Управление на емисии при производството на цимент

Производството на цимент и съпътстващите процеси по манипулиране на суровините, добавките и горивата, включително тези от отпадъци, водят до генериране на емисии на отпадъчни газове, замърсяващи въздуха. В Директива 2008/50/ЕО е представен списък на основните замърсяващи въздуха вещества, които трябва да бъдат взети предвид при определяне на качеството на атмосферния въздух. Емисиите от циментовата промишленост, включително и с използването на отпадъци като гориво, които следва да бъдат управлявани съгласно европейското законодателство, са: азотни оксиди (NO_x) и други азотни съединения, серен диоксид (SO₂) и серни съединения, прах, летливи органични съединения (ЛОС), полихлорирани дибензо-P-диоксини и дибензофурани (PCDD и PCDF), метали и техните съединения, флуороводород (HF), хлороводород (HCl), и въглероден оксид (CO). С производството на цимент е свързано и отделянето на значителни количества въглероден диоксид (СО₂), макар той да не е посочен в списъка.

Основните замърсители от циментовата индустрия се емитират от пещната система като резултат от физикохимичните реакции, протичащи с участието на суровините и изгаряните горива. Изходящите от циментовата пещ газове съдържат предимно азот от горивния въздух, въглероден диоксид от калцинирането на калциевия карбонат и изгарянето на гориво, водни пари от горивния процес и суровините и излишен кислород.

Във всички пещни системи твърдият материал се движи в противоток на горещите горивни газове, като това оказва влияние върху емисиите на замърсителите, тъй като се наподобява действието на вграден циркулиращ флуидизиран слой. Много от компонентите, получаващи се в резултат от изгарянето на горивото или превръщането на суровината в клинкер, остават в газова фаза само докато бъдат адсорбирани от или кондензират върху движещата се в противоток суровина.

Абсорбционната способност на материала варира в зависимост от физикохимичните му характеристики, а това, от своя страна, зависи от местоположението му в пещта. Например материалът, преминал етапа на калциране, има високо съдържание на калциев оксид и следователно има висок адсорбционен капацитет за киселинни съединения като HCI, HF и SO₂.
Емисионните характеристики на пещите зависят до голяма степен от природата на използваните суровини и горива, възрастта и дизайна на съоръженията, както и от изискванията, определени от компетентния орган по издаване на разрешителни за експлоатация.

Източници на емисии
Основните източници на прахови емисии са процесите на подготовка на суровините – смилане и сушене (мелници и сушилни), изпичането на клинкера (пещи и клинкерни охладители), подготовката на горивото и мелниците за смилане на готовия цимент. Дифузни прахови емисии може да възникнат и по време на съхранението и манипулирането на материали и твърди горива, например от открити складове, конвейери за суровини, както и от пътни настилки при транспорт.

Горенето на клинкер е високотемпературен процес, водещ до формиране на азотни оксиди. Те се образуват по време на процеса на горене или чрез комбинация от горивен азот с кислород, или чрез комбинация от атмосферен азот и кислород в горивния въздух.

Емисиите на серен диоксид зависят от общото количество вложени серни съединения и от вида на прилагания процес. Те се определят основно от съдържанието на летлива сяра в суровините и отчасти в горивата. Постъпващите малки количества органични съставки чрез естествените суровини по време на процеса на изгаряне на клинкер са причина за емисиите на СО и органично свързан въглерод.

Емисиите на полихлорирани дибензодиоксини и дибензофурани (PCDD/F) са резултат от конструкцията на пещта и протичащите процеси, условията на горене, характеристиките на суровините, вида и работата на оборудването за контрол на емисиите. PCDD/F може да се образуват в/след предварителното подгряване, както и в устройствата за контрол на замърсяването на въздуха, ако са налични в достатъчни количества хлор и въглеводородни прекурсори от суровините.

Емисиите от хлороводород и флуороводород обикновено са незначителни и са резултат от входящите в пещната система суровини и/или горива.

Емисиите на амоняк възникват още в началните етапи на процеса от използваните суровини, като съдържанието на NH₃ в димните газове от циментовите пещи може да достигне до 200 mg/Nm³. Допълнителни количества на NH₃ могат да се отделят вследствие на прилаганите техники за намаляване на емисиите като например селективна некаталитична редукция (SNCR), от която могат да се генерират и емисии на нереагирал амоняк.

Други органични замърсители, отделящи се от процеса на производство на цимент, са хлорбензени и полихлорирани бифенили. В някои случаи при специални работни условия се изисква измерването на концентрацията на тези вещества.

Производството на цимент е значителен източник на емисии на въглероден диоксид. По данни от проучвания, циментовата промишленост емитира приблизително 2,4% от световните емисии на CO2 от индустриални и енергийни източници. Въглеродният диоксид се отделя по време на производството на клинкер. Той е страничен продукт от процеса на калциниране, който се извършва в горната, по-хладна част на пещта при температури от 600 до 900°С, и води до превръщането на карбонатите в оксиди.

Прахови емисии
Голяма част от емисиите на фини прахови частици (PM₁₀, PM_2.5) могат да се намалят чрез понижаване на общото натоварване с прах и използване на високоефективни системи за обезпрашаване. В миналото за тези цели са били използвани различни обезпрашаващи устройства, но понастоящем най-разпространени са ръкавните филтри, електрофилтрите, както и комбинация от двата вида, т. нар. хибридни филтри. Понякога се използват ламелни филтри, но в повечето случаи те не са подходящи за циментовите пещи.

Събраният прах може да се рециклира обратно в производствените процеси, когато това е практично. Той може да бъде върнат директно в пещта за изпичане (съдържанието на алкални метали е ограничаващ фактор) или да бъде смесен с готови циментови продукти. Налични са и алтернативни методи за оползотворяване на материала, който не може да бъде рециклиран.

Емисии на NO_x
За контролиране или намаляване на емисиите на NO_x е подходящо използването на една техника или комбинация от първични и/или процесно-интегрирани и вторични методи. Първичните техники включват: понижаване на температурата на пламъка, например чрез високо съдържание на вода, течни/твърди отпадъци; нискоемисионни горелки; изпичане в средната част на пещта; добавяне на минерализатори за подобряване на горимостта на суровинното брашно (минерализирания клинкер); поетапно изгаряне (с конвенционални горива или такива от отпадъци) също в комбинация с прекалцинатор и използването на оптимизирана горивна смес; оптимизация на процесите. Освен това могат да се прилагат и вторични техники за редуциране на емисиите на NO_x като селективна некаталитична или каталитична редукция.

Емисии на SO₂
Първата стъпка по отношение на управлението на SO₂ е да се вземат предвид първичните техники за оптимизация на процеса например чрез подобряване ефективността на изгаряне на клинкера, равномерно разпределяне на зарежданите в пещта суровини и предотвратяване на редукционните условия, както и чрез внимателен избор на суровини и горива. От решаващо значение за емисиите на SO₂ е концентрацията на кислород във входната зона на пещта. Увеличаването на съдържанието на кислород в пещи с голяма дължина понижава нивото на SO₂, но повишава концентрацията на NO_x. За да се постигне специфицираното качество на продукта обаче, за процеса на изпичане на клинкер е необходим излишък на кислород.

Емисии на CO и ЛОС
Изборът на суровини е важен за намаляване на емисиите на СО – в случаите, когато това е възможно, за предпочитане са суровини с ниско съдържание на органична материя. Други съществени възможности за редуциране на тези емисии са оптимизиране на горивния процес, качеството на подаваното гориво, свойствата и конфигурацията на горелките, потока, температурата на горене и времето на престой в пещта.

При нормални обстоятелства емисиите на летливи органични съединения обикновено са ниски. Повишение може да се наблюдава при високо съдържание на органични летливи вещества в използваната суровина. Също така при вторично изпичане в пещта не трябва да се използват горива с високо съдържание на халогени. При повишени концентрации на ЛОС от циментовата индустрия за тяхното улавяне може да се приложи адсорбция с активен въглен.

Емисии на PCDD/F
Циментовите пещи обикновено изпускат много ниски нива на емисии на PCDD/F. Въпреки това, за да се сведат до минимум техните концентрации, могат да се прилагат общи първични техники като например осигуряване на стабилен процес в пещта и експлоатация при близо до зададените стойности на процесните параметри. Това може да бъде постигнато чрез: оптимизация на процеса на управление, включваща компютъризирана автоматична система за управление; използване на съвременни системи за подаване на гориво; минимизиране на използването на гориво чрез предварително загряване и прекалцинация, като се има предвид съществуващата конфигурация на пещта; внимателен подбор и контрол на веществата, постъпващи в пещта; избора и употребата на хомогенни суровини и горива с ниско съдържание на сяра, азот, хлор, метали и летливи органични съединения, когато това е възможно.

За да се сведе до минимум възможността за формирането на PCDD/F, се прилагат следните основни техники:

• бързо охлаждане на димните газове до температури под 200°C в дълги мокри и дълги сухи пещи без предварително подгряване. В съвременните пещи с предварително загряване и калцинация тази характеристика вече е даденост;
• ограничаване или избягване на употребата на отпадъци като суровина, ако съдържат органични хлорирани материали;
  да не се използва захранване с гориво от отпадъци при стартиране и спиране на пещта;
• мониторинг и стабилизиране на критичните процесни параметри например осигуряване на хомогенна суровинна смес и гориво, регулярна дозировка и излишък на кислород;
• горива с високо съдържание на халогени не трябва да се използват в процеса на вторично изпичане.

Ако се наблюдават повишени концентрации на PCDD/F, може да се приложи адсорбция с активен въглен.

Емисии на метали
Подаването на суровини с високо съдържание на летливи метали в пещната система трябва да се избягва. Използването на материали с високо съдържание на летливи метали като Hg и Tl трябва да се контролира с особено внимание, тъй като те могат както да доведат до повишаване на емисиите, така и да се натрупат в клинкера и праха. Внимателният избор и гарантираните характеристики на веществата, постъпващи в пещта, могат да намалят емисиите, например като се използва система за осигуряване на качеството, която да валидира параметрите на използваните отпадъчни материали.

Тъй като емитираните метали (с изключение на част от живака) до голяма степен са свързани с праха, стратегиите за ограничаване на емисиите им се припокриват с тези, прилагани за изпусканията на прах. Ефективното отстраняване на праха редуцира и металните емисии.

Един от начините да се сведат до минимум емисиите на живак е да се намали температурата на димните газове. Нелетливите елементи остават в процеса и излизат от пещта като част от състава на циментовия клинкер.

Друга възможност за улавянето на емисиите на метали е посредством адсорбция с активен въглен. Полулетливите метали кондензират като фини пари и се улавят, но с по-ниска ефективност, отколкото при нелетливите метали, които се задържат в клинкера.