешиваются с кислородом O₂, медленно сгорают. Это приводит к накоплению материала и низкому потенциалу TSR.

Если подавать мелкие твердые частицы АТ в декарбонизатор, то для их сгорания требуется увеличенное время пребывания в нем (не менее 5 с). При пребывании в декарбонизаторе меньшее время происходит потеря тепла. Напротив, крупные твердые частицы перемещаются в потоке газа со скоростью 35-45 м/с, что обеспечивает хорошее перемешивание.

В зависимости от установленной системы печи, вида топлива и планируемых точек подачи возможны различные технические решения. Самый простой способ совместной переработки АТ заключается в подаче отработанных шин через входное отверстие печи. Простейшее техническое решение заключается в установке цепного конвейера с крюками, который будет загружаться вручную персоналом завода. Более сложное устройство подачи, оборудованное пешеходными настилами, представлено на рисунке 2.38.

Рисунок 2.38 - Устройство загрузки отработавших шин

Дополнительно установленные счетчик учета или дозирующий питатель могут обеспечить возможность управления весовым расходом и высокое качество дозирования подаваемого топлива. Таким образом, может быть достигнут коэффициент замещения от 10 до 20 % общего необходимого объема тепловой мощности.

Дальнейший переход на АТ на этапе основного сжигания требует установки современной многоканальной горелки (см. рисунки 2.35, 2.39), которая позволяет, помимо угля, сжигать газообразные, твердые и жидкие виды топлива (например, отработанные масла и растворители). В случае необходимости может быть установлена вспомогательная горелка.

Рисунок 2.39 - Современные многоканальные горелки для сжигания комбинации масел, растворителей, газа, угля и твердого АТ (а), а также угля, твердого АТ, жидких видов топлива и растворителей (б)

Переносимое воздухом топливо может подаваться на горелку по трубе и дозирующему устройству со станции разгрузки самосвалов или полуприцепов с подвижным полом (рисунок 2.40) при условии наличия соответствующей горелки. Такое решение подходит для сжигания альтернативного топлива, муки животного происхождения и прочих твердых видов топлива с соответствующими характеристиками текучести.

Рисунок 2.40 - Прием самосвалов или полуприцепов с подвижным полом

Жидкое альтернативное топливо в виде отработанного масла или растворителей обычно требует установки отдельного резервуара с мешалкой (рисунки 2.41, 2.42) внутри объединенного коллектора утечек во избежание попадания масел и растворителей в грунтовые воды.

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

Рисунок 2.41 - Резервуар с мешалкой

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

Если печь оборудована декарбонизатором с третичным воздуховодом, то камера предварительного сгорания позволяет сжигать AТ в декарбонизаторе. На рисунке 2.44 показана камера предварительного сгорания, установленная в третичном воздуховоде. Эта технология позволяет воспламенять и сжигать альтернативное топливо или подобные виды топлива при температуре до 1200 °C.

При этом стены печи должны быть защищены завесой из сырьевой муки. Газы сгорания подаются в декарбонизатор, где они полностью окисляются. Одна из самых последних разработок представляет собой камеру поэтапного сжигания (рисунок 2.45), которая позволяет сжигать крупногабаритные отходы/материалы из отходов благодаря длительному времени удерживания и уменьшает влияние колебаний топлива.

Топливо подается в камеру сгорания через шнек-дозатор. Так как сжигание топлива происходит поэтапно (дальнейшая транспортировка топлива производится воздушными пушками), топливо сгорает в течение 15 мин в камере сгорания, прежде чем остатки сгорания достигают декарбонизатора.

Отходы/материалы из отходов, используемые в качестве сырьевых материалов (далее - альтернативные сырьевые материалы), чаще всего подаются в печь в том же месте, где производится подача обычных сырьевых материалов, например, по месту подачи сырьевой смеси.

Следует отметить, что способ питания печи топливом является очень важным, поскольку он может оказать влияние на выбросы. При подаче топлива через главную горелку при прохождении через высокотемпературную зону печи происходит разложение отходов/материалов из отходов. Относительно других точек подачи топлива можно отметить, что в этих случаях температура и время пребывания зависят от конструкции печи и ее эксплуатации.

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

Альтернативное топливо, которое подается через главную горелку, будет разлагаться в первичной зоне горения при высокой температуре, достигающей 2000 °С. АТ, подаваемое во вторичную горелку, подогреватель или декарбонизатор, будет сжигаться при низкой температуре, которая не всегда достаточна для разложения хлорсодержащих органических веществ (в высоких концентрациях). Летучие компоненты в материале, который подается в холодный конец печи или отдельный участок печи, могут улетучиваться.

Рисунок 2.44 - Камера предварительного сгорания, установленная в третичном воздуховоде

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

Эти компоненты не проходят через первичную зону горения и не могут быть разложены или связаны в цементный клинкер. Поэтому использование отходов/материалов из отходов, содержащих летучие металлы (ртуть, таллий) или летучие органические компоненты, может приводить к увеличению выбросов указанных соединений, когда используются неправильные точки ввода АТ. Чтобы избежать увеличения выбросов, такие компоненты, содержащие летучие при низкой температуре компоненты (например, углеводороды), должны подаваться в высокотемпературную зону печи.

Для подачи АТ в печь разработаны специальные камеры сгорания (рисунки 2.46, 2.47).

Рисунок 2.46 - Камера сгорания HOTDISC

Камера сгорания HOTDISC представляет собой объемную, подвижную подовую печь, совмещенную с теплообменником и декарбонизатором, предназначенную для сжигания альтернативных видов топлива и замены от 20 до 80 % (в среднем около 50 %) топлива, подаваемого в декарбонизатор (рисунок 2.46). Камера сгорания позволяет сжигать разнообразные твердые отходы размером до 1,2 м, начиная от шлама и гранул и заканчивая цельными автомобильными покрышками. Это избавляет от необходимости дорогостоящей процедуры измельчения разнородных отходов/материалов из отходов и делает производство более экологически чистым.

Камера сгорания встраивается в систему печи, в которой декарбонизатор расположен непосредственно над загрузочным отсеком (рисунок 2.46 - 1).

Камера сгорания состоит из:

- камеры кольцевого типа со слоем огнеупора, стационарным кожухом, крышей и центральным валом; нижняя часть камеры сгорания выполнена из горизонтального вращающегося диска (стола) с огнеупорным слоем;

- стенки, на которой устанавливаются компоненты скребка; стенка делит кольцевую камеру сгорания на отсеки загрузки топливных материалов и выхода зольных остатков;

- опорно-поворотного кольца, опирающегося на крепление и несущего вращающийся диск; опорно-поворотное кольцо имеет внутренний ряд зубьев и приводится в движение двумя двигателями с частотно-регулируемыми приводами.

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

Производительность камеры сгорания составляет 3-30 т/ч.

В камеру сгорания по транспортеру подают твердое АТ через шлюзовой затвор (рисунок 2.46 - 2). Сюда же подают третичный воздух и часть сырьевой смеси из предпоследнего циклона циклонного теплообменника.

Альтернативные виды топлива подают на медленно вращающийся стол, где они начинают сгорать в окислительной среде при взаимодействии с третичным воздухом (рисунок 2.46 - 3, 4). Время пребывания топлива регулируют с помощью скорости вращения стола.

Горящее топливо перемещаются на столе примерно на 270° до места установки скребка, где зольные остатки и частично декарбонизированный материал поступают в вертикальный газоход печи. Тяжелые остаточные продукты сгорания падают в загрузочное отверстие печи, более легкие частицы и отходящие газы движутся вверх в декарбонизатор.

На случай аварийной ситуации для прекращения процесса горения в камере сгорания предусмотрена подача холодной сырьевой муки из дополнительного бункера (рисунок 2.46 - 3, 4).

Ступенчатая камера сгорания PREPOL позволяет сжигать низкосортные и крупнокусковые альтернативные виды топлива (рисунок 2.47).

Применение камеры сгорания не оказывает негативного воздействия на окружающую среду и на процесс обжига клинкера:

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

- стабильное содержание SO₃ в горячей муке;

- постоянная температура на выходе из декарбонизатора;

- отсутствует образование настылей;

- снижаются выбросы NO_х.

Рисунок 2.47 - Ступенчатая камера сгорания PREPOL

Информация о воздействии альтернативного топлива на состояние выбросов представлена в разделе 2.7 настоящего документа.

Контроль параметров и выбросов при использовании АТ в качестве топлива и/или сырьевых материалов представлен в разделах 4.3.1.1, 4.3.2.1 и 4.5 настоящего документа.

2.7.2 Утилизация отходов и использование материалов из отходов в качестве сырья

Химическая пригодность отходов/материалов из отходов как сырьевых материалов является важным фактором: они должны обеспечивать требуемый состав производимого клинкера. Первичными необходимыми химическими соединениями являются материалы, содержащие известь, кремний, алюминий и железо, а также серу, щелочи и другие элементы, которые должны быть классифицированы по группам в соответствии с их химическим составом. При использовании отходов/материалов из отходов оксиды, содержащиеся в альтернативных сырьевых материалах, связываются в процессе обжига в клинкер, как и в случае обжига сырьевых материалов. Они содержат, как и сырьевые материалы, оксиды кальция (СаО), кремния (SiO₂), алюминия (Al₂O₃) и железа (Fe₂O₃).

Многие отходы - белитовый (нефелиновый), доменный шлак, зола - близки по своему химическому составу к используемым в цементной промышленности природным компонентам, поэтому одним из рациональных вариантов экономии топлива при обжиге клинкера является использование техногенных материалов в качестве сырьевых компонентов.

Зола-унос может применяться как сырьевой материал при получении клинкера (в основном как компонент, содержащий оксид алюминия) и как добавка при измельчении при производстве цемента. Она может заменять до 50 % портландцементного клинкера. Более того, современные побочные продукты производства гипса пригодны сами по себе для использования в качестве сульфатного компонента. В таблице 2.9 показаны отходы/материалов из отходов, применяемые как сырьевой материал, распределенные по различным группам в соответствии с их химическим составом.

Таблица 2.9 - Список отходов, классифицированных по их химическому составу, которые могут быть использованы в качестве сырьевых материалов в цементных печах (по [56])

Группа сырьевых материалов	Отходы/материалов из отходов, применяемые в качестве сырьевых материалов
Са - группа	Промышленная известь (отходы известняка) Известковый шлам Шлам карбида кальция Осадок очистки питьевой воды
Si - группа	Формовочный литейный песок Песок
Fe - группа	Доменный и конверторный шлак Пиритные огарки Синтетический гематит Красные шламы
Al - группа	Промышленные шламы
Si-Al-Ca - группа	Зола-унос Шлаки Мелкие отсевы дробления, земля (грунт)
S - группа	Промышленные гипсовые отходы
F - группа	CaF₂, шламы после фильтрации

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

Портландцементный клинкер характеризуется определенным составом, который предопределяет гидравлические свойства цемента. Это означает, что все сырьевые материалы и зола топлива должны быть тщательно подобраны по минеральному составу и скорости подачи, чтобы получить заданный состав клинкера.

Таблица 2.10 - Эффективность применения техногенных материалов

Материал	Содержание, %					Возможный ввод, % к клинкеру	Ограничение по	Экономия топлива, кг у.т./т кл.
Материал	CaO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	ГВ ¹⁴	Возможный ввод, % к клинкеру	Ограничение по	Экономия топлива, кг у.т./т кл.
Белитовый (нефелиновый)	56	30	3	3	-	75 (в шлам)	SiO₂	80
Шлак доменный 1	47	36	8	0,4	-	60 (в печь)	SiO₂	100
Шлак доменный 2	37	37	15	0,4	-	40 (в печь)	Al₂O₃	80
Шлак ОЭМК ¹⁵	39	21	5	14	-	30 (в печь)	Fe₂O₃	66
Зола	5	61	23	7	3-5	35 (в шлам)	SiO₂	25
Углеотходы	4	45	16	7	22	20 (в шлам)	ГВ	45

Другим, чрезвычайно важным и востребованным, является использование промышленных отходов (вторичных ресурсов) для создания цементов специального назначения (рисунок 2.48).

Рисунок 2.48 - Использование промышленных отходов для производства цементов специального назначения

Специальные цементы, выпуск которых в настоящее время в России крайне низок, получают при температурах 1 100-1 300 °С, что позволяет существенно снизить топливно-энергетические затраты на их производство, уменьшить "углеродный след" и существенно расширить области применения. Многие технологии специальных цементов были разработаны в советское время в НИИЦементе и МХТИ им. Д.И. Менделеева, а в настоящее время разрабатываются на кафедре химической технологии композиционных и вяжущих материалов РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Отходы/материалы из отходов, используемые как сырьевые материалы, поступают в обжиговую печь или кальцинатор (декарбонизатор) с сырьевой смесью. В период нагревания в подогревателе органические компоненты могут высвобождаться из печного питания при низкой температуре, которая не всегда достаточна для разложения галогенсодержащих органических веществ. При использовании альтернативного топлива они должны быть проверены на потенциальную возможность выделения органических соединений и, соответственно, должно быть выбрано место подачи материала в печь.

Особенность мокрого и сухого способов производства клинкера применительно к применению минеральных и горючих отходов обусловлена двумя отличительными аспектами: мокрым и сухим помолом сырья и теплообменом в подготовительных зонах: через поверхность материала и в пылегазовом потоке. Различия в подготовке сырья связаны с тем, что многие минеральные техногенные материалы, например, шлаки при мокром помоле, активизируются, гидратируются и твердеют, в результате чего зарастают трубопроводы и образуются осадки в бассейнах. Поэтому шлак нельзя вводить в мельницу при помоле шлама, а целесообразно подавать непосредственно в печь, предварительно смешав его со шламом (рисунок 2.49). Это исключает избирательный пылеунос и снижает его величину. При сухом же способе минеральные отходы являются компонентом и размалываются с другими составляющими сырьевой смеси.

Рисунок 2.49 - Схемы применения минеральных отходов при различных способах производства клинкера

При применении техногенных материалов с невысоким содержанием горючего вещества при их подаче в печную систему возникает проблема стабилизации химического состава клинкера. Поэтому при высоком содержании минеральной составляющей применяется специальная технологическая схема с реактором для предварительного сжигания горючего вещества и выделением минеральной части, подаваемой в сырьевую мельницу (рисунок 2.50).

Рисунок 2.50 - Технологическая линия получения портландцементного клинкера со специальным реактором для сжигания различных горючих отходов

Подобная схема реализована на заводе , где для сжигания различного альтернативного топлива, в частности золы, установлен специальный реактор взвешенного слоя.

При применении горючих материалов с невысоким содержанием минерального вещества целесообразно АТ подавать непосредственно в декарбонизатор (см. раздел 2.8.3).

На заводе комбинированного способа в (Германия) применяется более 60 % альтернативного топлива и более 10 % минеральных отходов (рисунок 2.51).

При мокром способе производства наиболее рациональный вариант применения материалов, содержащих горючие вещества, - совместный помол техногенного продукта с традиционными сырьевыми компонентами. В этих условиях достигается заданный стабильный химический состав шлама, так как при совместном помоле сырьевых компонентов и топливосодержащих техногенных материалов корректировка производится традиционным способом.

Теплотехнические расчеты и испытания, проведенные на ряде цементных заводов, показали, что каждый процент введенной в шлам горючей массы обеспечивает экономию около 15 кг условного топлива на тонну клинкера [57]. При введении выгорающих добавок в шлам необходимо повысить коэффициент избытка воздуха в факельном пространстве, что приводит к снижению температуры горения. Теплотехнические расчеты и промышленные испытания свидетельствуют, что для обеспечения необходимой температуры факела для спекания клинкера в сырьевую смесь можно вводить до 3 % выгорающей добавки.

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

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

Одновременно при этом дополнительно обеспечивается еще три положительных эффекта. Органическая составляющая техногенных материалов, как правило, является разжижителем и интенсификатором помола шлама, что приводит к снижению его влажности и повышению производительности сырьевых мельниц и, следовательно, к экономии топлива и электроэнергии. Выгорание горючей составляющей интенсифицирует подготовку материала до зоны спекания, что способствует предотвращению образования клинкерной пыли и, следовательно, снижению загрязнения окружающей среды. Кроме того, клинкер, полученный из сырьевой смеси с выгорающими добавками, более пористый и имеет повышенную размолоспособность, из-за чего повышается производительность цементных мельниц, что приводит к дополнительной экономии электроэнергии.

При выборе и применении отходов/материалов из отходов в качестве сырьевого материала следует принимать во внимание следующие факторы:

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

- низкая концентрация тяжелых металлов, однако, необходимо учитывать присутствие ртути, таллия и аналогичных металлов;

- регулярный контроль материалов с отбором и анализом используемых отходов/материалов из отходов.

В январе 2022 года Holcim произвела первый в мире клинкер, полностью изготовленный из возвращаемых в производство минеральных отходов, на своем заводе в Altkirch во Франции. Клинкер является основным производимым компонентом цемента, поэтому его производство из вторичного сырья является крупным шагом вперед в развитии строительства. Такой клинкер полностью соответствует европейским стандартам и будет использоваться для производства цемента. Путем смешивания этого цемента с возвращаемыми в производство водой, арматурой и другими компонентами планируется получить бетон из вторичных материалов, поставка которого запланирована на третий квартал 2022 года.

Производство клинкера из вторичного сырья включало в себя сочетание поиска рационально организованных потоков отходов и разработки наилучшей схемы организации для перестройки производства клинкера. В ходе испытания на заводе Altkirch использовалось альтернативное сырье, начиная от древесной золы и заканчивая отходами переработки полезных ископаемых, в основном из местных источников.

2.7.3 Утилизация отходов и использование материалов из отходов в качестве топлива

Ископаемое топливо может быть частично заменено альтернативным топливом ¹⁶, то есть отходами, материалами из отходов, содержащими твердые или жидкие горючие компоненты и (или) биомассу. В состав АТ входят калорийные компоненты, такие как пластик, бумага, картон, текстиль, резина, кожа, дерево и проч.

Альтернативное топливо имеет калорийность в среднем 20 2 МДж/кг, что сопоставимо с калорийностью углей и газа. К примеру: 1,7-2 кг АТ замещают 1 м³ природного газа.

Величина зерна АТ составляет 20-25 мм.

Содержание опасных составляющих в топливе строго контролируется и не превышает допустимых норм.

Средний цементный завод может потреблять от 40 до 100 тысяч т/г альтернативного топлива при замещении до 30 % основного топлива.

Альтернативное топливо - возобновляемый источник энергии, который обладает относительно низкой себестоимостью и широкой сырьевой базой для его производства.

В странах ЕС существует законодательно оформленное целое направление в утилизации отходов - производство альтернативного топлива. В 2019 году использование АТ достигло 50 % от общих потребностей отрасли в тепловой энергии (рисунок 2.52), что позволило ежегодно экономить 22,7 млн т CO₂. В 2019 году в ЕС на долю альтернативных топлив пришлось 32 %, биомассы - 18 %, а ископаемых топлив - только 50 %. Отрасль находится на верном пути к достижению целевого показателя использования альтернативного топлива на 60 % к 2030 году и на 90 % к 2050 году.

Рисунок 2.52 - Количество тепловой энергии (%), полученной из альтернативных видов топлива в цементном секторе в ЕС 28 по [58]

В мировой цементной промышленности доля ископаемого топлива упала с 98 % в 1990 году до 81 % в 2019 году.

Следует отметить, что сегодня в ЕС существуют предприятия, использование альтернативных видов топлива различной природы на которых достигает 100 % от общего потребления топлива. Так, на цементном заводе "" в г. Ленгерих (Lengerich, Германия) доля альтернативного топлива составляет примерно 60 % от общего расхода топлива, на цементном заводе "" (Германия) - до 70 %, на цементном заводе "Wietersdorf" (Австрия) - более 50 %, а на цемзаводе Zementwerke Rrogbeumker (Германия) - 100 %.

Природный газ в европейской цементной промышленности используется только как резервное топливо, или как вспомогательное - для поддержки горения трудно сгораемого топлива, углеродсодержащих отходов и розжига печей.

В США есть опыт обеспечения АТ цементного завода мощностью 1,6 млн тонн цемента в год с помощью мусороперерабатывающей установки, окупаемость которой составляет до трех лет. Цементные заводы в Европе получают горючие отходы даже с доплатой за их утилизацию, так как использование печей цементных заводов для этой цели обходится как местным властям, так и предприятиям дешевле, чем вывоз мусора на свалку или утилизация в специальных установках с дорогостоящей технологией и значительными капитальными затратами на строительство.

Различные типы альтернативного топлива, замещая ископаемые виды топлива, тем самым решают две важнейшие задачи: сохранность (экономия) природных ресурсов и утилизация части образующихся в процессе потребления и использования товаров и услуг отходов, что совпадает с основными принципами экономического регулирования в области обращения с отходами [45].

В случае использования отходов в качестве топлива для производства цементного клинкера необходимо наличие паспортов на отходы, содержащих сведения по морфологическому и химическому составам, физико-химическим свойствам, что позволит выполнить оценку воздействия и разработать меры защиты окружающей среды при их дальнейшем использовании, а также организовать входной контроль.

Альтернативное топливо, произведенное из отходов, должно иметь сертификат соответствия и ТУ, разработанные в соответствии с требованиями потребителя топлива.

В настоящее время используется большое количество различных типов отходов, включая уловленные золы. Отходы могут быть твердыми, жидкими или пастообразными в зависимости от источника их образования, например, промышленные, сельскохозяйственные, городские. Соответственно, для производства АТ требуется предварительная обработка, часто довольно серьезная: сепарация, измельчение, смешивание, сушка и т.п., дающая в итоге гарантии постоянства его состава и качества.

Решение проблемы организации переработки горючей части отходов для снижения доли захоронения и получения альтернативного топлива для сжигания на цементном заводе предполагало выполнение нескольких основных требований:

1. Должны быть сохранены существующее качество продукции и экологическая обстановка на цементном заводе, а также соблюдены нормы существующего экологического законодательства при работе цементного завода на альтернативном топливе.

2. Альтернативное топливо может поступать на завод как товар, в сопровождении необходимых документов (сертификат соответствия), отвечать требованиям и характеристикам, необходимым для замещения минерального топлива. Либо же при необходимости цементный завод может получать АТ в качестве отходов, организовывая последующую утилизацию отходов.

3. Должны быть соблюдены экономические целесообразность и взаимовыгодный интерес цементников и мусоропереработчиков.

Как отмечено в разделе 2.7.1, необходимо применять различные технологические способы использования горючих отходов/материалов из отходов при мокром и сухом способах производства. Это связано со следующими обстоятельствами. В подготовительных зонах вышеприведенных печных систем проявляются различные условия теплообмена (рисунок 2.53).

Рисунок 2.53 - Рациональный способ подачи АТ при сухом и мокром способах производства

В печи мокрого способа в зонах сушки, подогрева и декарбонизации тепло во вращающейся печи передается через поверхностный слой, и поэтому температура газового потока превышает температуру материала более чем на 700 °С. Учитывая, что при нагревании многих горючих материалов выход летучих веществ происходит при 150-500 °С до воспламенения топлива ( 650 °С), то при мокром способе, где температура газа в этой области выше 900 °С и, следовательно, обеспечится воспламенение и сгорание летучих. Поэтому горючие вещества при мокром способе можно подавать в сырьевую мельницу при приготовлении шлама.

Если при применении минеральных техногенных материалов снижается удельный расход тепла на обжиг клинкера и, следовательно, пропорционально повышается производительность печи, то при применении горючих добавок один вид топлива заменяют на другой, и поэтому производительность печи остается неизменной.

Эффективность применения минеральных и топливосодержащих техногенных материалов приведена на рисунке 2.54 и свидетельствует, что при их совместном применении можно в пределе снизить удельный расход технологического ценного форсуночного топлива ниже 100 кг у.т./т клинкера, т.е. приблизиться к расходу по сухому способу.

Рисунок 2.54 - Эффективность применения минеральных и горючих техногенных материалов

При сухом же способе теплообмен в подготовительных зонах в циклонах и декарбонизаторе, где материал в пылевидном состоянии распределен в газовом потоке, происходит за доли секунды. Поэтому температура материала и газа практически выравнивается, и если подавать материал в сырьевую смесь, то в первом циклоне при 350 °С будет происходить выход летучих без их выгорания, что приведет к безвозвратной потере тепла, к возможному взрыву в электрофильтре и загрязнению окружающей среды. Поэтому при сухом способе выгорающие отходы нельзя подавать в сырьевую смесь.

Если даже только частично реализовать данное направление с введением до 25 % шлака и 2,5 % горючего вещества, то можно достичь величины 130 кг у.т./т, и снизить выброс СО₂ в атмосферу на 200 кг/т клинкера.

Еще одним направлением является сжигание отработанных автомобильных шин. При мокром способе их необходимо подавать через шлюзовый затвор в зону декарбонизации. Такой способ был успешно осуществлен на АО "Кавказцемент" и в настоящее время работает в Беларуси на Цементно-шиферном комбинате. Ввод шин обеспечивает экономию до 10 % основного топлива.

На ПАО "Мордовцемент" с 2008 года функционировала линия по подаче в печь автомобильных покрышек производительностью 14 т/ч.

При сухом способе сжигание АТ в печных системах происходит путем подачи его в зону горения вращающейся печи и в декарбонизатор. В тех случаях, когда применяют горючие материалы с невысоким содержанием минерального вещества, целесообразно такие отходы/материалы из отходов подавать непосредственно в декарбонизатор. Для обеспечения в нем полного сжигания применяют систему PYROTOP, которая повышает время пребывания крупных горючих веществ в декарбонизаторе из-за завихрения газового потока в камере PYROTOP и обеспечивает их полное сгорание. Такая система для сжигания дробленых автомобильных шин реализована на ПАО "Мордовцемент" (рисунок 2.55).

Рисунок 2.55 - Система с вихревой камерой PYROTOP, обеспечивающая полное сгорание АТ

С 2017 года на ПАО "Мордовцемент" осваивается способ подачи древесной щепы в факельное пространство с горячего конца печи. По публикациям в журнале "Цемент и его применение" в 2011 году на заводе ОАО "Цесла" был проведен промышленный эксперимент по подаче АТ в печь с замещением до 15 % основного топлива; на ООО "Петербургцемент" 50 % сырьевых материалов и 50 % природного топлива заменено отходами/материалами из отходов. Альтернативное топливо используется на ОАО "Себряковцемент", группы компаний "Холсим (Россия)", заводах группы HeidelbergCement RUS, ОАО "Красноярский цементный завод", ОАО "Воркутацемент", ОАО "Серебрянский цементный завод" и многих других, хотя в настоящее время эти цементные предприятия не подтверждают использование АТ.

2.7.3.1 Типы альтернативного топлива

В соответствии со ст. 4 Федерального закона N 89-ФЗ "Об отходах производства и потребления" [45], все отходы в зависимости от степени негативного воздействия на окружающую среду (при непосредственном или опосредованном воздействии опасного отхода на нее) подразделяются в соответствии с критериями [59], установленными федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим государственное регулирование в области охраны окружающей среды, на пять классов опасности:

- I класс - чрезвычайно опасные отходы;

- II класс - высокоопасные отходы;

- III класс - умеренно опасные отходы;

- IV класс - малоопасные отходы;

- V класс - практически неопасные отходы.

В соответствии со ст. 14 Федерального закона "Об отходах производства и потребления" [45, 59], на отходы I-IV классов опасности должен быть составлен паспорт. Паспорт отходов I-IV классов опасности составляется на основании данных о составе и свойствах этих отходов, оценки их опасности.

Существует государственный кадастр отходов, который включает в себя федеральный классификационный каталог отходов [60], государственный реестр объектов размещения отходов, а также банк данных об отходах и о технологиях утилизации и обезвреживания отходов различных видов.

Поскольку процесс обжига клинкера характеризуется благоприятными условиями для утилизации отходов/использования материалов из отходов, альтернативное топливо используется для замены части обычного топлива. Как показано в таблице 2.11, в цементных печах в качестве топлива могут использоваться различные типы отходов/материалов из отходов.

В качестве альтернативного топлива могут применяться различные отходы III-V классов опасности согласно ФККО.

АТ с высокой калорийностью могут заменять первичное топливо в цементных печах, поэтому постоянство качества АТ является обязательным (например, достаточная теплотворная способность, низкое содержание тяжелых металлов, хлора, золы, способность к горению, горючесть).

Таблица 2.11 - Различные типы отходов/материалов из отходов, которые могут быть используемы как топливо для вращающихся печей [56]

NN п/п	Наименование отходов/материалов из отходов
1	дерево, бумага, картон
2	текстиль
3	пластмассы
4	продукты перегонки
5	шины/резина
6	промышленные шламы
7	городские сточные воды
8	отходы животноводства
9	уголь/отходы углерода
10	сельскохозяйственные отходы
11	твердые отходы (насыщенные древесные опилки)
12	растворители и соответствующие отходы
13	нефть и нефтяные отходы
14	другие

Наряду с влажностью и зольностью, важными характеристиками и параметрами альтернативного топлива являются его теплотворная способность, содержание серы, хлора и тяжелых металлов (особенно ртути, кадмия и таллия). Кроме того, необходимо, чтобы топливо обладало определенными геометрическими характеристиками, определяемыми транспортной системой подачи АТ на горелку и размером сопел самой горелки. Оценка пригодности топлива, как правило, базируется на максимально допустимых концентрациях вредных веществ в отходах/материалах из отходов.

2.7.3.2 Твердое альтернативное топливо

Количество и вид АТ, пригодное для использования в цементных печах, определяются практическими, техническими и экологическими критериями, которые во многих случаях специфичны для собственно печей или для конкретного региона. Например, наличие ограниченного количества отходов или полная непригодность по экологическим причинам использования имеющихся отходов без их предварительной подготовки. Такая непригодность к использованию особенно характерна для не переработанных твердых бытовых отходов, которые, помимо неблагоприятных параметров горения, могут иметь высокое содержание микроэлементов.

Свойства пригодного для сжигания топлива в значительной степени определяются заводским оборудованием (например, наличием/отсутствием декарбонизатора, наличием камеры сгорания или газификатора).

Как правило, AТ (а также альтернативное сырье) должны давать дополнительную теплотворную и/или материальную ценность цементной печи. Физико-химические свойства большинства видов АТ существенно отличаются от свойств обычных видов топлива. В то время как некоторые виды топлива (например, мука животного происхождения) могут быть легко использованы цементной промышленностью, многие другие могут вызвать технические проблемы из-за низкой теплотворной способности, высокого содержания влаги, крупного размера частиц или высокой концентрации хлора или других микроэлементов в рассматриваемых отходах. В соответствии с основными правилами, АТ должно создавать дополнительную теплотворную способность и/или материальную ценность цементной печи, а для поддержания основного горения необходима средняя теплотворная способность топливной смеси не менее 18-22 ГДж/т топлива.

При сжигании в декарбонизаторе может также использоваться топливная смесь с более низкой теплотворной способностью - 11-13 ГДж/т топлива. Свойства топливной смеси должны соответствовать техническим требованиям соответствующей системы печи, поэтому возможны отклонения этих значений. В таблице 2.12 приведены типичные диапазоны значений теплотворной способности и зольность для возможных альтернативных видов топлива.

Таблица 2.12 - Характеристики теплотворной способности и зольности видов альтернативного топлива

Виды альтернативного топлива	Значения теплотворной способности (МДж/кг)	Зольность, %
Древесина (отходы пилорам, ДСП, ж/д шпалы) при влажности 25 %	приблизительно 16	до 1,5
Бумага, картон	3-16	до 8
Текстиль	до 40	не опред.
Пластики (первичная переработка)	17-40	до 2
Топливо из ТБО (RDF)	18-20	10-22
Резина/шины	приблизительно 26	7
Промышленный шлам	8-14	до 30
Костная мука и жиры животных	14-18, 27-32	не опред.
Мука туши животного	14-21,5	не опред.
Сельскохозяйственные отходы	12-16	до 10
Растворители, масла, отходы ЛКМ и др.	20-36	не опред.
Шлам сточных вод (влажность > 10 %)	3-8	до 40
Шлам сточных вод (влажность < 10 % до 0)	8-13	до 40
Нефтешламы	8-42	5-40

Специфические характеристики используемых видов топлива определяют общий спрос на получаемую энергию. Увеличение потребления АТ - в зависимости от свойств топлива - может привести к умеренному увеличению удельной потребности в энергии, но также увеличивает возможности для применения дальнейших мер рекуперации тепла.

При подаче АТ во вращающуюся печь компоненты минеральной части отходов/материалов из отходов участвуют в процессах минерало- и клинкерообразования и "входят" в состав получаемого портландцементного клинкера. Органическая часть отходов/материалов из отходов при высоких температурах полностью разлагается до СО₂ и воды. Поэтому в конце процесса производства клинкера не образуется никаких дополнительных твердых отходов, в отличие от мусоросжигающих заводов, где в конце процесса сжигания появляется зола, требующая дальнейшей утилизации.

Вся зола от сжигания альтернативного топлива включается в цементный клинкер и становится частью продукта. Сочетание одновременной рекуперации энергии и переработки материалов является уникальным для совместной переработки отходов/материалов из отходов (например, при сжигании отработанных шин с высокой теплотворной способностью и значительным содержанием железа).

Но оно подразумевает, что состав золы должен придавать добавленную стоимость процессу с целью обеспечения соответствия состава сырья высокому качеству продукции. Кроме того, содержание энергии в топливной смеси должно соответствовать определенным требованиям процесса. Высокие коэффициенты замещения ископаемых видов топлива альтернативными видами топлива могут быть достигнуты только путем комплексной предварительной переработки, а также надлежащего контроля качества АТ.

Твердые отходы могут быть однородными или неоднородными смесями разнообразных компонентов, таких как:

- частиц с разной способностью к горению, например, бумага, картон, пластмасса, резина, обломки (остатки обработки) дерева;

- смесями с различным количеством инертных материалов, содержащих органические фракции, например, песок, камень, керамика, железистые и нежелезистые металлы, органические влажные материалы;

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

На рисунке 2.56 показаны некоторые виды АТ.

Рисунок 2.56 - Ассортимент альтернативных видов топлива, используемых в цементной промышленности (источник: FLSmidth Pfister)

Особое внимание следует уделить использованию отходов/материалов из отходов биомассы, поскольку при ее применении выбросы от чистой биомассы и от биогенной углеродной составляющей смешанных топлив не учитываются в общих валовых выбросах СО₂. Так, целью CEMBUREAU является достижение к 2030 году 60 % альтернативных видов топлива, половина из которых (30 %) будет состоять из отходов биомассы, а к 2050 году - 90 %, причем более половины (50 %) будут отходами биомассы. Как видно из рисунка 2.57, к отходам биомассы относятся осадок сточных вод, различные виды опилок и древесины, животная и костная мука, сельскохозяйственные отходы.

Рисунок 2.57 - Распределение альтернативных видов топлива (а) и отходов биомассы (б) по [61]

Отходы, смешанные городские отходы, смешанные коммунальные отходы или отходы разрушения конструкций должны пройти предварительную подготовку с выделением высококалорийных фракций.

Технологии подготовки твердого топлива в большой степени зависят от типа отходов/материалов из отходов и требований цементной промышленности.

Одним из основных требований, проистекающих из способа транспортировки материала и типа используемой горелки, является подача АТ в печь: в главной обжиговой системе (на головке печи или выходном отверстии, вдувание топлива через форсунку): высокая абразивность отходов/материалов из отходов - высушенного шлама - и необычная форма частиц и их размеры могут привести к проблемам эксплуатации. Когда используется пневматическая система транспортировки, чтобы подать твердое АТ в печь, можно избежать повреждения и заклинивания вращающихся частей (пневматическая система всецело функционирует без движущихся частей). Количество подаваемого воздуха, инжектируемого в печь с АТ, ничтожно в общем объеме, необходимом по стехиометрии для горения.

Крупные частицы вызывают необходимость применения более мощных пневматических конвейерных линий и вентиляторов. Поэтому важным шагом процесса являются снижение размера и дезагломерация АТ (обычно размер окатышей не должен превышать 25 мм). Среднее уплотнение при слабой агломерации окатышей способствует улучшению текучести АТ и их дозировки.

Вторичная обжиговая система (топливо подается в печь через впускное отверстие между печью и нижним циклоном или кальцинатором); ограничение размера для твердого АТ не важно для вторичной обжиговой системы. Даже целая покрышка может быть введена через впускное отверстие. Кроме того, могут использоваться отходы/материалы из отходов с высоким содержанием золы.

В последние годы предложены камеры сгорания HOTDISC и PREPOL, позволяющие сжигать низкосортные и крупнокусковые (размером до 1,2 м) альтернативные виды топлива (см. подраздел 2.7.1).

2.7.3.3 Жидкое альтернативное топливо

Жидкое альтернативное топливо обычно приготавливается смешением различных отходов/материалов из отходов использованных растворителей, красок или нефтяных отходов с подходящей величиной теплотворной способности с использованием специальных средств менеджмента.

Жидкое альтернативное топливо в большинстве является опасным отходом/материалом из отходов. Это необходимо учитывать при обращении с ним, например, при складировании, подаче материала, чтобы предотвратить выбросы органических соединений. Существуют некоторые технологии, например, испарители, которые используются, где это необходимо. Система испарения эксплуатируется таким образом, чтобы обеспечить выход органических веществ только при согласовании с работой системы испарения, и не выпускает пары органических веществ в воздух при нормальной работе, что необходимо с точки зрения безопасности.

2.7.3.4 Требования по качеству к альтернативному топливу и входной контроль

Отходы/материалы из отходов, используемые как сырьевые материалы и/или как топливо в цементных печах, должны обладать стандартным качеством (поскольку топливные золы полностью связываются с образованием клинкера), минимальным негативным действием на состав клинкера и не давать дополнительных выбросов в атмосферу. Кроме того, необходимо стабильное качество отходов/материалов из отходов. Чтобы гарантировать характеристики АТ, требуется система менеджмента качества. Кроме того, должны учитываться требования существующих нормативных документов. Основная роль требований качества заключается в признании отходов/материалов из отходов как топлива и/или сырьевых материалов, если они обеспечивают дополнительно следующее:

- калорийность за счет органической части;

- увеличение материала за счет минеральной части.

Высокая калорийность отходов/материалов из отходов может быть использована для замены первичного топлива в цементной печи. Следует отметить, что величина калорийности АТ колеблется в широких пределах (см. раздел 2.7.3.2).

Подготовку различных типов горючих отходов/материалов из отходов обычно выполняют вне цементного завода. Такие отходы/материалы из отходов обычно подготавливаются поставщиком или специальными организациями предварительной обработки отходов/материалов из отходов, использующих специальные устройства и оборудование для получения материалов, пригодных для использования в цементных печах без дополнительной подготовки на цементном заводе. Однако до их использования в цементных печах отходы/материалы из отходов регулярно проверяются и анализируются персоналом цементного завода. Используется специальное лабораторное оборудование для проверки различных качественных характеристик материала.

Технологии подготовки и смешения отходов/материалов из отходов определенного качества зависят от характеристик вводимого материала и требований потребителя. Даже однотипные отходы/материалы из отходов специального производства до их применения обрабатываются и смешиваются в установках, предназначенных для отходов/материалов из отходов, чтобы обеспечить однородность смеси и постоянство качества, термических свойств и химического состава. Только в некоторых случаях можно использовать отходы/материалы из отходов без предварительной их обработки, например, шины и отработанные масла. Любые неоднородные отходы/материалы из отходов, похожие на смесь твердых отходов/материалов из отходов различных источников, или отобранная фракция из смешанных городских отходов требуют повышенного контроля для обеспечения надежного качества с постоянным малым вводом загрязнителя.

При совместном сжигании отходов/материалов из отходов необходимо оценивать изменения в выбросах через отходящие газы. Например, в ЕС мониторинг выбросов регламентируется Директивой ЕС 2010/75/ЕС о промышленных выбросах, в которой изложены требования, применимые к процессам совместного сжигания отходов/материалов из отходов. Мониторинг предусматривает непрерывный контроль содержания следующих компонентов:

- NO_x;

- CO;

- общее содержание пыли;

- общий органический углерод;

- HCl;

- HF;

- SO₂.

Кроме того, необходимо постоянно контролировать такие эксплуатационные параметры, как температура в репрезентативной точке камеры сгорания, концентрация кислорода, давление, температура и содержание водяного пара в отходящих газах. Если оператор установки совместного сжигания отходов/материалов из отходов может доказать, что выбросы HCl, HF или SO₂ ни при каких обстоятельствах не могут превышать соответствующее предельное значение выбросов (таблица 2.13), то непрерывное измерение выбросов такой сжигательной установкой является излишним.

Таблица 2.13 - Предельные значения выбросов согласно частям 3 и 4 приложения VI к Директиве Европейского парламента и Совета Европейского Союза 2010/75/ЕС от 24 ноября 2010 года о промышленных выбросах (о комплексном предотвращении загрязнения и контроле над ним) [62]

Компонент	Ед. изм.	Отчетный период	Значение
Приложение VI, часть 3, мусоросжигательные заводы ¹⁾
Органически связанный общий углерод	мг/нм³	Среднесуточное значение	10
Органически связанный общий углерод	мг/нм³	Среднее значение получаса	20
Оксид углерода	мг/нм³	Среднесуточное значение	50
		Среднее значение получаса	100
		Среднее значение 10 мин	150
Приложение VI, часть 4 N 2, цементные печи, в которых производится совместное сжигание отходов ²⁾
Общее количество пыли	мг/нм³	Среднесуточное значение	30
HCl	мг/нм³	Среднесуточное значение	10
HF	мг/нм³	Среднесуточное значение	1
NO_X	мг/нм³	Среднесуточное значение	500 ³⁾
Cd, Tl	мг/нм³	Среднее значение за время выборки	0,05
Hg	мг/нм³	Среднее значение/Среднее значение за время выборки	0,05
Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V	мг/нм³	Среднее значение за время выборки	0,5
ПХДД/ПХДФ	I-TEQ/нм³	В среднем за период отбора проб (в течение 6-8 час)	0,1
SO₂		Среднесуточное значение	50 ⁴⁾
Общее содержание органического углерода		Среднесуточное значение	10 ⁴⁾
СО	Компетентный орган может установить предельное значение выбросов
¹⁾ Предельные значения выбросов в атмосферу, применимые к мусоросжигательным заводам; предельные значения выбросов выражают содержание кислорода в отходящих газах в объеме 11 %. ²⁾ Специальные требования к цементным печам совместного сжигания отходов; предельные значения выбросов выражают содержание кислорода в отходящих газах 10 %. ³⁾ Вплоть до 1 января 2016 года были возможны исключения для длинных печей и печей Леполя (макс. 800 мг/м³. ⁴⁾ Возможны исключения, связанные с сырьем.

Что касается соблюдения условий сжигания для полного разрушения органических компонентов, то минимальная температура и содержание кислорода в отходящих газах должны проверяться надлежащим образом, по крайней мере, один раз во время ввода в эксплуатацию и при наиболее вероятных неблагоприятных условиях эксплуатации (максимально возможная загрузка печи, самые высокие уровни выбросов, максимально возможное использование альтернативного сырья и топлива).

На международном уровне также существуют руководящие документы - Руководящие принципы CSI по мониторингу выбросов и отчетности в цементной промышленности [63], в которых определяются соответствующие практические требования.

Важными характеристиками и параметрами АТ являются величина калорийности, а также содержание воды, серы, хлора, тяжелых металлов (особенно ртути и таллия) и золы. Дополнительной важной характеристикой является способность к горению (горючесть). Хлор может оказывать негативное действие на процесс производства. Поэтому приемлемая концентрация хлора зависит от индивидуальной ситуации на агрегате (установке, аппарате). Однако эта концентрация должна поддерживаться на минимальном уровне, чтобы предотвратить эксплуатационные проблемы печной системы, например, замазывание теплообменника. В случае повышенного количества хлора необходима байпасная система, чтобы предотвратить замазывание, остановку и т.д. Типичная концентрация хлора находится в пределах 0,5-2 %.

При выборе топлива (традиционного или альтернативного) также необходимо учитывать требования к качеству материала. Поэтому для производства цемента пригодны только ограниченный круг и количество горючих отходов/материалов из отходов. Имеются соответствующие ограничения по типам и количеству горючих отходов/материалов из отходов, пригодных для производства цемента, которые сильно зависят от специфичных обстоятельств.

Как заранее, так и в процессе непрерывной работы необходимы тщательное тестирование, планирование и контроль качества, особенно при использовании топлива, содержащего тяжелые металлы и/или высокотоксичные органические соединения.

Концентрация металлов изменяется в зависимости от происхождения отходов/материалов из отходов. Во многих европейских странах законодатели и/или промышленность выпустили список с максимально допустимой величиной концентрации металлов для выбора отходов/материалов из отходов, которые будут использованы в качестве топлива или сырьевых материалов.

Такие критерии включают:

- значимость влияния цементной промышленности на окружающую среду в контексте с региональным развитием промышленности;

- усилия, направленные на гармонизацию региональных законов и стандартов по охране окружающей среды;

- уровень загрязнителей в традиционных сырьевых материалах и отходах/материалах из отходов;

- условия производства и выбросы;

- альтернативный обезвреживанию способ обращения с отходами;

- необходимую минимальную величину калорийности;

- требования к качеству цемента.

2.7.3.5 Проведение испытаний на пригодность отходов и материалов из отходов для производства цемента

Наиболее важной является оценка отходов/материалов из отходов на основе уже имеющейся информации, например, от поставщика. Если говорить об отходах/материалах из отходов, которые использовались в цементной промышленности в течение длительного времени, то в принципе их можно использовать на основе имеющихся эмпирических значений и информации.

Во-первых, следует уточнить тип и происхождение отходов/материалов из отходов (например, как производственных остатков в процессе промышленного производства). Кроме того, должна иметься информация об однородности отходов/материалов из отходов (ориентировочная). Например, ожидаем однородный состав остаточных материалов, получаемых в результате определенных производственных процессов. С другой стороны, при определенных обстоятельствах состав топлива, полученного из твердых отходов/материалов из отходов, и твердого восстановленного топлива может существенно различаться.

Количество отходов/материалов из отходов, которые будут использоваться в качестве АТ, также, в конечном счете, определяет спецификации для требуемого анализа и контроля качества. Поэтому сначала следует уточнить, утилизируются ли отходы один раз или регулярно и в каких количествах, а также имеется ли возможность непрерывного использования производимого количества топлива на цементном заводе.

Чтобы цемент соответствовал установленным требованиям к качеству, необходимо точное соблюдение установленного состава сырья. Допускается лишь небольшое отклонение от идеального состава. Помимо ингредиентов сырья, минеральная фракция (зола) топлива также участвует в образовании клинкера. Топливо с высоким содержанием золы особенно хорошо подходит для использования в процессе обжига клинкера. Зола полностью используется и включается в состав клинкера на этапах производства клинкера, почти все потоки пыли рециркулируются в процессе обжига клинкера или используются для производства цемента или цементирующей продукции.

Поэтому на следующем этапе следует проверить пригодность отходов/материалов из отходов для использования в качестве AТ при производстве цементного клинкера. Для этой цели пропорции CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ в золе топлива могут быть определены вначале на одном или нескольких представительных образцах с помощью рентгенофлюоресцентного анализа с целью определения распределения компонентов клинкера по группам Ca, Si, Fe, Si/Al/Ca, S или F (рисунок 2.58). Состав золы также влияет на количество, которое может быть использовано, или рецептуру смеси сырья в соответствии с желаемым качеством клинкера.

Перед началом использования АТ в процессе обжига клинкера рекомендуется провести пробный пуск. При этом может быть оценено влияние различных видов АТ на работу печей, качество клинкера и объемы выбросов на основании предварительных испытаний, проводимых в течение ограниченного периода времени с изначально небольшими и постепенно увеличивающимися входными количествами (вплоть до максимального запланированного на будущее количества), а также с одновременным мониторингом выбросов (при необходимости - с привлечением сторонней контролирующей организации) и качества клинкера.

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

Требуемый тщательный мониторинг в ходе опытной эксплуатации также позволяет разумно определить экономические и экологические меры контроля качества и выбросов для последующей непрерывной работы.

Для дальнейшей оценки должны быть на регулярной основе определены следующие физические, химические и экологические свойства АТ:

- содержание влаги в отходах/материалов из отходов (для определения удельного энергопотребления и выбора места применения);

- зольность (для оценки влияния на качество клинкера);

- гранулометрический состав (для оценки физического состояния и точки подачи);

- теплотворная способность (некоторые материалы, такие как высушенные осадки сточных вод, служат в качестве сырья и заменителей топлива);

- содержание хлора, серы, щелочи и фосфата (только при ожидаемом более высоком содержании Р) (для оценки качества клинкера и во избежание образования нагара в ходе циклов сжигания вещества);

- содержание сульфидов, соединений серы и аммиака (для дальнейшей оценки экологической значимости);

- концентрации тяжелых металлов.

В качестве "минимальной программы" рекомендуется проводить анализы для определения содержания соответствующих металлов (Hg, Cd, Tl, Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V и Sn), определения влажности материала, содержания золы, теплотворной способности, а также содержания хлора и серы (таблица 2.14) [46].

Для оценки содержания тяжелых металлов в соответствующих видах АТ, получения соответствующих выбросов и формирования соответствующих циклов (например, Hg) необходимо проведение анализов с использованием соответствующих методов элементного анализа (например, спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и атомно-абсорбционной спектрометрии). При наличии соответствующих аналитических данных можно рассчитать дополнительное или варьирующее поступление следовых элементов при использовании АТ в системе печи.

Таблица 2.14 - Минимальная программа анализа с целью проверки наличия экологически значимых компонентов в АТ

	Альтернативное топливо
	Все виды	Дополнительно - при потенциальном наличии высокотоксичных органических компонентов
Примесные элементы	Hg, Cd, Tl, Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V и Sn
Физические/химические характеристики	влажность, зольность, теплотворная способность, хлор, сера
Высокотоксичные органические соединения		ПХДД/ПХДФ, ПХБ, летучие хлорированные углеводороды, бензол, толуол, этилбензол и ксилол, ПАУ

Воздействие на ситуацию с выбросами можно прогнозировать с помощью соответствующих коэффициентов выбросов. Выбросы ртути могут быть оценены (с учетом дополнительных технических граничных условий в соответствующей системе печей) с расчета цикла ртути.

На основе полученных результатов можно также определить, необходимы ли с самого начала дальнейшие меры по сокращению и/или ограничению массовых расходов. Однако не менее важно обеспечить стабильное качество используемых материалов при незначительных колебаниях химического состава и определенных верхних пределах (максимальных или процентильных значениях) содержания тяжелых металлов и токсичных органических соединений.

Если имеется информация или если есть предположения, что АТ также содержит токсичные органические соединения, то должны быть проведены дальнейшие исследования. В случае определения соответствующего содержания токсичных органических соединений такое содержание токсичных органических соединений может, в частности, ограничивать выбор места подачи в систему печи и максимально возможное количество применения АТ.

В качестве "программы минимум" рекомендуется проведение анализов в целях определения содержания следующих высокотоксичных соединений: ПХДД/ПХДФ (полихлорированные дибензодиоксины и дибензофураны), ПХБ (полихлорированные бифенилы), летучие хлорированные углеводороды, бензол, толуол, этилбензол и ксилол, ПАУ (полициклические ароматические углеводороды), в том числе бенз(а)пирен (см. таблицу 2.14).

При оценке образования галогенорганических соединений важно исходное содержание галогенов. При содержании галогенированных органических веществ (в пересчете на хлориды) > 1 % (мас.) законодательством ЕС предписывается температура горения таких веществ не менее 1100 °С в течение не менее 2 с выдержки (Директива по промышленным выбросам) для обеспечения полного разрушения хлорированных соединений. Однако для высокотоксичных органических соединений с содержанием хлора < 1 % по массе может также потребоваться температура горения не менее 1100 °C со временем выдержки не менее 2 с. Это относится, в частности, к случаям, когда разрушение органических веществ происходит только при соответствующих высоких температурах.

Ниже перечислены наиболее важные шаги, которые должны учитываться в связи с разработкой концепции регулярного контроля:

1. Входной контроль, в том числе:

- проверка происхождения вещества;

- проверка информации, предоставленной поставщиком;

- проверка декларации состава;

- визуальный осмотр.

2. Отбор проб.

В целях обеспечения постоянного качества АТ должен производиться регулярный отбор и анализ проб. Рекомендуется разработать соответствующий план отбора проб для каждой АТ. В целях получения представительной выборки должны учитываться требования действующих национальных регламентов и директивных указаний.

3. Проведение регулярных анализов.

Состав загружаемых материалов должен регулярно анализироваться в целях контроля параметров технологического процесса, а также в целях контроля выбросов и состава каждой новой партии отходов/материалов из отходов. Для проведения этих видов контроля должны привлекаться только специализированные и надлежащим образом аккредитованные лаборатории. Если иное не предусмотрено законом и/или подтверждающим извещением, спецификации, касающиеся продолжительности, периодичности и состава процедур анализа, должны основываться на спецификациях, изложенных в национальных принципах и директивных указаниях. Это относится, в частности, к случаям, когда состав вещества может значительно варьироваться.

2.7.3.6 Мониторинг выбросов при использовании отходов/материалов из отходов

В штатном режиме работы мониторинг выбросов осуществляется в соответствии с нормативными актами, а также в соответствии с любыми прочими требованиями, указанными в Разрешении. Кроме того, оператор может самостоятельно продолжить проведение непрерывных или периодических замеров либо поручить их проведение сторонней измерительной лаборатории.

Если АТ используется впервые и имеются признаки наличия содержания металлов и/или органических компонентов, то в отходящих газах должно подвергаться особому контролю остаточное содержание органических соединений и тяжелых металлов. Даже если орган, выдавший официальное Разрешение, не указал каких-либо специальных метрологических требований на пробное использование АТ, рекомендуется проведение внешнего инспектирования авторитетной измерительной лабораторией в рамках добровольного самоконтроля. Эта же рекомендация относится, в частности, и к мониторингу выбросов компонентов, не проходящих непрерывного и/или периодического мониторинга на заводе.

В качестве примера законодательные требования к мониторингу выбросов в ЕС приведены в таблице 2.13.

2.7.3.7 Хранение, подготовка и предварительная обработка отходов/материалов из отходов

Если аналитические исследования подтверждают, что использование отходов/материалов из отходов в процессе обжига клинкера в основном целесообразно, то должны быть спланированы и определены процедуры безопасного обращения и экологически чистого и безопасного (промежуточного) хранения отходов/материалов из отходов на цементном заводе. Основное внимание при этом должно уделяться соблюдению требований по охране труда и окружающей среды. Для каждого используемого вещества рекомендуется провести соответствующий анализ возможных последствий его использования для окружающей среды и здоровья. Результаты должны быть задокументированы в письменной легко понятной форме, должны быть доступны и заранее сообщены персоналу завода, официальным органам и персоналу экстренных служб. В частности, в случае использования отходов/материалов из отходов, содержащих экологически значимые и воздействующие на здоровье компоненты, должны разрабатываться соответствующие планы ликвидации аварий, подлежащие регулярному пересмотру и обновлению. Также должны предоставляться средства индивидуальной защиты.

При хранении отходов/материалов из отходов должны проводиться соответствующие мероприятия по охране окружающей среды, пожаро- и взрывобезопасности. В случае хранения отходов/материалов из отходов повышенной влажности должны использоваться площадки хранения или контейнеры, защищающие от попадания их в грунтовые воды. Однако в случае хранения очень сухого мелкозернистого материала должны быть приняты соответствующие меры по герметизации помещения хранения, вытяжки и фильтрации воздуха с целью предупреждения образования диффузных пылевых выбросов.

Вопрос о необходимости предварительной подготовки (измельчения, сушки) до подачи в печь и типе дозирующей системы должен решаться с учетом физического состояние материала.

Предварительная обработка, такая как измельчение и сушка, требует проведения очень тщательного предварительного тестирования и использования надежных методов предупреждения образования и выделения органических соединений. При наличии токсичных органических соединений может быть рассмотрена необходимость проведения предварительной термической обработки и/или измельчения/сушки с соответствующей обработкой отходящих газов. Часто используемое решение заключается в откачке воздуха из мельницы/сушилки и использовании его в качестве воздуха горения во вращающейся печи для дожигания выбрасываемых органических загрязнителей.

2.8 Обжиг цементного клинкера

В настоящее время обжиг клинкера осуществляют в печных системах мокрого, сухого и комбинированного способов производства (см. раздел 2.1, рисунки 2.2-2.8).

2.8.1 Печи мокрого способа производства

Обжиг цементного клинкера по мокрому способу производится в длинных вращающихся печах с отношением длины к диаметру L/D 37 (рисунок 2.59).

Комплекс теплообменных устройств для вращающейся печи мокрого способа производства обычно состоит из цепных завес и зацепных периферийных теплообменников, которые расположены в области температур материала до 500 °С и выполнены в виде цепных ковриков, а при более высоких температурах - в виде керамических теплообменников.

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

Рисунок 2.59 - Вращающаяся печь мокрого способа производства:

1 - дымосос, 2 - электрофильтр, 3 - шлампитатель, 4 - теплообменные устройства (цепная завеса), 5 - бандаж, 6 - корпус печи, 7 - привод печи, 8 - роликоопора, 9 - горелка, 10 - клинкерный холодильник

Цепные теплообменники располагаются обычно на участке 25-35 % длины печи и вместе с керамическими теплообменниками могут распространяться до 50 % ее длины. Существуют различные способы навески цепей: свободновисящая и гирляндная. Выбор вида навески определяется свойствами сырья. Если шлам способен создавать гранулы и сохранять их по всей печи, то рекомендуется гирляндная завеса.

При подборе схемы цепную завесу в зависимости от свойств материала целесообразно разделить на участки: текучего (I), вязко-пластичного (II) и сыпучего (III-IV) состояния. Варианты распространенных цепных завес приведены на рисунке 2.60.

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

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

Наиболее распространенный способ питания печи шламом приведен на рисунке 2.61.

Рисунок 2.61 - Самоочищающийся питатель шлама

В связи с тем, что стабильная работа печи в значительной степени зависит от стабильного питания шламом, данный способ имеет следующие преимущества:

- обеспечивается стабильное питание вследствие двух уровней контроля - индукционным расходомером и контрольным бачком;

- отсутствуют непрерывно работающие подвижные детали;

- в системе не образуется осадок, в связи с чем отпадает необходимость периодической очистки питателя шлама и обеспечивается более стабильное питание печи шламом;

- не требуется персонал для обслуживания питателя.

Недостаток:

- наличие обратного слива шлама, приводящего к дополнительному расходу электроэнергии.

2.8.2 Печные системы с циклонным теплообменником

В печах с циклонными теплообменниками процесс обжига разделяют на два этапа: обычный вращающиеся барабан значительно укорачивается, а подогрев и частичная декарбонизация сырьевой муки осуществляются в циклонном теплообменнике.

При сухом способе в России реализованы два варианта питания с проходным лотковым и с циклически работающими массорасходомерами (рисунки 2.62, 2.63).

Точное дозирование сырьевой муки для подачи в печную систему производится с использованием комплекса оборудования. Дозирующий блок состоит из взвешиваемого бункера, питающего узла и проходного лоткового массоизмерителя. Бункер опирается на три датчика нагрузки, которые определяют текущую массу муки в бункере. Питающий узел представляет собой аэрожелоб, в котором установлен дозирующий валок, принцип работы которого заключается в изменении проходного сечения валка при его повороте. Расход сырьевой смеси контролируется проходным лотковым массоизмерителем.

Вторая система состоит из усреднительного силоса, загрузочного, разгрузочного и дозирующих устройств (рисунок 2.62).

Из буферной емкости сырьевая смесь поступает в дозирующий бункер, установленный на весах. Регулирование количества подаваемого материала в печь основано на следующем принципе. Расходный бункер заполняется и опорожняется периодически.

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

Рисунок 2.63 - Система питания печной системы материалом с дозирующим бункером

Когда сырьевая мука не поступает в бункер, определяется массовый расход материала за определенное время, который используется для расчета фактического питания печи.

Этот показатель управляет положением регулятора расхода, которое затем остается неизменным во время заполнения расходного бункера материалом. Подобная операция повторяется при каждом цикле. Параметры работы печи и движение газового потока и материала показаны на рисунке 2.64.

Наиболее рациональными современными печами сухого и комбинированного способов являются обжиговые агрегаты с выносными декарбонизаторами. Поэтому ниже будут рассмотрены только такие системы.

2.8.3 Печные системы с циклонным теплообменником и декарбонизатором

Наиболее рациональными современными печами сухого и комбинированного способов являются обжиговые агрегаты с выносным декарбонизатором.

Рисунок 2.64 - Параметры газового и материального потоков в печной системе

Принцип работы заключается в том, что при сухом способе самую теплоемкую зону - зону декарбонизации, потребляющую до 60 % тепла, - выносят из вращающейся печи в суспензионный теплообменник, где скорость теплообмена на несколько порядков выше, чем во вращающейся печи (рисунок 2.65). Это позволило уменьшить размеры вращающейся печи, создать установки с единичной мощностью до 12 тыс. т клинкера в сутки.

Рисунок 2.65 - Современная печная система с декарбонизатором

В настоящее время имеются десятки различных систем декарбонизаторов. В России применяются системы Pyroclon-S, RSP и Pyroclon-R, приведенные на рисунке 2.66.

Рисунок 2.66 - Применяемые в России системы печей с декарбонизаторами

Система PYROCLON-S без третичного воздуха с дополнительным сжиганием топлива в запечном теплообменнике не имеет широкого распространения, так как позволяет повысить производительность печи всего на 20-25 %. В России была реализована одна такая линия на АО "Себряковцемент".

Система RSP с декарбонизатором камерно-циклонного типа впервые реализована в Японии в 1967 году. Степень декарбонизации достигает 95 %. Такая линия реализована в России на Невьянском заводе.

Декарбонизатор (в системе PYROCLON-R) с восходящим вертикальным газоходом и третичным воздухом высотой 80 м получил в последние годы наибольшее распространение. В России за последнее десятилетие зарубежными фирмами реализовано 20 технологических линий сухого способа на ПАО "Мордовцемент", АО "Себряковцемент", в Башкирии, Новотроицке, Ленинградской, Московской, Тульской, Ульяновской, Калужской областях и Краснодарском крае.

Помимо указанных выше систем декарбонизаторов, в настоящее время разработаны варианты декарбонизатора с низким уровнем выбросов NO_х, которые являются неотъемлемой частью процесса (рисунок 2.67) [46].

Рисунок 2.67 - Примеры различных типов декарбонизаторов с низким уровнем выбросов NO_x (схематическая иллюстрация, зона восстановления отмечена серым цветом)

Обычно это модифицированная версия встроенного декарбонизатора. Конструкция с низким уровнем выбросов NO_х характеризуется созданием восстановительной зоны с низким содержанием кислорода для достижения эффекта уменьшения выбросов NO_х и несколькими вариантами настройки параметров работы декарбонизатора для оптимизации снижения выбросов NO_х.

Для регулировки уровня кислорода в восстановительной зоне используется постадийная подача воздуха, для повышения температуры в декарбонизаторе используется постадийная подача смеси, а для оптимизации подачи топлива иногда используется постадийная подача топлива. Основные факторы, влияющие на уменьшение выбросов NO_x в декарбонизаторе и выгорание топлива, включают, помимо уровня кислорода и температуры, также:

- свойства топлива (в частности, содержание в нем летучих компонентов и топливного азота);

- смешивание потоков газа и твердых тел;

- время пребывания в зонах восстановления и выгорания;

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

Преимущества систем с декарбонизатором:

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

- малые габариты печей, малое количество опор;

- высокая стойкость футеровки;

- пониженный расход топлива;

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

- высокая степень автоматизации;

- высокая производительность труда.

Недостатки:

- усложненность оборудования;

- затруднения в получении сырьевой смеси стабильного состава;

- затруднения в получении высококачественного стабильного клинкера.

2.8.4 Футеровка вращающихся печей

Внутренняя часть печи покрыта слоем огнеупора (футеровкой), который служит для защиты корпуса печи от воздействия высоких температур и снижения теплопотерь через корпус. На различных участках вращающейся печи (рисунок 2.68) используют огнеупорные материалы.

I участок печи - область теплообменных устройств (зоны сушки и частично подогрева). Первая половина холодной части цепной завесы не футеруется. Вторая половина зоны сушки при температуре материала до 100 °С футеруется бетоном на портландцементной связке и для противодействия истиранию армируется.

Рисунок 2.68 - Футеровка вращающейся печи мокрого способа производства

При плохой грануляции материала температура порошкообразной смеси в горячей части цепной завесы может достигать 400 °С, тогда эта часть футеруется огнеупорным бетоном на основе жидкого стекла или глиноземистого цемента. Для предотвращения истирания бетон рекомендуется покрывать жаростойкими металлическими бронеплитами. Участок цепного коврика следует футеровать шамотным кирпичом.

II участок - подготовительные зоны (часть зоны подогрева и декарбонизации) - футеруется шамотным огнеупором на связке или без нее. В качестве связки может применяться портландцементная суспензия или специальный мертель.

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

Зона спекания - самый ответственный участок печи, так как здесь на футеровку воздействуют высокая температура и клинкерный расплав. Наибольшее распространение в настоящее время имеют огнеупоры на основе MgO.

Футеровка вращающейся печи сухого способа производства осуществляется такими же огнеупорными материалами, как и в печи мокрого способа: подготовительные зоны - шамотным огнеупором, а спекания - кирпичом на основе MgO.

При футеровке циклонных теплообменников используется многослойная футеровка, состоящая из теплоизолирующего и защищающего от износа огнеупорного слоя. Теплоизолирующий слой выполняется панелями из силиката кальция или легковесных огнеупорных кирпичей. При футеровке теплообменника широко используется огнеупорный бетон.

2.9 Клинкерные холодильники

В настоящее время в основном применяют следующие клинкерные холодильники: рекуператорные (планетарные), барабанные и колосниковые.

2.9.1 Рекуператорные (планетарные) и барабанные холодильники

Рекуператорные холодильники представляют собой барабаны, расположенные вокруг выгрузочного конца печи.

Преимущества рекуператорного холодильника:

- простота конструкции;

- отсутствие привода;

- отсутствие вентиляторов;

- низкий расход электроэнергии на охлаждение клинкера.

Недостатки:

- повышенная температура охлажденного клинкера;

- невозможность применения для печей с декарбонизатором;

- невысокий тепловой КПД.

Поэтому на вновь строящихся заводах такие холодильники больше не устанавливают.

В настоящее время в России рекуператорные холодильники выведены из эксплуатации (ПАО "Мордовцемент", ЗАО "Белгородский цемент", АО "Себряковцемент" и другие заводы) и сохранились только на старых печах низкой производительности.

Барабанные холодильники в основном имеют те же недостатки, что и рекуператорные, и на цементных заводах России не эксплуатируются.

2.9.2 Колосниковый клинкерный холодильник

В настоящее время наибольшее распространение имеют холодильники, в которых охлаждение клинкера происходит в слое при тесном взаимодействии проходящего через него воздуха. Такой непосредственный контакт воздуха с поверхностью клинкерных гранул обеспечивает высокую интенсивность теплообмена и поэтому позволяет повысить тепловой КПД холодильника и снизить его габариты и выброс горячего воздуха в атмосферу. Этот эффективный процесс реализован в колосниковых холодильниках различных конструкций. Распространение получили в основном две принципиально отличающиеся разновидности: с провальной и беспровальной решетками. Каждый вид имеет несколько модификаций. В России на высокопроизводительных печах мокрого способа преимущественно установлены отечественные колосниковые переталкивающие холодильники с провальной решеткой типа "Волга" (рисунок 2.69).

Рисунок 2.69 - Устройство и принцип работы колосникового переталкивающего холодильника "Волга 75"

Для повышения эффективности работы холодильника и, следовательно, снижения расхода топлива и выброса парниковых газов и пыли в окружающую среду необходимо снижать расход воздуха на охлаждение клинкера, что можно компенсировать повышением времени охлаждения путем повышения высоты слоя и снижением размера клинкерных гранул [64].

В последнее время распространение получил новый тип холодильника с беспровальной решеткой (рисунок 2.70 [65], рисунки 2.71-2.72). В России реализованы перечисленные холодильники.

Проект переталкивающего колосникового холодильника реализован на заводе АО "Пикалевская сода" (рисунок 2.71).

Между горячей и холодными решетками расположена валковая дробилка для клинкера с гидроприводом (рисунок 2.73).

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

Рисунок 2.70 - Клинкерный ригельный холодильник

Рисунок 2.71 - Схема и устройство переталкивающего колосникового холодильника

Рисунок 2.72 - Принципиальная схема клинкерного холодильника

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

Таблица 2.15 - Эффективность использования валковой дробилки для клинкера

N п/п	Наименование параметров	Значения для дробилок
N п/п	Наименование параметров	молотковая	валковая
1	Тип привода	механический	гидравлический
2	Размер максимального исходного куска	500 мм	1000 мм
3	Возможность реверса при заклинивании дробилки	нет	да
4	Размер дробленого клинкера	35 мм	35 мм
5	Допустимая температура клинкера	350 °С	800 °С
6	Частота вращения	367 об/мин	4 об/мин
7	Окружная скорость	25 м/с	0,07 м/с
8	Расход дробящих элементов	300 г/т	4 г/т
9	Расход электроэнергии	0,9 /т	0,3 /т
10	Межремонтный период	100 %	> 300 %
11	Выделение пыли	высокое	низкое

На ПАО "Мордовцемент" и других заводах установлены холодильники, представленные на рисунке 2.72. Холодильник состоит из ограждающего корпуса, колосниковой решетки, по которой передвигается клинкер, вентиляторов, продувающих воздух через слой клинкера, и аспирационного вентилятора, удаляющего после очистки избыточный воздух в атмосферу (см. рисунок 2.73). Колосниковая решетка состоит из возвратно-поступательно движущихся дорожек.

Для создания возвратно-поступательного движения средних дорожек применяется гидроприводы (рисунок 2.74, поз. 2).

Транспортировка клинкера осуществляется одновременным движением вперед всех дорожек и движением назад отдельной дорожки или двух, не расположенных рядом. При движении вперед весь клинкерный слой движется к выходу. При движении назад отдельной дорожки возврат клинкера на нем тормозится соседними слоями, и поэтому дорожка проскальзывает под слоем клинкера без значительной транспортировки его назад.

Рисунок 2.74 - Схема колосниковой решетки холодильника

При такой совокупности движений вперед и назад осуществляется транспортировка клинкера к выходу.

Преимущества колосникового холодильника с беспровальной решеткой:

- повышенный тепловой КПД;

- отсутствие просыпи мелкого клинкера через решетку;

- пониженный объем дутьевого и избыточного воздуха;

- отсутствие скребкового транспортера под решеткой;

- пониженный износ колосников;

- возможность индивидуального регулирования потока воздуха через слой клинкера.

Недостатки:

- повышенный расход электроэнергии на работу вентиляторов;

- некоторое усложнение конструкции.

Избыточный воздух из холодильника подвергается очистке от пыли преимущественно в электрофильтре, а аспирационный воздух от узлов перегрузки клинкера - в рукавных фильтрах [66].

2.10 Складирование клинкера и помол цемента

2.10.1 Складирование клинкера

Для хранения клинкера в России используют открытые склады и силосы. С открытого склада клинкер загружают на конвейер для подачи в мельницу с помощью грейферного крана.

Преимущество открытого склада заключается в возможности одновременного использования клинкера с разных печей для подачи в одну мельницу. Недостаток - в загрязнении пылью окружающей воздушной среды и территории завода.

Открытый склад используют на ООО "Топкинский цемент", АО "Липецкцемент", ОП ООО "Холсим (Рус) СМ" (г. Воскресенск), ЗАО "Осколцемент", АО "Себряковцемент" и др.

Силосы применяют для хранения кондиционного и некондиционного клинкера (рисунок 2.75).

Рисунок 2.75 - Силос для хранения кондиционного и некондиционного клинкера фирмы Aumund

Для хранения кондиционного клинкера имеет распространение круговой силос с механизированными системами разгрузки. Так, на ПАО "Мордовцемент" для хранения кондиционного клинкера предусмотрен шатровый склад, для некондиции - силос. Кроме того, предусмотрена возможность отвала клинкера на открытую площадку. Выгрузка кондиционного клинкера из склада осуществляется через 16 разгрузочных узлов, из которых 12 - с механизированным приводом, а 4 - с ручным. Разгрузочные узлы оборудованы штанговыми и прижимными шиберами. Далее клинкер подают ковшовыми транспортерами в соответствующий бункер цементной мельницы.

Система разгрузки клинкера из силоса может включать стержневые и секторные затворы, что реализовано практически на всех заводах сухого способа России, построенных в последних годы (рисунок 2.76).

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

2.10.2 Помол цемента

Помол цементного клинкера является важной и в то же время последней технологической операцией в процессе производства цемента. От этой операции в значительной степени зависит качество цемента. Технология помола цемента ставит своей задачей получение высокопрочного вяжущего материала, минимизацию затрат электроэнергии и повышение экологической безопасности этого процесса. Цемент производят измельчением клинкера и добавок до высокой дисперсности, соответствующей удельной поверхности 300-500 м²/кг. Для помола применяют различные агрегаты, но наиболее распространенным пока остается шаровая мельница, устройство и принцип работы которой, а также способы интенсификации процессов в ней приведены ниже.

2.10.2.1 Помол цемента в шаровой мельнице

Шаровая мельница имеет невероятно низкий КПД, который находится на уровне 3-5 % (рисунок 2.77). Способы снижения энергозатрат приведены в таблице 2.16.

Основная энергия расходуется на нагрев цемента, что негативно сказывается на процессе помола, качестве цемента и окружающей среде. Поэтому применение эффективных способов снижения энергозатрат на помол цемента является важнейшей задачей.

Рисунок 2.77 - Затраты энергии на отдельные процессы при помоле цемента в шаровой мельнице по данным фирмы Christian Pfeiffer

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

N	Мероприятия	Эффект, %
1	Квалифицированная эксплуатация	до 10
2	Применение ПАВ	до 10
3	Новая внутренняя оснастка	до 20
4	Установка сепаратора	до 25
5	Предизмельчение	до 30
6	Применение минеральных добавок	до 30

Они включают совершенствование внутримельничных устройств и подбор ассортимента мелющих тел, применение химических интенсификаторов помола, применение замкнутых схем помола с сепараторами, а также новых помольных агрегатов.

2.10.2.2 Применение интенсификаторов помола

В качестве интенсификаторов помола широко применяют поверхностно-активные вещества - ПАВ. Согласно [67] механизм действия интенсификаторов помола основан на адсорбции молекул ПАВ на поверхности цементных частиц, что позволяет:

- снять электростатические заряды с поверхности частиц, что предотвращает агрегирование мелких частиц, устраняет проблему налипания материала на шары и бронефутеровку мельниц;

- снизить твердость измельчаемых продуктов, тем самым снизить энергозатраты на помол;

- изменить коэффициент сцепления между мелющими телами, бронефутеровкой и материалом, тем самым повысить силу удара и истирающего воздействия;

- повысить скорость продвижения материала по мельнице и циркуляцию в поперечном сечении.

Технико-технологическая эффективность применения интенсификаторов помола:

- повышение производительности помольных агрегатов при заданной тонкости помола, что позволяет снизить удельные затраты электроэнергии на помол на 2-10 /т цемента, затраты на обслуживание процесса помола;

- повышение гарантированной прочности при повышении тонкости помола при заданной производительности мельницы;

- изменение гранулометрического состава цемента, что может способствовать изменению таких свойств, как водоотделение, сроки схватывания, ускорение набора ранней прочности;

- повышение эффективности работы сепараторов в замкнутом цикле из-за снижения содержания агрегированных частиц;

- повышение текучести цемента, что важно при транспортировке цемента по аэрожелобам, выгрузке цемента из силосов.

2.10.2.3 Модернизация внутримельничных устройств

Развитие в последние годы новых внутримельничных устройств позволяет производить модернизацию мельниц, один из вариантов которой приведен на рисунке 2.78 (цветом показаны измененные узлы).

Модернизация сводится к следующим технологическим и конструктивным решениям:

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

- сортирующие бронеплиты первой камеры заменяют на волнистые;

- гладкие бронеплиты второй камеры заменяют на сортирующие;

- одинарную межкамерную перегородку меняют на двойную;

- во второй камере устанавливают диафрагмы;

- во второй камере цильпебсную загрузку заменяют на мелкие шары, в основном размером 17 мм.

Рисунок 2.78 - Модернизация шаровой мельницы

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

2.10.2.4 Интенсификация помола цемента путем применения сепаратора

Наиболее эффективным способом интенсификации помола цемента является перевод шаровой мельницы на замкнутый цикл с применением сепаратора (рисунок 2.79).

Преимущества:

- повышенная производительность мельницы;

- снижение электроэнергии на помол материалов;

- возможность получения тонкомолотого высокомарочного цемента;

- повышенная эффективность при помоле смешанных цементов;

- предотвращение перегрева цемента за счет охлаждения в сепараторе;

- снижение расхода мелющих тел;

- повышение срока службы бронефутеровки.

Недостатки:

- усложнение схемы помола материала;

- установка дополнительного оборудования.

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

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

Таблица 2.17 - Эффективность установки сепаратора и замены внутренней оснастки мельницы 2,6 x 13 м по данным фирмы Christian Pfeiffer

Параметры	Размерность	Значения от реконструкции		Эффект
Параметры	Размерность	до	после	Эффект
Удельная поверхность	м²/кг	290	300-320	+ 20
Производительность	т/час	23	35	+ 52 %
Расход электроэнергии	/т	41,3	29,3	- 29 %
Температура цемента	°С	120-130	70-80	- 50 °С

2.10.2.5 Новые современные агрегаты для помола цемента

В последнее время шаровые трубные мельницы частично вытесняются более экономичными помольными агрегатами: вертикальными тарельчато-валковыми мельницами и пресс-валковыми измельчителями.

Устройство и принцип работы этих агрегатов изложены в разделах 2.3.2.3 и 2.3.2.4. Преимущество их заключается в высокой производительности и пониженном расходе электроэнергии. Эффективность вертикальной валковой мельницы значительно возрастает с повышением тонкости помола материалов, особенно трудноразмалываемых, таких как шлак (рисунок 2.80).

Рисунок 2.80 - Эффективность вертикальной валковой мельницы в сравнении с шаровой по данным фирмы Loesche

При помоле клинкера до удельной поверхности 300 м²/кг расход электроэнергии составляет на шаровой мельнице 32, а на вертикальной - 28 /т, следовательно, экономия составляет около 12 %, а при 500 м²/кг эти значения равны соответственно 68 и 41 /т, и экономия будет уже 40 %. Следовательно, вертикальные мельницы целесообразно применять для тонкого измельчения клинкера и особенно шлака, при помоле которого эффект еще выше. Пока остается не совсем понятным вопрос качества цемента. Согласно некоторым данным, из-за изменения принципа измельчения с ударного на раздавливание изменяется форма частиц цемента, что приводит к повышенной водопотребности цемента и, следовательно, к снижению качества бетона.

Эффективность применения пресс-валкового измельчителя при помоле цемента по различным схемам представлена на рисунке 2.81. При применении схемы помола с пресс-валковым измельчителем в сравнении с шаровой мельницей экономия электроэнергии составляет по данным фирмы KHD Humboldt Wedag от 12 до 54, по данным же фирмы Polysius - не менее 30 %. Наибольшая экономия достигается, если полностью исключить из схемы шаровую мельницу. Однако при помоле только в пресс-валковом измельчителе возникают те же проблемы, что и при помоле в вертикальной мельнице. В связи с этим в настоящее время применяют схемы 2 и 3 с домолом цемента в шаровой мельнице.

Преимущества новых агрегатов:

- пониженный расход электроэнергии на помол;

- высокая скорость процесса, создающая благоприятные условия для автоматизации;

- пониженный уровень шума;

- пониженный объем ремонтных работ;

- отсутствие работ по догрузке и перегрузке мелющих тел.

Рисунок 2.81 - Эффективность применения пресс-валкового измельчителя

Недостатки новых агрегатов:

- усложненность оборудования;

- повышенная стоимость;

- некоторая неопределенность по качеству цемента.

Пресс-валковые измельчители эксплуатируются на ООО "Азия Цемент" и Первомайском цементном заводе.

2.11 Сушилки

В производстве цемента необходимо производить сушку различных материалов: сырья, добавок, топлива. Сушка при помоле сырья была рассмотрена в разделе 2.6. Поэтому в данном разделе будет представлен только процесс сушки. До недавнего времени имели распространение преимущественно барабанные сушилки. Преимущество их заключалось в универсальности, так как в них можно сушить любые материалы, независимо от размера кусков и влажности. Недостатки - в больших размерах, низкой производительности, КПД и скорости процесса. В настоящее время в основном применяют сушилки с более интенсивной и скоростной сушкой. Во всех случаях для сушки необходим сушильный агент - горячие газы, для получения которых применяют топки. Раньше преимущественно применяли камерные топки больших размеров. Сейчас большее распространение имеют компактные топки с холодными стенками (рисунок 2.82).

Рисунок 2.82 - Топка с холодными стенками по данным фирмы Loesche

Особенность такой топки заключается в том, что через кольцевой канал между высокотемпературной камерой сгорания и корпусом в смесительную область поступает вторичный воздух, что исключает потери тепла в окружающую среду. В сравнении с камерной, представленная топка имеет следующие преимущества:

- малые габариты;

- высокая производительность;

- отсутствие потерь тепла через корпус;

- высокая скорость процесса и оперативность при регулировании, позволяющие легко автоматизировать процесс.

Недостатки:

- работа системы под давлением;

- необходимость герметизации системы.

Для однородного материала мелкой фракции, каким является гранулированный шлак, целесообразно применять сушилку взвешенного слоя (рисунок 2.83).

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

Преимущества:

- повышенная производительность;

- высокие скорость процесса и степень автоматизации;

- отсутствие подвижных деталей в сушилке;

- низкие затраты на ремонт и эксплуатацию;

- малые габариты, компактность.

Рисунок 2.83 - Сушилка взвешенного слоя

Недостатки:

- ограниченность применения - только для сыпучего материала небольших размеров;

- работа топки под давлением, необходимость герметизации;

- повышенный расход электроэнергии на работу вентиляторов.

Такую сушилка отечественного производства применяют для сушки шлака на ЗАО "Липецкцемент" и других заводах.

Высокоскоростная сушилка представлена на рисунке 2.84. Сушилка предназначена для сушки пластичных высоковлажных до 30 % материалов, таких как глина. Помимо сушки, установка производит дезагломерацию материала, тем самым облегчая дальнейшую его переработку.

Рисунок 2.84 - Высокоскоростная сушилка

Преимущества:

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

- возможность сушки пластичных материалов высокой влажности;

- простота обслуживания и ремонта.

Недостатки:

- нежелательность сушки твердых абразивных материалов, приводящих к быстрому износу роторов.

Взамен громоздких барабанных сушилок в последнее время созданы более компактные и эффективные трехходовые барабанные сушилки (рисунок 2.85).

Рисунок 2.85 - Трехходовая барабанная сушилка

Преимущества:

- возможность сушки материалов различных размеров и влажности;

- компактность сушилки;

- пониженный расход тепла на сушку по двум причинам: невысока поверхность соприкосновения сушилки с окружающей средой, и наружная поверхность сушилки имеет пониженную температуру.

Недостатки:

- при износе транспортирующих лопастей прекращается передвижение материала, и сушилка перестает работать.

В некоторых случаях при невысокой влажности добавок или невысоком их содержании в цементе можно сушить их непосредственно в камере сушки шаровой мельницы (рисунок 2.86).

В России такая мельница реализована на ООО "АККЕРМАНН ЦЕМЕНТ".

Рисунок 2.86 - Шаровая мельница с сушильной камерой

2.12 Хранение, отгрузка и упаковка цемента

На рисунке 2.87 представлена схема хранения и отгрузки цемента. Хранение цемента осуществляют в двухсекционных силосах (рисунок 2.88-а). Для выгрузки силосов их снабжают аэрирующими кассетами и аэрожелобами, виброгрохотами для отсева инородных включений и загрузочными устройствами. Часть цемента подвергают упаковке в мешки и в паллеты (рисунок 2.88-б).

Для погрузки цемента в транспортные средства навалом применяют систему загрузки Fluxo (рисунок 2.89), которая предотвращает выброс цемента в окружающую среду. Телескопическое гофрированное устройство позволяет плотно прижимать подающий цемент трубопровод к горловине транспортного средства, в результате чего предотвращается просыпь цемента. Кроме того, система погрузки аспирируется с применением вентилятора и рукавного фильтра.

Система Fluxo применяется на Воронежском филиале АО "ЕВРОЦЕМЕНТ груп" и других заводах.

Последовательность операций наполнения мешков цементом на упаковочной машине представлена на рисунке 2.90.

Рисунок 2.87 - Схема хранения и отгрузки цемента

Рисунок 2.88 - Силос цемента (а) и упаковочная машина (б)

Рисунок 2.89 - Устройство для погрузки цемента навалом Fluxo

Рисунок 2.90 - Последовательность операций тарирования цемента упаковочной машиной

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

<< Раздел 1. Общая информация о производстве цемента в Российской Федерации		Раздел 3. >> Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссий в окружающую среду
	Содержание Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 6-2022 "Производство цемента" (утв. приказом Федерального...

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

ГАРАНТ:

Откройте актуальную версию документа прямо сейчас