Logistyka paliw alternatywnych w kontekście ich wykorzystania w sektorze cementowym

Transkrypt

1 WASILEWSKI Marek 1 LIGUS Grzegorz 2 MALEWICZ Krzysztof 3 Logistyka paliw alternatywnych w kontekście ich wykorzystania w sektorze cementowym WSTĘP Jednym z warunków rozwoju gospodarczego każdego kraju jest zapewnienie stałego dostępu do energii w różnych jej postaciach. W krajach o podobnej strukturze gospodarczej i sektora energetycznego, najważniejszą rolę pełni i jeszcze przez najbliższe lata będzie pełnić dostępność energii w jej najprostszej postaci a mianowicie w postaci energii chemicznej zawartej w paliwach. Dzięki funkcjonowaniu sektorów gospodarki uzależnionych od dostaw paliw przemysł wydobywczy zmuszony jest do sięgania do złóż, których wydobywanie kilkanaście lat temu było nieopłacalne. Przyczynia się to bezpośrednio do wzrostu kosztów wydobycia, co z kolei przekłada się na wzrost cen energii pierwotnej. Fakt ten w połączeniu z ograniczonymi zasobami paliw konwencjonalnych, takich jak ropa naftowa, paliwa stałe i gazowe skłania do poszukiwania coraz to nowych, często innowacyjnych rozwiązań pozwalających na rozszerzenie dostępności paliw. Jedną, coraz to bardziej powszechną metodą jest użycie w procesie spalania paliwa zastępczego, zwanego również paliwem tzw. alternatywnym. Rolę takich paliw mogą pełnić odpowiednio przesortowane, przetworzone i dostarczone odpady zawierające potencjał energetyczny na poziomie nie mniejszym niż 6 MJ/kg. Najczęściej są to przetworzone odpady przemysłowe i komunalne. Procentowy ich udział w procesie współspalania zależy głównie od warunków w jakich zachodzi proces spalania oraz ich potencjału energetycznego. Biorąc pod uwagę kolejne negatywne zjawisko związane z rozwojem gospodarczym, potrzebami bytowymi i komunalnymi - coraz to większą ilość powstających odpadów i problemy z ich zagospodarowaniem, to kluczową rolę może odegrać wykorzystanie ich palnych frakcji jako źródeł energii. Jednocześnie należy pamiętać, że odpady te zawierają wiele szkodliwych związków. Dlatego też należy zapewnić właściwe warunki ich termicznego wykorzystania. Idealnym urządzeniem, ze względu na warunki w nim panujące podczas pracy (wysoka temperatura gazów-dochodząca do 2000 C, długi czas przebywania gazów odlotowych w temperaturze powyżej 1100 C) jest cementowy piec obrotowy, wykorzystywany w procesie wypalania klinkieru metodą suchą [1]. Dotyczy to w szczególności Polski, gdzie funkcjonuje obecnie 12 przedsiębiorstw branży cementowej wyposażonych w instalacje do produkcji cementu. Na rysunku 1 zaprezentowano lokalizację tych zakładów. Biorąc pod uwagę specyfikę tej branży należy właściwie zabezpieczyć działania związane z pozyskaniem odpadów, ich przekształceniem do celów energetycznych, transportem paliw alternatywnych (PA) do zakładu, ich składowaniem (należy pamiętać, iż są to w większości substancje łatwopalne) i dystrybucją do komory spalania (piec obrotowy lub prekalcynator). Wymienione wyżej zadania związane są z typowymi procesami logistycznymi. Celem artykułu jest zaprezentowanie działaniach logistycznych dotyczących PA na terenie zakładu cementowego, związanych z energetycznym ich wykorzystaniem. 1 Politechnika Opolska, Wydział Inżynierii Produkcji i Logistyki, Opole, ul. Ozimska 75, m.wasilewski@po.opole.pl 2 Politechnika Opolska, Wydział Mechaniczny, Opole, ul. Mikołajczyka 5, g.ligus@po.opole.pl 3 Polski Związek Motorowy OZDG Sp. z o.o., Opole, ul. Oleska 125a, Opole, krzysztof.malewicz@pzm.pl 6455

2 Rys. 1. Lokalizacja cementowni w Polsce [opracowanie własne] 1. MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA PALIW ALTERNATYWNYCH W PRZEMYŚLE CEMENTOWYM Proces termicznego unieszkodliwiania odpadów można realizować przede wszystkim poprzez wysokotemperaturowe spalanie w specjalnie wybudowanych spalarniach lub poprzez współspalanie w cementowych piecach obrotowych. W tym drugim przypadku oprócz neutralizacji substancji odpadowych uzyskuję się dodatkowo oszczędności w ilości zużytego paliwa w procesie wypalania klinkieru, bez pogorszenia jakości produktu. Po raz pierwszy w Polsce paliwa alternatywne w przemyśle cementowym zostały zastosowane przez Cementownię Kujawy już z początkiem lat 90-tych ubiegłego wieku [2]. W roku 2000 stosowało już je sześć cementowni. Obecnie paliwa te są spalane w dziesięciu cementowniach w kraju. W tabeli 1 przedstawiono zużycie paliw konwencjonalnych oraz alternatywnych w tych zakładach w latach Średni udział PA w całkowitej ilości ciepła niezbędnego w procesie wypalania wynosi około 40 %. Jest to wynik najlepszy w Europie. Tab. 1. Zużycie paliw konwencjonalnych i alternatywnych w Polsce w latach w przemyśle cementowym [3] Zużycie węgla [tys. ton] Paliwa alternatywne [tys. ton] 1428,7 1299,9 864,1 961,7 1202,5 469,5 617,0 751,9 952,3 1227,1 Warunki panujące podczas procesu spalania w piecu obrotowym spełniają wszystkie wytyczne zawarte w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki, które dotyczą termicznego przekształcania odpadów [4]. Dodatkowo spełnia warunki unieszkodliwiania związków toksycznych takich jak dioksyny oraz furany. 6456

3 W porównaniu z innymi metodami termicznej utylizacji, cementowy piec obrotowy posiada wiele zalet, które gwarantują bezpieczne dla środowiska spalanie szerokiej gamy paliw alternatywnych. Spalanie w piecu obrotowym jest metodą bezodpadową, wszystkie produkty spalania (popiół i żużel) są absorbowane przez klinkier [5]. Dokonując porównania pomiędzy piecami obrotowymi a spalarniami odpadów można odnotować następujące ich zalety: całkowite wykorzystanie energii zawartej w paliwach odpadowych, znaczne ograniczenie ilości gazów kwasotwórczych, brak stałych produktów spalania (powstałe odpady są wykorzystywane jako półprodukt w procesie mielenia cementu), brak odpadów z paliw alternatywnych, niskie koszty inwestycyjne - brak konieczności budowania dodatkowych instalacji i palenisk, wysoka skuteczność oczyszczania gazów odlotowych. Aby zapewnić właściwy proces wysokotemperaturowej utylizacji paliw alternatywnych w piecu obrotowym niezbędne jest precyzyjne wyznaczenie jednostkowej ilości tego paliwa oraz miejsca ich dozowania. Pierwszy wymóg wynika z faktu, iż paliwa alternatywne nie mogą zmieniać składu chemicznego wytwarzanego produktu. Z kolei o miejscu dozowania paliwa decyduje jego skład chemiczny, właściwości fizyczne oraz wartość opałowa (wynika to m.in. z wymaganego rozkładu wartości temperatury materiału w poszczególnych strefach pieca). Na rysunku 2 zaprezentowano możliwe miejsca dostarczania paliw konwencjonalnych oraz paliw alternatywnych (w zależności od ich właściwości) w metodzie suchej wypalania klinkieru wyposażonej w system prekalcynacji (symbole PA 1 oraz PA 2 oznaczają odpowiednio: paliwa alternatywne dostarczane do palnika głównego oraz do prekalcynatora). Rys. 2. Miejsca dozowania paliw w metodzie suchej wypalania klinkieru, opracowanie własne na podstawie [6] 2. WYMAGANIA STAWIANE PALIWOM ALTERNATYWNYM Podstawowym czynnikiem pozwalającym na zastosowanie paliw alternatywnych na bazie odpadów jest wystarczająca wartość opałowa (minimalna wartość opałowa powinna wynosić 11,5 6457

4 MJ/kg - wartość zalecana dla branży cementowej). Ponadto powinny spełniać szereg innych wymagań wynikających z prawidłowego przebiegu procesu technologicznego, zapewnienia wysokiej jakości produktu a także oddziaływania na środowisko naturalne [7]. Wymagania te związane są przede wszystkim z zawartością popiołu, temperaturą samozapłonu, zawartością metali ciężkich oraz rozkładem granulometrycznym. W tabeli 2 przedstawiono wymagania jakościowe stawiane paliwom alternatywnym w przemyśle cementowym. Tab. 2. Wymagania jakościowe stawiane paliwom alternatywnym w przemyśle cementowym [8] Paliwa Mączki mięsnokostne Parametry Osady ściekowe alternatywne wymagane / Odpady ciekłe Wartość opałowa MJ/kg >17 >11 >18 >24 Wilgotność % <15 <10 <5 <5 Zawartość Cl, % <0,7 <0,7 <0,7 <0,7 Zawartość S, % <1 <1 <1 <2 Suma metali ciężkich, ppm <2000 <2000 <2000 <2000 Rozdrobnienie <30 Granulat/pył Granulat/pył - Najczęściej stosowanymi paliwami alternatywnymi w przemyśle cementowym są: zużyte opony samochodowe, odpady gumowe, papier, tworzywa sztuczne, przepracowane oleje, odpady rafineryjne, wysegregowane odpady komunalne (BRAM, RDF), mączki i tłuszcze zwierzęce, odpady przemysłu farb i lakierów, wysuszony szlam z oczyszczalni ścieków. W tabeli 3 zaprezentowano wartości opałowe odpadów stosowanych jako paliwa alternatywne. Z kolei na rysunku 3 przedstawiono strukturę rodzajową paliw alternatywnych zużytych w roku 2011 przez przemysł cementowy. Tab. 3. Wartości opałowe odpadów stosowanych jako paliwa alternatywne [9] Paliwa alternatywne Wartość opałowa [MJ/kg] zużyte opony 29,2 tworzywa sztuczne makulatura ok. 11 zużyte drewno ok. 18 zużyte rozpuszczalniki 25 zużyte gumy 30 zużyte oleje 40 odpady komunalne 7,0-10,0 łupki węglowe emulsje wodne skondensowanych węglowodorów emulsje wodne zneutralizowanych smół rafinacyjnych 16,7 6458

5 Rys. 3. Struktura rodzajowa paliw alternatywnych zużytych w roku 2011 przez przemysł cementowy, opracowanie własne na podstawie [3] 3. LOGISTYKA PALIW ALTERNATYWNYCH NA TERENIE CEMENTOWNI W rozdziale skupiono się na działaniach logistycznych dotyczących paliw alternatywnych na terenie zakładu cementowego. Wcześniejsze etapy łańcucha logistycznego realizowane są przez przedsiębiorstwa zewnętrzne. Są to firmy specjalizujące się w obróbce odpadów w specjalnych obiektach gospodarowania odpadami. Ich rolą jest pozyskanie odpadów, obróbka do formy energetycznie opłacalnej (paliwa), tak aby PA mogły być bezpośrednio wykorzystywane w piecach cementowych bez dodatkowej obróbki w na terenie zakładu. Ostatnim etapem realizowanym przez firmy zewnętrzne jest transport PA na teren cementowni. Większość cementowni w Polsce zaopatrywana jest w PA przez jedną firmę zlokalizowaną w centralnej Polsce. Niewątpliwe atutem tej firmy jest lokalizacja. Niektóre zakłady cementowe posiadają własną wytwórnię PA. Na rysunku 4 przestawiono schemat obsługi logistycznej paliw alternatywnych na terenie jednej z cementowni w Polsce. Zakład ten rocznie zużywa około ton paliwa kopalnego (węgiel) oraz około ton PA, które dostarczane są przez firmę zewnętrzną w postaci rozdrobnionych ciał stałych. Udział tych paliw w całkowitym zapotrzebowaniu na energię cieplną wynosi od 20 do 30 %. Procesy odzysku energetycznego w cementowni są całkowicie zautomatyzowane, co pozwala na pełną kontrolę ilości wpółspalanych odpadów. 6459

6 Rys. 4. Schemat obsługi logistycznej paliw alternatywnych na terenie cementowni [opracowanie w własne], 1-dostawa paliwa, 2-magazyn PA, 3-lej zasypowy, 4-przenośnik taśmowy, 5-zbiornik dodatkowy wyposażony w wagę dozującą, 6-śluza dozująca, 7-dysza dozująca paliwo Działania logistyczne związane z PA na terenie zakładu obejmują: 1) Dostawę PA jest dostarczane transportem samochodowym (3-4 samochody o ładowności t na dobę). Dla porównania ilość samochodów dostarczających paliwo podstawowe waha się od 5 do 6 w skali doby. W związku z niższą wartością opałową PA w porównaniu z wariatem wcześniejszym, gdy 100 % potrzeb cieplnych zaspokajane było paliwem węglowym wzrosła liczba samochodów dostarczających paliwo w ciągu doby (o 2-3 samochody). Dostawa PA podlega następującym procedurom: a) samochód po wjeździe na teren zakładu kierowany jest na wagę, b) następuje rejestracja pojazdu, ważenie oraz przyjęcie kart odpadu i identyfikacja ładunku wszystkie te czynności odbywają się z wykorzystaniem systemu komputerowego, c) następuje pobranie próby paliwa, d) pojazd zostaje skierowany do magazynu PA, gdzie następuje opróżnienie samochodu do boksu tymczasowego, e) auto jest kierowane ponownie na wagę, po czym opuszcza teren zakładu, f) pobrane próbki podlegają kontroli laboratoryjnej pod kątem określenia i oceny parametrów paliwa (prowadzone badania dotyczą m. in. wartości opałowej, zawartości wody, zawartości chloru i siarki), g) w przypadku pozytywnych wyników badań PA kierowane jest z boksów tymczasowych do magazynu głównego, h) w przypadku nie spełnienia wymaganych norm PA musi być odebrane przez dostawcę. 2) Magazyn PA stanowi zadaszoną i osłoniętą halę. Powierzchnia przeznaczona na składowanie paliwa wynosi około 550 m 2. Biorąc pod uwagę maksymalną możliwą wysokość magazynowania paliwa - około 4 metry, pozwala to zmagazynować około 2200 m 3 PA. W 6460

7 zależności od gęstości PA jego masa wynosi od około 500 do 1000 ton. Podstawową rolą magazynu jest zabezpieczenie zapasu PA pozwalającego na ciągłe jego dozowanie do instalacji piecowej przez okres minimum kilkunastu dni (pozwala to na realizację zapisów Ustawy dotyczącej termicznego przekształcania odpadów: piece obrotowe powinny być zasilane odpadami w sposób ciągły i stały). Ponadto zabezpiecza przed przedostawaniem się paliwa do otoczenia. Dodatkowo hala musi spełniać wymagania odnośnie zabezpieczenia przeciwpożarowego i bezpieczeństwa obsługi. 3) Transport PA do leja zasypowego wyposażonego w podajnik ślimakowy zlokalizowanego w hali magazynowej. Transport odbywa się z zastosowaniem ładowarki kołowej. W związku z tym niezbędne było zapewnienie dodatkowej powierzchni na plac manewrowy. 4) Transport PA przenośnikiem taśmowym do wagi dozującej, której zadaniem jest przygotowanie odpowiedniej wartości nadawy. Następnie paliwo trafia do śluzy dozującej. 5) Transport odpowiedniej dawki paliwa alternatywnego do dyszy podającej paliwo do pieca obrotowego. Tym samym palnikiem równolegle z PA, tylko innym kanałem podawane jest paliwo podstawowe. 6) Cała droga transportu paliw z leja zasypowego w magazynie do zbiornika pośredniego oraz instalacji do podawania paliw alternatywnych do pieca jest obudowana w celu zapobieganiu rozwiewaniu transportowanego paliwa w otoczeniu. W przypadku prezentowanego zakładu koszty modernizacji linii produkcyjnej i zapewnienia niezbędnego zaplecza logistycznego umożliwiającego współspalanie różnego rodzaju paliw były niewielkie. Dotyczyły one przede wszystkim: montażu leja zasypowego w magazynie paliw alternatywnych, montażu przenośnika ślimakowego i taśmowego transportujących paliwo alternatywne do zbiornika pośredniego, montażu wagi dozującej, montażu śluzy dozującej, wyposażenia instalacji w dmuchawę rotacyjną, zamiany odpylacza elektrostatycznego na odpylacz tkaninowy. WNIOSKI Instalacje do wypalania klinkieru są jednym z najlepszych technologicznych rozwiązań umożliwiającą współspalanie paliw kopalnym z paliwami alternatywnymi, szczególnie w polskich warunkach. Doświadczenia przemysłu cementowego w zakresie współspalania paliw alternatywnych potwierdzają, że są to działania uzasadnione ekonomicznie i ekologicznie. Spalanie paliw alternatywnych w cementowniach jest bezpieczną metodą utylizacji odpadów, przyjazną dla środowiska i opłacalną dla zakładów i społeczeństwa. Niewątpliwie istotnym atutem cementowego pieca obrotowego jest niski koszt adaptacji instalacji technologicznej na potrzeby współspalania paliwa na bazie odpadów (umożliwia to ich jednoczesną utylizację) w porównaniu z kosztami budowy spalarni. Jedynym minusem jest potrzeba zapewnienia odpowiedniej infrastruktury logistycznej związanej z transportem paliw alternatywnych do cementowni, a w szczególności na terenie zakładu. Jednakże, okres zwrotu inwestycji jest stosunkowo krótki, szczególnie że większość przedsiębiorstw tej branży obniża koszty logistyczne dzięki adaptacji dostępnych zasobów. Streszczenie W artykule przedstawiono możliwości współspalania paliw alternatywnych w przemyśle cementowym oraz związane z tym działania logistyczne. Obecnie paliwa te są spalane w dziesięciu cementowniach w kraju. Średni ich udział w całkowitej ilości ciepła niezbędnego w procesie wypalania klinkieru wynosi około 40 %. Jest to wynik najlepszy w Europie. W porównaniu z innymi metodami termicznej utylizacji, cementowy piec obrotowy posiada wiele zalet, które gwarantują bezpieczne dla środowiska spalanie szerokiej gamy paliw alternatywnych. Spalanie w piecu obrotowym jest metodą bezodpadową, wszystkie produkty spalania (popiół i 6461

8 żużel) są absorbowane przez klinkier. Początkowe etapy obsługi logistycznej PA, takie jak pozyskanie surowca, jego przetworzenie w paliwo, transport paliw alternatywnych do zakładu realizowane są przez wyspecjalizowane przedsiębiorstwa. Kolejne etapy (składowanie i dystrybucja do komory spalania - pieca obrotowego lub prekalcynatora) realizowane są już na terenie cementowni. Większość z tych zadań cementownie wykonują we w własnym zakresie. Słowa kluczowe: paliwa alternatywne, obsługa logistyczna, produkcja cementu, współspalanie odpadów Logistics of alternative fuels in the context of their use in the cement sector Abstract The paper presents the possibility of co-combustion of alternative fuels in the cement industry and activities related to logistical support such a venture. Currently, these fuels are burned in the ten cement plant in the country. Average their share in the total amount of heat needed in the clinker burning process is about 40%. This is the best result in Europe. Compared with other methods of thermal utilization, cement rotary kiln has many advantages that ensure environmentally safe burning a wide range of alternative fuels. During the combustion of alternative fuels in the rotary kiln not created another waste, all the products of combustion (ash and slag) are absorbed by the clinker. Logistics of alternative fuels in the cement industry includes transportation alternative fuels into the cement plant, storage and distribution to the combustion chamber (rotary kiln or precalciner). The above-mentioned tasks are typical logistics processes. Keywords: alternative fuels, logistics activities, cement production, co-combustion of waste BIBLIOGRAFIA 1. Wasilewski M.: Optymalizacja konstrukcji cyklonów pierwszego stopnia instalacji wypalania klinkieru. Praca doktorska. Opole, 2015 r. 2. Sarna M., Mokrzycki E., Uliasz-Bocheńczyk A.: Paliwa alternatywne z odpadów dla cementownidoświadczenia Lafarge Cement Polska S.A. Zeszyty Naukowe Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Koszalińskiej, Zeszyt nr 21, Seria: Inżynieria Środowiska, Koszalin 2003, s Informatory SPCiW 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, Kraków, Wyd. Stowarzyszenie Producentów Cementu i Wapna. 4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 19 marca 2010 r. Dz. U nr 61 poz Duczkowska-Kądziel, A., Duda J., Odpady komunalne i przemysłowe alternatywnymi surowcami i paliwami w procesie produkcji cement. Prace Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych nr 18, Duda J.: Energooszczędne i proekologiczne techniki wypalania klinkieru cementowego, Prace IMMB, wydanie specjalne, Opole Wzorek M., Król A.: Ocena jakości paliw z odpadów stosowanych w procesach współspalania z węglem. Prace Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych nr 10, Sładeczek F.: Aktualny stan współspalania paliw z odpadów w piecach cementowych w Polsce. I Forum Paliw Alternatywnych. Lubliniec Kurczabiński L.: Analiza zapotrzebowania na paliwa węglowe przez przemysł cementowy i wapienniczy. Przegląd Górniczy, 12/