Использование отходов в производстве цемента является наиболее экономичным и экологически безопасным способом их утилизации. Это подтверждается многолетним мировым опытом успешной утилизации самых разных отходов в цементной промышленности.
Одновременно с решением экологических проблем обеспечивается ресурсосбережение за счет частичной замены дефицитных природных сырьевых материалов и топлив отходами, что в наибольшей степени соответствует принципам экономики замкнутого цикла.
В настоящей статье рассмотрим какие особенности технологии производства цемента делают ее универсальным способом утилизации широкой номенклатуры отходов производства и потребления. Приведены виды отходов, которые можно использовать как для замещения сырьевых материалов, так и топлив.
Содержание
Особенности технологии производства цемента
Использование отходов в производстве цемента является мировой практикой их экологически безопасной утилизации. Этому способствуют следующие процессы, протекающие при получении цемента во вращающихся печах:
- окислительная атмосфера и высокая температура в печи (в зоне горелки она составляет 1800-2000 град. С, а температура в зоне спекания превышает 1400 град. С);
- длительное пребывание (более 8 секунд) газов при температуре более 850 град. С. За счет этого происходит полное разложение любых органических веществ, а также разрушение таких чрезвычайно опасных соединений, как диоксины, фураны, полициклические органические соединения;
- постоянство условий сжигания и длительное время пребывания (постоянная температура 850 град. С во вторичной обжиговой системе или декарбонизаторе);
- температура материалов в зоне спекания 1400-1480 град. С. Это приводит к растворению неорганических составляющих отходов в силикатном расплаве клинкера. В результате образуются нетоксичные и нерастворимые соединения, что обеспечивает экологическую безопасность и безотходность процесса утилизации отходов;
- щелочная среда во вращающейся печи за счет избытка оксида кальция препятствует образованию диоксинов и поглощает кислые газы, выделяющиеся при разложении отходов (фтористый водород, хлористый водород, сернистый газ и др.);
Таким образом, полное сгорание органической части отходов и полная утилизация зольных остатков и неорганических составляющих в структуре цементного клинкера делают использование отходов в цементном производстве экологически безопасным и безотходным способом их утилизации.
При производстве цемента могут использоваться различные виды отходов как в качестве альтернативных топлив, так и для замены сырьевых материалов. Это решает экологические проблемы отходов, обеспечивает ресурсосбережение, а также снижает материальные и энергетические затраты в цементном производстве.
В связи с этим утилизация отходов в цементной промышленности отнесена к наилучшим доступным технологиям (НДТ) как в нашей стране, так и в европейских странах. Это нашло подтверждение в справочнике НДТ ИТС 6-2022 «Производство цемента» и ГОСТ Р 56828.26-2017 «Наилучшие доступные технологии. Ресурсосбережение. Аспекты эффективного обращения с отходами в цементной промышленности».
Сырье для производства цемента
Первичным сырьем для производства цемента служат кальцийсодержащие карбонатные (известняки, мел, мергели и др.) и алюмосиликатные (глины) материалы. В качестве корректирующих добавок используют материалы, улучшающие условия спекания клинкера (алюмосодержащие, железосодержащие добавки или плавни).
Различные отходы могут заменять природное сырье, что обеспечивает как сохранение ресурсов, так и снижение затрат на производство продукции.
Отходы, как замена сырьевых компонентов
Вместо кальцийсодержащего природного сырья могут использоваться:
- отходы известняка или извести;
- известковые шламы;
- карбидный ил;
- осадки при очистке питьевой воды.
Вместо кремнийсодержащего сырья можно применять:
- формовочный литейный песок (горелые земли);
- песчаные грунты, в том числе загрязненные.
Алюминийсодержащее сырье могут заменять алюминатные шламы, отработанные катализаторы на основе оксида алюминия.
В качестве корректирующих добавок можно использовать:
- пиритные огарки;
- отработанные железосодержащие катализаторы;
- гальваношламы, особенно шламы электрокоагуляции и гальванокоагуляции;
- отходы плавикового шпата и др.
Кроме того ряд техногенных отходов (нефелиновый шлам, доменные шлаки, золы и др.) может заменять сразу все виды сырьевых материалов, так как одновременно содержат оксиды кальция, алюминия, кремния и железа.
Ранее действовал ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент», в котором последний содержал от 20 до 80% гранулированного металлургического шлака». В настоящее время действует ГОСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные», регламентирующий использование металлургических шлаков, нефелинового (белитового) шлама, золы-уноса и других промышленных отходов.
Портландцементный клинкер характеризуется определенным составом, который обуславливает гидравлические свойства цемента. Поэтому все отходы проходят тщательный анализ в лаборатории цементного завода. После чего технологами определяются необходимые соотношения компонентов для получения заданного состава цементного клинкера.
Отходы в качестве альтернативного топлива
Традиционное ископаемое топливо (обычно газ или уголь) может быть частично заменено альтернативным топливом на основе предварительно обработанных отходов производства и потребления.
Средний цементный завод в нашей стране может потреблять 40-100 тысяч тонн/год альтернативного топлива, замещая до 30% основного топлива. В Европе, Японии и США этот показатель значительно выше. В Европе доля альтернативного топлива составляет 60-70%, а на отдельных цементных заводах может доходить до 98%. На них природный газ применяется только как вспомогательное топливо для розжига печей или для поддержания горения при использовании трудногорючих отходов.
В качестве альтернативных топлив могут использоваться следующие отходы, отличающиеся достаточно высокой калорийностью:
- древесные отходы;
- опилки, в том числе загрязненные нефтепродуктами, лакокрасочными материалами и другими горючими веществами;
- деревянные шпалы, пропитанные антисептиками;
- отходы бумаги и картона, включая упаковочные материалы;
- остатки пластиков, включая полимерные смолы, клеи, мастики, лакокрасочные материалы;
- отработанные органические растворители, кубовые остатки от их регенерации;
- остатки нефти и нефтепродуктов и загрязненные ими различные органические материалы;
- отработанные автомобильные шины и покрышки, остатки резинотехнических изделий;
- высушенные осадки очистки городских и (или) производственных сточных вод;
- остатки от сортировки ТКО после выделения вторсырья и пищевых фракций.
Использование горючих отходов не влияет на экологические показатели цементного производства. Нелетучие и низколетучие металлы, содержащиеся в отходах, в цементной печи растворяются в силикатном расплаве клинкера. Они не влияют ни на качество цемента, ни на выбросы цементного производства.
Иначе обстоит дело для высоколетучих металлов (ртути, таллия). Их не удается эффективно уловить, поэтому необходимо жестко ограничивать их поступление. Особенно внимательно нужно контролировать их в осадках очистки городских и производственных стоков или остатков после сортировки ТКО, в которых может присутствовать ртуть.
Стоимость энергоносителей составляет 30-40% от себестоимости цемента. Поэтому частичная замена ископаемого топлива на альтернативное топливо из отходов выгодна для цементных отходов. Однако, для обеспечения экологической безопасности и качества продукции требуется дополнительный контроль и проведение анализов.
Проблемы использования отходов в производстве цемента в России
Несмотря на очевидные выгоды для экологии и экономию для цементных заводов, использование отходов в производстве цемента значительно отстает от лучшего мирового уровня. Причинами этого являются:
- Сложность получения лицензий на обращение с отходами для цементных заводов.
- Необходимость предварительной подготовки отходов для оптимизации их использования в производстве цемента.
- Отсутствие механизированных способов подачи отходов в цементную печь для многих заводов.
По первому направлению задача может быть решена путем получения продукции из отходов. В этом случае будет поставляться продукция (добавки для производства цемента, альтернативное топливо или сырьевые материалы).
С учетом своего многолетнего опыта сотрудничества с цементными заводами могу помочь как цементным заводам с получением санитарно-эпидемиологических заключений и лицензий на обращение с опасными отходами, так и переработчикам с получением комплекта документации на вторичную продукцию из отходов (технические условия, технологические регламенты, сертификация). Подробнее смотрите в разделе «Предложения о сотрудничестве».
По второй проблеме нужны взаимные интересы цементных заводов и переработчиков для организации стабильных поставок крупных партий предварительно подготовленных отходов с воспроизводимыми характеристиками.
Для решения проблемы механизированной подачи отходов в цементную печь руководитель ППК РЭО Денис Буцаев предложил Правительству нашей страны профинансировать модернизацию цементных заводов за счет средств экосбора по программе расширенной ответственности производителей (РОП).
Получен положительный отзыв на эту инициативу, но ее решение пока поставлено на паузу. Тем не менее ППК РЭО продолжает активные действия в этом направлении. Был подготовлен и введен с 1.02.2025 г. новый ГОСТ Р71858-2024 «Ресурсосбережение. Альтернативное топливо из твердых коммунальных отходов для цементной промышленности. Технические условия».
