Топливо для производства цемента

Обновлено: 18.04.2024

Проблема загрязнения окружающей среды разнообразными веществами в настоящее время приобретает глобальный характер. На сегодняшний день одной из основных задач, актуальных во всем мире, является переработка и утилизация коммунальных и промышленных отходов. Накопление и несвоевременный вывоз отходов создают экологическую опасность для населения из-за содержания в них большого количества органических веществ, которые при разложении образуют вредные химические соединения.

Мировой опыт показывает, что цементная промышленность является уникальным и эффективным утилизатором широчайшего спектра техногенных отходов: металлургических шлаков, золы ТЭЦ, осадков очистных сооружений, отходов переработки сельхозпродукции, нефти, газа, отходов деревообработки, целлюлозно-бумажной промышленности и бытового мусора. Практически все действующие сегодня цементные предприятия России испытывают трудности из-за постоянно растущих цен на энергоносители. Одним из мероприятий, позволяющих снизить затраты на энергоносители, может стать частичная замена традиционного топлива альтернативным.

Исследована проблема утилизации отработавших автомобильных покрышек и способ решения этой проблемы путем использования автопокрышек в составе топлива для цементных печей. Рассмотрено использование RDF (Refuse Derived Fuel) в качестве части органического топлива. Проведен расчет материальных балансов горения топлива и тепловых балансов вращающейся печи для производства цемента.

В эксплуатируемых в настоящее время мусоросжигательных печах температура сжигания отходов составляет не более 850-950 °С. После сжигания отходов остаются зола и шлак, требующие специального дополнительного обезвреживания. В связи с ужесточением нормативных показателей, связанных с выбросами, в настоящее время обсуждается вопрос о необходимости увеличения температуры процесса термического обезвреживания. В связи с этим альтернативным способом термической утилизации отходов становится обезвреживание промышленных и коммунальных отходов в цементных печах, использование которых дает массу преимуществ [1]:

высокая температура материала (до 1450 °C) и газовой среды (до 2000 °C);
время пребывания газов в горячей зоне при температуре выше 1200 °C составляет не менее 7 секунд;
присутствующие в отходах тяжелые металлы нейтрализуются, так как в процессе получения клинкера участвует большое количество извести;
процесс производства клинкера в печи в большинстве случаев является безотходным, так как вся уловленная пыль из цементной печи возвращается в технологический процесс.

Следует отметить, что сегодня в европейских странах существуют предприятия, на которых использование альтернативных видов топлива достигает 100 % от общего потребления топлива. При этом природный газ используется только как резервное топливо или как вспомогательное - для поддержания горения трудно сгораемого топлива, углеродсодержащих отходов и розжига [2].

Расположение цементных заводов на территории РФ представлено на рис. 1. Общее количество заводов - более 50.

Большинство заводов находится в европейской части России и Западной Сибири. Это объясняется тем, что с целью уменьшения расходов на подвоз компонентов цементные заводы обычно строят возле месторождений основных сырьевых материалов, а также вблизи районов жилищного и промышленного строительства.

Затраты на энергоносители на цементных предприятиях в Российской Федерации составляют 50-57 % от себестоимости конечного продукта [3]. Их можно снизить путем частичной замены традиционного топлива альтернативным. Речь идет о замене части органического топлива на вторичное топливо, производимое в процессе переработки и обезвреживания твердых коммунальных отходов (ТКО). Такое топливо получило название «топливо, полученное из отходов» или Refuse Derived Fuel (RDF) [4]. Для производства RDF используются следующие фракции ТКО: бумага, текстиль, древесина, пластмасса. Основным достоинством RDF следует считать возможность хранения в течение определенного времени.

На рис. 2 представлена технологическая схема производства топлива RDF.

Главную сложность составляет отсутствие в РФ раздельного сбора ТКО, в то время как во многих развитых странах во дворах стоят контейнеры для разных типов отходов и вероятность попадания в общую массу отходов опасных элементов мала. В нашем случае это влечет за собой необходимость более тщательного подхода к вопросу сепарации.

Внедрение раздельного сбора мусора - сложная проблема из-за отсутствия понимания населением важности и необходимости данного процесса, хотя использование отходов в качестве вторсырья способствует сохранению природных ресурсов и укреплению экологической безопасности окружающей среды. Главное внимание должно уделяться работе с населением, ведь основой для применения раздельного сбора отходов является высокая экологическая культура населения [5].

Нами также была рассмотрена проблема утилизации отработанных автомобильных покрышек и способ ее решения путем использования покрышек в качестве замены части топлива во вращающейся цементной печи [6, 7].

Общемировые запасы изношенных автошин оцениваются примерно в 100 млн т при ежегодном приросте не менее 7 млн т. Годовой объем образования отработанных покрышек в мире, тыс. т: Россия - 1000; США - 4000; Япония - 1126; Китай - 750; Германия - 667; Индия - 506; Швейцария - 487. Из этого количества в мире только 23 % покрышек находит применение (экспорт в другие страны, сжигание с целью получения энергии, механическое размельчение для покрытия дорог и др.). Остальные автопокрышки никак не утилизируются из-за отсутствия рентабельного способа утилизации. Громадное количество не нашедших применения изношенных автомобильных и авиационных покрышек закапывается в землю, скапливается на открытых площадках, занимая огромное пространство, представляет собой опасность для возгорания.

Химический состав, а следовательно, горючие свойства шин отличаются от основных видов топлив, используемых в цементных печах. В табл. 1 приведены данные по типичным составам шин, угля и мазута (состав приведен на рабочую массу отходов (топлива)). Также в табл. 1 представлена низшая теплота сгорания отходов (топлива) на рабочую массу).

Химический состав шин при использовании их в качестве топлива будет влиять:

на эффективность выгорания покрышек;
содержание тяжелых металлов в клинкере;
эмиссию газов и макрочастиц.

Состав шин, угля и мазута

Тип корда	Влага W p , %	Зола А p , %	Углерод C p , %	Водород H p , %	Азот N p , %	Кислород O p , %	Сера S p , %	Q p _н, МДж/кг
Fibreglass	0,00	11,70	75,80	6,62	0,2	4,39	1,29	32,47
Steel-belted	0,00	25,20 (в т.ч. сталь)	64,39	5,00	0,1	4,40	0,91	26,67
Nylon	0,00	7,20	78,90	6,97		5,42	1,51	34,64
Polyester	0,00	6,50	83,50	7,08		1,72	1,20	34,28
Kevlar-belted	0,00	2,50	86,55	7,35		2,11	1,49	39,20
Уголь Кузнецкий марки Д	12,00	13,20	58,70	4,20	1,90	9,70	0,30	22,84
Мазут малосернистый	3,00	0,05	84,65	11,7	0,30		0,30	40,31

Кроме того, комбинированные цинкосодержащие соединения в шинах могут влиять на качество цемента, в частности, высокое содержание цинка влияет на время затвердевания цемента.

Химический состав шин, используемый в расчете, %: влага W p - 1,01; зола A p - 13,73; сера S p - 1,33; углерод C p - 69,88; водород H p - 8,55; кислород O p - 5,21; азот Np p - 0,29.

Теплота сгорания покрышек Q_н p = 32,056 МДж/кг.

Поскольку содержащиеся в автопокрышках компоненты так или иначе входят в состав цемента, то использование автопокрышек в качестве замены части органического топлива представляется целесообразным.

В настоящее время каждый житель в Российской Федерации выбрасывает ежегодно в среднем 285-290 кг твердых коммунальных отходов [8]. Примерный морфологический состав ТКО по России [9] следующий:

пищевые отходы. 41,00 %
бумага. 35,00 %
пластмасса. 3,00 %
стекло. 8,00 %
металл . 4,00 %
дерево, кости, резина, текстиль, прочее . 9,00 %
итого. 100,00 %

В ТКО содержатся компоненты с относительно высокой теплотой сгорания (бумага, картон, дерево, пластики). Их извлечение и последующее использование в качестве топлива позволило бы реализовать энергетический потенциал отходов.

Сжигание RDF с экологической точки зрения приемлемо, так как высокие температуры технологического процесса позволяют минимизировать количество вредных веществ в отходящих газах и обеспечивает химическое связывание в клинкерных минералах токсичных материалов, выделяющихся из отходов в процессе их переработки [10].

Использование сортировки при получении вторичного топлива (RDF) обязательно, поскольку кроме высококалорийных фракций в ТКО содержатся компоненты, применение которых в технологии RDF снижает теплоту сгорания или просто опасно для окружающей среды (стекло, металлы, хлорсодержащие полимеры, органика, компоненты с высоким содержанием влаги) [11].

Химический состав RDF, полученного из ТКО среднего состава по г. Москва (на рабочую массу), %: углерод С p - 33,875; кислород О p - 26,258; водород Н p - 4,47; азот N p - 0,789; сера S p - 0,313; зола А p - 12,624; влага W p - 21,671.

Теплота сгорания RDF Q_н p = 12,719 МДж/кг.

Теплота сгорания (калорийность топлива) в большей степени зависит от содержания в отходах горючих фракций. Средние значения теплоты сгорания топлива RDF лежат в пределах от 12 до 18 МДж/кг.

Существуют методы для увеличения калорийности RDF. В него добавляются искусственные компоненты (некоторые виды пластмассовых изделий), обладающие высокой теплотой сгорания. За счет них характеристики и область применения RDF возрастает. Высокое содержание органических веществ в топливе и его искусственное обогащение приводит к повышению качества RDF и делает его конкурентноспособным с действующими природными видами топлива.

Процесс производства RDF состоит из сепарации, измельчения и обезвоживания мусора. Зачастую применяется прессовка с целью получения пеллетов. В результате этих операций получается горючая фракция размером 20-60 мм (в зависимости от требований предприятий, где будет применяться данный вид топлива).

Большое внимание при производстве и применении топлива RDF стоит уделять экологическому фактору. Должен проводиться серьезный анализ компонентов, входящих в состав топлива и продуктов их горения. В процессе сепарации должны исключаться варианты попадания вредных веществ в топливо. Обязательно осуществление периодического контроля количества вредных выбросов в атмосферу, оно должно соответствовать экологическим нормам, принятым законодательством.

Использование альтернативного топлива RDF в качестве замены ископаемого топлива (угля, нефти, природного газа) позволяет снизить выбросы СО2 в атмосферу.

Сжигание RDF оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем сжигание ТКО, так как оборудование цементных предприятий, в котором технологические процессы проходят при температуре около 1700 °C, обеспечивает снижение до минимума содержания вредных веществ в отходящих газах за счет более высоких температур, чем, например, в топках мусороперерабатывающих заводов или в агрегатах других промышленных производств.

Примером успешного внедрения альтернативного топлива в производство стала цементная компания Cemex, основанная в 1906 г. в Мексике. Использование альтернативных видов топлива данной компанией является самым высоким в мире.

В качестве альтернативного топлива заводы компании Cemex используют шины, бытовые отходы и биомассу, осадки сточных вод и отходы сельского хозяйства. Cemex использовал 25 % альтернативного топлива в производстве цемента в 2011 г., данное достижение позволило компании избежать использования около 2 млн т угля и сократить выбросы углекислого газа на 1,8 млн т [12].

В табл. 2 представлено сравнение выбросов от производства цемента с использованием традиционных видов топлива и выбросов при использовании топлива, содержащего 30 % горючих фракций бытовых отходов [13].

Сравнение выбросов загрязняющих веществ при традиционном обжиге клинкера с выбросами при использовании альтернативного топлива, изготовленного из бытовых отходов

Использование предварительно обработанных отходов в качестве альтернативного топлива выгодно как для цементных заводов, которым приносит экономию традиционного энергоресурса, так и для окружающей среды, поскольку ограничивает количество отходов, идущих на захоронение.

Нами были произведены расчеты материальных балансов горения топлива и отходов и тепловых балансов вращающейся печи для производства цемента [14].

По оценкам специалистов, без ущерба для качества клинкера на RDF может быть заменено 3 5-40 % традиционного топлива, что и было принято в расчете совместного теплового баланса сжигания альтернативного топлива RDF, покрышек и природного газа [15]. На рис. 3 приведена схема вращающейся цементной печи с клинкерным холодильником при совместном использовании природного газа, покрышек и RDF.

В табл. 3 представлен тепловой баланс вращающейся цементной печи с клинкерным холодильником при совместном использовании природного газа, покрышек и RDF. В таблице приведены результаты расчетов, где доля RDF принимается 40 %, доля природного газа - 30 %, доля покрышек - 30 %. Коэффициент расхода воздуха а = 1,15.

Тепловой баланс вращающейся цементной печи с клинкерным холодильником при совместном использовании природного газа, покрышек и RDF

Замена части органического топлива альтернативным дает следующие результаты:

экономия природного газа;
нет необходимости строить специальную установку для утилизации отходов;
утилизация отходов и уменьшение количества загрязняющих окружающую среду веществ.

На рис. 4 представлена круговая диаграмма расходных статей теплового баланса вращающейся цементной печи при совместном использовании природного газа, покрышек и RDF.

Использование твердых бытовых отходов в качестве альтернативного топлива позволяет не только сократить экономические затраты производства за счет сокращения потребления органического топлива, но и снизить нагрузку на окружающую среду из-за уменьшения эмиссии парниковых газов и уменьшения количества отходов, идущих на захоронение. Практика использования альтернативного топлива широко распространена за рубежом, что свидетельствует об успешности данных технологий.

Бернадинер Игорь Михайлович,
доцент кафедры «Энергетика высокотемпературной технологии»
Александрова Елена Юрьевна,
студент кафедры «Энергетика высокотемпературной технологии»,
Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»
Вестник ПНИПУ. Прикладная экология. Урбанистика. 2018. № 21

Летом 2015 года на заводе ЛафаржХолсим в п. Ферзиково был введен в эксплуатацию цех альтернативного топлива (АТ), позволяющий утилизировать различные виды отходов экологичным и безопасным способом. Сегодня компания является единственным производителем цемента в России, использующим остатки сортировки твердых коммунальных отходов в качестве возобновляемого источника энергии.

Утилизация отходов в процессе производства цемента признана наилучшей доступной технологией в России и Европе и, на сегодняшний день, является одной из самых эффективных технологий энергетической утилизации. Температура в печи для производства цемента доходит до 2000 градусов по Цельсию, что обеспечивает безопасное разрушение органики. Благодаря строгому входному контролю, использование веществ, которые могут нанести вред окружающей среде и человеку, заведомо исключено. Применение альтернативного топлива (co-processing) экономит огромные запасы газа и угля, а также позволяет сокращать выбросы CO2. А на выходе не остаётся зольного остатка, а только безопасный продукт.

«В процессе утилизации отходов возникает тепловая энергия, которая в настоящее время используется на цементных заводах в России исключительно для производства клинкера – полупродукта для производства цемента. Однако существует технологическая возможность направлять энергию и на другие цели по примеру наших европейских коллег», - говорит Максим Гончаров, Генеральный директор ЛафаржХолсим Россия.

Лицензия компании ЛафаржХолсим позволяет использовать 14 различных видов отходов, включая остатки сортировки ТКО при совместном сборе, отходы изделий из древесины, отработанные шины и т.д. Технологически цементные заводы способны утилизировать и другие виды отходов производства и потребления, включая резину, полимеры, нефтесодержащие, строительные и другие отходы III-V классов опасности.

Технология утилизации отходов на цементных предприятиях признана и Министерством промышленности и торговли РФ, и «Российским экологически оператором». Один цементный завод в среднем способен утилизировать от 80 000 до 250 000 тонн разных видов отходов ежегодно. И такие заводы есть, практически, в каждом регионе страны.

За 5 лет работы завод в п. Ферзиково утилизировал 132 тысячи тонн сортированных отходов. Для того, чтобы понять много это или мало, представьте себе вереницу из 11 000 мусоровозов, направляющихся на полигон. Максимальный объем замещения природного газа альтернативным топливом был отмечен в мае 2019 года и составил около 15%. В рамках суточных показателей объем замещения нередко доходил до 25%. Рекордный объем подачи отходов составил 6100 тонн и был зафиксирован в июле 2019 года.

Завод ЛафаржХолсим в Калужской области является флагманским предприятием российской цементной индустрии по опыту утилизации отходов. Инвестиции в строительство одного из самых современных цементных заводов России составили 500 млн евро, в строительство цеха альтернативного топлива - 240 млн. рублей. За 5 лет работы его посетили для обмена опытом сотни экологов, журналистов, чиновников и коллег с других заводов.

Компания LafargeHolcim является крупнейшим в мире производителем строительных материалов и одним из глобальных лидеров в переработке отходов. В 2018 году на заводах компании было утилизировано более 52 млн. тонн отходов. На предприятиях LafargeHolcim в среднем по миру процент замещения природного топлива альтернативным составляет 58%. У компании есть заводы показатель замещения которых достигает 95%.

Что ещё нужно знать про альтернативное топливо?

В чем преимущества утилизации отходов на цементных заводах?

Во-первых, энергетическая утилизация отходов на цементных заводах позволит уменьшить площади мусорных полигонов, куда сейчас поступает основной объём так называемых «хвостов» - остатков коммунальных отходов после извлечения их них полезных фракций.

Кроме того, существует негативное воздействие переработки некоторых видов отходов на здоровье и окружающую среду. Например, использование резиновых гранулятов из шин для покрытия спортивных площадок приводит к выщелачиванию тяжелых металлов. А процесс преобразования отработанного растительного масла в биодизельное топливо производит больше выбросов CO2, чем производство дизеля непосредственно из нефти. Утилизация позволяет решить проблему с отходами, которым нельзя дать вторую жизнь.

Насколько эта технология безопасна и экологична?

Процесс утилизации отходов в производстве цемента абсолютно безопасна, также, как и цемент, получаемый на выходе. Такой продукт соответствует всем необходимым техническим регламентам и ГОСТ. Технология широко применяется во многим странах мира, а также считается наилучшей альтернативой захоронению и обезвреживанию согласно иерархии способов обращения с отходами.

Законодательство РФ содержит нормативное регулирование и меры контроля, необходимые и достаточные для соблюдения цементными заводами требований в области охраны окружающей среды, в том числе нормативов в области выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. На заводе в Калужской области беспрерывно работают 40 обеспыливающих установок, мощность основного рукавного фильтра составляем 2.2 млн м. куб/час.

С начала строительства завода в 2012 году компания совместно с Центром охраны дикой природы изучает биоразнообразие прилегающих территорий с целью организовать систему предоставления информации и показателей биологического разнообразия (СПИПБР). Профессиональный экологический мониторинг помогает достоверно определять особо охраняемы виды флоры и фауны, выделять природные комплексы и составлять карту местности проведения работ и полевых исследований.

Будет ли польза от раздельного сбора мусора?

Безусловно, да. Качественная сортировка отходов позволит извлекать из мусора максимально возможное количество полезных фракций для вторичного использования, а на цементный завод будут поступать только непригодные для переработки отходы. Низкий уровень сортировки усложняет и затрудняет процесс утилизации, так как в отходах могут попадаться, например, крупные металлические предметы, которые портят дорогостоящее оборудование и приводят к остановке всей линии по утилизации.

Перед поставкой поступлением на завод ЛафаржХолсим из отходов извлекают сырье, пригодное для переработки, отделяют крупные металлические части, камни, стекло и органику. Каждая машина с поступающими отходами проходит радиационный контроль, дополнительную металлосепарацию и измельчение на более мелкую фракцию.

RDF или не RDF?

На данный момент в России не налажено производство RDF – топлива из отходов полностью готового к использованию: отвечающего ряду требований по влажности, калорийности и другим параметрам. Отходы, которые на данный момент использует цементный завод ЛафаржХолсим, представляют из себя остатки сортировки ТКО.

Цементная индустрия в ЕС использует более 40% альтернативного топлива, полученного из отходов для выработки тепловой энергии, необходимой для производства клинкера.

На заводах Holcim разные виды отходов используют в качестве альтернативного топлива для производства полупродукта цемента — клинкера.

Средний процент замещения природного топлива альтернативным на предприятиях группы составляет 58%, в целом современные предприятия цементной индустрии могут замещать до 100% топлива альтернативными видами.

Применение такого вида топлива —
один из основных способов снижения
выбросов CO₂ в производстве цемента.

Наличие биомассы в отходах (органики из ТКО, отработанных шин или высушенного осадка сточных вод) делает их нейтральными по содержанию углерода.

Для обжига сырья используются ископаемые виды топлива: уголь, кокс, нефтепродукты, природный газ

ТКО генерируется
каждый год в России

ТКО накапливается
в столичном регионе
ежегодно

Утилизация —
наилучшая альтернатива
обезвреживанию и захоронению
согласно иерархии способов
обращения с отходами

С 2015 года ЛафаржХолсим применяет технологию утилизации отходов в производстве цемента на заводе в п. Ферзиково Калужской области.

Отсортированный мусор поступает на завод, после чего проходит строгий лабораторный контроль и помещается в особый бункер.

Краны подают его на измельчитель, далее мусор следует на вибросито.

Затем после отсеивания крупных фракций и вторичного дробления отходы поступают в башню предварительного нагрева (декарбонизатор), далее — в печь.

Температура в печи для производства цемента доходит до 2 тысяч градусов, что обеспечивает безопасные условия сгорания и полное разрушение органики.

Зольный остаток (минеральная фракция), образущийся непосредственно в цементной печи, вступает в реакцию с сырьевыми материалами и образует клинкер, из которого делают безопасный цемент.

остатки твёрдых коммунальных отходов (после сортировки и извлечения всех полезных фракций)
использованные шины
сточные воды химической промышленности
шламы сточных вод и нефтепродуктов
биомасса, жир
загрязненные почвы
растворители, краски, отработанные масла

Использование отходов радиоактивных, биологически опасных, с повышенным содержанием хлора, а также несортированных отходов и отходов неизвестного состава.

Рассмотрены варианты повышения эффективности работы печных установок за счет увеличения эксергетического уровня натурального топлива. Повышение работоспособности топлива становится возможным благодаря осуществлению реакции конверсии исходного органического топлива и воды в новое топливо, так называемый синтез-газ (смесь H2 и CO). Расчетным путем показан количественный прирост эксергии синтез-газа по сравнению с исходным горючим. На примере печи обжига цементного производства выполнен сравнительный анализ получения в клинкерном холодильнике синтез-газа и его применения в качестве основного топлива. Реализация конверсии природного газа при утилизации тепла клинкера позволяет уменьшить расход натурального топлива, увеличить энергетический уровень топлива, температуру факела и повысить мощность печи, снизить выбросы отходящих газов, а также разработать новое высокоэффективное охладительное оборудование.

3. Коновалов В. М., Ткачев В. В. Химическая конверсия топлива в технологии портландцемента // Цемент и его применение. – 2012. – № 4. – С. 106–108.

4. Матвеев А. Ф., Черкасов А. В. Эффективность использования углеотходов в качестве сырьевого компонента // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова.– 2003. – № 5. – Ч. 2. – С. 175–177.

7. Rivero R. An advanced Technological Strategy for Energy and the Environment / Rivero R., Del Rio R. // Strategic Planning for Energy and the Environment. – 2000. – Vol. 19. – № 3. – P. 9–24.

Производство цемента требует значительного количества энергии – затраты на энергоносители составляют около 35–40 % от себестоимости конечного продукта, причём доля непосредственно топлива превышает половину этой величины. В Российской Федерации доля энергоносителей в себестоимости составляет 50–57 %.

Рост себестоимости производства и экологическое законодательство всего лишь два из главных факторов, обуславливающих соответствующим образом модифицировать процесс обжига клинкера. Пути совершенствования производства цемента преимущественно заключаются в изменении вещественного состава сырья и конечного продукта (использование техногенного сырья, выпуск смешанных цементов и др.) и повышении эффективности теплопередачи в обжиговых агрегатах. Большой популярностью в настоящее время пользуется строительство новых технологических линий сухого способа производства и использование альтернативных видов топлива и различных топливосодержащих отходов.

В большинстве вращающихся печей для производства клинкера сейчас используют традиционные виды топлива, такие как газ, мазут, различные виды угля и нефтекокс. Необходимая теплотворная способность может быть обеспечена путем смешивания какого-либо первичного (с высоким содержанием летучих углеводородов) и низкокалорийного альтернативного топлива.

Для сжигания в цементных печах используются практически все виды отходов производства и жизнедеятельности человека [1, 4]:

отходы переработки сельскохозяйственной продукции (солома, пустые початки кукурузы, жмых, скорлупа орехов и т.д.);

бытовой мусор и осадок из очистных сооружений (либо как твердое топливо, либо в виде биогаза, выделяющегося при их разложении);

Значительный интерес представляет использование вторичных энергоресурсов и повышение эксергетического уровня первичного топлива. Перспективным направлением снижения энергопотребления является разработка технологии глубокого использования теплоты исходного топлива, в частности получение синтетического горючего (синтез-газа (СГ)) методом химической конверсии исходного топлива. СГ (смесь H2 и CO) – универсальное горючее, которое получают из различных видов органического топлива и используют в качестве сырья для производства многих химических продуктов [2]. Сравнительный термодинамический анализ процессов сжигания первичного и конвертированного топлива показывает, что величина необратимых потерь в процессе сжигания топлива в последнем случае также меньше [3]. Более того, при сжигании синтез-газа уменьшается количество вредных выбросов в атмосферу.

Увеличение энергетической эффективности в промышленности всегда рассматривалось как одна из научно-технических задач инженеров и ученых, и сейчас эта проблема приобретает первоочередной приоритет. Встает необходимость рассмотрения не только количества энергии, когда ее потребление оптимизируется, но также и ее качества. Одинаковые в количественном отношении энергетические потоки обладают разной технико-экономической ценностью [7].

Эксергией называют возможность энергии любого типа производить работу в окружающей среде, т.е. эксергия является мерой качества используемой энергии.

СГ позволяет поднять эксергетический потенциал применяемого первичного топлива.

Рассмотрим стандартный процесс горения топлива и сжигание этого же топлива, предварительно конвертированного в СГ. Учитывая, что на 97 % всех цементных заводов РФ в качестве топлива используется природный газ, в настоящей работе исследования проводились для природного газа, представленного преимущественно метаном, для сравнительного анализа проведены расчеты и для твердого топлива – угля. Так горение 1 м3 природного газа теплотворной способностью 36078 кДж/м3, с необходимым количеством воздуха 10,3 м3 при температуре 25 °С в сумме даёт 14 кг отходящих газов с общим количеством теплоты 36454 кДж и температурой 1943 °С. Теперь рассмотрим процесс пароводяной конверсии природного газа (уравнение 1), прежнего состава, и сжигание продуктов конверсии.

CH4 +H2O(ж) ↔ CO + 3H2 – 11875 кДж. [1]

Реакция 1 производится при температуре 900 °С. Количество СГ на выходе составляет 4 м3 или 1,6 кг, с теплотой сгорания 11145 кДж/м3 и физической теплотой 1210 кДж/м3. При сгорании образуется 14,8 кг отходящих газов с теплотой 50050 кДж и температурой 2355 °С.

Эксергия смеси раскаленных газов находится согласно следующей формуле:

[2]

где Н – энтальпия газового потока, кДж; T0 – температура окружающей среды, °С; T – температура газов, °С.

Следовательно, эксергия природного газа составит 31552 кДж, а конвертированного топлива – 44374 кДж. Таким образом, прирост эксергии составляет 12822 кДж или 41 %.

Расчет для твердого топлива показал, что эксергия угля составляет 34274 кДж, синтез-газа, произведенного из данного топлива 50401 кДж. Работоспособность конвертированного топлива увеличилась на 16127 кДж или 47 %.

При сравнении эксергии конвертированного топлива и природного газа, в одинаковых начальных условиях, при температуре окружающей среды (25 °С), получаем: эксергия синтез-газа, произведенного из 1 м3 природного газа, составляет 39721 кДж, т.е. прирост работоспособности 8169 кДж или 26 %; эксергия синтез-газа, полученного из 1 кг угля, соответственно равна 45188 кДж, прирост эксергии – 10914 кДж (32 %).

Получение СГ протекает с высоким потреблением тепла, что обусловливает возможность использования данного эндотермического процесса в аппаратах для охлаждения клинкера. Так, в холодильном оборудовании будут осуществляться физико-химические процессы, начиная от элементарного нагрева теплоносителей и кончая эндотермическими реакциями. Одним из теплоносителей является углеводородное топливо, а источником энергии для проведения физико-химических превращений – утилизируемое тепло клинкера. Рассматриваемая технология выполняет не только функцию охлаждения клинкера, но служит одновременно системой подготовки нового модифицированного топлива [3].

Возможность получения СГ в слое клинкера была исследована на экспериментальной установке. Осуществление реакции конверсии топлива контролировалось по отсутствию в отходящих газах опытной установки углеводородов и наличию CO. Было установлено, что при атмосферном давлении в высокотемпературной зоне клинкерного холодильника возможно получение СГ при температуре 800–850 °С без катализатора [6].

Рассмотрим расчёты материальных и тепловых балансов на примере обжига цементного клинкера по сухому способу производства. Использовались следующие исходные данные: топливо – природный газ; влажность сырьевой смеси – 5 %; температура окружающей среды – 25 °С; для конверсии топлива использовалась вода в жидком состоянии; температура конверсии – 900 °С.

Получение СГ осуществляется в высокотемпературной зоне холодильника, куда в слой клинкера подается смесь природного газа и воды. Количество реагентов, а также продуктов конверсии определяется из потребного расхода тепла на проведение реакции и исходного тепла клинкера из печи. Недостаток теплоты для обжига покрывается подачей второй части топлива непосредственно в печь. Таким образом, приход тепла в печную систему разбит на две части: получение и сжигание СГ и прямое сжигание природного газа. Так объёмная доля СГ от общего количества топлива на обжиг составляет 90 % или 0,221 м3/кг кл. и соответственно природного газа – 10 % (0,024м3/кг кл).

Для сравнения расчетных данных обжига клинкера стандартным способом и с предварительной конверсией топлива задавались идентичные параметры производительности печи и температуры отходящих газов. Потери тепла от корпуса печи принимались – 6 % от суммы приходных статей теплового баланса. Результаты расчетов представлены в табл. 1, 2.

Расчеты показали, что при использовании в клинкерном холодильнике способа конверсии топлива исключаются потери тепла с аспирационным воздухом и увеличивается общий возврат тепла в печь, вследствие чего КПД холодильника возрастает на 10–15 %. Количество и состав отходящих газов меняется следующим образом (табл. 1): снижаются

Традиционно энергетическая утилизация ТБО осуществляется на подвижных колосниковых решетках специализированных мусоросжигательных заводов. Сейчас в Европейском союзе работает более 400 таких заводов, оборудование для них выпускается серийно. Недостатком, в частности, являются высокие капитальные затраты и необходимость утилизации образующегося золошлакового остатка.

Необработанные смешанные ТБО имеют теплотворную способность не выше 7-9 МДж/кг, представляют из себя смесь более 30 компонентов различной природы и свойств и непостоянны по своему составу. Известно, что в результате сортировки ТБО можно превратить в топливо стабильного состава, которое можно будет использовать в промышленности наряду с другими видами топлива. Топливо из ТБО в мире получило название RDF (англ. refuse derived fuel).

Использование RDF в качестве дополнительного топлива при производстве цемента, когда тепло от сжигания альтернативного топлива расходуется непосредственно в тепловом агрегате для протекания физико-химических процессов, а образующаяся зола входит естественным образом в состав готовой продукции (клинкера), с нашей точки зрения, представляет наибольший интерес. Цементная печь позволяет осуществить экологически безопасную утилизацию отходов, что обусловлено следующими обстоятельствами:

высокая температура твердой фазы (до 1450 ∞ C) и газовой среды (до 2000 ∞ C); значительное время пребывания газов в горячей зоне (более 7 секунд при температуре выше 1200 ∞ C);
щелочная среда материала в печи обеспечивает нейтрализацию токсичных веществ за счет взаимодействия с цементными сырьевыми материалами;
практическая безотходность самой цементной технологии;
наличие в печных установках эффективных пылеуловителей, что является основным залогом очистки выбросов от тяжелых металлов и диоксинов.

Утилизация топлива из ТБО в производстве цемента дает следующие преимущества:

1. Утилизация больших объемов ТБО, так как цементная печь требует для работы до 5 тонн RDF в час (40 000 тонн в год).

2. Снижение выбросов парниковых газов в глобальном масштабе за счет недопущения разложения ТБО на полигоне, с одной стороны, и замещения части традиционного топлива, с другой.

3. Термическая переработка ТБО выносится далеко за пределы населенного пункта и требует на порядок меньших капиталовложений по сравнению с традиционным сжиганием.

RDF с калорийностью около 15 МДж/кг позволяет заместить большую долю традиционного топлива в цементных печах [2, 3]. При мокром способе подготовки цементной шихты доля замещаемого цементного топлива составляет до 20%. При сухом способе подготовки шихты перед трубчатой вращающейся печью устанавливаются запечные теплообменники с декарбонизатором, где осуществляется нагрев и декарбонизация шихтыв потоке газов с температурой до 1000 ∞ C. В самой печи осуществляется только спекание с получением жидкой фазы. Разделение процесса получения цементного клинкера на два не случайно: большая часть тепла (около 60%) расходуется на процесс нагрева и декарбонизации. Эти процессы при огромном энергопотреблении не требует высоких температур и поэтому менее требовательны к калорийности топлива, поэтому декарбонизатор может работать полностью на RDF. Это позволяет увеличить общую долю использования RDF на цементном заводе до 60 % [3, 4].

Задача «обогащения» ТБО заключается в увеличении содержания высококалорийных компонентов (пластик, резина, кожа, бумага) и в одновременном удалении экологически и технологически вредных, а также просто “балластных” для термической переработки компонентов: негорючие песок, стекло, кости, металл, хлорсодержащие пластики, электроника. Требования к RDF из ТБО, действующие в различных странах, представлены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристика RDF на цементных заводах Швеции и Великобритании

Основным методом производства RDF является механический метод. Механический метод представляет собой комбинацию операций сепарации и дробления и позволяет получить качественное топливо за счет механического удаления нежелательных компонентов (влажной, зольной фракции, химических загрязнителей). В случае применения чистого механического метода необходимо удалить пищевые и растительные отходы, несущие в себе 90% влажности RDF.

В другом варианте механический метод комбинируется с методом сушки (до 15% влажности). Наиболее целесообразно применение биологической сушки (вариант аэробной механобиологической переработки). Разработаны процессы механобиологической сушки, специально направленные на подготовку коммунальных отходов к использованию в качестве топлива (Herhof, Ecodeco). Далее применяются опять же операции механической сепарации.

НПК «Механобр-техника» были проведены исследования по получению RDF на Санкт-Петербургском мусороперерабатывающем заводе МПБО-2. Сырьем для получения RDF являлись:

— несортированные ТБО жилого фонда, поступающие на завод МПБО-2;

— балласт, получаемый в результате очистки компоста — продукта механобиологического обезвреживания ТБО.

В качестве головного устройства для выделения калорийной фракции из отходов предложен инерционный грохот ГИС 61-М (рис.2), использующий технологии виброинерционной сепарации, и специально предназначенный для классификации смешанных бытовых отходов. Просеивающая поверхность инерционного грохота состоит из девяти каскадно расположенных друг над другом рядов самоочищающихся колосников консольного типа с общей площадью 10м 2 . Колосники формируют щель, размер которой можно подбирать в зависимости от целей сепарации.

Инерционный грохот, по сути, является более сложным аппаратом, нежели традиционные грохоты, так как несет также функцию сепарации по упругости (баллистической сепарации). Разделение происходит по признаку, противопоставляющему качественное вторсырье и влажную фракцию, загрязненную органикой. В верхний продукт попадают сухие и упругие – т.е. высококалорийные – фракции (сухие чистые пластиковые пакеты, бутылки ПЭТФ, прочий пластик, чистая макулатура). Пищевые отходы и другие влажные мягкие фракции проваливаются между колосниками в нижний продукт. Эффективность удаления влажной биоразлагаемой фракции в нижний продукт превышает 90%, что можно оценить, как очень высокую. Сужающаяся форма колосников, их каскадное расположение и резонирование во время работы – все это препятствует забиванию и способствует самоочистке просеивающей поверхности.

Рис.1. Инерционный грохот НПК «Механобр-техника» ГИС 61-М

Характеристики верхнего продукта грохочения грохота ГИС-61М при номинальной щели между колосниками 100 мм приведены в табл. 2. Итак, этот материал, полученный в результате одной операции обогащения, уже удовлетворяет требованиям к промышленному топливу из отходов. Средняя теплотворная способность полученного материала соответствует действующим в западных странах требованием к RDF. Влажность и зольность полученного топлива значительно меньше предельных, содержание серы не превышает 0,6%.

Полученный материал был подвергнут дроблению на ударно-роторном дезинтеграторе ДМВ 5х2, действующем по принципу высокоскоростной молотковой дробилки, и оборудованным вентилятором. В агрегате создаются условия для пневматической сепарации материала: легкие фракции разгружаются через циклон дезинтегратора, более тяжелые – из разгрузочного отверстия. Для полученных легкого и тяжелого продукта также были определены зольность, влажность и теплотворная способность.

Результаты показали, что пневматическая сепарация позволяет выделить небольшой по количеству высококалорийный легкий продукт, представленный преимущественно полиэтиленовой пленкой (не более 30% от поступающего на операцию материала). Такое малое извлечение полезного продукта не позволяет решить задачу утилизации значительной части ТБО и удовлетворить промышленную потребность цементных заводов. При этом существенная часть калорийных материалов попадает в тяжелую фракцию (резина, тяжелые пластики). При попытках добиться большего выхода калорийной фракции теряется избирательность разделения, пневматическая сепарация уже не оказывает однозначного влияния на улучшение свойств RDF.

Баллистическая сепарация также может привести к удалению из RDF вместе с тяжелыми негорючими фракциями упругих пластиков. При использовании в качестве дробильного оборудования высокоскоростных молотковых дробилок дальнейшее обогащение топливной фракции целесообразно осуществлять с помощью грохочения. После молотковой дробилки оставшиеся негорючие компоненты представлены мелкой тяжелой фракцией (отсев, измельченные в песок стекло и керамика), поэтому их легко удалить в нижний продукт с помощью барабанного грохота. Расчетные теплотехнические характеристики RDF, получаемого в результате использования схемы «инерционный грохот ГИС61-М – молотковая дробилка – барабанный грохот» приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные теплотехнические характеристики полученного топлива из отходов

Наименование	Теплота сгорания низшая, МДж/кг	Влажность, %	Зольность на сухую массу, %
материал, полученный сортировкой на ГИС 61-М из балласта МПБО-2	15,1	12,0	14,4
RDF на основе балласта МПБО-2 (расчет)	18,0-20,0	10,0	12,0-13,0
материал, полученный сортировкой на ГИС 61-М из ТКО	15,4	10,6	10,5
RDF на основе ТКО (расчет)	18,0-21,0	10,0	9,5-10,0

На сегодняшний день в Санкт-Петербурге запущена линия переработки ТБО с получением RDF, испытания которого на одном из цементных заводов Ленобласти дали положительные результаты. В ходе эксперимента за сутки сожжено 50 тонн RDF, при этом контролируемые показатели свидетельствуют об отсутствии негативного влияния на качество продукции, технологический процесс и выбросы в атмосферу.

Михайлова Н.В.
Научно-производственная корпорация «Механобр-техника», г. Санкт-Петербург

Феоктистов А.Ю.
Санкт-Петербургский государственный горный университет, г. Санкт-Петербург

Бернштейн Л.Г.
Научно-испытательный центр «Гипроцемент-Наука»

Читайте также: