Sposoby uzdatniania popiołów i żużli zmodyfikowanych w wyniku wdrażania przedsięwzięć ekologicznych

Transkrypt

1 Sposoby uzdatniania popiołów i żużli zmodyfikowanych w wyniku wdrażania przedsięwzięć ekologicznych Sonia Jarema-Suchorowska ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Zakład Ochrony Środowiska Dział Utylizacji Odpadów ssuchorowska@energopomiar.com.pl Barbara Kuczak ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Zakład Ochrony Środowiska Dział Utylizacji Odpadów bkuczak@energopomiar.com.pl ( Energetyka nr 6/2011) Wiele lat badań i doświadczeń nad właściwościami i sposobami zagospodarowania ubocznych produktów spalania (UPS) z energetyki zawodowej pozwoliło na ich masowe wykorzystywanie w wielu dziedzinach. Rynek krajowy przyzwyczaił się do ich stosowania. Przykładowe dane dotyczące bilansu UPS w energetyce w 2008 roku [1] zamieszczono w tabelach 1 i 2. Wynika z nich, że stopień zagospodarowania wytworzonych UPS wynosił 69%, w tym popiołów i żużli (łącznie) aż 88%. Postęp w energetyce niesie z sobą zmiany jakości UPS. Od kilku lat w elektrowniach, w celu ograniczenia emisji dwutlenku węgla, współspala się z węglem różne rodzaje i ilości biomasy. Nowe techniki spalania i odsiarczania spalin spowodowały pojawienie się nowych produktów spalania. Nowe wyzwania niesie z sobą proces odazotowania spalin metodami pierwotnymi, niekatalitycznymi (SNCR) i katalitycznymi (SCR). Normy europejskie i krajowe częściowo przewidują możliwość stosowania popiołów ze współspalania biomasy i określają dla nich wymagania, np. norma PN-EN 450-1:2009 [2]. Jak dotychczas normy nie podają wymagań dla popiołów z kotłów wyposażonych w instalację odazotowania. Można spodziewać się, że w niedalekiej przyszłości rynek wymusi określenie wymagań dla nowych UPS. Można również przewidywać, że nie wszystkie UPS będą spełniały te wymagania. W artykule przedstawiono przewidywany wpływ technik ograniczenia emisji zanieczyszczeń pyłowo-gazowych do powietrza na jakość UPS, a także możliwości przetwarzania UPS na drodze procesów fizykochemicznych pozwalających na uzyskiwanie produktów odpowiednio uzdatnionych do wykorzystania.

2 Jakość UPS w różnych warunkach spalania UPS w przypadku współspalania biomasy Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 roku [3] określa szczegółowy zakres obowiązku uzyskania i przedstawienia Prezesowi Urzędu Regulacji Energetyki do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii. Ilość energii ze źródeł odnawialnych powinna zwiększać się, aby osiągnąć poziomy od 10,4% w latach do 12,9% w 2017 roku. W istniejących obiektach energetyki zawodowej energię ze źródeł odnawialnych można uzyskiwać głównie ze współspalania biomasy. Efektem działania wymienionego rozporządzenia jest spalanie ogromnej ilości paliw uznanych za biomasę. Do nich należą m.in.: mączka mięsno-kostna, biomasa leśna, łuski słonecznika, wytłoki rzepakowe, słoma, rośliny uprawiane jako biomasa, odpady z produkcji rolnej, produkcji celulozy i wiele innych. Zawartość części mineralnych w wymienionych paliwach bywa znacznie zróżnicowana waha się od ułamków procenta do kilkudziesięciu procent. Jakość popiołów z kotłów jest zatem zmodyfikowana zawartością większej lub mniejszej ilości popiołu z paliwa dodatkowego. W ostatnich latach ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. uczestniczył w wielu próbach współspalania węgli i różnego rodzaju biomasy. Współspalano m.in.: słomę, wierzbę, odpady z produkcji rolnej i z produkcji celulozy, które występowały w postaci zrębków, peletów, brykietów, trocin i luzem. Ilość współspalanej biomasy dochodziła do 20%. Próby prowadzano w kotłach bloków energetycznych elektrowni lub elektrociepłowni przy różnych ich obciążeniach. Podczas testów, poza pomiarami stężeń gazów i pyłów w spalinach, pobierano próbki popiołów lotnych i żużli, które poddano badaniom. Wyniki analiz składów chemicznych badanych próbek ze współspalania, na tle charakterystycznych zawartości tych składników w popiołach i żużlach bez współspalania, przedstawiono na rysunkach 1 i 2. Zawartość składników podstawowych w UPS ze współspalania mieściła się w zakresie wartości spotykanych w popiołach i żużlach ze spalania samych węgli kamiennych. Straty prażenia dla większości próbek UPS ze współspalania były wyższe niż dla spalania samego węgla. Ponadto wyższa w popiołach i żużlach ze współspalania była zawartość chlorków

3 i tlenku sodu, czasem związków fosforu. Nie stwierdzono istotnego wpływu współspalania na zawartość pierwiastków śladowych w UPS ani na poziom promieniotwórczości naturalnej. Analizy wyciągów wodnych uzyskanych z wymywania średnich próbek popiołu i żużla ze współspalania nie wykazały przekroczeń najwyższych dopuszczalnych wartości wskaźników zanieczyszczeń szkodliwych dla środowiska wodnego, z wyjątkiem odczynu ph wyższego od dopuszczalnej wartości. Zawartość pozostałych zanieczyszczeń była wielokrotnie niższa od wartości dopuszczalnych. Przeprowadzone badania własności fizykochemicznych popiołów lotnych i żużli, wytworzonych w próbach współspalania węgli z biomasą, pozwalają na zaliczenie ich do grupy odpadów innych niż niebezpieczne. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001 roku w sprawie katalogu odpadów [4] popiół i żużel ze współspalania węgla z biomasą należałoby zaliczyć do: grupy 10 Odpady z procesów termicznych, podgrupy Odpady z elektrowni i innych zakładów energetycznego spalania paliw, rodzaju Żużle, popioły paleniskowe i pyły z kotłów, rodzaju Popioły lotne z węgla. Przy współspalaniu węgla z dużą ilością biomasy i przy wysokiej zawartości popiołu w biomasie, popiół i żużel ze spalenia takiego paliwa może być zakwalifikowany do odpadów: rodzaju Popioły paleniskowe, żużle i pyły z kotłów ze współspalania inne niż wymienione w lub rodzaju Popioły lotne ze współspalania inne niż wymienione w Na podstawie wyników badań własności fizykochemicznych próbek UPS ze współspalania można stwierdzić, że w przypadku ich gospodarczego wykorzystania lub składowania nie nastąpi skażenie środowiska metalami ciężkimi, substancjami promieniotwórczymi czy zanieczyszczeniami biologicznymi. RYSUNEK 1 i 2 Porównując wyniki badań UPS powstałych ze współspalania z wymaganiami określonymi dla popiołów lotnych i żużli, stwierdzono, że popioły i żużle o właściwościach zidentyfikowanych w ramach prowadzonych badań mogą być wykorzystywane na podobnych warunkach, jak popiół i żużel uzyskiwany ze spalania węgla kamiennego.

4 Stosuje się je: popiół lotny i żużel do lokowania w podziemnych wyrobiskach górniczych jako domieszka do materiałów podsadzkowych lub materiałów do podsadzki zestalanej i doszczelniania zrobów, popiół lotny jako dodatek główny lub drugorzędny do produkcji cementów, popiół lotny jako dodatek do betonów, popiół lotny jako składnik podbudów drogowych, pod warunkiem spełnienia wymagań norm, żużel i popiół do zastosowań poza instalacjami i urządzeniami, zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 21 marca 2006 roku w sprawie odzysku lub unieszkodliwiania odpadów poza instalacjami i urządzeniami [5]. UPS w przypadku odsiarczania spalin i spalania fluidalnego Wraz z uruchamianiem instalacji odsiarczania spalin w energetyce pojawiły się produkty odsiarczania spalin. Zawarte w spalinach związki siarki, związane w procesie odsiarczania, znalazły się w UPS w postaci zależnej od zastosowanej metody odsiarczania. Do najbardziej rozpowszechnionych metod odsiarczania stosowanych w energetyce należą technologie wapniowe z wsadem surowcowym: mokra wapienno-gipsowa, półsucha i sucha. Skutecznym sposobem ograniczenia emisji dwutlenku siarki, także tlenków azotu, jest spalanie paliw w paleniskach fluidalnych. Jakość popiołów lotnych przy odsiarczaniu metodą mokrą wapienno-gipsową i metodą półsuchą z reaktorem za urządzeniem odpylającym jest taka sama. Natomiast popioły lotne z instalacji spalania wyposażonych w instalacje odsiarczania metodą półsuchą i suchą z reaktorami umiejscowionymi przed urządzeniem odpylającym są różne; poza minerałami charakterystycznymi dla popiołów klasycznych zawierają: nadmiar sorbentu, nieprzereagowany tlenek wapnia i produkty odsiarczania spalin w ilości do około 25% masy produktu spalania. Podobnie popioły z palenisk fluidalnych, poza składnikami charakterystycznymi dla popiołów, zawierają minerały związane z procesem odsiarczania: siarczan wapnia, nieprzereagowany tlenek wapnia i nadmiar sorbentu. Sposoby gospodarowania tymi odpadami są istotnie różne od zastosowań klasycznych popiołów lotnych i powinny być ustalane indywidualnie dla każdego z nich.

5 UPS w przypadku odazotowania spalin W związku z obowiązywaniem od 1 stycznia 2016 roku znacznie niższego standardu emisyjnego w zakresie tlenków azotu w spalinach dla źródeł o nominalnej mocy cieplnej większej niż 500 MW [6], a także w związku z planowaną implementacją do prawa polskiego dyrektywy unijnej o emisjach przemysłowych, elektrownie zmuszone są dostosować instalacje spalania paliw do tych wymagań. Powstają więc liczne inwestycje w obrębie kotłów, polegające na modernizacjach źródeł spalania w celu wdrożenia metod pierwotnych odazotowania oraz budowie instalacji odazotowania spalin metodami niekatalitycznymi i katalitycznymi. Oznacza to również konsekwencje dla jakości UPS. Najprostsza i najtańsza metoda ograniczenia emisji tlenków azotu (poza spalaniem w kotłach fluidalnych) to kombinacja metod pierwotnych polegających w głównej mierze na zastosowaniu palników niskoemisyjnych, dysz OFA, stopniowaniu powietrza dostarczanego do komory paleniskowej. Skutkuje to znacznym obniżeniem temperatury w kotle i może być przyczyną istotnych różnic właściwości popiołów i żużli, począwszy od zwiększenia strat prażenia, skończywszy na niższej zawartości cząstek stopionych zawartości fazy szklistej, decydującej o aktywności pucolanowej. Metody niekatalityczne, polegające na wtrysku reagenta mocznika lub wody amoniakalnej do instalacji spalania, skutkują obecnością większej lub mniejszej ilości amoniaku w popiele. Jedynie metoda katalityczna z reaktorem za urządzeniem odpylającym, czyli najkosztowniejszy sposób odazotowania spalin, nie powinna mieć wpływu na jakość UPS. Dotychczasowe normy dotyczące zagospodarowania popiołów w różnych kierunkach nie zawierają wymagań dotyczących zawartości amoniaku. Z pewnością nadmiar amoniaku w popiele będzie wywierał wpływ na jego wykorzystywanie w różnych zastosowaniach. Sposoby przetwarzania UPS Uboczne produkty spalania, znacznie zmodyfikowane w wyniku zastosowania różnych przedsięwzięć proekologicznych i dostosowywania się energetyki do zaostrzających się wymagań prawnych, nie będą spełniały wymagań norm, a ich zagospodarowanie wymagać będzie przetwarzania. Wynikiem prac prowadzonych w ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. są określone sposoby przetwarzania UPS przy zastosowaniu technologii: granulacji, suspensji i stabilizatów.

6 Granulaty Granulację UPS prowadzi się w celu: nadania materiałom występującym w postaci drobnoziarnistej form kawałkowych o określonej wytrzymałości mechanicznej, modyfikacji składu chemicznego, ograniczenia wymywalności i pylenia. Cechą charakterystyczną większości UPS, w tym popiołów lotnych z energetyki, jest ich drobne uziarnienie. Ponad 60% masy składu ziarnowego większości popiołów zawiera się w przedziale od 0 do 45 µm. Właściwość ta determinuje możliwość ich wykorzystania jako dodatku do betonów kruszywowych czy betonów komórkowych, jest także warunkiem koniecznym w procesie ich zbrylania metodą granulacji talerzowej lub bębnowej. Jedną z metod zamiany postaci drobnoziarnistej materiałów w kawałkową jest granulacja poprzez otaczanie na ruchomej powierzchni. Proces polega na zbrylaniu, pod wpływem ruchu toczącego, drobin materiału stałego i ciekłego lepiszcza, w większe skupiska zwane granulami. W celu uzyskania trwałych struktur w procesie granulacji drobnoziarniste UPS miesza się ze spoiwami; zachodzące reakcje chemiczne powodują ich zeskalanie. Granulaty odznaczają się kulistym kształtem ziaren, wytrzymałością mechaniczną, równomiernym składem ziarnowym, dobrą sypkością, wyższą od materiałów sypkich gęstością, nie pylą w czasie transportu i składowania. Skład chemiczny granulowanych materiałów można modyfikować, dodając do procesu inne substancje, a uwięzienie związków rozpuszczalnych wewnątrz granul może znacznie ograniczyć ich wymywalność. Metodą granulacji można zestalać uciążliwe dla transportu i składowania szlamy, muły, ścieki, traktując je w procesie jako lepiszcza; można także uzdatniać je tą drogą do zagospodarowania. Rezultatem prac prowadzonych w ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. są technologie otrzymywania z popiołów lotnych pochodzących z palenisk konwencjonalnych granulatów na potrzeby: budownictwa, drogownictwa, podsadzki górniczej, rolnictwa, cementowni, bezpylnego transportu i bezpiecznego składowania. Opracowano także dokumentacje granulatorów talerzowych, na podstawie których uruchomiona została w kraju produkcja tych urządzeń.

7 Na bazie tych doświadczeń powstały m.in. technologie otrzymywania kruszyw granulowanych dla budownictwa i drogownictwa PREGRAN, STARGRAN, EPOGRAN z popiołów lotnych i żużli pochodzących z palenisk konwencjonalnych i fluidalnych. Przykładowe wyniki badań wybranych właściwości kruszywa EPOGRAN wytworzonego z popiołu lotnego i żużla z elektrowni na węgiel kamienny oraz właściwości betonów z tym kruszywem podano w tabelach 3 i 4. Drogą granulacji można otrzymywać materiały podsadzkowe stosowane jako domieszki piasków do podsadzania podziemnych wyrobisk górniczych. W toku badań wypracowano technologie granulowanych materiałów podsadzkowych z popiołów lotnych różnych elektrowni i elektrociepłowni, a także odpadów poflotacyjnych z produkcji miedzi. Granulację prowadzi się w instalacjach, w których podstawowym urządzeniem jest granulator talerzowy lub bębnowy. Stosowane w praktyce przemysłowej granulatory talerzowe o średnicach od 1 do 7,5 metrów osiągają wydajności od kilkuset kilogramów do kilkudziesięciu ton na godzinę, z granulatorów bębnowych o średnicach od 0,4 do 3,6 metrów i długościach bębnów od 1 do 10 metrów można uzyskać od kilkuset kilogramów do 100 ton granulatu w ciągu godziny. Technologia granulacji może być jednym ze sposobów przetwarzania drobnoziarnistych UPS niespełniających wymagań normowych w tradycyjnych kierunkach zastosowań. Suspensje Innym sposobem przetwarzania UPS i nadania im nowych własności użytkowych może być wykonywanie z nich zestalających się suspensji. Pod pojęciem suspensji rozumie się zawiesiny drobnoziarnistych odpadów stałych w cieczy o wysokiej koncentracji fazy stałej (konsystencja stosunek masowy fazy stałej do cieczy mieści się w zakresie od 1,5:1 do 3:1). Suspensje charakteryzują się własnościami reologicznymi, dzięki czemu możliwy jest ich transport hydrauliczny; po docelowym zdeponowaniu zestalają się, wydzielając niewielką ilość wody nadmiarowej. Po zestaleniu uzyskują wytrzymałość, wodoprzepuszczalność i odporność na rozmakanie pozwalające na ich wykorzystanie jako materiału wypełniającego, izolacyjnego lub konstrukcyjnego. Suspensje wykonane z popiołów lotnych i innych UPS charakteryzują się: rozpływem i gęstością pozwalającymi na ich transport hydrauliczny, wodą nadmiarową w ilości nie stwarzającej zagrożenia w miejscu deponowania pod ziemią, korzystnymi własnościami wytrzymałościowymi po zestaleniu,

8 niską wodoprzepuszczalnością, odpornością na rozmakanie, brakiem toksyczności, zgodnie z wymaganiami normy górniczej dla materiałów podsadzkowych (z wyjątkiem podwyższonego ph). Przykładowe wyniki badań wybranych właściwości suspensji wytworzonej z popiołu lotnego z elektrowni na węgiel kamienny (z dodatkami wiążącymi) podano w tabeli 5. W ostatnich latach technologię suspensji zastosowano np. w jednej z większych elektrowni pracującej na węglu brunatnym. Uruchomiona została instalacja pozwalająca na przetwarzanie popiołu lotnego i żużla do postaci suspensji, przetłaczanej metodą hydrauliczną do odległego o 6 kilometrów wyrobiska pogórniczego. W czasie jednego do dwóch dni po zdeponowaniu suspensji w wyrobisku następuje całkowite zestalenie materiału, a wytrzymałość zestalonej suspensji na ściskanie osiąga wartość ponad 7 MPa. Wodoprzepuszczalność zdeponowanej suspensji, oznaczana metodą rurki Kamieńskiego, jest rzędu do 0 metrów na sekundę. Technologia suspensji może być jedną z metod przetwarzania UPS niespełniających wymagań norm. Stabilizaty Metodą przetwarzania ubocznych produktów spalania na materiał konstrukcyjnoizolacyjny, przydatny do robót inżynieryjnych, jest wykonywanie z nich tak zwanych stabilizatów. Stabilizaty to mieszaniny odpadów drobnoziarnistych, najczęściej popiołu lotnego, produktów odsiarczania spalin, które przy odpowiedniej wilgotności i po zagęszczeniu stabilizują się, uzyskując wytrzymałość mechaniczną, niską wodoprzepuszczalność i odporność na rozmakanie. Prowadzone badania pozwoliły na ustalenie optymalnych składów mieszanin na bazie popiołu i żużla z węgla brunatnego, gipsu poreakcyjnego i ścieków elektrownianych, a także stabilizatów z popiołów pochodzących z kotłów fluidalnych. Po odpowiednim uformowaniu i zagęszczeniu mieszaniny te charakteryzowały się: znaczną wytrzymałością na ściskanie, niską wodoprzepuszczalnością, podatnością na zagęszczanie, odpornością na rozmakanie, wysoką odpornością na erozję wietrzną.

9 Przykładowe wyniki badań wybranych właściwości stabilizatów podano w tabeli 6. Mieszaniny takie mogą być wykorzystywane do niwelacji terenów zdegradowanych, np. wypełniania wyrobisk po eksploatacji węgla i innych surowców mineralnych. Mogą być także wykorzystywane w budowie nasypów, do izolacji i stabilizacji gruntów. Praktyczne zastosowanie znalazło rozwiązanie wytwarzania mieszaniny popiołów i produktu odsiarczania metodą półsuchą. Od 1999 roku stabilizat na bazie produktu odsiarczania z elektrociepłowni jest wykorzystywany do rekultywacji terenów zdegradowanych. Technologia stabilizacji może być również z powodzeniem wykorzystana do przetwarzania UPS niespełniających wymagań norm. Podsumowanie Postęp w energetyce, związany z wdrażaniem prawa, niesie z sobą zmiany jakości ubocznych produktów spalania. W wyniku współspalania biomasy i odazotowania spalin w najbliższych latach należy się spodziewać UPS o zmienionych właściwościach. Nie wszystkie UPS z tych procesów będą mogły znaleźć zastosowanie w tradycyjnych kierunkach wykorzystania UPS. Skutecznymi metodami przetwarzania UPS niespełniających wymagań norm mogą być technologie granulacji, suspensji i stabilizacji. Wyniki badań prowadzonych w ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. wskazują na możliwości przetwarzania UPS na kruszywa przydatne dla budownictwa, drogownictwa i górnictwa. Suspensje i stabilizaty mogą być wykorzystywane do różnych robót ziemnych, w tym wypełniania terenów zdegradowanych, modyfikacji rzeźby tereny, podbudów budowli, izolacji i stabilizacji gruntów itp. Pełną wersję artykułu z tabelami i rysunkami można pobrać w formie e-booka LITERATURA [1] Emisja zanieczyszczeń środowiska w elektrowniach i elektrociepłowniach zawodowych, Agencja Rynku Energii S.A., EMITOR, Warszawa [2] PN-EN 550-1:2009: Popiół lotny do betonu, Część 1. Definicje, wymagania i kryteria zgodności.

10 [3] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 roku w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej oraz zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii, Dz.U. Nr 156, poz. 969, ze zm. [4] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001 roku w sprawie katalogu odpadów, Dz.U. Nr 112, poz [5] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 21 marca 2006 roku w sprawie odzysku lub unieszkodliwiania odpadów poza instalacjami i urządzeniami, Dz.U. Nr 49, poz [6] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2005 roku w sprawie standardów emisyjnych z instalacji, Dz.U. Nr 260, poz. 2181, ze zm. [7] Wyniki prac realizowanych w ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Gliwice (niepubl.).