УДК 658.567

 

екологічні аспекти Використання альтернативних палив в цементному виробництві

Софія Хруник, Мирослав Саницький, Кшиштоф Рецько

 

Національний університет “Львівська політехніка”

вул. С.Бандери, 12, 79013, м. Львів, Україна

Політехніка Ченстоховська

вул., Домбровського, 69, 42-200, м.Ченстохова, Республіка Польща

 

 

Вступ. Політика сприяння принципам сталого розвитку є на сьогодні основою раціонального і цивілізованого розвитку суспільства. Основний акцент поставлено на збереження природних ресурсів у широкому розумінні слова, а саме: зменшення використання викопного природного палива (нафти, газу, вугілля), використання відновлювальних джерел енергії (сонячної, вітрової, енергії з відходів та ін.), збереження різноманіття дикої природи та охорона довкілля (збереження якості атмосферного повітря, природних вод і ґрунтів)  [1, 2].

Господарська діяльність людини створює одну із найгостріших проблем нашої цивілізації – проблему захисту довкілля від негативного впливу відходів виробництва і споживання. Всупереч зростаючій кількості законодавчих ініціатив щодо охорони довкілля, низька вартість складування, а також недостатній контроль виду і кількості відходів призводять до того, що фірми, у виробничому циклі яких утворюється значна кількість відходів не ведуть пошук шляхів їх утилізації. Постає загроза відсутності вільних територій для складування відходів, з якою вже сьогодні зіштовхнулися більшість областей України. В рамках екологічної та економічної політики Євросоюзу вироблена чітка стратегія поводження з відходами, згідно з якою частина відходів підлягає повній забороні щодо складування, а їх список постійно розширюється. Вже сьогодні в більшості країн ЄС заборонено складувати відходи, калорійність яких перевищує 6 МДж/кг, оскільки їх можна використовувати як сировину для виробництва альтернативного палива і термічно утилізувати. Тому виникає потреба в пошуку методів повторного використання відходів (вилучення цінної сировини, рециркуляція, термічна утилізація тощо).

Висока енергоємність виробництва портландцементного клінкеру, а також постійне зростання цін на викопне паливо призводять до того, що енергетичне використання альтернативних палив з горючих промислових і комунальних відходів стає одним із головних напрямків діяльності цементної промисловості на шляху до підвищення ефективності виробництва. Теплова енергія становить більш як 40% вартості готового портландцементу, електрична – більш як 25%. На виробництво однієї тонни портландцементу затрачається близько 60-130 кг природного палива, а утворюється від 879 до 680 кг вуглекислого газу, зменшення викидів якого вимагають основні положення Кіотського протоколу до Рамкової Конвенції ООН, підписаного Україною  15 березня 1999 р. і ратифікованого 4 лютого 2004 р. Верховною Радою України, міжнародної угоди, яка передбачає стабілізацію викидів СО2 в атмосферу на рівні      1990 р. з поступовим їх зменшення для попередження зміни клімату нашої планети.

Цементна промисловість вже сьогодні працює над вирішенням питань комплексної утилізації відходів та зменшення загрози глобальної зміни клімату шляхом часткової заміни викопного палива альтернативним на основі горючих відходів, а також їх використання як вторинної мінеральної сировини або додатків до цементу.

Постановка проблеми. При спалюванні відходів на окремих сміттєспалювальних установках відбувається забруднення довкілля викидами газів, важких металів та хлоровуглеводнів (у тому числі діоксинами), окрім цього утворюється значна кількість парникових газів. Цементна промисловість є однією з найбільш енергоємних галузей промисловості, а вартість енергії становить значну частку в собівартості продукції. Використання вторинних матеріалів з відходів у цементних печах ЄС вже сьогодні дозволяє економити 2,5 млн. тонн вугілля на рік. До того ж промисловість продемонструвала, що заміна частки використання викопного палива альтернативними видами палива на основі відходів може зробити вагомий внесок у сталий розвиток шляхом зменшення викидів парникових газів, наприклад, вуглекислого газу [3, 4].

Однією з найбільш енергоємних галузей промисловості є цементна промисловість. Виробництво цементу є високотемпературним процесом, спрямованим на термохімічне перетворення мінеральної сировини. 

Збільшення кількості вуглекислого газу з 280 ppm, на початках промислової революції, до 380 ppm сьогодні є головною причиною стрімкого підвищення глобальної температури на 0,5°С за останні сто років. Крім CO2 до сполук, які затримують тепло близько поверхні Землі відносять CH4, N2O, HFC, PFC, SF6. Слід зазначити, що одним з найвагоміших емітентів метану є сміттєзвалища, рекультивація  і закриття яких постає фактором зменшення кількості парникових газів [5].

Аналіз останніх джерел і публікацій. Ефективність використання паливно-енергетичних ресурсів країни характеризується показниками питомих витрати первинної енергії на одиницю валового внутрішнього продукту країни (енергоємність ВВП). Енергоємність ВВП України складає 0,89 кг умовного палива на кожний долар США валового внутрішнього продукту, що у 2,6 рази перевищує середній рівень енергоємності ВВП розвинутих країн світу. Україна має надзвичайно високі показники утворення та накопичення відходів виробництва і споживання порівняно з країнами ЄС. Ще в 1980 році цей показник становив 240 тонн/мешканця, у 1990 – 318 тонн, а в 2003 – вже понад 500 тонн. В країнах ЄС на тисячу доларів ВВП нараховується 32 кг відходів, у Польщі – 124 кг, в Україні – 15 тонн. Особливо стрімко зростає кількість і різноманітність твердих побутових відходів, у складі яких переважну більшість становлять відходи пакування (тара). Щороку накопичується 35 млн. м3 твердих побутових відходів, з яких лише 3% утилізують шляхом промислової переробки, решта – складується у сховищах та на полігонах [2].

У цементних печах найкраще використовувати як альтернативне паливо такі відходи: відпрацьовані шини; тваринне м'ясо, кісткову муку і жир; пластмаси; просочену тирсу; деревину, папір, картон і відходи пакування; осади стічних вод і паперових волокон; сільськогосподарські та органічні відходи; нафтові сланці; вугільні шлами; залишки дистиляції; відпрацьовані мастила і шлами нафтопереробки; відпрацьовані розчинники. Основною задачею цементного заводу є, однак, не спалювання відходів, а виробництво високоякісного цементу. З цієї причини поряд з відходами, які можливо і доцільно спалювати в цементних печах є перелік відходів, використання яких є небажаним: радіоактивні відходи, відходи електроніки, вибухонебезпечні речовини, неорганічні кислоти, азбестовмісні відходи, відходи, що містять велику кількість солей ціаністої кислоти, інфіковані медичні відходи, хімічна і біологічна зброя, призначена для знищення, цілі батареї, невідсортовані комунальні відходи та інші відходи невідомого складу.

Обертова цементна піч є, на сьогодні, однією з найкращих установок для безпечного спалювання та утилізації відходів, в якій можна знешкоджувати навіть найбільш стійкі до розпаду органічні сполуки. Температура процесу спалювання сягає 2000 °С. Спалювання проходить в кисневій атмосфері. Температура випалюваного матеріалу в печі підвищується від 830-850 °С до 1450 °С. Тому при найвищій температурі матеріал перебуває приблизно 20 хв. Час перебування газів при високій температурі (>1100 °С) становить 8-10 с, температура >1600 °С утримується протягом 2-3 с. Теплоємність розігрітої обертової цементної печі є такою високою, що навіть у випадку аварійної зупинки і припинення спалювання палива протягом приблизно півгодини температура поверхні печі і матеріалу не знижується. Присутність важких металів у золі спалювання відходів створює додаткові проблеми сміттєспалювальним заводам. Оскільки зола з палива в цементній печі змішується з випалюваним матеріалом, важкі метали іммобілізуються у структурі клінкерних мінералів і тому процес є безвідходним. Випалюваний матеріал має лужне середовище і зв’язує кислі складники газів, наприклад SO2, що утворюються в процесі горіння, а сполуки, які при цьому виникають, входять у склад клінкеру [2, 3].

При використанні відходів як альтернативного палива важливо контролювати такі параметри як калорійність, вологість, зольність, вміст хлору і важких металів. Співспалювання відходів можна проводити виключно у випадку, коли виконуються не поодинокі, а всі вимоги і критерії (соціально-економічні, охорони довкілля, здоров’я, безпеки та інші).

При сухому способі виробництва портландцементного клінкеру значна кількість вуглекислого газу утворюється в кальцинаторі внаслідок декарбонізації вапняку. Емісія СО2 прямопропорційна вмісту CaO і MgO в портландцементному клінкері (велике значення має тип вапняку, який використовується як сировинний компонент) і залежить від кількості випаленого клінкеру (оскільки значна кількість СО2 виділяється саме у процесі виробництва клінкеру). При мокрому способі виробництва портландцементного клінкеру додатковим джерелом емісії СО2 є спалювання палива для випаровування механічно зв’язаної води в зоні підсушування. Так, при вологості сировинного шламу 40% витрата палива на нагрівання та випаровування води в кількості 0,64 т складає 1662 МДж або 56,5 кг в перерахунку на умовне паливо. При цьому емісія СО2 складає додатково 0,14 т/т цементу [6, 7].

Мета роботи. Основною метою роботи є дослідження раціональності та безпеки використання альтернативного палива на основі промислових і комунальних відходів в цементній промисловості для заміни частки традиційного палива (природного газу) та визначення шляхів зменшення емісії парникових газів, зокрема CO2.

Методи досліджень і матеріали. Згідно даних Cembureau, загальна кількість CO2, яка виділяється у процесі виробництва портландцементу (80% клінкер) становить 0,83 т CO2/т цементу. Емісію парникових газів від стаціонарних джерел обчислюють за допомогою експериментальних методів та математичних розрахунків, використовуючи детальні дані стосовно палива і сировинних матеріалів [6]. З використанням комплексу методів фізико-хімічного аналізу досліджено параметри, що характеризують фізичний стан альтернативного палива на основі промислових і комунальних відходів, паливні властивості, а також хімічний склад золи, одержаної після їх спалювання.

Результати досліджень. За результатами проведених досліджень встановлено, що для портландцементного клінкеру виготовленого на ВАТ “Миколаївцемент” вміст CaO складає 63,23 мас.%, MgO – 1,73 мас.%. На основі цих даних розраховано фактор емісії СО2, який становить приблизно 0,537 т СО2/т виготовленого клінкеру. Визначений фактор емісії СО2 близький до значення аналогічних факторів емісії обчислених відомими світовими цементними організаціями і дещо перевищує їх.

Прикладом зменшення глобальної емісії вуглекислого газу в процесі виробництва цементу може бути заміна частини викопного палива альтернативними паливами на основі відходів, зокрема, зношеними автомобільними шинами, калорійність яких приблизно відповідає калорійності вугілля (26-29 МДж/кг) (табл. 1).

Таблиця 1

Економічна та екологічна характеристики основних видів альтернативного палива

Альтернативне паливо

Замінює вугілля, т/т

Емісія СО2 при спалюванні, т

RDF (на основі комунальних відходів)

0,7

1,36

PSP (на основі осадів стічних вод)

0,6

1,40

МВМ (на основі тваринної муки)

0,6

1,40

SLF (на основі розчинників)

0,9

1,70

RFO (на основі регенерованої оливи)

1,3

2,50

Зношені автомобільні шини

1,0

2,40

 

Проведено дослідження фізико-хімічних властивостей вторинних паливних матеріалів та процесів клінкероутворення в цементних печах при використанні альтернативних палив. Створено та досліджено технічні характеристики альтернативного палива (ТАП-1 і ТАП-2) на основі промислових і комунальних відходів (зношені автомобільні шини, відходи целюлозно-паперового виробництва, пластикові відходи та ін.), фізико-хімічні параметри яких відповідають нормативним значенням щодо калорійності, вмісту сірки, хлору та важких металів (табл. 2).

Таблиця 2

Фізико-хімічні параметри альтернативного палива

Тип палива

Калорійність,

МДж/кг

S

Cl

Pb

Cd

As

Mn

Zn

мас.%

мг/кг

Результати

ТАП-1

21,5

0,18

0,17

3,90

0,05

1,17

6,00

14,00

ТАП-2

27,8

0,13

0,17

3,30

0,06

1,96

7,60

10,00

Вимоги

 

>15

<1

<1

<10

<1,5

<2

<10

<50

 

Використання альтернативного палива в цементній промисловості є особливо корисним, оскільки:

·          в цементній печі відбувається виділення енергії, що міститься в альтернативному паливі, яка повністю використовується для виробництва клінкеру (рис. 1);

·          заощаджується природне паливо;

Рис. 1. Калорійність деяких видів природних і альтернативних палив

 

·          в глобальному масштабі, зменшується емісія парникових газів в атмосферу (відходи, невикористані у цементній промисловості, були б спалені в іншому місці, або вивезені на полігони твердих побітових відходів, що призвело б до порушення екологічного балансу) (рис. 2);   

 

Рис. 2. Екологічний баланс спалювання відходів на сміттєспалювальному заводі і їх використання як альтернативного палива в цементних печах

 

·        спалювання альтернативного палива в цементних печах є процесом безвідходним; зола з його спалювання входить у склад портландцементного клінкеру.

 

Використання альтернативних палив на основі горючих відходів у цементній промисловості дає позитивний економічний ефект (вартість 1 ГДж енергії альтернативних палив з урахуванням транспортних витрат у 4-5 разів менша від вартості природного палива) та суттєво не впливає на екологічний баланс у цементному виробництві.

Висновки. Проведено дослідження хіміко-мінералогічного складу портландцементних клінкерів, випалених з використанням розроблених альтернативних палив, які дають підстави стверджувати, що заміна частки використання традиційного палива альтернативним не веде до погіршення споживчих властивостей готового цементу. Як альтернативне паливо на ВАТ «Миколаївцемент» використовують зношені автомобільні шини (заміна 7-8 % палива) і подрібнене тверде альтернативне паливо на основі відходів пластику, паперу і тирси деревинної. Досліджено, що використання більшості альтернативних палив на основі відходів у цементній промисловості дає позитивний економічний ефект та не впливає на екологічний баланс у цементному виробництві.

Результати роботи мають теоретичне і практичне значення для цементної промисловості та для розв’язання проблеми комплексної утилізації багатотоннажних промислових і комунальних відходів і охорони довкілля, що в значній мірі сприяє можливості системного інституційного забезпечення вирішення завдань інноваційного розвитку національної економіки, подолання її енерго- і ресурсовитратного характеру та підвищення наукоємності продукції.

1.       Energetyczne wykorzystanie odpadów w przemyśle cementowym / J. Bień, М. Sanytsky,         K. Rećko, S. Khrunyk // Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym. Prаса zbiorowa / pod red. T. Bobko – Częstochowa (Poland). – 2007. – s. 11-16.

2.       Khrunyk S. Bezpieczeństwo ekologiczne wykorzystania paliw alternatywnych z odpadów w przemyśle cementowym // IX Konferencja Naukowa „Dioksyny w przemyśle i środowisku” (Kraków - Tomaszowice 12-13.06.2008). – Kraków: Wydawnictwo Naukowe Politechniki Krakowskiej, 2008. – S. 110 -117.

3.       Використання альтернативного палива  в цементній промисловості / М.А Саницький, Т.Є. Марків, С.Я. Хруник, Т. М. Круць, К. Рецько // Теорія і практика будівництва. Вісник  НУ “Львівська політехніка” – 2007. – № 600 – с. 258-264.

4.       Екологічні аспекти спалювання вторинних паливних матеріалів у цементних печах /  М.А. Саницький, С.Я. Хруник, О.Т. Мазурак, І.І. Кіракевич // Теорія і практика будівництва. Вісник  НУ “Львівська політехніка” – 2007. – № 602 – с. 160-165.

5.       Marland G., Boden T. Global CO2 Emissions from Fossil-Fuel Burning, Cement Manufacture and Gas Flaring –  http://cdiac.esd.ornl.gov/ftp/ndp030/global00.ems

6.       A guidance manual for estimating greenhouse gas emissions from fuel combustion and process-related sources for cement production. – Ottawa: Environment Canada. – 2004. – 77 p.

7.       Environmental Benefits of Using Alternative Fuels in Cement Production. – Brussels: CEMBUREAU – The European Cement Association. – 1999. – 25 p.

 

Робота виконана згідно з проектом EUREKA „AFP-CEMIND” EU 3723 „Розробка альтернати-ного палива та його використання в цементній промисловості” (договір № М/136-2007 від 17.04.2007 р.)