аспирант
Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 61.35 Технология производства силикатных и тугоплавких неметаллических материалов
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
В настоящее время мировое сообщество стремится к снижению объемов использования не возобновляемых источников энергии, таких как газ, нефть и уголь. И цементная промыш-ленность не исключение, так как получение цемента характеризуется большим расходом энергии и тепла. Варианты решения достаточно разнообразны, от использования и модер-низации технических средств, до замены топлива техногенными горючесодержащими от-ходами. С помощью технических средств снижение расхода топлива не всегда достижимо и возможно только в небольшой мере. А использование отходов экономически и технологи-чески эффективно, что подтверждено опытом цементных предприятий. В данной статье рассматривается использование отходов для замены части основного технологического топлива, их влияние на технологический процесс получения клинкера, его качество и физико-механические характеристики. В качестве отходов были использованы: бумага, опилки, пластик, нефтяной кокс, углеотходы и автомобильные шины. Приведены их основные характеристики, в частности, наличие зольного остатка и теплотворная способность. Теоретически рассчитано максимально возможное количество вводимых отходов. Показаны положительные и отрицательные стороны применения этих отходов на основании отечественного и зарубежного опыта, экономическая эффективность. А также причины и возможные способы введения в зависимости от характеристик самих отходов и печных агрегатов мокрого и сухого способов производства. Пути предотвращения выбросов вредных веществ, таких как диоксины, в окружающую среду при использовании таких отходов как бутылочный пластик. Дано обоснование повышения активности клинкеров и снижения времени измельчения цемента при использовании отходов.
клинкер, цемент, горючие отходы, экономия топлива, альтернативное топливо, выгораю-щая добавка.
Введение. Использование отходов в технологическом процессе производства цемента является перспективным направлением, успешно применяемым во многих странах Европы и США. Причиной служит стремление к экономической выгоде и снижению экологической нагрузки на окружающую среду [1–5].
Планирование применения отходов предполагает решение какой-либо одной или нескольких технологических задач, например, замена сырьевого компонента, интенсификация процесса помола сырья, снижение тепловых затрат на обжиг клинкера, расхода топлива, количества клинкерной части в цементе и другое. В соответствии с этим отходы принято классифицировать по химическому и морфологическому составу, наличию определенных качеств и характеристик. В представленной работе были рассмотрены горючие техногенные отходы, позволяющие частично заменить основное технологическое топливо.
Основная часть. Возможны несколько агрегатов и схем использования горючих отходов в цементной печи.
При сухом способе производства:
– подача в шахту циклонного теплообменника.
– подача вместе с форсуночным топливом в зону спекания печи.
При мокром способе производства цемента:
– подача через систему шлюзовых затворов в зону декарбонизации печи;
– подача вместе с форсуночным топливом в зону спекания печи;
– подача совместно с сырьевой смесью с холодного конца печи.
В работе главным образом рассматривался мокрый способ производства, а именно подача отходов совместно с сырьевой смесью с холодного конца печи, а также для некоторых отходов по ряду причин, подача через систему шлюзовых затворов в зону декарбонизации печи.
Выбор мокрого способа обусловлен невозможностью подачи горючих отходов с сырьем в сухом способе производства из-за большой вероятности не сгорания горючего вещества. На рис.1 представлены результаты дифференциально-термического анализа используемых в работе отходов, согласно которым, выход горючего вещества из них начинается в пределах 100–450 °С. И если вводить отходы в сырьевую смесь сухого способа производства, в первом циклоне при
350 °С произойдет выход летучих веществ без возгорания. Это может привести к потере тепла и кроме того существует вероятность взрыва в электрофильтре. Тогда как в печи мокрого способа производства температура газового потока на участке зоны подогрева на 650–850 °С выше температуры материала. Это позволяет горючему попадать в газовую среду, и при наличии кислорода полностью сгорать. Выгорание добавки в подготовительных зонах обеспечивает лучшую тепловую подготовку материала [6].
Рис.1. Результаты дифференциально-термического анализа горючих отходов
При вводе горючего вещества в шлам нужно обеспечить кислород для горения, которое будет происходить в пламенном пространстве печи. Увеличение коэффициента избытка воздуха приводит к снижению температуры факела и, следовательно, теплообмену. В связи с чем, введение большого количества отходов таким способом невозможно. В работе определялся коэффициент избытка воздуха, обеспечивающий необходимую теплопередачу и, следовательно, наибольшее количество вводимого горючего отхода по сухому сырью [6]. Так для нефтяного кокса «Новойл» – 2,8 % (рис. 2а), для бумаги оно равно 7 % (рис. 2б).
Рис. 2. Теплопередача при различной концентрации в пересчете на горючее вещество отходов:
а) нефтяного кокса «Новойл»; б) бумаги
Углеотходы. Являются побочным продуктом добычи угля. Характеризуются высоким содержанием минеральной части, в связи с чем, первоначально использовались как замена глинистого компонента цементной сырьевой смеси.
Углеотходы «Обуховские» на 40 % состоят из кварца, каолинита, гидрослюды в виде глауконита, а также волластонита и арканита. Теплотворная способность составляет 28,1 МДж/кг. Максимально возможное вводимое количество, в сырьевую смесь, горючей части углеотходов –
3 %. Из результатов рентгеноспектрального анализа клинкеров следует, что имеются незначительные различия в минералогическом составе рядовых клинкеров и тех для получения, которых вводились углеотходы и корректирующая сырьевая смесь.
Введение углеотходов способствовало увеличению пористости клинкеров при помоле, и, следовательно, меньшему времени достижения требуемой удельной поверхности, так при введении 3 % горючего вещества по сухому сырью размолоспособность увеличилась на 15 % [7].
Прочность на сжатие цементов, полученных с использованием углеотходов, оказалась выше по сравнению с рядовыми во все сроки твердения. Например, разность прочности на сжатие в 28 сутки твердения между рядовым и добавочным с введением 3 % горючего вещества составила 14,4 %. Вероятной причиной этому является образование клинкерных фаз, свойства которых, отличаются по причине переменного температурного поля в системе, так как происходит локальное горение углеотходов.
Нефтяной кокс. Нефтяной кокс – твердый пористый неплавкий и нерастворимый продукт от темно-серого до черного цвета, получаемый при коксовании нефтяного сырья. Характеризуется небольшим содержанием зальной части и высокой тепловой способностью. К недостаткам можно отнести повышенное содержание серы (от 3 до 5 %) и тяжелых металлов (RT< 1800 ppm)
[8–10].
В работе использовался нефтяной коксик «Новойл». Теплотехнические расчеты позволяют введение в сырьевой шлам до 2,8 % кокса с обеспечением требуемой теплопередачи тепла.
При подаче в сырьевой шлам 2,8 % кокса с зольностью около 0,6 % количество минеральной составляющей в нем составит менее 0,02 % и, следовательно, при этом реально не изменится химический состав клинкера. Кроме того, становится неактуальным главный недостаток кокса, а именно, содержание серы и тяжелых металлов будет незначительным.
Нефтяной кокс, вследствие высокой теплоты сгорания, может быть успешно использован для замены до 23 % основного технологического топлива путем подачи его в сырьевой шлам при мокром способе производства цемента. Во все сроки твердения при добавлении в шлам нефтяного кокса наблюдается повышение активности клинкера [11].
Шины. Шины один из наиболее высококалорийных видов альтернативного топлива, кроме того отличается легкодоступностью. Достаточно быстрое горение покрышек обеспечивается его химическим составом, они на 87 % и более состоят из кислорода и углерода. Наличие в шинах железного корда дает возможность замены некоторого количества железосодержащего компонента при обжиге клинкера. Теплотворная способность резины (без металлического корда) составляет более 30 МДж [12].
По использованию автомобильных шин при производстве цемента выработан многолетний мировой опыт. В связи с чем, было решено осуществлять ввод резиновой шины в цементную вращающуюся печь мокрого способа производства в высокотемпературную область, где температура превышает 900 °С или в декарбонизатор сухого способа производства. Так обеспечивается полное выгорание горючей составляющей автомобильной шины при данных характеристиках горения отхода и температурных условиях во вращающейся печи мокрого способа производства и декарбонизатора сухого способа производства.
Резиновые шины подавались в сырьевую смесь в количестве 1,5 и 2,0 % горючего вещества по сухому сырью.
Содержание золы у резиновой шины составляет 4,65 %, при введении небольшого количества отхода до 2 % ГВ, зола не повлияла на расчетный химический состав смесей, поэтому пересчет сырьевых смесей не производился.
Рис. 3. Активность клинкера на 2 и 28 сутки гидратации при введении горючих отходов:
а) автомобильной шины; б) опилок; в) бумаги; г) пластика
Качество клинкера не снизилось в результате ведения в цементную печь покрышек (рис.3а). При этом возможно снижение затрат при производстве клинкера на потребление природного газа примерно на 12 %, с учетом организации бесплатного сбора и доставки шин на предприятие.
Древесные отходы. Состав органической массы древесины практически постоянен и только в небольшой степени зависит от породы дерева. Влажность древесины находится в пределах 50–60 %, а содержание зольной части не более 1 %. В реальных условиях данные показатель могут значительно изменяться. Теплотворная способность древесных отходов примерно 18 МДж/кг [13].
Рядовой и экспериментальные клинкера были получены при введении в сырьевые смеси
0 %, 1,5 %, 2 % горючего вещества опилок по сухому сырью.
Выгорающая добавка – опилки, вследствие незначительного содержания зольной части, не оказала воздействие на активность клинкера. А предварительный экономический эффект составить около 12%.
ТБО: бумага, пластик. Твердые бытовые отходы (ТБО) – это отходы бытовых предметов, которые после использования выбрасывают, таких как упаковка продукта, мебели, одежды, бутылки, пищевые отходы, газеты, бытовая техника краски и батареи [14].
В работе было отдельно рассмотрено введение бумаги и пластика.
Бумага – горючий отход потребления всех видов бумаги и картона. Теплотворная способность бумаги составляет 12,4 МДж/кг, зольность – 10,1 %. Бумага вводилась в количестве 1,5 и
2 %. При этом отсутствовала потребность в корректировке сырьевых смесей.
Введение бумаги в количестве 1,5 и 2,0 % горючего вещества по сухому сырью позволило повысить прочность цементного камня соответственно на 10,7 % и 18,5 % (рис. 3в). Предварительный экономический эффект составил около
7 %.
Сжигание пластика в обычных котлах затруднено с точки зрения образования вредных выбросов, наиболее безопасным является сжигание их во вращающихся печах при производстве цемента, так как температура горения составляет свыше 1450 °С, при этой температуре наиболее токсичные вещества – диоксины и др. не будут образовываться, поскольку диоксины начинают разлагаться при температуре свыше 800 °С [15]. Цементная печь дает возможность обеспечить длительность пребывания газов более 2 сек. в зоне печи с температурой не менее 850 °С. В Результате не произойдет образование диоксинов, а тяжелые металлы в топочном пространстве перейдут в клинкер, образуя с входящими в клинкер минералами химические соединения. По этим причинам ввод пластика осуществлялся в горячий конец печи.
В 28 суточном возрасте происходит увеличение активности экспериментальных клинкеров по сравнению с рядовым (рис. 3г). Некоторое повышение активности клинкеров можно объяснить изменением протекания физико-химических процессов обжига цементного клинкера, при наличии и отсутствии пластика. Экономический эффект составил 15 %.
Выводы. Использование представленных отходов способствовало экономии основного технологического топлива, при сохранении, а иногда и повышении качества клинкера.
-
- Согласно теплотехническим расчетам обеспечить теплообмен в пламенном пространстве печи можно при введении горючей части отходов в количестве, не превосходящем для нефтяного кокса – 2,8 %, бумаги – 7 %, углеотходов из шахтоуправления «Обуховская» – 3 %, и 4,7 % древесных опилок. Резиновую шину и пластик вводить рекомендуется в горячий конец печи, на основании литературных данных оно наиболее эффективно.
- Небольшое содержание зольной части техногенных отходов дало возможность не корректировать сырьевые смеси, исключением стали углеотходы «Обуховские». Крометого происходит увеличение активности клинкеров, получение которых сопровождалось введением следующих отходов, по сравнению с рядовыми клинкерами: нефтяной кокс до 10,6 %; углеотходы до 14,4 %; бумаги до 18,5 %; пластика до 11,9 %. Автомобильные шины и опилки не оказали влияния на активность клинкера.
- Минералогические составы клинкеров различаются незначительно. При этом полифракционный состав основных клинкерных минералов, стал основным фактором, который смог повлиять на рост прочности цементного камня с использованием отходов. Так, к примеру, у клинкеров, сырьевая смесь которых приготавливалась с добавлением нефтяного кокса и углеотходов.
- Важнейшей характеристикой эффективности использования отходов, как горючесодержащих отходов, есть экономия основного топлива. По этому показателю из всех рассмотренных в работе отходов является введение 2,8 % горючего вещества нефтяного коксика по сухому сырью, экономия природного газа может достигать 39 м3 природного газа с 1 т клинкера.
1. Шубин В.И. Применение техногенных материалов, в том числе и горючих отходов при производстве цемента // Цемент Информ. 2014. №1. С. 3-8.
2. Скупин Л. Использование альтерна-тивных видов топлива // Цемент. 2013. №4. С. 130-132.
3. Айхас К., Виноградов К.А., Корнеев В.В. Предварительное технико-экономическое обоснование по организации комплексного предприятия по подготовке от-ходов для утилизации в производстве цемента // Цемент Информ. 2014. №1. С. 34-38.
4. Rivero R., Del Rio R. An advanced tech-nological strategy for energy and the environ-ment // Strategic Planning for energy and the en-vironment. 2000. Vol. 19. № 3. P. 9-24.
5. Князев Я.И., Желтобрюхов В.Ф. Миро-вой опыт использования ТБО для цементной промышленности // Цемент Информ. 2014. №1. С. 66-73.
6. Классен В.К., Борисов И.Н., Мануйлов В.Е. Техногенные материалы в производстве цемента. Белгород: Изд-во БГТУ, 2008. 126 с.
7. Мирошникова Ю.В., Мирошникова О.В., Классен В.К. Влияние введенных в сы-рьевой шлам углеотходов на качество це-ментного клинкера // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. №11. С. 159-163.
8. Борисов И.Н., Мандрикова О.С., Ми-шин Д.А. Нефтяной кокс - альтернативное топливо для цементной вращающейся печи [Электронный ресурс]. Современные пробле-мы науки и образования. 2014. №6. URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=16660 (дата об-ращения: 20.05.2018).
9. Мандрикова О.С., Борисов И.Н. При-менение топливосодержащих отходов в про-изводстве цемента // Цемент Информ. 2014. № 1. С. 9-11.
10. Tokheim L.-A, Dr.-Ing. Kiln sys-tem modification for increased utilization of al-ternative fuels as Norcem Brevik // Cement in-ternational. 2006. №4. Vol. 4. C. 52-59.
11. Классен В.К., Мирошникова О.В. Зависимость активности цементного клинкера от вводимого в сырьевой шлам нефтяного кокса // Техника и технология си-ликатов. 2017. №4. С. 2-6.
12. Бушихин В.В., Ломтев А.Ю., Колтон Г.П. Вовлечение в хозяйственный оборот резиновой крошки и альтернативных видов топлива // Экология производства. 2014. №10. С. 59-62.
13. Отходы деревообработки. Ути-лизация и переработка отходов [Электронный ресурс]. URL: http://greenologia.ru/othody/derevoobrabotka (дата обращения: 5.04.2018).
14. Бушихин В.В., Полозев Г.М., Кайгородов О.Н., Федосеев О.Е. Традиционные энергоносители и альтернативное топливо // Цемент. 2013. №1. С. 80-84.
15. Здоров А.И. Златковский А.Б. Современные направления экономии энергоресурсов в цементной промышленности Украины [Электронный ресурс]. Строительные материалы и изделия. 2007. URL: http://sbcmi.ru/sovremennye-napravleniya-ekonomii-energoresursov-v-tsementnoj-promyshlennosti-ukrainy (дата обращения 18.04.2018).
