Альтернативные виды топлива в производстве строительных материалов. Каковы приоритеты импортозамещения?

Основными технологическими видами топлива, используемого при обжиге строительных материалов (в частности, цементного клинкера и извести), являются каменные угли и природный газ. В условиях Беларуси к альтернативными видами топлива относятся: местное топливо (торфобрикет), отработанные автомобильные покрышки, отходы переработки нефти (нефтекокс), в перспективе – твердые бытовые отходы (ТБО), сухие осадки сточных вод, высокосернистые и местные бурые угли.При этом возникает закономерный вопрос – возможно ли получить продукцию высокого качества в результате применения альтернативных видов топлива?

Например, все виды топлива, при сжигании которых образуется зола, непригодны для производства стекла и стеклоизделий, керамической плитки, изделий тонкой керамики, лицевых изделий. Они непригодны и для производства извести, поскольку содержащиеся в золе оксиды кремния и алюминия связывают свободный СаО в силикаты и алюминаты, снижая качество извести.

А при обжиге цементного клинкера зольность не является препятствием, поскольку при расчете цементно-сырьевой смеси зола становится ее дополнительным компонентом. С учетом больших объемов производства клинкера и особенностей теплового агрегата для его обжига применение альтернативных видов топлива, как правило, связывают с производством цемента.

 

Топливозамещение при производстве цемента и извести

 

1.Каменный уголь                 

В настоящее время действующие производства и осваиваемые новые технологические линии на ОАО «Белорусский цементный завод» и ОАО «Красносельскстройматериалы» переведены с основного технологического топлива - природного газа, на пылеугольное топливо из смеси углей марок Т и Г (ТГ).

Приготовление пылеугольной смеси осуществляется на технологических линиях, основным оборудованием которых являются вертикальные валковые мельницы, оснащенные рукавными фильтрами, теплогенераторами и весовыми дозаторами.

В настоящее время ведется научно-исследовательская работа по использованию более дешевых высокосернистых углей.

 

2. Отработанные автомобильные покрышки

Одним из наиболее экономичных приемов использования покрышек в качестве топлива является их прямое сжигание в области зоны кальцинирования вращающихся печей. Высокие температуры обжига способствуют эффективному сгоранию покрышек и утилизации металлокорда в составе цементного клинкера.

Сжигание шин в цельном виде реализовано в 2008 году на вращающейся печи мокрого способа 5,0 х 150 м ОАО «Красносельск-стройматериалы» (проект фирмы BEUMER, Германия) и печи сухого способа 4,5 х 80 м ОАО «Белорусский цементный завод» (проект «Гипростром» совместно с «НИИСМ», Республика Беларусь).

В процессе отработки технологии сжигания автопокрышек установлено оптимальное их количество, которое не должно превышать 10-12 % от удельного расхода топлива на обжиг клинкера.

Государственным предприятием «Институт НИИСМ» разработан проект линии по сжиганию шин в цементной вращающейся печи мокрого способа 4,5 х 5,0 х 170 м ОАО «Кричевцементношифер». Окончание строительства запланировано в 2013 году.

После ввода в эксплуатацию аналогичных линий по сжиганию на ряде других печных агрегатов потенциальный объем топливозамещения с помощью шин в цементной отрасли может быть доведен до уровня 50 тыс. т у.т./год, что сопоставимо с общим количеством образующихся в республике отработанных автопокрышек. Однако для развития данного направления необходима организация под эгидой Минжилкомхоза централизованного сбора отработанных покрышек с целью ритмичной поставки их на цементные предприятия. Динамика поставок шин на ОАО «Красносельск-стройматериалы» в 2012-2013 гг. свидетельствует о недостаточной эффективности существующей системы сбора.

 

3. Торфобрикет

Республика Беларусь располагает значительными запасами торфа и мощностями по производству торфобрикета, который может рассматриваться как эффективный заменитель части высококалорийного топлива для обжига клинкера.

В 2010 году на ОАО «Белорусский цементный завод» с участием института запущена в эксплуатацию опытно-промышленная установка, включающая стадии приготовления форсуночного топлива из молотого торфобрикета, пневмотранспорта и сжигания в горелке де-карбонизатора на печи 0 4,5 х 80 м. Обеспечение вопроса взрывобезопасности достигнуто путем применения схемы с прямым вдуванием форсуночного топлива в горелку. В процессе отработки технологии обжига клинкера было обеспечено замещение природного газа молотым торфобрикетом в декарбонизаторе до уровня 60-80 %.

На основании проведенных исследований и приобретенного практического опыта в Государственном предприятии «Институт НИИСМ» разработан проект перевода трех печей мокрого способа ОАО «Кричевцементношифер» на комбинированное топливо с возможностью сжигания на каждой печи до 15 т/час молотого торфобрикета. В настоящее время институтом изготовлено и поставлено основное технологическое оборудование первой опытно-промышленной линии. Окончание строительства и внедрение технологии с проведением комплексных технологических и теплотехнических испытаний печного агрегата под руководством института состоится в 2013 году. Завершение реализации всего проекта планируется в 2015 году.

Планируемый уровень топливозамещения торфобрикетом импортного каменного угля в цементной промышленности к 2016 году составляет более 15 %. Дальнейшее увеличение доли использования торфобрикета должно быть взаимоувязано с объемами потребления других низкокалорийных видов топлива (например, AT из ТБО).

Следует отметить, что в ходе отработки технологии производства клинкера при сжигании пылеугольного топлива возникла возможность снизить требования к качеству и соответственно цену на закупку каменных углей. Таким образом, затраты на менее калорийное местное топливо из торфобрикета (в пересчете на условное топливо) приблизились к стоимости закупки, транспорта и подготовки ввозимого по импорту каменного угля. С учетом обеспечения более жестких требований, предъявляемых к хранению и сжиганию торфобрикета в цементных печах, увеличение доли его использования должно быть сопряжено с пересмотром внутриреспубликанской ценовой политики в сторону снижения стоимости торфобрикета.

 

4. Нефтяной кокс

В 2016 году на ОАО «Нафтан» планируется внедрение установки глубокой переработки нефти. Побочным продуктом технологии является нефтяной кокс, объемы производства которого прогнозируются на уровне 554,4 т у.т/год при стоимости (по сообщению ОАО «Нафтан») для предприятий по производству стройматериалов - 50 $ США/т без НДС на условиях «франко-завод».

Нефтекокс как топливо обладает рядом преимуществ, среди которых - высокая калорийность (низшая теплота сгорания в рабочем состоянии QPH> 7500 ккал/кг) и малый выход зольного остатка. В то же время необходимо учитывать наличие некоторых отрицательных характеристик, ограничивающих объем использования нефтекокса: высокое содержание серы (S = 3-5 %), тяжелых металлов (RT < 1800 ppm), более низкая размолоспособность по отношению к углям марок Т и Г.

В 2012-2013 гг. под руководством института проведены промышленные испытания по использованию нефтекокса в качестве топлива на печах мокрого и сухого способов производства цементного клинкера. Результаты проведенных исследований позволяют прогнозировать замещение традиционного топлива нефтекоксом в балансе топливопотребления цементных заводов на уровне 50 %.

Реализация намеченных планов потребует проведения ряда мероприятий по реконструкции действующих отделений по подготовке форсуночного топлива. К концу 2013 года будет завершена разработка проектной документации по переводу всех цементных заводов Беларуси на применение нефтекокса.

 

5. Альтернативное топливо из твердых бытовых отходов (AT из ТБО, RDF)

В мировой практике производства цементного клинкера широко используются топливные отходы. По классификации, принятой в странах ЕС, топливные отходы разделены на 14 групп, в перечень которых входят горючие фракции сортировки твердых бытовых отходов (RDF). В странах СНГ эта группа классифицируется как альтернативное топливо из твердых бытовых отходов (AT из ТБО).

По данным ЕС в цементных печах Евросоюза в 2004 году было использовано 5133 тыс. т топливных отходов, из которых доля RDF составила 734,3 тыс. т, или ~ 14 % от общего объема отходов. На ряде цементных заводов Европы доля сжигаемых топливных отходов составляет 100 % общего теплопотребления на обжиг клинкера, при этом доля RDF достигает 70-80 % («Хэлм», Польша).

Производство RDF из твердых бытовых отходов за рубежом осуществляется на мусоро-перерабатывающих заводах (МПЗ), которые с учетом требований потребителя за счет аппаратурного оформления технологии переработки ТБО обеспечивают получение топлива различного состава. Как правило, потребитель устанавливает индивидуальные требования:

- к теплотворной способности топлива;

- содержанию вредных примесей (CI-, S, тяжелых металлов и др.).

 

RDF отличается от природного топлива более низкой стоимостью, что обусловлено наличием в нем вредных примесей, которые даже в условиях тщательной сортировки отходов влияют на качество продукции и стабильность работы печного агрегата. В связи с этим может быть два варианта использования RDF:

- ограничение величины топливозамещения (10-20 %RDF);

- при высокой доле топливозамещения (RDF > 50 %) осуществляется реконструкция печных агрегатов (организация байпаса части печных газов, установка пневмо-пушек), что связано с дополнительными затратами и повышением удельного расхода топлива на обжиг клинкера.

 

В Беларуси основная часть ТБО в объеме 3,8 млн т/год подлежит захоронению на полигонах, количество которых составляет около 170 шт. По результатам исследований структуры отходов г. Гродно, проведенной фирмой FFK environment GmbH (Германия), из них может быть получено альтернативное топливо в количестве 46 %. На мусороперерабатывающих заводах данной фирмы в Германии обеспечивается выход альтернативного топлива калорийностью не менее 4000 ккал/кг в количестве до 50 % от общей массы перерабатываемых ТБО. Приняв данные цифры за основу, потенциальную возможность при переработке ТБО Беларуси в топливо калорийностью Qp > 4000 ккал/кг можно оценить в объеме 1,0 млн т у.т. в год.

В 2008 году в Министерство архитектуры и строительства поступило от фирмы FFK environment GmbH (Германия) коммерческое и ценовое предложение о строительстве в г. Гродно МПЗ мощностью переработки 120 тыс. т/год ТБО с последующим использованием альтернативного топлива на цементных печах мокрого способа обжига клинкера. Стоимость инвестиций в строительство мусо-роперерабатывающего завода фирмой оценивалась 12,1 млн EUR. Кроме того, с целью проведения полупромышленных испытаний фирма готова была обеспечить доставку 1 тыс. т RDF из Германии и пилотное перевооружение печи. Однако за последние пять лет вопрос строительства МПЗ в Гродно так и не получил дальнейшего развития.

В 2011 году в Бресте австрийский концерн Strabag ввел в эксплуатацию МПЗ мощностью 100 тыс. т/год. По информации 2012 года структура продуктов переработки на предприятии выглядела следующим образом:

- около 30 % составляла органическая часть, используемая для выработки биогаза;

- 7-8 % завод продавал в виде вторичного сырья;

- около 60 % мусора составляли «хвосты» переработки, подлежащие захоронению на полигоне.

Стоимость вторичного сырья, которое выпускается на данном заводе и может сжигаться в цементных печах, близка либо превышает стоимость традиционных видов топлива. «Хвосты» переработки ТБО (бетон, промасленная ветошь и бумага, тэтра-пак, ПВХ и прочее) по влажности, калорийности и грансоставу не соответствуют техническим требованиям к AT для цементной промышленности. Кроме того, досконально не изучены их химсостав, морфология, стабильность показателей, не ведется контроль содержания тяжелых металлов и вредных примесей. Таким образом, в ближайшем будущем продукция Брестского МПЗ не может быть использована на цементных заводах в качестве альтернативного топлива.

 

В 2009 году в Государственном предприятии «Институт НИИСМ» выполнена научно-исследовательская работа «Исследования и корректировка для базовых проектов технологических линий сухого способа действующих производств цемента применительно к условиям их сырьевой базы и возможности использования альтернативного топлива (AT)». По результатам исследований были разработаны технические требования к AT и технологические регламенты сжигания AT в печных агрегатах обжига клинкера цементных заводов республики. Первоначальным этапом реализации программы использования ТБО в цементной промышленности является организация строительства Министерством жилищно-коммунального хозяйства мусороперерабатывающих заводов в областных городах, территориально приближенных к цементным заводам (Гомель, Гродно, Могилев), что обеспечит получение AT в количестве около 115 тыс. у.т./год.

Доставку AT на цементные предприятия по аналогии с технологией стран ЕС целесообразно организовать челночным автотранспортом со специальными прицепами грузоподъемностью 20 т, оснащенными подвижным полом. Для исключения складирования альтернативного топлива на цементном заводе предпочтительно организовать непрерывную ритмичную его доставку с использованием емкости автоприцепа в качестве минисклада.

Наиболее приемлемым местом сжигания AT являются декарбонизаторы новых технологических линий производства цемента, оснащенных системами байпаса печных газов. Рациональные технологические схемы в общем виде включают усреднительный склад, механизмы и устройства внутризаводского транспортирования, обогащения, дозирования и подачи AT к горелкам декарбонизаторов. Оценочная стоимость одной системы по сжиганию альтернативного топлива на цементной печи составит до 5 млн дол. США. Такое решение обеспечит значительное улучшение экологической обстановки крупных городов за счет ликвидации мусорных полигонов, а также замещение альтернативным возобновляемым топливом до 10 % проектного расхода топлива на производство цемента в Беларуси.

 

6. Бурые угли

Совместно с «Институтом природопользования» НАН Беларуси начаты исследования по возможности использования бурых углей Житковичского, Бриневского и Лельчицкого месторождений в качестве основного технологического топлива при обжиге портландцементного клинкера.

Бурые угли характеризуются высоким выходом летучих компонентов, что позволяет сжигать их в горелке вращающейся печи в качестве компонента бинарного топлива в комбинации с углем марки Т (степень замещения 30-45 %), нефтяным коксом или природным газом (до 60-70 %). При сжигании в декарбонизаторах уровень замещения основного технологического топлива бурыми углями может достигнуть 90-100 %.

Однако в связи со сложными гидрогеологическими и горнотехническими условиями залегания организация добычи бурых углей в настоящее время экономически неэффективна. По этой причине бурые угли белорусских месторождений рассматриваются в качестве местного вида топлива в некоторой перспективе при изменении конъюнктуры рынка углей, в том числе низкокалорийных.

 

7. Осадки сточных вод

В соответствии с градостроительным проектом и генеральным планом г. Минска предусматривается решение вопроса об утилизации осадка сточных вод Минских городских очистных сооружений.

Технология сбраживания осадков коммунальных стоков с последующей выработкой электроэнергии на биогазовых мини-ТЭЦ на примере Брестского МПЗ, по мнению института, экономически неэффективна. Кроме того, не решается проблема последующего захоронения «хвостов» переработки на полигонах.

Одним из наиболее перспективных вариантов решения вопроса является сушка обезвоженного осадка с последующим его использованием в качестве альтернативного топлива на цементных заводах. Аналогичные проекты реализованы и работают в крупных городах Италии, Испании, Китая.

По результатам исследований сухие осадки сточных вод относятся к низкокалорийному топливу с теплотворной способностью около 3500 ккал/кг и высоким содержанием тяжелых металлов. Данные показатели являются факторами, ограничивающими для цементной печи долю сжигания осадков в составе многокомпонентного топлива.

С целью уточнения физико-химических показателей сухих осадков сточных вод и энергетических показателей процесса их получения на Минской очистной станции проведены полупромышленные испытания на пилотной установке фирмы VOMM (Италия).

В августе 2013 г. Государственное предприятие «Институт НИИСМ» провело промышленные испытания по сжиганию альтернативного топлива из осадков сточных вод Минской очистной станции в количестве 16,75 т в печи сухого способа цементного клинкера 0 4,5 х 80 м ОАО «Белорусский цементный завод».

Целью испытаний являлось определение основных технологических параметров работы печного агрегата, качества клинкера и вредных выбросов в атмосферу при замещении части угольного форсуночного топлива, сжигаемого в декарбонизаторе, альтернативным топливом из сухих осадков сточных вод.

С целью последующего анализа отбирались представительные пробы топлива, сырьевой муки, клинкера, фиксировались основные технологические параметры работы печного агрегата и состав отходящих печных газов согласно предварительно разработанной и утвержденной программы.

По результатам испытаний предварительно установлено:

1) технологические параметры работы печного агрегата находились в оптимальном диапазоне;

2) при расходе AT из осадков сточных вод 8,4 т/ч обеспечено замещение угольного форсуночного топлива в количестве 4 т/ч, что в тепловом эквиваленте в пересчете на условное топливо составляет -1:1;

3) производительность печного агрегата соответствовала производительности при работе на чистом угольном форсуночном топливе;

4) качественные показатели цемента за время испытаний не изменились;

5) в ходе непрерывного мониторинга состава отходящих газов отмечено значительное снижение вредных выбросов NOx, которое, по нашему мнению, связано с содержанием в осадках сточных вод мочевины.

Результаты промышленных испытаний свидетельствуют о перспективности данного направления, что позволит решить серьезную экологическую проблему столицы, а также использовать на цементных предприятиях порядка 25-30 тыс. т у.т./год местного возобновляемого топлива.

На основании изученного практического опыта по производству альтернативного топлива из осадка сточных вод и его дальнейшего потребления на цементном заводе в Италии институт готов разработать и внедрить аналогичную технологию в Республике Беларусь.

 

Резюме

Программа замещения основного топлива при производстве цементного клинкера и извести альтернативными видами в зависимости от очередности их появления в Республике Беларусь должна быть разделена на два этапа.

На первом этапе приоритетными направлениями импортозамещения топлива является использование с 2016 года значительного объема нефтяного кокса белорусского производства, а также расширение объема использования торфобрикета и отработанных шин. Реализация в полном объеме данного этапа могла бы позволить довести долю альтернативных и местных видов топлива в балансе топливопотребеления цементных и известковых заводов к концу 2016 года до уровня 50-60 %.

Второй перспективный этап внедрения альтернативного топлива, который включает AT из ТБО, бурый уголь и осадки сточных вод, может быть реализован только после строительства мусороперерабатывающих заводов, начала промышленной добычи бурого угля в Республике Беларусь и модернизации очистных сооружений.

 

 

Е.Подлузский,

помощник генерального директора по научной работе.

Л.Туровский,

кандидат технических наук.

В.Новиков,

Д.Волоткович, магистр технических наук.

РУП «Институт НИИСМ».

 

 

Материал подготовлен на основе доклада на VII ежегодной научно-технической конференции о проблемах использования альтернативных видов топлива в строительном комплексе Республики Беларусь. г.Минск. 30 октября 2013 г.