Ресурсосбержение при производстве цемента

Химическая пригодность использования отходов в качестве сырьевых материалов должна быть взаимоувязана с обеспечением требуемого состава производимого клинкера. При использовании отходов оксиды, содержащиеся в них, например оксиды кальция, кремния, алюминия и железа связываются в процессе обжига в клинкер, как в случае обжига сырьевых материалов. Природными сырьевыми материалами, необходимыми для образования химических соединений, являются материалы, содержащие известь, кремний, алюминий и железо, а также серу, щелочи и другие элементы, классифицируемые по группам в соответствии с их химическим составом. Природные сырьевые материалы могут частично заменяться золой электростанций (зола-унос), доменным шлаком, сталеплавильным шлаком, формовочным литейным песком, шламами бумажного производства, нефтесодержащими грунтами, микрокремнеземом, пиритными огарками, синтетическим гипсом (отходом десульфуризации газов и производства фосфорной кислоты).

Другие отходы в качестве добавок при измельчении поставляются на заводы, где проводятся измельчение или смешивание сырьевых материалов. Зола-унос может заменять до 50% портландцементного клинкера и применяться как сырьевой материал при получении клинкера (в основном как компонент, содержащий оксид алюминия) и как добавка при измельчении для производства цемента[9].

В таблице 2 представлен перечень отходов, классифицированных по их химическому составу, используемых в ЕС в качестве сырьевых материалов в цементных печах.

 

 

 

Таблица 2

Группа сырьевых материалов	Отходы, применяемые в качестве сырьевых материалов
Группа, содержащая Ca	Промышленная известь (отходы известняка). Известковый шлам.  Шлам карбида кальция.  Осадки сточных вод, образующиеся при водоподготовке
Группа, содержащая Si	Формовочный литейный песок.   Песок
Группа, содержащая Fe	Доменный и конверторный шлак.   Пиритные огарки.   Синтетический гематит.   Красные шламы
Группа, содержащая Al	Промышленные шламы
Группа, содержащая      Si,                                        Al Ca	Зола-унос.  Шлаки.  Мелкие отсевы дробления, земля (грунт)
Группа, содержащая S	Промышленные гипсовые отходы
Группа, содержащая F	Шламы после фильтрации

 

Подобно золе из обычного топлива зола горючих отходов обеспечивает получение минералов клинкера.

 Производимые с применением НДТ, цементы должны соответствовать требованиям и изготовляться по технологической документации (технологическим регламентам и др.), утвержденной предприятием-изготовителем[9].

Таким образом, можно сделать вывод о том, что утилизация отходов в цементном производстве в качестве горючего или в качестве сырья является важным направление в области защиты окружающей среды и природных ресурсов, которое получило широкое развитие в странах Европы. В последнее десятилетие в Российской Федерации отмечается значительное снижение потребления вторичного сырья и вторичных энергоносителей в народном хозяйстве, что объясняется в первую очередь тем, что действующее законодательство не предусматривает экономических стимулов к их использованию в целях сокращения добычи и переработки первичного сырья и энергоносителей.

Зарубежный опыт утилизации отходящих газов вращающихся печей.

Наиболее широкое распространение в практике утилизации отходящих газов вращающихся печей пучила технология разработанная фирмой Huttenwerke Krupp Mannesmann GmbH (HKM) – LEEP технология. Процесс LEEP позволяет минимизировать количество выбросов в атмосферу и энергопотребление установок без снижения качества продукции и производительности оборудования. Оборудование для реализации процесса LEEP было установлено на печной установке фирмы НКМ в 2001 г. С декабря 2001 г. система находится в постоянной эксплуатации[19].

В отличие от других процессов утилизации отходящих газов процесс LEEP позволяет собрать все отходящие газы на второй стадии и рециркулировать их в систему для последующего использования. Необходимый для горения кислород – это в основном остаточный кислород отходящих газов. При рециркуляции отходящих газов пыль отфильтровывается в агломерационный слой, оксиды азота и диоксины/фураны частично разрушаются, оксиды серы, а также сернистые соединения абсорбируются. Монооксид углерода в рециклируемом газе (в результате окисления при горении) и физическое тепло могут использоваться для последующего нагрева, что позволяет уменьшить энергопотребление от внешних источников. Благодаря рециркуляции отходящих газов второй стадии процесса на выброс в атмосферу поступает газ первой стадии, содержащий вредные соединения в меньшей концентрации. Это обеспечивает значительное снижение количества отходящих газов и вредных выбросов. Схема процесса LEEP представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема процесса LEEP: 1 – вторичный вентилятор, 2 – главный вентилятор 2 , 3 – выводящая труба, 4 – главный вентилятор, 5 – теплообменник

Количество образующихся отходящих газов при процессе LEEP составляет только 50 %, по сравнению с традиционным процессом горения. Количество выбросов было уменьшено более или менее на 50 % в зависимости от соединения. Сокращение количества выбросов SO2 составило примерно 35 %, диоксинов – на уровне 80 %. Общее сокращение энергопотребления составляет 213 МДж на 1 т клинкера, или на 12,5 %[19].

Также известен опыт китайских заводов, в которых для уменьшения расхода топлива и утилизации тепла отходящих газов за вращающимися печами устанавливаются подогреватели (шахтные, ступенчатые, циклонные и др.), в которые направляют предназначенные для обжига кусковые материалы. Отсюда с температурой 500-700°С они поступают в печь, а из нее попадают в холодильник барабанного типа. При таком варианте расход тепла на обжиг снижается с 5900-7300 до 4600-5000 кДж/кг извести.

Анализ литературы показал, что  в России разработано большое количество запатентованных технологий по утилизации отходящих газов, однако только некоторые из них имеют практическое применение, в то в время как заруежом подобные технологии внедрены на большинчтве заводов по производству цемента, в том числе на заводах холдинга «ЕВРОЦЕМЕНТ ГРУПП».

3.  УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДЯЩИХ  ГАЗОВ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

В настоящее время в использовании вторичных энергетических ресурсов имеются значительные резервы. Задача максимального использования ВЭР имеет не только экономическое, но и социальное значение, поскольку снижение расходов топлива, обеспечиваемое использованием вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР), уменьшает вредные выбросы и снижает загрязнение окружающей среды.

3.1 Технологическая  схема утилизации отходящих газов 

Рассмотрим технологию очистки и утилизации попутных газов, входящих в состав отходящих газов вращающихся печей на цементных заводах. На ЗАО «Кавказцемент» предусмотрена первичная очистка газов из печей в пылеосадительной камере, затем отходящие газы обеспыливаются в горизонтальных четырехпольных электрофильтрах УГ2-4-74. Недостаток известного способа - отсутствие утилизации тепла и компонентов отходящих газов. Рассматриваемая технология позволяет устранить эти недостатки за счет того, что отходящие газы после очистки их в электрофильтрах направляются с помощью запечных дымососов в реакторы мокрой очистки газов, куда под давлением подается вода с последующим ее распылением. Подробная схема представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема очистки и утилизации отходящих газов, вращающихся печей после электрофильтров: 1 – электрофильтр; 2,4 ,6,7,9,10– газоход; 3 – дымосос; 5 – реактор первой  ступени очистки; 8 – реактор второй ступени очистки; 11 – вентилятор; 13 – реактор сжижения газов; 14 – пункт наполнения  жидкого углекислого газа; 15,22,24,37,45,46 – насос; 16,19,20,23,26,26,29,31,36,38,39,40,42,47,48,52 - трубопровод; 17 - водоподогреватель; 18 – змеевик;  21 – бассейн технической воды; 27,32,41,43,44,51 – задвижка; 28 – отапливаемое здание; 30 – сборник холодного конденсата; 33 – водоподогреватель; 49,50 – распределительные трубы.

Сущность способа заключается в том, что очистка газов и утилизация составляющих его ингредиентов производится в реакторах двухступенчатым методом, что дает возможность сначала очистить газы от пыли и вредных оксидов, растворимых в воде, а затем разделить чистый водяной пар, смешанный с двуокисью углерода методом конденсации водяных паров водой с последующим снижением двуокиси углерода, которая со второй ступени очистки газов отсасывается вентилятором и направляется в реактор сжижения двуокиси углерода[15].

 

Технологическая схема работает следующим образом.

Отходящие газы вращающихся печей, пройдя электрофильтр 1 и в большей степени очистившись от механических твердых примесей в виде пыли, по газоходу 2 поступают на дымосос 3, который через газоход 4 подает их в реактор 5 первой ступени очистки, где они очищаются от пыли с частичной конденсацией паров воды.

В условиях повышенной температуры, угольная кислота разлагается опять на СО2 и Н2О. Образующаяся серная и азотная кислоты, взаимодействуя со щелочью, превращаются в соль и воду по реакции:

Продукты нейтрализации кислот в виде солей выпадают в осадок и вместе с осадком пыли и водой убираются из реактора 5.

Очищенные от пыли и вредных окислов отходящие газы в виде смеси пара с углекислым газом СО2 через газоходы 6 и 7 поступают в реактор 8 второй ступени очистки, где водяной пар конденсируется, а очищенный углекислый газ через газоходы 9 и 10 удаляется из реактора 8 и с помощью вентилятора 11 по газоходу 12 направляется в реактор его сжижения 13 и далее на пункт наполнения жидкого углекислого газа 14.

Удаление продуктов реакции из реактора 5 производится с помощью насоса 15, который горячую смесь воды с пылью и солями серной и азотной кислот (пульпу) по трубопроводу 16 подает в водоподогреватель 17, в котором размещен змеевик 18, через который по трубе 19 подается чистая вода для подогрева[15].

Охлажденная пульпа из водоподогревателя 17 по трубе 20 подается в бассейн технической воды 21 и далее с помощью насоса 22 по трубопроводу 23 подается на приготовление шлама в сырьевых мельницах[15].

Чистый конденсат из реактора 8 удаляется с помощью насоса 24 и по трубопроводу 25 и 26 через задвижку 27 может подаваться на отопление здания 28, откуда он уходит по трубопроводу 29 в сборник 30. Вторая часть конденсата по трубопроводу 31 через задвижку 32 может подаваться в водоподогреватель 33, в котором размещен змеевик 34 подогрева чистой воды, поступающей по трубопроводу 35. Холодный конденсат из водоподогревателя 33 через трубопровод 36 поступает в сборник 30, откуда с помощью насоса 37 по трубопроводу 38, 39 и 40 через задвижку 41 подается частично для хозяйственных нужд, а остальная часть холодного конденсата по трубопроводу 42 через задвижки 43 и 44 подается на насосы 45 и 46, которые направляют конденсат по трубопроводам 47 и 48 через распределительные трубы 49 и 50 в реакторы 5 и 8, где он распыляется и очищает отходящие газы в реакторе 5, а в реакторе 8 конденсирует чистые водяные пары[15].

Излишки холодного конденсата со сборника 30 с помощью насоса 37 по трубопроводам 38 и 52 через задвижку 51 подаются в бассейн 21 технической воды и далее на приготовление шлама в сырьевых мельницах[15].

Как видно из описания данная схема решает сразу три задачи:

1. Отопление здания.

2. Подача воды на хозяйственные нужды.

3. Подача воды на приготовление шлама в сырьевых мельницах.

Рассмотрим данную технологию с точки зрения критериев ресурсосбережения[16].

Приготовление клинкера является энерго- и материалоёмкой стадией технологического процесса производства цемента. Сырье размалывается в мельницах со значительным количеством воды, технология утилизации отходящих газов, позволяет сократить объем воды подаваемой в сырьевую мельницу на 15-20%, воды на технические нужды на 5-10%.

При рассмотрении ресурсосбережения на предприятии можно воспользоваться схемой представленной на рисунке 3.

Рисунок 3 – Принципы и операции ресурсосбережения на предприятии

Рассмотрим подробно каждый блок.

                                                                          Оптимизация параметров (температура, давление и др.)

                                                                          Увеличение поверхности соприкосновения  фаз (дробление)   

   1. Режимно-параметрический               Введение дополнительных веществ

                                                                          Применение катализаторов

                                                                          Изменение направления движения  потоков  

                                                                          Совмещение в одном аппарате различных процессов

                                                                         Исключение промежуточных технологических  операций

  2. Технологические мероприятия        Создание рациональных тех. связей между аппаратами

                                                                         Дискретно-периодическая подача  потоков в аппарат

                                                                         Внешние энергетические воздействия 

                                                                          Выбор геометрической  формы аппарата