Расчет количества выбросов углекислого газа при производстве магнезиальных вяжущих из магнийсодержащих горных пород

Ведение

В настоящее время решение проблем, связанных с ухудшением экологической обстановки, выходит на первый план среди прочих тенденций мирового сообщества. Среди многочисленных факторов, которые наносят вред экологии, таких как накопление бытовых отходов, нарушение озонового слоя, истощение природных ресурсов, складирование многотоннажных отходов горнодобывающей промышленности на обширных участках плодородных земель, опустынивание, сокращение биоразнообразия и др., особенно выделяется проблема повышенной эмиссии углекислого газа в атмосферу. Данное явление имеет ряд неприятных и даже фатальных последствий. Углекислый газ является одним из основных компонентов, составляющих атмосферу Земли, наряду с азотом и водяным паром. Он имеет важную роль в жизнедеятельности биосферы, главным образом в обеспечении фотосинтеза, осуществляемого зелеными растениями [1]. Однако, начиная с середины девятнадцатого века, отмечается стабильный рост концентрации молекул CO2 в атмосфере [2]. Начиная с первой декады двадцать первого века темп прироста концентрации углекислого газа составляет 0,5...0,7 % в год [3].

Углекислый газ является вторым по значимости парниковым газом в атмосфере, поскольку он обладает способностью поглощать и переизлучать инфракрасное излучение на различных длинах волн. Наличие углекислого газа и его парникового эффекта в атмосфере приводит к увеличению приповерхностной температуры на величину порядка +8 ± 1 °C [4]. Также наличие углекислого газа в воздухе способствует увеличению плотности и влагоёмкости воздуха, что в свою очередь приводит к усилению парникового эффекта [5].

Комбинация перечисленных факторов является причиной увеличения концентрации углекислого газа с доиндустриального уровня до современного (418 ppm), что в среднем за год эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты. Кроме того, характерной чертой парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат. После прекращения вызвавшей его эмиссии эффект сохраняется в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет [6, 7].

Кроме того, существуют данные об отрицательном влиянии избытка углекислого газа в нижних слоях стратосферы на выработку озона, особенно весной и вблизи экватора.

Таким образом, проблема повышенной эмиссии углекислого газа в атмосферу является глобальной и на данный момент решается на мировом уровне. В 2016 году было принято Парижское соглашение в рамках Рамочной конвенции ООН об изменении климата, регулирующее меры по снижению содержания углекислого газа в атмосфере с 2020 года. По Парижскому соглашению Россия должна достичь к 2030 г. выбросов парниковых газов не более 70 % от уровня 1990 г. В 2018 г. уровень выбросов парниковых газов из России составил 52 % от уровня 1990 года [8]. С 2023 года ЕС вводит углеродный налог на импортную продукцию с большими выбросами парниковых газов.

Согласно данным по эмиссии углекислого газа разными странами за 2020 год [9], самыми крупными эмитентами CO2 являются Китай и США. Только на эти две страны вместе приходится более 40 % общемировых выбросов CO2. Принудительное ведение ограничений на допустимое суммарное количество выбросов углекислого газа вынуждает предприятия устанавливать современные системы очистки повышенной эффективности или снижать производительность, что в свою очередь повышает себестоимость продукции. Внедрение налогов на продукцию, выпускаемую с нарушением установленных норм, снижает чистую прибыль от ее продажи. Таким образом, для предприятий, работающих по традиционным технологиям, необходимость следовать актуальным тенденциям снижения эмиссии углекислого газа в любом случае приведет к снижению доходности и инвестиционной привлекательности.

Однако необходимость перечисленных мероприятий диктуется не только вопросом сдерживания темпов глобального потепления, но и более локальными причинами.

Стоит учитывать, что углекислый газ – это прежде всего токсичное вещество. В малых дозировках (до 2 %) может вызывать у человека слабость и сонливость. Десятипроцентная концентрация в воздухе может вызвать головные боли, головокружения, расстройство слуха и даже обмороки. Эффект от отравления избытком углекислого газа наступает значительно быстрее, чем от ежегодного незначительного увеличения температуры окружающей среды. Особенно подвержены отрицательному влиянию избытка углекислого газа в атмосфере люди, проживающие на территории промышленных регионов с большим количеством предприятий, продуцирующих выбросы в атмосферу.

Большой вклад в повышение концентрации СО2 в окружающей среде вносят котельные установки, промышленные печи, автомобильные двигатели, нефтеперерабатывающая, химическая, металлургическая, пищевая промышленность, а также предприятия по производству некоторых видов строительных материалов [10].

В частности, огромное количество выбросов углекислого газа производится заводами, выпускающими клинкерный портландцемент. Клинкерный портландцемент – минеральное гидравлическое вяжущее, наиболее популярное в строительной отрасли. Мировой выпуск портландцемента в последние годы исчисляется миллиардами тонн. Объем производства строительных материалов и конструкций на его основе превышает десятки миллиардов тонн и продолжает увеличиваться [11].

На данный момент объективно не существует продукта, являющегося полным аналогом клинкерных портландцементов, несмотря на существование иных видов строительных вяжущих. Причиной тому является либо недостаточный уровень физико-механических характеристик альтернативных вяжущих, либо недостаточная осведомленность о возможности их использования в качестве сырья для производства строительных материалов, особенно конструкционного назначения. В свою очередь, сдерживающей причиной для выявления особенностей поведения альтернативных вяжущих в составе строительных материалов является отсутствие заинтересованности производителей в замене привычного типа сырья на новое, малоизученное.

Примером альтернативных видов вяжущих могут служить магнезиальные вяжущие с низким содержанием оксида магния на основе доломитов и доломитизированных магнезитов. Физикомеханические характеристики композитов на их основе практически не уступают характеристикам композитов на основе портландцемента [12]. Современные исследования позволяют получать даже водостойкие материалы на основе магнезиальных вяжущих путем введения активных добавок-модификаторов или использования альтернативных видов затворителей [13–17]. Композиты на основе магнезиальных вяжущих имеют уникальные эксплуатационные характеристики, такие как биоцидность, высокая стойкость к воздействию открытого огня, истиранию и т. д. Но самой интересной их особенностью в контексте экологической безопасности является технология производства, имеющая низкий углеродный след.

При производстве портландцемента и магнезиального вяжущего основная доля углекислого газа, выделяемого в атмосферу, является продуктом разложения входящих в состав шихты карбонатных минералов. Технология получения магнезиального вяжущего с низким содержанием оксида магния на основе отходов производства огнеупоров подразумевает неполную декарбонизацию входящих в состав шихты минералов в отличие от технологии портландцемента [18, 19].

Также углекислый газ является продуктом сгорания ископаемых видов топлива, применяемых для термической обработки шихты в печных установках преимущественно трубчатого вращающегося типа. Для производства вяжущих с низким содержанием оксида магния по технологии интенсифицированного обжига требуются температуры в диапазоне от 600 до 800 °С, в то время как для производства портландцемента используют температуры более 1450 °С. Таким образом, для производства вяжущих с низким содержанием оксида магния требуется значительно меньше топлива.

Целью данного исследования является расчет фактической эмиссии углекислого газа в атмосферу при производстве минерального магнезиального вяжущего с низким содержанием оксида магния по технологии интенсифицированного обжига [19] и сравнение его с количеством выбросов СО 2 , характерным для производства клинкерного портландцемента.

Материалы и методы

В качестве сырьевого материала для производства шихты использовали магнийсодержащую смесь отходов от добычи магнезита. Химический состав приведен в таблице.

Химический состав основы шихты

Название элемента	СaO	MgO	Al 2 O 3	SiO	Fe 2 O 3	CO 2
Содержание, %	31,4	22,5	0,16	0,24	0,11	44

В качестве добавки-интенсификатора обжига использовали смесь солей галогенидов в количестве 2,5 % от массы шихты.

Для оценки процессов, происходящих при термической обработке шихты, использовали прибор для дифференциально-термического анализа DTG-60 японской фирмы Shumadzu. Съемки проводили в интервале температур от 20 до 900 °С со скоростью подъема температуры 20 °С в минуту.

По потерям массы на кривой ТГА оценивали количество СО 2, выделившегося в процессе декарбонизации из минералов шихты.

Исследовательская часть

Термограмма шихты, модифицированной добавкой-интенсификатором, приведена на рисунке.

Процесс получения магнезиальных вяжущих из отходов горнодобывающей промышленности подразумевает термическую обработку при температурах до 700 °С. Согласно данным дифференциально-термического анализа типовой шихты, применяемой для производства магнезиального вяжущего, на интервале температур от 20 до 700 °С происходит разложение двух карбонатсодержащих минералов магнезита и доломита.

При разложении первого карбонатного компонента шихты (карбоната магния) потеря массы составляет 16 %, при разложении второго карбонатного компонента (магниевой составляющей доломита) – составляет 6,5 %. Суммарная потеря углекислого газа составляет 22,5 % от массы шихты.

На производство одной тонны готовой продукции затрачивается приблизительно 1300 кг шихты. Таким образом, при производстве одной тонны минерального доломитового вяжущего эмиссия углекислого газа при разложении карбо- натных минералов составляет

(CO2)км = m1 · Δm (кг/т), где m1 – масса шихты, кг, Δm – потеря массы шихты при термической обработке, связанная с разложением карбонатных минералов, %

(CO 2 ) км = ¹³⁰⁰ · 22,5 = 292,5 (кг/т).

Для осуществления процесса термической обработки шихты производится ее обжиг в оборудовании вращающегося типа с использованием природного газа в качестве топлива. Фактический расход природного газа на производство одной тонны продукции составляет до 60 м3, в среднем – 50 м3.

Согласно справочным данным методики расчета выброса парниковых газов, СРО-Э-150 НП, при сгорании одной тысячи кубических метров природного газа выбросы CO 2 составляют 1,85 т.

Таким образом, эмиссия CO 2 от продуктов сгорания природного газа при производстве одной тонны минерального доломитового вяжущего составит:

(СО2)спг = Qпг·1850 (кг/т), где Qпг – расход природного газа на процесс обжига, тыс. м3.

Термограмма образца шихты при разложении на интервале от 20 до 900 °С

Средний показатель (СО₂)_спг = ^{50 ·1850} = 92,5 (кг/т).

60 ·1850

Максимальный показатель (СО )   =       =

2 спг        ₁₀₀₀

= 111 (кг/т).

Тогда суммарная эмиссия углекислого газа при производстве составит:

ƩCO 2 = (CO 2 ) км + (СО 2 ) спг (кг/т).

Для рассчитанных значений при производстве минерального доломитового вяжущего суммарная эмиссия углекислого газа на тонну продукции составит:

средний показатель ƩCO2 = 292,5 + 92,5 = = 385 (кг/т), максимальный показатель ƩCO2 = 292,5 + + 111 = 403,5 (кг/т).

Согласно актуальным литературным данным [11], при производстве клинкерного портландцемента эмиссия углекислого газа составляет в среднем 850 кг на тонну продукции, что более чем в два раза превышает максимальный выход углекислого газа при производстве магнезиального вяжущего из доломитов. Таким образом, производство вяжущих на основе магнийсодержащих отходов горнодобывающих предприятий является экологически более эффективным с точки зрения размера углеродного следа.

Выводы

В современном мире больше внимание уделяется вопросам снижения выбросов углекислого газа в атмосферу. Меры, предлагаемые для их регулирования, в большинстве своем несут вред экономической эффективности конкретных производств и экономике стран в целом.

Одним из источников значительного количества выбросов углекислого газа в атмосферу является строительная индустрия, в частности предприятия, занимающиеся производством самого популярного вида сырья для строительных материалов – портландцемента. Замена части портландцемента на альтернативный вид вяжущих, получаемых по технологии с более низким углеродным следом, – один из способов достижения снижения контролируемых выбросов в атмосферу.

Эмиссия углекислого газа при производстве магнезиального вяжущего с низким содержанием оксида магния по технологии интенсифицированного обжига составляет не более 403,5 кг на тонну продукции. Данный показатель в два раза ниже показателей выбросов углекислого газа, характерных для производства клинкерного портландцемента.

Таким образом, производство магнезиальных вяжущих на основе доломитов и доломитизиро-ванных магнезитов представляет интерес с точки зрения повышения экологической эффективность строительной индустрии.