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

Раздел 2. Основные технологические процессы, применяемые 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 карбонатного, алюмосиликатного компонентов, железосодержащих и корректирующих добавок, которые обеспечивают образование в готовом продукте силикатов кальция (70% - 80%) и алюминатной и алюмоферритной фаз (20% - 30%).

При этом протекают следующие физико-химические процессы минералообразования:

Основные стадии производства портландцемента представлены на рисунке 2.1.

"Рисунок 2.1 - Стадии производства портландцемента"

При этом некоторые технологические процессы могут совмещаться в одном агрегате или, напротив, одинаковые процессы могут 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.), то 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

При производстве цемента используются преимущественно мокрый, сухой, полусухой и комбинированный способы. Перечисленные технологии различаются по способам приготовления сырьевой смеси и обжига клинкера [20].

2.1.1 Технологическая схема мокрого способа производства цемента

Технология производства цемента по мокрому способу известна с начала XX века, и ее развитие осуществлялось преимущественно путем совершенствования технических средств (см. рисунок 2.2). В соответствии с требованиями этой технологии сырьевые компоненты подвергаются измельчению до тонкости помола шлама с содержанием до 85% - 90% частиц размером 80 мкм и менее. В целях минимизации расхода электроэнергии на помол, обеспечения достаточной гомогенизации компонентов и реологических свойств шлама процесс измельчения осуществляется с добавлением воды.

Измельченный материал (шлам), преимущественно с влажностью 38% - 42% (по факту - 31% - 52%), поступает во вращающуюся печь, где осуществляется процесс сушки шлама, декарбонизации, спекания (сопровождается химическими реакциями с получением заданного фазового состава клинкера) и охлаждения клинкера. В качестве теплоносителя используются газы с температурой факела 1800°C - 2000°C. Продукты сгорания направлены противотоком к движению материала во вращающейся печи.

"Рисунок 2.2 - Технологическая схема мокрого способа производства"

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
		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, рекуператорный
Удельный расход топлива	кг у. т./	190 - 230

В настоящее время на многих цементных заводах, например, на ЗАО "Белгородский цементный завод", ОАО "Себряковцемент", ОАО "Уралцемент" и др., печи пониженной производительности с рекуператорными холодильниками выводят из эксплуатации. Поэтому в дальнейшем мокрый способ будет рассмотрен на примере печей 5 х 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 заводы по традиционной схеме мокрого способа не строят даже при влажности сырья 25% - 32%.

2.1.2 Технологическая схема полусухого способа производства

В начале XX века была разработана и нашла широкое применение технология, получившая название полусухого способа, в соответствии с которой сырьевые материалы с естественной влажностью до 15% - 18% высушивались в сушильных барабанах до влажности не более 5% и затем измельчались в шаровых мельницах с одновременной сушкой (см. рисунок 2.3).

"Рисунок 2.3 - Технологическая схема полусухого способа производства"

Полученная сырьевая мука направлялась на гранулятор, куда впрыскивалась вода из расчета получения гранул с %. Гранулы поступали на конвейерный кальцинатор, где осуществлялись процессы досушки, подогрева и декарбонизации гранулированной шихты, которая далее направлялась на обжиг во вращающуюся печь. Существенным недостатком полусухого способа являются высокие требования к получению достаточной прочности гранул, разрушение которых вызывает резкое увеличение пылевыбросов в атмосферу и ускорение выхода из строя кальцинатора.

2.1.3 Технологическая схема комбинированного способа

Сущность технологии комбинированного способа производства заключается в том, что процесс измельчения и гомогенизации сырья осуществляется аналогично технологии мокрого способа (см. рисунок 2.4). Подготовленный в соответствии с требуемыми физическими и химическими показателями шлам направляется в прессфильтр, где происходит частичное механическое обезвоживание шлама от влажности 40% - 45% до 18% - 22%. Агломерация полученного кека осуществляется в грануляторах или сушилках-дробилках, в которых при обработке кека обеспечивается придание ему размеров и формы для оптимизации процесса обжига.

"Рисунок 2.4 - Технологическая схема комбинированного способа производства"

Такие технологические линии реализованы фирмами "Лафарж" на ОАО "Себряковцемент" и KHD Humboldt Wedag на ПАО "Мордовцемент".

2.1.4 Технологическая схема сухого способа производства цемента

Промышленная технология сухого способа производства цемента разработана в 1830-е годы. Основным преимуществом в данной технологии является более низкий расход топлива на производство клинкера по сравнению с другими технологиями и особенно с технологией мокрого способа. Так, при мокром способе затраты тепла на выпаривание влаги из шлама достигают 40% - 50% от общего расхода на обжиг клинкера, в то время как при сухом способе при естественной влажности сырья 6% - 25% эти затраты составляют 10% - 25%.

До 1990-х годов широкое распространение сухого способа сдерживалось его недостатками в части повышенного пылевыделения, особенно в печах с конвейерными кальцинаторами, и более сложным процессом усреднения сырьевой шихты.

В конце XX века по мере разработки высокоэффективных агрегатов для помола сырья с одновременной сушкой, пылеулавливающих аппаратов, технологических линий мощностью до 4,0 млн т в год (для технологии мокрого способа максимальная мощность составляет 650 тыс. т в год) широкое распространение получил высокоэффективный сухой способ производства (см. рисунки 2.5 - 2.7).

В последние годы разработаны и внедрены несколько вариантов новых технологий сухого способа производства, учитывающих физико-химические свойства сырья.

На рисунке 2.5 представлена технологическая схема сухого способа производства при применении материалов высокой влажности.

Технологическая схема сухого способа производства при использовании материалов с низкой влажностью представлена на рисунке 2.6.

"Рисунок 2.5 - Технологическая схема сухого способа при применении материалов высокой влажности"

"Рисунок 2.6 - Технологическая схема сухого способа при применении материалов низкой влажности"

В России такой способ реализован фирмой KHD Humboldt Wedag на заводе ООО "ЮУГПК" в Новотроицке, который в качестве сырьевых компонентов применяет в основном техногенные отходы металлургического производства.

На рисунке 2.7 представлена технологическая схема сухого способа производства при применении мягких компонентов без твердых включений.

Такая технологическая схема реализована фирмой KHD Humboldt Wedag на Первомайском и фирмой FLSmidth на Верхнебаканском заводах Краснодарского края.

"Рисунок 2.7 - Технологическая схема сухого способа при применении мягких компонентов без твердых включений"

2.1.5 Преимущества и недостатки способов производства

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Так, например, в присутствии воды облегчается измельчение материалов и проще достигается однородность смеси, но расход тепла на обжиг сырьевой смеси при мокром способе на 30% - 40% больше, чем при сухом. Кроме того, значительно возрастает необходимый объем печи при обжиге мокрой сырьевой смеси, так как значительная часть ее выполняет функции испарителя воды.

Выбор способов производства портландцементного клинкера определяется рядом факторов технологического и технико-экономического характера: свойствами сырья, его однородностью и влажностью, наличием достаточной топливной базы в районе строительства завода.

При природной влажности сырья более 18% - 20% и нестабильном химическом составе сырья предпочтительным является мокрый способ. Этот способ выгодно применять также при использовании двух мягких компонентов (глины и мела), так как измельчение их легко достигается разбалтыванием в воде. Тем не менее при современном уровне технического оснащения вышеуказанные факторы не являются серьезным препятствием для применения сухого способа производства.

Сухой способ рационально применять при однородном по составу сырье, если влажность его не превышает 18% - 20%. На практике имеются примеры успешного функционирования предприятий с использованием мела и мергеля с влажностью до 26% (ОАО "Белорусский цементный завод" работает на таком сырье с конца прошлого века). Полусухой способ даст хорошие результаты при изготовлении клинкера из достаточно пластичных сырьевых материалов, когда при грануляции смеси образуются прочные и термостойкие гранулы. При хорошей фильтруемости сырьевых шламов предпочтение следует отдавать комбинированному способу.

При сухом способе производства известняк и глину после выхода из дробилки высушивают до влажности примерно 1% и измельчают в сырьевую муку. После измельчения ее дозируют, усредняют и корректируют в специальных смесительных силосах и подают в циклонные теплообменники.

Главные преимущества сухого способа производства портландцементного клинкера:

- более высокий, чем при мокром способе производства, съем клинкера с 1  печного агрегата;

- экономичность способа (снижение расхода топлива, энергетических затрат, себестоимости 1 т цемента).

При технологии мокрого способа производства расход электроэнергии на измельчение сырьевой шихты, как правило, ниже по сравнению с другими способами, а такие компоненты, как мел и глина, диспергируются путем их размучивания. Расход электроэнергии при этом составляет около половины показателя при измельчении шихты, карбонатным компонентом которой являются твердые породы (известняк, мергель, мрамор).

При приготовлении сырьевого шлама необходимо дополнительно вводить 30% - 50% воды. В результате удельный расход топлива на обжиг при сухом способе составляет 100 - 125 кг у. т. на тонну клинкера, а при мокром - 185 - 230 кг у. т. на тонну клинкера, что обеспечивает снижение себестоимости продукции при сухом способе производства.

При сухом способе приготовления шихты сушка сырья производится перед измельчением или в процессе измельчения в дробилках или мельницах с одновременной сушкой. При мокром способе производства шлам перемещается гидротранспортом - самотеком или с помощью центробежных насосов, при сухом же способе применяют пневмотранспорт, конвейеры и элеваторы, что повышает загрязнение пылью воздуха в цехах и на территории завода и требует установки дополнительного оборудования для обеспыливания аспирационного воздуха.

Объем печных газов при сухом способе на 35% - 40% меньше, чем при мокром, при одинаковой производительности печей. В результате при сухом способе производства снижается стоимость обеспыливания печных газов, имеются более широкие возможности использования тепла отходящих из печи газов для сушки сырья, что позволяет снизить общий расход топлива на производство клинкера, но вызывает усложнение технологии производства.

Ниже приводятся ориентировочные показатели работы печей различных способов производства цемента (см. таблицу 2.2) [26].

Таблица 2.2 - Ориентировочные показатели различных способов производства цемента

N п/п	Параметры	Размерность	Способ производства
			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./ т клинкера	21515	14010	1208
5	Расход электроэнергии:
6	- мягкое влажное сырье		906	1057	1158
7	- твердое сырье низкой влажности		1208	-	1107
8	Расход сырья, топлива и воздуха	т/т клинкера	5,00,35	3,50,25	3,1 0,2
9	Расход огнеупоров в зоне спекания	кг/т клинкера	1,00,07	0,50,04	0,30,02
10	Выход отходящих газов	т/т клинкера	4,00,3	2,50,18	2,10,15
11	Выход	кг/т клинкера	85060	71050	71050
12	* в факеле при газовом топливе		100070	2000140	2500175
13	* в отходящих газах		100070	50035	50035
14		кг/т клинкера	3,50,25	1,10,01	0,90,06
15	Качество клинкера	%	100	105	90
16	Технология	-	Простая	Сложная	Сложная
17	Управление процессом	-	Сложное	Простое	Простое
18	Степень автоматизации	-	Низкая	Высокая	Высокая
* Здесь и далее - смесь оксидов азота NO и в пересчете на .

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 создания буфера и дальнейшей переработки. Другие сырьевые материалы, такие как боксит, железная руда, доменный шлак или литейный (формовочный) песок, привозятся из других регионов или с других предприятий.

Сырьевые материалы должны иметь химический состав, который обеспечивал бы 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 (, , , ), сырьевые материалы содержат примеси, концентрация которых составляет 0,05% - 1,0% (см. таблицу 2.4).

Таблица 2.3 - Химический состав компонентов, масс. %

Материалы	ППП
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 - 2	5 - 20	2,5
8. Шлак ОЭМК *(6)	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*(7)	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*(8) 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-	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
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

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

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

Качество алюмосиликатного компонента оценивается по трем показателям:

- отношению ;

- наличию крупнокристаллического кварца (фракции более 80 мкм);

- наличию примесей.

Оптимальное отношение . Если отношение , то для приготовления оптимального состава в сырьевую смесь необходимо вводить алюмосодержащую добавку, а при отношении - кремнеземсодержащую. Оценка алюмосиликатного компонента по кварцу и примесям будет представлена в соответствующих разделах.

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

Глины представлены кварцем, глинистым минералами - каолинитом, монтмомориллонитом, галлуазитом, бейделитом. Присутствуют (%) щелкосодержащие минералы - иллит, микроклин и альбит. Важным показателем качества глины является содержание в ней крупнокристалического# кварца, так как при превышении определенной величины необходима повышенная температура спекания клинкера, из-за чего повышаются расход топлива, объем отходящих из печи газов, включая , , , и как следствие, выброс вредных веществ в атмосферу. Поэтому необходимо минимизировать содержание крупнокристалического# кварца в сырьевой смеси. Для "Осколцемента" это ограничение равно 1,5%, для "Себряковцемента" - 4%.

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

Мартеновский шлак в основном содержит , , и . Присутствуют также - , , монтичеллит и диопсид .

Шлак ОЭМК содержит (А), , , , , и .

Так как шлаки содержат значительное количество , то при их применении снижается содержание в сырье, следовательно, затраты тепла на декарбонизацию и тепловой эффект клинкерообразования, что значительно снижает выброс в атмосферу продуктов горения и 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 ООО "Ачинский Цемент", ЗАО "Пикалевский цемент".

Отходы различных отраслей промышленности могут частично заменять природные сырьевые материалы. Относительно использования отходов в качестве сырьевых материалов см. 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% - 3%).

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 составляет 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 [27] - [29].

Содержание ангидрида серной кислоты 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°C - 1300°C временно образуют силикосульфат кальция , при разложении которого образуется алит пониженной активности. При концентрации более 3% - 4% сера, окисляясь до , в значительной степени остается в клинкере, снижая его качество. При пониженной концентрации < 1,5% в зоне горения повышается содержание более легколетучего , что снижает в клинкере, повышает его качество, но повышается выброс оксидов серы в атмосферу и, следовательно, ухудшается состояние окружающей среды. Кроме того, является одной из основных причин образования настылей в теплообменниках и колец в печи. Наличие повышенного количества в клинкере может снижать прочность цемента в результате заведомого уменьшения необходимого количества вводимого гипса при помоле, так как клинкера одновременно титруется на колонке при определении количества гипса в цементе.

Щелочи ( и ) 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 при значительном их содержании оказывают и на обжиг клинкера, изменяя последовательность процесса минералообразования, значительно ускоряя образование белита, изменяя свойства клинкерного расплава, замедляя алитообразование. Летучесть хлора в высокотемпературных зонах печи, по данным фирмы KHD, составляет 99%, - 50%, - 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 до не более чем 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 [4], содержание хлора в сырьевой смеси можно повысить до 0,1% без байпасирования части отходящих газов при условии содержания менее 0,6 и суммы щелочных оксидов менее 0,2%.

Оксид магния () может поступать в сырьевую смесь с известняком или с глиной в виде примеси в них доломита () или магнезита (). В интервале температур 600°C - 750°C в процессе разложения магнезита (доломита) выделяется , который частично растворяется в клинкерном расплаве, незначительно снижая его вязкость, частично в алите, белите и минералах плавнях. В основном 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 в сырьевой смеси ограничивается не более чем 3%.

Присутствующие в сырьевой смеси совместно с оксидом магния оксиды и взаимно нейтрализуют отрицательное действие друг друга, и в этом случае содержание в сырьевой смеси может быть увеличено до 6% [28].

в сырьевую смесь может поступать и с доменным шлаком, используемым в качестве сырьевого компонента. Однако оксид магния () в шлаке находится в основном в различных шлаковых минералах, таких как диопсид (), акерманит (), мервинит (), монтичеллит (), стекле и лишь менее 1% в виде периклаза . 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 из стекла или из шлаковых минералов происходит в процессе твердофазовых реакций при 1200°C - 1350°C, и вследствие более позднего появления рекристаллизуется в меньшей степени и не успевает значительно увеличиться в размерах.

Оксиды марганца. Марганец присутствует в глинах и мергелях в виде родохрозита 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°C - 100°C ниже обычной температуры. В процессе обжига понижается вязкость расплава и улучшается кристаллизация алита.

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

Фосфорный ангидрид () 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 в клинкере замедляется процесс твердения цементного камня.

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

Оксид стронция () в природных условиях чаще всего встречается в виде минералов целестина () и стронцианита () 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 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 (). 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, 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 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% обеспечивается повышение гидратационной активности цемента. Но при содержании свыше 0,3% снижается прочность цемента. Для снижения содержания Cr (VI) при помоле цемента применяются дехроматоры. Так на ЗАО "Осколцемент" использовались дехроматоры французской фирмы CHRYSO Reductis 50 и дехроматор "Сумыхимпрома".

2.2.4 Транспортировка сырья с карьера

Для транспортировки сырья применяют железнодорожный транспорт, автотранспорт, конвейерный и гидротранспорт. При расстоянии карьера от завода 1 - 8 км применяют ленточные транспортеры, которые являются наиболее экономичным видом транспорта. Такой вид транспорта в последние годы реализован фирмами KHD Huboldt Wedag на Воронежском филиале АО "ЕВРОЦЕМЕНТ груп#" и ПАО "Мордовцемент". При применении 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 применяют в настоящее время в России на заводах ОАО "Себряковцемент", ООО "Азия Цемент", Воронежском филиале АО "ЕВРОЦЕМЕНТ груп#" и др. (см. рисунок 2.8).

"Рисунок 2.8 - Роторы валковых дробилок для крупного, среднего и мелкого дробления фирмы Bedeschi"

Преимущества валковой дробилки:

- возможность дробления липких высоковлажных материалов;

- простота конструкции;

- низкий удельный расход электроэнергии;

- малый износ дробящих элементов;

Недостатки:

- низкая кратность дробления;

- затруднения при дроблении твердых пород.

Мельницы самоизмельчения (см. рисунок 2.9) 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", ОАО "Спасскцемент", ООО "Староцементный завод (Сухой Лог) и др. В этих мельницах материал измельчают без мелющих тел в барабане большого диаметра - 7 м. Однако при измельчении твердых пород необходимо производить доизмельчение материала.

"Рисунок 2.9 - Мельницы самоизмельчения мокрого и сухого способов производства"

Преимущества:

- повышенная производительность;

- пониженный расход электроэнергии;

- отсутствие мелющих тел;

- исключена операция догрузки и перегрузки мельницы мелющими телами;

- может измельчать как мягкие, так и твердые материалы;

- может работать по мокрому и сухому способам;

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

Недостаток:

- повышенная крупность измельченного материала, требующего домола. Комбинированные двухроторные дробилки ударного действия (см. рисунок 2.10) получили широкое распространение за рубежом для первичного измельчения твердых пород. В России двухроторные дробилки в настоящее время не используются.

"Рисунок 2.10 - Комбинированные двухроторные ударно- и валково-отражательные дробилки"

Преимущества:

- высокая кратность измельчения (до 70 раз);

- 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 немецкие фирмы Thyssen Krupp, Hazemag и др. 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 мокром способе производства сырье в карьерах или на промплощадках закладывается в бурты дробленного# материала. Оттуда материал поступает в дробильное отделение и далее на тонкое измельчение.

При сухом способе, как правило, применяют крытые усреднительные склады с штабелеукладчиками и штабелеразборщиками. Первичное усреднение сырьевой смеси производят путем послойной укладки материала различного состава в штабели. Разборку штабеля производят разборщиком вертикально поперек слоев, в результате чего обеспечивается 2 - 3-кратное усреднение материала. Такие склады реализованы на ряде заводов России различными зарубежными фирмами (см. рисунок 2.11). Прямоугольные склады работают на заводах ПАО "Мордовцемент", ЗАО "Строительные материалы", ООО "ЮУГПК", в Воронежском филиале АО "ЕВРОЦЕМЕНТ груп#" и др., круглый - на ОАО "Сухоложскцемент".

"Рисунок 2.11 - Усреднительный склад сырьевых компонентов фирмы Claudius Peters"

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 способу.

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%.

В последнее время на ряде цементных предприятий (ЗАО "Мальцовский портландцемент", ЗАО "Белгородский цементный завод", ЗАО "Михайловцемент", ЗАО "Ульяновскцемент", ОАО "Холсим (Рус)" (Вольск), ПАО "Мордовцемент") используют разжижители нового поколения "Литопласт М", расход которых в 2-3 раза ниже, чем расход технических лигносульфонатов. При применении разжижителей "Литопласт М" происходит снижение расхода топлива на обжиг клинкера на 10 - 25 кг (в пересчете на условное топливо) и повышение производительности вращающихся печей на 4% - 5%.

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 2.12. 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 2.12 - 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 датской фирмой FLSmidth на Воронежском филиале АО "ЕВРОЦЕМЕНТ груп#", ОАО "Себряковцемент" и китайской фирмой "Хень Юань" на заводе ООО "Азия Цемент" для сырья с влажностью до 25%.

2.3.2.2 Схема помола сырья "тандем" с трудноразмалываемыми включениями

В случаях, когда в сырьевой смеси имеются включения различной размалываемости, целесообразно применять совмещенную схему "тандем" (см. рисунок 2.13).

"Рисунок 2.13 - 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 фирмой KHD на цементном заводе ОАО "Сода" в Башкирии.

2.3.2.3 Помол трудноразмалываемого сырья в вертикальной тарельчато-валковой мельнице

В последние годы наибольшее распространение для помола сырья получили вертикальные тарельчато-валковые мельницы (ВТВМ) фирм Loesche, Gebr.Pfeiffer, Polysius (Германия), FLSmidth (Дания) [30]. Мельница представляет собой вращающийся размольный стол с приводом, мелющие валки, установленные на поворотных рычагах, соединенных посредством шарнирных тяг с силовым нажимным элементом (см. рисунок 2.14). Сушильный агент подают под размольный стол, и он поступает на сушку через зазор между корпусом и размольным столом.

"Рисунок 2.14 - Схема помола сырья с вертикальной тарельчато-валковой мельницей"

Преимущества:

- возможность измельчения материала различной размалываемости и влажности с исходным размером до 80 - 100 мм - 98% от общей массы и до 200 - 300 мм - 2% от общей массы;

- компактность (сепаратор встроен в мельницу);

- пониженный расход электроэнергии только на помол сырья (5 - 7 );

- 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 ОАО "Новоросцемент" (ц/з "Первомайский") в Краснодарском крае.

2.3.2.4 Вариант схемы помола трудноразмалываемого сырья

Наиболее экономичной схемой для помола и сушки твердого сырья низкой влажности является схема с пресс-валковым измельчителем (роллер-прессом) (см. рисунок 2.15). Особенность работы системы заключается в двухступенчатой классификации измельчаемого материала и транспортировке крупной фракции элеватором.

"Рисунок 2.15 - Схема помола и сушки твердого сырья низкой влажности с роллер-прессом"

Преимущества:

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

- относительная простота конструкция;

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

- сниженные ремонтные затраты;

- высокая скорость помола, обеспечивающая более легкую автоматизацию процесса;

- низкий уровень шума.

Недостаток:

- применимость только для твердых пород пониженной влажности.

Такая схема реализована фирмой KHD Humboldt Wedag на ООО "ЮУГПК", вследствие чего на этом заводе удельный расход электроэнергии составляет менее 110 .

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. Схемы порционного и полупоточного корректирования с применением вертикальных и горизонтальных бассейнов приведены на рисунках 2.16 и 2.17.

"Рисунок 2.16 - Порционный и полупоточный способы корректирования шлама"

"Рисунок 2.17 - Вертикальный и горизонтальный шламбассейны"

После пневмоперемешивания шлама в вертикальных бассейнах определяется его химический состав на рентгеновском спектрометре, и согласно расчету соответствующее количество перекачивается в бассейны готового шлама: вертикальный или горизонтальный - емкостью 5000 - 8000 .

Преимущество:

- обеспечение высокой стабильности химического состава шлама.

Недостатки:

- необходимость значительного времени на приготовление шлама;

- необходимость использования большого количества емкостей.

Для лучшего перемешивания шлама его следует разливать по "зеркалу" бассейна, для чего над бассейном устанавливается распределительный желоб, вращающийся вместе с крановой мешалкой, и с воздушным перемешиванием - барботированием сжатым воздухом.

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 является оперативный анализ химического состава сырьевой смеси, точное измерение и дозирование количества материала и шлама в непрерывном режиме.

Для получения оперативного и достоверного анализа шлама необходимо 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 (см. рисунок 2.18). Дискретный анализ усредненной пробы по примеру ЗАО "Осколцемент" можно организовать путем отбора из потока шлама каждые 2 - 3 мин порции около 15 - 20 л, чтобы за час набрать 0,5  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 2.18 - Поточная схема приготовления шлама"

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 две схемы корректирования сырьевой смеси: полупоточную и поточную. Полупоточная схема с двухъярусными силосами распространена на старых заводах, например на Спасском и Невьянском. 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 производится 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 2.19. Наибольшее, 10 - 15-кратное усреднение обеспечивают силосы новейшей конструкции.

"Рисунок 2.19 - Степень усреднения сырья на различных технологических переделах"

Силос состоит из наружного железобетонного цилиндрического корпуса, распределительной многопоточной системы загрузки, внутреннего конуса, системой аэрации днища и усреднения сырьевой муки, разгрузочных аэрожелобов и бункера. 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 и далее в циклонный теплообменник.

Усреднение смеси производится в силосе и под смесительным конусом. Процесс усреднения включает в себя три этапа (см. рисунок 2.20).

"Рисунок 2.20 - Смесительный силос и этапы смешения фирмы Claudius Peters"

1-й 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.

2-й 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.

3-й 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 фирмой KHD Humbold Wedag с использованием оборудования фирмы Ibau на технологических линиях ООО "ЮУГПК" и фирмой Claudius Peters на технологической линии ЗАО "Строительные материалы".

Поточный способ корректирования сырьевой смеси до сушки и помола влажных кусковых компонентов реализован фирмой FLSmidth на Воронежском филиале АО "ЕВРОЦЕМЕНТ груп#" и ОАО "Себряковцемент" (см. рисунок 2.21).

"Рисунок 2.21 - Поточная схема корректирования сырьевой смеси до сушки и помола, реализованная фирмой FLSmidth на Воронежском филиале АО "ЕВРОЦЕМЕНТ груп"

На заводе ООО "Азия Цемент" в Пензенской области китайской фирмой "Хень Юань" реализован полупоточный способ корректирования (см. рисунок 2.22).

"Рисунок 2.22 - Коррекционные силосы и силосы для хранения и усреднения сырьевой смеси фирмы "Хень Юань" на заводе ООО "Азия Цемент""

Когда применяют мягкие компоненты (мел, глину, мергель), имеющие тенденцию к агрегированию, возникают определенные затруднения при смешении порошков, и в таких случаях необходимо обеспечить усреднение смеси непосредственно в помольном агрегате с получением на выходе сырьевой смеси заданного состава. Для этого, как отмечено выше, целесообразно применять поточную схему корректирования с применением гамма-нейтронного анализатора непрерывного действия (см. рисунок 2.23).

Такая схема реализована фирмой FLSmidth и успешно реализована на ОАО "Себряковцемент".

"Рисунок 2.23 - 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 топливо. Кроме того, могут использоваться альтернативные виды топлива. Более подробная информация приведена в 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 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 (см. таблицу 2.5).

Таблица 2.5 - Параметры, характеризующие состав твердого топлива

В 1950 - 1960-е годы в России применяли преимущественно угольное топливо. Впоследствии (вплоть до конца XX века) практически все заводы перешли на газообразное топливо. В зарубежной цементной промышленности практически применяют только уголь. В настоящее время, по данным [31], наблюдается тенденция к возврату к угольному топливу и в России.

Каменный уголь - характеристика горючей массы:

а) состав:

- углерод - 75% - 90%;

- водород - 4% - 6%;

- кислород - 2% - 15%;

- сера - 0,5% - 0,7%;

- летучие - 10% - 50%;

- зольность - 10% - 30%*(9) (сухой массы);

- влажность - 5% - 15% (природной рабочей массы);

- *(10) - 18,0% - 19,3%;

б) теплота сгорания - 31 - 35 МДж/кг *(11);

в) жаропроизводительность - 2200°С;

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

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

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

ж) температура воспламенения - 470°С.

2.5.1.2 Жидкое топливо

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

а) состав:

- углерод - 86,1% - 86,3%;

- водород - 9,6% - 10,7%;

- сера - 0,5% - 3,5%;

- влажность - 0% - 2%;

- = 15,9% - 16,2%;

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

в) жаропроизводительность = 2240°C;

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

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

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

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

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

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:

- - 81,7% - 98,7%;

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

- - 0,1% - 0,4%;

- - 0,5% - 8,5%;

- - 11,6% - 12,0%;

б) теплота сгорания:

- . - 36 - 38 ;

- - 33 - 36 *(12);

в) жаропроизводительность - 2040°C;

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

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

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 .

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 установлен взрывной клапан для отвода взрывной волны и факела на случай взрыва, фильтр очистки воздуха, уровнемеры и термометр. Унос из фильтра составляет не более 10 [32].

В России для хранения угля применяются крытые (ОАО "Ангарскцемент", ООО "Красноярский цемент" и другие заводы) и открытый (ОАО "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 - МДж/кг;

- зольность - %*(13);

- влажность - % - 2%;

- остаток на сите N 02 - % - 2,0%; N 008 - % -15%*(14).

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 (см. рисунок 2.24);

"Рисунок 2.24 - Объединенная с печью система подготовки угля"

- разъединенная схема, когда применяется индивидуальная, независимая от печи сушильно-помольная система (см. рисунок 2.25);

"Рисунок 2.25 - Разъединенная с печью система подготовки угля"

- система прямого вдувания угольного порошка из аэробильной мельницы в печь (см. рисунок 2.26).

"Рисунок 2.26 - Система прямого вдувания угольного порошка в печь*(15)"

Особенности работы каждой схемы приведены ниже.

Объединенная с печью система (см. рисунок 2.24).

Преимущество:

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

Недостатки:

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

- ограничена влажность исходного угля (до 8%);

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

Разъединенная схема (см. рисунок 2.25) возникла именно в связи с необходимостью устранения этих недостатков. Это стало особенно актуально с появлением форсунок, позволяющих сжигать угольное топливо с небольшим (до 7%) количеством первичного воздуха и смеси различных топлив, в том числе и техногенных материалов.

Преимущества:

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

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

- возможность применения более современных форсунок, позволяющих сжигать горючие отходы.

Недостаток:

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

Система прямого вдувания (см. рисунок 2.26) угольного порошка из мельницы в печь имеет предельно малое количество оборудования. Такая схема особенно эффективна при сушке угля невысокой влажности.

Преимущества:

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

- компактность, малое количество оборудования;

- пониженный расход электроэнергии;

- низкие капитальные затраты.

Недостатки:

- повышенный объем холодного первичного воздуха;

- ограничена влажность исходного угля (до 8%);

- зависимость работы печи от системы углеподготовки.

2.5.4 Система подачи газообразного топлива в печь

На рисунке 2.27 представлена система подачи газообразного топлива в печь.

"Рисунок 2.27 - 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. 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, используют соответствующие горелки отечественного и зарубежного производства (см. рисунки 2.28 - 2.34).

"Рисунок 2.28 - Наиболее распространенные газовые горелки ГИД и ДВГ, применяемые в России"

Принцип их работы и параметры, приведенные на рисунках, свидетельствуют, что со временем головная часть горелок оснащалась регулирующими элементами, которые позволяют изменять скорость вылета топлива из сопла горелок и обеспечить завихрение газовой струи. Наиболее эффективны следующие горелки: газовая инжекционная диффузионная (ГИД) и диффузионная вихревая горелка (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, на ПАО "Краматорский цементный завод - Пушка" (Украина), при замене горелок Унитерм на горелки ДВГ были снижены расход топлива на 10% и электроэнергии на клинкера.

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

Преимущества горелок ГИД и ДВГ [33], [34]:

- 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.

За рубежом применяют преимущественно угольные форсунки. В Россию поставляют многоканальные форсунки для сжигания угля, кокса, мазута и природного газа и их смесей, а также альтернативного топлива. Горелки многоканального типа с радиальным и аксиальным газом оснащены двумя типами форсунок: для осевой подачи газа (аксиальный газ) и для тангенциальной подачи газа (радиальный газ). Управление формой факела осуществляется путем регулирования соотношения между подачей радиального и аксиального газа (см. рисунок 2.29).

"Рисунок 2.29 - Горелка Pyro-Jet для сжигания смеси угля и мазута фирмы KHD Humboldt Wedag"

Горелка Duoflex (см. рисунок 2.30) 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.

" Рисунок 2.30 - Устройство и принцип работы горелки Duoflex фирмы FLSmidth"

Горелки фирм KHD Humboldt Wedag и FLSmidth, эксплуатируемые на заводах ЗАО "Строительные материалы", ПАО "Мордовцемент", Воронежском филиале АО "ЕВРОЦЕМЕНТ груп", ОАО "Новоросцемент" (ц/з "Первомайский") и др. (рисунки 2.29 и 2.30), требуют не более 7% первичного воздуха и обеспечивают снижение объема отходящих газов и расхода топлива.

Горелка Unitherm (см. рисунок 2.31) предназначена для сжигания твердого, газообразного топлива, а также альтернативных видов топлива.

"Рисунок 2.31 - Многоканальная горелка Unitherm компании Cemcon"

Особенность конструкции горелки Unitherm является наличие системы гибких шлангов, встроенных в канал первичного воздуха, для настройки формы факела путем регулирования степени закрутки всего потока первичного воздуха (см. рисунок 2.32).

"Рисунок 2.32 - Система гибких шлангов подачи первичного воздуха, обеспечивающих различную длину и форму факела"

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

Данная горелка используется на ОАО "Сланцевский цементный завод "Цесла". В качестве основного вида топлива используется уголь, в качестве альтернативного - твердые бытовые отходы.

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 Flexiflame компании GRECO (см. рисунок 2.33) позволяет сжигать нефтяной кокс/уголь, твердые бытовые отходы, отходы ГСМ, природный газ для разогрева и частично - в качестве резервного топлива.

"Рисунок 2.33 - Многоканальная горелка Flexiflame компании GRECO"

Преимущества горелки Flexiflame:

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

- низкое выделение 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 Pillard NovaFlam (см. рисунок 2.34) 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.

Особенностью конструкции горелок Pillard 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%.

"Рисунок 2.34 - Многоканальная горелка Pillard NovaFlam"

Горелки фирмы Pillard используют два технических решения для уменьшения : 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 составляет от 105 до 115 . При слабой внешней рециркуляции дымовых газов уровень становится 54 - 79 , что намного ниже гарантируемой величины.

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

2.7 Использование отходов

2.7.1 Общие аспекты

Различные типы отходов могут заменять природные сырьевые материалы и ископаемое топливо в производстве цемента и будут способствовать, с одной стороны, сохранению природных источников, а с другой - снижению материало- и энергозатрат [35] - [41]. Наиболее важные показатели процесса для использования (утилизации) отходов могут быть обобщены следующим образом:

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

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

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

- окислительная газовая атмосфера во вращающейся печи;

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

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

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

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

- адсорбция газовых компонентов, таких как , , , на щелочных реагентах;

- высокая емкость связывания тяжелых металлов;

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

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

- химико-минералогическое связывание тяжелых металлов в клинкерную матрицу;

- введенные отходы 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, то перед принятием решения 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 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 будет принят к использованию на конкретном заводе, не может быть однотипным.

Рассмотрение и принятие решения должно быть основано на процессе производства клинкера, режимах обжига, составе сырьевых материалов и топлива, способах подачи отходов в производство, применяемой технологии очистки отходящих газов, данных по проблемам менеджмента отходов.

Как правило, для отходов, принятых в качестве топлива и (или) сырьевых материалов для цементной печи, необходимо учитывать калорийность отходов и количество минеральной части в отходах. Кроме того, должны учитываться объемы и категории отходов, а также их физический и химический состав, характеристики и загрязняющие примеси. Топливные отходы, используемые цементной промышленностью, являются частью, специально отобранной из отходов, которые обычно предварительно перерабатываются, например дробятся, перемешиваются, измельчаются, гомогенизируются и приводятся в материал соответствующего качества. Подготовка отходов обычно выполняется на специальных заводах по предварительной переработке отходов.

Отходы, используемые в качестве сырьевых материалов, обычно подаются в печь в том же месте, где производится подача обычных сырьевых материалов, например по месту подачи сырьевой смеси.

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 топливных отходов. 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. Относительно других точек подачи топлива можно отметить, что в этих случаях температура и время пребывания зависят от конструкции печи и ее эксплуатации.

Отходы, которые подаются через главную горелку, будут разлагаться в первичной зоне горения при высокой температуре, достигающей 2000°C. Отходы, подаваемые во вторичную горелку, подогреватель или декарбонизатор, будут сжигаться при низкой температуре, которая не всегда достаточна для разложения хлорсодержащих органических веществ. Летучие компоненты в материале, который подается в холодный конец печи или отдельный участок печи, могут улетучиваться. Эти компоненты не проходят через первичную зону горения и не могут быть разложены или связаны в цементный клинкер. Поэтому использование отходов, содержащих летучие металлы (ртуть, таллий) или летучие органические компоненты, может приводить к увеличению выбросов указанных соединений, когда используются неправильные точки ввода отходов. Чтобы избежать увеличения выбросов, такие отходы, содержащие летучие при низкой температуре компоненты (например, углеводороды), должны подаваться в высокотемпературную зону печи.

Информация о воздействии отходов на состояние выбросов представлена под в разделах 3.3.1 и 3.4.1.

Контроль параметров и выбросов при использовании отходов в качестве топлива и (или) сырьевых материалов представлен в 5.1 и 5.2.

2.7.2 Использование отходов в качестве сырьевых материалов

Химическая пригодность отходов как сырьевых материалов является важным фактором: они должны обеспечивать требуемый химический и фазовый 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 оксиды, содержащиеся в них, связываются в процессе обжига в клинкер, как и в случае обжига сырьевых материалов. Они содержат, как и сырьевые материалы, оксиды кальция (CaO), кремния (), алюминия () и железа (). Зола электростанций (зола-унос), доменный и другие шлаки, белитовый шлам и другие материалы могут частично заменять природные сырьевые материалы.

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 2.6 показаны отходы, применяемые как сырьевой материал, распределенные по различным группам в соответствии с их химическим составом.

Таблица 2.6 - Список отходов, классифицированных по их химическому составу, которые могут быть использованы в качестве сырьевых материалов в цементных печах (по [41])

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

Характеристика отдельных техногенных материалов, применяемых в России, и эффективность их применения приведены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Эффективность применения техногенных материалов

Материал	Содержание, %					Ввод, %	Ограничение по	Экономия топлива, кг у. т./т клинкера
	CaO	Si02	Al203	Fe203	ГВ *(16)
Белитовый (нефелиновый)	56	30	3	3	-	75 (в шлам)		80
Шлак доменный 1	47	36	8	0,4	-	60 (в печь)		100
Шлак доменный 2	37	37	15	0,4	-	40 (в печь)		80
Шлак ОЭМК*(17)	39	21	5	14	-	30 (в печь)		66
Зола	5	61	23	7	3 - 5	35 (в шлам)		25
Углеотходы	4	45	16	7	~22	20 (в шлам)	ГВ	45

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 для получения заданного состава клинкера.

Отходы, используемые как сырьевые материалы, поступают в обжиговую печь или кальцинатор 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 переработке отходов 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 (см. рисунок 2.35). Это исключает избирательный пылеунос и снижает его величину. При сухом же способе минеральные отходы являются компонентом и размалываются с другими составляющими сырьевой смеси.

"Рисунок 2.35 - Рациональные 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 (см. рисунок 2.36).

"Рисунок 2.36 - Технологическая линия получения портландцементного клинкера со специальным реактором для сжигания различных горючих отходов"

Подобная схема реализована фирмой KHD Humboldt Wedag на заводе Rdersdorf, где для сжигания различных топливосодержащих отходов, в частности золы, установлен специальный реактор взвешенного слоя.

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

На заводе комбинированного способа в Lgerdorf (Германия) применяется более 60% альтернативного топлива и более 10% минеральных отходов (см. рисунок 2.37).

Рисунок 2.37 - Альтернативные материалы, применяемые на заводе комбинированного способа в Lgerdorf (Германия)

При мокром способе производства наиболее рациональный вариант применения материалов, содержащих горючие вещества, - совместный помол техногенного продукта с традиционными сырьевыми компонентами [42]. 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 ОАО "Уралцемент", ЗАО "Осколцемент", ЗАО "Белгородский цемент" и ЗАО "Углегорск-цемент", показали, что каждый процент введенной в шлам горючей массы обеспечивает экономию около 8,5 кг у. т./т клинкера, что определяется характеристиками используемой горючей массы [43]. При введении выгорающих добавок в шлам необходимо повысить коэффициент избытка воздуха в факельном пространстве, что приводит к снижению температуры горения. Теплотехнические расчеты и промышленные испытания свидетельствуют, что для обеспечения необходимой температуры факела для спекания клинкера в сырьевую смесь можно вводить до 3% выгорающей добавки. Это позволит заменить до 45 кг у. т./т клинкера ценного форсуночного топлива на горючие отходы.

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 в качестве сырьевого материала следует принимать во внимание следующие факторы:

- изначально отходы 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.

2.7.3 Использование отходов в качестве топлива

Обычное ископаемое топливо может быть частично заменено альтернативным топливом (АТ), то есть остатками после сортировки отходов, содержащих твердые или жидкие горючие остатки топлива и (или) биомассы. В состав АТ входят высококалорийные компоненты отходов, такие как пластик, бумага, картон, текстиль, резина, кожа, дерево и проч.

Альтернативное топливо имеет калорийность в среднем 202 МДж/кг, что сопоставимо с калорийностью углей и газа. К примеру: 1,7 кг АТ замещают 1  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 тыс. т альтернативного топлива в год при замещении до 30% основного топлива.

В странах Европейского союза (ЕС) существует целое законодательно оформленное направление в утилизации отходов - производство АТ. 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 Dckerhoff в г. Ленгерих (Германия) доля альтернативного топлива составляет примерно 60% от общего расхода топлива, на цементном заводе Rdersdorf (Германия) - до 70%, на цементном заводе Wietersdorf (Австрия) - более 50%, а на цементном заводе Zementwerke Rrogbeumker (Германия) - 100%.

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

В США есть опыт обеспечения АТ цементного завода мощностью 1,6 млн т цемента в год с помощью мусороперерабатывающей установки, окупаемость которой составляет до 3 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 [44].

В настоящее время в Российской Федерации, кроме проблем законодательства по обращению с отходами и экологического законодательства, недостатка экономических стимулов в обращении с отходами, отсутствует ясное представление о круге вопросов, которые необходимо решить для снижения объемов отходов, подлежащих захоронению.

Получение необходимых для идентификации и паспортизации характеристик отходов (в целом) и продуктов, получаемых из них, по морфологическому и химическому составам, физико-химическим свойствам позволят разработать технические условия (ТУ) на способ переработки отходов (в целом) и продуктов, получаемых из них, произвести сертификацию продуктов, получаемых из отходов, и найти потребителя на эти продукты. Данные характеристики также служат основанием для оценки воздействия и разработки мер защиты окружающей среды при их производстве и дальнейшем использовании, а также для организации выходного и входного контроля продукции.

В частности, АТ, произведенное из отходов, должно иметь сертификат соответствия и ТУ, разработанные в соответствии с требованиями потребителя топлива.

В настоящее время используется большое количество видов 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 (извлечения) из них 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:

- 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;

- цементный завод должен быть освобожден от работы с отходами, как от непрофильного бизнеса; альтернативное топливо должно поступать на завод как товар, в сопровождении необходимых документов (сертификат соответствия), отвечать требованиям и характеристикам, необходимым для замещения минерального топлива;

- должны быть соблюдены экономические целесообразность и взаимовыгодный интерес цементников и мусоропереработчиков.

Как отмечено в разделе 2.7.2, необходимо применять различные технологические способы использования горючих отходов при мокром и сухом способах производства. Это связано со следующими обстоятельствами. В подготовительных зонах выше приведенных печных систем проявляются различные условия теплообмена (см. рисунок 2.38).

"Рисунок 2.38 - Рациональный способ подачи горючих отходов при сухом и мокром способах производства"

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

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

Если 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 2.39 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 2.39 - Эффективность применения минеральных и горючих техногенных материалов"

Если даже только частично реализовать данное направление с введением до 25% шлака и 2,5% горючего вещества, можно достичь величины ~130 кг у. т./т клинкера и снизить выброс 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 ЗАО "Кавказцемент" и в настоящее время применяется в Республике Беларусь на цементно-шиферном комбинате. Ввод шин обеспечивает экономию до 10% основного топлива.

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

При сухом способе сжигание горючих отходов в печных системах происходит путем подачи их в зону горения вращающейся печи и в декарбонизатор.

В случаях когда применяют горючие материалы с невысоким содержанием минерального вещества, целесообразно подавать такие отходы непосредственно в декарбонизатор. Для обеспечения в нем полного сжигания отходов фирма KHD Humboldt Wedag применяет систему PYROTOP, которая повышает время пребывания крупных горючих веществ в декарбонизаторе из-за завихрения газового потока в камере PY-ROTOP и обеспечивает их полное сгорание. Такая система для сжигания дробленых автомобильных шин реализована на ПАО "Мордовцемент" (см. рисунок 2.40). В настоящее время на ПАО "Мордовцемент" осваивается способ подачи древесной щепы в факельное пространство с горячего конца печи.

"Рисунок 2.40 - Система с вихревой камерой PYROTOP, обеспечивающая полное сгорание горючих отходов"

В 2011 году на ОАО "Сланцевский цементный завод "Цесла" был проведен промышленный эксперимент по подаче АТ в печь с замещением до 15% основного топлива. На цементном заводе "Сланцы ЛСР групп" 50% сырьевых материалов и 50% природного топлива заменено отходами. Альтернативное топливо используется на заводах группы OSC Lafarge Cement, заводах группы HeidelbergCement RUS LLC, ОАО "Красноярский цементный завод", ООО "Цементная северная компания" (ООО "Воркутацемент") и многих других.

2.7.3.1 Типы топливных отходов

В соответствии со статьей 4 Федерального закона N 89-ФЗ "Об отходах производства и потребления" [44] 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 [45], 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 статьей 14 Федерального закона "Об отходах производства и потребления" [44], на отходы I - IV класса опасности должен быть составлен паспорт. Паспорт отходов I-IV класса 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 [46], 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 использования отходов, топливные отходы используются для замены части обычного топлива. Как показано в таблице 2.8, в цементных печах в качестве топлива могут использоваться различные типы отходов, которые классифицируются на опасные и неопасные отходы.

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

Таблица 2.8 - Различные типы отходов, которые могут использоваться как топливо для вращающихся печей [41]

N п/п	Тип отходов	Наименование отходов
1	Неопасные	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, содержащие углерод
10		Сельскохозяйственные отходы
11	Опасные	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 топлива из отходов являются его теплотворная способность (см. таблицу 2.9), 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 топлив из отходов, как правило, базируется на максимально допустимых концентрациях вредных веществ в отходах.

Таблица 2.9 - Характеристики теплотворной способности и зольности видов топлива из опасных и не опасных отходов

Видов топлива из отходов (опасных и неопасных)	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 определена
Пластики (первичная переработка)	17 - 40	До 2
Топливо из ТБО (RDF)	18 - 20	10 - 22
Резина/шины	Приблизительно 26	7
Видов топлива из отходов (опасных и неопасных)	Значения теплотворной способности (МДж/кг)	Зольность, %
Промышленный шлам	8 - 14	До 30
Костная мука и жиры животных	14 - 18, 27 - 32	Не определена
Мука туши животного	14 - 21,5	Не определена
Сельскохозяйственные отходы	12 - 16	До 10
Растворители, масла, отходы ЛКМ и др	20 - 36	Не определена
Шлам сточных вод (влажность > 10%)	3 - 8	До 40
Шлам сточных вод (влажность < 10% до 0)	8 - 13	До 40

2.7.3.2 Твердые топливные отходы

Не каждые способные к горению отходы пригодны в качестве топлива при получении клинкера.

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 песка, камня, керамики, железистые и нежелезистые металлы, органические влажные материалы;

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

На рисунке 2.41 показаны некоторые виды топливных отходов.

Отходы, смешанные городские отходы, смешанные коммунальные отходы или отходы разрушения конструкций должны пройти предварительное испытание с выделением высококалорийных фракций. Объем предварительной переработки отходов - сортировка, дробление, подготовка окатышей - зависит от области применения топливных отходов.

"Рисунок 2.41 - Виды отходов, которые могут быть использованы в качестве альтернативного топлива: а) - твердые бытовые отходы; б) - шины; в) - измельченная резана, каучук; г) - кормовая мука; д) - осадки сточных вод; е) - древесная щепа; ж) - пропитанные маслами древесные опилки; з) - специально подготовленные топливные отходы на основе бумаги, пластика и текстиля"

Технологии подготовки твердого топлива в большой степени зависят от типа отходов и требований цементной промышленности. Одним из основных требований, проистекающих из способа транспортировки материала и типа используемой горелки, является подача отходов топлива в печь:

- в главной обжиговой системе (на головке печи или выходном отверстии, вдувание топлива через форсунку): высокая абразивность отходов - высушенного шлама - и необычная форма частиц и их размеры могут привести к проблемам эксплуатации. Когда используется пневматическая система транспортировки чтобы подать твердые топливные отходы в печь, можно избежать повреждения и заклинивания вращающихся частей (пневматическая система всецело функционирует без движущихся частей). Количество подаваемого воздуха, инжектируемого в печь с отходами, 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 является снижение размера и дезагломерация топливных отходов (обычно размер окатышей не должен превышать 25 мм). Среднее уплотнение при слабой агломерации окатышей способствует улучшению текучести топливных отходов и их дозировки.

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

- в последние годы фирмами FLSmidth и Thyssen Krupp предложены камеры сгорания HOTDISC и PREPOL, позволяющие сжигать низкосортные и крупнокусковые (размером до 1,2 м) альтернативные виды топлива (см. 2.7.3.4).

2.7.3.3 Жидкие топливные отходы

Жидкие топливные отходы обычно приготавливаются смешением различных отходов использованных растворителей, красок или нефтяных отходов с подходящей величиной теплотворной способности с использованием специальных средств менеджмента.

Жидкие топливные отходы в большинстве опасные отходы. Это необходимо учитывать при обращ