Ушедший XX в. оставил человечеству значительные свершения в области науки, техники, высоких технологий, а также химии и технологии производства вяжущих веществ. Вместе с этим деятельность человека зачастую негативно влияет на экологическое состояние планеты. Здесь много проблем, и среди них — очистка окружающей среды от загрязняющих веществ, а также отходов промышленных производств.
Известно, что традиционным способам производства цемента присущи недостатки:
• мокрый способ характеризуется большими энергозатратами на производство клинкера, связанными в основном с испарением влаги, и высокими капвложениями;
• сухой способ отличается сложностью приготовления сырьевой смеси, управления процессом производства, обусловленного необходимостью разделять процессы термической обработки материалов в стационарных теплообменниках и вращающейся печи, и соответственно высокими металле- и капиталоемкостью, а также низким ассортиментом продукции.
В связи с этим отечественные и зарубежные ученые и специалисты уделяют большое внимание разработкам других способов производства цемента. Появившиеся в последнее десятилетие новые способы получения клинкера (радиационная технология, обжиг в "кипящем" слое, обработка материала в микроволновой печи) по ряду причин остались на стадии лабораторных экспериментов.
Один из перспективных способов - метод плавления. В отличие от известного способа изготовления плавленого клинкера в конверторах (метод Серова), разработке которого уделялось много внимания в 1960-х гг., авторы предлагают использовать плазменные печи.
В последнее время электродуговые (или электроплазменные) печи широко применяют при производстве огнеупоров, кварцевого стекла, в металлургической промышленности. Процесс получения плавленых материалов в данных агрегатах технологичен, КПД установок достигает 50—70 %, обеспечивается выпуск изделий широкого ассортимента.
Проведенные исследования с использованием лабораторной электродуговой печи установили принципиальную возможность плазменной переработки цементного сырья различного химического состава, в том числе и техногенных материалов. Полученные данные послужили основой для изготовления опытно-промышленной печи (реактор-сепаратор) и технологической схемы (см. рисунок) для отработки технологических параметров производства портландцементного и специальных видов клинкеров.
Назначение реактора-сепаратора многофункционально: от термической подготовки сырьевых компонентов, завершения эндотермических процессов и обеспечения термовзрыва до синтеза вяжущего в расплаве и селективного извлечения тугоплавких и легкоплавких металлов.
Это связано в первую очередь с тем, что при твердофазовом синтезе цементных клинкеров во вращающихся печах реакции минералообразования завершаются только при многократном обжиге сырьевых смесей, а наличие расплава в системе резко ускоряет процессы химического взаимодействия оксидов. Синтез материалов в данном случае происходит в считанные минуты. При этом достигается значительная степень завершенности реакций образования минералов.
Физико-химическими исследованиями полученных материалов установлено, что во всех случаях наблюдается повышенное (до 10 %) по сравнению с расчетным содержание фазалита в портланд цементном клинкере и диалюмината кальция в высокоглиноземистом клинкере. Это объясняется тем, что при высоком градиенте температуры кристаллизации расплава минералы образуются одновременно без взаимной перекристаллизации. Ускоренное формирование минералов обусловливает также и существенную зональность строения крупных кристаллов, что определяет их большую дефектность и тем самым высокую гидравлическую активность.
Другое важное преимущество новой технологии состоит в том, что при подаче сырьевой смеси через внутренний канал плазмотрона происходит термическое дробление материала и интенсификация процесса теплообмена, что исключает из технологического процесса операцию тонкого измельчения сырьевой смеси.
Получение клинкеров в электроплазменной печи показывает, что данный технологический процесс по затратам сопоставим с мокрым способом производства цемента, а в случае использования высокотемпературных отходов промышленности (например, огненно-жидких шлаков) — с сухим способом. С увеличением емкости печи и соответственно ее производительности, а также при решении вопросов утилизации тепла отходящих газов и при охлаждении расплава удельные энергозатраты могут быть еще уменьшены.
При выпуске специальных клинкеров, таких как высокоглиноземистый, несколько большие энергозатраты существенно не влияют на себестоимость цемента, поскольку она определяется, главным образом, стоимостью исходных сырьевых материалов. При использовании в качестве сырьевых компонентов отходов металлургических производств, наряду с получением клинкеров (вяжущего), почти на 100 % извлекаются и утилизируются редкие и цветные металлы. В этом случае экономическая целесообразность процесса несомненна и очевидна.
Важное значение для получения высококачественного продукта имеет режим охлаждения расплава. Установлено, что оптимальный режим охлаждения достигается при паровоздушной грануляции клинкера. При этом обеспечивается необходимое время для кристаллизации основных фаз и создания напряженно-дефектной структуры клинкерных гранул, что улучшает размолоспособность материала. Размолы клинкеров плавленых и полученных по традиционной технологии не отличаются. Но могут быть использованы и новые методы помола клинкера.
Другое очень важное преимущество новой технологии — возможность комплексной переработки техногенных материалов, в частности, совместное получение сплавов цветных металлов и клинкера. Исследования, проведенные на опытно-промышленной печи, подтвердили такую принципиальную возможность.
В качестве перерабатываемых материалов выбрали отработанный вольфрамникелевый катализатор и мел. Основа катализатора — оксид алюминия (80 % по массе). В нем также содержатся вольфрам (17 %) и никель (3 %). Состав сырьевой смеси рассчитывали таким образом, чтобы в процессе плавки получался высокоглиноземистый клинкер и ферросплав, содержащий 32 % вольфрама и 5,5 % никеля. Отработанный катализатор применяли также потому, что этот материал — один из наиболее сложных для выплавки металлов. Тугоплавкие металлы (Ni, W) плавятся при температурах 1478 и 3200 0С соответственно, а их сплав имеет температуру плавления 1540 0С при условии содержания в этом сплаве вольфрама до 32 %.
В процессе экспериментов подача сырьевой смеси осуществлялась через один полый электрод, а через другой — для стабилизации плазмы подавали азот. Полученный высокоглиноземистый клинкер по своему химическому составу и физико-механическим свойствам соответствует клинкеру для получения высокоглиноземистого цемента.
С точки зрения комплексной переработки материалов представляют интерес шлаки промышленных производств, а также «хвосты» золотоизвлекательных фабрик.
Таким образом, полученные результаты экспериментальной отработки новой технологии позволяют спроектировать производство с низкими затратами. Установку изготовляют индивидуально для каждого вида отходов и монтируют вблизи отвалов.
Технологическая схема работы установки следующая. Сырьевые материалы в виде отходов промышленных предприятий и дополнительных компонентов (СаСОз), необходимые для получения вяжущего заданного состава, подаются в приемные бункеры, оснащенные дозаторами. Затем в дробильном сушильном отделении 2 происходит измельчение смеси до 5 мм, усреднение и подсушка. После этого смесь поступает в реактор-сепаратор 3. Подача материала осуществляется, прямо через плазмотроны в рабочее пространство печи, где происходит термическое дробление, плавление и синтез вяжущего. На выходе из печи в грануляторе клинкерный расплав гранулируется и охлаждается до температуры 60 0С.
С целью утилизации вторичного тепла отходящие газы и возгоны металлов проходят через фильтр 5 и далее в установке 7 происходит утилизация углекислого газа, который перерабатывается в сухой лед.
Тугоплавкие металлы оседают в донной части и периодически сливаются в приемник 8, Легкоплавкие металлы возгоняются и улавливаются в рукавных фильтрах 5. Энергоснабжение технологической линии осуществляется от силового блока 6.
В заключение следует еще раз отметить, что применение плазмы в технологии получения цемента из отходов промышленного производства с одновременным извлечением содержащихся в них металлов и их оксидов позволяет сделать производство мобильным, экологически чистым, с низкими капитальными вложениями, сократить до минимума выбросы пыли и газов, использовать нетрадиционное сырье. Плазма при термообработке материалов — это максимальная для нынешнего состояния техники концентрация энергии и интенсификация технологических процессов. Незначительный расход технологических газов по сравнению с обычными процессами тепловой обработки материалов, в которых используется органическое топливо, позволяет применять современные высокопроизводительные способы пылеулавливания и газоочистки. Высокая (2500 °С) температура в реакционной зоне деструктирует на молекулярном уровне вредные вещества, нейтрализует канцерогены типа диоксинов и бензопиренов, уничтожает неприятные запахи технологических газов.
Наличие эффекта термического дробления компонентов, вызванного высоким температурным градиентом, снижает требования к механическому измельчению сырьевых материалов и исключает из технологической схемы сырьевые шаровые мельницы.
Гомогенизация сырьевых компонентов в расплаве обусловливает высокую реакционную способность сырьевой смеси, ускорение процессов минералообразования, полное усвоение минералообразующих оксидов и, как следствие, высокое качество вяжущего. Возможность полной безотходной утилизации отходов металлургической промышленности в виде шлаковых расплавов, а также утилизация шлаковых отвалов, позволяющих при этом осуществить селективное разделение металлов при одновременном получении вяжущих материалов, предопределяет высокую экономическую, экологическую и энергосберегающую значимость предлагаемой технологии. Создание модульной системы комплектования технологической линии позволяет создать завод по переработке техногенных отходов производительностью по клинкеру от 10 тыс. т в год и более с низкими капитальными затратами.
В результате внедрения новой технологии появляется реальная возможность решения экологической проблемы по утилизации промышленных отходов, накопленных за последние десятилетия на нашей планете.