аспирант
Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
Применение техногенных отходов – основная общемировая тенденция в промышленности, которая не обошла и цементное производство. В свою очередь цементное производство обладает рядом преимуществ, позволяющих безопасно для технологического процесса утилизировать отходы. К таким преимуществам можно отнести высокую температуру в печном агрегате, способность жидкой фазы клинкера нейтрализовать тяжелые металлы, а также то, что зольная составляющая отходов участвует в процессе получения клинкера как сырьевой компонент. В статье приведены результаты использование автомобильных шин. Автомобильные шины относятся к гоючесодоржащим отходам, использование которых в процессе получения цемента достаточно распространено и опробовано на многих предприятиях. В статье рассматривались способы утилизации автомобильных шин в зависимости от используемых в производстве обжиговых агрегатов: длинной печи или короткой печи с циклонными теплообменниками и декарбонизатором. Приведена основная характеристика используемых в работе сырьевых материалов, в частности, наличие зольного остатка и теплотворная способность шин. Влияние шин на прочность цементного камня. По-казаны положительные и отрицательные стороны применения шин на основании отечественного и зарубежного опыта, практическая и экономическая эффективность.
клинкер, цемент, горючие отходы, автомобильные шины, альтернативное топливо, выгорающая добавка
Введение. Непрекращающийся поиск способов снижения экономических затрат на производство цемента способствовал развитию перспективного направления – использования техногенных отходов. Список наиболее подходящих для этого отходов изменяется в малой степени, но разрабатываются и создаются технологии позволяющие минимизировать неприятные последствия их использования и увеличить долю их использования по сравнению с первичным горючим топливом. Одним из наиболее популярных и распространенных горючесодержащих отходов можно считать автомобильные шины. Это связано, прежде всего, с высокой теплотворной способностью, низкой зольностью, постоянством химического состава [1–7].
Цель данной работы заключалась в рассмотрении основных аспектов применения шин, их подготовки и способах сжигания, а также изучении влияния покрышек на качество клинкера.
Теоретическая часть. Имеется следующие агрегаты для утилизации шин при производстве цемента: короткая вращающаяся печь сухого способа производства с теплообменным устройством и длинная вращающаяся печь мокрого способа производства.
Для сухого способа производства возможны следующие варианты:
- подача неизмельченных автомобильных шин в шахту циклонного теплообменника.
- подача шин совместно с форсуночным топливом в зону спекания печи;
- подача отходов в декарбонизатор с устройством «дожигатель» (FLSmidth, KHDHumboldtWedag, ThyssenKrupp Polysius).
Для длинной вращающейся печи мокрого способа производства цемента:
- подача целых покрышек автомобиля через систему шлюзовых затворов в зону кальцинирования;
- подача совместно с основным технологическим топливом в зону спекания печи;
- подача предварительно измельченных покрышек вместе с сырьевой смесью с холодного конца печи.
Необходимо пометить, что и предварительная подготовка шин может быть различной, существуют 3 способа подачи шин:
- Измельчение шин до пыли. К основным положительным моментам здесь можно отнести: удобство хранения и транспортировки, возможность применить подачу с основным технологическим топливом (углем) – через форсунку. Но при этом измельчение шин трудоемкий процесс и в большинстве случаев оно экономически не оправдано.
- Получение кусков средним размером
8,5 ×8,5 см. Аналогично предыдущему случаю к достоинствам можно отнести удобство транспортировки и хранения, а также возможность автоматизации процесса подачи шин. Но и здесь не обошлось без недостатков: наличие в кусках шин металлического корда, выступающего из резины, служит частой причиной поломки систем, транспортирующих их. Кроме того происходит быстрое загрязнение внутреннего оснащения измельчающего агрегата, и требуется его ручная чистка. - Целые шины. Преимущество заключается в отсутствии дополнительного оборудования и расходов на измельчение автопокрышек. Сложность при этом возникают трудности с транспортировкой, хранением и подачей шин [8, 9].
Практическая часть.В качестве сырьевых материалов использовались мел, глина и огарки с ЗАО «Белгородский цемент», химический состав полученной сырьевой смеси представлен в табл.1, а также часть автомобильной шины.
Таблица 1
Химический состав сырьевой смеси
|
Материал |
Содержание, % |
||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
Проч. |
ППП |
∑ |
|
|
Сырьевая смесь |
14,14 |
3,45 |
2,78 |
42,93 |
1,34 |
35,25 |
100 |
Элементный состав горючей части автомобильной покрышки приведен в табл.2.
Таблица 2
Химический состав горючей части автомобильной шины
|
Материал |
Содержание, % |
||||
|
Сг |
Нг |
Nг |
Ог |
Sг |
|
|
Резиновая шина |
75,5 |
9,3 |
1,3 |
11,6 |
1,2 |
Зольная составляющая шин имеет сравнительно небольшое значение, всего 4,7%, что позволило, при введении небольшого количества отхода, не корректировать сырьевую смесь.
Дифференциально-термический анализ предоставил данные о температуре выхода горючей составляющей и условий выгорания автомобильной шины, рис.1.
Рис.1. Результаты комплексного термического анализа резиновой шины
Процесс окисления легколетучей составляющей автомобильных покрышек происходит в интервале от 200°С до 680°С. При этой же температуре происходит окисление топлива, что подтверждается экзотермическими эффектами на кривой ДТА. Окончательное выгорание коксового остатка происходит до 680°С.
В ходе работы резина автомобильных шин измельчалась и вводилась в обожжённую до
900 °С сырьевую смесь в количестве 1,5 и 2,0% горючего вещества шин по сухому сырью. Была смоделирована ситуация введения шин через систему шлюзовых затворов в зону декарбонизации печи мокрого способа производства.
Клинкера, полученные в результате такого обжига, были проанализированы в сравнении с эталонным, бездобавочным образцом.
Фрагменты рентгенограмм экспериментальных, с введением резиновой шины, и рядового клинкеров представлены на рис. 2.
Рис. 2. Фрагменты рентгенограмм клинкеров содержащих 0; 1.5и 2.0% резиновой шины
горючего вещества по сухому сырью
Основными фазами, полученными в результате как рядового клинкера, так и экспериментальных клинкеров с введением 1,5% и 2,0% горючего вещества по сухому сырью являются алит (пики 3.04; 2.98; 2.79; 2.76; 2.61Å), белит (пики 2.88; 2.79; 2.76; 2.61Å), трехкальциевый алюминат (пик 2.70Å) и четырехкальциевый алюмоферрит (пик 2.65Å).
Интенсивность пиков алита, белита, трехкальциевого алюмината и четырехкальциевого алюмоферрита экспериментальных клинкеров практически не уступает интенсивности эталонного клинкера.
Рис.3 Активность клинкера на 2 и 28 сутки
гидратации при введении горючего отхода –
автомобильной шины
На рис.3 приведена активность клинкера на 2 и 28 сутки гидратации цемента, в зависимости от вводимого при обжиге клинкера горючего вещества шин по сухому сырью. Прочностные показатели, позволяют говорить об отсутствии неблагоприятного влияния автопокрышек на качество клинкера. Нет определенной зависимости и в процессе гидратации цементов, например на 28 сутки твердения, что подтверждается данными комплексного термического анализа.
Полученные данные дифференциально-термического анализа (DTA) и потери массы (TG) показывают, что после двухсуточного твердения, когда при обжиге бездобавочной смеси прочность цементного камня равна 45.8 МПа и при содержании в сырьевой смеси 1,5% резиновой шины – 48,5 МПа, кривые КТА несколько различаются. По величинам DTA и TG в области 450С фиксируется различное содержание Ca(ОН)2, у бездобавочной смеси наибольшее количество Са(ОН)2, тогда как у смеси 1,5% резиновой шины данное содержание значительно меньше. При этом после двухсуточного твердения потеря массы наибольшая у образцов, обладающих наибольшей прочностью, а через 28 суток твердения закономерности не наблюдается (рис. 4).
Полученные данные дифференциально-термического анализа (DTA) и потери массы (TG) показывают, что после двухсуточного твердения, когда при обжиге бездобавочной смеси прочность цементного камня равна 45,8 МПа и при содержании в сырьевой смеси 1,5% резиновой шины – 48,5 МПа, кривые КТА несколько различаются. По величинам DTA и TG в области
450°С фиксируется различное содержание Ca(ОН)2, у бездобавочной смеси наибольшее количество Са(ОН)2, тогда как у смеси 1,5% резиновой шины данное содержание значительно меньше. При этом после двухсуточного твердения потеря массы наибольшая у образцов, обладающих наибольшей прочностью, а через 28 суток твердения закономерности не наблюдается (рис. 4).
Рис. 4 Термограммы гидратированных цементов, с использованием 0, 1.5 и 2.0% ГВ
резиновой шины при обжиге клинкера
Основным показателем, от которого зависит эффективность использования горючесодержащих отходов, является экономия технологического топлива. При использовании 2% автомобильных шин экономия может составить около 12%.
Вывод. С позиции применения горючесодержащих отходов, подтвержден потенциал использования автомобильных шин для экономии основного технологического топлива, а также выявлены следующие положительные стороны от введения данного отхода в процессе получения клинкера, на основании, как проведенного исследования, так и многолетнего мирового опыта [10–15]:
- шины обладают высокой калорийностью, вследствие чего при введении всего 2% шин возможна замена до 12% основного технологического топлива;
- шины безотходно используются при получении клинкера, то есть наличие металлического корда не ведет к неблагоприятным последствиям, а способствует замене небольшой части железосодержащего компонента. Зольная часть составляет 4,7% шин, и при введении 2% отхода не требует корректировки сырьевой смеси.
- применение автомобильных шин в процессе получения цементного клинкера практически не оказывает влияние на качество готового продукта.
1. Бушихин В.В., Ломтев А.Ю., Колтон Г.П. Вовлечение в хозяйственный оборот резиновой крошки и альтернативных видов топлива // Экология производства. 2014. №10. С. 59-62.
2. Аленцин Б.В.М., Полужникова А.С. Утильные шины - альтернативное топливо для цементной промышленности. Формирование сырьевых потоков // ЦементИнформ. 2014. №1. С. 29-30.
3. Кузьменков М.И., Хотянович О.Е., Мельникова Р.Я., Сушкевич А.В. Влияние продуктов сгорания изношенных автомобильных покрышек на качество цемента и бетона // Цемент и его применение. 2013. №4. С. 103-104.
4. Просвирин С.А., Хотянович О.Е. Использование отходов для подготовки альтернативного топлива на ОАО «Мордовцемент» // Цемент и его применение. 2012. №6. С. 76-79.
5. Шубин В.И. Применение техногенных материалов, в том числе и горючих отходов при производстве цемента // Цемент Информ. 2014. №1. С. 3-8.
6. Мандрикова О.С., Борисов И.Н. Применение топливосодержащих отходов в производстве цемента // Цемент Информ. 2014. № 1. С. 9-11.
7. Романенко В.П. Применение в качестве альтернативного топлива при обжиге клинкера изношенных автомобильных шин и торфяных брикетов на ОАО «Белорусский цементный завод // Цемент Информ. 2014. №1. С. 31-33.
8. Tokheim L.-A, Dr.-Ing. Kiln system mod-ification for increased utilization of alternative fuels as Norcem Brevik // Cement international. 2006. №4. Vol. 4. C. 52-59.
9. Шины, в качестве топлива в цементных печах [Электронный ресурс]. URL: http://www.cement.ucoz.ru/publ/57-1-0-87 (дата обращения: 20.08.2018).
10. Скупин Л. Использование альтернативных видов топлива // Цемент. 2013. №4. С. 130-132.
11. Киреев Ю.Н., Шюрманн Х. Альтернативное топливо и альтернативные сырьевые материалы - опыт КНD HUMBOLDT WEDAG на постсоветском пространстве // ЦементИнформ. 2014. №1. С. 15-20.
12. Rivero R., Del Rio R. An advanced technological strategy for energy and the environment // Strategic Planning for energy and the environment. 2000. Vol. 19. № 3. P. 9-24.
13. Бушихин В.В., Полозев Г.М., Кайгородов О.Н., Федосеев О.Е. Традиционные энергоносители и альтернативное топливо // Цемент. 2013. №1. С. 80-84.
14. Князев Я.И., Желтобрюхов В.Ф. Мировой опыт использования ТБО для цементной промышленности // Цемент Информ. 2014. №1. С. 66-73.
15. Мирошникова О.В., Борисов И.Н. Использование различных горючих отходов в производстве цемента // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. №7. С. 71-76.
