Эколого-экономическое обоснование использования отходов в промышленности строительных материалов

Определенные  резервы уменьшения расхода цемента  имеются в раздельной технологии приготовления бетонной смеси. Хотя этот метод давно известен, однако до сих пор не нашел применения в технологии бетона. Для получения желаемого эффекта прежде всего, необходимы высокоскоростные смесители емкостью, соответствующей количеству раствора, необходимого на один замес бетонной смеси в обычном смесителе.

Блочно –  модульный комплекс изготовления высококачественных  цементов предназначен для получения гаммы цементов высокого  качества и различного назначения (от кладочных и штукатурных марки 150 – 200, средней прочности марки 400 – 500 и до высокопрочных марки 600 и выше)  при высокой рентабельности, небольших капиталовложениях, экологической безопасности и приближением производства к потреблению.

В Блочно – модульном  комплексе изготовления высококачественных  цементов применяется компактное, высокотехнологичное и надежное конверсионное измельчительное оборудование центробежно-ударного типа НПО «ЦЕНТР» (г.Минск) при  производительности одного блок - модуля 40 000 тонн или 80 000 тонн цемента в год. Получение клинкера осуществляется по «сухой» технологии  (что позволяет достичь существенной экономии энергоносителей и высокой степени «прореагированности» компонентов клинкера за счет их предварительной гомогенизации) в шахтной печи с псевдоожиженным слоем, позволяющей значительно уменьшить занимаемые производственные площади и эксплуатационные затраты. Избыточная энергия шахтной печи используется на сушку компонентов и обогрев помещений, поэтому энергопотери сведены к минимуму.

Производительность  комплекса может быть увеличена  по потребностям заказчика и наращиваться очередями.  
Сопоставительный анализ технико-экономических показателей комплекса  
Научно-производственного предприятия «Цемент – новые технологии» и сходных предложений других производителей показывает следующие преимущества предлагаемого комплекса:

• блочно-модульное построение комплекса позволяет предусматривать постепенное наращивание капвложений, а также существенно повышает надежность всего производства: при останове любого из модулей остальные продолжают выпускать продукцию, что не свойственно громоздкому моноблочному оборудованию иных производителей;
• капиталовложения на тонну производимой за год продукции существенно ниже: 25-30 долларов на тонну  у  Научно-производственного предприятия «Цемент – новые технологии» и 60-80 долларов на тонну годовой производительности у других производителей;
• в отличие от традиционных предложений, предлагаемый комплекс не требует возведения капитальных зданий и сооружений, а может размещаться в легких быстровозводимых сооружениях ангарного типа , причем без массивных фундаментов под оборудование;
• качество изготавливаемого цемента на оборудовании. Научно-производственного предприятия «Цемент – новые технологии» обеспечивается гарантированно выше, чем по традиционной технологии: площадь активной поверхности измельченного клинкера составляет 15000 - 25000 кв.см  (на 1г продукта) против 3500 - 4500 кв.см по традиционной технологии, что позволяет цементу полностью растворяться при затворении, используя весь потенциал прочности, заложенный в химико-минералогической формуле клинкера;
• продолжительность создания производства изготовления цемента Научно-производственного предприятия «Цемент – новые технологии» намного меньше: 8 - 9 месяцев против 12 - 16 месяцев у других производителей;
• себестоимость активации цемента по технологии Научно-производственного предприятия «Цемент – новые технологии» также существенно ниже – не менее чем на 30% - за счет экономного расходования энергоресурсов и применения недорогих исходных компонентов.

Комплекс является экологически безопасной установкой, поскольку выбросы в атмосферу частиц пыли ограничиваются двухступенчатой системой воздухоочистки: грубая очистка производится в циклонах, более тонкая – в рукавных фильтрах. При увеличении требований к минимизации выбросов система воздухоочистки может быть усилена дополнительными фильтрами.

ООО «Цемент  – новые технологии» выполняет  все работы по внедрению комплекса, в том числе:

• проектирование технологии на основе имеющихся исходных компонентов и желаемой готовой продукции, а также выдачу строительного задания заказчику  на строительство или реконструкцию зданий, сооружений и сетей;
• выдача технического задания на изготовление основного и вспомогательного оборудования заводам-изготовителям;
• проведение монтажных работ;
• организация пусконаладочных работ;
• обучение и расстановка персонала,
• сервисное обслуживание производства в течение всего срока его эксплуатации.

Сдача комплексов «под ключ» осуществляется на основании  двух договоров. Первый – это стандартный, адаптированный для конкретных условий  каждого заказчика, договор подряда с указанием перечня выполняемых работ, сроков их выполнения и стоимости. Это плата за материальное содержание. Второй – договор франчайзинга (договор коммерческой концессии) – это плата за «ноу-хау» (за технологию, за способ) получения высококачественного и недорогого цемента из некачественного и дорогого. Это общемировая практика предоставления в пользование – именно в пользование, а не во владение – высоких и высокорентабельных технологий. Условия оплаты по договору франчайзинга более привлекательны, чем плата за лицензию:

• во-первых, оплата по договору франчайзинга начинается только после запуска производства, а не до начала всех работ, как при оплате за лицензию;
• во-вторых, по договору франчайзинга оплата производится в рассрочку, небольшими порциями, а не единовременно, как при оплате за лицензию.

Размеры платежей по договору франчайзинга могут устанавливаться либо в виде фиксированных сумм, либо в виде небольшого процента от стоимости продукции, выпускаемой по сданной в аренду технологии. 
Технологические и технические решения, положенные в основу создания комплекса, являются интеллектуальной собственностью  
Научно-производственного предприятия «Цемент – новые технологии» и не могут быть использованы без письменного его согласия.

ОПИСАНИЕ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  И ТЕХНИЧЕСКИХ  РЕШЕНИЙ

Техническая и  технологическая обоснованность разработанного комплекса базируется на известных свойствах цементного клинкера и на действующем оборудовании в смежных областях промышленности. 
В основе метода лежат исследования о гранулометрическом и химико-минералогическом составе цемента и зависимости прочностных параметров цементного камня от соотношения фракций размером 0-40мкм и 40-80мкм и более – в производимом по традиционной технологии цементе имеются частицы размером и в 200мкм. Опыты показали, что при затворении цемента в раствор переходят мелкие фракции, а более крупные остаются в цементном тесте и после его превращения в цементный камень в виде инертного наполнителя, т.е., по существу, около 50% цемента не используется по своему прямому назначению. 
Причиной такого положения является несовершенство помольных агрегатов (шаровых мельниц) на цемзаводах. По экспериментальным данным, при помоле на центрифугах клинкера (или дополнительной обработке цемента марки 400), получается цемент марки 600-700 и выше (в зависимости от степени измельчения).

Для получения  цементов, отвечающих требованиям ГОСТ (то есть имеющих, кроме прочности на сжатие, и другие параметры в допустимых пределах – прочность на изгиб, сроки схватывания и набора прочности, пластичность и другие), необходимо, кроме достижения высокой тонины помола цементного клинкера, выполнения еще ряда условий:

• размер и форма частиц инертного наполнителя должны быть строго заданными, а соотношение фракций различного размера – строго нормированным;
• для наиболее полного использования физических характеристик исходного клинкера и оптимизации его химико-минералогического состава строго обязательно введение активирующих и корректирующих добавок. Химико-минералогический состав активирующих и корректирующих добавок, их количество, способ введения в клинкер и инертный наполнитель, а также оптимальные размеры и форма частиц инертного наполнителя, соотношение фракций различного размера в нем и представляют основное содержание разработанной технологии – «ноу хау».

На разработанном  комплексе можно производить  и иную продукцию, практически не выпускаемую пока в странах СНГ. 
Речь идет о цементе марки 100-150-200 и о  сухих строительных смесях – для кладки, штукатурки, изготовления полов. Для указанных целей необходимы растворы с прочностью 100 – 150, максимум 200. При изготовлении таких растворов из цемента марки 400 его перерасход достигает 30 – 50% от потребного количества, поскольку кладут цемент в такие растворы уже не по потребности прочностных показателей (цемента необходимо мало и поэтому раствор получается "жесткий"), а по потребности обеспечить текучесть (пластичность) растворов. Оптимальным в такой ситуации был бы выпуск цемента марки 150-200, однако такой цемент не выпускается. 
 
Цемент таких невысоких марок имеет самостоятельный рынок сбыта для вышеуказанных целей. Также при смешивании такого цемента с наполнителями различной крупности и качества можно производить сухие строительные смеси, которые имеют большую привлекательность для потребителей удобством в применении: готовая дозировка вяжущего и наполнителя, широкая гамма упаковок – от 3-5 кг для мелких домашних работ до 50 кг для полупромышленного использования.  
На предлагаемом оборудовании можно также некачественные или пришедшие в негодность по срокам цементы активировать, доводить до более высоких кондиций для дальнейшего их применения.    
 
Технология активации цемента, как показывают расчеты, позволяет снизить себестоимость его производства  не менее чем на 30%, однако такой способ имеет и существенный недостаток – это возможность конкурентов (цементных заводов) перекрыть каналы поставки исходного сырья.     
Для предотвращения такой ситуации и достижения еще более высокой рентабельности изготовления цемента предусмотрена возможность самостоятельного изготовления клинкера: технология его производства не представляет трудностей, как и техническая реализация - промышленность России производит все необходимое для этого оборудование.

В комплексе  приготовление клинкера реализовано  по «сухому способу» (см. технологическую  схему):

«Сухой способ»  получения клинкера состоит из следующих операций:

• сушка исходных компонентов (глина, песок, известняк);
• тонкий помол компонентов;
• гомогенизация компонентов;
• обжиг (спекание) сырьевой смеси в шахтной печи.

«Сухой способ»  получения клинкера имеет огромные преимущества перед традиционным, применяемым цемзаводами, «мокрым способом» получения клинкера:

• существенное снижение трудоёмкости и затрат на подготовку клинкерной смеси;
• экономия энергии не менее чем на 30-40 % за счет ликвидации «мокрых процессов»;
• существенное повышение качества клинкера за счет более полной гомогенизации сырьевой шихты.

Комплекс состоит  из двух функциональных блоков:

• Блока спекания клинкера.
• Блока активации цемента.
• Блок спекания клинкера (см. Технологическую схему блока спекания клинкера ТКИЦ 01.00.000ТС) включает в себя оборудование для сушки исходных компонентов, их весового дозирования, помола до фракций 0,15 - 0,2 мм, тщательного перемешивания (гомогенизации) и спекания для получения минералов – компонентов цемента (алюмосиликатов кальция).

Исходные компоненты (известняк, глина и песок), хранящиеся под навесами (склад сырья) с помощью ковшового погрузчика (поочередно известняк и песок) загружаются в питатель 1 измельчительного комплекса на базе центробежной мельницы МЦ-1,25 – поз.2. Измельченные до фракций 150-200 мкм компоненты раздельно поступают в бункеры-накопители 4 питателем 3. Глина загружается в вальцовую дробилку 6 и питателем 7 подается в отсек глины бункера-накопителя 4. В свой отсек бункера-накопителя 4 подается погрузчиком и измельченный каменный уголь. Отдозированные дозатором 5 фракции компонентов и уголь питателем 8 подаются в смеситель-гранулятор 9, где смесь исходных компонентов гомогенизируется вместе с углем и превращается в однородные гранулы размером 2 мм в целях получения стабильного процесса спекания в печи-реакторе псевдоожиженного слоя 15.

Из смесителя-гранулятора 9 гранулы питателем 10 подаются в  сушильный барабан 11 для закрепления  формы и подогрева перед подачей  на спекание – этим достигается  экономия тепловой энергии за счет использования отходящих газов печи. Из сушильного барабана гранулы питателями 12, 13 и 14 загружаются в печь 15 на спекание. Готовый клинкер из печи 15 питателем 16 подается в бункер-накопитель 17 с последующей передачей в блок активации цемента.

В проекте печь запроектирована на выпуск 5 тонн клинкера в час, то есть на производство композитного цемента 10 тонн в час, а измельчительное оборудование имеет производительность 5 тонн в час. Такое решение принято в связи с намерением заказчика расширить производство цемента  путем добавления в перспективе  измельчительное оборудование производительностью 5 тонн в час. При запуске первой очереди производительность печи конструктивно ограничивается до 2,5 тонн клинкера в час.

Отходящие из печи 15 газы содержат некоторое количество взвешенных частиц (разрушенных при спекании гранул клинкера) в виде пылеватых фракций. Во избежание выноса частиц в атмосферу (обеспечения экологической безопасности комплекса) предусмотрена двухступенчатая система воздухоочистки, включающая батарею циклонов – осадителей пыли 22 и фильтры рукавные 24. В систему газоотведения и газоочистки входят также вентилятор 27, дымососы 23 и 25, а также дымовая труба 26 для рассеяния отходящих газов и предотвращения оседания остаточных пылеватых частиц в селитебной зоне.

Остаточное тепло  отходящих газов с помощью  экономайзера 21 может быть направлено на отопление бытовых и служебных  помещений. При останове печи резервное  отопление может осуществляться электроэнергией. Блок активации цемента (см. Технологическую схему блока активации цемента ТКИЦ 02.00.000ТС) включает в себя оборудование, позволяющее достичь высокой степени измельчения клинкера (0-40мкм) и введения в цемент инертных, активирующих и корректирующих добавок.

В питатель 1 с  помощью ковшового погрузчика поочередно подаются гранулы клинкера и добавки, измельчаются на линии измельчения компонентов 2 (на базе центробежной мельницы МЦ-1,6) и подаются питателем 3 в отсеки бункера-накопителя компонентов 4. Отдозированные дозатором 5 компоненты цемента питателем 6 подаются в смеситель 7 для получения высокой степени однородности готового продукта, активизации и корректировки свойств цемента. Готовый продукт (цемент) из бункера – накопителя 8 может быть подан в большеобъемные накопители (цементные банки) или на линию фасовки в тару различного объема.

Рекомендуемый план расположения технологического комплекса  изготовления цемента показан на листе ТКИЦ.00.00.000, где приведено  расположение блоков самого комплекса  и существующего здания (в котором предусматривается размещение линии фасовки и маркировки продукции, бытовых и служебных помещений). 
Блоки комплекса располагаются на открытой площадке, а склады сырья – это защищающий  от атмосферных осадков навес, в котором хранятся компоненты гидравлического вяжущего (цемента).