Абрамсон И.Г. д.т.н., Научно-испытательный центр «Гипроцемент-Наука», Санкт-Петербургgcs@mail.wplus.net; dialego27@mail.ruЗАМОРОЖЕННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ЭНЕРГОЁМКИХ ПРОИЗВОДСТВОткрытое в 1970-1980 гг. группой учёных из Ленинграда, Новосибирска, Алма-Аты и Еревана явление радиационно-термической активации твёрдофазных реакций в неорганических системах1 позволяет интенсифицировать и сделать экологически приемлемым производство многих высокотемпературных продуктов. Сущность открытия, согласно зарегистрированной формуле, заключается «в том, что под действием ионизирующего излучения в температурной области, характерной для данной реакции (или более низкой), наблюдается её активация, выражающаяся в снижении равновесной температуры и ускорении взаимодействия»; обусловлено явление «радиационно-термической генерацией и рекомбинацией точечных дефектов кристаллической решётки». К началу 70-х годов радиационная химия завоевала прочные позиции в ряде технологических процессов: полимеризация и сополимеризация мономеров и олигомеров в гомогенных и гетерогенных системах, сшивание полимеров, включая вулканизацию каучуков и эластомеров, органический синтез (окисление, хлорирование и др.), модифицирование неорганических материалов, обеззараживание и очистка сточных вод. Все эти процессы отличаются сравнительно низкой энергоёмкостью и равновесными температурами, не превышающими 300-500оС. Радиационная химия остановилась на подступах к высокотемпературным процессам, поскольку в то время отсутствовали источники излучения, дающие конденсированные потоки высокой и стабильной мощности. Лишь появление ускорителей электронов мощностью в десятки кВт и более позволило развернуть экспериментальные исследования высокотемпературных радиационно-химических процессов, названных впоследствии радиационно-термическими. Хронологически первым оказался изучен процесс получения портландцементного клинкера. Вслед за ним экспериментально обнаружено явление радиационно-термической активации получения других продуктов высокотемпературного синтеза: белитосульфоалюминатных клинкеров, глинозёмсодержащих спёков, титанатов щелочноземельных элементов, оксида европия, хромитов, алюминатов, цирконата стронция, молибдата свинца. Зафиксированы эффекты радиационной активации вскрытия сыннырита (золотосодержащая сульфидная руда), золотосодержащего пирита. Во всех случаях имеет место либо снижение температурного уровня реакции, либо существенное возрастание скорости, чаще всего и то, и другое. С открытием явления радиационно-термической активации твердофазных химических реакций в неорганических системах возникло новое направление в радиационной химии, относящееся к процессам высокотемпературного синтеза, вскрытия и переработки минерального сырья. Раскроем процитированное выше из формулы открытия лаконично выраженное объяснение механизма явления. За время порядка 10 с при мощности потока электронов 25-250 мкА/см2 их воздействию могут подвергнуться от 10 до 100% молекул в слое пробега. Создаётся ситуация, когда в твёрдом теле генерируется весьма высокая плотность нестабильных дефектов, а при высокой температуре стимулируется их эффективная рекомбинация. Высвобождающаяся энергия реализуется в виде тепла (в частности – в виде зафиксированных петрографически точечных перегревов на 300-500 градусов) и, возможно, в виде акустических волн. Эти факторы ускоряют массоперенос в облучаемых системах, и реакции в них происходят в условиях, близких к адиабатическим. Это и обусловливает наблюдаемое снижение равновесных температур и ускорение реакций. Главная отличительная особенность радиационно-термической технологии заключается в энергоносителе – мощном пучке ускоренных электронов. Он чрезвычайно экономичен: во-первых, пучок электронов высокой энергии (1,5 – 2,0 МэВ) передаёт свою энергию всему объёму облучаемого вещества одновременно, исключая тем самым фактор теплопроводности, лимитирующий скорость процесса; во-вторых, помимо чисто термического эффекта скоростного обжига имеет место явление радиационно-термической активации. Применительно к производству портландцементного клинкера РТ-активация выражается в том, что равновесная температура физико-химических превращений снижается на 150-200 градусов и при мощности поглощённой дозы 200-400 Вт/г образование портландцементного клинкера из сухой сырьевой шихты завершается за 5 - 15 секунд. Во вращающихся печах на это уходит от одного до двух часов. Основы РТ-технологии цемента разработаны институтом «Гипроцемент» (Ленинград) в содружестве с НИИ электрофизической аппаратуры (Ленинград) и Институтом ядерной физики Сибирского отделения РАН (Новосибирск). Финансирование работ осуществлялось по специальной отраслевой программе Министерства промышленности строительных материалов СССР. На экспериментальной установке с ускорителем электронов ЭЛВ-6 в Институте ядерной физики испытаны различные конструктивные решения радиационно-термического аппарата (РТА). Оптимальным признан РТА шахтного типа (рис. 1). Подача порошкообразного или гранулированного сырьевого материала осуществляется соосно с концентрированным электронным пучком, который, выйдя из выпускного окна ускорителя 1, формируется развёрткой 2. Сырьевой материал через напылители 3 и 4 поступает совместно с пучком в шахту 5. Образующийся клинкерный блок устройством протяжки 6 направляется в дробилку. РТА шахтного типа позволяет использовать частичное отражение пучка от стенок для выравнивания распределения электронов по облучаемой поверхности. Энергия рассеянных электронов, теплоизлучение материала и тепло выделяющейся углекислоты используется для предварительного нагрева сырья. Коэффициент использования энергии в РТА шахтного типа может быть доведён до 75-80%. Создаваемая в замкнутом пространстве между облучаемым материалом и выпускным устройством ускорителя атмосфера углекислого газа предотвращает образование озона и окислов азота. Эксперименты, проведённые на установке в ИЯФе, позволили получить исходные данные для проектирования демонстрационной технологической линии производительностью до 0,5 т/ч. В 1991 г. выполнен проект пилотной демонстрационной полупромышленной линии производства цементного клинкера по РТ-технологии на базе 500-киловаттного ускорителя. Схема линии показана на рис. 2. Из бункера 1 сырьевая смесь после весового дозатора 2 пневмонасосом 3 по системе пневмотранспорта 4 подаётся в трёхступенчатый двухветвевой теплообменник 5. В нём отходящими газами из РТА, дробилки и холодильника сырьё нагревается до температуры примерно 400 оС. В результате обработки пучком электронов, формируемым на выходе из ускорителя электронов 6 развёрткой 7, сырьё, поступающее в РТА 8 по течкам через дозирующее устройство, превращается в клинкерный блок. После выхода из РТА клинкерный блок измельчается в дробилке 9 и поступает в пересыпной холодильник 10, где охлаждается воздухом, а затем винтовым конвейером 11 и элеватором 2 транспортируется в бункер готового продукта 13. Управление работой ускорителя, РТА и технологического оборудования автоматизировано. Следует заметить, что единственный образующийся при РТ-технологии цемента отходящий газ - это высококонцентрированный СО2, который, будучи ценным побочным продуктом, может быть использован для получения твёрдой углекислоты.. . . . Рис.1. Радиационно-термический Рис.2. Технологическая схема аппарат пилотной линииНа конец 1991 г. был намечен пуск пилотной полупромышленной линии производства цементного клинкера по РТ-технологии. Но именно в 1991 г. прекратилось финансирование. Это на неопределённое время задержало реализацию технологии, основные преимущества которой состоят в исключении использования углеводородного топлива для производства цементного клинкера и в кардинальном снижении вредных выбросов в атмосферу. Для возрождения разработки РТ-технологии со стадии сооружения пилотной технологической линии необходимы ассигнования в объёме 220-230 млн. р. Наши неоднократные обращения в 2001-2009 гг. в правительство и администрацию президента направлялись в Минобрнауки и Минрегион, откуда фактически приходили отписки. Между тем, в настоящее время сложилась благоприятная ситуация для возобновления работ по РТ-технологии и сооружения пилотной линии: Институт электрофизической аппаратуры в Санкт-Петербурге предоставляет ускоритель электронов мощностью 500 кВт с кпд выше 90% и возможность сооружения и эксплуатации в течение примерно двух лет пилотной линии. То обстоятельство, что предоставляется уже изготовленный ускоритель, с оплатой лишь его обслуживания, стоимость которого составит менее 12 млн. р., существенно снижает величину требуемых инвестиций, примерно половина которых приходилась на разработку и изготовление ускорителя. Сейчас речь идёт о 120-130 млн. р. на 2 года. Возрождение работ по РТ-технологии не только закрепит приоритет отечественной науки. Весь мир, и Россия в том числе, стремится к уменьшению доли невосполнимых энергоносителей в энергобалансе и выбросов парниковых газов в атмосферу. Общепризнано, что это необходимо для устойчивого развития энергоёмких производств. РТ-технологии эффективно эти задачи решают. Они исключают невосполняемые энергоисточники (углеводороды) из производственных процессов, соответственно исключают выбросы топливных газов. Что касается диоксида углерода, то РТ-технология цемента сокращает его выбросы в 1,5 раза. Разработка основ РТ-технологий и их перспективы привлекли заинтересованное внимание научной и инженерной общественности (но не правительство и крупный бизнес) в нашей стране и за рубежом. Результаты исследований публиковались в отраслевых и академических изданиях, в том числе в «Докладах Академии наук»1 и «Журнале физической химии»2, докладывались на всесоюзных научных конференциях и международных конгрессах по химии цемента. В последнее время, в связи с обострением экологической ситуации и борьбой с «парниковой угрозой», вновь возрос интерес к РТ-технологии, что выразилось, в частности, во включении докладов об её особенностях и преимуществах в программы международных симпозиумов по цементу и бетону в 2002 г. (Шанхай)3, 2006 г. (Сиань, Китай)4, научных чтений по цементу 2005 г (Москва)1, Международной конференции по устойчивому развитию цементной и бетонной промышленности в 2007 г. (Лиллехаммер, Норвегия)2. Для возрождения данного направления работ, вероятно, возможно привлечение и зарубежных инвесторов. Так, интерес к проблеме проявляется в Китае. Китайская Академия строительных материалов в октябре 2000 г. предложила вложить со своей стороны большую часть необходимого финансирования для сооружения, по проекту Гипроцемента и на базе российского 500-киловаттного ускорителя электронов, пилотной линии для отработки на ней специфических вопросов принципиально новой технологии. После необходимой пилотной, полупромышленной стадии можно будет перейти к сооружению первой полномасштабной промышленной линии. Можно полагать, к примеру, разработку проекта технологической линии РТ-способа производства производительностью от 50 до 100 т клинкера в час, разветвлённой на параллельно работающие 10 модулей с ускорителями мощностью от 5 до 10 МВт. Но приступать к такому проекту можно будет только после накопления определённого опыта работы на пилотной линии. Как указывалось выше, для её создания необходимо изыскать 120-130 млн. р. Если российская сторона вложила хотя бы четвёртую часть, Пекинский протокол от 26.10.2000 с указанным предложением о возрождении работ по РТ-технологии мог бы стать предметом реализации. С большой вероятностью можно прогнозировать рост интереса к РТ-технологии – особенно, после её отработки в полупромышленном масштабе - в странах с превалированием атомной и другой нетопливной энергетики в общем национальном электроэнергобалансе (Франция, Япония, Норвегия, Бельгия и др.). С экологической точки зрения РТ-технология вне конкуренции. Одна из глобальных проблем – борьба с парниковым эффектом, обусловленным возрастающими техногенными выделениями углекислого газа. Как результат – объективные тенденции к приостановке или ограничению ввода новых тепловых электростанций и топливоёмких производств. А, как уже отмечено, РТ-технология исключает топливный СО2 и в принципе позволяет использовать высококонцентрированный технологический СО2, не выпуская в атмосферу, для холодильной и других отраслей промышленности. Всё это даёт право рассматривать РТ-технологию цемента и других энергоёмких продуктов в качестве неизбежной альтернативы в ХХI веке. Это понимало Советское правительство в 1980-е годы. С большим сожалением приходится констатировать, что этого не хотят понять ни правительственные органы РФ, ни руководство Российской венчурной компании, отбирающей проекты для иннограда Сколково. 1 Болдырев В.В., Абрамсон И.Г., Аршакуни Р.Г., Ауслендер В.Л., Вайсман А.Ф., Волконский Б.В., Воронин А.П., Данюшевский С.И., Егоров Г.Б., Канимов Б.К., Никифоров Ю.В., Оганесян П.Л., Поляков В.А. Явление радиационно-термической активации твёрдофазных химических реакций в неорганических системах. Диплом на научное открытие №108 Российской академии естественных наук // Научные открытия (краткие описания). - М.; СПб, 1999. - Вып.1. - С.38-40; Абрамсон И.Г., Егоров Г.Б., Никифоров Ю.В. Радиационно-термическая активация твёрдофазных реакций // Цемент и его применения. 1999. - №5/6. - С.57-59. 1 Абрамсон И.Г., Волконский Б.В., Данюшевский С.И., Егоров Г.Б., Никифоров Ю.В., Цейтлин Я.М. Получение портландцементного клинкера в пучке ускоренных электронов // Доклады Академии наук СССР. – М., 1976. - Т.230, вып.6. - С.1395-1397. 2 Абрамсон И.Г., Вайсман А.Ф., Воронин А.П., Егоров Г.Б., Капралова Р.М., Никифоров Ю.В., Сычёв М.М. Особенности формирования и технических свойств портландцементного клинкера, полученного в мощных потоках ускоренных электронов // Журнал физической химии. 1984. – Т.58, вып. 5. - С.1100-1103. 3 Abramson I.G., Egorov G.B. and Nikiforov Yu.V. The Design of Pilot Line for Cement Clinker Production by RT-technology // The 5th International Symposium on Cement & Concrete. - Shanghai, 2002. 4 Abramson I.G., Bernstein L.G. Ecological Problems of Cement Industry // Cement & Concrete Contributing to Global Sustainability. Proceedings of the 6th International Symposium on Cement &Concrete. September 19-22, 2006. - Xi’an, 2006. - Vol. 1. - P. 184 -189. 1Абрамсон И.Г. Радиационно-термический способ производства – одна из возможных альтернативных технологий XXI века // Энергосберегающие технологии при производстве цемента. Вторые научные чтения по цементу, 22-24 ноября 2005, Москва. - СПб, 2006. - С.59-62. 2 Abramson I.G., Bernstein L.G. Ecological Problems of Cement Industry and One of Radical Ways of Their Solutions // International Conference on Sustainability in Cement and Concrete Industry. Proceedings, Lillehammer, 2007. - P. 66-74.