Экологизация цементной промышленности направлена, прежде всего, на снижение природоемкости производственных процессов, за счет создания технологически более совершенного, высокоэффективного и чистого производства. Экологизация предполагает внедрение в промышленное производство инновационных технологий, позволяющих увеличивать объемы конечного продукта производства при меньших затратах энергии и первичных ресурсов, а также сокращение количества производственных отходов [1]. Таким образом, акцент делается как на повышение эффективности производства, так и на снижение его энергетической и ресурсной затратности.

В технологии производства портландцемента самым важным и энергозатратным процессом является обжиг сырьевой смеси, в ходе которого происходит ряд физических и физико-химических превращений и образуется клинкер. Сложный минералогический состав и микрокристаллическая структура клинкера коренным образом отличается от минералогического состава исходных сырьевых материалов, что обусловливает приобретение им совершенно иных, специфических свойств.

При производстве портландцементного клинкера смесь сырьевых материалов нагревают до 1450°С. В процессе обжига сырьевой шихты происходит химическое взаимодействие основного оксида СаО с кислотными оксидами. Вначале реакции взаимодействия происходят в твердой фазе, затем при повышении температуры обжига до 1450°С около 20-30% смеси переходит в жидкую фазу - расплав, и образование большей части клинкерных минералов происходит именно через жидкофазные реакции [2].

Кинетика процесса алитообразования зависит от реакционной способности СаО и свойств расплава, таких как степень вязкости и сила поверхностного натяжения. От вязкости зависят условия необходимые для полного обмена между растворяющимися и кристаллизующимися фазами, а от величины поверхностного натяжения механизм реакции происходящей на границе между кристаллами и расплавом.

Таким образом, большее значение при клинкерообразовании имеет температура обжига. При высоких температурах ускоряется синтез алита, за счет снижения вязкости жидкой фазы и увеличения ее количества, что оказывает решающее влияние на процессы клинкерообразования. В исследованиях различных авторов указывается, что при 1600°С реакции минералообразования в сырьевой смеси проходят за 5-10 мин, при 1700-1800°С - за несколько секунд, а в интервале 1900-2000°С - за доли секунд [3]. Однако значительное повышение температуры обжига во вращающихся печах невозможно из-за отсутствия огнеупоров требуемого качества для футеровки зоны спекания.

Применение комбинированных сверхвысокочастотных (СВЧ) технологий позволяет достичь необходимых температур и тем самым сократить время воздействия на сырье, а соответственно и потребление топлива. В процессе клинкерообразования жидкая фаза, образующаяся в материале непосредственно в зоне спекания, составляет порядка 25-45%. В отличие от обжига во вращающейся печи, где материал перекатывается и мелкие гранулы и зерна слипаются в более крупные, при комбинированном СВЧ воздействии такого эффекта не возникает благодаря специфике нагрева, а также постоянной продувке расплава газовыми потоками.

Конструкция всей системы разработана таким образом, что горящий плазменный шнур оказывается строго параллельным потоку выдуваемого газа, и это позволяет получить устойчивое и равномерное горение. При прокачке воздухом и подаче газа на выходе наблюдается продольный факел горящего газа внутри СВЧ-резонатора, температура в центральной зоне которого достигает 6000^оС.

Также немаловажным является протекание реакций в зоне охлаждения, где температура клинкера постепенно снижается с 1300 до 1100-1000^оС. В СВЧ установках конструкционное решение, обеспечивающее внутреннее завихрение рабочих газов и струи СВЧ плазмы, позволяет осуществлять быстрое и равномерное охлаждение конечного продукта направленными потоками воздуха.

Согласно существующей классификации, в зависимости от особенности приготовления сырьевых смесей, принято выделять четыре способа производства портландцемента: мокрый, сухой, полусухой и комбинированный. Каждый способ имеет свои достоинства и недостатки. Основным недостатком мокрого способа является то, что более порядка 50% энергии расходуется на предварительную просушку сырья [2]. В связи с чем цементная промышленность во всем мире нацелена на полный переход на сухой способ, характеризующийся более низкими энергозатратами и более высокой производительностью. Однако, учитывая высокую естественную влажность исходных материалов смеси, гораздо более целесообразен переход на комбинированный способ производства, при котором более половины содержащейся в шламе воды удаляется за счет быстрого испарения при помощи СВЧ воздействия на материал, что позволяет снизить затраты на удаление воды почти в 10 раз, а объем инвестиций, по сравнению со строительством сухой линии в 5 - 8 раз.

Технологии СВЧ воздействия на сырьевую смесь имеет ряд отличительных свойств. Внутреннее устройство резонаторной камеры устроено таким образом, что в ней происходит направленное завихрение рабочих газов и струи СВЧ плазмы. Это позволяет существенно сократить размеры камеры и изготовить установку в очень компактном исполнении, что может быть очень востребовано на мини-цементных заводах и в условиях ограниченной производственной площади.

Внедрение в производство подобных сверхвысокочастотных (СВЧ) технологий поддерживающих комбинированный режим горения позволит не только гораздо быстрее достигать высоких температур, необходимых для образования клинкера, но и снизить количество вредных выбросов за счет сокращения времени требующегося для нагрева материала до нужной температуры и розжига печей, а так же получить экономию газа.

Помимо этого, характер воздействия на сырьевую смесь позволяет существенно увеличить скорость протекания реакции клинкерообразования за счет повышения количества расплава на начальной стадии силикатообразования и последующей кристаллизации части жидкой фазы за счет быстрого охлаждения расплава. Такое комбинированное воздействие на вещество приводит к его направленному изменению.

Рабочим топливом, помимо традиционных могут являться также промышленные газы, бытовые и промышленные отходы, газовые выбросы предприятий и ТЭЦ, а также низкокалорийное топливо.

цементный клинкер экологизация свервысокочастотный

Выводы