Зарубежная практика использования альтернативного топлива из отходов для цементной промышленности

УДК 662.7:628.47

И. В. Ламзина, В. Ф. Желтобрюхов, И. Г. Шайхиев ЗАРУБЕЖНАЯ ПРАКТИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА ИЗ ОТХОДОВ ДЛЯ ЦЕМЕНТНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ключевые слова: твердые бытовые отходы, RDF, TDF, альтернативное топливо, цементная промышленность.

Использование твердых бытовых отходов в качестве альтернативного топлива для цементных печей позволяет экологически и безопасно утилизировать многие виды отходов. Это позволит не только сократить экономические затраты производства за счет сокращения потребления традиционных источников энергии (уголь, нефтяной кокс, природный газ), но и снизит нагрузку на окружающую среду вследствие уменьшения эмиссии парниковых газов и уменьшения количества отходов, идущих на захоронение. Практика альтернативного замещения ископаемых энергоресурсов широко распространена за рубежом, что свидетельствует об успешности данных технологий.

Keywords: municipal solid waste, RDF, TDF, alternative fuel, cement industry.

The use of solid waste as alternative fuel for cement kilns and allows the environmentally safe disposal of many wastes. This will not only reduce the economic costs of production by reducing consumption of traditional energy sources (coal, petroleum coke, natural gas), but it will also reduce the burden on the environment by reducing greenhouse gas emissions and reducing the amount of waste that goes to disposal. Practice alternative substitution offossil energy has been widely used abroad, which testifies to the success of these technologies.

Рациональное использование природных ресурсов является одной из ключевых проблем, которые ставятся при решении задачи устойчивого развития любого производства.

Одной из первостепенных задач является создание эффективных систем управления отходами. Основа концепции комплексного управления отходами состоит в том, что последние состоят из различных компонентов, которые не должны смешиваться и, соответственно, уничтожаются отдельно друг от друга наиболее экономичными и экологическими способами.

Существуют несколько методов переработки отходов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Следует отметить, что прямое сжигание отходов (инсинерация) неприемлемо, как с точки зрения экологии (загрязнение атмосферы вредными веществами), так и с экономической точки зрения - теряется энергетический потенциал отходов. Использование распространенного способа утилизации отходов в России - захоронение на полигонах - является нерациональным с точки зрения основных проблем, решаемых при обращении с твердыми бытовыми отходами (ТБО) [1].

В настоящее время рост стоимости на природные энергоносители ведет, в лучшем случае, к сокращению выпускаемой продукции (что означает упадок промышленной базы страны) или же к полной или временной остановке работы предприятия и, как следствие, выкуп российских заводов зарубежными инвесторами.

Таким образом, решением экологической и энергетической проблемы является замена ископаемых энергоносителей на альтернативное топливо из отходов, например RDF (теплота сгорания не менее 4500 ккал), SRF (Solid Recovered Fuel) или TDF (Tired Derived Fuel).

Кроме того, внедрение вторичных энергоресурсов обеспечит экономическую стабильность про-

мышленности и независимость от скачкообразного изменения цен на ископаемое топливо [2].

Использование ТБО в качестве топлива идёт под термином «co-processing» (совместно проводимые процессы или совместная переработка). Базельская конвенция 2011 года определяет термин «Совместная переработка» как «использование отходов в производственных процессах с целью получения энергии и/или восстановление ресурсов и, как следствие, сокращения использования традиционных видов топлива и/или сырья через замену». Это также концепция в промышленной экологии, связанная с потенциальной ролью промышленности в снижении экологической нагрузки на протяжении всего жизненного цикла продукта. Кроме того co-processing определяется в качестве операции, «которые могут привести к рекуперации, рециркуляции, утилизации, прямому повторному использованию или альтернативному применение» [3].

Наиболее безопасным и экономически обоснованным является утилизация отходов во вращающейся цементной печи. Для сжигания используются практически все виды отходов производства и потребления, включая опасные: шлам, осадки алкило-вых кислот, нефтяные пятна и кислые фракции нефтепродуктов, оставшиеся после нефтепереработки, отходы после естественной очистки газа и пироген-ной обработки угля, отработанные машинные масла, отработанные гидравлические масла и тормозные жидкости, масляные отходы в трюмах судов, осадки сточных вод, твердые отходы и эмульсии в водных/масляных сепараторах, моющие жидкости и маточный щелок, кубовые остатки и остатки после реакций, происходивших при производстве, приготовлении, поставке и использовании основных органических химикатов, пластмасс, синтетического каучука, искусственных волокон, органических красителей, пигментов, органических пестицидов и фармацевтической продукции, отходы типографских красителей, отходы фотографической про-

мышленности, деготь и другие углеродосодержащие отходы анодного производства (термальное производство алюминия, отходы после обезжиривания металла и ремонта оборудования, отходы после очистки текстильных материалов и обезжиривания природных продуктов, отходы электронной промышленности) [4].

Объяснением такого многообразия сжигаемых отходов является не только низкая стоимость их использования, но и то, что цементная печь является в настоящее время самым экологически чистым агрегатом по утилизации отходов.

Использование альтернативных видов топлива является самым высоким в Европе, так как природный газ является дорогостоящим ресурсом и используется только в качестве вспомогательного или резервного топлива. Во многих странах совместно перерабатывающие предприятия работают с 1970 года. В приведенной ниже таблице указаны характеристики твердых бытовых отходов и осадка сточных вод, применяемых в качестве альтернативного топлива [5].

Таблица 1 - Сравнительная характеристика ТБО и осадка сточных вод, используемых как альтернативное топливо

Топливо Коэффициент замены

Твердые бытовые отходы (RDF) до 30 12-16 10-35 0.951.32

Обезвоженный 20 9-25 75 0.29

осадок сточных

вод

Высушенный 20 9-25 20 0.88

осадок сточных

вод

Из данных таблицы 1 видно, что, несмотря на повышенный коэффициент замещения, по сравнению с осадком сточных вод, и относительно низкое влагосодержание, выброс углекислого газа на тонну топлива у RDF выше, однако, этот показатель не мешает использовать ТБО в качестве альтернативного топлива, при соблюдении всех рекомендуемых норм утилизации.

Следующая таблица 2 представляет данные по сравнению выбросов от производства цемента с использованием традиционных видов топлива и выбросов при использовании топлива, содержащего 30% горючих фракций бытовых отходов.

Исходя из вышеуказанного следует, что использования предварительно обработанных отходов в качестве альтернативного топлива выгодно, как для цементных заводов, которым приносит экономию традиционного энергоресурса, так и для окружаю-

щей среды, поскольку ограничивает количество отходов, идущих на захоронение.

Таблица 2 - Сравнительная характеристика выбросов загрязняющих веществ при использовании различных топлив [7]

Выбросы, мг/м3 Ископаемое Добавка 30 %

топливо подготовленных ТБО

Пыль 9-10 9-10

NOx 160 162

SO2 76 56,36

Cl 1,045 0,762

F 0,057 0,0519

Pb 0,006 0,006

Cd 0,005 0,001

Hg 0,011 0,005

Cr <0,001 <0,001

Zn <0,001 <0,001

Одним из лидеров в области использования альтернативных видов топлива является Германия, так, например, в 2011 году доля альтернативных видов топлива в общем потреблении топлива составила 61 %. В Нидерландах этот показатель составил 80 %, в Австрии - 29 %, во Франции - 27 %, в Великобритании - 6 %, в России - менее 1 % [2, 3].

Европейское бюро по комплексному предотвращению и контролю загрязнений (European Integrated Pollution Prevention and Control Bureau (EIPPCB)) выделило следующие характеристики цементной печи, которые позволят совместную переработку отходов [4]:

1) максимальная температура пламени около 2000 °C во вращающихся печах;

2) пребывание газового потока около 8 секунд при температурах выше 1200 °С, в зоне спекания температура материала около 1450 °С во вращающихся печах;

3) окислительная атмосфера газа во вращающейся печи;

4) разрушение органических загрязнителей под действием высоких температур и достаточном времени пребывания в зоне реакции;

5) сорбция газообразных компонентов, таких как фтористый водород (HF), хлористый водород (HCl) и диоксид серы (SO2) на реагентах;

6) движение материала и газов в противотоке;

7) полная утилизация сгоревших отходов в качестве компонентов клинкера.

В таблице 3 приведены характеристики работы цементной печи, допускающие переработку в ней отходов производства и потребления.

Применение изношенных шин (топливо TDF -Tired Derived Fuel) в цементной промышленности позволяет экономить 1-2 % основного вида топлива. Специалистами отмечается, что при сжигании изношенных шин при производстве цемента может быть сокращен на 25 % расход ископаемых энергоносителей и снижен уровень загрязнения окружающей среды.

Таблица 3 - Температурные и временные параметры технологического процесса получения цемента (GTZ/Holcim 2006) [6]

Характеристики Значение

Температура в основной горелке >1450 °С - температура материала >1800 °С - температура факела

Время пребывания в основной горелке > 12-15 сек > 1200 °С, > 5-6 сек > 1800 °С

Температура в декарбони-заторе > 850 °С - температура материала > 1000°С - температура факела

Время пребывания в де-карбонизаторе > 2-6 сек > 800 °С

В фирме «Рорбахцемент» (Германия) в 1982 году была пущена в эксплуатацию печь для получения цемента, в которой с целью частичной замены природного топлива сжигали шины. В Австрии применение измельченных изношенных шин в цементной промышленности также считают перспективным. Однако, имеются и противоположные данные. Так в Швейцарии фирма «Джура цемент уоркс» в 2000 г. прекратила сжигание шин в цементных печах из-за загрязнения окружающей среды продуктами сгорания [8].

Компания Ьа£аг§е (Франция) одной из первых стала внедрять совместно проводимые процессы. Опасные отходы (растворители и отработанное масло) направлялись непосредственно от источника их появления на цементное производство или отходы, расфасованные в бочки, проходили предварительную очистку. В настоящее время топливо изготавливается даже из твердых отходов, прошедших предварительную переработку.

В цементных печах происходит полное разложение органических отходов благодаря высокой температуре, высокому содержанию кислорода, длительному времени пребывания и условиям турбули-зации. Это сочетается с высокой эффективностью очистки кислым газом (образуется из известняка, который содержится в отходящих газах), отсутствием вредного осадка в виде золы, поскольку минералы, входящие в состав отходов, переходят в клинкерные соединения [9].

Еще одним примером успешного внедрения альтернативного топлива в производство стала цементная компания Сетех, основанная в 1906 году в Мексике. Использование альтернативных видов топлива данной компанией является самым высоким в мире.

В качестве альтернативного топлива заводы компании Сетех используют шины, бытовые отходы и биомассу, осадки сточных вод и отходы сельского хозяйства. Сетех использовал 25 % альтернативного топлива в производстве цемента в 2011 году, данное достижение позволило компании избежать использования около 2 миллионов тонн угля и сократить выбросы углекислого газа на 1,8 млн. тонн [10].

Цементный завод в Bunol, Испания, использует RDF известный как ENERFUEL. Таким образом, был получен высокий коэффициент замены топлива - 44 % в месяц с помощью ENERFUEL на этом заводе, сохраняя низкий уровень выбросов. В частности, использование ENERFUEL привело к значительному сокращению NOx [11].

На заводах группы компании Holcim (Швейцария) часть традиционного вида топлива - природного газа заменяется горючими промышленными отходами, такими как: отработанные масла, растворители, отработанные покрышки, пластики, шламы от красильных производств, пищевые отходы, остатки бумажного производства [11], что позволяет увеличить калорийность альтернативного топлива и достичь практически эквивалентной заменяемости.

Как правило, расходы на энергию, на топливо и электроэнергию составляют около 40 % затрат на производство цемента, поэтому замена ископаемого топлива (нефтяного кокса и угля) альтернативными источниками важна для конкурентоспособности цементной отрасли.

Применение отходов в цементных печах считается надежным решением в рамках нормативно-правовой базы многих стран мира, в частности, в Европейском Союзе, США. Зарубежные исследования показывают, что применение переработанных отходов в альтернативное топливо RDF, является перспективным методом их утилизации, позволяющим полностью использовать энергетический потенциал вторичного ресурса, так же происходит частичная замена сырья альтернативным.

В цементных печах в качестве ценного источника энергии используется широкий ряд отходов. Поскольку температура в данных энергоемких аппаратах очень высока, практически все органические опасные соединения преобразуются в безвредные вещества, таким образом, вращающиеся печи идеально подходят для безопасного удаления этих видов отходов и рекуперации энергии в процессе.

Литература

1. С.Ю. Огородникова, Отходы производства и потребления: учебно-методическое пособие, Киров, 2012. 94 с.

2. И.В. Ламзина, В.Ф. Желтобрюхов, И.Г. Шайхиев, Вестник технологического университета, 18, 5, 244-248 с (2015).

3. И.В. Ламзина, А.В. Голдов, Я.И. Князев, В.Ф. Желтобрюхов, Актуальные вопросы химической технологии и защиты окружающей среды, Чувашский гос. ун-т им. И.Н. Ульянова, Чебоксары, 2014, с. 74-75.

4. Технические руководящие принципы экологически обоснованной совместной переработки опасных отходов в цементных печах [Электронный ресурс]. - 2011. - Режим доступа: http://www.basel.int/Portals/4/Basel%20Convention/docs/pu b/techguid/cement/06a3r1e.pdf

5. С.Г. Мухачев, В.Н. Мельников, А.Р. Садыков, Б.Н. Иванов, Л.И. Корнилова, Вестник Казанского технологического университета, 2, 423-429 (2003).

6. Ali Hasanbeigi, Hongyou Lu, Christopher Williams Lynn Price International Best Practices for Pre-Processing and Co-Processing Municipal Solid Waste and Sewage Sludge in

the Cement Industry, Berkeley National Laboratory, 2012. 123 c.

7. Примеры использования отходов в качестве альтернативного топлива для цементных печей. Опыт Чешской республики [Электронный ресурс]. - 2013. - Режим доступа:: http://air-q-gov.baes.by/userfiles/file/air_q_RU/info/alternativa_format-140114.pdf

8. Morton Barlaz, Daniel Loughlin, Strengthening Markets for Recyclables: A Worldwide Perspective - Part 2, Policies for Strengthening Recycling in Germany [Электронный ресурс]. - 2002. - Режим доступа: http://people. engr.ncsu.edu/barlaz

9. Ukrainetz Paul, ALITinform (международное аналитическое обозрение), 6, 12, 2009, с. 12-23

10. Germany and the use of alternative fuels / Cemex: building the future [Электронный ресурс]. - 2011. - Режим доступа:

http://www.cemex.com/SustainableDevelopment/cases/Ger manyAlternativeFuels. aspx

11. Reducing climate impact through alternative fuels and renewable energy [Электронный ресурс]. - 2010. - Режим доступа: http://www.cemex.com/ SustainableDevelopment/cases/AlternativeFuels.aspx

© И. В. Ламзина - аспирант кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», lamzina_irina@inbox.ru, В. Ф. Желтобрюхов - профессор той же кафедры; И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой инженерной экологии ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

© 1 V. Lamzina - postgraduate student, Department of industrial ecology and life safety, "Volgograd state technical University, lamzina_irina@inbox.ru, V. F. Zheltobryukhov - Professor of Department of industrial ecology and life safety of the same University, I. G. Sharahiev - doctor of technical Sciences, head of a university Department of environmental engineering "Kazan national research technological University".