УДК 666.954.3
Здоров А.И., Златковский А.Б.
ГосНИИ «Укрдицемент», г. Харьков
В силу определенных зависимостей от импорта газа и нефти энергосбережение при производстве цемента в Украине имеет исключительно большое значение. Проблема осложняется условиями рыночной экономики, при которой интересы собственника и государства могут не совпадать.
Кардинальным решением этого вопроса может быть перевод цементных заводов на сухой способ производства путем строительства новой технологической линии стоимостью 100-150 млн. долл. США. Однако финансирование этих работ не решено и стремления инвестировать это направление не наблюдается.
Менее капиталоемкий – перевод на комбинированный способ производства. Украинские машиностроители (фирма НПК «Восточная Украина», г. Харьков), разработав и внедрив на ряде машиностроительных заводов автоматизированные фильтр-прессы нового поколения, предложили институту «Укрдицемент» совместно доработать их применительно к особенностям цементного производства.
При сохранении существующей технологии мокрого способа производства имеется ряд способов, внедрение которых может привести к значительному снижению энергоресурсов. Способы эти условно можно разбить на 2 типа:
1-й – снижение энергоресурсов за счет изменения состава сырьевой смеси;
2-й – экономия энергоресурсов за счет изменения состава цемента.
1. Снижение расхода энергии за счет изменения состава сырьевой смеси и применения альтернативных видов топлива.
● Одним из таких способов является применение добавок-разжижителей (в основном, ЛСТ), которые в недавнем прошлом с успехом применялись на многих цементных заводах. В настоящее время они используются только на ОАО «Балцем» и ОАО «Югцемент». Однако на «Югцемент» используется разжижитель ЛСТМ, основная область применения которого – при помоле цемента, а для сырьевого шлама он мало эффективен.
Кроме того, есть ряд цементных заводов (Донцемент, Николаевцемент, Югцемент), на сырьевые шламы которых ЛСТ и другие известные разжижители практически не действуют. Поэтому в настоящее время мы провели предварительные работы совместно со специализированной организацией «ВНИИХимпроект», которые показали возможность разработки нового состава разжижителя на базе отечественных производств и отходов, позволяющих снизить влажность шлама на 3-5 %.
● Перспективным резервом снижения расхода топлива на обжиг клинкера является также ввод шлака в состав сырьевой смеси при условии подачи шлака непосредственно во вращающуюся печь. Весьма перспективным, по нашему мнению, является использование дробленных отмагниченных сталеплавильных шлаков (СПШ). Одним из их преимуществ является то, что по своему составу они близки к клинкеру и содержат повышенное содержание Fe2O3. Поэтому, с одной стороны, состав сырьевого шлама будет мало отличаться от обычного, даже при вводе 7 и более % СПШ, а, с другой стороны, отпадает необходимость в приобретении более дорогой железосодержащей добавки.
Следует отметить, что этот вопрос не новый, об эффективности их использования известно давно. Основной причиной их неиспользования является то, что эти шлаки были представлены в виде больших кусков материала с высоким содержанием металлического железа. Однако в настоящее время ряд металлургических заводов начал переработку сталеплавильных шлаков – их дробление, рассев на разные фракции и, самое главное, извлечение металлического железа. И если крупные фракции размером свыше 10 мм используются различными отраслями промышленности, то фракция – 10 мм практически не используется и загромождает шлаковые дворы металлургических комбинатов. Нами, совместно с институтом «Энергосталь», а также с Харьковским опытным цементным заводом в рамках Государственной программы был проведен комплекс исследований и технологических испытаний по определению эффективности использования дробленных просеянных отмагниченных СПШ двух металлургических комбинатов в качестве компонента сырьевой смеси при обжиге клинкера. Как показали наши расчеты, СПШ могут быть применены в качестве карбонатного и железосодержащего компонента в количестве 8-12 %. Промышленные испытания, к сожалению, до сих пор не проведены.
По зарубежным данным количество СПШ, вводимых в сырьевую смесь, доходит до 20 % и выше.
● Одним из способов снижения расхода топлива на обжиг клинкера, а также экономии природных ресурсов, является введение в состав сырьевой смеси отвального фосфогипса в количестве до 5 %. Как показали проведенные многочисленные исследования, в том числе и нашим институтом, и опыт практического применения на ряде цементных заводов бывшего Советского Союза, отвальный фосфогипс может быть применен, с одной стороны, в качестве минерализатора при обжиге клинкера, а, с другой стороны, взамен природного гипса при помоле цемента. Причем, благодаря наличию в отвальном фосфогипсе растворимых солей фтора и Р2О5 в допустимых пределах, вводимое его количество меньше, чем природного гипса при сохранении тех же характеристик цемента.
За счет содержания водорастворимых Р2О5 и солей фторидов фосфогипс оказывает минерализующее действие на процесс обжига клинкера – снижение температуры обжига, ускорение реакций клинкерообразования, повышения количества алита.
● Также перспективным направлением энергосбережения является введение отходов углеобогащения, других топливосодержащих отходов промышленного и сельскохозяйственного производства, твердых бытовых отходов, автомобильных покрышек и др. Разработаны способы их подачи в печь, одним из которых является способ, разработанный НТК «Цемент».
Использование ТБО в качестве альтернативного топлива
В зарубежной цементной промышленности потребление горючих отходов составляет около 20 % от общего количества потребляемого топлива, и по прогнозам будет увеличиваться, несмотря на то, что утилизация бытового мусора становится все более сложной проблемой (без предварительной сортировки). В Бельгии, например, уже имеются законодательные предложения о закрытии свалок, что делает проблему утилизации мусора все более неотложной. В Украине проблема утилизации мусора далека от решения, поскольку немногочисленные мусороперерабатывающие заводы лишь частично решают проблему сортировки мусора. Считаем, что утилизация мусора путем его сжигания на мусороперерабатывающих заводах в принципе неэффективна, так как при низкой температуре (около 1000 оС) выделяющиеся в значительных количествах вредные вещества практически не разлагаются.
Теплозатраты на сушку бытового мусора будут достаточно высокими, около 1000 ккал/кг готового продукта. В качестве топлива следует использовать, в основном, тот же готовый продукт с небольшой добавкой (около 15-20 % от общей потребности) покупного топлива – газа или мазута.
Наиболее оптимальным является тот вариант, при котором муниципалитеты городов будут отпускать готовый продукт (мелкодробленные сухие ТБО) цементным заводам по цене ниже себестоимости. Можно предполагать, что такая схема взаимоотношений производителей ТБО и их потребителей будет экономически выгодна обеим сторонам – с одной стороны, цементные заводы получат дешевое топливо, а, с другой стороны, город избавляется от огромных затрат на отвод и закупку земельных участков, подготовку, эксплуатацию и рекультивацию полигонов, транспортных расходов. Значительно улучшается экологическая обстановка.
При сжигании подготовленных ТБО в цементных печах (причем только в качестве добавки к основному топливу) при температуре свыше 1450 0С наиболее токсичные вещества – диоксины и др. не будут образовываться, поскольку диоксины начинают разлагаться при температуре свыше 800 0С. Тяжелые металлы в топочном пространстве перейдут в шлак, золу, а затем в клинкер, образуя с входящими в клинкер минералами химические соединения.
Контролируемое сжигание в ТБО во вращающихся печах не приводит к ухудшению экологической обстановки района. Однако, учитывая озабоченность жителей района состоянием окружающей среды при сжигании ТБО, руководство завода периодически проводит встречи с местными властями и жителями.
Использование отходов нефтепереработки.
На Украине скопилось большое количество отходов нефтепродуктов – кислых гудронов, содержащих серную кислоту которые загрязняют окружающую среду, проникают под землю и выводят из строя пахотные земли, отрицательно влияют на здоровье жителей. Это также различные пеки и др. Разработанная фирмой «Экоинфо» технология нейтрализации кислых гудронов и получение на их основе безопасного продукта «строительная добавка в виде глины, с содержанием битума» дает основание на ее использования в качестве альтернативного топлива при обжиге сырьевых смесей с введением расчетного количества этой добавки в состав сырьевой смеси.
Проведение работы по обжигу добавки в составе цементно-сырьевой смеси диктуется необходимостью получения данных по составу и количеству выбросов, а также по влиянию количества вводимой добавки на качество получаемого клинкера и содержания в нем тяжелых металлов.
Полученные данные будут использованы для создания промышленной технологии на ряде цементных заводов Украины.
● С целью утилизации вторичной теплоты клинкерообжигательных печей и повышения коэффициента их использования разработаны утилизационные установки, позволяющие бесконтактным методом улавливать и сохранять теплоту, теряемую печными агрегатами, а также управлять процессами образования обмазки в клинкерообжигательных печах.
Разработаны и внедрены принципиальные тепловые схемы использования вторичной теплоты в системе теплоснабжения для отопления и горячего водоснабжения, нагрева мазута.
Применение таких утилизационных установок по практическим данным обеспечивает улавливание вторичной теплоты в среднем за год в количестве 90 тыс. ГДж.
Эти установки эксплуатировались на 3-х печах, однако, в связи с необходимостью дополнительного обслуживания и низкой стоимость в то время топлива, дальнейшего распространения не получили.
2. Экономия энергоресурсов за счет изменения состава цемента.
Одним из возможных направлений снижения расхода клинкера и стоимости цемента и, как следствие, снижение расхода энергии на производство цемента, может явиться применение нетрадиционных отходов производства — «красных шламов» ОАО НГЗ в качестве активной минеральной добавки при помоле цемента.
В настоящее время, благодаря нашим исследованиям и рекомендациям, ряд цементных заводов Украины использует «красные шламы ОАО «НГЗ» в качестве алюмо- и железосодержащей добавки в составе сырьевой смеси для производства цемента, объем использования которых в 2004 г. составил 84,1 тыс.т.
Поисковыми исследованиями, проведенными институтом совместно с институтом «НИИТитан», показана эффективность применения «красного шлама» в качестве активной минеральной добавки при производстве цемента общестроительного назначения с целью повышения коррозионной стойкости при службе в пресной и морской воде, повышения термостойкости, получения цветных цементов и др.
Особенно эффективно использовать «красные шламы» в качестве основного компонента для получения быстротвердеющих шлакопортландцементов.
● Одним из направлений повышения качества цемента и снижения содержания 6-валентного хрома является организация производства добавки на основе отработанных травильных растворов (ОТР) трубопрокатных заводов. Разработка технологии производства такой добавки и опытно- промышленная проверка ее эффективности на цементных заводах внесена нами в качестве предложения в Государственную программу по использованию отходов производства.
● Перспективным резервом повышения эффективности, как производства, так и применения цемента, является широкое использование в строительстве композиционных цементов. По общепринятому определению композиционный цемент- это гидравлический цемент, состоящий из портландцемента и одного или более неорганических материалов — минеральных добавок, которые принимают участие в процессе гидратации. Минеральные добавки – гранулированный доменный шлак, золы уноса ТЭС, природные пуццоланы, микрокремнезем – измельчаются совместно с клинкером и гипсом или смешиваются совместно с портландцементом.
Композиционные («многокомпонентные» или «смешанные») цементы отличаются, прежде всего, высокой коррозиоустойчивостью, в том числе против сульфатной агрессии, в условиях которой уже 20 лет тому назад эксплуатировалось более 50 % промышленных сооружений в бывшем СССР.
В Индии, например, из производимых 100 млн. тонн в год цемента около 45 % выпускается цемента с минеральными добавками, причем, 33 % из них – с вводом золы уноса ТЭС. В Японии доля проданного ШПЦ в 1980 г. составила 6 %, а в 2003 г – почти 20 % из производимых за год 70 млн. тонн.
Применение композиционных цементов и суперпластификаторов – основной путь получения так называемых многокомпонентных композиционных бетонов (МКБ) самых различных свойств и самого различного назначения. Такие бетоны могут приобретать специальные и потребительские свойства как медленное или быстрое твердение, низкое тепловыделение в массивных сооружениях, повышенную долговечность, истираемость, стойкость, безусадочность и сохраняемость.
Расширение использования добавок в составе цемента в Украине будет способствовать введение в действие разработанного институтом «Укрдицемент», как базовой организации по стандартизации, ДСТУ на цемент для строительных растворов нового состава, обеспечивающие более высокую удобоукладываемость, которая не достигается при получении низконизкомарочных бетонов на основе высокомарочного цемента.
● Весьма актуальным для ресурсосбережения является проблема радиационной безопасности. Известно, что при строительстве укрытия на Чернобыльской АЭС был применен высокомарочный цемент, не предназначенный для условий радиоактивного облучения. С целью получения специального радиационностойкого цемента в институте «Укрдицемент» в начале 90-х годов был разработан состав портландцемента, который при проведении предварительных испытаний показал сохранение всех показателей прочности при больших дозах облучения образцов – до 106 Грэй при повышенных температурах (450 – 500 0С). Такие показатели достигнуты за счет разработки специального состава цемента, твердение которого обеспечивает повышенное содержание гидратов с большим количеством молекул воды. Бетоны, изготовленные на таком цементе, имеют повышенные защитные свойства по отношению к проникающему нейтронному облучению.
Из-за отсутствия финансирования эти работы были прекращены, однако, с целью обеспечения строящихся объектов укрытия или эффективного решения вопроса захоронения радиоактивных отходов, оно могут быть продолжены в кратчайшие сроки с привлечением НТЦ «Харьковский физико-технический институт» АН Украины.
Решение вышеперечисленных направлений, требующих, прежде всего, государственной поддержки на различных уровнях, невозможно без их предварительной отработки в лабораторных условиях института и полупромышленных – на ХОЦЗ с тщательной отработкой экологических аспектов. Завершением работ является опытно-промышленная проверка на цементном заводе с последующим промышленным внедрением.
Условия для проведения комплексных работ – научный и проектный потенциал, как специалистов цементного производства, так и экологов, а также экспериментальная база в г. Харькове – имеются.
