Преимущества и проблемы использования шлама в качестве сырья при производстве цемента

На цементную промышленность приходится примерно 7-8% глобальных выбросов CO2, обусловленных в первую очередь кальцинацией известняка и сжиганием ископаемого топлива. В поисках низкоуглеродных, круговых альтернатив, ил - полутвердый побочный продукт очистки муниципальных и промышленных сточных вод - появился в качестве перспективного сырья. При правильной обработке ил может заменить как традиционное сырье, так и ископаемое топливо в производстве цемента, уменьшая заполнение земельных участков, сохраняя природные ресурсы и снижая чистые выбросы. Однако путь к широкому распространению не лишен технических, экологических и нормативных препятствий. Эта статья посвящена преимуществам и проблемам использования ила в качестве сырья в производстве цемента, предлагая сбалансированный взгляд для профессионалов отрасли и практиков устойчивого развития.

Что такое ил и почему он относится к цементу?

Ил представляет собой остаточное твердое вещество, образующееся при обработке сточных вод, будь то из муниципальных систем канализации, промышленных процессов или установок очистки воды. Он содержит органическое вещество, неорганические минералы (включая кальций, кремний, алюминий и оксиды железа), патогены и потенциально вредные загрязнители, такие как тяжелые металлы и органические микрозагрязнители. Состав широко варьируется в зависимости от источника и применяемого процесса обработки (первичное, вторичное, третичное, анаэробное пищеварение и т. Д.).

Исторически сложилось так, что исландский слож утилизируется путем захоронения, использования земли (в качестве удобрения/поправки к почве) или сжигания. Все три маршрута имеют недостатки: захоронение отходов потребляет ценное пространство и может производить метан, применение земли вызывает обеспокоенность по поводу накопления тяжелых металлов в почве, а сжигание требует энергии и генерирует золу. Использование ила в качестве сырья в цементных печи предлагает четвертый, более круговой вариант, который может одновременно управлять отходами и декарбонизировать производство клинкеров.

Актуальность заключается в химии цемента. Обычный портландцемент производится путем обжига смеси известняка (CaCO3), глины (кремнезема и глинозема) и железосодержащих материалов при температуре около 1450 ° C. Полученный клинкер содержит силикаты кальция, алюминат и ферриты. Ил обычно содержит кремнезем, глинозем и кальций - элементы, которые могут частично заменить натуральное глинистое и известняковое сырье. Кроме того, органическая фракция ила обеспечивает теплотворную ценность, позволяя ему действовать как альтернативное топливо, уменьшая потребность в угле или нефтяном коксе.

Ключевые преимущества использования шлама в производстве цемента

Отвод отходов и сокращение свалок

Включение шлама в производство цемента отводит значительный поток отходов со свалок. Муниципальные очистные сооружения в развитых странах производят миллионы тонн осадка ежегодно; использование даже части этого в цементных печи может резко снизить экологическое бремя захоронения отходов, включая выработку лишата и выбросы парниковых газов (метан от анаэробного разложения). Например, исследования промышленности показывают, что замена всего 5-10% обычного сырья осадком может отводить тысячи тонн отходов на завод каждый год.

Сокращение выбросов CO2

Производство клинкера выделяет CO2 из двух источников: кальцинирование известняка (около 60% выбросов процесса) и сжигание топлива (около 40%). Использование ила может уменьшить и то, и другое. Неорганическая минеральная фракция (особенно кремнезем и глинозем) может заменить некоторое количество известняка, снижая количество CaCO3, которое должно быть кальцинировано. Кроме того, органическое содержание ила горит во время спекания, вытесняя ископаемое топливо. Некоторые исследования сообщают, что совместная обработка осадка сточных вод в цементных печи может уменьшить общие выбросы CO2 на 10-20% на тонну клинкера, в зависимости от типа и скорости замещения осадка. Кроме того, поскольку цементные печи работают при очень высоких температурах с длительным временем пребывания, органическая фракция полностью сжигается, и многие загрязняющие вещества разрушаются или обездвиживаются в клинкерной матрице.

Циркулярная экономика и эффективность ресурсов

Использование осадка в качестве сырья воплощает принципы круговой экономики: поток отходов становится ценным вкладом для другой отрасли. Он сохраняет природные ресурсы (известняк, глина, сланец, железная руда) и уменьшает воздействие на окружающую среду карьеров и транспорта. Европейская ассоциация цемента (CEMBUREAU) признала альтернативное сырье, такое как осадок, необходимым для достижения чистых нулевых амбиций отрасли. Кроме того, некоторые очистные сооружения сообщили об экономии затрат, когда они продают или отдают осадок цементным заводам вместо оплаты сборов за свалку - создавая беспроигрышную ситуацию для обоих секторов.

Энергосбережение

Ил обычно имеет чистую теплотворную ценность (NCV) 10-15 МДж/кг сухого вещества, сравнимую с низкосортными углями. В цементных печи эта теплотворная ценность полностью используется, снижая потребление первичного ископаемого топлива. Высокая температура процесса обеспечивает полное сгорание органического вещества, а минеральная зола становится частью клинкера - уникальное преимущество по сравнению с выделенным сжиганием, где пепел должен быть засыпан. Цементные заводы, которые совместно обрабатывают ил, часто сообщают, что ил вносит 5-20% от общего спроса на тепловую энергию.

Основные проблемы и как их решить

Переменная в составе шлама

От ила далеко не однородно. Его химический состав зависит от источника (муниципальный против промышленного), процесса обработки, сезонности и даже времени суток. Изменения в кальции, кремнеземе, глиноземе, железе и особенно влажности могут нарушить химию сырой смеси, влияя на качество клинкера и работу печи. Например, внезапный всплеск фосфора или серы может вызвать образование кольца в печи или ухудшить прочность цемента.

Решения: Реализуйте строгий контроль качества кормов. Цементные установки обычно смешивают шлам с другим сырьем в пропорциональных силосах, используя онлайн-анализаторы рентгеновской флуоресценции (XRF) для корректировки смеси в режиме реального времени. Предварительная гомогенизация шлама (например, путем смешивания лагун или смесей) помогает сгладить изменчивость. Некоторые растения также требуют от поставщиков шлама предоставлять сертифицированные данные о составе до принятия.

Содержание влаги и сухие затраты

Сырой ил от очистки сточных вод может содержать 70-80% воды. Использование его непосредственно в печи увеличит потребление энергии для испарения и снизит тепловую эффективность. Механическое обезвоживание (центрифуги, фильтр-прессы) может снизить влажность примерно до 60-70%, но даже это слишком высоко для эффективного корма для печи. Тепловая сушка часто необходима для достижения 10-20% влаги, но это потребляет энергию и добавляет стоимость.

Растворение:] Многие цементные заводы установили интегрированные системы сушки осадка, которые используют отработанное тепло от клинкерного охладителя или выхлопа печи. Этот подход «термической валоризации» высушивает осадок без дополнительного расхода топлива. Альтернативно, осадок может быть совместно обработан в специальной сушилке, которая использует альтернативные виды топлива. Некоторые объекты также принимают осадок в полусухом состоянии от очистных сооружений, которые имеют собственное сушильное оборудование.

Тяжелые металлы и управление загрязнителями

Ил содержит следы тяжелых металлов, таких как кадмий, ртуть, свинец, хром, никель и цинк. Если не управлять должным образом, эти металлы могут выщелачиваться из конечного цементного продукта или выделяться в дымовых газах печи. Ртуть, в частности, летучая и может выделяться во время сгорания. Нормативно-правовые ограничения на содержание тяжелых металлов в цементе (например, Европейский стандарт EN 197-1) и выбросы (Директива о промышленных выбросах) ограничивают допустимую долю ила в сырой смеси.

Растворение:] Цементные печи работают при температурах 1450°C или выше, с длительным временем пребывания газа (до 6-8 секунд). В этих условиях большинство тяжелых металлов инкорпорируются в кристаллическую решетку клинкера, эффективно иммобилизуются. Нелетучие металлы (например, хром, никель, цинк) связаны в фазах клинкера. Нелетучие металлы, такие как ртуть и кадмий, могут захватываться мешковыми фильтрами и электростатическими осадителями, и их выбросы жестко контролируются. Растения, которые совместно обрабатывают ил, должны регулярно анализировать как и шлам, и клинкер для обеспечения соответствия соответствующим стандартам. Методы предварительной обработки, такие как химическая стабилизация или тепловая волатилизация (для ртути), могут дополнительно снизить риски.

Органические загрязнители и патогены

Осадок может содержать органические микрозагрязнители (например, фармацевтические препараты, эндокринные разрушители, антипирены) и патогены (бактерии, вирусы, паразиты). Если они не будут уничтожены, они могут представлять опасность для здоровья и окружающей среды.

Растворение:] Высокая температура и длительное пребывание в цементной печи более чем достаточны для уничтожения практически всех органических соединений (включая диоксины и фураны) и для пастеризации или стерилизации материала. Исследования показали, что эффективность разрушения превышает 99,99% даже для самых стойких органических веществ. Промышленные испытания подтверждают, что совместное переработка осадка не приводит к увеличению выбросов диоксина при правильном поддержании условий печи. Кроме того, щелочная среда в печи помогает нейтрализовать кислые загрязнители.

Регулирующие и разрешающие препятствия

Многие юрисдикции классифицируют ил (особенно муниципальный осадок сточных вод) как отходы, что обусловливает его использование в качестве сырья или топлива для строгих правил обращения с отходами. Цементные заводы должны получать разрешения, которые определяют приемлемые типы осадков, максимальные скорости замены, пределы выбросов и требования к мониторингу. Процесс выдачи разрешений может быть длительным и дорогостоящим.

Решения: В Европейском союзе критерии прекращения отходов (в соответствии с Рамочной директивой по отходам) позволяют некоторым очищенным осадкам перестать быть отходами, если они соответствуют конкретным стандартам качества (например, пределам содержания тяжелых металлов, стабильности). Аналогичные рамки существуют и в других регионах. Производители цемента с установленными системами экологического менеджмента (ISO 14001) часто находят более легким ориентироваться в процессе выдачи разрешений. Сотрудничество с очистными сооружениями для производства последовательного, сертифицированного продукта — иногда называемого «биомассовой золой» или «предварительно обработанным осадком» — может упростить утверждение. Руководство Европейского агентства по окружающей среде по промышленным выбросам обеспечивает полезную основу для соблюдения .

Технологии лечения и лучшие практики использования шлама

обезвоживание и высыхание

Механическое обезвоживание (нажим на ремень фильтра, центрифуга, винтовой пресс) уменьшает влагу с ~80% до ~60%. Тепловая сушка (сушильные барабаны, сушилки для жидкостного слоя, сушилки для ремня) может дополнительно снизить влагу до 10-20%. Для цементных печей целевая влажность обычно ниже 20%, чтобы избежать чрезмерного потребления энергии. Многие современные цементные заводы интегрируют флэш-сушку, которая использует выхлопные газы горячей печи для высыхания шлама на месте, повышая общую энергоэффективность.

Со-обработка в качестве альтернативного топлива и сырья (AFR)

Наиболее распространенным методом является впрыскивание высушенного или полусухого ила в воздуховод грейсера или в основную горелку. Ил служит как топливом (его органическое содержание горит), так и сырьем (его минеральная зола становится частью клинкера). Скорость замещения обычно ограничивается 5-15% теплового входа и 2-5% сырья корма, чтобы избежать нарушения химии печи. Расширенные растения используют ил в прекальцинере, где температура составляет около 900-1100 ° C, обеспечивая идеальные условия сгорания для органического вещества.

Использование Sewage Sludge Ash (SSA)

Вместо использования сырого ила некоторые цементные заводы совместно обрабатывают осадок сточных вод, полученный из специализированных установок сжигания. SSA является сухим, стерильным и имеет довольно последовательный состав, богатый кремнеземом, алюминием и кальцием. Его можно подавать непосредственно в сырую мельницу в качестве частичной замены глины и известняка. Этот подход устраняет проблемы, связанные с влагой, и снижает риск органических загрязнителей, хотя этап сжигания добавляет свою собственную стоимость энергии. Исследования SSA показывают, что уровни замещения до 10% в сырой пище возможны без ущерба для качества цемента .

Реально-мировое внедрение и тематические исследования

Несколько производителей цемента успешно интегрировали ил в свою деятельность. Например, Holcim управляет цементными заводами в Швейцарии, которые совместно перерабатывают осадок сточных вод в течение более 20 лет, достигая коэффициентов замещения 10-15% от общей тепловой энергии. Завод LafargeHolcim в Германии, как сообщается, использует ил для замены до 20% потребления ископаемого топлива. В Соединенных Штатах программа устойчивого управления материалами EPA выделяет цементные печи в качестве предпочтительной технологии для управления осадком при условии соблюдения стандартов выбросов. Эти тематические исследования показывают, что при надлежащей предварительной обработке, контроле качества и нормативном соблюдении осадок может быть надежным сырьем и источником топлива.