Energetyczne wykorzystanie stałych paliw wtórnych z odpadów (SRF) na przykładzie instalacji współspalania paliw w Cementowni Chełm

Transkrypt

1 X Konferencja Dla miasta i środowiska- Problemy unieszkodliwiania odpadów Referat A-07 Wstęp Energetyczne wykorzystanie stałych paliw wtórnych z odpadów (SRF) na przykładzie instalacji współspalania paliw w Cementowni Chełm Magdalena Kasietczuk, Robert Oleniacz AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska,al. A. Mickiewicza 30, Kraków mkasiet@agh.edu.pl, oleniacz@agh.edu.pl Biorąc pod uwagę klasyfikację paliw z odpadów, duże znaczenie pod względem energetycznym i ekonomicznym mają stałe paliwa wtórne z odpadów, nazywane w skrócie SRF (Solid Recovered Fuels), produkowane z odpadów innych niż niebezpieczne, które mogą być wykorzystywane do odzysku energii w instalacjach spalania i wspólspalania odpadów, spełniające wymogi określone Przez Europejski Komitet Normalizacyjny CEN [1]. Surowcami do produkcji SRF mogą być: opony, odpady komunalne, tworzywa sztuczne, papier, osady ściekowe, tekstylia, drewno odpadowe oraz wiele innych substancji stałych generowanych jako odpad z różnych gałęzi przemysłu. Skupiając się tylko na odpadach komunalnych, statystyczny Polak w 2010 roku wytworzył 315 kg tych odpadów, z czego średnio aż 62% zostało zdeponowane na składowiskach (dla porównania w Belgii w 2010 roku na 1 mieszkańca przypadało 466 kg odpadów komunalnych, z czego tylko 1% trafiło na składowiska) [2]. Warto zadać sobie pytanie, dlaczego aż tak duży odsetek odpadów nie jest zagospodarowywany, chociaż możliwości związane z wykorzystaniem odpadów są bardzo duże, bowiem SRF z odpadów komunalnych może być wykorzystywane jako paliwo zastępcze w cementowniach, elektrowniach czy elektrociepłowniach. Według polskich oraz europejskich aktów prawnych, SRF jest zaliczane do grupy paliw alternatywnych, a jego ściśle unormowane właściwości jakościowe (np. zawartość chloru, rtęci czy wartość opałowa) są opisane w dwóch dokumentach Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego: EN:15357 oraz EN: Wykorzystanie SRF w przemyśle cementowym Bardzo korzystnym ekonomicznie oraz energetycznie przykładem zagospodarowania SRF jest ich współspalanie w piecach cementowych, gdzie sprzyjające warunki panujące w piecu, w tym wysoka temperatura procesu technologicznego ( C) oraz czas przebywania gazów w tej temperaturze nie krótszy niż 10 sekund, gwarantują spełnienie wymagań prawnych w zakresie warunków prowadzenia procesu termicznego przekształcania odpadów. Dodatkowo paliwa wytwarzane z odpadów są znacznie tańsze na rynku (a czasem wręcz

2 X Konferencja Dla miasta i środowiska- Problemy unieszkodliwiania odpadów oferuje się je z dopłatą) niż paliwa pierwotne [3]. Korzyści wynikające z wykorzystywania paliw alternatywnych przekładają się na coraz większe ich zużycie w procesie wypalania klinkieru. Przodującym zakładem w tym względzie jest Zakład Cementownia Chełm należący do CEMEX Polska Sp. z o.o., w którym w roku 2011 zużycie wszelkich paliw alternatywnych wyniosło ponad 318 tys. ton, a udział stałych paliw alternatywnych w bilansie cieplnym pieca cementowego osiągnął 73,5 % (rys. 1-3) [4] ton/rok ,4 296,4 240,2 154,0 124,4 107,0 61,5 25,8 0,2 6,3 6, Lata Rysunek 1. Zużycie paliw alternatywnych w Cementowni Chełm w latach [4] 0,11% 0,09% 0,39% 0,002% 4,60% 18,1% 0,2% paliwa alternatywne stałe mazut osady ściekowe paliwa płynne 2,92% 0,14% 73,5% słoma węgiel Rysunek 2. Struktura zużycia paliw w Zakładzie Cementownia Chełm w roku 2011 [4] Stosowanie paliw alternatywnych typu SRF w instalacji współspalania odpadów, jaką jest piec cementowy, zaliczane jest, zgodnie z załącznikiem nr 5 ustawy o odpadach [5], do procesu R1 (wykorzystanie jako paliwa albo innego środka wytwarzania energii). Do Zakładu Cementownia Chełm paliwa te są dostarczane ciężarówkami z zamontowaną ruchomą podłogą, ułatwiającąą ich wyładunek. Magazyn paliw alternatywnych wyposażony jest w automatyczną suwnicęę podającą odpady do instalacji dozującej, z której trafiają one zabudowanym taśmociągiemm do kalcynatora pieca cementowego, występującym w

3 X Konferencja Dla miasta i środowiska- Problemy unieszkodliwiania odpadów instalacjach piecowych metody suchej z cyklonowymi wymiennikami ciepła przed walczakiem pieca. W kalcynatorze, wyposażonym w dodatkową komorę spalania, zachodzi w odpowiednio wysokich temperaturach proces ich współspalania z paliwem konwencjonalnym (węglem kamiennym), a uzyskiwana energia wykorzystywana jest do produkcji klinkieru. Omawiana instalacja współspalania odpadów spełnia wymogi Dyrektyw: 2000/76/UE i 2010/75/EC [6]. Rysunek 3. Paliwo alternatywne stałe SRF, fot. M. Kasietczuk Wymagania jakościowe dla paliwa alternatywnego stałego (SRF), stanowiącego odpad o kodzie , uwzględniające specyfikę instalacji współspalania odpadów w Zakładzie Cementownia Chełm, zamieszczono w tabeli 1. Tabela 1. Wymagania jakościowe Cementowni Chełm dla paliwa alternatywnego o kodzie [6] Parametr Wartość Rozdrobnienie < 30 mm Wartość opałowa piec > kj/kg, kalcynator > kj/kg Wilgotność < 15% Zawartość chloru < 0,7%, max. 1% Zawartość siarki < 1,0%, max. 1,5% Zawartość popiołu < 15% Zawartość części niepalnych < 5% Zawartość metali ciężkich Hg, Th, Cd < 100 mg/kg Punkt zapłonu > 50ºC Jak wynika z tabeli 1, wartość opałowa paliw alternatywnych stosowanych w piecu cementowym może być i najczęściej jest niższa niż wartość opałowa węgla kamiennego, która wynosi ok. 25 MJ/kg. Wahania kaloryczności współspalanych paliw powodują zmianę temperatury i kształtu płomienia w palenisku. Obniżenie temperatury gazów o 100 C skutkuje zmniejszeniem wydajności energetycznej pieca o ok. 10%, co powoduje wzrost zużycia ciepła o 5% [7]. Stosowanie paliw alternatywnych o mniejszej wartości opałowej wpływa więc na zwiększenie ilości wprowadzanych paliw ogółem do instalacji. W związku z powyższym

4 X Konferencja Dla miasta i środowiska- Problemy unieszkodliwiania odpadów wartość opałowa paliw alternatywach stosowanych w układzie pieca cementowego podlega ścisłemu monitoringowi. Kontrolowane są także inne parametry fizykochemiczne tych paliw, wymienione w tabeli 1, z których część ma pewne znaczenie dla wielkości emisji zanieczyszczeń do powietrza. 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, emisja Mg CO2/Mg produktów emisja kg SO2/Mg produktów emisja kg NOx/Mg produktów emisja kg pyłu/mg produktów Rysunek 4. Wskaźniki emisji określone dla Zakładu Cementownia Chełm w latach [4] W procesie wypalania klinkieru cementowego powstają gazy odlotowe zawierające substancje zanieczyszczające typowe dla procesów spalania, wzbogacone w dwutlenek węgla (CO 2 ) pochodzący dodatkowo z dekarbonizacji węglanów i pyły o charakterze alkalicznym. Spośród zanieczyszczeń gazowych w największych ilościach powstają: dwutlenek siarki (SO 2 ), tlenki azotu (NO x ) i tlenek węgla (CO). Wielkość emisji SO 2 jest związana głównie z zawartością siarki w surowcach i paliwach [8] oraz z alkalicznymi składnikami w piecu (im zawartość alkaliów jest większa, tym większa emisja SO 2 do atmosfery) [9]. Wielkość emisji NO x, CO i pyłu z pieca cementowego nie zależy od ilości stosowanych paliw alternatywnych. Ograniczenie ilości wprowadzanego do pieca chloru czy niektórych metali ciężkich jest spowodowana głównie przyczynami technologicznymi. Emisja do powietrza chlorowodoru (HCl) czy lotnych związków metali jest istotnie ograniczona z powodu silnie alkalicznego środowiska panującego w układzie pieca cementowego. Współspalanie w piecu cementowym dużych ilości odpadów, nawet tych bogatych w chlor, nie przyczynia się także do zwiększenia ilości powstających polichlorowanych dibenzo-p-dioksyn (PCDDs) i dibenzofuranów (PCDFs), których stężenia w emitowanych gazach nie przekraczają poziomu dopuszczalnego, podobnie jak to ma miejsce w przypadku pozostałych substancji zanieczyszczających, dla których są określone standardy emisyjne i prowadzone pomiary ciągłe lub okresowe [10]. Analiza wielkości emisji podstawowych zanieczyszczeń do powietrza z Zakładu

5 X Konferencja Dla miasta i środowiska- Problemy unieszkodliwiania odpadów Cementownia Chełm wskazuje, że wskaźniki emisji uległy nawet pewnemu zmniejszeniu w ostatnich latach, w których zwiększono ilość stosowanych paliw alternatywnych (rys. 4). Wnioski 1. Wykorzystanie stałych paliw wtórnych z odpadów (SRF) w cementowniach i innych zakładach przemysłowych zwiększa poziom odzysku odpadów, co z kolei ma korzystny wpływ na wypełnienie zaleceń UE w zakresie gospodarki odpadami. 2. W nowoczesnych instalacjach współspalania odpadów, do których należy zaliczyć piec cementowy Cementowni Chełm, ścisłej kontroli podlegają parametry fizykochemiczne stosowanych paliw alternatywnych, prowadzone są też ciągłe i okresowe pomiary wielkości emisji zanieczyszczeń do powietrza. 3. Tym samym w tego rodzaju instalacjach możliwe jest współspalanie dużych ilości stałych paliw alternatywnych (z udziałem tych paliw w uzysku ciepła przekraczającym 75 %) przy zachowaniu obowiązujących standardów emisyjnych. 4. Dodatkowe korzyści stosowania paliw SRF w przemyśle cementowym wiążą się z redukcją kosztów pozyskiwania energii do wypału klinkieru i zużycia paliw kopalnych oraz z tym, że nie powstają tutaj trudne do zagospodarowania stałe pozostałości ze spalania odpadów (popioły czy żużle), typowe dla spalarni odpadów. Praca została wykonana w ramach badań statutowych AGH nr Literatura [1] Information Document on EN15359, Solid Recovered Fuels Specifications and Classes, European Recovered Fuel Organisation ( [2] Eurostat - Europejski Urząd Statystyczny, Municipal waste generation and treatment, by type of treatment method ( [3] Cz. Rosik-Dulewska, Aktualny stan gospodarki odpadami w Polsce i perspektywy zmian, w: Polska Inżynieria Środowiska pięć lat po wstąpieniu do Unii Europejskiej, Seria Monografie KIŚ PAN, 60, T. 3, ss (2009). [4] Zakład Cementownia Chełm, Deklaracja Środowiskowa za rok 2011, Cemex Polska Sp. z o.o. ( [5] Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach, Dz. U nr 185, poz z późn. zm. [6] M. Kasietczuk, Cementowania Chełm jako instalacja współspalania odpadów, praca magisterska, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska AGH, Kraków (2011).

6 X Konferencja Dla miasta i środowiska- Problemy unieszkodliwiania odpadów [7] J. Duda, Energetyczne i ekologiczne aspekty wykorzystania odpadów przemysłowych i komunalnych w procesie produkcji cementu, Prace Instytutu Mineralnych Materiałów Budowlanych nr 23, Opole (1998). [8] R. Oleniacz, Współspalanie odpadów w suchym piecu cementowym a emisja dwutlenku siarki i chlorowodoru, w: Współczesne osiągnięcia w ochronie powietrza atmosferycznego (red. A. Musialik-Piotrowska, J.D. Rutkowski), Wyd. PZITS, nr 893, ss , Wrocław (2010). [9] E. Mokrzycki, A. Uliasz-Boheńczyk, Paliwa alternatywne dla przemysłu cementowego, Wydawnictwo IGSMiE PAN, Kraków (2004). [10] R. Oleniacz R., M. Kasietczuk, Wpływ procesu współspalania odpadów w piecu cementowym na jakość powietrza, w: Paliwa z odpadów. Technologie tworzenia i wykorzystania paliw z odpadów (red. A.J. Wandrasz), ss , Wyd. PZITS Oddział Wielkopolski, Poznań (2011).