Эмиссии из цементных печей. Выбросы углекислого газа и их снижение

Цементные печи являются источником примерно 5% техногенных выбросов углекислого газа. Считается, что СО2 является основной причиной глобального потепления вследствие его способности задерживать солнечную энергию в атмосфере с образованием так называемого парникового эффекта.

Развитые страны, которые ратифицировали Киотский протокол, поддерживают идею снижения эмиссий парниковых газов к 2012 году на 87,5% относительно уровня 1990 года. Как второй по величине источник выбросов углекислого газа (после выработки электроэнергии) цементная отрасль должна делать свой вклад в достижение заявленных целей.

Рассматривая процессы обжига в цементных печах получим, что СО2 от декарбонизации и СО2 от сгорания топлива достигают 0,857 тонны на тонну клинкера.

Свойства топлива                                                Продукты горения                       Отходящие газы

Теплотворная способность (кДж/кг)                      23865                                       (кг/кг клинкера)
Зола (%)                                                            21,7
С(%)                                                                  66,3→   0,322кгCO2+0,535     =       0,857 кг CO2
Н(%)                                                                  4,4→     0,052кгH2O+0,015     =       0,067 кг H2O
S(%)                                                                  0,3→     0,001кгSO2              →       0,001 кг SO2
N(%)                                                                  1,0→     0,004кгNO2              →       0,004 кг NO2
O(%)                                                                  4,0                                               0,926 кг N2

Общий расход топлива
кДж/кг клинкера           3159

Сжигание в печи природного газа должно уменьшать выбросы углекислого газа на 14% до 0,74 тонны на тонну клинкера.  Вследствие низкого содержания углерода и большего содержания водорода.

Большинство цементных компаний не имеют препятствий, чтобы подписаться на выполнение условий Киотского протокола, работают ли они в стране, которая ратифицировала протокол или нет. Этот уровень экономии может быть достигнут улучшением энергоэффективности, заменой ископаемого топлива топливом из биомасс и производством смешанных цементов.

Все эти стратегии популярны среди цементных компаний, как снижающие производственные издержки, так и увеличивающие прибыль. Улучшенный уровень энергоэффективности позволяет экономить на технологическом топливе или на электроэнергии, все цементные компании могут использовать эти возможности.

Сжигание альтернативного топлива станет еще более популярным, отчасти, если цементным компаниям будут платить за сжигание такого топлива. Некоторые цементные компании достигают очень высокой степени замены ископаемого топлива- до 80%. Прибыль в таком случае может значительно расти.

Виды топлива из биомасс такие, как опилки, рисовая шелуха, мясные отходы, костная мука или осадок сточных вод, рассматриваются как углерод-нейтральные с точки зрения объединенной европейской программы торговли выбросами (European Union Emission Trading Scheme EUETS).

То, что печи мокрого способа производства с их по определению большим потреблением топлива могут сжигать больше альтернативного топлива на тонну произведенного клинкера, является очень привлекательным, если уровень замещения высок.

Производство смешанных цементов также позволяет замещать некоторое количество клинкера на дополнительные гидравлически активные материалы, известняк, пуццоланы, зола уноса, гранулированный доменный шлак. Меньше клинкера в цементе означает меньше эмиссий углекислого газа на тонну цемента. Гранулированный доменный шлак может замещать до 60% клинкера в цементах для специальных применений. Смешанные цементы действительно лучше, чем чистый портландцемент во многих областях применения, мощности и доходы цементных компаний могут также значительно увеличиваться.

Реальный вызов цементным компаниям принесет период после выполнения Киотского протокола. Когда для требуемого уровня сокращения выбросов углекислого газа станет необходимо применение технологий, которые значительно увеличат производственные затраты.

Цементные компании, которые должны приносить дивиденды своим акционерам, ожидаемо не станут добровольно увеличивать свои производственные затраты, поэтому некоторые формы принуждения вероятно могут потребоваться. Это обратная сторона  EUETS. Только когда цена углерода вырастет значительно, коммерческие компании смогут оправдать внедрение технологий, которые обеспечивают значительное сокращение эмиссий углекислого газа.

Что могут предложить эти технологии?

Возвращаясь к эмиссии углекислого газа мы можем увидеть, что 0,322 т на тонну клинкера  приходится на сжигание минерального топлива. Эта цифра может быть уменьшена на 36% до 0,205т/т клинкера при сжигании в печах природного газа.

Свойства топлива                                                Продукты горения                       Отходящие газы

Теплотворная способность (кДж/кг)                      23865                                       (кг/кг клинкера)
Зола (%)                                                            21,7
С(%)                                                                  66,3→   0,322кгCO2+0,535     =       0,857 кг CO2
Н(%)                                                                  4,4→     0,052кгH2O+0,015     =       0,067 кг H2O
S(%)                                                                  0,3→     0,001кгSO2              →       0,001 кг SO2
N(%)                                                                  1,0→     0,004кгNO2              →       0,004 кг NO2
O(%)                                                                  4,0                                               0,926 кг N2

Общий расход топлива
кДж/кг клинкера           3159

Переход на природный газ является непрактичным для многих цементных компаний.

Большая часть углекислого газа, а именно 0,535 т/т клинкера приходится на декарбонизацию карбоната кальция. Это объясняет, что декарбонизация является неизбежным последствием производства цемента. Тем не менее, есть разработки, предлагающие производство активных белитовых цементов  с коэффициентом насыщения примерно 0,8 (LSF 80). Это может снижать выбросы углекислого газа на 15% до 0,45т/т клинкера. В комбинации со сжиганием природного газа выбросы СО2 могут достигать 0,655т/т клинкера.

Тем не менее, переход на производство активных белитовых цементов неизбежно приведет к изменениям в гидравлических свойствах цементов, на конкурентных рынках это будет представлять значительный вызов. Только когда цена выбросов углекислого газа вырастет значительно, цементные компании пойдут на такие рыночные риски. 0,655 тонны СО2 на тонну клинкера остаются значительным уровнем эмиссий.

В долгосрочной перспективе вероятно на все промышленные выбросы углекислого газа будут вводиться ограничения. Какие варианты были бы приемлемы для производителей цемента?

Как бы там ни было, тенденции цементных печей это еще большие производительности для достижения экономии от масштаба, меньшие единицы оборудования были бы привлекательны, если бы цена углерода росла. Но такие комбинированные печи, например, кипящего слоя все-равно продолжали бы выделять СО2. Технологией полного исключения эмиссий углекислого газа является только изоляция.

Изоляция предполагает хранилища СО2 в подземных резервуарах, а именно закачка газа в истощенные нефтяные скважины с одним ключевым требованием – высокая концентрация СО2, но мы знаем, что отходящие газы цементных печей менее чем на 50% по массе содержат СО2…

Свойства топлива                                                Продукты горения                       Отходящие газы

Теплотворная способность (кДж/кг)                      23865                                       (кг/кг клинкера)
Зола (%)                                                            21,7
С(%)                                                                  66,3→   0,322кгCO2+0,535     =       0,857 кг CO2
Н(%)                                                                  4,4→     0,052кгH2O+0,015     =       0,067 кг H2O
S(%)                                                                  0,3→     0,001кгSO2              →       0,001 кг SO2
N(%)                                                                  1,0→     0,004кгNO2              →       0,004 кг NO2
O(%)                                                                  4,0                                               0,926 кг N2

Общий расход топлива
кДж/кг клинкера           3159

… и только около 35% по объему, при подсосе воздуха это значение падает до менее чем 30%.

Отходящие газы цементных печей более чем на 70% состоят из азота.

Концентрация СО2 в отходящих газах цементных печей могла бы быть увеличена смешиванием  рециркулирующего СО2 и чистым кислородом, а не воздухом. Технология обогащающения кислородом уже используется для увеличения выпуска цементных печей. Процесс горения в печи с использованием чистого кислорода и рециркулирующего СО2 расходовал бы гораздо меньшее количество кислорода.

Много других технологических вопросов стоило бы учесть для внедрения таких решений. Производственные затраты значительно бы увеличились, но выбросы СО2 были бы полностью исключены. Тем не менее, остается точка зрения, что стоимость углерода должна увеличиться значительно, чтобы сделать исследования в таких технологиях жизнеспособным.

Это подводит нас к концу этого обсуждения на предмет снижения эмиссий углекислого газа приходящихся на производителей цемента. В следующей публикации мы обсудим эмиссию другого оксида углерода, угарного газа СО.

Видео по теме:

 

Предметный указатель: