PARTEA TEORETICĂ STADIUL ACTUAL AL CUNOAȘTERII [306014]
[anonimizat] I – CARACTERISTICI PRINCIPALE ALE DIFERITELOR FABRICI DIN INDUSTRIA CIMENTULUI ȘI A CERAMICII
Materialele de construcție sunt materiale naturale sau artificiale folosite în construcții. Drept materie primă pentru fabricarea materialelor de construcție servesc materialele de proveniență minerală (calcar, pietriș, nisip, gips, granit, marmură ș.a.), de proveniență vegetală (lemn, deșeuri agricole etc.), [anonimizat] a industriei de prelucrare a petrolului (bitum, polimeri, gudroane etc.).
[anonimizat]:
[anonimizat], poroase sau compacte ([anonimizat], granit, gresie ș.a.) și artificiale (cărămidă, olane etc.).
lianți (varul, cimentul, ipsosul, [anonimizat], bitumurile, gudroanele, rășinile etc.) Varul de construcție se folosește ca liant de bază pentru mortare de tencuială sau ca adaos plastifiant la mortarele de ciment. Ipsosul de construcție este unul dintre cei mai răspândiți lianți aerieni. Cimentul ([anonimizat], [anonimizat], expansive, [anonimizat]) se folosește în cele mai diverse domenii ale construcțiilor.
agregate – naturale și artificiale. [anonimizat], [anonimizat], tuful, azbestul ș.a. [anonimizat], [anonimizat] ș.a. Agregatele artificiale sunt zguri și roci arse (deșeuri industriale).
materiale hidroizolante folosite la acoperirea suprafețelor contra acțiunii apei și vaporilor. [anonimizat].
materiale termoizolante pentru protecția construcțiilor contra încălzirii sau pierderilor de căldură.
materiale fonoizolante utilizate pentru izolarea acustică. [anonimizat].
[anonimizat], plăcile și foile de căptușeală etc.
În România există următoarele unități de producere a materialelor de construcții prezentate în figura următoare:
Fig. 1.1 – Unități de fabricare a materialelor de construcții
Una dintre problemele cele mai acute de protecția mediului este reprezentată de gestiunea deșeurilor. [anonimizat] a [anonimizat]. [anonimizat].
Legislația europeană și românească definesc deșeul ca fiind “orice substanță sau obiect pe care deținătorul îl aruncă ori are intenția sau obligația să îl arunce” .
Fig. 1.2. Strategia Naționala de Gestionare a Deșeurilor 2014 – 2020
În anul 2013, Guvernul României a adoptat Strategia Națională de Gestionare a Deșeurilor 2014-2020, prin care își propune următoarele direcții de acțiune principale:
– Prioritizarea eforturilor în domeniul gestionării deșeurilor în linie cu ierarhia deșeurilor;
– [anonimizat] a resurselor;
– Creșterea ratei de reciclare și îmbunătățirea calității materialelor reciclate, lucrând aproape cu sectorul de afaceri și cu unitățile și întreprinderile care valorifică deșeurile;
– Promovarea valorificării deșeurilor din ambalaje;
– Reducerea impactului produs de carbonul generat de deșeuri;
– Încurajarea producerii de energie din deșeuri pentru deșeurile care nu pot fi reciclate;
– Organizarea bazei de date la nivel național și eficientizarea procesului de monitorizare;
– Implementarea conceptului de “analiză a ciclului de viață” în politica/de gestiune a deșeurilor.
De asemenea, se dorește îmbunătățirea serviciilor către populație și sectorul de afaceri prin:
Încurajarea investițiilor verzi;
Susținerea inițiativelor care premiază și recompensează populația care reduce, reutilizează și reciclează deșeurile din gospodării;
Colaborarea cu autoritățile administrației publice locale pentru creșterea eficienței și calității deșeurilor colectate, făcându-le mai ușor de reciclat;
Colaborarea cu autoritățile administrației publice locale și sectorul de afaceri pentru îmbunătățirea sistemelor de colectare a deșeurilor.
În domeniul legislativ, în ultimii ani au fost adoptate reglementări importante în domeniul gestiunii deșeurilor și anume reglementări privind regimul deșeurilor și deșeurilor periculoase, gestiunea uleiurilor uzate, gestiunea PCB-urilor și celorlalți compuși desemnați, gestiunea deșeurilor industriale reciclabile, regimul bateriilor și acumulatorilor care conțin substanțe periculoase, depozitarea deșeurilor, gestiunea ambalajelor și deșeurilor de ambalaje, serviciile publice de salubrizare a localităților, incinerarea deșeurilor.
Industria noastră este în măsură să utilizeze multe tipuri de deșeuri industriale și să dispună de experiență în acest domeniu pentru identificarea unor soluții avantajoase ecologice și viabile privind gesiunea și valorificarea deșeurilor.
Fabricarea cimentului
Incă din cele mai vechi timpuri, omenirea a încercat să descopere un material capabil să unească pietrele masive într-o masă solidă și durabilă. Folosirea argilei a fost o metoda inventată de asirieni și babilonieni, în timp ce egiptenii au inventat și valorificat ghipsul, mortarul și calcarul pentru a putea construi piramidele. Grecii și romanii au contribuit și ei la îmbunătățirea materialelor de construcție, aceștia ridicând edificii foarte rezistente, ale căror urme se mai pot vedea și în zilele noastre. Prima formă de ciment a fost descoperită de către romani. Aceștia înlocuind calcarul cu marne și marnocalcare în cuptoarele de obținere a varului și crescând temperatura de ardere, au obținut un material care, fin măcinat și amestecat cu cenușă vulcanică, este considerat primul ciment din istorie („caementum”). Amestecul s-a numit și ciment puzzolanic după numele localității Pouzzolli de lângă Vezuviu, de unde s-a exploatat prima dată cenușa vulcanică .
Cimentul este unul dintre materiale indispensabile folosite în construcția locuințelor și a infrastructurii, fiind însă un mare consumator de energie și materii prime.
După cum sunt enumerate de către Consiliul Central de Control al Poluării, industria cimentului este una dintre cele 17 industrii cele mai poluante și este una dintre industriile cele mai de bază implicate în dezvoltarea unei țări. Cimentul este materialul cel mai utilizat construcție în întreaga lume .
Protocolul de la Kyoto impune, la scară mondială, reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră (CO2, CH4, N2O) din toate sectoarele de activitate. Dintre aceste gaze, CO2 reprezintă componenta principală (circa 75%), obiectivul prioritar fiind reducerea sa .
Industria cimentului este responsabilă pentru 2% din consumul mondial de energie și 5% din emisiile globale de CO2 rezultate din activitățile umane (1,5Gt CO2) . Emisiile de CO2 provin din decarbonatarea amestecului brut -circa 50%, din arderea combustibililor – circa 40%, și din transport și energia electrică –circa 10% (fig. 1.3).
Fig. 1.3. – Emisia globală de CO2
Încălzirea globală a devenit o preocupare a comunității internaționale, în special cantitatea mare de emisii de CO2 de gaze cu efect de seră care este factorul principal al încălzirii climatice. Controlarea emisiilor de CO2 este sarcina urgentă cu care se confruntă societatea umană. Suma totală a emisiilor de CO2 la nivel global, în 2013, a fost de 36 de miliarde de tone, din care emisiile de CO2 industriale au reprezentat aproximativ 29%, iar industria cimentului a fost unul dintre cele mai importante sectoare industriale care au generat emisii de CO2 . Producția de ciment la nivel mondial este de aproximativ 4,2 miliarde de tone în 2013 .
Conform Getting the Numbers Right, un proiect global organizat de către ”O industrie durabilă a cimentului” – CSI, pentru a produce o tonă de clincher se emit, în medie, 825 kg de CO2, excluzând emisiile de la generarea electricității. Cele mai performante fabrici au emisii de aproximativ 650 kg CO2 per tonă de clincher .
Orice reducere a energiei necesare are influență benefică atât asupra viabilității fabricii de ciment, cât și asupra mediului înconjurător. În contextul îndeplinirii angajamentelor asumate în Protocolul de la Kyoto, industria cimentului trebuie să găsească în continuare modalități de diminuare a emisiilor cu efect de seră, în particular a emisiilor de CO2 .
Abordările care vizează reducerea consumurilor energetice și a emisiilor de CO2 la fabricarea clincherului de ciment portland sunt direcționate, în special, către îmbunătățirea randamentului instalațiilor, în vederea diminuării pierderilor de căldură, și spre substituția combustibililor fosili cu combustibili alternativi de tipul uleiuri uzate, anvelope uzate etc, fiind mai puțin abordată înlocuirea materiilor prime tradiționale (calcarul și argila) cu alte materiale care conțin CaO într-o formă necarbonatată, SiO2, Al2O3 si Fe2O3 .
Conform CEMBUREAU, 90% din totalul fabricilor de ciment din Europa sunt dotate cu coșuri eficiente energetic, astfel că în ultimii 20 de ani, industria europeană de ciment a redus emisiile de CO2 per tonă de ciment de la 719 kg în 1990, la 660 kg în 2010 .
Pe termen scurt, pentru reducerea emisiilor din industria cimentului sunt trei acțiuni critice care trebuie îndeplinite:
îmbunătățirea eficienței energetice a procesului,
reducerea conținutului de clincher al cimentului cu substituenți minerali
înlocuirea cărbunelui și cocsului cu combustibili alternativi cu conținut scăzut de carbon .
Conservarea resurselor naturale neregenerabile a fost obținută prin valorificarea deșeurilor ca materii prime pentru producerea clincherului și combustibili alternativi. Prin această valorificare, industria cimentului contribuie la rezolvarea problemelor societății privind deșeurile prin reducerea cantității de deșeuri depozitată (cu beneficii adiționale în reducerea emisiilor de CO2) .
Încă de când primul ciment Portland a fost produs în 1843 de către William Aspdin a existat un continuu proces de evoluție a tehnologiei de producere a cementului .
Clincherul de ciment Portland este componentul principal al tuturor sortimentelor de ciment, asigurând acestora caracteristicile necesare pentru utilizarea în construcții (rezistențe mecanice, timp de priză, stabilitate etc.)
Procesul chimic de bază al fabricării cimentului constă în descompunerea carbonatului de calciu (CaCO3) la circa 9000C în oxidul de calciu (CaO, var) și dioxidul de carbon (CO2); acest proces este cunoscut sub numele de calcinare. Acesta este urmat de procesul de clincherizare în care oxidul de calciu reacționează la o temperatură ridicată (de obicei 1400-1500oC) cu SiO2, Al2O3 și oxid feros pentru a forma silicați, aluminați și feriți de calciu care sunt înglobați în clincher. Clincherul este apoi concasat sau măcinat împreună cu gipsul și alți aditivi pentru obținerea cimentului .
Principala etapă în producerea cimentului o reprezintă obținerea produsului intermediar denumit clincher, rezultat prin arderea amestecului brut de materii prime care să furnizeze oxizii necesari formării clincherului: CaO, SiO2, Al2O3 și Fe2O3 la temperaturi de aproximativ 1450-1500 °C.
Clincherizarea amestecului brut de materii prime reprezintă operația tehnologică care necesită cel mai mare consum de energie din procesul de obținere a cimentului portland și generează aproximativ 90% din emisiile de CO2 rezultate în procesul de obținere a cimentului . Pentru producerea unei tone de ciment sunt necesare aproximativ 1,5 tone materii prime .
Mai jos, în figura 1.4. este prezentată o sinteză a proceselor care se desfășoară la fabricarea cimentului.
Fig. 1.4. Procesele care au loc la fabricarea clincherului de ciment Portland
Există patru procedee principale pentru obținerea cimentului: procedeul uscat, semi-uscat, semi-umed și umed:
În procedeul uscat, materiile prime sunt măcinate și uscate până ajung în stadiu de făină brută. Făina este alimentată într-un cuptor cu schimbător de căldură sau precalcinator sau, mai rar, într-un un cuptor lung.
În procedeul semi-uscat, făina brută este granulată cu ajutorul apei și alimentată la un schimbător de căldură cu grătar înainte de cuptor sau într-un cuptor lung dotat cu bare încrucișate.
În procedeul semi-umed pasta este mai întâi deshidratată cu ajutorul filtrelor presă. Turta filtrată este extrudată în granule și alimentată fie într-un schimbător de căldură cu grătar sau direct într-un filtru presă uscător pentru producerea făinii.
În procedeul umed, materiile prime (adesea cu un conținut ridicat de umiditate) sunt măcinate în apă pentru a forma o pastă pompabilă. Pasta este alimentată direct în cuptor sau mai întâi într-un uscător de pasta .
Figura 1.5. prezintă schema procedeului uscat iar figura 1.6. schema procedeului umed.
Fig. 1.5. Procedeul uscat
Fig. 1.6. Procedeul umed
Compoziția mineralogică a cimentului
În procesele de ardere a materiilor prime, oxizii existenți în compoziția acestora, reacționează între ei formând compuși mineralogici. Cei mai importanți ca pondere sunt următorii:
Silicatul tricalcic (alitul) – 3CaOSiO2 – C3S;
Silicatul bicalcic (belitul) – 2CaOSiO2 – C2S;
Feroaluminatul tetracalcic (celitul I sau brownmilleritul) – 4CaOAl2O3F2O3 – C4AF;
Aluminatul tricalcic (celitul II) – 3CaOAl2O3 – C3A.
Etapele de producere a cimentului implică următoarele activități conform schemei de flux tehnologic (fig. 1.7.):
Extracție din cariere a materiilor prime calcar și marnă (1, 2)
Concasare calcar și marnă (3) în cariere în primă fază, urmate de definitivarea dimensiunilor prin reconcasare pe amplasamentul fabricii
Obținere făină pentru clincher (4) – calcarul, marna și cenușa de pirită, după o rețetă stabilită de laborator, sunt dozate și transportate la turnul de uscare iar de aici la moara de făină. Uscarea materiilor prime se face cu gaze de la cuptorul de clincher. Măcinarea făinii se face în moara cu bile bicamerală, pe procedeu închis. La ieșirea din moara materialul este dus la un separator dinamic. Partea fină este transportată pneumatic la silozurile de făină iar partea grosieră se reîntoarce în moară.
Producere clincher (5) – făina din silozurile de depozitare este dozată și transportată la schimbătorul de căldură în 4 trepte, Humboldt, unde are loc preîncălzirea făinii de la 60 C la aprox. 800 C. Căldura este preluată de la gazele fierbinți de la cuptor care străbat schimbătorul de căldură în contracurent cu făina alimentată. Făina preîncălzită și parțial decarbonatată în schimbătorul de căldură parcurge zonele din cuptorul rotativ astfel încât la 1450 C în zona de clincherizarea are loc formarea clincherului. Din cuptorul rotativ clincherul este descărcat în răcitorul grătar unde cu ajutorul aerului insuflat de 9 ventilatoare este răcit de la 1350 C la aproximativ 100 C. Clincherul este depozitat în silozuri. Cuptorul de clincher funcționează pe procedeul uscat și corespunde cerințelor BAT.
Producere ciment (6) – prin măcinarea în mori tubulare cu bile, bicamerale și funcționează pe procedeu închis a clincherului cu gips pentru reglarea timpului de priză și diverse adaosuri pentru producerea diverselor tipuri de ciment standardizate (calcar, zgură granulată de furnal, tuf vulcanic etc). Materialul din moară este dus la un separator dinamic, unde se separă, partea fină (cimentul) fiind preluat de un releu de transport și însilozat în silozurile de ciment, iar partea grosieră se reîntoarce în moară.
Expediție ciment (7) – din silozuri, cimentul poate fi livrat atât vrac cât și însăcuit. Expedierea cimentului se poate face fie auto, fie pe CFR.
Fig. 1.7. – Fluxul tehnologic al producerii cimentului într-o fabrică
Materii prime
In procesul de producție a cimentului sunt consumate cantități uriașe de resurse naturale și sunt generate cantități mari de poluanți care includ dioxidul de carbon responsabil pentru efectul de seră și care provine din descompunerea termică a calcarului și din combustia combustibililor fosili. Arderea amestecului brut pentru obținerea clincherului reprezintă procesul energetic cel mai intensiv din întregul proces de fabricare a cimentului portland și este un proces care produce circa 50% din emisiile de CO2 eliberate în procesul de producere a cimentului .
În ultimii ani a crescut interesul pentru utilizarea ca materii prime sau combustibili alternativi a reziduurilor solide și sub-produselor derivate din alte activități oferind o contribuție semnificativă la o dezvoltare durabilă .
În același timp, există o preocupare puternică pentru obținerea unui clincher de bună calitate în condiții de mediu prietenoase .
În România, pentru producerea cimentului portland se folosesc următoarele materii prime:
calcar, ca sursă pentru CaO necesar formării clincherului;
argile și marne, ca surse pentru SiO2 și Al2O3, Fe2O3
cenușă de pirită, ca sursă corectoare a conținutului de Fe2O3
Calcarul sau carbonatul de calciu este o rocă sedimentară, de culoare albă, cenușie sau galbenă, compusă în special din mineralele calcit și aragonit ambele având formula chimică (CaCO3).
Calcarele sedimentare au o răspândire mare în țara noastră. Cariere mai importante în țara noastră sunt la Lespezi (Dâmbovița), Bicaz – Chei (Neamț), Măgura Feredeului (Hunedoara), Luminița – Tașaul (Constanța), Suseni (Gorj), Măgura Căciulata (Brașov), Dealul Hulei Mateiaș (Argeș), Subpiatra Aleșd (Bihor), constituind sursa componentei calcaroase la fabricarea cimentului în fabricile grupurilor HOLCIM, LAFARGE și CARPATCEMENT–Heidelberg Group .
Proporția calcarului în amestecul brut pentru obținerea clincherului de ciment portland reprezintă circa 75% din masă. CaO necesar desfășurării reacțiilor pentru obținerea clincherului proceselor de clincherizare se obține prin descompunerea CaCO3, la temperaturi cuprinse in intervalul 850-900oC, cu degajare de CO2 .
Argila (deseori Lut) este o rocă sedimentară cu granulație fină (< 2 µm), alcătuită dintr-un amestec de silicați și din fragmente de cuarț, mică etc.
Din punct de vedere mineralogic o rocă argiloasă trebuie să conțină minerale argiloase în proporție de cel puțin 50% .
Mineralelele argiloase reprezintă hidrosilicați de aluminiu cu formula generală nSiO2·Al2O3·H2O. Pe lîngă hidrosilicații de aluminiu, argila mai conține: cuarț, feldspați, illit, mică, carbonați, alcalino – pământoși, gips, compuși cu fier, materiale organice, etc. Dintre mineralele secundare, nisipul cuarțos îngreunează procesul de ardere, iar feldspații și mica au influențe negative asupra calității clincherului. Dimpotrivă, combinațiile fierului din argile, ca oxizi sau hidroxizi, sulfurile sau sulfații și mineralele argiloase feruginoase, reprezintă componenți valoroși deoarece participă la formarea clincherului .
Argilele pot avea culoarea albă, galbenă, brună, roșie, verde sau neagră în funcție de substanțele străine conținute. De regulă, proporția de rocă argiloasă în compoziția amestecului brut se situează în jurul valorii de 25% .
Marnele sunt roci sedimentare marine cu o compoziție chimică și mineralogică intermediară între calcare și argile, fiind compuse din carbonat de calciu și minerale argiloase în proporții variabile, 20 – 70 %, (caolinit, montmorilonit etc.). Acestea au structuri foarte variabile în funcție de constituienți, de la compacte și dure, până la moi și friabile.
În general sunt roci de culoare deschisă, dar pot exista și marne roșii, brune, etc. În România se găsesc zăcăminte de marnă pentru industria cimentului la Aleșd (jud. Bihor) – de culoare cenușie, Malu Roșu – Fieni (jud. Dâmbovița) – de culoare roșie.
În procesul de fabricație al cimentului, alegerea și dozarea materiilor prime de bază, calcarele și argilele/marnele se face în funcție de compoziția mineralogică a cimentului preconizat a se obține. Un clincher de ciment portland normal trebuie să conțină CaO în proporție de 60 – 67%, SiO2 19 – 24%, Al2O3 4 – 7%, Fe2O3 2 – 6%. Ca urmare, în industria cimentului se pot utiliza atât calcarele, (conținutul în CaCO3 cuprins între 95 – 100%) cât și calcarele marnoase, (CaCO3 între 90 – 95%), marnele calcaroase, (CaCO3 între 70 – 90%) și marnele, (CaCO3 între 40 – 70%).
Pentru corectarea conținutului de Fe2O3 din amestecul brut de materii prime se utilizează cenușa de pirită – subprodus rezultat în procesul de obținere a îngrășămintelor chimice. Este un material pulverulent, de culoare roșiatică, caracterizat printr-un conținut de Fe2O3 care variază între 50-80%. De regulă, se dozează în proporție de 1-2% .
Co-procesarea deșeurilor
Industria producătoare de ciment este obligată să modernizeze în mod constant și să îmbunătățească procesul tehnologic pentru a satisface pe de o parte constrângerile guvernamentale în creștere cu privire la impactul asupra mediului și pentru a crește profitabilitatea prin creșterea capacității de producție și reducerea consumului de energie.
De-a lungul ultimelor decenii, tehnologia de producere a cimentului prin cuptor rotativ a fost îmbunătățită în mod constant: trecerea de la procesul umed la procesul uscat de producție, separarea locului unde au loc diferite reacții chimice, sisteme de by-pass a gazelor, sisteme de recuperare a energiei, etc. sunt unele dintre schimbările care au crescut foarte mult capacitatea de producție și au redus consumul de energie și poluarea.
O atenție deosebită a fost pusă pe consumul mare de energie (energie termică și electrică) implicată în producția de ciment. O posibilitate de reducere a costurile combustibililor o reprezintă introducerea combustibili alternativi, cum ar fi deșeuri menajere, biomasa, materiale plastice, cauciucuri, anvelope, deșeuri de hârtie, nămoluri de epurare, uleiuri uzate și solvenți, în producția de ciment .
O soluție de gestionare a deșeurilor care a luat o tot mai mare amploare în ultima perioadă este co-procesarea lor în fabricile de ciment. Coincinerarea deșeurilor în cuptoarele de clincher este un subiect complex, care cuprinde o arie largă de aspecte. Utilizarea industrială, eficientă a combustibililor alternativi pe bază de deșeuri, în cuptoarele rotative, implică asigurarea securității și protecției personalului angrenat în aceste activități, presupune realizarea de investiții pentru stocarea, dozarea și alimentarea combustibililor alternativi, uneori și pentru pretratarea lor. Aceste activități nu pot fi desfășurate decât cu condiția obținerii de autorizații specifice și îmbracă, de asemenea, o latură de marketing și comunicare .
Utilizarea combustibililor alternativi pe bază de deșeuri la producerea clincherului de ciment are implicații asupra desfășurării procesului de ardere și astfel, poate aduce modificări ale calității clincherului și cimentului rezultate și asupra emisiilor de poluanți rezultați din proces. Există un număr mare de deșeuri, care fiind combustibile, pot fi, considerate drept potențiali combustibili alternativi. În realitate, utilizarea acestora în cuptoarele de clincher este restricționată de motive economice, tehnice sau de legislație. Ca regulă generală, pentru a putea fi co-procesate, deșeurile acceptate drept combustibili alternativi în cuptoarele de clincher trebuie să aducă procesului energie termică, produsă de componenta organică a deșeurilor și valoare materială, prin componenta lor minerală.
În alegerea deșeurilor pentru a fi co-procesate în fabricile de ciment, există mai multe elemente care sunt considerate simultan: cerințe determinate de procesul termotehnologic din cuptorul de clincher, parametrii de calitate ai produsului (ciment) și reglementările privind emisiile generate de proces și care sunt stipulate în autorizații .
La alegerea tipurilor de combustibili alternativi și în timpul utilizării acestora, trebuie să se îndeplinească mai multe obiective:
respectarea tuturor cerințelor legale privind protecția mediului, siguranță și sănătate ocupațională, precum și standardele tehnice;
evitarea efectelor negative asupra calității produsului și a desfășurării procesului;
asigurarea celui mai favorabil tratament pentru deșeuri, comparativ cu alte tehnologii și respectarea ierarhiei deșeurilor;
minimizarea costurilor nete globale, implicate de gestiunea deșeurilor .
Pentru a fi utilizați la arderea clincherului, combustibilii alternativi trebuie să fie disponibili în cantități suficiente și să aibă o calitate constantă. Astfel, este foarte important să aibă putere calorifică suficient de mare, un conținut redus de metale grele (mai ales Hg și Tl), să poată fi manipulați și introduși în cuptor prin arzătoare sau prin alte dispozitive. În anumite situații, prin autorizații se stabilește nivelul maxim al poluanților care pot fi conținuți în deșeurile acceptate la coincinerare sau la pre-tratare . Totuși, nu există un nivel unic acceptat, dat fiind că întotdeauna, co-procesarea deșeurilor este dependentă de situația specifică, locală și de o multitudine de criterii:
politicile naționale de mediu;
impactul industriei cimentului în contextul dezvoltării industriale regionale;
compoziția materiilor prime și a combustibililor tradiționali pe care deșeurile îi înlocuiesc;
posibilitățile de pre-tratare pentru deșeurile disponibile;
nivelul de toxicitate al poluanților în deșeuri;
cerințele de calitate pentru ciment .
Co-procesarea deșeurilor la fabricarea cimentului cuprinde două aspecte:
Valorificarea termoenergetică a deșeurilor cu conținut energetic – prin pre-tratarea și co-incinerarea acestora (substituția parțială a combustibililor tradiționali cu combustibili alternativi – deșeuri)
Valorificarea materială a deșeurilor cu conținut mineralogic similar cu:
materiile prime (substituția parțială a acestora cu deșeuri ca materii prime alternative)
produsul intermediar, clincher (ca adaosuri la măcinare în producerea cimentului)
Starea actuală a măsurilor integrate în proces, precum și tehnologiile de reducere secundare asigura emisii scăzute menținând în același timp influența asupra funcționării cuptor la un nivel minim .
Produsele ecologice rezultă din utilizarea minimă a materiilor prime și a energiei în timpul procesului de fabricație, cu impact negativ minim asupra mediului .
Tehnologia de producție de clincher folosită, metoda de alimentare a deșeurilor, viteza de răcire a gazelor de ardere sunt parametri importanți în producerea clincherului. În cazul unor substanțe (SO2, HCl sau metale grele), o anumită schimbare (reducerea sau creșterea) a volumului de emisie a fost observat uneori, atunci când compoziția combustibililor alternativi arși în volume mari diferă în mod considerabil în conținutul de sulf, clor sau metale grele, în comparație cu combustibilii convenționali utilizați într-un anumit cuptor de ciment .
Când se înlocuiește în jur de 45% din energia cărbunelui primar cu diferiți combustibili alternativi la arzătorul principal, capacitatea de producție trebuie să fie redusă cu 1,2%, 1,8%, 2,8% și 14,7% pentru deșeurile periculoase solide, deșeuri derivate de combustibil, deșeuri de lemn și deșeuri periculoase lichide, respectiv, în scopul de a menține temperatura gazelor de evacuare a cuptorului și, prin urmare, să păstreze calitatea clincherului nemodificată. Valoarea foarte mare pentru deșeurile periculoase lichide este, în principal datorită conținutului foarte ridicat de apă în acest combustibil .
Diferiți autori au concluzionat ca matricea cimentului Portland normală sau cu anumiți aditivi este adecvată pentru solidificarea/stabilizarea metalelor, ca de ex. Zn, Cu, Pb, Cd, printre altele, convertind compușii toxic în unii inofensivi .
De asemenea, ei au raportat formarea unor faze intermediare în sistemul metal – oxid – CaO – SiO2 , Al2O3 care este stabilizat în timpul clincherizării și/sau hidratării cimentului Portland .
S-a demonstrat că cele mai multe metale grele, care sunt în combustibilii sau materiile prime utilizate în cuptoarele de ciment sunt încorporate în mod eficient în clincher sau sunt reținute de dispozitivele standard de control al emisiilor .
Cu toate acestea, problema cea mai des analizată în legătură cu arderea deșeurilor și a combustibililor obținuți din deșeuri în cuptoare de ciment este emisia de poluanți în aer, ceea ce implică și necesitatea de a îndeplini cerințe suplimentare legate de procesul de ardere a deșeurilor (inclusiv monitorizarea gazele de ardere și necesitatea de a se conforma standardelor de emisie stricte în ceea ce privește mai multe substanțe . Subliniat frecvent în lucrări publicate anterior este faptul că emisiile de poluanți atmosferici care au loc în timpul substituirii parțiale a combustibililor convenționali cu cei alternative, de obicei, nu diferă în mod considerabil de emisiile care apar în timpul utilizării numai a combustibililor convenționali . Rezultatelor măsurătorilor obținute la diferite fabrici de ciment din întreaga lume dovedesc că nu se observă nici o relație de exemplu între emisia de dibenzo-p-dioxine și dibenzofurani (PCDD / PCDF) și tipul și volumul de deșeuri ars în cuptoarele de ciment .
Avantajele co-incinerării deșeurilor în fabrica de ciment comparativ cu procesul de incinerare
Fig. 1.8. Avantajele co-incinerării deșeurilor în fabrica de ciment comparativ cu procesul de incinerare
Activitățile de incinerare și co-incinerare au drept scop prevenirea sau reducerea efectelor negative asupra mediului, în special asupra poluării aerului, solului, apelor de suprafață și subterane, precum și a oricăror riscuri pentru sănătatea populației.
Aceste activități constituie una din posibilitățile de valorificare a deșeurilor la nivel național, prin adaptarea la condițiile locale specifice a celor mai bune tehnici utilizate pe plan internațional și de a deschide un parteneriat cu toți factorii interesați în rezolvarea acestei probleme stringente.
La nivel European, reglementările pentru fabrici de ciment sunt prevăzute în Directiva Europeană 2000/76/CE privind incinerarea deșeurilor și Directiva Europeană 96/61/CE – IPPC (Prevenirea și Controlul Integrat al Poluării) , directive transpuse în legislația românească.
Toate instalațiile de coincinerare trebuie echipate astfel încât să se prevină emisii în atmosferă care să genereze creșterea semnificativă a poluării aerului la nivelul solului; în particular, gazele trebuie evacuate într-o manieră controlată și în conformitate cu standardele naționale și internaționale privind calitatea aerului, prin intermediul unui coș a cărui înălțime este astfel calculată încât să asigure, cel puțin la limita primei zone locuite, o dispersie corespunzătoare a unor emisii sub valorile normale ale indicatorilor de poluare, în orice condiții atmosferice.
Abordarea UE în ceea ce privește gestionarea deșeurilor se bazează pe trei direcții principale de acțiune:
– Prevenirea generării deșeurilor – factor considerat a fi extrem de important în cadrul oricărei strategii de gestionare a deșeurilor, direct legat atât de îmbunătățirea metodelor de producție cât și de determinarea consumatorilor să își modifice obiceiurile de consum, generând astfel cantități mai reduse de deșeuri;
– Reciclarea și valorificarea – încurajarea unui nivel ridicat de recuperare a materialelor componente, preferabil prin reciclare materială. În acest sens sunt identificate câteva fluxuri de deșeuri pentru care reciclarea materială este prioritară: deșeurile de ambalaje, vehicule scoase din uz, deșeuri de baterii, deșeuri din echipamente electrice și electronice;
– Eliminarea finală a deșeurilor – în cazul în care deșeurile nu pot fi valorificate, acestea trebuie eliminate în condiții de siguranță pentru mediu și sănătatea umană, cu un program strict de monitorizare .
Co-procesarea este principalul proces prin care industria cimentului își aduce contribuția la reducerea cantităților de deșeuri. Procesul de co-procesare consta in introducerea unei fracții de deșeuri care înlocuiește o anumita cantitate de combustibil primar necesar pentru asigurarea temperaturii de 1.500 de grade Celsius din cuptorul de clincher. Sunt acceptate o serie de 150 de tipuri de deșeuri printre care se numără deșeurile menajere sortate, deșeurile petroliere, deșeurile lemnoase, mase plastice sau anvelope uzate. Din cauza temperaturilor extrem de ridicate gazele din ardere sunt eliminate iar cenușa este asimilata produsului final.
Unități de producție a cimentului
In prezent, în România există următoarele unități de producție a cimentului:
S.C. CARPATCEMENT Holding (HEIDELBERG CEMENT GROUP – Germania), deține 3 fabricile de ciment la Bicaz, Deva și Fieni
S.C Holcim (România) (Holcim – Elveția), deține 2 fabrici de ciment la Aleșd și Câmpulung Muscel și o stație de măcinare la Turda
S.C LAFARGE (ROMÂNIA) (LAFARGE – Franța) deține 2 fabrici de ciment la Medgidia și Hoghiz și o stație de măcinare la Tg-Jiu
S.C Ceminter International (Ceminter Hispania) – deține o instalație de descărcare și o instalație de omogenizare ciment în portul Constanța
S.C Cemrom – deține o stație de măcinare la Corbu, în județul Constanța
Fig. 1.9. Instalații de producere a cimentului în România
Fig. 1.10. Instalații de co-incinerare a deșeurilor în România
Tipuri de ciment
SR EN 197-1:2011 definește și prezintă specificațiile pentru 27 cimenturi uzuale diferite, 7 cimenturi uzuale rezistente la sulfați precum și pentru 3 cimenturi de furnal distincte cu rezistență inițială mică și 2 cimenturi de furnal rezistente la sulfați cu rezistență inițială mică și pentru componentele lor. Definirea fiecărui ciment include proporțiile în care componentele sale trebuie combinate pentru a rezulta aceste produse diferite într-o gamă de nouă clase de rezistență. De asemenea, sunt definite și condițiile pe care componentele trebuie să le satisfacă precum și cerințele mecanice, fizice, chimice și condițiile necesare de durabilitate ale cimenturilor.
Cele 27 produse sunt grupate în 5 tipuri de ciment, după cum urmează:
CEM I – Cimenturi Portland (95% clincher)
CEM II – Cimenturi Portland compozite (65-94% clincher)
CEM III – Cimenturi de furnal (5-64% clincher)
CEM IV – Cimenturi puzzolanice (45-89% clincher)
CEM V – Cimenturi compozite (20-64% clincher)
Tipuri de deșeuri utilizabile ca și combustibili alternativi la producerea clincherului Portland. Caracteristici principale
Combustibilii fosili, cum ar fi cărbunele, petrolul și gazele naturale furnizează cea mai marte parte a energiei necesare. Cărbunii și gazele naturale sunt utilizate în formele lor naturale, dar petrolul și alți combustibili fosili, cum ar fi de șisturile și nisipurile bituminoase necesită distilare și rafinare pentru a oferi combustibili utilizabili. Caracterul finit al resurselor globale de combustibili fosili, prețurile ridicate și cel mai important, efectul lor dăunător asupra mediului subliniază necesitatea de a dezvolta și utiliza combustibili alternativi.
Cimentul este considerat unul dintre cele mai importante materiale de construcții din întreaga lume .
Producția de ciment este un proces intens consumator de energie termică de ordinul a 3,3 GJ / tonă de clincher produsă, ceea ce reprezintă 30-40 la sută din costurile de producție . La nivel mondial, cărbunele este combustibilul predominant utilizat în cuptoarele de ciment, producția de ciment consumând aproximativ 120 de kg de cărbune per tona de ciment. În Uniunea Europeană aproximativ 25 milioane de tone de cărbune este solicitată anual de Cembureau . În 2005, industria globală a cimentului a consumat aproximativ 9 exajoules (EJ) de combustibili și energie electrică pentru producția de ciment .
Deșeurile combustibile reprezintă o alternativă viabilă și sigură pentru combustibilii fosili utilizați în mod tradițional în producția de ciment.
Există o foarte mare diversitate de tipuri de combustibili alternativi pe bază de deșeuri care pot fi utilizați în cuptoarele de clincher.
Un amestec de combustibili fosili și combustibili alternativi în proporție optimă este utilizat pentru a produce energia termică necesară în industria cimentului. Avantajul semnificativ al utilizării combustibililor alternativi este conservarea surselor regenerabile de energie neregenerabilă precum și reducerea siturilor de depozitare a deșeurilor. Utilizarea combustibililor alternativi prezintă mai multe provocări deoarece aceștia au caracteristici diferite, în comparație cu combustibilii convenționali.
În timp ce fabricile de ciment nu produc deșeuri, acestea utilizează deșeuri provenite din alte ramuri ale industriei ca aditivi sau combustibili alternativi. Acest lucru este posibil datorită condițiilor tehnologice în cuptoare rotative. Mulți ani de experiență au arătat că utilizarea deșeurilor drept combustibili alternativi de fabricile de ciment este atât ecologic cât și economic justificată. Înlocuirea combustibililor fosili cu combustibilii alternativi va contribui la reducerea costurilor de energie, oferind un avantaj competitiv pentru o fabrică de ciment, folosind această sursă de energie .
Cu toate acestea, pe lângă beneficiile economice evidente, utilizarea combustibililor alternativi (inclusiv combustibili proveniți din deșeuri derivate) în cuptoarele de ciment, în locul combustibililor convenționali, poate implica, de asemenea, multe probleme și pericole. De exemplu, încărcarea deșeurilor cu un conținut substanțe minerale (cenușă) prea mare în zona cuptorului, în care combinația de materii prime este deja granulată, poate provoca neomogenitatea clincherului și astfel, diminuează calitatea . Un conținut excesiv al unor metale grele în combustibilii alternativi pot perturba ușor progresul procesului de formare al clincherului și crește în mod semnificativ concentrația acestora în ciment și praful de ciment, crescând astfel riscul de spălare a acestor metale în condiții de mediu .
Combustibilii alternativi provin din industrii diferite sau din agricultură și pot fi recuperați prin incinerare în cuptoare de clincher într-o manieră sigură, procesul fiind atent controlat și verificat de-a lungul dezvoltării sale.
Introducerea combustibililor alternativi în procesele de producție a fost precedată de construirea de facilitați speciale pentru combustibili, prin dezvoltarea unor proceduri speciale de prevenire a riscurilor, de achiziționarea de noi echipamente (pentru transport, prelucrare, pornire, monitorizare etc.) .
Combustibilii alternativi pe bază de deșeuri pot fi clasificați în funcție de diverse criterii, una dintre clasificări, fiind prezentată în tabelul 1.1 .
Tabel 1.1. Tipuri de combustibili alternativi pe bază de deșeuri
Combustibilii solizi pot avea diferite granulații, în funcție de sursa din care provin :
pulverizați, granulați sau măcinați fin
concasați sau măcinați grosier
combustibili alternativi în bucăți: anvelope uzate întregi, materiale în saci, butoaie
Combustibilii solizi – fin sau grosier măcinați, pot fi de asemenea împărțiți în următoarele categorii :
solizi, uscați, granulați sau măcinați fin, care nu se aglomerează (dimensiuni <2 mm, umiditate < 10-15 %); exemple: rumeguș, talaș, coji de orez;
solizi, uscați, granulați sau măcinați grosier, care nu se aglomerează (dimensiuni <20 mm, umiditate <10-15 %); exemple: deșeuri de plastic, cauciuc, lemn, reziduuri din producția de alimente;
solizi, uscați, care au tendința să adere și să se lipească (dimensiuni < 20 mm, umiditate < 10-15 %); exemple: făină animală, rumeguș impregnat;
amestecuri de diferite materiale în bucăți (dimensiuni <200 mm, umiditate <20 %); exemple: hârtie, plastic, cartoane, lemn.
Din punctul de vedere al posibilităților de folosire a deșeurilor în cadrul unui flux tehnologic de obținere al cimentului se poate discuta despre două tipuri de deșeuri:
deșeuri necombustibile (nonenergetice) – utilizate ca materii prime, ca adaosuri corectoare în amestecul de materii prime sau ca adaosuri la măcinarea clincherului, cu substituirea parțială a materiilor prime tradiționale (calcar, argilă, ghips) sau a produselor intermediare (clincher) cu deșeuri care au compoziție mineralogică similară.
deșeuri combustibile (energetice) – utilizate ca înlocuitor parțial al combustibilului la arderea clincherului, cu substituirea parțială a combustibililor tradiționali (cărbune, gaze naturale, păcură) cu deșeuri care au putere calorică.
In acest sens se poate face o clasificare a deșeurilor utilizate în procesul de coincinerare în cadrul fluxului tehnologic după cum urmează:
Principalele tipuri de combustibili alternativi folosiți în fabricile de ciment din România.
Anvelope uzate si deșeuri de cauciuc, provenite din activitățile industriei auto. (inclusiv anvelope auto de mari dimensiuni pentru care am investit special într-un sistem hidraulic de tăiere și mărunțire urmat de dozare si transportul ulterior spre banda de alimentare);
Materiale plastice, folii, carton, hârtie, lemn si textile, provenite din diverse activități industriale, dar si din deșeurile menajere sortate;
Uleiuri uzate si solvenți, proveniți din industriile auto si chimica. Acordam o atenție speciala transportului lor din cauza compoziției chimice si a pericolului de explozie;
Deșeuri petroliere, provenite din activitățile curente ale industriei petroliere precum si din activități de ecologizare a batalurilor istorice cu produse petroliere. Și în acest caz este nevoie de o supraveghere atentă a transportului;
Rumeguș pe care îl impregnam cu uleiuri, lacuri, vopseluri sau deșeuri petroliere in instalații speciale. Din cauza riscului de poluare pe care îl reprezintă, rumegușul impregnat trebuie transportat și manipulat cu o atenție deosebită;
Deșeuri lemnoase, provenite din industria agricola, silvicultura sau din industria de procesare a lemnului .
Utilizarea tipurilor de deșeuri precizate mai sus ca materii prime (deșeuri necombustibile) prezintă avantajul că se elimină în totalitate, are loc o reducere a emisiilor de CO2 în atmosferă și cel mai important avantaj că nu afectează calitatea mediului înconjurător sau calitatea produselor finite.
Referitor la avantajele utilizării deșeurilor combustibile, cuptorul de clincher este un echipament sigur pentru valorificarea și arderea în siguranță a acestor deșeuri datorită unor caracteristici cum sunt:
temperatura foarte ridicată a gazelor (2000șC) și a materialului (1450șC);
timpul de staționare în cuptor de 5 – 10 secunde la o temperatură de peste 1100șC;
posibilitatea alimentării continue cu deșeuri combustibile;
posibilitatea valorificării totale a potențialului energetic al deșeurilor în procesul tehnologic de fabricare a clincherului.
Pe baza caracteristicilor fizico-chimice ale combustibililor alternativi și funcție de tipurile de cuptoare, se stabilesc puncte de alimentare a combustibililor, având în vedere, ca regulă generală, că acei combustibili care conțin componente periculoase, să fie introduși în zone unde temperaturile sunt suficient de înalte, de regulă la arzătorul principal, pentru ca substanțele periculoase să fie distruse .
În conformitate cu Foaia de parcurs privind Tehnologia Cimentului 2009 , raportul privind consumul de combustibil alternativ a fost de 16% în țările dezvoltate și 5% în țările în curs de dezvoltare în 2006 și este de așteptat să crească până la 40%, 60% și respectiv 10%, 20%, până în 2030 .
Reciclarea deșeurilor, care sunt dificil de utilizat în alte industrii vor contribui în mod semnificativ la protecția mediului, precum și prin reducerea emisiilor de CO2 .
Din date statistice, la nivelul anului 2011 s-au colectat 60 mii tone de anvelope uzate din care 75% au fost co-procesate în fabricile de ciment .
Ca regulă generală, combustibilii care conțin o proporție importantă de carbon au puteri calorifice mai mari, în timp ce combustibilii bogați în hidrogen sunt mai volatili.
Există mari diferențe între gradul de substituție a combustibililor fosili cu combustibili alternativi în diferite părți ale lumii. Media în țările europene (EU28) este semnificativ mai mare decât în Japonia, SUA, Canada și Australia.
În același timp, în Europa există țări în care co-incinerarea deșeurilor în industria cimentului are o lungă istorie, a devenit o practică curentă și gradele de substituție sunt mari – Olanda cu precădere, unde gradul de substituție a depășit 80 %, dar în care trebuie menționat că există o singură fabrică de ciment, Elveția, Austria, Germania, cu peste 40 %. Există însă și țări unde industria cimentului este puternic dezvoltată – Italia, Spania, Polonia, dar unde practica utilizării combustibililor alternativi este la început.
În anul 2012 la nivelul Europei, industria cimentului a reușit să-și asigure aproape o treime din necesarul de energie termica din combustibilii alternativi pe baza de deșeuri rezultate din cadrul altor industrii și activități.
Această situație are cauze legate de dezvoltarea pieței deșeurilor din zonele respective, precum și de posibilitatea industriei cimentului de a le utiliza, având în vedere cadrul legal, investițiile necesare, relațiile cu părțile interesate etc.
Pe de o parte, utilizarea combustibililor alternativi reduce emisiile de gaze cu efect de seră și ajută la valorificarea deșeurilor generate de alte industrii și activități. Pe de altă parte, folosirea lor nu este lipsită de riscuri, de aceea aceasta activitate este reglementată prin legislație specifică, implementată în autorizațiile fabricilor și atent monitorizată atât de către fabrici cât și de autorități.
Astfel:
Nu se utilizează combustibili alternativi dacă aceștia ar putea avea un impact negativ asupra sănătății umane, mediului înconjurător sau a comunității locale;
Se folosesc doar deșeuri și combustibili alternativi cu origini bine cunoscute și care corespund strict criteriilor de acceptare, disponibile la cerere;
Nu se folosesc ca și combustibili alternativi deșeuri pentru care există soluții mai ecologice de valorificare;
Nu se utilizează combustibili alternativi dacă emisiile rezultate din arderea lor sunt mai mari decât emisiile rezultate din arderea combustibililor tradiționali;
Înainte de a fi introduse în cuptoare, toate deșeurile sunt supuse unor teste riguroase în ceea ce privește caracteristicile fizico-chimice. Analizele complete sunt obligatorii la începutul utilizării fiecărui nou tip de deșeu și pe parcurs, ca proba medie, pe anumite cantități;
Activitatea de co-incinerare este strict reglementată de autorizații emise de autoritățile competente. Emisiile la coș sunt monitorizate continuu .
Prin co-procesarea deșeurilor se asigură:
Conservarea resurselor naturale: cărbune, păcura, gaz, gips, calcar, argilă, etc.
Reducerea indirectă a emisiilor de gaze, care s-ar genera în cazul în care deșeurile ar fi tratate prin depozitare sau incinerare în incineratoare amenajate special
Diminuarea riscurilor de mediu (depozitări necontrolate, poluarea solurilor, apelor etc)
Evitarea supraaglomerării depozitelor controlate (halde)
Îmbunătățirea imaginii mediului ambient
Fabricarea ceramicii
În general termenul „ceramică” (produse ceramice) este utilizat pentru materiale anorganice (posibil cu un anumit conținut organic), formate din compuși nemetalici permanentizați printr-un proces de ardere. Pe lângă materialele pe bază de argilă, ceramica actuală include o multitudine de produse cu o fracțiune mică de argilă sau chiar deloc. Ceramica poate fi smălțuită sau mată, poroasă sau vitrificată .
Industria de ceramică este inclusă în CAEN-ul European (Clasificarea Activităților Economice din Comunitatea Europeană) Diviziunea 26 corespunzătoare fabricării altor produse din minerale nemetalice. Această diviziune include unele dintre următoarele grupe înrudite:
• 26.2 Fabricarea produselor ceramice nerefractare, altele decât construcții; fabricarea produselor ceramice refractare.
• 26.21 Fabricarea de articole de uz casnic și produse ceramice decorative.
• 26.3 Fabricarea plăcilor ceramice și steaguri.
• 26.4 Fabricarea de cărămizi, țigle și produse pentru construcții, din argilă arsă .
Sectorul produselor minerale nemetalice îndeplinește rolul intermediar de a lua minerale care au fost adesea detonate sau extrase din carieră și de a le transforma în produse care pot fi utilizate în mai multe industrii (industria de construcții, construcții civile, procese metalurgice, fabricarea cimentului, sticlei, incineratoare, obiecte sanitare si tacamuri). Caracteristicile produselor ceramice includ durată lungă de viață, rezistență la uzură, inerția chimică și toxicitate scăzută, rezistență la căldură și foc, etc..
În general materialele ceramice sunt amorfe, însă circa 30% din totalul lor au structură cristalină. În funcție de domeniul de utilizare, materialele ceramice se împart în:
ceramice de uz casnic (oale, vase, tuburi, rezervoare, conducte, robinete)
ceramice pentru construcții (cărămizi, țiglă, faianță, conducte)
ceramice tehnice pentru filiere de trefilat, inele de etanșare, rotoare de turbine, rulmenți cu bile, pistoane, segmenți, racorduri, etc.
Tipuri de materiale ceramice tehnice
Materialele ceramice tehnice sunt caracterizate prin proprietăți fizico-mecanice superioare celor ale materialelor metalice dure și extradure prin :
densitate redusă, de circa 1/3 din aceea a materialelor metalice;
duritate mare, cuprinsă între 1500 – 2100 HV;
rezistența la uzură, de 2-3 ori mai mare decât aceea a materialelor metalice;
stabilitate dimensională și de formă geometrică până la temperature de circa 2000 °C
Din punct de vedere al compoziției chimice și al domeniului de utilizare, ceramicile pot fi grupate în:
ceramici silicioase sau vitroceramici, obținute prin cristalizarea dirijată a sticlelor cu ajutorul unor agenți de nucleație (catalizatori) metalici, halogenuri sau compuși oxidici
ceramici nemetalice, caracterizate prin structuri metalografice complexe, realizabile prin presare la temperaturi > 1700 °C și presiuni >14 MPa
ceramici metalice cu cermeți cu structura metalografică complexă, foarte rezistenți la solicitări, temperaturi ridicate și coroziune
ceramici oxidice de forma alumina Al2O3 în proporție de 99% restul fiind ZrO2; SnO2; Fe2O3; ZnO; BeO; MgO; TiO2 – folosite la fabricarea semiconductorilor;
ceramici magnetice, constituite din ferită de formă: MFe2O4 unde M=nichel, mangan, magneziu, cupru, cobalt.
Materia prima
Materia primă de bază folosită la fabricarea produselor ceramice o reprezintă argila (de tip caolinitic).
Amestecul plastic cuprinde în compoziție și alte materiale în cantități mici cum ar fi:
degresanți sau aglomeranți;
fondanți;
eventual, adaosuri refractare
Degresanții sunt materiale de adaos ce au rolul de a micșora plasticitatea argilelor și totodată contracția ei la uscare. Aceste materiale au rolul de a reduce volumul fisurilor ce apar la uscare. Din această categorie fac parte următoarele materiale: nisipul silicios, praful de șamota (argilă refractară arsă și măcinată), cenuși, zgură măcinată etc .
Aglomeranții sunt materiale de adaos ce au rolul de a mari plasticitatea argilelor slab plastice, în vederea reducerii manoperei de fasonare a formelor crude. Din categoria materialelor de aglomerare fac parte: varul, dextrina, melasa, gudroanele etc. .
Fondanții (topitori) sunt materialele de adaos ce au rolul de a coborî temperatura de clincherizare și vitrificare a masei argiloase, în scopul reducerii consumului de combustibil necesar arderii produselor ceramice. Din această categorie fac parte următoarele materiale: feldspat, calcar, dolomita etc..
Adaosuri refractare sunt materiale care introduse în masa ceramică îi măresc punctul de refractaritate, deci favorizează obținerea unor produse refractare(cu temperatura de topire mai mare). Din această categorie fac parte următoarele materiale: șamota, cuarțul etc. .
Procesul tehnologic
Procesul tehnologic de fabricare a produselor ceramice cuprinde succesiunea operaiilor și proceselor, tabelul 1.2, prin care una sau mai multe materii prime convenabil alese, sunt preparate, fasonate, supuse tratamentului termic și finisate corespunzător caracteristicilor și cerinelor de utilizare ale produselor respective. Materialul preparat poartă numele de masă ceramică.
Fabricarea produselor ceramice are loc în diferite tipuri de cuptoare, cu o gamă largă de materii prime, în numeroase forme, dimensiuni și culori. Cu toate acestea, procedeul general de fabricare a produselor ceramice, este destul de uniform, pe lângă faptul că pentru fabricarea plăcilor de gresie și faianță, a ceramicii de uz menajer, a articolelor sanitare și a ceramicii tehnice este utilizat adesea un procedeu de ardere în mai multe trepte .
În general, materiile prime sunt amestecate și turnate, presate sau extrudate în formă. Apa este utilizată în mod regulat pentru amestecare completă și modelare. Această apă este evaporată în uscătoare, iar produsele sunt așezate fie manual în cuptor – în special în cazul cuptorului tip vagon operat periodic – sau sunt așezate pe vagonete care sunt duse prin cuptoare tip tunel sau pe vatră cu role operate continuu. Pentru fabricarea agregatelor de argilă expandată sunt utilizate cuptoare rotative .
În timpul arderii, este necesar un gradient foarte precis de temperatură care să asigure că produsele sunt tratate corect. Pe urmă, este necesară răcirea controlată, astfel încât produsele să elimine treptat căldura și să-și păstreze structura ceramică. Apoi produsele sunt ambalate și depozitate pentru livrare .
Tab. 1.2. Faze și operaii tehnologice
Arderea produselor ceramice determină transformarea timp-temperatură a substanțelor minerale componente, de obicei într-un amestec de noi substanțe minerale și faze vitroase. Proprietățile caracteristice ale produselor ceramice includ rezistență ridicată, rezistență la uzură, durată lungă de viață, inerție chimică și netoxicitate, rezistență la căldură și la foc, (de obicei) rezistență electrică și uneori și o porozitate specifică .
În funcție de procesele de fabricație specifice, instalațiile care produc produse ceramice provoacă emisii care se degajă în aer, în apă și în sol (deșeuri). În plus, mediul înconjurător poate fi afectat de zgomot sau de mirosuri neplăcute. Tipul și volumul de aer poluat, de deșeuri și de ape uzate depind de diferiți parametri. Acești parametri sunt, de exemplu, materiile prime utilizate, agenții auxiliari, carburanții folosiți și metodele de producție :
emisiile în aer: particule/praf, funingine, emisii gazoase (oxizi de carbon, oxizi de azot, oxizi de sulf, compuși anorganici de fluor și clor, compuși organici și metale grele) pot rezulta din fabricarea produselor ceramice
emisii în apă: apele uzate din proces conțin în special componente minerale (particule insolubile) și alte materiale anorganice, cantități mici de numeroase materiale organice precum și anumite metale grele
pierderile din proces/deșeurile: pierderile din proces care provin din fabricarea produselor ceramice, constau în special din diferite tipuri de nămol, produse sparte, matrițe de ghips uzate, agenți de sorbție uzați, reziduuri solide (praf, cenușă) și deșeuri din ambalaje
consumul de energie/emisii de CO2: toate sectoarele din industria ceramică sunt mari consumatoare de energie, deoarece o parte importantă a procesului de fabricație implică uscarea urmată de ardere la temperaturi între 800 și 2000 șC. La ora actuală, gazul natural, gazul de petrol lichefiat (propan și butan) și păcura EL sunt utilizate în special pentru ardere, în timp ce păcura grea, gazul natural lichefiat (GNL), biogazul/biomasa, curentul electric și combustibilii solizi (de exemplu cărbune, cocs petrolier) pot juca un rol ca surse de energie pentru arzătoare.
Prelucrarea argilelor și a altor materii prime ceramice duce inevitabil la formarea prafului – în special în cazul materialelor uscate. Uscarea (inclusiv uscarea prin pulverizare), cominuția (sfărâmare, măcinare), sortarea, amestecarea și transportul pot genera emisii de praf fin. De asemenea, praful se formează și în timpul decorării și arderii obiectelor, precum și în timpul prelucrării sau al operațiunilor de finisare pe obiectele arse. Emisiile de praf nu sunt generate doar de materiile prime descrise mai sus, ci și combustibilii contribuie la aceste emisii în aer.
Compușii gazoși emiși în timpul uscării și al arderii provin în special din materiile prime, dar și combustibilii contribuie la emiterea poluanților în formă gazoasă. Aceștia sunt în special SOX, NOX, HF, HCl, COV și metale grele.
Apa uzată din proces rezultă în special când materialele argiloase spălate sunt în suspensie în jetul de apă din procesul de fabricație și al curățării echipamentului, dar emisiile în apă apar și în timpul operării epuratoarelor umede de gaze reziduale. Apa adăugată direct în amestecurile din obiectele ceramice se evaporă apoi în aer în timpul fazelor de uscare și ardere.
Pierderile din producție pot fi adesea reciclate și reutilizate în cadrul unității datorită specificațiilor produsului sau cerințelor de fabricație. Materialele, care nu pot fi reciclate în interior, sunt scoase din unitate și utilizate în alte industrii sau sunt furnizate unităților externe de reciclare sau de depozitare a deșeurilor.
Pentru a reduce emisiile de praf difuze sau canalizate se pot aplica măsuri pentru operațiunile care generează particule sau pentru zonele de depozitare în vrac, de ex. se pot monta filtre cu sac, curățarea uscătorului, sisteme de desprăfuire/filtrare, iar pentru a preveni emisiile de poluanti gazoși în aer (în special SOX, NOX, HF, HCl, COV) – utilizarea combustibililor cu emisii reduse de cenușă și reducerea formării de pulberi provenite din încărcarea obiectelor care vor fi arse în cuptor.
Capitolul 2
FORMAREA POLUANȚILOR IN PROCESUL DE FABRICARE A CLINCHERULUI ȘI CERAMICII
Fabricarea cimentului
Masa de poluanți evacuată în atmosferă este supusă unui proces de dispersie care determină scăderea concentrației de poluanți pe măsura depărtării de sursă. Dispersia poluanților depinde de o serie de factori ce acționează simultan:
factori ce caracterizează sursa de emisie respectivă, cantitatea de poluant evacuată în unitatea de timp și proprietățile fizico-chimice ale poluantului;
factori care caracterizează mediul aerian în care are loc emisia și care determină împrăștierea orizontală și verticală a poluanților (factorii meteorologici);
factori care caracterizează zona în care are loc emisia (orografia și rugozitatea terenului).
Diversele zone au posibilități diferite de dispersie, astfel încât aceeași cantitate de noxe evacuată în atmosferă în condiții similare are ca rezultat atingerea unor concentrații la sol diferite de la o zona la alta, în funcție de caracteristicile atmosferice și orografice ale zonei respective.
Cunoașterea proporției în care se realizează într-o zonă dată acele caracteristici atmosferice care frânează sau favorizează difuzia poluanților permite estimarea posibilităților de dispersie precum și determinarea calitativă și cantitativă a concentrațiilor de poluanți.
Sursele de poluare a atmosferei sunt de două categorii:
dirijate, caracterizate de faptul ca poluanții rezultați din procese sunt colectați, transportați și exhaustați în atmosferă prin mijloace mecanice; acestea sunt de două feluri: controlate, caracterizate prin faptul că sunt prevăzute cu instalații de epurare și necontrolate, caracterizate de faptul că nu sunt prevăzute cu instalații de reținere a poluanților;
nedirijate, caracterizate prin faptul ca poluanții rezultați din proces sunt evacuați în mod liber în atmosferă.
Din activitatea de utilizare a deșeurilor rezultă poluanți în principal, la arderea acestora în cuptorul de clinker. Directiva IPPC cuprinde o listă generală a principalelor substanțe poluante ale aerului care trebuie luate în considerare pentru stabilirea valorilor limită ale emisiilor.
În toate sistemele de cuptoare, gazele exhaustate trec în final printr-un dispozitiv de control al poluării aerului (electrofiltru sau filtru cu saci) pentru separarea prafului înainte de evacuare la coșul principal .
În procedeul uscat, gazele de evacuare pot avea o temperatură relativ ridicată și pot furniza căldură pentru moara de făina când aceasta este în funcțiune (funcționare compusă). Dacă moara de făina nu funcționează (funcționare directă), înaintea intrării în dispozitivul de control al poluării aerului, gazele sunt în mod normal răcite prin pulverizare de apă într-un turn de condiționare, atât pentru a reduce volumul lor cât și pentru a îmbunătăți caracteristicile de precipitare .
Comparativ cu 1990 emisiile de praf produse de industria cimentului din România au fost reduse cu 95%, iar cantitățile de oxid de azot si dioxid de sulf au scăzut cu 50% .
“In ultimii 10 ani industria a reușit să co-proceseze peste 1.300.000 de tone de deșeuri”. Deși la nivel național cantitatea de deșeu menajer a fost de aproximativ 4,5 milioane tone (potrivit datelor Eurostat pe 2013), doar 3% din acestea au putut fi folosite de fabricile de ciment.
În ultimii 20 de ani, industria europeană de ciment a redus emisiile de CO2 per tonă de ciment de la 719 kg în anul 1990 la 660 kg în anul 2010 prin înlocuirea procedeului umed cu cel uscat, procedeu mult mai eficient energetic. La ora actuală, peste 90% din clincherul produs se bazează pe această tehnologie, îmbunătățirea tehnologiilor de măcinare având ca rezultat un consum de energie mai scăzut și, prin urmare, reducerea emisiilor.
La producerea cimentului, cel mai important impact asupra mediului îl au:
emisiile gazoase la coș și pulberile (emisiile la coș și sursele fugitive);
alte emisii – zgomote și vibrații, mirosuri, apă uzată, deșeuri de producție;
consumul de resurse – energie, materii prime .
Poluanții emiși la producerea clincherului sunt rezultatul reacțiilor chimice în care sunt implicate materiile prime introduse în cuptor și al arderii combustibililor.
Constituenții principali ai gazelor de ardere emise la coșul cuptorului de clincher sunt azotul din aerul de combustie, CO2 din decarbonatarea materiilor prime și din ardere, vaporii de apă din procesul de ardere și din materiile prime și oxigenul în exces.
Alături de aceștia, în compoziția gazelor de ardere se regăsesc pulberi, oxizi de azot (NOx), oxizi de sulf, (în proporție covârșitoare, SO2), cloruri, fluoruri, monoxid de carbon și cantități reduse de metale grele și compuși organici . Emisiile pot proveni din diferite puncte în procesul de producere al cimentului, în funcție de materiile prime și combustibili, procedurile de pregătire și a cuptoarelor și a sistemelor utilizate pentru controlul emisiilor.
Principalele etape de fabricație, care sunt, de asemenea, surse potențiale de emisii, sunt:
Extracția și prepararea materiilor prime
Manipularea combustibililor
Producerea clincherului
Măcinare
Ambalare
Depozitare
Transport
Încărcarea materialului
Cele mai importante emisii din procesele de producție sunt pulberile, oxizii de azot (NOx) și dioxidul de sulf (SO2). Alte emisii sunt compușii organici volatili (VOC), dioxine p-dibez policlorinate (PCDD) și dibenzofurane (PCDF) și clorura de hidrogen (HCL). De asemenea, trebuie ținut cont și de oxizii de carbon (CO, CO2), fluorură de hidrogen (HF), amoniac (NH3), benzen, toluen, etilbenzen și xilen (BTEX), hidrocarburi poliaromatice (PAH, metale și compușii acestora, zgomot și mirosuri.
Formarea poluanților
Pulberi
Emisiile de pulberi au fost una dintre principalele preocupări legate de mediu în ceea ce privește fabricarea cimentului. Principalele surse sunt procesul de pregătire a materiilor prime (unități pentru materia primă), unitățile de măcinare și de uscare, procesul de ardere a clincherului, pregătirea combustibilului și unitatea de măcinare a cimentului (instalații de măcinare). De asemenea, alte surse de praf sunt concasarea materiilor prime, benzile rulante și lifturile pentru materii prime, depozitarea materiilor prime și a cimentului, depozitarea combustibililor, expedierea cimentului (încărcare) .
Sursele punctuale de pulberi sunt instalația de ardere și răcire, morile de ciment și echipamentele de mărunțire și uscare a materiilor prime .
Pulberile din surse difuze „pulberi fugitive” rezultă din manipulări și depozitări ale materialelor pulverulente, precum și ca urmare a transportului. Pulberile au reprezentat pentru o lungă perioadă de timp, cea mai serioasă problemă pe care o punea o fabrică de ciment din punct de vedere al mediului înconjurător și chiar al sănătății angajaților și vecinilor .
În ultimii 20 de ani, emisiile de pulberi, mai cu seamă cele punctuale, au fost reduse cu mai mult de 90 % în majoritatea fabricilor de ciment, prin montarea de instalații de desprăfuire moderne – filtre cu saci și electrofiltre .
Emisiile de praf de PM10 și PM2,5 constau din particule fine, cu o granulație mai mică de 10, respectiv mai puțin de 2,5 microni (formă solidă sau aerosoli). Aceste tipuri de praf fin pot rezulta dintr-o serie de reacții fizico-chimice care implică diferite gaze precursoare (oxizi de azot și sulf, pulberi în suspensie de azotat și amoniu). Aceste emisii pot cauza probleme pentru sănătatea oamenilor. În industria cimentului, PM10 și PM2,5 pot apărea din procesul de ardere și de răcire.
Oxizi de azot (NOx)
Oxizii de azot, definiți ca NOx = NO + NO2 se formează în cuptoare în procesul de ardere, prin oxidarea azotului din aerul de combustie și azotului conținut în combustibil.
NO și NO2 sunt oxizii principali din gazele exhaustate din cuptorul de clincher (NO >90 % din oxizii de azot).
In cuptor, are loc formarea “NO termic”, la temperaturi ridicate, începând cu 12000 C concentrația sa depinzând de temperatura flăcării (variind aproape instantaneu cu modificările de temperatura), de concentrația de O2, procedeul de ardere folosit și de aptitudinea la ardere a materialului. NOx termic – o parte din azotul din aerul de combustie reacționează cu oxigenul pentru a forma diferiți oxizi de azot.
Viteza reacției în cazul NOx termic crește odată cu temperatura; de aceea, amestecuri greu de ars care necesita zone de ardere mai fierbinți vor tinde să genereze mai mult NOx termic decât cuptoarele cu amestecuri mai ușor de ars. Viteza reacției crește de asemenea odată cu creșterea conținutului de oxigen (exces de aer) .
“NO combustibil’, provenit din azotul conținut în combustibil, se formează în zone cu concentrație redusă în O2, concentrația lui depinzând relativ puțin de temperatura față de ‘NO termic”. În plus, NOx poate fi, de asemenea, format prin oxidarea NH3 .
Formarea NO2 are loc la temperaturi scăzute, prin oxidarea NO format în timpul combustiei. In condițiile existente în cuptoare, cantitatea de NO2 reprezintă mai puțin 5 – 10% din totalul de NOx emis.
NOx din combustibil este generat de arderea azotului prezent în combustibil. Azotul din combustibil fie se combină cu alți atomi de azot pentru a forma gazul N2 fie reacționează cu oxigenul pentru a forma NOx din combustibil .
Într-un precalcinator temperatura predominanta este între 850 – 950°C, care nu este destul de ridicata pentru a forma NOx termic în cantități semnificative, dar va apărea NOx combustibil.
În mod asemănător, alte tipuri de ardere secundară a combustibilului la capul cuptorului, cum ar fi conducta ascendenta a cuptorului cu schimbător în suspensie sau camera de ardere a unui schimbător tip grătar, pot genera NO din combustibil. De aceea, în cuptoarele cu precalcinare, unde până la 60 % din combustibil poate fi ars în calcinator, formarea NOx din combustibil contribuie în mod semnificativ la emisia totala de NOx. Formarea de NOx termic în aceste cuptoare este mult mai scăzută în comparație cu cuptoarele unde tot combustibilul este ars în zona de sinterizare. În afara temperaturii și a conținutului de oxigen (exces de aer) formarea de NOx poate fi influențată de forma și temperatura flăcării, de geometria camerei de ardere, de reactivitatea și conținutul în azot al combustibilului, de prezența umidității, de timpul de reacție și tipul arzătorului .
S-a observat, de asemenea, cum combustibilii cu conținut mai mare de substanțe volatile au tendința să contribuie la reducerea NO, pentru că ard cu flăcări mai fierbinți și formează rapid CO și radicali ai hidrocarburilor . Cuptoarele care utilizează combustibil gazos produc o cantitate mai mare de NOx termic decât cuptoarele în care se ard cărbuni . Pe de altă parte, cărbunii au în compoziție o cantitate mai mare de N decât gazul natural, în care azotul este aproape inexistent, deci NOx din combustibil este mai mare în cazul arderii cărbunilor. Comparând însă cuptoarele care funcționează pe procedeul uscat, se observă că emisiile de NOx sunt semnificativ mai mari pentru cuptoarele care utilizează gaze naturale, ceea ce confirmă faptul ca formarea NOx termic este procesul dominant în cuptorul de clincher, datorită temperaturii înalte .
Oxizii de azot se formează în cursul procesului de ardere a combustibililor în cuptorul de clincher, prin mai multe procese, în urma oxidării azotului din aerul de combustie, din combustibil și din amestecul de materii prime. Materiile prime utilizate la producerea clincherului pot să conțină în unele cazuri, cantități importante de azot. Calcarul în special, sau argilele, fiind roci sedimentare, pot sa conțină mici cantități de azot legat chimic, de presupus în compuși organici .
Oxizii de sulf (SO2)
Emisiile de SO2 provenite de la fabricile de ciment depind de cantitatea totală de compuși de sulf și de tipul procedeului folosit. În primul rând, depinde de conținutul de sulf volatil din materiile prime și de combustibili .
În materiile prime, sulful este prezent sub formă de sulfați sau sulfuri (pirită sau marcasită FeS2), iar în combustibili se găsește sub forma de compuși anorganici sau organici .
Sulfații sunt stabili termic până la temperaturi de aproximativ 1200° C, deci ajung în zona de clincherizare, ca atare, unde sunt descompuși și pun în libertate SO2 gazos .
Emisiile potențiale de SO2 depind, de asemenea, de circulația sulfului care are loc în sistemele de cuptor (SO2 în gazele de evacuare, CaSO4 în clincher și în praf). Cu toate acestea, cea mai mare parte din sulf este încorporată în clincher .
Principalul component al SOx este SO2 (99 %) pe lângă acesta rezultând și SO3 în condiții reducătoare H2S. Sulful din materia primă, sub formă de sulfură și sulful combinat organic se vor evapora iar 30 % sau mai mult pot fi emise de la prima treaptă a schimbătorului de căldură. Gazele de la această treaptă vor fi emise fie direct în atmosferă sau alimentate în moara de făină dacă aceasta este în funcțiune. În moara de făină, 20-30 % din SO2 va fi fixat în materia primă fin măcinată. Astfel, este important ca măcinarea brută să fie optimizată astfel încât moara de făină să acționeze ca o instalație de reducere a SO2 pentru cuptor. Sulful din combustibilii care alimentează cuptoarele cu preîncălzire nu va conduce la emisii semnificative de SO2, datorită naturii alcaline puternice din zona de sinterizare, de calcinare și la treapta inferioară a schimbătorului. Acest sulf va fi fixat în clincher. Oxigenul în exces (1 până la 3 % O2 menținut în cuptor pentru calitatea cimentului) în mod normal va oxida imediat orice sulfuri la SO2 .
Compuși anorganici cu clor
Compușii anorganici cu clor, sub formă gazoasă, sunt compuși minori, existenți în gazele de ardere, a căror sursă o constituie materiile prime și combustibilii – fosili sau alternativi. Fie că sunt introduși prin amestecul brut, fie prin intermediul combustibililor, compușii cu clor reacționează cu alcaliile și formează cloruri alcaline. Acestea se găsesc sub formă de vapori în zonele de temperaturi ridicate din cuptor, dar, antrenate de fluxul de gaze de ardere, condensează în zonele mai reci ale cuptorului și ale schimbătorului de căldură (între 700 și 900°C), pe particulele de amestec brut sau praf de electrofiltru și reintră în sistemul cuptorului unde se volatilizează din nou. Ca urmare a acestui circuit care se formează între cuptor și schimbătorul de căldură, sistemul cuptorului se îmbogățește în compuși ai clorului, care prin depuneri, în anumite zone, pot determină blocaje și dificultăți în funcționarea cuptorului .
Clorul existent în exces în sistemul cuptorului, poate determina scăderea punctelor eutectice de topire și accelerarea formării lipiturilor și implicit a blocajelor .
Soluția pentru reducerea concentrației compușilor cu clor este realizarea unui sistem de bypass la capul rece al cuptorului, prin care sunt extrase o parte din gaze.
Acestea sunt răcite, ceea ce determină condensarea compușilor cu clor pe particulele fine de praf care sunt eliminate din sistem printr-un colector de praf. Praful de bypass este introdus, în condiții controlate, la măcinarea cimentului .
Emisiile de compuși anorganici ai clorului se măsoară ca emisie de HCl .
Compuși anorganici cu fluor
Compușii anorganici cu fluor, existenți în instalația de ardere, provin din materiile prime sau combustibili. În proporție de 90 – 95 %, aceștia se leagă în clincher, iar restul se adsorb pe particulele de praf, sub formă de CaF2, care este stabilă în condițiile existente în cuptor .
Emisiile de fluor gazos sau HF sunt practic excluse, datorită mediului alcalin și excesului de ioni Ca2+ din sistem. Emisiile extrem de reduse de compuși gazoși cu fluor, măsurate ca HF, la coșul cuptorului, se explică prin faptul că aceștia sunt adsorbiți pe particulele ultrafine de pulberi care trec de filtrul dispozitivului de măsurare, simulând emisii de compuși ai fluorului .
Oxizii de carbon (CO2, CO)
Compusul carbonului rezultat în cele mai mari cantități din procesul de producere a clincherului este CO2 – în medie, 900 – 1000 kg/t clincher, în funcție, în special de consumul specific de energie termică (între 3500 – 5000 MJ/t clincher) și, de asemenea, de tipul combustibilului. Aproximativ 60 – 62 % din emisiile de CO2 rezultă din procesul de calcinare și restul de 38 – 40 %, din arderea combustibililor .
Emisia de CO este legată de conținutul de materie organică din materia primă, dar poate să rezulte de asemenea dintr-o ardere necorespunzătoare când controlul alimentării cu combustibil solid nu este optimă. Între 1,5 și 6 g de carbon organic pe kg de clincher sunt aduse în proces de către materia primă (zăcământ). Analize efectuate asupra materiilor prime de origini diferite, au arătat că la o concentrație de 3 % O2, între 85 % și 95 % din carbonul organic este oxidat la CO2, iar între 55 și 15 %, se transformă în CO .
În condiții normale de funcționare, emisiile de CO și COV sunt reduse datorită condițiilor existente în cuptorul de clincher. Cantități mai mari de CO emis în cadrul procesului, rezultă însă în urma arderii necorespunzătoare sau a condițiilor improprii în care se desfășoară arderea secundară și care conduc la apariția de valori momentane ridicate. Creșterea emisiilor de CO este corelată cu diminuarea emisiei de NOx, însă atât pentru desfășurarea procesului de clincherizare, cât și pentru nivelul emisiilor la coș, este deosebit de importantă funcționarea în condiții constante a cuptorului .
Controlul nivelurilor de CO este important în cuptoarele de ciment atunci când sunt folosite electrofiltre pentru reducerea emisiilor, astfel încât să se asigure concentrații de CO sub nivelul de explozie cel mai scăzut. Dacă nivelul concentrațiilor de CO din electrofiltru crește (de obicei până la 0.5 % din volum) atunci sistemul electric este închis (oprit) pentru a elimina riscul de explozie. Aceasta conduce la emisii mari de particule provenite din cuptor. Formarea de CO poate fi cauzată de condițiile de funcționare instabile ale sistemului de ardere. Acestea apar uneori la combustibilii solizi de alimentare, așadar sistemele de alimentare cu combustibil solid trebuie a fi proiectate pentru a împiedica supraîncărcarea de combustibil în arzător. Conținutul de umiditate a combustibililor solizi este un factor important în această privință și trebuie controlat cu atenție pentru a preveni retențiile sau blocajele în pregătirea combustibilului și a sistemelor de alimentare .
Compușii organici volatili (COV)
În general, în procesele de ardere, apariția compușilor organici (și a monoxidului de carbon) este adesea asociată cu o ardere incompletă. In cazul cuptoarelor de ciment, emisia va fi mai mică în condiții stabile și normale, datorită timpului lung de staționare a gazelor în cuptor, a temperaturii ridicate și a mediului oxidant din cuptor. Concentrațiile pot crește în timpul pornirilor sau al funcționărilor necorespunzătoare. Aceste fenomene pot apărea cu o frecvență diversă, de exemplu, o dată sau de două ori pe săptămână până la o dată la două sau trei luni.
Emisiile de compuși organici volatili (VOC) pot apărea în primele etape ale procesului (schimbător de căldură, precalcinator), când materia organică ce este prezentă în materia primă se volatilizează pe măsură ce materialul alimentat se încălzește. Materia organică este eliberată la temperaturi între 400 și 600oC . Emisiile de COV se măsoară ca și compuși organici totali (COT) .
Dioxine și furani – Formarea dioxinelor și furanilor în procesul de producere a clincherului. Factori de influență
Cu mai puțin de 20 ani în urmă, cuptoarele din fabricile de ciment erau considerate drept responsabile pentru cea mai mare parte a dioxinelor și furanilor din aer; datele recente, furnizate de mai mult de 2000 de măsurători realizate la cuptoare de clincher, indică faptul că industria cimentului contribuie cu mai puțin de 1 % la emisia totală de dioxine și furani în aer .
Aceste investigații detaliate și măsurători au fost realizate asupra unui număr foarte mare de cuptoare de diferite tipuri – cuptoare lungi, Lepol, cu schimbător de căldura în suspensie, cu calcinator și fără, care acoperind diferite tehnologii – procedeul umed și uscat, și cu utilizarea atât a combustibililor fosili cât și a unei game largi de deșeuri periculoase și nepericuloase alimentate în calcinator, pe la arzătorul principal și pe la capul rece al cuptorului .
Datorită condițiilor specifice pentru producerea clincherului: temperaturi ridicate, de aproximativ 2000 °C pentru gaze și perioade lungi de staționare a gazelor de ardere în cuptor (circa 10 secunde la temperaturi mai mari de 1100 – 1200 °C și 5-6 secunde chiar la temperaturi de peste 1800 °C), emisiile de dioxine și furani ale cuptoarelor de clincher sunt foarte reduse, indiferent de combustibilii utilizați, chiar și în cazul combustibililor alternativi pe bază de deșeuri periculoase .
Datorită condițiilor existente în cuptoarele de clincher se poate realiza un factor de distrugere și eliminare (DRE) DE 99,9999% pentru compușii organici persistenți, categorie din care fac parte și dioxinele și furanii. Datele măsurătorilor realizate în lume, dar și în România confirmă nivelul foarte redus al emisiilor de dioxine și furani ai cuptoarelor de clincher .
Pentru formarea dioxinelor și furanilor este necesară prezența simultană a următorilor factori :
• conținut de hidrocarburi;
• conținut de clor;
• un catalizator – ionii Cu2+ si Fe2+ pot avea acest efect;
• un interval de temperaturi de 200 – 400° C cu efect maxim între 300 – 325° C;
• un timp suficient de lung de menținere a reactanților în acest interval de temperatura;
• oxigen molecular prezent în fluxul de gaze.
Dioxinele și furanii formați în aceste condiții în schimbătorul de căldura, sunt descompuși când ajung în zonele mai calde ale cuptorului. Procesul de distrugere a dioxinelor și furanilor formați în fazele incipiente ale procesului, este favorizat de deplasarea amestecului brut pe care sunt adsorbiți acești compuși, către zonele cu temperaturi mai ridicate (400 – 600 C), unde sunt distruși termic sau transformați în compuși cu greutate moleculara mai mica. Aceștia sunt preluați de curentul de gaze de ardere fierbinți si, în zonele mai reci ale schimbătorului (200 – 300 °C), condensează pe particulele de amestec brut și reintră în zona de temperatura ridicată a cuptorului. Dioxinele și furanii, distruși în instalația de ardere, la anumite temperaturi, se pot forma din nou, dacă sunt întrunite condițiile menționate, prin așa numita „sinteza de-novo”, în intervalul de temperaturi 200 – 400°C. Pentru a împiedica acest proces, este extrem de important să se asigure răcirea rapidă a gazelor de ardere care părăsesc instalația de ardere. Acest lucru se întâmplă în cazul cuptoarelor cu schimbător de căldura în suspensie de gaze, unde înainte de a intra în filtrul cu saci sau electrofiltru, gazele arse sunt răcite și umidificate în turnul de condiționare .
Metale grele
Materiile prime și combustibilii conțin întotdeauna metale a căror concentrație variază în mare măsură în funcție de zăcământ, iar în cazul combustibililor alternativi, în funcție de originea deșeului.
Metalele sunt grupate astfel:
metale cu compuși refractari sau non-volatili, cum ar fi Ba, Be, Cr, As, Ni, Al, Ti, Ca, Fe, Mn, Cu, Ag ;
metale cu compuși semi-volatili, cum ar fi Sb, Cd, Pb, Se, Zn, K, Na;
Taliu și compuși de taliu (volatili);
Mercur și compușii săi (volatili).
Comportarea metalelor și nivelul emisiilor acestora la producerea clincherului, depind de mai mulți factori, printre care: volatilitatea lor sau a unor compuși care îi conțin, concentrația lor în instalația de ardere, ținând cont că provin din materii prime și combustibili, tipul instalației de ardere și mai ales, de eficiența sistemului de desprăfuire a gazelor eliminate la coș.
Metalele care pătrund în cuptor, atât prin materiile prime, cât și prin deșeurile periculoase sau nepericuloase, în funcție de volatilitatea lor, reacționează cu constituenții prezenți în fază gazoasă și condensează pe particulele de material în zonele cu temperaturi mai scăzute ale instalației. O parte dintre acestea sunt antrenate în circuite interne sau externe (cazul mercurului) și în cele din urmă, sunt emise împreună cu gazele de ardere, la coș.
Datorită fineții înaintate, amestecul brut este un foarte bun material de adsorbție a metalelor din gazele de ardere. Conținutul de metale al materiilor prime este mai important decât cel al combustibililor, ținând cont că, așa cum rezultă din bilanțurile de masă, raportul dintre masa amestecului brut și masa combustibilului este de 10:1 .
Pulberile rezultate la producerea clincherului conțin mici cantități de metale cum ar fi, As, Cd, Sb, Pb, Cr, Zn și compuși metalici, iar sursa acestora este reprezentată de instalația de ardere care include schimbătorul de căldura, calcinatorul, cuptorul rotativ și răcitorul.
Concentrația metalelor la evacuare depinde de concentrația acestora în materiile prime și combustibili și de fenomenele de recirculare care au loc în instalația de ardere. Utilizarea cărbunilor sau a combustibililor alternativi poate să determine, în anumite situații creșterea conținutului de metale la intrarea în proces.
Datorită volatilității lor și temperaturii ridicate, metalele și compușii acestora se regăsesc și sub formă de vapori în gazele de ardere eliminate din sistem. Elementele în urme care se regăsesc în emisii în aer, la producerea clincherului, pot fi clasificate în 3 categorii, funcție de volatilitatea lor sau a sărurilor lor :
Metale nevolatile sau care formează compuși nevolatili, metale semi-volatile sau care formează compuși nevolatili și metale volatile.
Metalele nevolatile sau care formează compui nevolatili – Al, Ag, As, Ba, Be, Ca, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Ti și V – sunt încorporate în clincher, în proporție de aproape 100 % și nu circulă în sistemul cuptorului.
Ca regulă generală, suma emisiilor elementelor în urme (metale grele) nevolatile este întotdeauna mult sub 0.1 % din totalul elementelor intrate în instalația de ardere .
Emisiile acestor metale sunt foarte scăzute și nu se regăsesc decât în pulberile captate de instalațiile de desprăfuire.
În consecință, emisiile de metale nevolatile depind de cantitatea intrată în instalația de ardere și de eficiența instalației de desprăfuire.
Metale semi-volatile sau care formează compui semi-volatili – Sb, Cd, Pb, Se, Na, K – condensează sub formă de sulfați sau cloruri, la temperaturi ridicate, în intervalul 700 – 900 °C (treptele inferioare ale schimbătorului de căldură) și sunt antrenate în circuite interne care se stabilesc între cuptor și schimbătorul de căldura. Aceste elemente sunt doar parțial înglobate în clincher și se regăsesc în proporție semnificativă în praful reținut de filtru sau electrofiltru. Cum acesta este reintrodus în cuptor în proporție de 100 % în cele mai multe situații, aceste elemente se acumulează în circuite interne și externe și nu părăsesc sistemul, sub formă de emisii la coș.
Metale volatile – Tl și Hg.
Compușii taliului, de exemplu TlCl, condensează la temperaturi între 450 și 550 °C, în zona superioară a schimbătorului de căldură, unde se acumulează, fiind implicați în circuite interne și externe .
Din cauza volatilității, Tl și Hg au tendința de a părăsi sistemul în emisii și nu se regăsesc decât în mică măsură în clincher.
O parte însemnată a acestor elemente care părăsesc instalația de ardere cu gazele arse, sunt reținute în făina brută, în moara de făină și când sunt reintroduse în instalația de ardere creează circuite externe, în cazul Tl.
Fiind foarte volatil, mercurul și compușii săi se volatilizează în cicloanele superioare ale schimbătorului de căldură și este eliminat cu gazele de ardere sub formă de vapori și adsorbit pe particulele de pulberi, iar în momentul în care ajunge în zonele mai reci, condensează în turnul de condiționare și în filtre/electrofiltre. Praful reintrodus în sistem conduce la reluarea ciclică a procesului de volatilizare/condensare și îmbogățire a sistemului în mercur.
Pentru a împiedica creșterea concentrației în sistem poate fi necesară eliminarea continuă sau intermitentă a unei părți din praful de filtru/electrofiltru care este reintrodus în sistem (bypass de praf). O altă metodă de a reduce emisiile de mercur o reprezintă reducerea temperaturii gazelor de ardere când ajung la coș, astfel încât să se favorizeze precipitarea. De regulă, aceasta se întâmplă atunci când cuptorul funcționează în tandem cu moara de făină .
Măsurători efectuate la cuptoare cu schimbătoare de căldură în suspensie de gaz au arătat că în cazul funcționării cu moara de făina oprită, când temperatura gazelor a crescut la 130 °C, concentrația mercurului a crescut cu 90 % . Cu cât eficiența filtrelor sau electrofiltrelor este mai mare și rețin o cantitate mai mare de pulberi, cu atât mai scăzute sunt și emisiile de metale grele, în special metalele volatile, care sunt în mare măsură adsorbite pe particulele de pulberi.
Tabel 2.1 Factorii de influență a emisiilor de poluanți la producerea clincherului
Fabricarea ceramicii
Formarea poluanților
Prelucrarea argilelor și a altor materii prime ceramice duce inevitabil la formarea prafului – în special în cazul materialelor uscate. Uscarea (inclusiv uscarea prin pulverizare), cominuția (sfărâmare, măcinare), sortarea, amestecarea și transportul pot genera emisii de praf fin. De asemenea, praful se formează și în timpul decorării și arderii obiectelor, precum și în timpul prelucrării sau al operațiunilor de finisare pe obiectele arse. Emisiile de praf nu sunt generate doar de materiile prime descrise mai sus, ci și combustibilii contribuie la aceste emisii în aer. Praful este unul dintre principalii poluanți, din punct de vedere cantitativ, din procesele ceramice .
Compușii gazoși emiși în timpul uscării și al arderii provin în special din materiile prime, dar și combustibilii contribuie la emiterea poluanților în formă gazoasă. Aceștia sunt în special SOx, NOx, HF, HCl, COV și metale grele. Dioxid de sulf și alți compuși ai sulfului.
Dioxid de sulf și alți compuși ai sulfului
Concentrația de SOx (în principal SO2), din gazele de ardere este strâns legată de conținutul de sulf al materiei prime și al combustibilului. Materialele ceramice pot conține sulf sub formă de pirită (FeS2), gips și alți sulfați și compuși organici cu sulf. Combustibili gazoși sunt practic fără sulf, dar combustibilii solizi și uleiurile combustibile contribuie cu oxizi de sulf la ardere .
Compușii de bază din materiile prime (de exemplu, CaO format prin disocierea CaCO3 în timpul arderii) pot reduce emisiile de sulf prin reacția cu oxizi de sulf. Produsele de reacție sunt reținute în corpul articolului.
Oxizi de azot și alți compuși ai azotului
NOx este produsă în principal de "fixarea" termică a azotului și oxigenul din aerul de combustie. Această reacție este favorizată de temperaturi ridicate (mai ales >1200 °C) și de oxigen în exces. Fixarea poate să apară în flăcări la cald, chiar și atunci când temperatura reală a cuptorului este sub 1200 °C. Compușii cu azot prezenți în combustibili (în principal, solizi sau lichizi), sau în aditivi organici, formeaza NOx în timpul arderii la temperaturi mult mai scăzute.
Monoxidul de carbon (și dioxid de carbon)
Monoxidul de carbon, CO, provine din arderea materiei organice în corpul ceramic – în special în condiții reduse de oxigen. Acesta poate fi format prin reacția "carbonului fix" cu dioxidul de carbon (CO2) eliberat de disocierea termică a alcalilor și a carbonaților alcalini, de exemplu calciu sau carbonat de magneziu în timpul arderii .
Compuși organici volatili (COV)
Materiile prime ceramice pot conține ele însele materie organică și o gamă largă de materiale organice sunt adăugate sub formă de agenți de legare, agenți de formare a porilor, ajutoare de uscare, adezivi, combustibili, etc. In timpul procesului de încălzire timpurie, carbonizarea compușilor organici poate să apară odată cu eliberarea unei game complexe de compuși organici volatili .
Metale și compușii lor
Conținutul în metale grele al celor mai multor materii prime pentru ceramică este foarte scăzut și nu cauzează probleme de emisie .
Excepții apar în cazul pigmenților ceramici și a materialelor pentru glazură, dar practica cea mai bună este de a utiliza compuși colorați ("pete" conținând pigmenți), care sunt stabile la temperaturi ridicate și inerte în sistemele de silicat, unde oxizii metalici au o structură cristalină stabilă . Aceste tipuri de glazură sunt supuse unor cicluri de ardere extrem de scurte, minimizând riscul de volatilitate.
Păcura și combustibilii solizi pot conține niveluri scăzute de nichel și vanadiu, dar testele au arătat că aceste elemente sunt absorbite în mare parte printr-o reacție cu produsul în timpul arderii.
Clorul și compușii lui
Majoritatea argilelor conțin urme de clorură, de multe ori derivate dintr-o formațiune marină originală, dar și aditivi sau apă conținând clorură sunt posibile surse de emisii de acid clorhidric (HCl) (de exemplu, conținutul în Cl al apei adăugate în timpul preparării materiilor prime poate fi între intervalul de 50 – 100 mg/l sau chiar ridicat).
Datorită descompunerii sărurilor minerale care conțin clorură, la temperaturi de peste 850°C și a compușilor organici care conțin clorură, la temperaturi cuprinse între 450 și 550 °C, HCI apare în timpul procesului de ardere din gazele de ardere ale unui cuptor .
Fluorul și compușii lui
Aproape toate materiile prime naturale conțin cantități fracționate de fluorură (care substituie cu ușurință grupe OH în argile și minerale hidratate). Acidul fluorhidric (HF) provine, în principal, din descompunerea acestor fluorosilicați prezenți în materialul de lut. Emisia de HF are loc în conformitate cu două mecanisme diferite:
prin descompunerea directă a mineralelor cu fluor, care depind foarte mult de tipul de argilă
prin descompunerea CaF2 la temperaturi de peste 900 °C; reacția este favorizată de prezența vaporilor de apă .
Emisii în apă
Apa uzată din proces rezultă în special când materialele argiloase spălate sunt în suspensie în jetul de apă din procesul de fabricație și al curățării echipamentului, dar emisiile în apă apar și în timpul operării epuratoarelor umede de gaze reziduale. Apa adăugată direct în amestecurile din obiectele ceramice se evaporă apoi în aer în timpul fazelor de uscare și ardere. Apa uzată rezultată din proces, în cea mai mare parte este colorată datorită particulelor foarte fine în suspensie de glazură și argilă minerale .
Din punct de vedere chimic, acestea sunt caracterizate prin prezența:
materiilor solide în suspensie: argile și silicații insolubili, în general
anioni dizolvați: sulfați
metale grele suspendate și dizolvate: de ex. plumb și zinc
bor în cantități mici
urme de materii organice (vehicule de serigrafie și cleiurile utilizate în operațiuni de glazurare).
Deșeuri
Pierderile din proces/deșeuri care provin de la fabricarea produselor ceramice, constau în principal din următoarele materiale:
diferite tipuri de nămol provenite de la instalațiile de tratare a apelor reziduale.
materiale/produse sparte provenite din modelarea, uscarea, ardere, tratarea ulterioară etc.
praf provenit din unitățile de reținere a gazelor
matrițe din ipsos utilizate provenite din procesele de modelare
agenți de sorbție utilizați (calcar granular, praf de calcar) rezultați din sistemele de epurare a gazelor evacuate
deșeuri de ambalaje (plastic, lemn, metal, hârtie, etc.) apărute în etapa de ambalare
reziduuri solide, de ex cenușă provenită din arderea combustibililor solizi.
Impactul asupra mediului și sănătății
Ca rezultat al dezvoltării industriale, societatea noastră emite cantități mari de substanțe chimice în atmosferă. Poluarea aerului poate fi o amenințare pentru calitatea vieții, deoarece poluarea excesivă poate afecta sănătatea umană și poate crea un mediu impropriu pentru locuit. Efectele depind de concentrația și tipurile de poluanți, timpul de expunere și fluctuațiile sezoniere. Poluarea afectează în principal sănătatea umană, plantele, ecosistemele, stratosfera, vizibilitatea și clima .
Acțiunea mediului poluant asupra organismului uman este foarte variată și complexă. Ea poate merge de la simple incomodități în activitatea omului, disconfortul, până la perturbări puternice ale stării de sănătate și chiar pierderea de vieți omenești .
În Europa, preocupările majore privind sănătatea în legătură cu mediul sunt legate de poluarea aerului în interior și în exterior, calitatea inferioară a apei, igiena precară și produsele chimice periculoase. Impacturile aferente asupra sănătății cuprind afecțiuni respiratorii și cardiovasculare, cancerul, astmul și alergiile, precum și afecțiunile sistemului de reproducere și tulburările de dezvoltare neurologică .
Instituțiile europene conduc politicile de mediu pentru controlul, prevenirea și reducerea emisiilor industriale . Multe măsuri au fost luate în trecut pentru a realiza îmbunătățiri majore privind reducerea emisiilor din sectoarele industriale cheie .
Se cunosc mult mai puține despre impacturile substanțelor chimice asupra sănătății. Există o preocupare crescută pentru efectele expunerii la amestecuri de produse chimice la niveluri scăzute și pe perioade îndelungate pe parcursul vieții noastre, în special în perioada preșcolară și în timpul sarcinii . Substanțele chimice persistente cu efecte pe termen lung, precum bifenilii policlorurați (PCB-uri) și clorofluorocarburile CFC și cele utilizate în structurile de viață îndelungată – de exemplu materialele de construcție – pot prezenta riscuri chiar și după ce producția a fost finalizată .
Mulți poluați cunoscuți ca având efecte asupra sănătății umane intră treptat sub control reglementat. Totuși, există probleme emergente pentru care căile ecologice și efectele asupra sănătății sunt încă greu de înțeles .
Poluarea aerului exterior este o problemă majoră de sănătate a mediului care afectează atat țările dezvoltate cât și cele în curs de dezvoltare.
Ea se poate defini prin prezența în aerul atmosferic a unei substanțe străine de compoziția sa normală sau variația importantă a proporțiilor componenților săi, care pot avea efecte nocive și/sau pot induce direct sau indirect modificări asupra sănătății populației. În general, poluarea aerului este de tip complex, astfel încât se traduce prin prezența mai multor categorii de poluanți care își pot însuma sau potența posibila acțiune nocivă asupra sănătății populației. Din punct de vedere al igienei, aerul influențează sănătatea atât prin compoziția sa chimică, cât și prin proprietățile sale fizice (temperatură, umiditate, curenți de aer, radioactivitate, presiune). Acțiunea poluanților atmosferici asupra organismului se traduce în efecte acute și cronice care pot fi cuantificate prin modificarea unor indicatori specifici (mortalitate, morbiditate etc.) .
Efectele directe sunt reprezentate de modificările care apar în starea de sănătate a populației ca urmare a expunerii la agenți poluanți. Aceste modificări se pot traduce în ordinea gravității prin: creșterea mortalității, creșterea morbidității, apariția unor simptome sau modificării fizio-patologice, apariția unor modificări fiziologice directe și/sau încărcarea organismului cu agentul sau agenții poluanți. Efectele de lungă durată sunt caracterizate prin apariția unor fenomene patologice în urma expunerii prelungite la poluanții atmosferici. Aceste efecte pot fi rezultatul acumulării poluanților în organism, în situația poluanților cumulativi (Pb, F etc.), până când încărcarea atinge pragul toxic. Efectele de lungă durată apar după intervale lungi de timp de expunere care pot fi de ani sau chiar de zeci de ani. Manifestările patologice pot îmbrăca aspecte specifice poluanților (intoxicații cronice, fenomene alergice, efecte carcinogene, mutagene și teratogene) sau pot fi caracterizate prin apariția unor îmbolnăviri cu etimologie multiplă, în care poluanții să reprezinte unul dintre agenții etimologici determinanți sau agravanți (boli respiratorii acute și cronice, anemii etc.). În cazul poluanților atmosferici primul afectat este sistemul respirator, iar populația cea mai vulnerabilă face parte din categoria populației infantile și apoi a grupei de vârstă > 65 ani .
Majoritatea poluanților atmosferici provin din arderi, combustii generatoare de energie, activități industriale, care conduc la emisii de substanțe și particule care se degajă în atmosferă putând atinge concentrații nocive .
În funcție de acțiunea lor asupra organismului poluanții atmosferici pot fi clasificați în: iritanți, fibrozanți, toxici sistemici, asfixianți, alergizanți și cancerigeni. Acțiunea acestora asupra organismului se traduce în efecte acute și cronice care pot fi cuantificate prin modificarea unor indicatori specifici (mortalitate, morbiditate etc.).
Poluanții principali care acționează negativ asupra organismului uman sunt: oxizii de azot (oxid de azot și dioxid de azot), dioxidul de sulf, ozonul troposferic, monoxidul de carbon, formaldehida, fenolii, pulberi în suspensie.
Cele mai importante emisii din procesele de producție ale cimentului sunt pulberile, oxizii de azot (NOx) și dioxidul de sulf (SO2). Alte emisii sunt Compușii Organici Volatili (VOC), dioxine p-dibez policlorinate (PCDD) și dibenzofurane (PCDF) și clorura de hidrogen (HCL). De asemenea, trebuie ținut cont și de oxizii de carbon (CO, CO2), fluorură de hidrogen (HF), amoniac (NH3), benzen, toluen, etilbenzen și xilen (BTEX), hidrocarburi poliaromatice (PAH, metale și compușii acestora, zgomot și mirosuri .
În figura 2.1., respectiv figura 2.2. sunt prezentate schematic fluxurile tehnologice al producerii cimentului, respectiv ceramicii și emisiile rezultate.
Fig. 2.1. – Fluxul tehnologic al producerii cimentului și emisii rezultate
Fig. 2.2. – Fluxul tehnologic al producerii ceramicii și emisii rezultate
Pulberi (materie în suspensie)
Emisiile de praf (PM) au fost una dintre principalele preocupări legate de mediu în ceea ce privește fabricarea cimentului. Principalele surse sunt procesul de pregătire a materiilor prime (unități pentru materia primă), unitățile de măcinare și de uscare, procesul de ardere a clincherului, pregătirea combustibilului și unitatea de măcinare a cimentului (instalații de măcinare). De asemenea, alte surse de praf sunt concasarea materiilor prime, benzile rulante și lifturile pentru materii prime, depozitarea materiilor prime și a cimentului, depozitarea combustibililor, expedierea cimentului (încărcare).
În Europa, cele mai multe dintre emisiile de praf sunt cuprinse între 0,27 și mai puțin de 30 mg/Nm3 (valorile măsurate se referă la 1m3 de gaz uscat în condiții standard).
Emisiile de praf de PM10 și PM2,5 constă din particule fine, cu o granulație mai mică de 10, respectiv mai puțin de 2,5 microni (formă solidă sau aerosoli). Aceste tipuri de praf fin pot rezulta dintr-o serie de reacții fizico-chimice care implică diferite gaze precursoare (oxizi de azot și sulf, pulberi în suspensie de azotat și amoniu). Aceste emisii pot cauza probleme pentru sănătatea oamenilor .
Particulele cu diametrul mai mic de 10 micrometri trec prin nas, gât și pătrund în alveolele pulmonare, provocând inflamații și intoxicări. Sunt afectați în special copiii, vârstnicii și astmaticii. Copiii sub 15 ani inhalează mai mult aer și în consecință mai mulți poluanți. Ei respirǎ mai repede decât adulții și tind să respire mai mult pe gură ocolind filtrul natural din nas. Sunt mai vulnerabili, deoarece plămânii lor nu sunt dezvoltați, iar țesutul pulmonar este mai sensibil. Poluarea cu pulberi înrăutățește simptomele astmului: tusea, dureri în piept, dificultăți respiratorii. Expunerea pe termen lung la o concentrație scăzută de pulberi poate cauza cancer și moarte prematură .
Oxizi de azot
Procesul de ardere a clincherului este un proces realizat la o temperatură ridicată, iar rezultatul este formarea de oxizi de azot (NOx). Aceștia sunt formați în timpul procesului de combustie. NO și NO2 sunt oxizii de azot dominanți în gazele de evacuare din cuptoarele de ciment. NO reprezintă aproximativ 95% și NO2 aproximativ 5% din gazele de evacuare din instalațiile cu cuptor rotativ. Emisiile de NOx depind de procesul de ardere în cuptor care este folosit. Cuptoarele de ciment european, ca medie anuală, emit aproximativ 785 mg NOx/Nm3 cu un minim de 145 mg/Nm3 și un maxim de 2040 mg/Nm3 .
Oxizii de azot sunt responsabili pentru formarea smogului, a ploilor acide, deteriorarea calității apei, efectului de seră, reducerea vizibilității în zonele urbane.
Oxizii de azot au efect eutrofizant asupra ecosistemelor și efect de acidifiere asupra multor componente ale mediului, cum sunt solul, apele, ecosistemele terestre sau acvatice, dar și construcțiile și monumentele. NO2 este un gaz ce se transportă la lungă distanță și are un rol important în chimia atmosferei, inclusiv în formarea ozonului troposferic. Expunerea la dioxid de azot în concentrații mari determină inflamații ale căilor respiratorii și reduce funcțiile pulmonare, crescând riscul de afecțiuni respiratorii și agravând astmul bronșic. Expunerea pe termen lung la o concentrație redusă poate distruge țesutul pulmonar ducând la emfizem pulmonar. Persoanele cele mai afectate sunt copiii. Emfizemul pulmonar este o afecțiune difuză a plămânilor, caracterizată printr-o distensie a alveolelor cu distrugerea peretelui lor . Concentrațiile de NO2 din aerul înconjurător se evaluează folosind valoarea limită orară pentru protecția sănătății umane (200 g/m3 ) care se permite a se depăși de 18 ori/an și valoarea limită anuală pentru protecția sănătății umane (40 g/m3 ) .
Dioxid de sulf
Emisiile de SO2 provenite de la fabricile de ciment depind de cantitatea totală de compuși de sulf și de tipul procedeului folosit. În primul rând, depinde de conținutul de sulf volatil din materiile prime și de combustibili .
Emisiile potențiale de SO2 depind, de asemenea, de circulația sulfului care are loc în sistemele de cuptor (SO2 în gazele de evacuare, CaSO4 în clincher și în praf). Cu toate acestea, cea mai mare parte din sulf este încorporată în clincher sau descărcată din sistemul de către proces .
Dioxidul de sulf poate afecta atât sănătatea oamenilor prin efecte asupra sistemului respirator cât și mediul în general (ecosisteme, materiale, construcții, monumente) prin efectul de acidifiere .
Expunerea la o concentrație mare de dioxid de sulf pe o perioadă scurtă de timp poate provoca dificultăți respiratorii severe.Sunt afectate persoanele vărstnice, copiii și persoanele cu boli respiratorii cronice (bronșite cronice, emfizem pulnonar, astm bronșic). Expunerea la o concentrație mică de dioxid de sulf timp îndelingat poate provoca infecții ale tractului respirator .
Concentrațiile de SO2 din aerul înconjurător se evaluează folosind valoarea limită orară pentru protecția sănătății umane (350 g/m3 ) care se permite a se depăși de 24 ori/an, și valoarea limită zilnică pentru protecția sănătății umane (125 g/m3 ) care se permite a se depăși de 3 ori/an .
Oxizi de carbon (CO2, CO)
Monoxidul de carbon este un gaz extrem de toxic ce afectează capacitatea organismului de a reține oxigenul, în concentrații foarte mari fiind letal. Provine din surse antropice sau naturale, care implică arderi incomplete ale oricărui tip de materie combustibilă, atât în instalații energetice, industriale, cât și în instalații rezidențiale (sobe, centrale termice individuale) și mai ales din arderi în aer liber (arderea miriștilor, deșeurilor, incendii etc.) .
Concentrațiile de CO din aerul înconjurător se evaluează folosind valoarea limită pentru protecția sănătății umane (10 mg/m3 ) calculată ca valoare maximă zilnică a mediilor pe 8 ore (medie mobilă).
Este un gaz toxic, în concentrații mari este letal (conc. 100 mg/m3) prin reducerea capacității de transport a oxigenului în sânge, cu consecințe asupra sistemului respirator și sistemului cardiovascular .
La concentrații scăzute are următoarele efecte:
afectează sistemul nervos central;
slăbește pulsul inimii, micșorănd volumul de sânge distribuit în organism ;
reduce acuitatea vizuală și capacitatea fizică .
Expunerea pe o perioadă scurtă poate cauza:
oboseală acută;
dificultăți respiratorii și dureri în piept persoanelor cu boli cardiovasculare;
determină iritabilitate, migrenă, lipsă de coordonare, greață, amețeală, confuzie, reducerea capacității de concentrare .
Segmentul de populație cel mai afectat la expunerea la monoxid de carbon este reprezentat de: copii, vârstnici, persoane cu boli respiratorii și cardio-vasculare, persoanele anemice, fumătorii .
La concentrații crescute ale dioxidului de carbon, tulburările produse precum și intensitatea lor variază în funcție de concentrația realizată:
1 – 2%, crește frecvența respiratorie prin stimularea centrului respirator.
2 – 3%, tensiunea arterială și frecvența cardiacă cresc.
4%, apar dificultăți în respirație (dispnee) și senzația de constricție toracică.
5%, dispneea se accentuează și apar manifestări digestive (grețuri, vărsături).
6 – 7%, apar primele manifestări nervoase (amețeli, dureri de cap)
8 – 10%, toate simptomele se agravează, este posibilă pierderea cunoștinței. Există riscul de deces prin stop cardio-respirator.
Peste 15%, moartea se poate produce în câteva minute prin paralizia centrilor respiratori .
Dibenzo-p-dioxine policlorurate (PCDD) și dibenzofurani policlorurați (PCDF)
Dioxinele sunt absorbite usor din tractul gastro-intestinal in sange si limfa si de aici mare parte sunt depuse in ficat si tesutul adipos. Deasemenea dioxinele traverseaza usor placenta catre fetus, si se regasesc in laptele matern. Dioxinele sunt compusi extrem de toxici deoarece produc efecte adverse la concentratii foarte scazute si se acumuleaza in organism :
Expunerea pe termen scurt la niveluri ridicate de dioxine produce leziuni cutanate cunoscute ca si cloracnee, leziuni persistente;
Expunerea pe termen lung produce o varietate de efecte toxice, incluzand imunotoxicitate, efecte asupra dezvoltarii si neurodezvoltarii, efecte asupra tiroidei si hormonilor steroizi si afectarea functiei de reproducere. Se considera ca fetusii si nou nascutii sunt foarte sensibili;
Agentia Internationala pentru Cercetari in Domeniul Cancerului (IARC) a clasificat compusul TCDD in Grupa 1 (cancerigen pentru oameni) si celelalte dioxine in Grupa 3 (neclasificabile ca si cancerigene pentru oameni). Bifenilii policlorinati PCBs ca si grup sunt clasificati in grupa 2A (probabil cancerigeni pentru oameni). In plus recent IARC a clasificat compusii 2,3,4,7,8-pentaclordibenzofuran si 3,3′,4,4′,5-pentaclorobifenil in Grupa 1. Se considera ca aceste substante sunt cancerigene dar nu genotoxice .
Metale și compușii acestora
Materiile prime și combustibilii vor conține întotdeauna metale. Concentrațiile acestora sunt foarte diferite de la o locație la alta. Metalele sunt grupate în patru clase:
metale cu compuși refractari sau non-volatili, cum ar fi Ba, Be, Cr, As, Ni, Al, Ti, Ca, Fe, Mn, Cu, Ag (în praf);
metale cu compuși semi-volatili, cum ar fi Sb, Cd, Pb, Se, Zn, K, Na;
Taliu și compuși de taliu (volatili);
Mercur și compușii săi (volatili) .
Potențialul toxic al metalelor depinde de biodisponibilitate și de proprietățile fizico-chimice ale acestora .
Expunerea la un nivel slab de crom poate irita pielea și cauza ulceratie, expunerea pe termen lung poate provoca probleme ale rinichilor și ficatului. Cromul adesea se acumulează în organismele acvatice, fiind un pericol in plus consumul de pește, care se poate să fi fost expuși la un nivel ridicat de crom .
Cuprul este un element esențial pentru viața umană, dar în doze mari acesta poate provoca anemie, daune ale ficatul și a rinichilor, de stomac .
Pătrunderea plumbului în organism are loc pe cale respiratorie și prin ingerare. Absorbția pe cale respiratorie este puternică în vecinătatea surselor industriale, ajungând uneori la 100-500 µg/zi. Particulele de praf deși pătrund pe cale respiratorie pot fi ușor deviate spre tubul digestiv. Transportul Pb în organism se face în principal pe globule roșii, ajungând astfel în întreg organismul și fiind reținut în cea mai mare parte în sistemul osos. Sistemul nervos este lezat de plumb mai ales la nivelul cerebelului .
Nichelul in cantitate redusa este necesar corpulului uman pentru a produce celule roșii, cu toate acestea, în cantități excesive, poate deveni ușor toxic. Nu s-au determinat pana acum probleme de sanatate privind expunerea la nichel pe termen scurt, dar pe termen lung expunerea poate provoca scăderea greutatatii corporale, probleme ale inimii și ficatului și iritarea pielii. Nichelul se poate acumula în organismele acvatice dar prezența lui nu este amplificata de-a lungul lanțurilor alimentare .
Intoxicația cu zinc la om se manifestă, în raport cu durata și doza, sub diferite forme clinice, de la iritația gastric și alte fenomene digestive până la complexe consecințe metabolice, are determină tulburări ale nutriției, aparatului respirator .
Printre factorii de risc identificați în vederea evaluării stării de sănătate a populației se numără și zgomotul. Datorită ritmului alert de desfășurare a activităților zilnice, zgomotul devine unul dintre cei mai influenți factori de stres, acesta conducând la creșterea oboselii influențând activitățile umane.
Poluarea fonică
Poluarea fonică reprezintă un factor de risc pentru sănătate. Astfel, influența zgomotului asupra organismului uman depinde de mai mulți factori ca:
tipul de zgomot: intensitate, frecvență, timp de acțiune, caracter continuu sau intermitent
caracteristici individuale: vârstă, activitate, starea de oboseală, obișnuință, dispoziție, sensibilitate, cultură, educație
factori de mediu: dimensiunea spațiului, structura arhitecturală etc. .
Zgomotul apare la prepararea si procesarea materiilor prime, de la arderea clincherului la depozitarea materialelor și expedierea și transportul produselor finale. Utilajele grele si ventilatoarele de mari dimensiuni utilizate în diferite părți ale fabricii de ciment pot da naștere la zgomot și / sau emisii de vibrații:
jgheaburi și pâlnii
operațiuni care implică concasarea, strivirea, măcinarea și așa mai departe
ventilatoare de evacuare
suflante
conducte cu vibrații .
Conform Raportului anual privind starea mediului în Romania, analizând tendințele privind concentrațiile medii anuale ale anumitor poluanți atmosferici din perioada 2009-2014 înregistrate la diferite tipuri de stații de monitorizare a calității aerului din țară, se constată că exista o tendință generală de reducere a concentrațiilor medii anuale, care de regulă s-au situat sub valorile limită / valorile țintă .
Fig. 2.3. Emisii rezultate din fabrica ceramicii si efectele asupra mediului
CAPITOLUL 3
Reglementări privind emisiile de poluanți la producerea clincherului
Reglementările privind protecția mediului în Europa sunt puternic influențate de directivele europene în domeniul mediului; pentru sectorul ceramicii, Directiva CE 96/61 privind prevenirea și controlul integrat al poluării (IPPC) este deosebit de relevantă .
Scopul Directivei este de a realiza o prevenire și un control integrat al poluării provenite de la activitățile industriale, conducând la un nivel ridicat de protecție a mediului, în întregul său .
Poluarea industrială trebuie să fie reduse la minimum la sursă prin aplicarea celor mai bune tehnici disponibile (BAT) proceselor de producție considerate .
În Europa, în funcție de natura combustibililor folosiți, reglementările legale sunt diferite.
Astfel, dacă la producerea clincherului se utilizează exclusiv combustibili fosili, se aplică Directiva 96/61/EC privind Prevenirea și Controlul Integrat al Poluării . Aceasta nu stabilește limite de emisii, ci descrie procedurile de autorizare a instalațiilor, pe baza documentelor BREF (BAT Reference Documents) care stabilesc cele mai bune tehnici disponibile BAT (Best Available Technologies).
Prin utilizarea acestor documente, directiva IPPC permite stabilirea limitelor de emisie impuse instalațiilor în mod flexibil, prin considerarea condițiilor tehnice ale instalațiilor, a poziției geografice și a condițiilor specifice, locale de mediu. În această situație, prin autorizații se impun limite de emisie pentru pulberi, NOx și SO2, iar monitorizarea emisiilor nu este obligatoriu să se facă în mod continuu .
În cazul în care o parte din combustibilii fosili sunt înlocuiți cu combustibili alternativi, alături de Directiva IPPC se aplică și Directiva 2000/76/EC privind incinerarea deșeurilor , care stabilește condițiile pe care trebuie să le îndeplinească instalațiile de incinerare și în cazul particular al cuptoarelor de clincher, condițiile care trebuie îndeplinite de instalațiile de coincinerare a deșeurilor, precum și valorile limită de emisie pentru poluanți.
Cerințele care trebuie satisfăcute de instalația de coincinerare conform prevederilor legale
În Romania, cerințele sunt stabilite prin Legea nr. 278 din 24 octombrie 2013 privind emisiile industriale, publicată în MO nr. 671 din 1 noiembrie 2013 .
În această lege sunt prevăzute limite speciale pentru cuptoarele de ciment, precum și Cerințele tehnice privind exploatarea, urmărirea și controlul instalațiilor și proceselor de incinerare și coincinerare a deșeurilor.
Aceste cerințe precum și modul în care sunt acestea îndeplinite de fabricile din țara noastră, sunt prezentate în cele ce urmează:
(4) Instalațiile de coincinerare a deșeurilor sunt proiectate, echipate, construite și exploatate astfel încât, chiar în condițiile cele mai nefavorabile, gazele rezultate din coincinerarea deșeurilor să fie aduse, în mod controlat și omogen, la o temperatură de cel puțin 850°C, timp de cel puțin două secunde .
Se observă că această condiție este perfect îndeplinită de cuptorul de clincher unde temperatura necesară desfășurării procesului tehnologic este de peste 2000 °C pentru flacără și 1450 °C pentru material, iar timpul de contact în cuptor (deci la temperaturi mai mari de 1100 – 1200 °C) este de 6 – 8 secunde pentru gaze și peste 30 de minute pentru material. În acest fel, compușii organici alimentați în cuptor pe la arzătorul principal sunt complet distruși .
Figura 3.1. Regimul temperaturilor și timpii de retenție pentru gaze în schimbătorul de căldura cu cicloane și în cuptorul rotativ .
(10) Instalațiile de incinerare a deșeurilor și instalațiile de coincinerare a deșeurilor dispun de sisteme automate care împiedică alimentarea cu deșeuri, în următoarele situații:
a) în timpul fazei de pornire, până când este atinsă temperatura prevăzută la alin. (3)-(5) ori temperatura stabilită potrivit art. 51 alin. (1);
b) de fiecare dată când nu se menține temperatura prevăzută la alin. (3)-(5) sau temperatura stabilită potrivit prevederilor art. 51 alin. (1);
c) de fiecare dată când măsurătorile continue arată că una dintre valorile-limită de emisie este depășită din cauza unor dereglări sau deficiențe ale sistemelor de tratare a gazelor reziduale .
Autorizațiile de funcționare sunt eliberate pe baza studiilor de impact în cadrul cărora sunt considerate caracteristicile fiecărei instalații, circumscrise parametrilor specifici ai zonei în care este amplasată instalația. Printre alte elemente, prin aplicarea modelului de dispersie a poluanților, este verificată înălțimea coșurilor filtrelor/electrofiltrelor de evacuare a gazelor de ardere de la cuptoarele de clincher, astfel încât să asigure o dispersie corespunzătoare .
(11) Căldura rezultată din instalațiile de incinerare a deșeurilor sau din instalațiile de coincinerare a deșeurilor trebuie recuperată, în măsura în care este posibil .
În cazul cuptoarelor rotative de clincher moderne, această condiție este îndeplinită prin automatizarea conducerii procesului de producție: debitul de material introdus în sistem, temperaturile și parametrii de funcționare ai sistemului cuptorului sunt monitorizați continuu.
Din punct de vedere al condițiilor impuse de reglementările legale pentru coincinerarea deșeurilor, cuptoarele de clincher îndeplinesc cerințele și se poate afirma că producerea clincherului – un proces care se desfășoară la temperaturi înalte și foarte bine controlat, este perfect adaptat pentru distrugerea tuturor compușilor organici existenți în combustibili .
Reglementarea emisiilor de poluanți în condițiile coincinerării deșeurilor la producerea clincherului
Directiva 2000/76/EC privind incinerarea deșeurilor, transpusă în legislația românească prin Legea nr. 278 din 24 octombrie 2013 privind emisiile industrial, stabilește limite totale de emisie pentru pulberi, NOx, HCl, HF, metale grele, dioxine și furani, precum și limite de emisie privind contribuția combustibililor alternativi, pentru carbon organic total (COT) și SO2.
Pentru COT și SO2 nu există limite unice de emisie, ci acestea sunt stabilite pe baza contribuției materiilor prime și combustibililor fosili, la care se adaugă contribuția combustibililor alternativi.
Nivelele limită de emisie stabilite prin Directiva 2000/76/EC implementată în legislația românească prin Legea nr. 278 din 24 octombrie 2013, sunt prezentate în tabelele 3.1. și 3.2. .
Tabelul 3.1. Nivele de emisie conform Directivei 2000/76/EC
* Pentru dioxine si furani, Valoarea limită de emisie este valabilă pentru o concentrație totală de dioxine si furani, calculată folosindu-se noțiunea de echivalent toxic (TE) în conformitate cu anexa nr. 3. TE se calculează prin multiplicarea concentrațiilor gravimetrice ale diferitelor specii de dioxine si furani cu factorii de echivalență indicați în aceasta anexă, funcție de gradul de toxicitate. .
(1) Până la 1 ianuarie 2016, autoritatea competentă poate acorda derogări de la valoarea-limită pentru NOx în cazul cuptoarelor Lepol și al cuptoarelor rotative lungi cu condiția ca autorizația de mediu să prevadă o valoare-limită de emisie totală pentru NOx care să nu depășească 800 mg/Nm3 .
Tabel 3.2. Nivele limită de emisie conform Directivei 2000/76/EC
Autoritatea competentă pentru protecția mediului cu responsabilități în emiterea autorizației de mediu acordă derogări de la valorile-limită de emisie stabilite la acest punct în cazul în care SO(2) și COT nu provin din coincinerarea deșeurilor .
Stabilirea limitelor de emisii unice la incinerarea deșeurilor, pe baza Directivei 2000/76/EC, se bazează pe faptul că pentru pulberi, NOx, HCl, HF, metale grele, dioxine și furani, nivelul emisiilor nu este influențat de tipul combustibilului, spre deosebire de COT și SO2, unde există influența cumulată a combustibililor și materiilor prime .
În SUA, nivelul emisiilor impus instalațiilor de producere a clincherului, reprezintă o combinație de reglementări federale ale EPA (Environmental Protection Agency) și reglementări specifice fiecărui stat. Tabelul 3.3 prezintă nivelul limită de emisii stabilit în general, în SUA .
Tabel 3.3. Nivele limită de emisie în SUA
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: PARTEA TEORETICĂ STADIUL ACTUAL AL CUNOAȘTERII [306014] (ID: 306014)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.