CC BY
259
УДК 665.777.4.004.14
И. Р. Хайрудинов (д.х.н., проф., гл.н.с.)1, Б. С. Жирнов (д.т.н., проф., зав. каф.)2,
И. М. Арпишкин (к.т.н., вед. инж.)1
Аспекты применения сернистого нефтяного кокса в производстве цемента
1 Институт нефтехимпереработки РБ 450065, г. Уфа, ул. Инициативная, 12; тел. (347) 2422438, e-mail: inhp@inhp.ru 2Филиал Уфимского государственного технического университета в г. Салавате,
кафедра химико-технологических процессов 453250, г. Салават, ул. Губкина, 67; тел. (34763) 35480, е-mail: jbs2@rambler.ru
I. R. Khayrudinov1, B. S. Zhirnov2, I. M. Arpishkin1
Aspects of sulphurous petroleum coke use in cement production
1 Institute Petroleum Refining and Petrochemistry of the RB 12, Initsiativnaya Str, 450065, Ufa, Russia; ph. (347) 2422438, e-mail: inhp@inhp.ru 2Branch of Ufa State Petroleum Technological University in Salavat 67, Gubkina Str., 453250, Salavat, Russia; ph. (34763) 35480, e-mail: jbs2@rambler.ru
Рассмотрены технологические, экологические и экономические аспекты применения углеводородного топлива (жидкого, твердого, газообразного), в том числе сернистого, для производства цементного клинкера. По совокупности вопросов акцентировано внимание на сернистом нефтяном коксе, удовлетворяющем потребностям цементной промышленности. Произведена оценка экономической эффективности различной удаленности цементного производства от производства сернистого нефтяного кокса, а также оценка эффективности применения нефтяного кокса вместо топливного газа
Ключевые слова: газообразное топливо; глубина переработки; диоксид серы; дымовые газы; жидкое топливо; клинкер; нефтяной кокс; окружающая среда; прибыль; регион; сернистый газ; твердое топливо; триоксид серы; цемент; цементная промышленность; щелочь; экономика; эффективность.
В настоящее время для получения тепловой энергии в большинстве случаев используют энергию, получаемую при окислении углеводородных топлив. Как известно, в зависимости от агрегатного состояния различают твердое, жидкое и газообразное топливо. К твердому топливу относятся каменный и бурый уголь, торф, древесина, угольный и нефтяной кокс. Наиболее распространенным видом жидкого топлива является топочный мазут, а газообразного — природный или технологический газ. Основными преимуществами газообразного топлива являются высокая теп-
The article investigates the technological, ecological and economic aspects of hydrocarbon fuel (liquid, solid, gas), including sulphurous, use for the cement clinker production. The set of questions focus on sulphurous petroleum coke satisfied cement industry needs. The economic effect of the different farness of the cement production from the sulphurous petroleum coke production and also the use of petroleum coke instead fuel gas effect is estimated.
Key words: caustic; cement; cement industry; clinker; coke; economics; efficiency; environment; fuel; petroleum; processing depth; profit; region; sulfur dioxide; sulfur trioxide; sulphurous; waste gas.
Дата поступления 2.11.12
лота сгорания, относительная низкая стоимость, низкие эксплуатационные затраты и допустимое содержание серы.
Тяжелые остатки атмосферной перегонки нефти (мазут) и вакуумной перегонки мазута (гудрон), нефтяной кокс, уголь могут содержать до 5% мас. серы 1, поэтому использование жидких и твердых топлив сопровождается необходимостью очистки отходящих дымовых газов от оксидов серы и азота, что влечет дополнительные капитальные и эксплуатационные затраты.
На сегодняшний день рыночная стоимость твердых топлив с высоким содержанием серы значительно ниже стоимости газообразного и
жидкого топлив, поэтому целесообразным является рассмотрение вопроса об их использовании энергии.
В цепочке промышленных производств, потребляющих тепло от сжигания топлив, особое место занимает производство цемента. Триоксид серы (БО3) в составе гипса (СаБО4х2Н2О) является желательным компонентом портландцемента. Согласно 2, допустимое содержание оксида серы (VI) в портландцементе должно быть не менее 1.0 и не более 4.0 % от массы цемента.
Кроме того, выбросы БО2 из современных печных установок для производства цементного клинкера обычно относительно низки, поскольку сера, содержащаяся в топливе, загружаемом в обжиговую печь или любой кальци-натор, очень эффективно переходит в связанное состояние, образуя сульфаты, которые
выводятся из обжиговой печи в составе клин-10
кера .
В то же время с сырьем (известняк, глина) в обжиговую печь получения клинкера зачастую вносится серы больше, чем с топливом. Согласно 3, с сырьевой смесью в цементную печь поступает от 0.5 до 11 г триоксида серы (БО3) на 1 кг клинкера, в то время как с топливом при использовании жидкого топлива с очень высоким содержанием серы — максимум 6 г БО3 на 1 кг клинкера.
Вместе с сырьевой смесью в цементную печь вносятся различные соединения щелочных металлов 3. В связи с высокой летучестью они возгоняются в высокотемпературной части и конденсируются в холодной части печной системы и, многократно циркулируя, накапливаются в обжигаемом материале 12. Иногда концентрация щелочесодержащих примесей в материалах печной системы может достигать 5—13 % 12. Диоксид серы, образующийся как при сжигании сернистых углеводородных топ-лив, так и от термического разложения сырьевой смеси, вступает в реакцию с газообразными массами щелочей, испаряющимися при высоких температурах цементного производства с образованием сульфатов соответствующих щелочных металлов. Сульфаты при охлаждении отходящих дымовых газов конденсируются и затем вовлекаются в состав портландце-ментного клинкера 3. В случае, когда соблюдается стехиометрическое соотношение оксидов серы с соединениями щелочных металлов, в объеме трубчатой печи практически все сульфаты, сульфиты и сульфиды переходят в состав клинкера. Поэтому для цементного производства применение топлива с высоким со-
держанием серы (до 5% мас. и более) не дает заметного превышения содержания БО2 в отработанных дымовых газах, выбрасываемых в атмосферу, что не накладывает ограничений на использование высокосернистого топлива в производстве цемента, исключает нежелательные последствия для окружающей среды и не требует дополнительных затрат на очистку дымовых газов.
С экономической точки зрения сернистые топлива в твердом их варианте также представляют интерес как эффективное топливо цементного производства. С учетом текущих цен на газообразное, жидкое и твердое топливо, несмотря на неоднозначность оценки транспортных расходов и расходов на заработную плату, применение сернистого нефтяного кокса в печах получения клинкера может приносить ощутимый экономический эффект.
В работе 3 отмечается высокая стоимость эксплуатационных затрат подготовки жидкого и твердого топлива для цементного производства по сравнению с газообразным. При этом стоимость отделения для подготовки угля на цементном заводе оценивается в 15—20 % от стоимости всего оборудования. Эксплуатационные расходы при использовании природного газа меньше в 3—5 раз, чем при применении жидкого топлива. При использовании газа в качестве топлива сокращается численность обслуживающего персонала на 6—8 %. А перевод цементных заводов с угля на газ в 1970-е гг. снизил себестоимость производства цемента на 8—10 % 3. В связи с вышеизложенным, большинство цементных заводов в Российской Федерации на сегодняшний день работает на при-
4
родном газе .
Однако экономическая ситуация на внутреннем рынке топлив в нашей стране отличается от экономической ситуации на мировых рынках в 1970-х и 1990-х гг. Стоимость светлых нефтепродуктов (бензин, керосин, дизельное топливо) и природного газа на протяжении последних лет непрерывно возрастает. Цена же темных нефтепродуктов, а также нефтяного кокса и угля меняется не так заметно. Поэтому имеются положительные предпосылки применения нефтяного кокса как экономически эффективного углеводородного топлива.
Результаты сравнительного анализа экономической эффективности применения различных топлив в цементной промышленности, по аналогии с анализом, изложенным в работе 3 с учетом ценообразования в октябре 2012 г., представлены в табл. 1—2.
Таблица 2
Расходно-экономический баланс топлива для производства клинкера
Таблица 1
Стоимостные и энергетические показатели углеводородных топлив
Компоненты Каменный уголь ТМСШ (тв.) Сернистый нефтяной кокс (тв.) Топочный мазут (ж.) Природный газ, % мас. Электроэнергия, руб/кВт-ч
Теплота сгорания, ккал/кг 6500 8330 9500 11300 -
Цена с НДС (18%) на 31.10.2012, тыс. руб./т 2.2514 1.4216'17 8.715 3.713/1000 нм3 2.9413
Вид топлива Расход топлива на 1 т клинкера Расход тепла, ккал/кг Цена с НДС в РФ на 1.11.2012, тыс. руб/т Расход топлива в тыс. руб. с НДС на 1 т клинкера
Уголь 238 кг 1550 2.25 0.54
Нефтяной кокс 192 кг 1600 1.42 0.27
Мазут М-100 169 кг 1632 10.5 1.77
Природный газ 180 м3 1817 3.7/1000 нм3 0.67
В табл. 1 представлены стоимостные и энергетические показатели (теплота сгорания) различных углеводородных топлив 5>6>13>14-17, принятые нами за основу для материально-экономического анализа.
В цепочке от каменного угля до природного газа энергетическая ценность углеводородных топлив возрастает и различается почти в 2 раза. Наиболее дорогим топливом в настоящее время является жидкое углеводородное топливо, самым дешевым — топочный мазут. Недорогими топливами являются сернистый нефтяной кокс и высокоэнергетический каменный уголь. Относительно недорогим можно назвать газообразное топливо — природный газ.
Стоимостные характеристики использования различных углеводородных топлив в пересчете на 1 т клинкера представлены в табл. 2. Без учета тарифа на перевозку и складирование твердого топлива и эксплуатационных затрат на предтехнологическую подготовку твердого топлива перед сжиганием в клинкерных печах обжига предпочтительным топливом для цементной промышленности выглядит сернистый нефтяной кокс, который не находит широкого применения в других отраслях промышленности и теплоэлектроэнергетики.
Затраты на подготовку кокса к сжиганию можно оценить, используя материалы 3, где показано, что дополнительный расход электроэнергии при сжигании угля по сравнению с природным газом составляет 9 кВт-ч на 1 т клинкера (из условия, что при сжигании 1 т угля образуется 4 т клинкера). Это связано со следующими энергозатратами на подготовку 1 т угля, кВт-ч:
- сушка — 2.0;
- помол — 25.0;
- обеспыливание — 1.5;
- транспортировка и прочее — 5.0;
- потери трансформаторной подстанции — 2.5.
Итого: 36 кВт-ч.
Если принять дополнительный расход электроэнергии при сжигании нефтяного кокса вместо природного газа равным дополнительному расходу электроэнергии при сжигании угля (9 кВт-ч на 1 т клинкера), то удорожание, связанное с подготовкой нефтяного кокса для сжигания, составит не более 30 руб./т клинкера (стоимость электроэнергии принята 3 руб./кВт-ч с НДС). Тогда стоимость подготовленного нефтяного кокса на 1 т клинкера составит 0.3 тыс. руб.
В то же время расход природного газа на 1 т клинкера составляет 0.67 тыс. руб. Таким образом, положительное сальдо в пользу нефтяного кокса относительно природного газа с учетом затрат на подготовку кокса к сжиганию составляет 0.37 тыс. руб. на 1 т производимого клинкера.
Влияние транспортных затрат на экономическую эффективность использования кокса в цементном производстве непосредственно зависит от дальности перевозки. Однако произведенный экономический анализ выявил явную предпочтительность автомобильного транспорта перед железнодорожным. Так, согласно 7, транспортные и складские расходы для 1 вагона-дозатора нефтяного кокса составляют, руб/т твердого топлива:
1) 429 при доставке на расстояние до 200 км;
2) 894 при доставке на расстояние до 700 км;
3) 1215 при доставке на расстояние до 1000 км, что делает явно неэффективным использование нефтяного кокса как топлива в случае его доставки железнодорожным транспортом.
С другой стороны, по данным 8, норма расхода дизельного топлива для автомобилей КАМАЗ составляет от 21.5 до 31 л/100 км. Тогда при доставке груза на расстояние до 200 км расход топлива составит 124 л (с учетом возврата автомобиля) или 3720 руб.
По данным 9, грузоподъемность самосвалов КАМАЗ составляет до 25 т. При максимальной грузоподъемности, равной 25 т, себестоимость доставки 1 т нефтяного кокса на расстояние до 200 км составит около 148.8 руб./т кокса. При доставке груза на расстояние до 700 км расход топлива автомобиля составит 434 л или 13200 руб. (с учетом возврата автомобиля). При грузоподъемности автомобиля, равной 25 т, себестоимость доставки нефтяного кокса на расстояние до 700 км составит около 520.8 руб./т нефтяного кокса.
Таким образом, эффективной можно предположить доставку кокса автомобильным транспортом на расстояния в пределах одного региона (области) с транспортным плечом до 200—300 км, что в целом позволяет использовать нефтяной сернистый кокс вместо природного газа на предприятиях цементной промышленности с получением дополнительной прибыли. В качестве примеров предлагаемой транспортной удаленности предприятий нефтяной и цементной промышленности можно привести такие предприятия как:
1) НПЗ г. Уфы Республики Башкортостан — цементное предприятие г. Стерлитамак Республики Башкортостан;
2) НПЗ г. Салават Республики Башкортостан — цементное предприятие г. Стерлитамак Республики Башкортостан;
3) НПЗ г. Самары — цементные предприятия Саратовской области;
4) НПЗ г. Саратова — цементные предприятия Саратовской области.
В результате с учетом доставки кокса автомобильным транспортом на расстояния около 200 км положительное сальдо в пользу нефтяного кокса относительно природного газа можно оценить в 0.22 тыс. руб. на 1 т производимого клинкера.
На рис.1 представлена диаграмма затрат на сжигание нефтяного кокса и природного газа в зависимости от производительности печи обжига клинкера.
При производственной мощности цементного предприятия в 100 тыс. т цементного клинкера в год экономия на топливе составит 22 млн руб. Затраты на заработную плату дополнительного обслуживающего персонала (16 человек) и связанные с ней налоги составят до
10 млн т в год. Тогда за 20 лет работы предприятия на коксе имеется финансовый потенциал в 240 млн руб. Этого достаточно, чтобы оснастить цементное производство дополнительным оборудованием для подготовки кокса к сжиганию.
I 600
■
| «О
300 200 100
ТшшВ Р1 П<1 КОКС, МЛН. руб.
А За Iра руб. гы на газ, млн
400 600 Е00 1000
производительность, тыс. т клннксра/глд
Рис. 1. Стоимость затрат на топливо (кокс, газ) в зависимости от производительности цементного завода
Кроме того, с увеличением производительности цементного предприятия финансовый потенциал растет. На рис.2 представлено оценочное положительное сальдо от сжигания нефтяного кокса в регионе его производства по сравнению со сжиганием природного газа в зависимости от производительности печи обжига клинкера.
Рис. 2. Экономический эффект от сжигания кокса в зависимости от производительности цементного завода
Учитывая, что затраты на заработную плату дополнительного обслуживающего персонала не зависят от производительности цементного производства и практически постоянны, можно отметить, что с увеличением производительности прибыль от перевода цементного производства на сернистый кокс возрастает.
Другим положительным моментом использования сернистого нефтяного кокса в цементной промышленности является увеличение налогооблагаемой базы и снижение уровня
безработицы, так как в регионе расположения цементного производства образуются новые рабочие места.
Вместе с этим, в регионе дополнительно решаются экологические задачи. Вовлекается (утилизируется) в промышленное производство высокосернистый нефтяной кокс (200 тыс. т/год кокса при мощности производства цемента в 1 млн т клинкера/год) , высвобождаются для реализации дополнительные объемы экологически чистого углеводородного топлива — природного газа (180 тыс. м3/год природного газа при мощности производства цемента в 1 млн т клинкера/год).
Учитывая то, что в Российской Федерации в 2011 г. было произведено 55.9 млн т це-11
мента , потенциальная возможность утилизации сернистого нефтяного кокса путем его использования в цементной промышленности составляет около 11 млн т/год. Стоимость такого количества кокса в РФ сегодня составляет около 15 млрд руб. Стоимость 10 млрд м3/год природного газа, который высвобождается при переводе цементной промышленности на нефтяной кокс, составляет 37 млрд руб. Оценка потенциальной стоимости предполагаемого к высвобождению топливного газа при реализации его на внешнем рынке составляет не менее 90 млрд руб. Появляется возможность значительной экономии и дополнительного дохода.
Кроме того, для получения 11 млн т/год кокса необходимо переработать в процессе коксования не менее 36 млн т тяжелых остатков жидких углеводородов (гудрона) или, в пересчете на нефть, не менее 160 млн т/год нефти. При получении нефтяного кокса в процессе коксования производятся жидкие и газообразные углеводороды в количестве не менее чем в 2 раза превышающем количество производимого кокса. Их способы очистки от вредных веществ, в частности от серы, известны и не вызывают затруднений. Все это позволяет увеличить глубину переработки нефти и улучшить качество производимых нефтепродуктов.
В начале второго десятилетия XXI в. ситуация на топливных рынках сложилась таким образом, что сернистый нефтяной кокс является экономически выгодным энергетическим
топливом для цементной промышленности в случае дальности размещения цементного завода от нефтяного производства на расстояние не более 300 км. Сложившаяся ситуация позволяет увеличить прибыль предприятия, налогооблагаемую базу в регионе расположения предприятия цементной промышленности — потенциального потребителя нефтяного кокса и высвободить дополнительные объемы газообразного топлива.
Литература
1. Рудин М. Г., Сомов В. Е., Фомин А. С. Карманный справочник нефтепереработчика.— М.: ОАО «ЦНИИТЭнефтехим», 2004.- С.97.
2. ГОСТ 30515-97. Цементы. Общие технические условия. П.5.1.5.
3. Дуда В. Цемент. Перевод с нем. Е. Ш. Фельдмана / Под. ред. Б. Э. Юдовича.- М.: Строй-издат, 1981.- 464 с.
4. Бикбау М. Я. // СтройПРОФИ.- 2012.- №2. Рубрика: Бетонные технологии и ЖБК.- С.16.
5. Сухоруков И. Ф. Производство и потребление нефтяного кокса.- Челябинск, 1970.- 71 с.
6. Хайрудинов И. Р. и др. Химия горючих ископаемых.- Уфа: УГНТУ, 1997.- 151 с.
7. http://www.riccom.ru/index.htm.
8. http://www.kamaz-volga.ru/useful/89.
9. http://www.kamaz.ua/car_list/!.
10. Пат. РФ №2259226 / Скоруп Йенсен Л., Скю-ум Йенс Э. // Б. И.- 2005.- №24.
11. http://www.pi-ngp.ru/about/industry_news/ id/1305/.
12. Е.П. Ермоленко. Особенности воздействия хлоридов щелочных металлов на процессы клинке-рообразования: Автореф. ... канд. техн. н.Белгород: БГТУ им. В. Г. Шухова, 2012.- 19 с.
13. Закупочная цена топливного газа и электроэнергии для производства строительных материалов в ОАО «Омскнефтепроводстрой» на 31.10.2012.
14. http://www.etr-nk.ru/sale.html предварительная предпродажная цена на 31.10.2012.
15. http://www.bashoil.com/price.html предварительная предпродажная цена на 31.10.2012.
16. Сборник докладов Межотраслевой конференции «Нефтеперерабатывающая и алюминиевая промышленности - развитие сотрудничества, оптимизация связей по поставкам нефтяного кокса».- Красноярск, 2001.- С.9.
17. Канделаки Т.Л. Доклад на Международном форуме «Нефтекокс-2012».- М.: ТПП РФ, 2012.
