Аннотация
V. Vinnichenko, A. Ryazanov Ecological indices of manufacture of Portland cement clinker and production of the dolomite clinker. Показано, что производство доломитового клинкера в сравнение с портландцементом является экологически приемлемым. В момент прокаливания доломита для цементного связующего, загрязнение атмосферы углекислым газом уменьшается за счет его изоляции во время реакции декарбонизации карбонатов кальция. Уменьшение расхода топлива для сжигания клинкера обеспечивает меньшее количество выбросов диоксида углерода от продуктов сгорания. Снижение температуры обжига создает препятствия к образованию оксидов азота. Производство связующих из доломита по сравнению с производством портландцемента способствует защите окружающей среды от загрязнений.
1 Введение
Основным направлением промышленного развития является снижение затрат на электроэнергию для производство продуктов с одновременным уменьшением нагрузки на окружающую среду. Доломитовые породы являются одним из наиболее распространенных и недостаточно освоенных в строительной промышленности сорта минерального сырья. Они могут использоваться для производства различных типов связующих и строительных материалов на их основе [2 -4]. Один из преимущества таких связующих - значительно меньшие затраты энергии на обжиг, сравниваемые к производству портландцемента [5].
2 Результаты и их обсуждение
2.1 Выбросы CO2 в атмосферу из сырой смеси
Экологи предупреждают, что если невозможно снизить выброс в атмосферу диоксид углерода, то нашу планету ждут катастрофы [6], связанные с увеличением из-за так называемого парникового эффекта. Это явление объясняется фактом, что углекислый газ мягко скользит солнечными лучами на Землю, а тепловое излучение от Земли в пространстве усложняется тем, что составляет «парниковый эффект». Диоксид углерода CO2 выделяется в результате разложения химических соединений карбоната кальция и магния, которые являются частью смесей для производства цементного клинкера. При прокаливании доломита для производства цементного доломитового связующего, основными продуктами горения являются оксид магния MgO, углекислый газ (CO2 ) и карбонат кальция (СаСО3). Декарбонизация карбоната кальция не проводится, поскольку температура обжига поддерживается ниже начала разложения СаСО3. Процесс продолжается согласно реакции : [5]
При обжиге портландцемента сырая цементная мука, карбонаты кальция и магния полностью диссоциируются с образованием оксида кальция, оксида магния и углекислого газа путем реакции:
При обжиге доломита диоксид углерода выделяется только в результате декарбонизации карбоната магния. Сжигание портландцементного клинкера сопровождается выделением диоксида углерода из разложенного карбонат кальция и карбонат магния в соответствии с выше предложенными реакциями.
Выход сырья на 1 тонну клинкера химически связанного диоксида углерода из карбоната магния и кальция определяется по формуле [7]:
В таблице 1 представлен химический состав доломита Докучаевского флюсо-доломитного комбината, а также сырая смесь цементного клинкера согласно [8].
| Вид сырья | LOI | SiO2 | Fe2O3 | Al2O3 | CaO | MgO | Другое | Сумма |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Доломит | 45,92 | 2,15 | 0,60 | 0,52 | 29,83 | 20,53 | 0,45 | 100 |
| Сырьевая смесь цементного клинкера | 38,00 | 12,92 | 1,13 | 3,09 | 66,19 | 1,41 | 0,09 | 100 |
Из таблицы 1 следует, что содержание оксидов кальция и магния в цементной сырой муке выше, чем в доломитах. Если сравнить выброс углекислого газа из портлендацементной сырой муки, то получим данные - 0,565 т / т клинкера [7] и доломита - 0,340 т / т клинкера, затем сокращение выхода СО2 из материала во время прокаливания доломита составит 60%.
2.2 Выбросы CO2 в результате сжигания смеси
Теоретические затраты на тепловую энергию для образования доломитового клинкера представляют собой стоимость тепла для диссоциации MgCO3, определенного количества CaCO3, а также обезвоживания примесей [5].
Рассчитанная по этой формуле значение теоретической стоимости тепловой энергии для обжига доломита, который представлен в таблице 1, составляет 225 ккал / кг клинкера. Для сравнения теоретическое потребление тепла для спекания портландского клинкера Краматорского цементного завода составляет 425 ккал / кг клинкера. Фактический расход топлива при обжиге зависит от влажности содержание сырья и коэффициента эффективности тепловой единицы. Другими словами, если исходное содержание влаги в исходной смеси и эффективность печи равны, то расход топлива для прокаливания доломитового клинкера на 47% ниже по сравнению с портландцементный клинкер. При сжигании топлива большая часть углерода преобразуется в углекислый газ. Образование CO2 прямо пропорционально количеству сжигаемого топлива, поэтому выброс углекислого газа в атмосферу во время сжигания топлива будет снижаться. Поэтому производство доломитового клинкера по сравнению с производством портландцементного клинкера представляет собой более низкий экологический риск для окружающей среды в условия выбросов диоксида углерода.
Мы провели экспериментальные исследования доломитового клинкера и цемента [7], [8], [9].
Исследования выявили рациональную температуру обжига и характеристики полученного материала. Температура обжига составляет 700-780 °С.
Образцы были сформированы двумя способами: с песком (цемент в соотношении 1: 3) и без песка. Затворение осуществляли с помощью раствора хлорида магния, разбавленный водой до плотности 1,2 г / см3, при использовании песка прочность на сжатие образцов составляла 22,5 МПа за 28 дней. Прочность на сжатие образцов после 28 дней, полученных формованием без песка 59,5 МПа. Результаты физико-механических испытаний представлены в Таблица 2.
| Содержание активного оксида кальция в клинкере | Остаток на сите (008) | Формирующий метод | W/C | Время схватывания (начало) | Время схватывания (конец) | Предел прочности на сжатие (1 день) | Предел прочности на сжатие (3 дня) | Предел прочности на сжатие (7 дней) | Предел прочности на сжатие (14 дней) | Предел прочности на сжатие (28дней) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| СаО (0,61) | 9,3 | 1:3 ( с песком) | 0,42 | - | - | 6,5 | 11,0 | 13,5 | 18,0 | 22,5 |
| СаО (0,61) | 9,3 | без песка | 0,30 | 0,45 | 2,35 | 18,8 | 25,0 | 43,8 | 50,0 | 59,5 |
2.3 Образование оксидов азота
Сжигание органического топлива приводит к образованию основного продукта сгорания в форму диоксида углерода, водяного пара, оксидов серы (при использовании твердого и жидкого топлива) и оксида азота. Наиболее токсичные выбросы оксидов азота вызывают первоочередную потребность в снижении выбросов в атмосферу. Количество образующихся оксидов азота определяется условиями горения топлива. Факторы, влияющие на образование NOx: температура вспышки в камере сгорания, время пребывания газа в высокотемпературной зоне, концентрации кислорода и азота в зоне горения, температура нагрева воздуха, предназначенного для сжигания топлива. Наибольшее влияние на количество образующихся оксидов NOx оказывает температура, при которой происходит сжигание. По данным Американского института нефти [11] образование NOx на пламени температура 1900 °С в два раза выше по сравнению с образованием при температуре 1300 °С. Температура материала при прокаливании доломита находится в интервале около 750-780 градусов Цельсия, а в производстве портландцементного клинкера - 1330-1360 °С. Температура горения топлива во вращающихся печах превышает температуру материала на 300-400 °С. Анализируя эти цифры, можно сделать вывод, что при прокаливании доломита снижение температуры обжига поможет снизить присутствие токсичных оксидов азота в продуктах сгорания.
3 Вывод
Показано, что производство доломитового клинкера по сравнению с продуктом портландацемента экологически обоснован:
1) Загрязнение атмосферы парниковыми образованиями оксидов углерода уменьшается на более 60%
2)Температура прокаливания доломитового клинкера ниже на 420-580 °С по сравнению с портландцемент, ухудшает условия образования токсичных оксидов азота.
Список использованной литературы
1. V. Zyrjanova, G. Berdov, N. Tjuleneva. Current problems in construction and architecture, 189 (2007)
2. G. Shabanova, Proc. scientific. works UkrSART, 138, 148-154 (2013)
3. C. Mazuranic, J. Amer. Ceram. Soc. 65 (10), 523-526 (1982)
5. A. Volzhenskij, Mineral'nye vjazhushhie veshhestva (Moscow, Stroyizdat, 1986)
6. Climate Change. The Physical Science Basis (2013)
7. H. Vorobyov, D. Mazurov, Thermotechnical calculations of cement kilns and apparatus, 134, (Moscow, 1962)
8. V. Vinnichenko, А. Ryazanov, Ecology and industry, 2, 111 (2013)
9. A. Plugin, V.Vinnichenko, O. Borzjak, Proc. scientific. works UkrSART, 143, 87-97 (2014)
10. A. Ryazanov, V. Vinnichenko, A. Plugin, Proc. scientific. works UkrSART, 138, 77-85 (2013)
11. Burners for Fired Heaters in General Refinery Services, 12 (1995)