содержание .. 1 2 ..
Производство цемента (ИТС 6-2024) - часть 1
Оглавление
Введение
VII
Предисловие
XI
Область применения
1
Раздел 1 Общая информация о производстве цемента в Российской Федерации
8
1.1 Количество предприятий, их географическое расположение
8
1.2 Сырьевая база для производства цемента
14
1.3 Топливо
19
1.4 Электроэнергия
20
1.5 Основные показатели цементных предприятий России
21
1.6 Ассортимент
21
1.7 Анализ приоритетных проблем отрасли
23
Раздел 2 Основные технологические процессы, используемые в настоящее время при
производстве цемента в Российской Федерации
28
2.1 Основные способы производства цемента
29
2.1.1 Технологическая схема мокрого способа производства цемента
30
2.1.2 Технологическая схема полусухого способа производства цемента
31
2.1.3 Технологическая схема сухого способа производства цемента с
циклонными теплообменниками
32
2.1.4 Технологическая схема комбинированного способа
33
2.1.5 Технологическая схема сухого способа без традиционного сырьевого
цеха
34
2.1.6 Технологическая схема сухого способа производства для сырья высокой
влажности
35
2.1.7 Технологическая схема сухого способа производства для сырья низкой
влажности
36
2.2 Сырьевые материалы - добыча, хранение и подготовка
37
2.2.1 Сырьевые материалы и их добыча
37
2.2.2 Характеристика сырьевых материалов
38
2.2.3 Влияние примесей в сырье на процессы обжига и качество клинкера
42
2.2.4 Транспортировка сырья с карьера
44
2.2.5 Первичное измельчение сырья
45
2.2.6 Усреднение и хранение сырьевых компонентов
47
2.3 Измельчение сырьевых материалов
49
2.3.1 Мокрый помол с получением сырьевого шлама
49
2.3.2 Помол сырья по сухому способу
49
2.3.2.1 Рациональная схема помола высоковлажного мягкого сырья без
трудноразмалываемых включений
49
2.3.2.2 Рациональная схема помола сырья «тандем» с
трудноразмалываемыми включениями
50
II
2.3.2.3 Распространенная схема помола любого сырья
51
2.3.2.4 Рациональная схема помола трудноразмалываемого сырья
пониженной влажности
52
2.4 Корректировка и усреднение сырьевой смеси
54
2.4.1 Корректировка и усреднение шлама при мокром способе
54
2.4.2 Корректировка и усреднение сырьевой смеси при сухом способе
57
2.5 Характеристика, подготовка и сжигание топлива
60
2.5.1 Характеристика топлива
60
2.5.1.1 Твердое топливо
61
2.5.1.2 Жидкое топливо
62
2.5.1.3 Газообразное топливо
62
2.5.2 Складирование и безопасное хранение угля
62
2.5.3 Подготовка твердого топлива
63
2.5.3.1 Требования к форсуночному топливу
63
2.5.3.2 Схемы подготовки форсуночного топлива
64
2.5.4 Система подачи газообразного топлива в печь
65
2.6 Горелочные устройства для вращающихся печей
66
2.7 Утилизация отходов и использование материалов из отходов
72
2.7.1 Общие аспекты
72
2.7.2 Утилизация отходов и использование материалов из отходов в качестве
сырья
87
2.7.3 Утилизация отходов и использование материалов из отходов в качестве
топлива
93
2.7.3.1 Типы альтернативного топлива
98
2.7.3.2 Твердое альтернативное топливо
100
2.7.3.3 Жидкое альтернативное топливо
104
2.7.3.4 Требования по качеству к альтернативному топливу и входной
контроль
104
2.7.3.5 Проведение испытаний на пригодность отходов и материалов из
отходов для производства цемента
108
2.7.3.6 Мониторинг выбросов при использовании отходов/материалов из
отходов
111
2.7.3.7 Хранение, подготовка и предварительная обработка
отходов/материалов из отходов
112
2.8 Обжиг цементного клинкера
113
2.8.1 Печи мокрого способа производства
113
2.8.2 Печные системы с циклонным теплообменником
115
2.8.3 Печные системы с циклонным теплообменником и декарбонизатором ... 117
2.8.4 Футеровка вращающихся печей
120
2.9 Клинкерные холодильники
121
2.9.1 Рекуператорные (планетарные) и барабанные холодильники
121
III
2.9.2 Колосниковый клинкерный холодильник
122
2.10 Складирование клинкера и помол цемента
126
2.10.1 Складирование клинкера
126
2.10.2 Помол цемента
127
2.10.2.1 Помол цемента в шаровой мельнице
127
2.10.2.2 Применение интенсификаторов помола
128
2.10.2.3 Модернизация внутримельничных устройств
129
2.10.2.4 Интенсификация помола цемента путем применения
сепаратора
130
2.10.2.5 Новые современные агрегаты для помола цемента
131
2.11 Сушилки
133
2.12 Хранение, отгрузка и упаковка цемента
136
Раздел 3 Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссий в окружающую среду
139
3.1 Материальный баланс процесса производства портландцемента
139
3.2 Удельный расход сырьевых материалов на производство 1 т
портландцементного клинкера и портландцемента
141
3.2.1 Утилизация отходов/материалов из отходов в качестве сырьевых
материалов и минеральных добавок при производстве портландцемента
141
3.3 Удельный расход топлива на обжиг 1 т портландцементного клинкера
142
3.3.1 Влияние альтернативного топлива на удельный расход тепла при обжиге
портландцементного клинкера
145
3.4 Удельный расход энергии на производство 1 т портландцемента
149
3.5 Интеллектуальные системы управления и оптимизации процессов
150
3.6 Выбросы вредных веществ при производстве цемента
154
3.6.1 Выбросы пыли
154
3.6.2 Выбросы оксидов азота NOx
158
3.6.3 Выбросы диоксида серы SO2
163
3.6.4 Выбросы оксида углерода СО
165
3.6.5 Выбросы CO2 от печей для обжига клинкера
166
3.6.6 Выбросы металлов и их соединений
168
3.6.7 Выбросы газообразных хлоридов и фторидов (HCl и HF)
170
3.6.8 Выбросы полихлорированных пара-дибензодиоксинов (ПХДД) и
дибензофуранов (ПХДФ)
171
3.7 Уровень шума, возникающего в процессе производства цемента
173
3.8 Экологические маркеры при производстве портландцемента
174
Раздел 4 Определение наилучших доступных технологий
176
4.1 Система экологического менеджмента
177
4.2 Система энергетического менеджмента
179
4.3 Обзор современных технологий, направленных на улучшение экологичности и
ресурсоэффективности производства цемента
182
IV
4.3.1 Снижение удельных расходов сырьевых материалов на производство 1 т
портландцементного клинкера и портландцемента
182
4.3.1.1 Использование отходов/материалов из отходов производства в
качестве сырьевых материалов при производстве портландцементного
клинкера и цемента
183
4.3.2 Снижение удельного расхода топлива на обжиг 1 т портландцементного
клинкера
184
4.3.2.1 Утилизация отходов/материалов из отходов
188
4.3.3 Снижение удельного расхода энергии на производство 1 т
портландцемента
190
4.4 Технологии для предотвращения и/ или уменьшения выбросов пыли при
производстве цемента
192
4.4.1 Снижение выбросов пыли из организованных источников
192
4.4.2 Снижение выбросов пыли из неорганизованных источников
195
4.5 Технологии предотвращения и/или снижения выбросов газообразных
веществ
196
4.5.1 Снижение выбросов оксидов азота NOx
196
4.5.2 Снижение выбросов диоксида серы SO2
206
4.5.3 Комбинированные технологии предотвращения и/или сокращения
выбросов SO2 и NOх
209
4.5.4 Снижение выбросов СО и несгоревших углеводородов
210
4.5.5 Снижение выбросов тяжелых металлов: ртути Hg, кадмия Cd, таллия Tl и
свинца Pb
211
4.5.6 Снижение выбросов газообразных хлоридов и фторидов HCl и HF
212
4.5.7 Снижение выбросов полихлорированных дибензодиоксинов (ПХДД) и
дибензофуранов (ПХДФ)
213
4.6 Технологии контроля загрязнения земли/почвы и управления отходами
214
4.7 Технологии снижения уровня шума, возникающего в процессе производства
цемента
215
4.8 Технологии снижения уровня запаха
216
4.9 Производственный экологический контроль
217
4.9.1 Предприятие по производству цемента как источник воздействия на
окружающую среду
217
4.9.2 Общие принципы производственного экологического контроля
218
4.9.3 Структура и содержание Программы ПЭК
220
4.9.4 Непрерывный производственный контроль
225
Раздел 5 Наилучшие доступные технологии производства цемента
226
5.1 НДТ, направленные на улучшение экологичности и ресурсоэффективности
производства цемента
226
5.2 НДТ, направленные на снижение удельного расхода энергии при производстве
цемента
228
5.3 НДТ, направленные на снижение выбросов взвешенных веществ (пыли
неорганической)
229
V
5.4 НДТ для снижения выбросов газообразных загрязняющих веществ
231
5.5 НДТ для снижения уровня шума
235
5.6 НДТ для улучшения общих экологических показателей предприятия
236
Раздел 6 Перспективные технологии
238
6.1 Технология получения цемента в кипящем слое
238
6.2. Технология применения метода химической регенерации тепла при
производстве цемента
240
Заключительные положения и рекомендации
242
Приложение А (обязательное) Перечень маркерных веществ и технологических
показателей
244
Приложение Б (обязательное) Перечень НДТ
247
Приложение В (обязательное) Ресурсная и энергетическая эффективность
253
Приложение Г (обязательное) Индикативные показатели выбросов парниковых газов
при производстве клинкера и цемента
256
Приложение Д (обязательное) Заключения по наилучшим доступным технологиям
«Производство цемента»
268
Библиография
281
VI
Введение
Настоящий информационно-технический справочник по наилучшим доступным
технологиям «Производство цемента» (далее - справочник НДТ) разработан на основе
анализа технических, технологических и управленческих решений, применяемых при
производстве цемента.
Структура настоящего справочника НДТ соответствует ГОСТ Р 113.00.03-2019
«Наилучшие доступные технологии. Структура информационно-технического
справочника»
[1], термины приведены в соответствии с ГОСТ Р
113.00.12-2023
«Наилучшие доступные технологии. Термины и определения» [2].
Краткое содержание справочника:
Введение. Содержит краткое описание и общую информацию о справочнике НДТ.
Предисловие. Указаны цель разработки настоящего справочника НДТ, его
статус, законодательный контекст, краткое описание процедуры создания в
соответствии с установленным порядком, а также взаимосвязь с аналогичными
международными документами.
Область применения. Описаны основные виды деятельности, на которые
распространяется действие настоящего справочника НДТ.
В разделе
1 представлена информация о состоянии и уровне развития
производства цемента в Российской Федерации, а также приведены приоритетные
проблемы отрасли.
В разделе 2 описаны особенности технологических процессов и операций
производства цемента, представлены характеристики сырья и готовой продукции с
учетом положений ГОСТ Р 113.00.04-2024 «Наилучшие доступные технологии. Формат
описания технологий» [3], включая утилизацию отходов и использование материалов из
отходов в виде топлива.
В разделе 3 представлена информация о текущих уровнях потребления сырья,
материалов, энергетических ресурсов и эмиссий, маркерных веществах, характерных
для производства цемента.
Раздел подготовлен на основе данных, представленных предприятиями
Российской Федерации в рамках разработки справочника НДТ, а также различных
литературных источников с учетом положений [3].
В разделе 4 приведены сравнительный анализ и особенности учета критериев
отнесения технологий, технологических и управленческих решений к наилучшим
доступным технологиям в соответствии с требованиями ГОСТ Р
113.00.17-2023
«Наилучшие доступные технологии. Методические рекомендации по описанию
наилучших доступных технологий в информационно-техническом справочнике по
наилучшим доступным технологиям» [4].
В разделе 5 приведены НДТ для производства цемента, включающие системы
экологического и энергетического менеджмента, контроля и мониторинга
технологических процессов, а также технические и технологические решения для
повышения
энергоэффективности,
ресурсосбережения,
снижения
эмиссий
загрязняющих веществ, методы обращения с отходами и вторичными продуктами
производства в соответствии с ГОСТ Р
113.00.17-2023 «Наилучшие доступные
технологии. Методические рекомендации по описанию наилучших доступных
VII
технологий в информационно-техническом справочнике по наилучшим доступным
технологиям» [4].
В разделе 6 описана информация о новых технологических, технических и
управленческих решениях, способных на стадии промышленного внедрения обеспечить
уровень воздействия на окружающую среду не ниже требований НДТ или же при
соответствии им минимизировать производственные и/или экономические затраты, а
также направленных на повышение энергоэффективности и ресурсосбережения.
Раздел подготовлен с учетом положений ГОСТ Р 113.00.22-2023 «Наилучшие доступные
технологии. Методические рекомендации по описанию перспективных технологий в
информационно-техническом справочнике по наилучшим доступным технологиям» [5].
Заключительные положения и рекомендации. Данный раздел включает в себя
сведения о членах технической рабочей группы, принимавших участие в разработке
настоящего справочника НДТ, и рекомендации о проведении дальнейших работ и сборе
информации в области НДТ для рассматриваемой отрасли промышленности.
Приложения. Содержат перечень маркерных загрязняющих веществ,
характерных для производства цемента, перечень технологических показателей,
перечень НДТ, сведения о ресурсной (в том числе энергетической) эффективности,
индикативные показатели выбросов парниковых газов при производстве клинкера и
цемента, а также Заключение по наилучшим доступным технологиям.
Заключение по наилучшим доступным технологиям включает части справочника
НДТ, содержащие:
- область применения;
- описание НДТ, уровни эмиссий, соответствующие НДТ (технологические
показатели), а также информацию, позволяющую оценить их применимость;
- методы производственного экологического контроля (прежде всего - подходы к
организации измерений, в том числе касающиеся систем автоматического контроля).
Заключение по наилучшим доступным технологиям приведено в справочнике НДТ
для использования заинтересованными лицами, в том числе промышленными
предприятиями, при формировании заявок на комплексные экологические разрешения,
а также надзорными органами при выдаче комплексных экологических разрешений и
является кратким описанием основных положений справочника, включая описание
наилучших доступных технологий, информации, позволяющей оценить их
применимость, уровни эмиссий и потребления ресурсов, методы производственного
экологического контроля.
Приложения подготовлены с учетом положений ГОСТ Р
113.00.03-2019
«Наилучшие доступные технологии. Структура информационно-технического
справочника» [1].
Библиография. Приведен перечень источников информации и нормативных
правовых актов, использованных при разработке настоящего справочника НДТ.
Нормативные акты (термины и определения)
Справочник НДТ 6-2024 разработан в соответствии с поэтапным графиком
актуализации информационно-технических справочников по наилучшим доступным
технологиям, утвержденным распоряжением Правительства Российской Федерации
от 10.06.2022 года № 1537-р [6].
В основу Справочника НДТ
6 положен ряд важных нормативно-правовых
документов, предусматривающих комплекс мер по переходу на принципы НДТ и
VIII
внедрению современных природоохранных технологий, в том числе:
- Федеральный закон от 10.01.2002 года № 7-ФЗ «Об охране окружающей
среды» [7];
- распоряжение Правительства Российской Федерации от 20.10.2023 года
№ 2909-р «Об утверждении перечня загрязняющих веществ, в отношении которых
применяются меры государственного регулирования в области охраны окружающей
среды и признании утратившими силу некоторых Постановлений Правительства
Российской Федерации» [8];
- приказ Министерства промышленности и торговли Российской Федерации
от 23 августа 2019 года № 3134 «Об утверждении Методических рекомендаций по
определению технологии в качестве наилучшей доступной технологии» [9];
- постановление Правительства Российской Федерации от
31.12.2020 года
№ 2398 «Об утверждении критериев отнесения объектов, оказывающих негативное
воздействие на окружающую среду, к объектам I, II, III и IV категорий» [10];
- постановление Правительства Российской Федерации от 09.03.2019 года № 250
«О внесении изменений в Правила определения технологии в качестве наилучшей
доступной технологии, а также разработки, актуализации и опубликования
информационно-технических справочников по наилучшим доступным технологиям» [11].
Кроме того, при формировании Справочника учитывались рекомендации
национальных стандартов, определяющих структуру и содержание информационно-
технических справочников:
- ГОСТ Р
113.00.03-2019 Наилучшие доступные технологии. Структура
информационно-технического справочника [1];
- ГОСТ Р 113.00.04-2024 Наилучшие доступные технологии. Формат описания
технологий [3];
- ГОСТ Р
113.00.24-2023 Наилучшие доступные технологии. Методические
рекомендации по актуализации и внесению поправок в информационно-технический
справочник по наилучшим доступным технологиям [12];
- ГОСТ Р
113.00.23-2023 Наилучшие доступные технологии. Методические
рекомендации по разработке раздела информационно-технического справочника по
наилучшим доступным технологиям по описанию приоритетных проблем отрасли [13];
- ГОСТ Р
113.00.17-2023 Наилучшие доступные технологии. Методические
рекомендации по описанию наилучших доступных технологий в информационно-
техническом справочнике по наилучшим доступным технологиям [14];
- ГОСТ Р
113.00.14-2023 Наилучшие доступные технологии. Методические
рекомендации по проведению сравнительного анализа производств при разработке
информационно-технического справочника по наилучшим доступным технологиям [15];
- ГОСТ Р
113.00.15-2023 Наилучшие доступные технологии. Методические
рекомендации представления информации по экономическим аспектам реализации
наилучших доступных технологий в информационно-техническом справочнике по
наилучшим доступным технологиям [16];
- ГОСТ Р
113.00.16-2023 Наилучшие доступные технологии. Подходы к
проведению сравнительного анализа ресурсоэффективности и экологической
результативности предприятий для предупреждения или минимизации негативного
воздействия на окружающую среду [17];
- ГОСТ Р
56828.45-2019 Наилучшие доступные технологии. Производство
IX
цемента. Производственный экологический контроль [18];
ГОСТ Р 56828.46-2019 Наилучшие доступные технологии. Производство цемента.
Порядок подготовки заявки на комплексное экологическое разрешение [19];
ГОСТ Р 56828.47-2019 Наилучшие доступные технологии. Производство цемента.
Выбор маркерных показателей для выбросов в атмосферу от промышленных
источников [20].
В настоящем Справочнике применяются термины в соответствии со следующими
национальными стандартами и рекомендациями по межгосударственной
стандартизации:
- ГОСТ Р
113.00.12-2023 Наилучшие доступные технологии. Термины и
определения [21];
- РМГ
29-2013 Государственная система обеспечения единства измерений.
Метрология. Термины и определения [22].
X
Предисловие
Цели, основные принципы и порядок разработки справочника НДТ установлены
Постановлением Правительства Российской Федерации от 23 декабря 2014 года № 1458
«О порядке определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии, а
также разработки, актуализации и опубликования информационно-технических
справочников по наилучшим доступным технологиям»
[23]. Перечень областей
применения наилучших доступных технологий определен распоряжением
Правительства Российской Федерации от
24 декабря
2014 года
№ 2674-р «Об
утверждении перечня областей применения наилучших доступных технологий» [24].
1 Статус документа
Настоящий справочник НДТ является документом национальной системы
стандартизации.
2 Информация о разработчиках
Настоящий справочник НДТ разработан технической рабочей группой № 6
«Производство цемента» (ТРГ 6), состав которой утвержден приказом Министерства
промышленности и торговли Российской Федерации № 855 от 18 марта 2022 года «О
создании технической рабочей группы «Производство цемента» [25].Справочник НДТ
представлен на утверждение Бюро наилучших доступных технологий (далее - Бюро
НДТ) (www.burondt.ru).
3 Краткая характеристика
Данный справочник НДТ содержит описание применяемых при производстве
цемента технологических процессов и особенностей используемых материалов и
оборудования, кроме того, в справочнике НДТ представлен обзор современных
технологий, позволяющих снизить негативное воздействие на окружающую среду,
сократить потребление минерального сырья, повысить энергоэффективность и
обеспечить ресурсосбережение. Из описанных технологических процессов,
оборудования, технических способов, методов определены решения, являющиеся НДТ.
В справочнике НДТ установлены соответствующие технологические показатели НДТ, а
также приведены результаты бенчмаркинга удельных выбросов парниковых газов,
установлены индикативные показатели удельных выбросов парниковых газов при
производстве цемента.
Справочник НДТ рекомендован предприятиям цементной промышленности для
подготовки программ внедрения НДТ, регулирующим органам
- для оценки
соответствия предприятий экологическим требованиям и государственным органам -
для принятия решения о государственном софинансировании инвестиционных проектов
(проектов модернизации).
XI
4 Взаимосвязь с международными, региональными аналогами
Настоящий справочник НДТ разработан на основе справочника ЕС по наилучшим
доступным технологиям «Комплексное предотвращение и контроль загрязнения
окружающей среды. Справочный документ по наилучшим доступным технологиям.
Производство цемента, извести и оксида магния» (Integrated Pollution Prevention and
Control. Reference Document on Best Available Techniques in the Cement, Lime and Mag-
nesium Oxide Manufacturing Industries) [26].
5 Сбор данных
Информация о технологических процессах, оборудовании, технических способах,
методах, применяемых при производстве цемента в Российской Федерации, была
собрана в процессе разработки настоящего справочника НДТ в соответствии с Порядком
сбора данных, необходимых для разработки справочника по наилучшим доступным
технологиям и анализа приоритетных проблем отрасли, утвержденным приказом
Минпромторга России от 18 декабря 2019 года № 4841 [27].
6 Взаимосвязь с другими справочниками НДТ
Взаимосвязь настоящего справочника НДТ с другими действующими
справочниками НДТ приведена в разделе «Область применения».
7 Информация об утверждении, опубликовании и введении в действие
Настоящий справочник НДТ утвержден приказом Росстандарта от 16 сентября
2024 г. № 2231.
Настоящий справочник НДТ введен в действие с 1 января 2025 года, официально
опубликован в информационной системе общего пользования - на официальном сайте
Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет
(www.gost.ru).
8 Взамен ИТС 6-2022
XII
ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК ПО НАИЛУЧШИМ
ДОСТУПНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ
___________________________________________________________
ПРОИЗВОДСТВО ЦЕМЕНТА
______________________________________________________________________
Manufacture of cement
Дата введения 2025-01-01
Область применения
Настоящий справочник НДТ распространяется на следующий основной вид
деятельности:
- производство цементного клинкера во вращающихся печах с проектной
мощностью 500 т/сут и более.
В соответствии с общероссийским классификатором видов экономической
деятельности производство цемента относится к 23 классу: «Производство прочей
неметаллической минеральной продукции». Данный класс входит в состав «Раздела C
- Обрабатывающие производства» классификатора 2021 года ОКВЭД-2.
В таблицах 1 и 2 приведены коды по ОКВЭД-2 (общероссийскому классификатору
видов экономической деятельности) и ОКПД (общероссийскому классификатору
продукции по видам экономической деятельности), соответствующие областям
применения настоящего справочника НДТ.
Таблица 1 - Коды по ОКВЭД-2
Код по ОКВЭД-2*
Наименование деятельности по ОКВЭД-2*
23
Производство прочей неметаллической минеральной продукции
23.5
Производство цемента, извести и гипса
23.51
Производство цемента (производство цементного клинкера и
гидравлических цементов, в том числе портландцемента,
глиноземистого
цемента,
шлакового
цемента
и
суперфосфатного цемента)
* - Классификатор кодов ОКВЭД-2 2022 с расшифровкой по видам деятельности.
Таблица 2 - Коды по ОКПД-2
Код по ОКПД-2*
Наименование деятельности по ОКПД-2*
23
Продукты минеральные неметаллические прочие
23.5
Цемент, известь, гипс
23.51
Цемент
23.51.1
Цемент
23.51.11
Клинкеры цементные
23.51.11.000
Клинкеры цементные
1
Окончание таблицы 2
Код по ОКПД-2*
Наименование деятельности по ОКПД-2*
23.51.12
Портландцемент, цемент глиноземистый, цемент шлаковый и
аналогичные гидравлические цементы
23.51.12.110
Цементы общестроительные
23.51.12.111
Портландцемент без минеральных добавок
23.51.12.112
Портландцемент с минеральными добавками
23.51.12.113
Шлакопортландцемент
23.51.12.114
Портландцемент пуццолановый
23.51.12.115
Цемент композиционный
23.51.12.120
Портландцементы белые
23.51.12.130
Портландцементы цветные
23.51.12.140
Портландцементы тампонажные
23.51.12.150
Цементы глиноземистые
23.51.12.190
Цементы прочие, не включенные в другие группировки
* - Общероссийский классификатор продукции по видам экономической деятельности (ОКПД 2)
ОК 034-2014 (КПЕС 2008).
Справочник НДТ также распространяется на процессы, связанные с основными
производственными переделами цементного производства, которые могут оказать
влияние на объемы эмиссий или масштабы загрязнения окружающей среды:
- хранение и подготовка сырья;
- хранение и подготовка топлива;
- утилизация отходов и использование материалов из отходов в качестве сырья и
(или) топлива - требования к качеству, контроль и подготовка;
- производственные процессы;
- методы предотвращения и сокращения эмиссий и образования отходов;
- хранение, упаковка и отгрузка продукции.
Справочник НДТ не распространяется на:
- некоторые процессы производства, такие как добыча сырья в карьере;
- вопросы, касающиеся исключительно обеспечения промышленной безопасности
или охраны труда.
Вопросы охраны труда рассматриваются частично и только в тех случаях, когда
оказывают влияние на виды деятельности, включенные в область применения данного
ИТС НДТ.
Дополнительные виды деятельности при производстве цемента и
соответствующие им справочники НДТ приведены в таблице 3.
2
Таблица
3 - Дополнительные виды деятельности, осуществляемые при производстве
цемента, и соответствующие им справочники НДТ
Вид деятельности
Наименование соответствующего справочника НДТ
Очистка выбросов
Информационно-технический справочник по наилучшим
вредных (загрязняющих)
доступным технологиям ИТС 22-2016 «Очистка выбросов
веществ в атмосферный
вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух
воздух
при производстве продукции (товаров), а также при
проведении работ и оказании услуг на крупных
предприятиях» [28]
Общие принципы
Информационно-технический справочник по наилучшим
производственного
доступным технологиям ИТС 22.1-2021 «Общие принципы
экологического контроля
производственного экологического контроля и его
метрологического обеспечения» [29]
Сокращение выбросов
Информационно-технический справочник по наилучшим
загрязняющих веществ,
доступным технологиям ИТС
46-2019
««Сокращение
сбросов загрязняющих
выбросов загрязняющих веществ, сбросов загрязняющих
веществ при хранении и
веществ при хранении и складировании товаров (грузов)»
складировании товаров
[30]
Повышение
Информационно-технический справочник по наилучшим
энергетической
доступным технологиям ИТС
48-2023 «Повышение
эффективности
энергетической эффективности при осуществлении
хозяйственной и (или) иной деятельности» [31]
Аббревиатуры и сокращения
BAT
Best Available Techniques (англ.)
CCS
Технология улавливания и хранения углерода
CCU
Технология улавливания и использования углерода
CSI
Cement Sustainability Initiative - Инициатива по устойчивому развитию
цементной промышленности
ETS
Система торговли выбросами
I-ТЕQ
Международный эквивалент токсичности
GCCA
Global Cement and Concrete Association - Глобальная ассоциация
производителей цемента и бетона
LRV
Шведское международное соглашение о чистоте воздуха
NOX
Сумма азота оксида (NО) и азота диоксида (NО2) в пересчете на NО2
OPC
Портландцемент
ppm
Объемная концентрация
RDF
Rrefuse-derived fuel - топливо, полученное из отходов
SCR
Технология селективного каталитического восстановления оксидов
азота
SNCR
Технология селективного некаталитического восстановления оксидов
азота
3
Продолжение Аббревиатуры и сокращения
TA-Luft
Германское международное соглашение о чистоте воздуха
TOC
Общий органический углерод
TSR
Thermal Substitution Rate - процент замещения традиционного топлива
альтернативным
W
Влажность
АИС
Автоматизированная измерительная система (контроля)
АО
Акционерное общество
АТ
Альтернативные виды топлива
ВИЭ
Возобновляемые источники энергии
ВД
Высокое давление
ВК
Водогрейный котел
ВМР
Вторичные материальные ресурсы
ВРВ
Временно разрешенный выброс
ВТВМ
Вертикальные тарельчато-валковые мельницы
ДВГ
Диффузионная вихревая горелка
ГВ
Горючее вещество
ГГ
Главная горелка
ГИД
Газовая инжекционная диффузионная горелка
ГОУ
Газоочистная установка
ГСМ
Горюче-смазочные материалы
ГЭС
Гидроэлектростанция
ДСП
Древесно-стружечная плита
ЕАЭС
Евразийский экономический союз
ЕС
Европейский союз
ЗВ
Загрязняющее вещество
ЗШО
Золошлаковые отходы
КПД
Коэффициент полезного действия
КС
Кипящий слой
ЛОС
Летучие органические соединения
МЭА
Международное энергетическое агентство
НВОС
Негативное воздействие на окружающую среду
НДВ
Норматив допустимых выбросов
НДС
Норматив допустимых сбросов
НДТ
Наилучшая доступная технология
ПХБ
Полихлорированные бифенилы
ПХДД/ПХДФ
Полихлорированные дибензо-n-диоксины и дибензофураны
ОГ
Основная горелка
ООУ
Общий органический углерод
ОС
Окружающая среда
ПАВ
Поверхностно активные вещества
ПАУ
Полициклические ароматические углеводороды
ПВИ
Пресс-валковый измельчитель
ПГ
Парниковый газ
4
Окончание Аббревиатуры и сокращения
ПГНА
Поточный гамма-нейтронный анализатор
ПГОУ
Пылегазоочистная установка
ПДВ
Предельно допустимый выброс
ПДК
Предельно допустимая концентрация
ППЭЭ
Программа повышения экологической эффективности
ПДКмр
Предельно допустимая максимальная разовая концентрация
ПЭК
Производственный экологический контроль
РЭО
Российский экологический оператор
СанПиН
Санитарно-эпидемиологические правила и нормы
СЗЗ
Санитарно-защитная зона
СИ
Средство измерения
СКВ
Селективное каталитическое восстановление оксидов азота
СНГ
Содружество Независимых Государств
СНКВ
Селективное некаталитическое восстановление оксидов азота
СОЗ
Стойкие органические загрязнители
СМК
Система менеджмента качества
СЭМ
Система экологического менеджмента
СЭнМ
Система энергетического менеджмента
ТКО
Твердые коммунальные отходы
ТН
Технологический норматив выбросов
ТП
Технологический показатель
ТРГ
Техническая рабочая группа
ТЭС
Тепловая электростанция
ЭФ
Электрофильтр
C3S
Трехкальциевый силикат 3CaO·SiO2
C2S
Двухкальциевый силикат 2CaO·SiO2
C3A
Трехкальциевый алюминат 3CaO·Al2O3
C4AF
Четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO·Al2O3·Fe2O3
ФККО
Федеральный классификационный каталог отходов
ХРТ
Химическая регенерация тепла
Единицы измерения
В таблице 4 приведены единицы измерения, используемые в Справочнике НДТ 6
согласно ГОСТам, указанным в разделе Введение.
5
Таблица 4 - Единицы измерения
Единица измерения
Наименование измеряемой величины
Обозначение
Наименование
ppm
Миллионная доля, pro pro mille
объемная концентрация, 1 ppm = 1
см3/м3
В
Вольт
электрическое напряжение;
электрический потенциал;
разность электрических
потенциалов; электродвижущая
сила
Вт, кВт, МВт,
ватт, киловатт, мегаватт,
мощность
ГВт
гигаватт
кВт·ч
киловатт-час
мера электрической энергии
кВт·ч/т
киловатт-час на тонну
удельный расход электроэнергии
г СО2-экв./т
грамм СО2-эквивалента
мера удельных выбросов
на тонну
парниковых газов на тонну
материала
кг у.т.
килограмм условного топлива
мера тепловой энергии
дБА
акустический децибел
уровень звукового давления
МДж/кг
(мега)Джоуль на килограмм
удельная теплота сгорания
топлива
ккал (Гкал)
килокалория (гигакалория)
количество теплоты
Гкал/ч
гигакалория в час
тепловая мощность
кг/м3
килограмм на кубический метр
плотность
кгс/см2
килограмм-сила на квадратный
давление, прочность образцов
сантиметр
м/с
метр в секунду
скорость
м3
кубический метр
объем
мг/м3
миллиграмм на метр кубический
концентрация
мг/нм3
миллиграмм на нормальный
концентрация
метр кубический
нм3
нормальный метр кубический
объем газа при давлении 760 мм
рт. ст. (101,3 кПа) и 0 ºС (1 нм3 =
1,073 ст.м3)
Па
Паскаль
давление
ст.м3
стандартный метр кубический
объем газа при давлении 760 мм
рт. ст. и 20 ºС, применяют при
коммерческих расчетах в РФ (1
ст.м3=0,932 нм3; 1 нм3=1,073 ст.м3).
г CO2 / МДж
г СО2 на МегаДжоуль
углеродоемкость топливной смеси
6
Окончание таблицы 4
Единица измерения
Наименование измеряемой величины
Обозначение
Наименование
ppm
Миллионная доля, pro pro mille
объемная концентрация, 1 ppm = 1
см3/м3
т
тонна
масса
т/ч
тонн в час
производительность основного
технологического оборудования
т СО2-экв.
тонна СО2-эквивалента
мера выбросов парниковых газов
7
Раздел 1 Общая информация о производстве цемента
в Российской Федерации
1.1 Количество предприятий, их географическое расположение
В России максимальный объем производства цемента 84,7 млн т был достигнут в
1989 году. Анализ производства и потребления цемента за последние 30 лет, по данным
компании СМ ПРО и аналитического агентства «Амикрон-консалтинг», свидетельствует
о цикличном развитии российского рынка, который подвержен внешним факторам и
макроэкономическим тенденциям (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 - Выпуск цемента в Российской Федерации в 2002-2021 гг. по [32]
В цементной промышленности России по состоянию на
01.01.2022
функционировало 54 из 60 цементных предприятий, в том числе 51 завод полного цикла
производства и 3 помольные установки. Общая мощность цементных предприятий
России по состоянию на 01.01.2022 составляет 87,42 млн т. Производство цемента в
2021 году по данным оперативной отчетности цементных предприятий и Росстата
составило 60,0 млн т, что на 7,2 % (3,7 млн т) больше, чем годом ранее.
Ввод новых 26 технологических линий в России общей мощностью ~36 млн т
цемента в год и наличие еще потенциальных 7 современных технологических линий
мощностью 15 млн т наряду с падением рынка сформировали существенный профицит
мощностей на российском рынке. Коэффициент использования мощности - 68,5 %.
По оценке, выпуск цементного клинкера в отрасли в 2021 году вырос на 3,3 млн т
(до 54,1 млн т) [33]. В 2021 году рост производства цемента был достигнут на 39
действующих цементных предприятиях России.
В 2010-2020 гг. производство цемента по энергоэффективным технологиям
выросло с 8,6 до 33,6 млн т, а его доля - с 17,1 до 60,2 %.
Объем производства цемента сухим и комбинированным способами увеличился
на 18 предприятиях, среди которых [34]:
а)
заводы холдинга «ЕВРОЦЕМЕНТ груп»:
1) ООО «Петербургцемент»;
8
2) АО «Невьянский цементник»;
3) АО «Катавский цемент»;
4) Воронежский филиал ПАО «ЕВРОЦЕМЕНТ груп»;
б)
Первомайский цементный завод (входит в структуру ОАО
«Новоросцемент», управляемого ООО «Газметаллпроект»);
в)
филиал ООО «ХайдельбергЦемент Рус» в п. Новогуровский;
г)
АО «ХайдельбергЦемент Волга»;
д)
АО «Спасскцемент» (входит в состав группы компаний «Востокцемент»);
е)
ООО «Холсим (Рус)» (г. Вольск) (входит в группу компаний «Холсим
(Россия)»;
ж)
ООО «Азия Цемент»;
з)
Филиал «Сухоложскцемент» ООО «СЛК Цемент».
Всего на 18 заводах сухого и комбинированного способов, увеличивших выпуск
цемента в 2021 году, объем его производства вырос на 541,6 тыс. т. Доля цемента,
выпущенного этими способами, составила 56,5 % - в 1,3 раза больше, чем доля
цемента, произведенного традиционным для России мокрым способом, но на 2,8
процентного пункта меньше показателя 2020 года [35].
В 2021 году объем производства цемента мокрым способом увеличился на 17
предприятиях, в том числе:
а)
на заводах холдинга «ЕВРОЦЕМЕНТ груп»:
1) ЗАО «Осколцемент»;
2) ЗАО «Белгородский цемент»;
3) АО «Михайловцемент»;
б)
ООО «Ачинский цемент», управляемом компанией «Группа Смиком»;
в)
ООО «Красноярский цемент» (входит в состав холдинга АО «ХК «Сибцем»).
В сумме выпуск цемента мокрым способом увеличился на 3167 тыс. т.
Корпоративная структура цементной промышленности России включает в себя 26
компаний и промышленно-финансовых групп. На долю 11 холдингов приходится 50,8
млн т цемента, произведенного в 2021 году, или 91,0 % его суммарного выпуска в стране
(таблицы 1.1, 1.2) [33].
Холдингу «ЕВРОЦЕМЕНТ груп» принадлежат
16 российских цементных
предприятий общей мощностью около 27,1 млн т, не включая Савинский цементный
завод проектной мощностью 1,24 млн т, находящийся на реконструкции. Холдинг
занимает ведущее положение по производству и продажам цемента на международном
уровне. В
2021 году ООО «Михайловский комбинат строительных материалов»
приобрело акции материнской компании и долг группы компаний «ЕВРОЦЕМЕНТ».
9
Таблица 1.1 - Производство цемента в России ведущими фирмами-производителями в 2020
и 2021 гг.
Годовая
Выпуск цемента по
мощность
годам, тыс. т
Рост (+),
по цементу
снижение
Производитель
на
(-)
2020
2021
01.01.2021,
производства
тыс. т
ПАО «ЕВРОЦЕМЕНТ груп»
27 138,0
15 925,0
16 625,0
700,0
ООО «Газметаллпроект»
8 015,0
5 427,3
5 896,5
469,2
АО «ХК «Сибцем»
8 711,0
4 589,8
5 204,0
614,2
Группа компаний «Холсим Россия»
7 148,0
4 951,4
5 153,1
201,7
Группа компаний AKKERMANN
4 523,5
3 496,8
3 976,2
479,4
CEMENT
ООО «ХайдельбергЦемент Рус»
4 996,1
3 778,6
3 963,2
184,6
SLK Cement
5 300,0
3 713,9
3 947,9
234,0
ООО «Востокцемент»
4 209,0
2 462,0
2 830,8
368,8
ЗАО «Росгражданреконструкция»
4 069,4
2 550,0
2 737,0
187,0
«Группа Смиком»
3 000,0
2 206,4
2 050,0
-99,9
ООО «Азия Цемент»
1 860,0
1 767,2
1 855,4
88,2
Прочие
8 447,3
5 296,3
5 666,8
427,0
Всего
87 417,3
56 164,7
59 905,9
3 741,2
Таблица 1.2 - Корпоративная структура цементной промышленности России в 2021 г. по [33]
Мощность по
Холдинг (управляющая компания)/предприятие
цементу на
01.01.21, тыс. т/год
I
ПАО «ЕВРОЦЕМЕНТ груп»
27 138
1 Савинский цементный завод
-
2 АО «Пикалевский цемент»
1 311
3 АО «Мальцовский портландцемент»
3 450
4 АО «Михайловцемент»
1 700
5 ЗАО «Белгородский цемент»
826
6 АО «Осколцемент»
3 700
7 Воронежский филиал АО «Евроцемент груп»
2 100
8 АО «Липецкцемент»
687
9 ОАО «Жигулевские стройматериалы»
-
10 АО «Ульяновскцемент»
2 000
11. АО «Кавказцемент»
2 400
12 АО «Невьянский цементник»
1 033
13 АО «Катавский цемент»
1 100
10
Продолжение таблицы 1.2
Мощность по
Холдинг (управляющая компания)/предприятие
цементу на
01.01.21, тыс. т/год
14 ПАО «Мордовцемент»
4 098
15 ООО «Петербургцемент»
1 700
16 ООО «Сенгилеевский цементный завод»
1 033
II
АО «ХК «Сибцем»
8 711,0
1 ООО «Топкинский цемент»
3 700,0
2 АО «Искитимцемент»
2 100,0
3 АО «Ангарскцемент»
1 211,0
4 ООО «Красноярский цемент»
1 100,0
5 ООО «ТимлюйЦемент»
600,0
III
ООО «Газметаллпроект»
8 015,0
1 ОАО «Новоросцемент»
5 415,0
2 ОАО «Верхнебаканский цементный завод»
2 600,0
IV
Группа компаний «Холсим (Россия)»
7 148,0
1 ОП ООО «Холсим (Рус) СМ» (г. Воскресенск)
-
2 ОП ООО «Холсим (Рус) СМ» (п. Ферзиково)
2 907,0
3 ООО «Холсим (Рус)» (г. Вольск)
1 646,0
4 ООО «Холсим (Рус) СМ» (г. Коломна)
2 595,0
V
SLK Cement
5 300,0
1 СЛК Цемент (ф-л «Сухоложскцемент»)
3 500,0
2 СЛК Цемент (ф-л «Коркино»)
1 100,0
3 ОП «Омский цемент»
700,0
VI
ООО «ХайдельбергЦемент Рус»
4 996,1
1 Филиал ООО «ХайдельбергЦемент Рус» в п.
2 000,0
Новогуровский
2 Филиал ООО «ХайдельбергЦемент Рус» в г.
1 800,0
Стерлитамак
3 ОАО «Цесла»
1 196,1
VII
Группа компаний AKKERMANN cement
4 523,5
1 ООО «АККЕРМАНН ЦЕМЕНТ»
2 360,0
2 ПАО «Горнозаводскцемент»
2 163,5
VIII
Группа компаний «Востокцемент»
4 209,0
1 АО «Спасскцемент»
3 127,0
2 АО «Теплоозерскцемент»
632,0
3 АО ПО «Якутцемент»
450,0
IX
АО «Росгражданреконструкция»
4 069,4
АО «Себряковцемент»
4 069,4
X
«Группа Смиком»
3 000
1 ООО «Ачинский цемент»
1 200
2 ООО «Серебрянский цементный завод»
1 800
11
Окончание таблицы 1.2
Мощность по
Холдинг (управляющая компания)/предприятие
цементу на
01.01.21, тыс. т/год
XI
ООО «Азия Цемент»
1 860,0
XII
ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат»
1 355,2
XIII
АО «Чеченцемент»
1 200,0
XIV
АО «Хайдельбергцемент Волга»
1 166,0
XV
United Cement Group
822,0
АО «Новотроицкий цементный завод»
822,0
XVI
ОАО «ГМК «Норильский никель»
7,03,0
Заполярный филиал УЗТМ. Производство цемента
7,03,0
XVII
ПАО «НБ Траст»
650,0
1 ОАО «Атакайцемент»
450,0
2 ЗАО «Углегорск-Цемент»
200,0
XVIII
Корпорация «Атомстройкомплекс»
550,0
ООО «Атомстройкомплект Цемент»
550,0
XIX
ООО «Староцементный завод»
534,0
XX
АО «Пикалевская сода»
520,3
Волховский цементный завод
520,3
XXI
АО «Бахчисарайский комбинат «Стройиндустрия»
517,0
XXII
ПАО «Мечел»
315,8
«Мечел-Материалы»
318,5
XXIII
ООО «Голухинский цемент»
300,0
XXIV
АО «Подольск-Цемент»
137,6
XXV
ООО «Буйнакский цементный завод»
130,8
XXVI
ООО «Сахцемент Лунсин»
100,0
Группы менеджмента предприятий
643,0
1 АО «Камчатцемент»
350,0
2 АО «Колымацемент»
150,0
3 ООО «Екатеринбургский цементный завод»
50,0
4 АО «Пашийский МЦЗ»
46,0
5 ООО «Югорский ЗСМ»
34,0
6. ООО «Амурская помольная установка»
13,0
В 2021 году состоялся пуск завода по производству белого цемента ООО
«Цемикс», расположенного в Абзелиловском районе Республики Башкортостан (РБ),
вблизи г. Магнитогорска Челябинской области, с технологической линией сухого способа
производства проектной мощностью 240 тыс. т в год.
Было завершено строительство технологической линии производства цемента
сухим способом мощностью 1,2 млн т в год на ООО «Сенгилеевский цементный завод»
холдинга «ЕВРОЦЕМЕНТ груп».
В 2021 году вышел на проектную мощность - 550 тыс. т серого цемента в год -
завод «АТОМ Цемент», введенный в эксплуатацию в 2020 году. Завод был построен
компанией «Атомстройкомплекс» в районе г. Сысерть Свердловской области.
12
В 2021 году продолжилось строительство технологической линии сухого способа
мощностью 300 тыс. т белого цемента в год на предприятии ОАО «Жигулевские
стройматериалы» холдинга «ЕВРОЦЕМЕНТ груп».
АО «Себряковцемент» продолжало работы, необходимые для завершения
полного перевода производства на сухой способ.
Изменились мощности ряда других предприятий, что обусловлено
продолжающимся освоением новых технологических линий сухого способа,
модернизацией производства, а также выводом из эксплуатации некоторых линий
мокрого способа.
Размещение и концентрация цементных предприятий представлены на рисунке
1.2. В европейской части России сосредоточено 73,5 % от общего объема производства
и 75 % от объема потребления цемента. Неравномерность размещения цементных
заводов обусловлена наличием сырьевых ресурсов и неравномерностью концентрации
производительных сил по территории России.
Рисунок 1.2 - Размещение и концентрация цементных предприятий РФ
В результате сложившейся структуры расположения предприятий и их мощностей
удовлетворение спроса на цемент в отдельных регионах обеспечивается за счет
межрегиональных поставок цемента и его импорта (см. таблицу 1.3).
Производство цемента в 2021 году выросло по сравнению с показателем 2020
года в Дальневосточном (на 14,4 %), Сибирском (на 13,9 %), Северо-Западном (на
10,7 %), Южном (на 7,8 %), Приволжском (на 6,9 %), Центральном (на 3,3 %) и Уральском
федеральных округах (на
2,3 %) и сократилось на
0,5 % в Северо-Кавказском
федеральном округе (см. таблицу 1.3).
13
Таблица 1.3 - Баланс производства и потребления цемента в 2021 году, тыс. т
Баланс
Регион
Производство
Импорт
Экспорт
Потребление
(+/-)
Всего по Российской
Федерации, в том
59 606
1 965
1 313
60 360
-755
числе:
Европейская часть
Российской
43 812
3 348
1 772
45 458
-1 647
Федерации
ЦФО
15 164
4 257
1 668
17 756
-2 592
СЗФО
3 502
2 249
74
5 664
-2 162
ПФО
13 285
1 347
4 639
10 008
3 277
ЮФО
9 601
1 630
3 385
7 885
1 716
СКФО
2 260
2 318
460
4 146
-1 885
Азиатская часть
Российской
15 761
1 013
1 904
14 902
859
Федерации
УФО
6 034
1 188
1 899
5 355
679
СФО
6 536
553
930
6 165
371
ДВФО
3 192
239
42
3 383
-190
Основная часть цемента (44,0 млн т, или 73,4 % общего объема его производства
в России) выпущена в 2021 году на предприятиях, расположенных в федеральных
округах европейской части страны. На предприятиях Урала, Сибири и дальнего Востока
за этот период произведено 15,9 млн т цемента.
Максимальный рост производства цемента в 2021 году к уровню 2020 года
наблюдался на заводах холдингов «ЕВРОЦЕМЕНТ груп» (на 796 тыс. т, или 5,0 %), АО
«ХК «Сибцем» (на 601 тыс. т, или 13,1 %), AKKERMANN CEMENT (на 486 тыс. т, или
13,9 %), «Газметаллпроект» (на 456 тыс. т, или 8,4), «Востокцемент» (на 368 тыс. т, или
15,0 %), Buzzi Unicem (на 243 тыс. т, или 6,6 %) и HeidelbergCement (на 202 тыс. т, или
5,4 %) [33]. Сокращение производства в 2021 году не наблюдалось ни у одного участника
рынка.
В 2021 году сузились доли рынка холдингов «ЕВРОЦЕМЕНТ груп» (на 0,7 %, до
27,9 %), Holcim (на 0,4 %, до 8,6 %) и HeidelbergCement (на 0,1 %, до 6,6 %). Выросли
доли групп компаний АО «ХК «Сибцем» (на 0,4 %, до 8,6 %), AKKERMANN CEMENT (на
0,4 %, до 6,6 %) и «Востокцемент» (на 0,3 %, до 4,7 %) [34].
1.2 Сырьевая база для производства цемента
В соответствии со Стратегией развития минерально-сырьевой базы до 2035 года,
утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 22 декабря
2018 года № 2914-р [36], цементное сырье относится к полезным ископаемым первой
группы, сырьевая база которых достаточна для обеспечения потребностей экономики в
долгосрочной перспективе при любых сценариях ее развития и не требует проведения
активных геологоразведочных работ, направленных на ее воспроизводство. Тем не
менее недропользователями ведутся геологоразведочные работы (в том числе ранних
14
стадий) с целью выявления сырья высокого качества.
Суммарные балансовые запасы цементного сырья в целом по Российской
Федерации по категориям А+В+С1 и категории С2 на 1 января 2021 года составляют
19 230,8 млн т и 12 103,9 млн т, соответственно; забалансовые запасы составляют 256
млн т.
По состоянию на 1 января 2021 года запасы цементного сырья, заключенные в
238 месторождениях, составили 31,31 млрд т. Запасы цементного сырья разведаны на
территории 59 из 85 субъектов Российской Федерации, однако распределены по
территории страны неравномерно - более двух третей сосредоточено в европейской
части страны (см. таблицу 1.4).
Таблица 1.4 - Запасы цементного сырья в Российской Федерации, млн т
Федеральный округ,
Количество
Балансовые запасы на
субъект Российской Федерации
месторождений
01.01.2021
ЦФО
45
8 646,9
СЗФО
18
1 677,8
ПФО
47
4 044,9
ЮФО
24
5 949,1
СКФО
7
1 455,5
УФО
17
1 584,7
СФО
44
3 250,4
ДВФО
36
4 725,5
Всего по Российской Федерации
238
31 334,7
В европейской части страны сосредоточены
66 % общероссийских
промышленных запасов маломагнезиального карбонатного сырья, определяющих в
основном размещение и мощность цементных заводов. Так же неравномерно
размещены разведанные балансовые запасы глинистых пород и гидравлических
добавок.
В целом по России около половины разведанных запасов цементного сырья
относится к нераспределенному фонду, а в Дальневосточном округе они составляют
73 % от разведанных. Большинство из них разведаны 40-50 лет назад, современное
состояние месторождений нередко неизвестно, но среди них можно выделить объекты,
перспективные для доизучения и освоения. На территории Российской Федерации
имеются хорошие перспективы развития минерально-сырьевой базы цементного
производства.
В 2020 году статус разрабатываемых имели 86 месторождений; среди них 57
месторождений карбонатных пород, 18 глинистых, 10 месторождений гидравлических
добавок и одно месторождение песков и маршаллитов.
Наиболее весомое значение среди сырьевых компонентов (рисунок
1.3) в
производстве цемента занимает карбонатное сырье, и именно его запасы
преимущественно определяют как выбор технологии, так и выбор промплощадки и
месторождения.
1 Источник - ГБЗ РФ (предварительные (сводные) данные).
15
Рисунок 1.3 - Основные сырьевые материалы
* При необходимости изменения физико-механических свойств сырьевого шлама
возможно применение отработанных нефтепродуктов.
В соответствии с техническими условиями на качество основных видов сырьевых
материалов для производства цемента предъявляются следующие требования к
химическому составу (таблица 1.5).
Таблица 1.5 - Допускаемые значения содержания оксидов в сырьевых компонентах
Показатели
Значения, %
Содержание СаО в карбонатном компоненте:
в известняках и мелах
не менее 45
в мергелях
40-45
MgO - 4
Количество примесей вредных оксидов в карбонатном
SO3 - 1,3
компоненте не должно превышать:
K2O+Na2O - 0,4
P2O5 - 0,4
Cl - 0,1
MgO - не более 6
Количество вредных примесей в глинистом компоненте
SO3 - не более 5
не должно превышать следующие значения:
K2O+Na2O - не более 4
TiO2 - не более 2
P2O5 -не более 0,6
Для сухого способа производства большое значение имеет наличие хлор-иона в
сырьевых материалах и, в конечном счете, в сырьевой муке. Превышение примеси
хлора в муке более 0,1 % ведет к образованию настылей, остановке печного агрегата и
трудоемким работам по очистке пылегазового тракта.
Физико-химические свойства карбонатных пород не регламентируются, но
малопрочные разности (10-20 МПа) предпочтительнее. В последние годы зарубежные
цементные компании при разработке технологии и строительстве цементных заводов,
работающих на мелах, столкнулись с серьезной проблемой - в условиях аэрации
частицы сырьевой муки быстро агрегируются, в результате чего текучесть и усреднение
материала практически прекращаются. В связи с этим при оценке пригодности мелового
сырья для производства цемента необходимо проводить его тестирование на изменение
текучести в процессе аэрирования.
16
Для глинистых пород большую роль играет их гранулометрический состав.
Пригодными по грансоставу считаются породы, в которых количество крупных фракций
(кварцевый песок, полевой шпат, слюда, карбонатные породы) составляет:
- крупнее 0,2 мм - не более 10 %;
- крупнее 0,08 мм - не более 20 %.
При наличии доли крупных частиц в глине с превышением заданных значений
вопрос об их пригодности должен решаться с участием специализированного института.
Основные компоненты и техногенные отходы/материалы из отходов, заменяющие
природные ресурсы, а также их доля в сырьевой шихте, приведены в таблице 1.6.
Таблица 1.6 - Основные сырьевые компоненты в производстве клинкера
Железосодержащий
Карбонатный компонент
Глинистый компонент
компонент (доля в шихте,
(доля в шихте, %)
(доля в шихте, %)
%)
ПРИРОДНЫЕ СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Известняки 70-80
Глина 15-25
Железная руда 3-5
Мел 70-80
Глинистые сланцы 15-20
Гематит 3-5
Мергели 90-95
Суглинки 16-25
Мрамор 70-80
Лесс
Бокситы
Каолин
Песок
Плавиковый шпат
Кварцит
ОТХОДЫ/МАТЕРИАЛЫ ИЗ ОТХОДОВ, ЗАМЕНЯЮЩИЕ СЫРЬЕВЫЕ КОМПОНЕНТЫ
Шлаки доменные - до 80
Шлаки доменные - до 8
Огарки (100%)
Шлаки цветной металлургии - до
Шлаки
цветной
Железорудный концентрат
80
металлургии - до 80
- 100
Золошлаковые отходы - до 50
Золошлаковые отходы
-
Хвосты железосодержащие
до 70
- 100
Нефелиновый шлам - до 80
Нефелиновый шлам - до
Шламы и пыли черной
80
металлургии - до 100
Карбонаты кальция, являющиеся
отходами производств других
отраслей
Отсевы щебеночного
производства и производства
извести - до 100
В последние годы в цементной промышленности все более широкое
распространение находит использование отходов смежных отраслей промышленности
вместо природного сырья - карбонатного и глинистого компонентов. В зарубежной
практике эксплуатируется ряд цементных предприятий, производящих цемент с
применением техногенных отходов/материалов из отходов. В России в 80-е гг. XX в.
доля отходов/материалов из отходов в производстве цемента достигла 26 %, т. е. из 137
млн т сырьевых материалов, потраченных на выпуск 83 млн т цемента, 36 млн т было
17
заменено отходами/материалами из отходов. В настоящее время этот показатель по
разным причинам снизился до 15-17 %. Полученный в процессе обжига сырьевой шихты
клинкер в себестоимости цемента составляет 75-80 %.
В целях снижения затрат на производство цемента при измельчении клинкера
вводятся активные минеральные добавки, как природного происхождения, так и
отходы/материалы из отходов смежных производств.
В таблице 1.7 представлены основные добавки в цемент как природного, так и
техногенного происхождения. Ввод добавок используется для снижения расхода
клинкера в производстве цемента и придания ему специальных строительно-
технических свойств.
Таблица 1.7 - Добавки в цемент
Содержание,
Наименование добавки в цемент
%
Гипс, ангидрит
5
Опока
до 20
Трепел
до 10
Техногенные добавки
Шлак доменный гранулированный при совместном помоле с клинкером или
до 80
раздельном помоле и смешением с бездобавочным цементом
То же, шлаки цветной металлургии
до 80
Золошлаковые отходы
до 40
Фосфогипс (заменитель природного гипса)
до 5
Бой гипсовых изделий (заменитель природного гипса)
до 5
Отходы сталелитейной промышленности
до 20
Зольный остаток минеральной ваты
до 5
Строительные отходы (бой бетона, кирпича, деревянных элементов
до 20
конструкций, стекло)
Обязательной добавкой в цемент является гипсовый камень (CaSO4·H2O), реже -
ангидрит (CaSO4), которые являются регуляторами сроков схватывания цементного
камня. Количество вводимого гипса при помоле клинкера составляет, как правило, не
более 5 % к общей массе шихты или около 3% гипсосодержащих минералов в пересчете
на SO3.
В качестве природных добавок в цемент на отечественных цементных заводах
используются опока, трепел, вулканические туфы, цеолиты и другие. Объем ввода
добавок определяется технологическим регламентом и востребованностью цемента с
добавками на рынке.
Наиболее распространенными добавками в цемент являются гранулированные
доменные шлаки - отходы металлургического производства, шлаки - отходы цветной
металлургии и химических производств, горелые земли, золошлаковые отходы и другие,
а также фосфогипс - отход производства минеральных удобрений. Указанные отходы
являются прямыми заменителями клинкера, и их доля в цементе может достигать до
80 %.
В 2021 году в России на производство 1 т цемента расходовалось около 1,791 т
природного и техногенного сырья, минеральных добавок и природного гипсового камня.
18
Всего в отрасли за 2021 год для выпуска цемента использовано около 107 млн т
природного и техногенного сырья, минеральных добавок, попутно добываемых и
вскрышных пород, а также природного гипсового камня [33].
Около 22,0 млн т, или почти 21,0 % всей массы использованных сырья и добавок,
составили техногенные материалы: гранулированные шлаки черной и цветной
металлургии; нефелиновый шлам (отходы производства глинозема); золошлаковые
отходы теплоэлектростанций (ЗШО ТЭС); пиритные (колчеданные) огарки; пыль и
шламы, полученные в результате очистки отходящих газов печей черной металлургии;
сульфатосодержащие отходы химической промышленности; отходы обогащения угля;
железосодержащие отходы горно-обогатительных комбинатов; горелая порода;
отработанные формовочные смеси литейного производства; технические
лигносульфонаты (отходы гидролизного производства в целлюлозно-бумажной
промышленности), а также попутно добываемые, вскрышные и вмещающие породы.
Объемы использованных в 2021 году при производстве цемента вторичных
материальных ресурсов были выше, чем в 2020 году, вследствие роста объемов
производства клинкера и цемента на большинстве предприятий.
В 2021 году использовано при помоле цементной шихты около 4,3 млн т шлаков
доменного и других производств, трепела, опоки, вулканического туфа, ЗШО ТЭС,
природного гипса и других добавок. Их расход на 1 т цемента в среднем составил около
71 кг.
По оценке, в 2021 году доля клинкера в цементной шихте составила в среднем
89,0 %, а минеральных добавок - около 7,7 % [33].
1.3 Топливо
В цементной промышленности Российской Федерации при производстве клинкера
и цемента используются такие виды топлива, как природный газ, уголь, и сланцы. С
использованием в технологическом процессе природного газа произведено около 82 %
клинкера и цемента. Доля природного газа в структуре потребляемого технологического
топлива для обжига цементного клинкера и сушки минеральных добавок в 2021 году
составила 83,1 %, а на долю энергетического угля приходилось около 14,0 %. До 2005
года некоторые предприятия использовали мазут, но в дальнейшем в связи с ростом цен
было принято решение перейти на другие виды топлива.
Доля отдельных видов топлива, используемого при выпуске клинкера,
представлена на рисунке 1.4.
Природный газ использовался на 42 предприятиях; энергетический уголь - на
девяти; горючие сланцы - на одном; нефтяной и сланцевый кокс, а также остатки
сортировки твердых коммунальных отходов и другие альтернативные виды в 2021 году
использовались на ООО «Петербургцемент», ОП ООО «Холсим (Рус) СМ» (п.
Ферзиково), в филиалах ООО «ХайдельбергЦемент Рус» в п. Новогуровский и г.
Стерлитамак, на заводе «ЦЕСЛА», в ПАО «Мордовцемент» и др. [37]. Однако сами
предприятия зачастую не подтверждают применение альтернативных видов топлива.
19
11%1%
Природный газ
Энергетичсекий уголь
Горючие сланцы
88%
Рисунок 1.4 - Структура производства цемента по видам используемого топлива
Средний удельный расход условного топлива на обжиг клинкера в России
постоянно снижается. Если в 2014 году средний удельный расход топлива по цементной
отрасли составил 185,0 кг у.т./т клинкера2, то в 2021 году средний расход условного
топлива составил 152,5 кг у.т./т клинкера, что на 2,3 кг у.т./т клинкера ниже показателя
2020 года. На заводах мокрого способа производства в среднем расходовалось около
205,2 кг у.т./т клинкера, сухого способа - 117,3, а на двух технологических линиях
комбинированного способа предприятия ПАО «Мордовцемент» и ООО «Холсим (Рус)»
(г. Вольск) - 147,6.
По данным Росстата, в 2010-2020 гг. средний по России удельный расход топлива
на обжиг клинкера сократился на 28 % - с 193 до 141 кг у.т./т клинкера [35].
Всего предприятиями отрасли на технологические цели за
2021 год
израсходовано 8,3 млн т условного топлива.
1.4 Электроэнергия
Средний удельный расход электроэнергии при производстве цемента на
российских предприятиях в 2021 году составил 120,0 кВт∙ч/т цемента; на предприятиях
мокрого способа
-
116,5; сухого способа
-
123,1 и на технологических линиях
комбинированного способа - 121,0.
Следует отметить, что в 2021 году средний удельный расход электроэнергии по
цементной отрасли Российской Федерации составляет 117 кВт·ч/т, в т. ч. на печах
мокрого способа - 114, на печах сухого способа - 153 кВт∙ч/т.
Всего предприятиями отрасли на технологические цели за
2021 год
израсходовано около 7,2 млрд кВт∙ч электроэнергии.
В решении вопросов топливо- и электроснабжения современные технические
решения позволяют исключить строительство инфраструктуры, передающей
электроэнергию, и линий электропередач путем строительства собственной
электрогенерирующей установки, работающей на природном газе. На практике затраты
на строительство транспортных, топливных, электрических и других коммуникаций
(вода, связь, канализация и пр.) составляют 10-20 % от сметной стоимости проекта.
2 Кг у.т. - кг условного топлива. 1 кг у.т. = 7000 Ккал = 29,3076 МДж.
20
1.5 Основные показатели цементных предприятий России
Одним из важнейших показателей работы предприятий цементной
промышленности является удельный расход энергоресурсов на производство клинкера,
промежуточного продукта в производстве цемента, и цемента. В составе себестоимости
цемента в зависимости от способа его производства и технической оснащенности доля
топлива и электроэнергии составляет 28-45 %. При выборе способа производства
цемента особое внимание уделяется показателям затрат расход энергоресурсов при
выпуске цемента.
Усредненные показатели расхода энергоресурсов по способам производства
приведены в таблице 1.8.
Таблица
1.8
- Сравнительные среднегодовые показатели расхода энергоресурсов по
способам производства
Средний
Средний годовой
Средние
Ввод в
годовой уд.
Тип производства
уд. расход
приведенные
эксплуатацию
расход
электроэнергии
энергозатраты
топлива
до 1989
146,6
154,6
198,2
Сухой
после 2008
106,4
122,5
147,4
Мокрый
после 2008
189,2
121,9
229,6
Комбинированный
147,2
99,6
180,6
По данным Минэкономразвития и Росстата, в 2021 году в основной капитал
цементной промышленности России инвестировано около
13,5 млрд руб.
Производственная мощность предприятий России, по данным Росстата, на начало 2021
года составила 105,7 млн т цемента. По оценке, среднегодовая производственная
мощность по его выпуску в 2021 году составила 105,8 млн т, а мощность на 1 января
2022 года - 106,3 млн т (при расчете данного показателя учтен вывод из эксплуатации
части морально устаревшего оборудования мокрого способа).
Благодаря росту производства цемента на части предприятий в 2021 году
повысился коэффициент использования действующих мощностей. По предварительной
оценке, в среднем по отрасли этот показатель составил 56,6 % (в 2020 г. - 55,2 %).
По оценке, средняя часовая производительность основного технологического
оборудования отрасли в 2021 году повысилась с 84,2 до 87,0 т/ч для вращающихся
печей, с 114,5 до 115,6 т/ч для сырьевых мельниц и с 55,3 до 57,0 т/ч для цементных
мельниц. Среднеотраслевой коэффициент использования календарного времени
работы оборудования также вырос: по печам - до 62,0 %; по сырьевым и цементным
мельницам - соответственно до 55,8 и 47,5 %.
1.6 Ассортимент
В 2021 году большинство российских цементных предприятий полного цикла
определяли качество вырабатываемого ими цемента по прочности на сжатие в возрасте
21
28 сут по классам 22,5; 32,5; 42,5; и 52,5 согласно межгосударственному стандарту ГОСТ
31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия».
Более 20 цементных предприятий, объем производства цемента на которых в
2021 году составил 46,0 % его общего выпуска в стране, продолжали учитывать качество
своего цемента по маркам согласно требованиям действующего ГОСТ
10178-85
«Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия». По оценке, средняя
марка цемента по этой группе предприятий в 2021 году не изменилась по сравнению с
показателем 2020 года и составила 469 кгс/ см2 [33].
Основной объем произведенного в стране цемента пришелся на долю
портландцементов без минеральных добавок. В
2021 году доля производства
портландцемента без добавок повысилась с 61,7 до 63,0 %. Второе место по объемам
производства занимали портландцементы с минеральными добавками. Доля
портландцемента с добавками уменьшилась с 33,8 до 32,5 % [34] (таблица 1.9).
Таблица 1.9 - Производство цемента по видам в 2020-2021 гг.
Выпуск цемента, тыс. т
Вид цемента
Изменение, %
2020
2021
Цемент, всего
55 883
60 067
7,5
В том числе:
Портландцемент без минеральных
34 507
37 857
9,7
добавок
Портландцемент с минеральными
18 901
19 532
3,3
добавками
Шлакопортландцемент
1 435
1 636
14,0
Портландцементы тампонажные
755
703
-6,8
Портландцементы белые
84
106
26,1
Цементы глиноземистые
10
11
11,4
Цементы прочие
193
221
14,9
В 2021 году наблюдался рост объемов производства всех видов цемента за
исключением тампонажных портландцементов. Больше всего за год выросло
производство портландцемента без минеральных добавок - на 3350 тыс. т (9,7 %), до
37 857 тыс. т. Производство тампонажных портландцементов снизилось на 51 тыс. т
(6,8 %), до 703 тыс. т.
В 2021 году, как и в предыдущие годы, почти все цементные предприятия
занимались вопросами повышения качества цемента, совершенствовали технологию
подготовки и обжига сырья, лабораторный контроль по всем переделам производства,
обновляли лабораторное оборудование.
С 1 января 2022 года нормы стандартизации в российской цементной отрасли
изменились. В частности, вступил в силу ГОСТ
31108-2020 «Цементы
общестроительные. Технические условия» и был отменен ГОСТ 10178-85.
Изменение видовой структуры потребления цемента в основном проходило в
период экономических реформ 90-х гг. В видовой структуре производства цемента
обращает на себя внимание продолжающаяся длительное время тенденция снижения
доли выпуска шлакопортландцемента. Если в 1990 году его доля в общем выпуске
22
составляла около 28 %, то в настоящее время - около 3 %. Это ведет к удорожанию
себестоимости цемента и, соответственно, росту его стоимости.
За последние десять лет структура потребления по видам практически не
изменилась т. к. цементные заводы России приспособились к потребностям рынка.
Особо стоит отметить, что текущие потребности рынка представляются
малообоснованными и вызваны общим снижением культуры использования цементов
по их назначению.
Нередко вместо малоклинкерных цементов используются бездобавочные
цементы. Так, цемент ЦЕМ I используется для производства кладочных и штукатурных
растворов и в выпуске многих изделий, где экономически, а иногда и технически,
целесообразно применять низкомарочные и добавочные цементы.
В условиях снижения темпов строительства на протяжении
2016-2021 гг.
наблюдается рост потребления высокомарочного цемента для производства более
качественной и конкурентоспособной продукции. В случае возобновления темпов роста
строительства в 2022 году доля высокой марки в потреблении цемента также продолжит
расти. А по дорожной карте к 2050 году клинкер-фактор в России должен снизиться с
0,889 (как в 2021 году) до 0,67.
1.7 Анализ приоритетных проблем отрасли
Важнейшей проблемой цементной промышленности является снижение
конкурентоспособности цементных предприятий России. Являясь топливодобывающей
страной, имея достаточные объемы энергоресурсов, сырьевой базы, трудовых
ресурсов, Россия увеличила импорт цемента, начиная с 2005 года, в девять раз - до 7,8
млн т в 2008 году. В 2021 году импорт составил 1,687 млн т. Экспорт цемента снизился
соответственно в три раза - с 3,1 млн т до 1,234 млн т.
К числу самых острых технологических проблем цементной отрасли в России
следует отнести низкую энергоэффективность и, как следствие, высокую себестоимость
выпускаемой продукции. Причины низкой производительности на уровне процесса
производства - крайне низкая загрузка мощностей, использование мокрой технологии,
приводящей к чрезмерному потреблению энергии.
К числу актуальных проблем цементной отрасли следует отнести недостаточно
высокое качество производимой продукции и наличие контрафакта. Перспективы
предприятий цементной промышленности заключаются в формировании
цивилизованного рынка цемента, где основными игроками станут стратегические
участники-цементники, заинтересованные в долгосрочном развитии рынка.
В среднесрочной и долгосрочной перспективе положительными факторами для
отрасли станут антикризисные мероприятия Правительства России и региональных
властей, пакеты поддержки предприятий и населения, а также реновация жилого фонда,
реализация проектов комплексного освоения территорий, увеличение доли
строительства цементобетонных дорог, выполнение национального проекта «Жилье и
городская среда» и иных инициатив Президента России В.В. Путина.
Реконструкция ряда предприятий цементной промышленности включена в
перечень важнейших строек, финансируемых за счет средств федерального бюджета.
23
Из-за отсутствия этих средств основным источником финансирования становятся
собственные средства предприятий, заемные и привлеченные средства.
По данным НИИ ПСМ и СМПРО, цементная промышленность имеет огромную
закредитованность - объем задолженности отрасли перед банками составляет ≈ 250
млрд рублей. Стоимость заемного финансирования для крупных предприятий в 2015-
2020 гг. составляла 12-18 %, для мелких и средних - более 15 %.
Загрузка мощности предприятий последние два-три года в среднем по отрасли
≈ 50-60 %, мощности превосходят объем потребления цемента почти в два раза. Даже
при самом лучшем сценарии развития экономики в отрасли мощностей достаточно для
удовлетворения спроса на горизонте до 2025-2030 гг., при этом еще лет десять строить
новые заводы не надо.
В последние годы в российской цементной промышленности начали
формироваться элементы четвертой промышленной революции, которая
характеризуется развитием кибернетических систем и их применением. Она
осуществляется на основе глубокого внедрения технологии Интернета и
высокопроизводительной электроники в различных технологических процессах, среде
обитания человека, экологии и др. Среди ее средств - формирование и обработка
больших массивов данных, создание цифровых двойников, искусственный интеллект,
интеллект вещей и др. «Умная» система сама должна автоматически разрабатывать
новые технологии, настраивать оптимальные режимы работы производственных линий,
выпускать в нужных объемах продукцию с заданными потребительскими свойствами.
Таким образом, основные тренды развития цементной промышленности
Российской Федерации сегодня и в ближайшем будущем включают в себя также
цифровизацию, наряду с переходом на энергосберегающие технологии,
использованием альтернативного топлива и снижением негативного воздействия на
окружающую среду.
Определять развитие отрасли в ближайшее время будут динамика потребления
цемента и неразрывно связанная с ней динамика изменения цен.
Стоимость цемента на рынке и прибыльность цементного бизнеса будут больше
зависеть от консолидации рынка и рационального поведения крупнейших игроков, чем
от динамики спроса. Рынок все еще находится в критической зоне 50 процентов
использования мощности с одной стороны и высокой концентрации производства с
другой.
Приближение к максимальным значениям потребления цемента в Российской
Федерации
1989 года в средне- и долгосрочной перспективе возможно при
одновременном влиянии следующих факторов:
- рост мировых цен на топливно-энергетические товары;
- рост или, в худшем случае, сохранение достигнутых объемов жилищного
строительства;
- существенный рост промышленного и инфраструктурного строительства;
- сохранение текущего уровня цементоемкости строительства;
- сохранение текущей, то есть низкой доли использования минеральных добавок
при производстве бетона и других строительных материалов на основе цемента.
С одной стороны, строительство новых цементных производств, которое началось
в середине нулевых годов, может рассматриваться как позитивная динамика
24
инновационного развития. С другой стороны, это стало одной из причин кризиса
перепроизводства цемента и обострения конкуренции.
Для решения финансовых проблем производителей цемента необходимы
консолидация отрасли и существенный рост потребления.
В цементной отрасли назрело множество проблем. Ряд из них носят общий
характер для всех игроков рынка: падение спроса со стороны строителей гражданско-
жилых объектов (70-80 % потребления цемента в стране формируется застройщиками
жилья), ежегодный рост тарифов естественных монополий, за которыми не поспевает
цементный рынок, недоступность банковского кредитования, проблемы с контрафактной
продукцией, недостаточно тщательная защита прав производителей цементной
продукции, а также отсутствие драйверов отрасли в виде реализации крупных
инфраструктурных проектов с применением цемента.
Огромной проблемой для отрасли по-прежнему остается наличие старых заводов,
требующих модернизации в соответствии с экологическими стандартами, а также
требованиями к качеству продукции. По мнению большинства участников рынка,
драйвером отрасли могут стать инфраструктурное строительство с применением
продукции цементных предприятий, внедрение инновационных технологий, дешевые
кредиты, а также государственные программы по сносу аварийного жилья в регионах
(для стимулирования жилищного строительства). Назрела необходимость изменений в
части нормативной базы и внедрения новых технологий.
Сохранение текущего состояния производственных фондов предприятий отрасли
приведет к усилению негативного воздействия на экологию и повышению финансовой
нагрузки, связанной с ужесточением законодательства в области охраны окружающей
среды. Таким образом, модернизация производственных мощностей и решение вопроса
экологической безопасности являются приоритетами промышленной политики России.
Одна из главных задач экологической политики на среднесрочный период -
применение принципа нормирования допустимого воздействия на окружающую среду на
основе показателей наилучших доступных технологий.
Целью внедрения механизма НДТ, помимо снижения уровня промышленного
загрязнения, будет являться ускоренное технологическое развитие цементной отрасли.
Заводы, обязанные принимать меры, направленные на снижение отрицательного
воздействия на окружающую среду в целях сохранения себестоимости на конкурентном
уровне, будут вынуждены сконцентрировать усилия на модернизации и повышении
эффективности технологий, а также на оптимизации производственных издержек.
Внедрение механизма НДТ также избавит от необходимости установления единых для
всех предприятий регламентов, которые могут не учитывать особенности процессов
производства, применяемого сырья и т. п.
Проблем в цементной отрасли назрело немало. Так, рост цен на цементную
продукцию не поспевает за тарифами естественных монополий - разница может
доходить до 1 200 рублей за 1 т цемента.
В среднесрочной и долгосрочной перспективах положительными факторами для
отрасли станут реновация жилого фонда, реализация проектов комплексного освоения
территорий, увеличение доли строительства цементобетонных дорог, использование
минеральных вяжущих для укрепления грунтов и 3D-печать.
В целях повышения эффективности работы цементных предприятий необходимо
решить следующие проблемы:
25
На макроуровне:
- увеличение вклада предприятий по производству стройматериалов в ВВП;
- модернизация предприятий промышленности строительных материалов с
целью выпуска конкурентоспособной продукции;
- ослабление до минимума зависимости страны от импорта строительных
материалов и расширение экспорта высокотехнологичной продукции;
- увеличение налоговых поступлений в консолидированный бюджет Российской
Федерации;
- снижение до минимума потребления природных ресурсов: сырья, топлива,
минеральных добавок;
- повышение доли замещения природного топлива альтернативным;
- повышение
доли
замещения
природного
сырья
техногенным
(альтернативным);
- улучшение экологии за счет вовлечения в оборот вторичных сырьевых
ресурсов (что должно стать общегосударственной задачей), использование
экологически чистого оборудования и технологий;
- восстановление отраслевой науки;
- восстановление машиностроительной базы цементной промышленности;
- снижение доли энергозатратных производств;
- создание дополнительных рабочих мест в строительном и смежном секторах
экономики;
- низкий уровень автоматизации технологических процессов предприятий,
введение в эксплуатацию в 1990 году.
На микроуровне:
- обеспечение потребности региональных рынков в строительных материалах по
объемам, ассортименту и качеству;
- формирование эффективных рыночно-ориентированных бизнес-структур
нового поколения;
- повышение инновационной активности и уровня обновления основных фондов
предприятий строительных материалов;
- повышение производительности труда;
- повышение спроса на квалифицированные научно-технические кадры;
- инициация выхода в высшие органы власти с предложениями по повышению
эффективности функционирования строительной отрасли.
Необходимость рационального использования и экономии топливно-
энергетических ресурсов указывает на то, что назрела объективная необходимость
коренной реконструкции отечественной цементной промышленности на основе ввода
производственных фондов с использованием энергосберегающих технологий и вывода
из эксплуатации морально и физически изношенного оборудования.
Внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий предполагается
осуществлять по следующим основным направлениям:
- реконструкция действующих предприятий, как правило, за счет строительства
новых технологических линий сухого способа производства;
- прямая реконструкция мощных печей мокрого способа с переводом их на
последующих этапах обновления промышленности при условиях экономической
целесообразности;
26
- строительство новых предприятий в остро нуждающихся регионах при наличии
сырья, пригодного для сухого способа производства (в исключительных случаях при
крайней необходимости в новом заводе и при наличии влажного сырья применять
мокрый способ производства);
- реконструкция действующих технологических линий мокрого способа с
увеличением выпуска продукции и внедрением энергосберегающих мероприятий с
одновременным выводом из эксплуатации устаревших обветшавших производств с
повышенным расходом топливно-энергетических ресурсов, в первую очередь шахтными
и вращающимися печами длиной до 100 м;
- широкое развитие производства тонкомолотых и смешанных цементов со
строительством новых помольных агрегатов замкнутого цикла и оснащение
действующих мельниц сепараторами и устройствами для предварительного
(раздельного) измельчения (помола) материалов;
- реконструкция, модернизация и замена обеспыливающих и водосточных
устройств с целью достижения санитарных норм;
- своевременное развитие сырьевых баз предприятий;
- широкое использование отходов других отраслей промышленности.
Серьезное внимание должно уделяться повышению качества цемента.
Современные технические средства позволяют обеспечить заданную стабильность
химического и фазового состава сырьевой шихты, клинкера, стабильность ведения
технологических процессов, что обеспечит выпуск цемента заданных состава и
строительно-технических свойств.
В 2016 году Правительством Российской Федерации утверждена «Стратегия
развития промышленности строительных материалов на период до
2020 года и
дальнейшую перспективу до 2030 года» [37],
Целями Стратегии являются:
- формирование высокотехнологичной, конкурентоспособной, устойчивой и
сбалансированной (в части спроса и предложения) промышленности строительных
материалов инновационного типа, обеспечивающей внутренний и внешний рынки
качественной, доступной и энергоэффективной продукцией;
- снижение зависимости отрасли от зарубежных технологий, оборудования и
сырьевых компонентов;
- обеспечение занятости населения и повышение уровня жизни граждан.
Реализация перечисленных в Стратегии мер, таких, как повышение финансовой
доступности ресурсов для инновационных проектов, восстановление отраслевой науки
и обеспечение ее устойчивой связи с производством путем организации деятельности
отраслевых НИИ, а также применение инструментов налогового стимулирования
инвестиционной деятельности предприятий, позволит провести реконструкцию и
создать материалоемкую и энергоэффективную отечественную цементную
промышленность.
27
Раздел 2 Основные технологические процессы, используемые 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 известняка и глины или некоторых других
материалов (мергеля, нефелинового шлама, доменного шлака и др.), обеспечивающих
образование в клинкере силикатов кальция
(70-80 %) и алюминатной и
алюмоферритной фаз (20-30 %).
При этом протекают следующие физико-химические процессы:
450
900
СаО +
1200
Al2O3 + nSiO2 + Fe2O3
2CaO∙SiO2 + 3CaO∙2 +4CaO∙Al2O3 +4CaO∙Al2O3∙Fe2O3
13001450
3CaO∙SiO2 + 2CaO∙SiO2 + 3CaO∙Al2O3 + 4CaO∙Al2O3∙Fe2O3 = C3S + C2S + C3A
+ C4AF.
Основные стадии производства портландцемента представлены на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 - Стадии производства портландцемента.
Общая схема технологического процесса получения цемента по [38]
При этом некоторые технологические процессы могут совмещаться в одном
агрегате или, напротив, одинаковые процессы 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.), для организации
28
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
В цементной промышленности используют три способа производства, в основе
которых лежат различные технологические приемы подготовки сырьевого материала:
а) мокрый, когда сырьевые компоненты измельчают совместно с водой с
получением суспензии влажностью W~ 40 %, называемой шламом, из которого воду в
последующем удаляют испарением;
б) сухой, при котором влажные компоненты подвергают сушке и измельчению с
получением сырьевой смеси W~1 %;
в) комбинированный способ подразделяют на два варианта:
1) полумокрый3, когда шлам, полученный по мокрому способу, обезвоживают с
применением пресс-фильтров с получением кека W~20 %;
2) полусухой, при котором сухую сырьевую муку увлажняют до W~13 % и
гранулируют или брикетируют.
Все способы производства включают в себя следующие общие процессы:
- сырьевые материалы - хранение и подготовку;
- топливо - хранение и подготовку;
- использование отходов/материалов из отходов в качестве сырьевых
материалов и (или) топлива, определение их качества, контроль и подготовку;
- печную систему, систему сжигания топлива и установки для снижения вредных
выбросов;
- продукты - хранение и подготовку;
- упаковку и отгрузку.
Процесс производства белого цемента аналогичен процессу производства серого
портландцемента. Процесс производства включает отбор сырьевых материалов, их
хранение и подготовку, хранение и подготовку топлива, обжиг клинкера в печи, его
охлаждение с отбеливанием и помол со строгим контролем на всех стадиях
производства во избежание загрязнений и нежелательных изменений продукта.
Совмещение процессов охлаждения и отбеливания необходимо для повышения
белизны этого специального вида цемента и для придания ему однородной окраски.
Соответствующие технологические схемы, реализованные в России,
представлены на рисунках 2.2-2.8, а сравнительные эксплуатационные показатели - в
таблицах 2.1-2.2 [39].
Учитывая, что последняя стадия технологического процесса - измельчение
клинкера и добавок с получением цемента - не зависит от способа производства,
преимущества и недостатки отдельных способов представлены только до завершения
процесса производства клинкера.
3 Так именуют этот способ в зарубежной практике; в России его обозначают как полусухой, а так
как вышеприведенный полусухой способ в настоящее время практически не применяют, то в
дальнейшем полумокрый способ будет именоваться «комбинированным способом».
29
2.1.1 Технологическая схема мокрого способа производства цемента
Рисунок 2.2 - Традиционная технологическая схема мокрого способа производства клинкера
при применении твердых и мягких сырьевых компонентов
Традиционная технологическая схема мокрого способа производства цемента
широко распространена в России.
Преимущества:
- упрощенные технологическая схема и оборудование;
- получение качественной и стабильной сырьевой смеси (шлама).
Недостатки:
- высокий расход топлива и огнеупоров;
- повышенный выброс в атмосферу парникового газа (CO2), паров воды (H2O) и
NOX;
- низкая единичная мощность печи;
- практически отсутствие системы автоматизации процесса обжига;
- пониженная производительность труда.
В России более 60 % цемента производится на заводах мокрого способа с
ориентировочными показателями вращающихся печей, приведенными в таблице 2.1.
30
Таблица 2.1 - Основные проектные показатели печей мокрого способа производства
Производительность, т/сутки
Показатели
Размерность
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
Удельный расход
кг у.т./т∙кл.*
190-230
топлива
* кг у.т./т кл. - кг условного топлива на тонну клинкера.
В настоящее время на многих цементных заводах, например, на ЗАО
«Белгородский цемент», АО «Себряковцемент» и других, печи пониженной
производительности с рекуператорными холодильниками выводят из эксплуатации.
Поэтому в дальнейшем мокрый способ будет рассмотрен на примере печей 5×185 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 не строят заводы по традиционной схеме
мокрого способа даже при влажности сырья 25-32 %.
2.1.2 Технологическая схема полусухого способа производства цемента
Полусухой способ с печью «Леполь». Приготовление сырьевой смеси - по сухому
способу, увлажнение с получением гранул, сушка и частичная декарбонизация - на
конвейерном кальцинаторе, обжиг клинкера - по сухому способу.
Преимущество:
- пониженный расход топлива;
Недостатки:
- конструктивная сложность оборудования;
- повышенная требовательность к гранулируемости сырья.
31
Рисунок 2.3 - Технологическая схема полусухого способа производства клинкера
с печью Леполь
В связи с появлением печей с циклонными теплообменниками печи «Леполь»
утратили свое преимущество, и в настоящее время их практически не эксплуатируют.
Поэтому в дальнейшем этот способ не рассматривается.
В России такие две печи сохранились на Липецком цементном заводе.
2.1.3 Технологическая схема сухого способа производства цемента
с циклонными теплообменниками
Сухой способ производства. Приготовление сырьевой смеси и обжиг клинкера -
по сухому способу.
Преимущества:
- низкий удельный расход топлива и сырьевых материалов;
- пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO2), паров воды (H2O) и
NOX.
Недостатки:
- некоторое затруднение приготовления сырьевой смеси стабильного состава
- некоторое снижение качества клинкера;
- усложненная технологическая схема.
Такие печи в настоящее время эксплуатируются на АО «Спасскцемент», АО
«Липецкцемент» и ЗАО «Катавский цемент».
32
Рисунок 2.4 - Технологическая схема сухого способа производства клинкера с вращающейся
печью и циклонными теплообменниками
2.1.4 Технологическая схема комбинированного способа
Помол шлама производят по мокрому способу, частичное обезвоживание -
фильтрацией, обжиг клинкера - по сухому способу.
Преимущества:
- пониженный расход топлива, огнеупоров и сырьевых материалов;
- пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO2), паров воды (H2O) и
NOX;
- при переводе процесса с мокрого на комбинированный сохраняется стадия
помола шлама, что снижает капитальные затраты на реконструкцию;
- получение качественной и стабильной сырьевой смеси, обеспечивающей
повышенное качество клинкера;
- высокая степень автоматизации технологических процессов.
33
Рисунок 2.5 - Технологическая схема комбинированного способа приготовления клинкера
Недостатки:
- наличие дополнительного оборудования;
- необходимость дополнительной операции по фильтрации шлама.
Такие технологические линии реализованы на АО «Себряковцемент» и ПАО
«Мордовцемент», ООО «Холсим (Рус)» (г. Вольск).
2.1.5 Технологическая схема сухого способа без традиционного сырьевого
цеха
Такая схема может быть применена только для сырья мягкой породы без твердых
включений. Сушка сырьевой смеси и обжиг клинкера производят без предварительного
помола компонентов, т. е. практически реализована технологическая линия без
традиционного сырьевого цеха.
Преимущества:
- пониженный расход топлива, огнеупоров и сырьевых материалов;
- повышенная единичная мощность агрегатов;
- пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO2) и паров воды (H2O) ;
- отсутствие традиционного сырьевого цеха;
- высокая степень автоматизации технологических процессов.
Недостатки:
- сложность приготовления гомогенной сырьевой смеси стабильного состава;
- отсутствие склада запаса сырьевой смеси.
34
Рисунок 2.6 - Технологическая схема сухого способа без традиционного сырьевого
цеха при применении мягких компонентов без твердых включений
В России такие технологические линии реализованы на Воронежском филиале АО
«Евроцемент груп», на АО «Себряковцемент» и на ООО «Азия Цемент» в Пензенской
области.
Подобную схему применяют и при мокром способе на заводе Рагби в Англии при
влажности шлама 36-38 %. Это позволяет повысить производительность печи и снизить
расход тепла по сравнению с традиционным мокрым способом на ~10 %.
2.1.6 Технологическая схема сухого способа производства для сырья
высокой влажности
Рисунок 2.7 - Технологическая схема сухого способа при применении материалов
высокой влажности
35
Приготовление сырьевой смеси и обжиг клинкера - по сухому способу.
Преимущества:
- низкий удельный расход топлива, огнеупоров и сырьевых материалов;
- высокая единичная производительность печи до 6000 т/сутки;
- пониженный выброс в атмосферу парникового газа (CO2), паров воды (H2O) и
NOX;
- высокая степень автоматизации технологических процессов;
- возможность выработки электроэнергии с применением газотурбинной
установки и утилизации газов после нее с температурой ~ 450 оС для сушки сырья;
- высокая производительность труда.
Недостатки:
- некоторое снижение качества клинкера;
- усложненная технологическая схема.
Такая технологическая схема реализована для мягких сырьевых компонентов на
ПАО «Мордовцемент» и для твердых - на Первомайском цементном заводе, ОАО
«Верхнебаканский цементный завод» Краснодарского края, ООО «Холсим (Рус) СМ» (г.
Коломна) и ОП ООО «Холсим (Рус) СМ» (п. Ферзиково).
2.1.7 Технологическая схема сухого способа производства для сырья низкой
влажности
Такая схема рациональна для твердых компонентов низкой влажности.
Особенность данной схемы заключается в применении для измельчения сырья пресс-
валкового измельчителя, который обеспечивает минимальный расход электроэнергии
при помоле сырья.
Рисунок 2.8 - Технологическая схема сухого способа при применении материалов
низкой влажности
В России такой способ реализован на заводе ЮУГПК в Новотроицке, который в
качестве сырьевых компонентов применяет в основном техногенные отходы
металлургического производства.
36
Ниже приводятся ориентировочные показатели работы печей различных
способов производства цемента (таблица 2.2).
Таблица 2.2 - Основные показатели различных способов производства цемента
Способ производства
№
Параметры
Размерность
Комбиниро-
п/п
мокрый
сухой
ванный
Максимальная мощность
1
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∙кл.*
215
140
120
5
Расход электроэнергии:
6
- мягкое влажное сырье
кВт∙ч/т∙цем.
90
105
115
- твердое сырье низкой
7
кВт∙ч/т∙цем.
120
-
110
влажности
Расход сырья, топлива и
8
т/т∙ кл.
5,0
3,5
3,1
воздуха
Расход огнеупоров в зоне
9
кг/т∙ кл.
1,0
0,5
0,3
спекания
10
Выход отходящих газов
т/т∙ кл.
4,0
2,5
2,1
11
Выход СО2
кг/т∙ кл.
850
710
710
NOX в факеле при газовом
12
мг/нм3
1000
2000
2500
топливе
13
мг/нм3
1000
500
500
NOX в отходящих газах
14
кг/т∙ кл.
3,5
1,1
0,9
15
Качество клинкера
%
100
105
90
16
Технология
-
простая
сложная
сложная
17
Управление процессом
-
сложное
простое
простое
18
Степень автоматизации
-
низкая
высокая
высокая
* кг у.т./т кл. - кг условного топлива на тонну клинкера.
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.
37
После первичного дробления сырьевые материалы транспортируются на
цементный завод для хранения и дальнейшей переработки. Другие сырьевые
материалы, такие как боксит, железная руда, доменный шлак или литейный
(формовочный) песок, привозятся из других регионов или других предприятий.
Сырьевые материалы должны иметь химический состав, который бы обеспечивал
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 (CaO, Al2O3, Fe2O3, SiO2), сырьевые материалы
содержат «второстепенные» компоненты в количестве 1-5 % (MgO, SO3, P2O5) и
примеси, концентрация которых 0,05-1,0 % (таблица 2.4).
Карбонатный компонент оценивается по содержанию СаСО3, которое должно
быть не менее 76 %. В известняках и мелах СаСО3 содержится от 95 до 100 %; в
мергелистых известняках - 90-95 %; в известняковых мергелях - 75-90 %; в мергелях -
40-75 %.
Мергель, содержащий СаСО3 ≈ 76 %, является мергелем-натуралом, и при
добавлении к нему Fe2O3 создастся высокореакционная сырьевая смесь. Такая
сырьевая смесь снижает температуру спекания клинкера на 50-100 оС, обеспечивает
высокое качество клинкера, экономию топлива, огнеупоров и снижение выбросов в
атмосферу отходящих из печи парниковых газов СО2 и NOX.
Качество алюмосиликатного компонента оценивается по трем показателям:
- отношению SiO2/Al2O3;
- наличию крупнокристаллического кварца (фракции более 80 мкм);
- наличию примесей.
Оптимальное отношение SiO2/Al2O3 = 3,5-3,8. Если отношение SiO2/Al2O3 > 4, то
для приготовления оптимального состава в сырьевую смесь необходимо вводить
алюмосодержащую добавку, а при отношении SiO2/Al2O3<3 - кремнеземсодержащую.
Оценка алюмосиликатного компонента по кварцу и примесям будет представлена в
соответствующих разделах.
Железосодержащая добавка оценивается по отношению Fe2O3/SiO2 и Fe2O3/Al2O3,
которые должны быть не менее 0,4 и 2,0, соответственно.
38
Таблица 2.3 - Химический состав компонентов, % масс.
Материалы
ППП
SiO2
Al2O3
Fe2O3
СаО
MgO
SiO2 / Al2O3
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
35-42
5-20
2,5
8 Шлак ОЭМК4.
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) ЮУГПК5
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.ЗШО6 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
2.6-4
1.5
2,6
19. ЗШО ТЭС Мосэнерго
20-24
57-58
21-22
9.5
4.5
2.5
2,6
4 Оскольский электрометаллургический комбинат.
5 Южноуральская горноперерабатывающая компания.
6 ЗШО - золошлаковые отходы.
Таблица 2.4 - Содержание примесей в компонентах в пересчете на оксиды, % масс.
Компоненты
К2О
Na2O
SO3
Cl¯
TiO2
P2O5
Cr2O3
MnO
BaO
SrO
ZrO2
V2O5
ZnO
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
Глины представлены кварцем, глинистыми минералами
- каолинитом,
монтмориллонитом,
галлуазитом,
бейделитом.
Присутствуют
(≈
3 %)
щелочесодержащие минералы - иллит, микроклин и альбит. Важным показателем
качества глины является содержание в ней крупнокристаллического кварца, так как при
превышении определенной величины необходима повышенная температура спекания
клинкера, из-за чего повышаются расход топлива, объем отходящих из печи газов,
включая СО2, SОX, NOX и, как следствие, выброс вредных веществ в атмосферу.
Поэтому необходимо минимизировать содержание крупнокристаллического кварца в
сырьевой смеси. Для ЗАО «Осколцемент» это ограничение равно 1,5 %, для АО
«Себряковцемент» - 4 %.
Доменный шлак представляет собой стекло. Закристаллизованный доменный
шлак имеет мелилитовый состав и содержит немного -СаО·SiO2 и MgO.
Мартеновский шлак в основном содержит FeO, Fe3O4, Fe2O3 и FeO·SiO2.
Присутствуют также -SiO2, MgO, монтичеллит CaO∙MgO∙SiO2 и диопсид CaO∙MgO∙2SiO2.
Шлак ОЭМК содержит 2CaO∙SiO2∙H2O (A), MgO,
-C2S, 7CaO∙MgO∙4SiO2,
5CaO∙MgO∙3SiO2, FeO и Fe2O3.
Шлаки мартеновские и ОЭМК могут быть применены как железосодержащая
добавка.
Так как шлаки содержат значительное количество СаО, то при их применении
снижается содержание СаСО3 в сырье, следовательно, затраты тепла на
декарбонизацию и тепловой эффект клинкерообразования, что значительно снижает
выброс в атмосферу продуктов горения и СО2 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 Ачинском и
Пикалевском цементных заводах.
Отходы различных отраслей промышленности могут частично заменять
природные сырьевые материалы. Относительно использования отходов/материалов из
отходов в качестве сырьевых материалов см. раздел 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 (0,5-1.5 %).
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 SiO2/Al2O3
=
3,5-3,8, ограничено содержание крупнокристаллического
кварца, создаются благоприятные предпосылки для выпуска высококачественного
цемента, высокой стойкости футеровки, следовательно, для экономии огнеупоров и
41
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, К, Na, Cl, Cr, негативно влияют на технологию обжига и качество клинкера
[40-42].
Содержание ангидрида серной кислоты SO3 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
1100-1300 ºС временно образуют силикосульфат кальция 2C2S·СaSO4, при
разложении которого образуется алит пониженной активности. При концентрации О2
более 3-4 % сера, окисляясь до SO3, в значительной степени остается в клинкере,
снижая его качество. При пониженной концентрации О2 <1,5 % в зоне горения
повышается содержание более легколетучего SO2, что снижает SO3 в клинкере,
повышает его качество, но повышается выброс оксидов серы в атмосферу и,
следовательно, ухудшается состояние окружающей среды. Кроме того, SO3 является
одной из основных причин образования настылей в теплообменниках и колец в печи.
Наличие повышенного количества SO3 в клинкере может снижать прочность цемента в
результате заведомого снижения необходимого количества вводимого гипса при
помоле, т. к. SO3 клинкера одновременно титруется на колонке при определении
количества гипса в цементе.
Щелочи (K2О и Na2O) 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
оказывают при значительном их содержании и на обжиг клинкера, изменяя
последовательность
процесса
минералообразования,
значительно
ускоряя
образование белита, изменяя
свойства клинкерного
расплава, замедляют
алитообразование. Летучесть хлора в высокотемпературных зонах печи, по данным
фирмы KHD, составляет 99 %, K2О - 50 %, и Na2O -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,
42
образования выцветов на цементных изделиях и появления трещин в бетонах. Для
выпуска высокопрочных цементов необходимо ограничить в сырьевой смеси
содержание R2O не более 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» содержание хлора в сырьевой смеси можно повысить до 0,1 % без
байпасирования части отходящих газов при условии содержания SO3 менее 0,6 и суммы
щелочных оксидов менее 0,2 %.
Оксид магния MgO может поступать в сырьевую смесь с известняком или с глиной
в виде примеси в них доломита СаСО3·MgСO3 или магнезита MgСO3. В интервале
температур 600-750 ºС в процессе разложения магнезита (доломита) выделяется MgO,
который частично растворяется в клинкерном расплаве, незначительно снижая его
вязкость, частично в алите, белите и в минералах плавнях. В основном MgO 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 MgO в сырьевой смеси ограничивается
не более 3 %.
MgO в сырьевую смесь может поступать и с доменным шлаком, используемым в
качестве сырьевого компонента. Однако оксид магния MgO в шлаке находится в
основном в различных шлаковых минералах: диопсид CaO·MgO·2SiO2, акерманит
2CaO·2MgO·SiO2, мервинит 3CaO·MgO·2SiO2, монтичеллит CaO·MgO·SiO2), стекле и
лишь менее 1 % в виде периклаза MgO. 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 MgO из стекла или из шлаковых минералов
происходит в процессе твердофазовых реакций при 1200-1350 ºС, и вследствие более
позднего появления MgO рекристаллизуется в меньшей степени и не успевает
значительно увеличиться в размерах.
Оксиды марганца обнаруживаются в глинах и мергелях в виде родохрозита
MnСO3 или в доменных шлаках в виде алабандина MnS, радонита MnO·SiO2 и тефроита
MnO2·SiO2, 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 50-100 ºС ниже обычной
температуры. В процессе обжига понижается вязкость расплава и улучшается
кристаллизация алита.
Введение в сырьевую смесь 0,5-1,0 % Mn2O3 способствует увеличению количества
жидкой фазы и образованию призматических кристаллов алита размером 10-40 мкм.
Одновременно увеличивается в клинкере содержание алита и алюмоферритной фазы и
уменьшается количество С3А и C2S. Присутствие оксида марганца повышает
гидратационную активность цемента в 28 суточном возрасте.
43
Фосфорный ангидрид P2O5 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 P2O5 в клинкере замедляется процесс
твердения цементного камня.
Диоксид титана TiO2 всегда содержится в глинах и мергелях в количестве 0,01-
0,5 %, входя в состав чаще в виде минералов рутила TiO2, ильменита FeO·TiO2,
перовскита CаО·TiO2, и затем попадает в клинкер. Наличие диоксида титана в
небольших количествах оказывается полезным, так как он содействует лучшей
кристаллизации клинкерных минералов. В клинкере TiO2 на 80-90 % концентрируется в
алюмоферритной фазе, через которую и оказывает влияние на фазовые соотношения в
клинкерной системе. Обычно содержание TiO2 в сырьевой смеси должно составлять не
более 0,3 %.
Оксид стронция SrO в природных условиях чаще всего встречается в виде
минералов целестина SrSO4 и стронцианита SrСO3 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 SrO 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 Cr2O3. Европейским парламентом и Евросоюзом в 2003 году принята Директива
2003/53/ЕС об ограничении применения цемента с содержанием шестивалентного
хрома Сr (VI) более 2 мг/кг, поскольку 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 Cr2O3 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 % Cr2O3 обеспечивается
повышение гидратационной активности цемента. Но при содержании свыше 0,3 %
оксида хрома снижается прочность цемента. Для снижения содержания Cr (VI) при
помоле цемента применяются дехроматоры.
2.2.4 Транспортировка сырья с карьера
Для транспортировки сырья применяют железнодорожный транспорт,
автотранспорт, воздушно-канатные дороги, конвейерный и гидротранспорт. При
расстоянии карьера от завода в 1-8 км применяют ленточные транспортеры, которые
являются наиболее экономичным видом транспорта. Такой вид транспорта в последние
годы реализован на Воронежском филиале АО «Евроцемент груп» и ПАО
44
«Мордовцемент». При применении подвесных дорог, 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 применяются в настоящее время в России на заводах АО
«Себряковцемент», ООО «Азия Цемент», Воронежском филиале АО «Евроцемент груп»
и др. (рисунок 2.9)
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.
45
Рисунок 2.9 - Роторы валковых дробилок для крупного, среднего и мелкого дробления
Мельницы самоизмельчения (рисунок 2.10) 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», АО
«Спасскцемент», СЛК Цемент (ф-л «Сухоложскцемент») 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.
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.
Рисунок 2.10 - Мельницы самоизмельчения мокрого и сухого способов производства
Комбинированные двухроторные дробилки ударного действия (рисунок 2.11)
получили широкое распространение за рубежом для первичного измельчения твердых
пород. В России двухроторные дробилки в настоящее время не используются.
46
Рисунок 2.11 - Комбинированные двухроторные ударно- и валково-отражательные
дробилки
Преимущества:
- высокая кратность измельчения до 70;
- 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 фирмы Германии. 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 сухом способе, как правило, применяют крытые усреднительные склады со
штабелеукладчиками и штабелеразборщиками. Первичное усреднение сырьевой смеси
производят путем послойной укладки материала различного состава и последующей
47
вертикальной разборки и смешения слоев, в результате чего обеспечивается двух-
трехкратное усреднение материала. Такие склады реализованы на ряде заводов России
различными зарубежными фирмами (рисунок 2.12). Прямоугольные склады работают на
заводах ПАО «Мордовцемент», АО «Пикалевская сода», ООО «АККЕРМАНН ЦЕМЕНТ»,
Воронежском филиале АО «Евроцемент груп» и др., круглый - на СЛК Цемент (ф-л
«Сухоложскцемент»).
Рисунок 2.12 - Усреднительный склад сырьевых компонентов фирмы
Первичное усреднение компонентов при сухом способе производят
преимущественно в специальных складах путем послойной укладки материала
неоднородного состава в штабели. Разборку штабеля производят разборщиком
вертикально поперек слоев, в результате чего обеспечивают двух-трехкратное
усреднение материала.
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
48
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
способам.
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 %. Это
обусловливало снижение удельного расхода тепла на 293 кДж/кг или на 10 кг у.т./т
клинкера. Подобные разжижители применяют на ЗАО «Осколцемент», ПАО
«Мордовцемент», ЗАО «Белгородский цемент» и других цементных заводах.
Разжижители, как правило, являются и интенсификаторами помола, обеспечивающими
повышение производительности мельницы и снижение удельного расхода
электроэнергии на ~ 10 %.
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 2.13. 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.
49
Рисунок 2.13 - 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 на Воронежском филиале АО «Евроцемент
груп», АО «Себряковцемент» мощностью 6000 т/сутки и на заводе ООО «Азия Цемент»
для сырья с влажностью до 25 %.
2.3.2.2 Рациональная схема помола сырья «тандем» с трудноразмалываемыми
включениями
В тех случаях, когда в сырьевой смеси имеются включения различной
размалываемости, целесообразно применять совмещенную схему «тандем» (рисунок
2.14).
50
Рисунок 2.14 - 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 на цементном заводе АО «Пикалевская сода» в
Башкирии.
2.3.2.3 Распространенная схема помола любого сырья
В последние годы наибольшее распространение для помола сырья получили
вертикальные тарельчато-валковые мельницы (ВТВМ) [43]. Мельница представляет
собой вращающийся размольный стол, по которому обкатываются помольные валки,
прижимаемые валки, прижимающие гидравлической системой (рисунок
2.15).
Сушильный агент подают под размольный стол, и он поступает на сушку через зазор
между корпусом и размольным столом.
51
Рисунок 2.15 - Схема помола сырья с вертикальной тарельчато-валковой мельницей
Преимущества:
- возможность измельчения материала различной размалываемости и влажности
с исходным размером до 300-500 мм;
- компактность (сепаратор встроен в мельницу);
- пониженный расход электроэнергии только на помол сырья 5-7 кВт∙ч/т;
- 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 Первомайском цементном
заводе в Краснодарском крае.
2.3.2.4 Рациональная схема помола трудноразмалываемого сырья пониженной
влажности
Наиболее экономичной схемой для помола и сушки твердого сырья низкой
влажности является схема с пресс-валковым измельчителем (ПВИ) (рисунок 2.16).
52
Особенность работы системы заключается в двухступенчатой классификации
измельчаемого материала и транспортировке крупной фракции элеватором.
Преимущества:
-
низкий расход электроэнергии - 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.
Рисунок 2.16 - Схема помола и сушки твердого сырья низкой влажности с ПВИ
Такая схема реализована фирмой на Новотроицком заводе, вследствие чего на
этом заводе удельный расход электроэнергии составляет менее 100 кВт∙ч/т цемента.
53
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. Порционная и полупоточная схемы корректирования с
применением вертикальных и горизонтальных бассейнов приведены на рисунках 2.17. и
2.18.
После пневмоперемешивания шлама в вертикальных бассейнах определяется
его химический состав на рентгеновском спектрометре и в соответствии с расчетом
перекачивается соответствующее количество в бассейны готового шлама
-
вертикальный или горизонтальный - емкостью 5000-8000 м3.
54
Рисунок 2.17 - Порционный и полупоточный способы корректирования шлама
Рисунок 2.18 - Вертикальный и горизонтальный шламбассейны
Преимущество:
˗ обеспечение высокой стабильности химического состава шлама.
Недостатки:
˗ необходимость значительного времени на приготовление шлама;
˗ необходимость большого количества емкостей;
55
- при каждой смене бассейна наблюдается некоторое резкое изменение режима
работы печей, что требует соответствующую корректировку эксплуатационных
показателей.
Для лучшего перемешивания шлама его следует разливать по «зеркалу» бассейна,
для чего над бассейном устанавливается распределительный желоб, вращающийся
вместе с крановой мешалкой.
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
являются оперативный анализ химического состава сырьевой смеси, точное измерение
и дозирование количества материала и шлама в непрерывном режиме.
Для получения оперативного и достоверного анализа шлама необходимы
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 (рисунок 2.19). Дискретный анализ усредненной пробы по
примеру АО «Осколцемент» можно организовать путем отбора из потока шлама каждые
две-три минуты порцию около 15-20 л, чтобы за час набрать 0,5 м3 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 2.19 - Поточная схема приготовления шлама:
АТ - автотранспорт, ДМ - дозатор массовый, ММС - мельница мокрого самоизмельчения,
ПО - пробоотборник, ПГНА - поточный гамма-нейтронный анализатор, ИР - индукционный
расходомер шлама, МШ - мельница шаровая, ЗР - задвижка регулируемая
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
56
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 два способа корректирования сырьевой
смеси: полупоточную и поточную схему. Полупоточная схема с двухъярусными
силосами распространена на старых заводах, например, на Спасском и Невьянском
заводах. 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 производятся 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 2.20, которые свидетельствуют, что наибольшее, 10-15-кратное
усреднение, обеспечивают силосы новейшей конструкции.
Рисунок 2.20 - Степень усреднения сырья на различных технологических переделах
Силос состоит из наружного железобетонного цилиндрического корпуса,
распределительной многопоточной системы загрузки, внутреннего конуса, системы
аэрации днища и усреднения сырьевой муки, разгрузочных аэрожелобов и бункера
(рисунок 2.21). 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.
57
Усреднение смеси производится в силосе и под смесительным конусом. Процесс
усреднения включает в себя три этапа (см. рисунок 2.21).
Первый 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.
Рисунок 2.21 - Смесительный силос и этапы смешения
Второй 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.
третий 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 на нескольких заводах России: АО
«Пикалевская сода», ООО «АККЕРМАНН ЦЕМЕНТ» и др.
58
Поточный способ корректирования сырьевой смеси до сушки и помола влажных
кусковых компонентов реализован на Воронежском филиале АО «Евроцемент груп» и
АО «Себряковцемент» (рисунок 2.22).
Рисунок 2.22 - Поточная схема корректирования сырьевой смеси до сушки и помола,
реализованная на Воронежском филиале АО «Евроцемент груп»
На заводе ООО «Азия Цемент» в Пензенской области реализован полупоточный
способ корректирования (рисунок 2.23).
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 (рисунок 2.24).
Такая схема реализована и успешно реализована на АО «Себряковцемент».
59
Рисунок 2.23 - Коррекционные и усредненные силосы сырьевой смеси
на заводе ООО «Азия Цемент»
Рисунок 2.24 - 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 ископаемое топливо. Кроме того,
могут использоваться альтернативные виды топлива. Более подробно об этом в разделе
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 CO2 + SO2 = RO2max при отсутствии избытка воздуха.
60
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 (таблица 2.5).
Таблица 2.5 - Параметры, характеризующие состав твердого топлива
Элементарный состав твердого топлива
Углерод
Водород
Кислород
Азот
Сера орг.
Сера кол.
Зола
Влага
С
Н
О
N
Sорг
Sколч
A
W
Рабочая масса - индекс С р
Сухая масса - индекс С с
Горючая масса - индекс С г
Органическая масса - индекс С о
В 50-е и 60-е гг. в России преимущественно применяли угольное топливо. В
последующем, вплоть до конца прошлого века, практически все заводы перешли на
газообразное топливо. В зарубежной цементной промышленности практически
применяют только уголь. В настоящее время по данным [44] наблюдается тенденция к
возврату к угольному топливу и в России.
Каменный уголь - характеристика горючей массы:
а) состав:
1) углерод - 75-90 %;
2) водород - 4-6 %;
3) кислород - 2-15 %;
4) сера - 0,5-0,7 %;
5) летучие - 10-50 %;
6) зольность - 13-22 % (сухой массы);
7) влажность - 5-15 % (природной рабочей массы);
8) RO2max7 - 18,0-19,3 %;
б) теплота сгорания Qг - 31-35 МДж/кг8;
в) жаропроизводительность tmax - 2200 °С;
г) теоретический расход воздуха на 1 кг у.т. - 7,63 нм3;
д) выход продуктов горения на 1 кг у.т. - 7,92 нм3;
е) нижний концентрационный предел воспламенения угольной пыли - 114 г/м3,
ж) температура воспламенения - 969 °С.
7 RO2max = CO2+SО2 в сухих продуктах сгорания при теоретическом расходе воздуха на горение.
8 В системе СИ тепловой единицей является Дж. Однако на практике широкое распространение
имеет «кал» и «кг у.т.» - кг условного топлива. Соотношение между ними: 1 кг у.т. = 7000 ккал = 29,31
МДж; 1 ккал = 4,19 кДж.
61
2.5.1.2 Жидкое топливо
В качестве жидкого топлива для вращающихся печей применяют в основном
топочный мазут марок 40 и 100.
а) состав:
1) углерод - 86,1-86,3 %;
2) водород - 9,6-10,7 %;
3) сера - 0,5-3,5 %;
4) влажность - 0-2 %;
5) RO2max = 15,9-16,2 %;
б) теплота сгорания Qг = 38,3-40,3 МДж/кг;
в) жаропроизводительность tmax = 2240 °С;
с) теоретический расход воздуха на 1 кг у.т. - 7,63 нм3;
д) выход продуктов горения на 1 кг у.т. - 8,17 нм3.
е) температура застывания: М 40 < +10 ºС, М 100 < +25 ºС;
ж) температура вспышки: М 40 > 90 ºС, М 100 > 110 ºС.
В последние годы из-за высокой стоимости мазут практически не применяют в
цементной промышленности России, поэтому способы его подготовки и сжигания в
цементной печи не будут рассматриваться.
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:
1) CH4.- 81,7-98,7 %;
2) CnHm - 1,2-9,5 %;
3) CO2 - 0,1-0,4 %;
4) N2 - 0,5-8,5 %;
5) RO2max - 11,6-12,0 %;
б) теплота сгорания:
1) Qнр .- 36-38 МДж/нм3;
2) Qст - 33-36 МДж/ст.м3 9;
в) жаропроизводительность tmax - 2040 оС;
г) теоретический расход воздуха на 1 кг у.т. - 7,77 нм3;
д) выход продуктов горения на 1кг у.т. - 8,68 нм3.
2.5.2 Складирование и безопасное хранение угля
Площадки для складирования угля должны быть спланированы так, чтобы
исключить их затопление паводковыми или грунтовыми водами.
9 ст.м3 (стандартный м3) - объем газа при давлении 760 мм рт. ст. и 20 ºС, применяют при
коммерческих расчетах в РФ (1 ст.м3=0,932 нм3; 1 нм3=1,073 ст.м3).
62
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 CO2.
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 установлены взрывной клапан для отвода взрывной волны и
факела в случае взрыва, фильтр очистки воздуха, уровнемеры и термометр. Унос из
фильтра составляет не более 10 мг/нм3.
В России для хранения угля применяются крытые (АО «Ангарскцемент», ООО
«Красноярский цемент» и другие заводы) и открытый (АО «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 - Qнр ≥ 21 МДж/кг.
- зольность - Aф ≤ 30 %10;
- влажность - Wф ~ 1-2 %;
- остаток на сите №02 - R02~1,5-2,0 %;
№008 - R008~10-15 %11;
10 При использовании сланцев зольность топлива может достигать и 50 %. При этом сырьевая
шихта корректируется с поправкой на присадку золы.
11 Тонкость помола угольной шихты зависит от содержания в ней летучих.
63
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 (рисунок
2.25);
- разъединенная схема, когда применяется индивидуальная независимая от печи
сушильно-помольная система (рисунок 2.26);
- система прямого вдувания угольного порошка из быстродействующей мельницы
в печь (рисунок 2.27).
Особенность работы каждой схемы приведены ниже.
Объединенная с печью система (рисунок 2.25):
Преимущество:
- отсутствие выброса угольной пыли и газов в атмосферу, следовательно, схема
более экологична.
Рисунок 2.25 - Объединенная с печью система подготовки угля
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 (рисунок 2.26) 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.
Рисунок 2.26 - Разъединенная с печью система подготовки угля
64
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/материалы из отходов.
Недостаток:
- необходимо дополнительное оборудование для очистки газов и транспорта
угольного порошка в печь.
Система прямого вдувания (рисунок 2.27) угольного порошка из мельницы в печь
имеет предельно малое количество оборудования. Такая схема особенно эффективна
при сушке угля невысокой влажности.
Рисунок 2.27 - Система прямого вдувания угольного порошка в печь12
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 2.28 представлена 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
12 Синим цветом на рисунках 2.26 и 2.27 показано вновь устанавливаемое оборудование.
65
каретки, запорной и регулирующей расход газа и воздуха арматуры и контрольно-
измерительных приборов.
Рисунок 2.28 - Система подачи газообразного топлива в печь:
1 - подвижный внутренний блок горелки, 2 - задвижка аксиального воздуха, 3 - задвижка
завихряемого воздуха, 4 - задвижка охлаждающего воздуха, 5 - манометр на канале
аксиального воздуха, 6 - гофрированная часть трубопровода, 7 - привод для перемещения
внутреннего блока труб с газовой горелкой, 8 - внешняя труба газового канала, 9 - внутренняя
труба для подачи альтернативного топлива или установки мазутной форсунки, 10 - манометр
для определения давления газа в горелке, 11 - подвижная каретка, 12 - вентилятор для
аварийного охлаждения горелки, 13 - задвижка на трубе аварийного воздуха, 14 - патрубок с
шибером и расходомером воздуха, 15 - вентилятор первичного воздуха, 16 - направляющие
рельсы, 17 - вращающаяся печь
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, применяют соответствующие горелки отечественного и зарубежного
производства (рисунки 2.29-2.31).
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.
66
Рисунок 2.29 - Наиболее распространенные газовые горелки ГИД и ДВГ,
применяемые в России
Рисунок 2.30 - Многоканальная горелка 1 для сжигания смеси угля и мазута:
1 - вторичный воздух ~93 %; 2 - охлаждающий воздух ~1 %; 3 - аксиальный воздух ~1,6 %;
4 - транспортирующий воздух для угольной пыли ~2 %; 5 - завихряющий воздух ~2,4 %;
6 - мазутная горелка; 7 - запальная горелка
67
Рисунок 2.31 - Устройство и принцип работы многоканальной горелки 2
Наиболее эффективны газовая инжекционная диффузионная (ГИД) и
диффузионная вихревая горелки (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, при замене горелок Унитерм на
горелки ДВГ может быть снижен расход топлива на 10 % и электроэнергии на 4 кВт∙ч/ т
клинкера.
За рубежом преимущественно применяют угольные форсунки. В Россию
поставляют многоканальные форсунки для сжигания угля, кокса, мазута и природного
газа и их смесей, а также альтернативного топлива. Ниже представлены
многоканальные форсунки, эксплуатируемые на ряде российских цементных заводов.
Данные форсунки (рисунки 2.30 и 2.31) требуют не более 7 % первичного воздуха,
обеспечивают снижение объема отходящих газов и расхода топлива.
Горелка 2 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.
Все горелки имеют широкий диапазон регулирования процесса горения топлива и
длины факела.
68
Преимущества горелок ГИД и ДВГ:
- 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.
Горелка 3 (см. рисунок 2.32) предназначена для сжигания твердого, газообразного
топлива, а также альтернативных видов топлива.
Рисунок 2.32 - Многоканальная горелка 3
Особенностью конструкции горелки 3 является наличие системы гибких шлангов,
встроенных в канал первичного воздуха, для настройки формы факела путем
регулирования степени закрутки всего потока первичного воздуха (см. рисунок 2.33).
69
Рисунок 2.33 - Система гибких шлангов подачи первичного воздуха, обеспечивающих
различную длину и форму факела
Горелка
3 обеспечивает сжигание топлива при минимальном количестве
первичного воздуха - 5-8 %, а также снижение концентрации NOx вследствие развитой
зоны рециркуляции внутри пламени и быстрого воспламенения топлива перед соплом
горелки.
Данная горелка используется на ОАО «Цесла». В качестве основного вида
топлива используется уголь, в качестве альтернативного могут использоваться остатки
сортировки ТКО/RDF13.
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
4 (см. рисунок
2.34) позволяет сжигать нефтяной
кокс/уголь, остатки сортировки ТКО, отходы ГСМ, природный газ для разогрева и
частично - в качестве резервного топлива.
Рисунок 2.34 - Многоканальная горелка 4
13 RDF (refuse-derived fuel) - топливо, полученное из отходов. Топливо, полученное путем
измельчения и дальнейшей обработки твердых бытовых и промышленных отходов в
соответствии с технологией утилизации отходов (ГОСТ Р 54258-2010 «Ресурсосбережение.
Обращение с отходами и производство энергии. Стандартный метод определения качества
топлива, полученного из отходов, на основе испытания объединенной выборки образцов»).
70
Преимущества горелки 4:
- возможность одновременного использования различных видов природного и
альтернативного топлива (твердого, жидкого и газообразного);
- низкое выделение NOx 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 5 (см. рисунок 2.35) 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.
Рисунок 2.35 - Многоканальная горелка 5:
1 - завихритесь; 2 - канал ввода мазутной форсунки; 3 - канал завихряемого потока газа;
4 - канал аксиального истечения газа; 5 - канал охлаждающего воздуха; 6 - жаростойкая
изоляция; 7 - мембрана; 8 - узел регулирования щели аксиального канала; 9 - узел
регулирования положения завихрителя
Особенностью конструкции горелок
5 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 %.
Горелки
5 используют два технических решения для уменьшения NOx:
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 NOx составляет от 105 до 115 мг/нм3.
71
При слабой внешней рециркуляции дымовых газов уровень NOx становится 54-79
мг/нм3, что намного ниже гарантируемой величины.
Данные горелки эксплуатируются на ПАО «Мордовцемент» и ООО
«Сенгилеевский цементный завод».
2.7 Утилизация отходов и использование материалов из отходов
2.7.1 Общие аспекты
Согласно Федеральному закону от 24 июня 1998 года. № 89-ФЗ «Об отходах
производства и потребления» [45], отходы - это вещества или предметы, которые
образованы в процессе производства, выполнения работ, оказания услуг или в процессе
потребления, которые удаляются, предназначены для удаления или подлежат
удалению. При производстве цемента не образуется технологических отходов.
Наоборот, отходы многих производств могут использоваться в качестве сырьевых
материалов и/или альтернативного топлива при производстве портландцементного
клинкера и цемента.
В производстве цементного клинкера уровень потребления традиционных видов
ископаемого топлива остается на высоком уровне. Цементная промышленность в
Европейском союзе использует более
40 % альтернативных видов ископаемого,
смешанного топлива и топлива из биомассы в связи со значительной теплоемкостью
производства серого клинкера (таблица 2.6) [46].
Таблица
2.6 - Показатели эффективности по удельным выбросам СО2 на тонну серого
клинкера в сравнении с углеродоемкостью топливной смеси и соотношение альтернативных
видов топлива в различных регионах за 2016 год по [47]
Показатель
СНГ
ЕС 28
Германия
Валовые выбросы CO2, за исключением CO2,
образующегося при производстве электроэнергии на
15,0
13,0
18,0
месте, кг CO2/т серого клинкера
Углеродоемкость топливной смеси, г CO2 / МДж
9,0
8,0
10,0
Потребление
альтернативных
ископаемых
и
смешанных видов топлива, производство серого
30,6
27,0
34,2
клинкера, доля тепловой энергии
Потребление топлива из биомассы, производство
20,4
27,2
31,5
серого клинкера, доля тепловой энергии
Под альтернативным видом топлива понимают любые материалы или вещества,
которые могут быть использованы в качестве топлива, отличного от ископаемого
топлива, такого как, нефть, уголь и природный газ и др.
Использование альтернативных видов топлива (АТ) наравне с современными
печами и оптимизированными технологическими процессами способствует снижению
удельного коэффициента выбросов СО2. Из таблицы 2.6 видно, что низкий уровень
использования отходов/материалов из отходов в качестве альтернативного топлива
72
сопровождается высокой углеродоемкостью топливной смеси и, следовательно,
приводит к высоким удельным выбросам CO2 (на тонну серого клинкера).
Углеродоемкость СНГ (79,6 г СО2 / МДж) включает относительно высокую долю
горючего природного газа, имеющего низкий коэффициент выбросов. Использование
только угля привело бы к гораздо более высоким выбросам CO2.
Локальные факторы ограничивают потенциал рынка гораздо больше, чем
техническая и экономическая целесообразность самой цементной промышленности.
Совместная переработка отходов и использование материалов из отходов в цементных
печах помогает решить три основные проблемы, с которыми в настоящее время
сталкивается ЕС:
1. Борьба с изменением климата - использование AТ является одним из основных
подходов к снижению емкости CO2 в производстве цемента. По данным Международного
энергетического агентства (МЭА), AТ может способствовать сокращению выбросов СО2
на 0,9 млрд т во всем мире до 2050 года [48].
2. Повышение качества управления отходами - количество отправляемых для
захоронения отходов может быть уменьшено путем их утилизации и использования
материалов из отходов в качестве альтернативного топлива с высокоэффективным
использованием их энергетического содержания. В этом смысле данный подход
непосредственно вписывается в иерархию управления отходами ЕС в соответствии с
Рамочной Директивой ЕС по отходам.
3. Движение в направлении безотходной экономики - потоки отходов из других
областей экономики используются в цементной промышленности, тем самым
способствуя реализации принципов безотходной экономики. Кроме того, совместная
переработка позволяет частично заменить отдельные природные материалы,
используемые в производстве цемента.
Дальнейшие экологические и прочие возможности/задачи, связанные с
использованием АТ:
- сохранение ископаемых ресурсов;
- возможность получения альтернативных видов топлива из отходов достаточно
высокого качества;
- изучение вопроса о внесении примесей и/или загрязнителей в технологический
процесс (например, хлора, ртути и др.);
- качество клинкера;
- мониторинг выбросов отходящих газов;
- очистка отработавших газов.
При соблюдении структурных и технических требований совместная переработка
в цементных печах может способствовать развитию устойчивой и ориентированной на
будущее безотходной экономики с уменьшением выбросов CO2. Наряду с поэтапным
сокращением масштабов захоронения отходов горючие отходы, непригодные для
использования в процессе совместной переработки, по-прежнему требуют сжигания на
специальных установках по сжиганию отходов и на электростанциях, работающих на
отходах.
В 2016 году европейская цементная промышленность покрыла около 42 %
потребности в тепловой энергии за счет использования АТ (совместно с чистым
73
топливом из биомассы) (см. таблицу 2.6). На некоторых заводах этот показатель даже
превысил 90 % (с учетом чистых видов топлива из биомассы).
Объемы совместной переработки отходов значительно варьируются в отдельных
странах - членах ЕС и определяются совместным воздействием нескольких факторов
(в частности, наличием высококачественных потоков отходов, пригодных для цементной
промышленности). Текущие объемы совместной переработки отходов наряду с
ожидаемыми объемами в среднесрочной и долгосрочной перспективах показаны ниже
(рисунок 2.36).
Совет ЕС в мае 2018 года утвердил новые правила по переработке отходов,
направленные на постепенное избавление от вывоза отходов на свалки и применение
таких экономических инструментов, как «режимы расширенной ответственности
производителей». Поставлены цели довести переработку муниципальных отходов до
55 % к 2025 году, до 60 % к 2030 году и до 65 % к 2035 году.
Рисунок 2.36 - Текущие (2014 г.) и ожидаемые объемы совместной переработки в разных
европейских странах [49]
В Еврокомиссии оценивают утвержденные новые меры как «самое современное
в мире законодательство по отходам». А определение совместной переработки отходов
на цементных заводах является одним из лучших проверенных методов повышения
энергоэффективности переработки отходов в энергию [49].
В Российской Федерации на момент актуализации ИТС 6-2015 по данным самих
цементных предприятий альтернативное топливо использовалось только на четырех
цементных заводах: Филиал ООО «ХайдельбергЦемент Рус» в пос. Новогуровский,
Филиал ООО «ХайдельбергЦемент Рус» в г. Стерлитамаке, ОП ООО «Холсим (Рус) СМ»
(п. Ферзиково) и ООО «Холсим (Рус) СМ» (г. Коломна). Однако, согласно отраслевой
программе Минпромторга России «Применение альтернативного топлива из отходов в
промышленном производстве на 2022-2030 годы», в разработке которой принимал
участие Российский экологический оператор (РЭО),
33 цементных предприятия
выразили готовность принять участие в реализации пилотных проектов применения
альтернативного топлива из отходов в своих производственных процессах.
Целью отраслевой программы является формирование комплекса мероприятий,
направленных на развитие системы производства и потребления альтернативного
топлива из отходов. Программа предусматривает внесение изменений в нормативные
74
правовые акты, нормативно-технические документы и справочники, введение мер
налогового и иного стимулирования производства альтернативного топлива из отходов
и его применения в цементной и металлургической отраслях.
Ежегодно в России образуется около 54 млн тонн твердых коммунальных отходов
(ТКО), из которых порядка 20 % могут быть использованы в качестве RDF-топлива.
Использование остатков сортировки ТКО в качестве возобновляемого источника энергии
(вторичных энергетических ресурсов) рассматривается как элемент комплексной
системы обращения с отходами, способный снизить экологический ущерб, связанный с
традиционным захоронением мусора. Использование RDF-топлива для цементных
заводов является альтернативой мусоросжигательным заводам.
Различные типы отходов/материалов из отходов могут заменять природные
сырьевые материалы и ископаемое топливо в производстве цемента и будут
способствовать, с одной стороны, сохранению природных источников и, с другой
стороны, снижению материало- и энергозатрат [50-54]. Наиболее важные показатели
процесса для утилизации отходов и использования материалов из отходов могут быть
обобщены следующим образом:
- максимальные температуры приблизительно
2000 оС (основная горелка,
температура пламени) во вращающихся печах;
- время пребывания газов при температуре около 1200 оС во вращающейся
печах не менее 8 с.;
- температура материала около 1450 оС 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 оС ; в декарбонизаторе время пребывания газов ещё больше и
температура выше;
- постоянная температура
850 оС 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 HF, HCl, SO2 на щелочных
реагентах;
- высокая емкость связывания тяжелых металлов;
- короткое время пребывания отходящих газов в температурном интервале,
способствующем синтезу полихлорированных дибензодиоксинов и фуранов;
- полная переработка топливной золы в составе клинкера и, следовательно,
безотходное использование материала в качестве сырьевого компонента и
дополнительная экономия энергии;
- химико-минералогическое связывание тяжелых металлов в клинкерную
матрицу;
- введенные отходы/материалы из отходов полностью связываются в минералы
портландцементного клинкера;
- при повышении концентрации нежелательных элементов байпасная пыль
удаляется из системы.
75
Поскольку в качестве сырьевых материалов и/или топлива могут применяться
различные типы отходов/материалов из отходов, то перед тем как принять решение 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/материалов из 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/материалов из отходов будет принят
к использованию на конкретном заводе, не может быть однотипным.
Рассмотрение и принятие решения должны быть основаны на процессе
производства клинкера, режимах обжига, составе сырьевых материалов и топлива,
способах подачи отходов/материалов из отходов в производство, используемой
технологии очистки отходящих газов, данных по проблемам менеджмента отходов.
Как правило, для отходов/материалов из отходов, принятых в качестве
альтернативного топлива и/или альтернативных сырьевых материалов для цементной
печи, необходимо учитывать их калорийность и количество минеральной части. Кроме
того, должны учитываться объемы и категории отходов/материалов из отходов, а также
их физический и химический составы, характеристики и загрязняющие примеси.
Альтернативное топливо, используемое цементной промышленностью, является
частью, специально отобранной из отходов, которые обычно предварительно
перерабатываются,
например,
дробятся,
перемешиваются,
измельчаются,
гомогенизируются и приводятся в материал соответствующего качества. Подготовка
отходов, как правило, выполняется на специальных предприятиях/площадках по
предварительной обработке.
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 альтернативного топлива.
При выборе соответствующего места подачи должны учитываться следующие
аспекты:
- химический состав АТ (соответствующее содержание органических
соединений и металлов; идентификация как опасных отходов/материалов из отходов в
соответствующих случаях);
- качество топлива (особенно состав золы, но также, например,
гранулометрический состав, форма частиц (двух- или трехмерные), теплотворная
способность);
- температура и время выдержки в точке использования (газовая фаза);
- существующие или предусмотренные системы дозирования и горелки (здесь
также следует учитывать специфическое распределение частиц АТ по размеру);
- существующие установки для очистки отходящих газов (например, установки
селективного каталитического восстановления (SCR - Selective Catalytic Reduction) или
регенеративного термического окисления RTO);
- прочие технические граничные условия в точке подачи (например, наличие
перепуска).
76
AТ может добавляться через декарбонизатор (при наличии), через вход печи (по
стояку) и на основную горелку в головке печи (таблица 2.7). Выбор точки подачи в
значительной степени определяется химическими и физическими свойствами
альтернативного горючего материала.
Таблица 2.7 - Характеристика различных точек подачи альтернативных видов топлива [55]
Декарбонизатор
Вход печи
Главная горелка
Свойства топлива
для
увлекаемых
для неувлекаемых
для материалов, не
воздухом
воздухом
требующих
материалов
материалов
измельчения и
(например,
с
пригодных
для
высоким
использования
с
содержанием
вентиляционными
влаги)
трубами горелок
Подача
точка
подачи
в
по течке с двойным
через каналы (для
декарбонизаторе
затвором
АТ) главной горелки,
(горелка,
(например,
при
пневмолинию или при
вентиляционная
подаче
помощи
вспомога-
труба и т. д.)
отработанных шин)
тельной горелки в
головке печи
Топливо,
как правило,
пригодно
пригодно
содержащее
непригодно
при
наличии
токсичные
достаточной
органические
температуры и
галогенсодержащие
времени выдержки
соединения
Диапазон
850-900 °C
1000-1200 °C
до 2000 °C
температур
(с локально более
(газовая фаза)
высокими темпера-
турами на некоторых
модификациях
декарбонизаторов)
Время
выдержки
3-4 сек (более
приблизительно
> 2 с
(газ)
продолжительное
1-2 с. (с учетом
(6-8 с > 1200 °C)
время пребывания на
геометрической
некоторых
формы подъемной
модификациях
шахты и входа печи)
декарбонизаторов)
Преимущества
- избыток
- избыток
- избыток
кислорода;
кислорода,
кислорода;
- высокое качество
- высокие
- продолжительное
смешивания
при
температуры
время;
подаче
основного
- выдержки при
материала
высоких
температурах
77
Окончание таблицы 2.7
Декарбонизатор
Вход печи
Главная горелка
Дополнительные
- необходимость
- влияние
- воздействие на
учитываемые
- наличия
потока
байпасных
пламя;
факторы
воздуха
- установок
- теплопередача в
- достаточной
зоне спекания
увлекающей силы
Мониторинг
- образование
- образование
- равномерное
процессов
нагара;
нагара;
включение золы в
- внутренние циклы
- концентрация О2
состав клинкера
материалов
на входе печи;
- равномерное
включение золы в
состав клинкера
Примеры
- мелкие фракции
- отработанные
- отработанные
пригодных
(<25 мм) топлива из
шины,
масла и
для использования
отходов (RDF) /
обезвоженный
растворители;
альтернативных
твердого
шлам сточных вод
- мелкие фракции
видов
- регенерированного
(<25 мм) топлива из
топлива
топлива (SRF);
отходов (RDF) /
- крупная фракция
твердого
(> 25 мм) RDF / SRF;
- регенерированного
- осадки сточных
топлива (SRF)
вод
- высушенный шлам
сточных вод
Материалы с высоким содержанием токсичных органических соединений должны
вводиться непосредственно в горячую зону для обеспечения соответствующих
температур и времени выдержки для полного разрушения органических компонентов.
При наличии неопределенностей в отношении профиля температуры и времени
выдержки должны быть проведены соответствующие предварительные измерения.
Соблюдение требуемых минимальных температур
(850 или
1100 °C) должно
проверяться с помощью соответствующего измерительного оборудования
непрерывного контроля, чтобы в случае падения температуры ниже минимально
допустимого значения (например, из-за эксплуатационных помех) подача топлива могла
быть прекращена автоматически в максимально короткий срок.
При этом для различных видов альтернативного топлива существуют
преимущественные точки подачи (таблица 2.8).
78
Таблица 2.8 - Применимость альтернативных видов топлива в зависимости от их категорий
Категория АТ
Характеристики АТ
Примеры АТ
Очень крупные
Не переносятся печными газами
Цельные шины, рукавные
фракции
(горят на входе в печь)
фильтры,
упаковочный
3D > 50mm
материал
2D > 200mm
Крупные фракции
Может
легко
переноситься
Измельченные
шины,
3D < 50mm
печными
газами (подходит для
пластик, текстиль, SRF
2D < 200mm
подачи на главную горелку (ГГ) и
декарбонизатор).
Возможна
пневматическая подача
Измельченные
Перекачивается
поршневым
RDF,
древесная
пыль,
фракции
насосом. Распыляется
сжатым
костная
мука,
рисовая
3D < 5mm
воздухом или шламовым насосом
шелуха, лузга семян
2D < 50mm
(на ГГ и декарбонизатор)
Шламы
Перекачивается
поршневым
Нефтяные шламы, отходы
насосом. Распыляется сжатым
ЛКМ
воздухом или шламовым насосом
(ГГ и декарбонизатор).
Жидкости
Может
распыляться
сжатым
Отработанные
масла,
воздухом (твердые частицы в
сольвенты, эмульсии
жидкости <2-4 мм) на ГГ
При этом количество замещения традиционного топлива альтернативным TSR
(Thermal Substitution Rate) зависит от свойств материала, консистенции, точности
дозирования и размера декарбонизатора (рисунок 2.37).
Рисунок 2.37 - Ограничение по количеству подачи альтернативного топлива через
главную горелку и декарбонизатор в зависимости от его крупности. TSR (Thermal
Substitution Rate) - процент замещения традиционного топлива альтернативным
При подаче в главную горелку слишком мелких частиц АТ они могут покрывать
клинкер, ухудшая качество клинкера и способствуя образованию наростов. При подаче
79
же кусковых твердых частиц они осыпаются, плохо смешиваются с кислородом O2,
медленно сгорают. Это приводит к накоплению материала и низкому потенциалу TSR.
Если подавать мелкие твердые частицы АТ в декарбонизатор, то для их сгорания
требуется увеличенное время пребывания в нем (не менее 5 с). При пребывании в
декарбонизаторе меньшее время происходит потеря тепла. Напротив, крупные твердые
частицы перемещаются в потоке газа со скоростью 35-45 м/с, что обеспечивает
хорошее перемешивание.
В зависимости от установленной системы печи, вида топлива и планируемых
точек подачи возможны различные технические решения. Самый простой способ
совместной переработки АТ заключается в подаче отработанных шин через входное
отверстие печи. Простейшее техническое решение заключается в установке цепного
конвейера с крюками, который будет загружаться вручную персоналом завода. Более
сложное устройство подачи, оборудованное пешеходными настилами, представлено на
рисунке 2.38.
Рисунок 2.38 - Устройство загрузки отработавших шин
Дополнительно установленные счетчик учета или дозирующий питатель могут
обеспечить возможность управления весовым расходом и высокое качество
дозирования подаваемого топлива. Таким образом, может быть достигнут коэффициент
замещения от 10 до 20 % общего необходимого объема тепловой мощности.
Дальнейший переход на АТ на этапе основного сжигания требует установки
современной многоканальной горелки (см. рисунки 2.35, 2.39), которая позволяет,
помимо угля, сжигать газообразные, твердые и жидкие виды топлива (например,
отработанные масла и растворители). В случае необходимости может быть установлена
вспомогательная горелка.
80
а)
б)
Рисунок 2.39 - Современные многоканальные горелки для сжигания комбинации масел,
растворителей, газа, угля и твердого АТ (а ), а также угля, твердого АТ,
жидких видов топлива и растворителей (б)
Переносимое воздухом топливо может подаваться на горелку по трубе и
дозирующему устройству со станции разгрузки самосвалов или полуприцепов с
подвижным полом (рисунок 2.40) при условии наличия соответствующей горелки. Такое
решение подходит для сжигания альтернативного топлива, муки животного
происхождения и прочих твердых видов топлива с соответствующими характеристиками
текучести.
Рисунок 2.40 - Прием самосвалов или полуприцепов с подвижным полом
Жидкое альтернативное топливо в виде отработанного масла или растворителей
обычно требует установки отдельного резервуара с мешалкой (рисунки 2.41, 2.42)
внутри объединенного коллектора утечек во избежание попадания масел и
растворителей в грунтовые воды.
Схемы подачи АТ на главную горелку и декарбонизатор показаны на рисунке 2.43.
81
Рисунок 2.41 - Резервуар с мешалкой
Рисунок 2.42 - Схема использования жидких материалов в качестве альтернативного
топлива на цементном заводе
Если печь оборудована декарбонизатором с третичным воздуховодом, то камера
предварительного сгорания позволяет сжигать AТ в декарбонизаторе. На рисунке 2.44
показана камера предварительного сгорания, установленная в третичном воздуховоде.
Эта технология позволяет воспламенять и сжигать альтернативное топливо или
подобные виды топлива при температуре до 1200 °C.
При этом стены печи должны быть защищены завесой из сырьевой муки. Газы
сгорания подаются в декарбонизатор, где они полностью окисляются. Одна из самых
последних разработок представляет собой камеру поэтапного сжигания (рисунок 2.45),
которая позволяет сжигать крупногабаритные отходы/материалы из отходов благодаря
длительному времени удерживания и уменьшает влияние колебаний топлива.
Топливо подается в камеру сгорания через шнек-дозатор. Так как сжигание
топлива происходит поэтапно (дальнейшая транспортировка топлива производится
воздушными пушками), топливо сгорает в течение 15 мин в камере сгорания, прежде
чем остатки сгорания достигают декарбонизатора.
Отходы/материалы из отходов, используемые в качестве сырьевых материалов
(далее - альтернативные сырьевые материалы), чаще всего подаются в печь в том же
месте, где производится подача обычных сырьевых материалов, например, по месту
подачи сырьевой смеси.
82
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/материалов из отходов. Относительно других точек подачи топлива
можно отметить, что в этих случаях температура и время пребывания зависят от
конструкции печи и ее эксплуатации.
а)
б)
Рисунок 2. 43 - Схемы подачи АТ на главную горелку (а) и декарбонизатор (б)
Альтернативное топливо, которое подается через главную горелку, будет
разлагаться в первичной зоне горения при высокой температуре, достигающей 2000 оС.
АТ, подаваемое во вторичную горелку, подогреватель или декарбонизатор, будет
сжигаться при низкой температуре, которая не всегда достаточна для разложения
хлорсодержащих органических веществ (в высоких концентрациях). Летучие
83
компоненты в материале, который подается в холодный конец печи или отдельный
участок печи, могут улетучиваться.
Рисунок 2.44 - Камера предварительного сгорания, установленная
в третичном воздуховоде
Рисунок 2.45 - Пример использования камеры поэтапного сжигания в качестве камеры
предварительного сгорания [46]
Эти компоненты не проходят через первичную зону горения и не могут быть
разложены или связаны в цементный клинкер. Поэтому использование
отходов/материалов из отходов, содержащих летучие металлы (ртуть, таллий) или
летучие органические компоненты, может приводить к увеличению выбросов указанных
соединений, когда используются неправильные точки ввода АТ. Чтобы избежать
84
увеличения выбросов, такие компоненты, содержащие летучие при низкой температуре
компоненты (например, углеводороды), должны подаваться в высокотемпературную
зону печи.
Для подачи АТ в печь разработаны специальные камеры сгорания (рисунки 2.46,
2.47).
Рисунок 2.46 - Камера сгорания HOTDISC
Камера сгорания HOTDISC представляет собой объемную, подвижную подовую
печь, совмещенную с теплообменником и декарбонизатором, предназначенную для
сжигания альтернативных видов топлива и замены от 20 до 80 % (в среднем около 50 %)
топлива, подаваемого в декарбонизатор (рисунок 2.46). Камера сгорания позволяет
сжигать разнообразные твердые отходы размером до 1,2 м, начиная от шлама и гранул
и заканчивая цельными автомобильными покрышками. Это избавляет от необходимости
дорогостоящей процедуры измельчения разнородных отходов/материалов из отходов и
делает производство более экологически чистым.
Камера сгорания встраивается в систему печи, в которой декарбонизатор
расположен непосредственно над загрузочным отсеком (рисунок 2.46 - 1).
Камера сгорания состоит из:
85
- камеры кольцевого типа со слоем огнеупора, стационарным кожухом, крышей и
центральным валом; нижняя часть камеры сгорания выполнена из горизонтального
вращающегося диска (стола) с огнеупорным слоем;
- стенки, на которой устанавливаются компоненты скребка; стенка делит
кольцевую камеру сгорания на отсеки загрузки топливных материалов и выхода зольных
остатков;
- опорно-поворотного кольца, опирающегося на крепление и несущего
вращающийся диск; опорно-поворотное кольцо имеет внутренний ряд зубьев и
приводится в движение двумя двигателями с частотно-регулируемыми приводами.
Скорость вращения стола варьируется от 1 до 22 оборотов в час.
Производительность камеры сгорания составляет 3-30 т/ч.
В камеру сгорания по транспортеру подают твердое АТ через шлюзовой затвор
(рисунок 2.46 - 2). Сюда же подают третичный воздух и часть сырьевой смеси из
предпоследнего циклона циклонного теплообменника.
Альтернативные виды топлива подают на медленно вращающийся стол, где они
начинают сгорать в окислительной среде при взаимодействии с третичным воздухом
(рисунок 2.46 - 3, 4). Время пребывания топлива регулируют с помощью скорости
вращения стола.
Горящее топливо перемещаются на столе примерно на 270° до места установки
скребка, где зольные остатки и частично декарбонизированный материал поступают в
вертикальный газоход печи. Тяжелые остаточные продукты сгорания падают в
загрузочное отверстие печи, более легкие частицы и отходящие газы движутся вверх в
декарбонизатор.
На случай аварийной ситуации для прекращения процесса горения в камере
сгорания предусмотрена подача холодной сырьевой муки из дополнительного бункера
(рисунок 2.46 - 3, 4).
Ступенчатая камера сгорания PREPOL позволяет сжигать низкосортные и
крупнокусковые альтернативные виды топлива (рисунок 2.47).
Применение камеры сгорания не оказывает негативного воздействия на
окружающую среду и на процесс обжига клинкера:
- выбросы CO после теплообменника находятся в пределах 0,08 % ± 0,04 %;
- стабильное содержание SO3 в горячей муке;
- постоянная температура на выходе из декарбонизатора;
- отсутствует образование настылей;
- снижаются выбросы NOх.
86
Рисунок 2.47 - Ступенчатая камера сгорания PREPOL
Информация о воздействии альтернативного топлива на состояние выбросов
представлена в разделе 2.7 настоящего документа.
Контроль параметров и выбросов при использовании АТ в качестве топлива и /или
сырьевых материалов представлен в разделах
4.3.1.1,
4.3.2.1 и
4.5 настоящего
документа.
2.7.2 Утилизация отходов и использование материалов из отходов в
качестве сырья
Химическая пригодность отходов/материалов из отходов как сырьевых
материалов является важным фактором: они должны обеспечивать требуемый 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/материалов из
отходов оксиды, содержащиеся в альтернативных сырьевых материалах, связываются
в процессе обжига в клинкер, как и в случае обжига сырьевых материалов. Они
содержат, как и сырьевые материалы, оксиды кальция (СаО), кремния (SiO2), алюминия
(Al2O3) и железа (Fe2O3).
Многие отходы - белитовый (нефелиновый), доменный шлак, зола - близки по
своему химическому составу к используемым в цементной промышленности природным
компонентам, поэтому одним из рациональных вариантов экономии топлива при обжиге
клинкера является использование техногенных материалов в качестве сырьевых
компонентов.
87
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 2.9 показаны
отходы/материалов из отходов, применяемые как сырьевой материал, распределенные
по различным группам в соответствии с их химическим составом.
Таблица 2.9 - Список отходов, классифицированных по их химическому составу, которые
могут быть использованы в качестве сырьевых материалов в цементных печах (по [56])
Отходы/материалов из отходов, применяемые в качестве
Группа сырьевых материалов
сырьевых материалов
Са - группа
Промышленная известь (отходы известняка)
Известковый шлам
Шлам карбида кальция
Осадок очистки питьевой воды
Si - группа
Формовочный литейный песок
Песок
Fe - группа
Доменный и конверторный шлак
Пиритные огарки
Синтетический гематит
Красные шламы
Al - группа
Промышленные шламы
Si-Al-Ca - группа
Зола-унос
Шлаки
Мелкие отсевы дробления, земля (грунт)
S - группа
Промышленные гипсовые отходы
F - группа
CaF2, шламы после фильтрации
Характеристика отдельных техногенных материалов, применяемых в России, и
эффективность их применения приведены в таблице 2.10.
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, чтобы получить заданный состав клинкера.
88
содержание .. 1 2 ..
//////////////////////////////////////////