Альтернативное топливо RDF в цементных печах: технология применения

Характеристики альтернативного топлива RDF

RDF (Refuse Derived Fuel) представляет собой альтернативное топливо, производимое из горючих фракций твердых коммунальных и промышленных отходов. Данный вид топлива находит наиболее широкое применение в цементной промышленности, где высокие температуры обжига клинкера (около 1450°C) обеспечивают полное сгорание материала с минимальными выбросами в атмосферу.

Основной энергетической характеристикой RDF является низшая теплота сгорания, которая для качественного топлива составляет 18000-20000 кДж/кг в расчете на сухое вещество. Для сравнения, природный газ обладает низшей теплотой сгорания 31800-35000 кДж/м³ согласно ГОСТ 5542-2014. Практические исследования показывают, что 1,7 кг RDF-топлива энергетически эквивалентны приблизительно 1 м³ природного газа.

Состав и элементный анализ RDF

Компонентный состав RDF включает высококалорийные фракции отходов: пластмассы, бумагу, картон, текстильные материалы, древесину, резину и кожу. Из общего потока отходов обязательно исключаются металлы, стекло, камни, пищевые отходы и хлорсодержащие материалы, особенно поливинилхлорид.

Элементный состав топлива

Элементный анализ RDF показывает следующее типичное распределение элементов в пересчете на сухую массу: углерод составляет основную часть горючей массы (40-55%), водород присутствует в количестве 5-8%, кислород занимает 20-35%. Азот, сера и хлор присутствуют в меньших концентрациях, но их содержание критически важно контролировать для соблюдения экологических норм.

Требования к качеству RDF для цементных печей

Качество альтернативного топлива регламентируется национальными стандартами. В Российской Федерации действуют ГОСТы серии 33000, в частности ГОСТ 33564-2015 и ГОСТ 33516-2015, которые устанавливают термины, технические характеристики и классификацию твердого топлива из бытовых отходов. Европейские требования определены стандартом EN 15359:2011.

Классификационная система

Стандарты устанавливают трехпараметрическую систему классификации RDF, основанную на экономическом параметре — низшей теплоте сгорания, техническом параметре — содержании хлора и экологическом параметре — содержании ртути. Эти параметры позволяют производителям и потребителям быстро оценить качество конкретной партии топлива.

Содержание влаги в RDF имеет критическое значение для эффективности горения. При влажности выше 20% значительная часть энергии расходуется на испарение воды, что снижает тепловую эффективность печи и может нарушить температурный режим обжига клинкера. Практические исследования показали, что влажность топлива из коммунальных отходов часто превышает 35% в холодное время года, поэтому необходима предварительная сушка материала.

Технология производства RDF-топлива

Производство RDF включает несколько последовательных технологических стадий, обеспечивающих получение однородного материала с заданными характеристиками.

Основные этапы производственного процесса

Первичная сортировка отходов выполняется для отделения негорючих фракций: стекла, металлов, камней, инертных материалов. Современные линии оснащаются системами автоматической сортировки с оптическим сканированием, что позволяет повысить точность разделения фракций и исключить попадание опасных компонентов в конечный продукт.

Измельчение горючих фракций производится до размера частиц 20-25 мм, что обеспечивает оптимальные условия транспортировки и подачи топлива в печь. Слишком мелкая фракция может создавать пылевые облака и уноситься воздушными потоками, в то время как крупные куски затрудняют равномерную подачу.

Сушка материала является критически важным этапом. Сушильные установки работают с использованием отработанного тепла или специальных теплогенераторов. Целевая влажность готового продукта составляет 10-15% для гранулированных форм и не более 20% для рыхлого материала.

Грануляция или брикетирование применяется в случаях, когда топливо транспортируется на значительные расстояния. Гранулы обладают насыпной плотностью 400-500 кг/м³, что существенно снижает транспортные расходы и предотвращает разнос легких фракций ветром на территории цементного завода.

Системы подачи RDF в цементную печь

Технология подачи альтернативного топлива в вращающуюся печь представляет собой сложный инженерный комплекс, требующий точной синхронизации множества элементов.

Компоненты системы подачи

Система хранения включает бункеры для топлива различного качества, оснащенные рыхлителями для предотвращения сводообразования. Объем бункеров рассчитывается на обеспечение непрерывной работы печи в течение нескольких часов.

Анализатор качества RDF работает в автоматическом режиме, определяя теплотворную способность и влажность поступающего материала. Это позволяет распределять топливо по бункерам согласно характеристикам и поддерживать стабильный тепловой режим печи.

Дозирующее оборудование включает роторные весовые дозаторы производительностью до 15 т/ч, обеспечивающие точную подачу заданного количества топлива. Шнековые и шлюзовые питатели создают герметичность системы и предотвращают подсос воздуха.

Транспортная система доставляет RDF к горелочному устройству печи. Применяются пневмотранспорт, ленточные конвейеры или комбинированные схемы в зависимости от конфигурации завода и расстояния транспортировки.

Модифицированные горелки для цементных печей должны обеспечивать полное сгорание альтернативного топлива. Многофункциональные горелки позволяют сжигать одновременно газ и RDF в переменных пропорциях, управляя процессом горения для достижения оптимальных условий.

Процесс сжигания в вращающейся печи

Вращающаяся цементная печь представляет собой стальной цилиндр длиной до 100 метров и диаметром 3-6 метров, футерованный огнеупорными материалами. Печь установлена под углом 3-4° к горизонту и вращается со скоростью 2-5 оборотов в минуту.

Температурные зоны печи

В печи выделяются несколько технологических зон с различными температурами и протекающими процессами. Зона сушки и подогрева располагается в холодном конце печи, где температура достигает 800-900°C. Здесь происходит испарение остаточной влаги из сырьевой смеси и начальный нагрев материала.

Зона декарбонизации характеризуется температурами 900-1200°C. В этой зоне протекает разложение карбоната кальция с выделением диоксида углерода, что является эндотермической реакцией, требующей значительного количества тепла.

Зона спекания клинкера — наиболее высокотемпературная часть печи с температурой 1350-1450°C в материале и до 2000°C в факеле пламени. Здесь происходит образование клинкерных минералов: трехкальциевого силиката (алита), двухкальциевого силиката (белита), трехкальциевого алюмината и четырехкальциевого алюмоферрита.

Зона охлаждения начинается сразу после зоны спекания, где клинкер охлаждается до 1000-1200°C перед выгрузкой в колосниковый холодильник.

Особенности сжигания RDF

Сжигание RDF в цементной печи имеет ряд технических особенностей по сравнению с газообразным топливом. Время полного сгорания твердых частиц RDF составляет 2-4 секунды, что требует достаточной длины факела для завершения процесса горения до контакта с материалом.

Температура горения RDF при стехиометрическом соотношении с воздухом составляет 1700-1850°C, что ниже температуры горения природного газа (1900-2100°C). Для выравнивания температур и интенсификации процесса может применяться обогащение воздуха кислородом на 1-6%, что позволяет увеличить температуру горения RDF до уровня, сопоставимого с газовым топливом.

Объем продуктов сгорания при использовании RDF на 30-40% меньше, чем при сжигании природного газа при получении равного количества тепла. Это связано с меньшим избытком воздуха, требуемым для сжигания твердого топлива, и может положительно влиять на тепловой КПД клинкерного холодильника.

Допустимый процент замещения основного топлива

Процент замещения традиционного топлива альтернативным определяется множеством факторов: конструкцией печи, системой подачи топлива, качеством RDF, требованиями к качеству клинкера.

Практический опыт применения

Промышленные эксперименты, проведенные на цементных заводах, показали возможность замещения 30-60% природного газа при сохранении качества клинкера и стабильности процесса. Начальные испытания обычно проводятся с замещением 10-15% для отработки режимов и оценки влияния на технологический процесс.

Оптимальная доля RDF в топливном балансе составляет 35-42% при использовании топлива с теплотой сгорания около 18000-19000 кДж/кг. При более низкой теплоте сгорания процент замещения снижается для поддержания требуемой температуры в зоне обжига.

Европейские цементные заводы демонстрируют существенно более высокие показатели использования альтернативных топлив. В Германии и Швейцарии доля альтернативных топлив достигает 70-90% от общего топливного баланса благодаря наличию развитой инфраструктуры сортировки отходов и производства высококачественного RDF.

Расчеты и примеры применения

Расчет потребности в RDF для цементной печи

Для расчета количества RDF, необходимого для замещения части природного газа, используются данные о производительности печи, удельном расходе тепла и теплоте сгорания топлив.

Расчет эквивалентности топлив

Для практических целей применяется упрощенная формула пересчета RDF в эквивалент природного газа. При средних значениях теплоты сгорания коэффициент эквивалентности составляет приблизительно 1,7 кг RDF на 1 м³ природного газа.

Влияние влажности на теплоту сгорания

Влажность RDF существенно влияет на эффективную теплоту сгорания топлива, так как часть энергии расходуется на испарение воды.

Вопросы и ответы