Próba odzysku popio³ów lotnych i u li z instalacji termicznego przekszta³cania odpadów jako kruszywa sztucznego

Transkrypt

1 GOSPODARKA SUROWCAMI MINERALNYMI Tom Zeszyt 3/3 WALDEMAR KÊPYS* Próba odzysku popio³ów lotnych i u li z instalacji termicznego przekszta³cania odpadów jako kruszywa sztucznego Wprowadzenie Termiczne przekszta³canie odpadów rozumiane najczêœciej jako spalanie (Ustawa o odpadach 2001) prowadzone jest w instalacjach specjalnie do tego przystosowanych, spe³niaj¹cych wymogi ochrony œrodowiska. Ma ono na celu zredukowanie iloœci sk³adowanych odpadów na sk³adowiskach, co wp³ywa na przed³u enie ich ywotnoœci, a dodatkowo pozwala na wytworzenie energii elektrycznej i cieplnej (Bendkowski, Wengierek 2004; Giugliano i in. 2008; Lipiñska 2003; Neterowicz 2008; Oleszczuk 2002; Paj¹k 2008; Redes i in. 2004; Saxena, Jotshi 1996). Jednak w wyniku procesu spalania powstaj¹ sta³e odpady w postaci popio³ów lotnych i u li, które w swoim sk³adzie czêsto zawieraj¹ metale ciê kie, co powoduje, e s¹ one klasyfikowane jako odpady niebezpieczne (Bakoglu i in. 2003; Francis, Criado 2007; Geum-Ju i in. 2004; Jung i in. 2004; Lipiñska 2003; Min i in. 2004; Rozp. Min. Œrod. w sprawie katalogu odpadów 2001; Wis³a-Walsh i in. 2006). W wiêkszoœci s¹ one unieszkodliwiane poprzez sk³adowanie, choæ coraz czêœciej pojawiaj¹ siê przyk³ady ich wykorzystania poprzez m.in. topienie, spiekanie lub zestalanie/stabilizacjê (Bendkowski, Wengierek 2004; Brereton 1996; Haugstena Kjell, Gustavson 2000; Kavouras i in. 2003; Kordylewski 2003; Mangialardi 2003, 2001; Mas³owski 2004; Nabajyoti 2007; Oleszczuk 2002; Shimaoka 2007). W artykule przedstawiono próbê wykorzystania popio³ów lotnych i u li powstaj¹cych w instalacjach spalania odpadów komunalnych i niebezpiecznych, poprzez ich granulacjê. Granulacja ma za zadanie wytworzenie z odpadów drobnoziarnistych form zbrylonych o odpowiednich w³aœciwoœciach mechanicznych przy równoczesnej modyfikacji w³aœci- * Mgr in., Wydzia³ Górnictwa i Geoin ynierii, Katedra Ekologii Terenów Przemys³owych AGH, Kraków; kepys@agh.edu.pl

2 150 woœci chemicznych odpadów tak, aby zapewniæ ich wykorzystanie (Iveson 2001; Kal 2003). Otrzymane granulaty zosta³y poddane badaniom pod k¹tem wykorzystania ich jako kruszywa sztucznego wed³ug Polskiej Normy PN-EN Wyniki badañ wybranych w³aœciwoœci zosta³y przedstawione w niniejszym artykule. 1. Materia³y i metodyka badañ Jak ju wspomniano we wstêpie, granulaty zosta³y wytworzone z popio³ów i u li pochodz¹cych z instalacji do spalania odpadów komunalnych i niebezpiecznych. W instalacji do spalania odpadów komunalnych powstaje u el oraz dwa rodzaje popio³ów: popió³ z filtrów workowych oraz popió³ z za kot³a odzysknicowego. Do granulacji zosta³y pobrane próby popio³ów oznaczone nastêpuj¹cymi symbolami: popió³ z filtrów workowych oznaczony jako A, popió³ z za kot³a odzysknicowego oznaczony jako B. Nie pobierano prób u la z uwagi na to, e jest to odpad obojêtny, obecnie wykorzystywany. Natomiast pozosta³oœci¹ procesu spalania odpadów niebezpiecznych jest popió³ lotny oznaczony jako C oraz u el oznaczony jako D. Odpady przed procesem granulacji wymaga³y odpowiedniego przygotowania: popio³y z instalacji spalania odpadów komunalnych by³y mieszane w stosunku wagowym popió³ z filtrów workowych A do popio³u z za kot³a odzysknicowego B równym 4:1 (wynika to z procesu technologicznego); u el z instalacji do spalania odpadów niebezpiecznych z uwagi na jego znaczn¹ wilgotnoœæ (ok. 20%), rozmiar ziaren (do 16 mm) oraz zawartoœæ frakcji magnetycznej by³ poddany nastêpuj¹cym procesom: suszeniu, separacji magnetycznej oraz rozdrabnianiu poni ej 2 mm. Tak przygotowany u el D by³ mieszany z popio³em lotnym C w stosunku wagowym wynosz¹cym odpowiednio 3:1. Granulacje prowadzono na laboratoryjnym granulatorze talerzowym z wysok¹ burt¹ o œrednicy 400 mm, k¹cie pochylenia 30 i przy ustalonej prêdkoœci obrotowej 30 obr/min. Po wymieszaniu odpadów dodawano cementu portlandzkiego wielosk³adnikowego (CEM II B-M (V-LL) 32,5R) jako lepiszcza w iloœci 30% wagowych w stosunku do masy poszczególnych mieszanin. W czasie granulacji podawano w sposób ci¹g³y wodê w celu wytworzenia granulatu. Granulaty oznaczono nastêpuj¹cymi symbolami: GAB granulat z popio³ów pochodz¹cych ze spalania odpadów komunalnych, GCD granulat z popio³u i u la ze spalania odpadów niebezpiecznych. Otrzymane granulaty sezonowano przez 28 dni w warunkach powietrzno-suchych, po up³ywie których granulaty poddano badaniom opieraj¹c siê na wymogach normy PN-EN Okreœlono nastêpuj¹ce w³aœciwoœci: sk³ad ziarnowy za pomoc¹ analizy sitowej; wilgotnoœæ, gêstoœæ w³aœciw¹ (za pomoc¹ piknometru helowego Micrometrics 1305), gêstoœæ nasypow¹, gêstoœæ objêtoœciow¹, nasi¹kliwoœæ, wskaÿnik p³askoœci;

3 wytrzyma³oœæ na œciskanie po 1, 4, 11, 28, 40 i 90 dobach sezonowania (za pomoc¹ aparatu Zwick); wymywalnoœæ zanieczyszczeñ chemicznych (analiza jonów za pomoc¹ ICP-AES, ICP-MS). Wykorzystuj¹c granulaty sporz¹dzano mieszanki betonowe, a po 28 dniach od sporz¹dzenia badano ich wytrzyma³oœæ na œciskanie Wyniki badañ Sk³ad ziarnowy otrzymanych granulatów przedstawiono na rysunku 1. Najwiêksze granule mia³y œrednicê dochodz¹c¹ do 32 mm. Przy porównywaniu sk³adów otrzymanych granulatów widoczna jest wiêksza zawartoœæ frakcji najgrubszej 31,5 16 mm w granulacie GAB (31%) ni w granulacie GCD (23%). Udzia³ frakcji 16 8 mm wyniós³ 38% (dla GAB) i 49% (dla GCD), frakcji 8 4 mm odpowiednio 17 i 19% i frakcji 4 2 mm odpowiednio 13 i 8%. Zawartoœæ frakcji najmniejszej, poni ej 2 mm wynios³a w obu granulatach oko³o 1% wychód [%] wielkoœæ granulek [mm] granulat GCD granulat GAB Rys. 1. Krzywe ziarnowe otrzymanych granulatów Fig. 1. Grain size distribution of obtained granulates Nale y wspomnieæ, e granulacjê w zale noœci od parametrów konstrukcyjnych granulatora (wysokoœæ burty, prêdkoœæ obrotowa, k¹t nachylenia), czasu granulacji, mo na tak prowadziæ, aby otrzymaæ ¹dan¹ wielkoœæ granulatów (Pietsch 1991). Granulki w trakcie granulacji przedstawiono na fotografii 1.

4 152 Fot. 1. Widok powstaj¹cego granulatu Photo. 1. View of obtained granulate Na rysunku 2 przedstawiono wyniki badania wytrzyma³oœci na œciskanie granulatów (o œrednicy 10 mm) wykonywane w czasie sezonowania. Jak widaæ na rysunku, zastosowanie cementu w iloœci 30% w stosunku do granulowanej mieszaniny odpadów pozwala wy wytrzyma³oœæ na œciskanie [N/gran] czas [doba] granulat GAB granulat GCD Rys. 2. Wytrzyma³oœæ na œciskanie granulatu Fig. 2. Granulate compression strength

5 153 tworzyæ granulaty o wytrzyma³oœci dochodz¹cej po 90 dobach do wartoœci oko³o 600 N/gran. GCD i oko³o 350 N/gran GAB. W trakcie dojrzewania granulatów zauwa yæ mo na, e w pocz¹tkowym okresie nast¹pi³ gwa³towny przyrost wytrzyma³oœci i po osi¹gniêciu lokalnego maksimum (po dobie) nast¹pi³o zmniejszenie siê ich wytrzyma³oœci, a nastêpnie ponowny wzrost. W tabeli 1 przedstawiono wyniki badañ wybranych w³aœciwoœci fizycznych granulatów przeprowadzonych na podstawie stosownych norm wymienionych w PN-EN Miêdzy otrzymanymi kruszywami widoczna jest wyraÿna ró nica w ich nasi¹kliwoœci, wynosz¹cej 18,9% dla GAB i 5,7% dla GCD. Kruszywo z odpadów pochodz¹cych ze spalarni odpadów niebezpiecznych wykazuje tak e wiêksz¹ gêstoœæ w³aœciw¹. W³aœciwoœci fizyczne otrzymanych granulatów Physical properties of obtained granulates TABELA 1 TABLE 1 Rodzaj granulatu Wilgotnoœæ [%] Gêstoœæ w³aœciwa [Mg/m 3 ] Gêstoœæ objêtoœciowa [Mg/m 3 ] Gêstoœæ nasypowa [Mg/m 3 ] Nasi¹kliwoœæ [%] WskaŸnik p³askoœci GAB 6,2 2,400 1,643 0,73 0,81 18,9 2 GCD 7,3 2,555 2,235 0,92 1,01 5,7 2 Wymywalnoœæ wybranych jonów z granulatów oraz wartoœæ ph eluatów przedstawiono w tabeli 2. Wytworzone granulaty posiada³y odczyn alkaliczny, nale y zwróciæ tak e uwagê na wysok¹ zawartoœæ chlorków i siarczanów, która wp³ywa na mo liwoœæ zastosowania takiego granulatu jako kruszywa, nale y jednak braæ pod uwagê ma³¹ gêstoœæ nasypow¹ kruszywa w stanie luÿnym, co zaleca norma PN-EN WskaŸnik lub rodzaj zanieczyszczenia Wymywalnoœæ zanieczyszczeñ z badanych granulatów Granulat GAB Leaching tests of researched granulates Granulat GCD WskaŸnik lub rodzaj zanieczyszczenia Granulat GAB TABELA 2 TABLE 2 Granulat GCD [mg/dm 3 ] [mg/dm 3 ] ph 11,19 11,86 Kadm < 0,001 0,65 Wapñ O³ów 0,02 0,01 Potas Rtêæ 0,01 0,17 Sód Nikiel 0,007 < 0,001 Cynk 0,01 0,39 MiedŸ 0,01 0,02 elazo 0,02 0,17 Siarczany Chrom 0,05 0,21 Chlorki

6 154 Po 28 dniach sezonowania granulatów sporz¹dzono z nich mieszanki betonowe, a nastêpnie stwardnia³y beton poddano badaniu wytrzyma³oœci na œciskanie. Sk³adniki mieszanek betonowych w kg w przeliczeniu na m 3 zarobu oraz wyniki wytrzyma³oœci na œciskanie przedstawiono w tabeli 3. Przy sporz¹dzaniu mieszanek u yto granulaty bez uprzedniego ich namoczenia, mieszanki betonowe zagêszczano rêcznie w formach szeœciennych. Wykorzystanie granulatów pozwoli³o na wytworzenie betonów o wytrzyma³oœci na œciskanie po 28 dniach sezonowania, wynosz¹cej 9,5 MPa (dla granulatu GAB) oraz 11,3 MPa (dla granulatu GCD). W celu zwiêkszenia wytrzyma³oœci betonów konieczne jest wytworzenie bardziej wytrzyma³ego granulatu i/lub korekta sk³adu mieszanki betonowej. TABELA 3 Sk³ady mieszanek betonowych [kg/m 3 zarobu] oraz wytrzyma³oœæ na œciskanie otrzymanego betonu [MPa] TABLE 3 Composition of concrete mixture [kg/m 3 ] and compression strength of obtained concrete [MPa] Sk³adniki betonu Beton z granulatem GAB Beton z granulatem GCD Piasek 0 2 mm Granulat: wtym: 2 4 mm 4 8 mm 8 16 mm Cement CEM II B-M (V-LL) 32,5R Woda Wytrzyma³oœæ na œciskanie [MPa] 9,5 11,3 Podsumowanie Z przedstawionych badañ wynika, e istnieje mo liwoœæ wytworzenia granulatu z popio³ów i u li pochodz¹cych ze spalania odpadów komunalnych, jak i z odpadów niebezpiecznych. Zastosowanie cementu jako lepiszcza drobnoziarnistych odpadów mia³o na celu nadanie otrzymanym granulatom odpowiedniej wytrzyma³oœci (solidyfikacja) oraz stabilizacjê immobilizacjê wielu jonów. Jak pokaza³y wstêpne badania, otrzymane granulaty charakteryzowa³y siê wysok¹ wymywalnoœci¹ jonów chlorkowych (granulat GAB z popio³ów ze spalarni odpadów komunalnych) lub siarczanowych (granulat GCD z popio³ów i u li ze spalarni odpadów niebezpiecznych). Mo e to prowadziæ do wyst¹pienia korozji w wytworzonych betonach, a co za tym idzie granulat taki nie móg³by byæ zastosowany jako kruszywo. Wobec tego celowa jest zmiana iloœci lepiszcza lub/i jego rodzaju do wytworzenia granulatu, a tak e zastosowanie dodatku powoduj¹cego zmniejszenie wymywalnoœci zanieczyszczeñ chemicznych z granulatów. Artyku³ powsta³ w ramach prac statutowych nr oraz nr

7 155 LITERATURA Bakoglu M., Karademir A., Ayberk S., 2003 Partitioning characteristics of targeted heavy metals in IZAYDAS hazardous waste incinerator. Journal of Hazardous Materials B99, p Bendkowski J., Wengierek M., 2004 Logistyka odpadów. Tom II obiekty gospodarki odpadami. Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Œl¹skiej. B r e r e t o n C., 1996 Municipal solid waste incineration, air pollution control and ash management. Resources, Conservation and Recycling, 16, p Ferreira C.,Ribeiro A.,Ottosen L.,2003 Possibleapplications for municipal solid waste fly ash. Journal of Hazardous Materials B96, p F r a n c o i s D., C r i a d o C., 2007 Monitoring of leachate at a test road using treated fly ash from municipal solid waste incinerator. Journal of Hazardous Materials B139, p Geum-Ju S.,Ki-Heon K.,Yong-Chil S.,Sam-Cwan K.,2004 Characteristics of ashes from different locations at the MSW incinerator equipped with various air pollution control devices. Waste Management 24, G i u g l i a n o M., G r o s s o M., L i g a m o n t i R., 2008 Energy recovery from municipal waste: A case study for a middle-sized Italian district. Waste Management 28, p H a u g s t e n a K.E., G u s t a v s o n B., 2000 Environmental properties of vitrified fly ash from hazardous and municipal waste incineration. Waste Management 20, p Iveson S.M.,Litster J.D.,Hapgood K.,Ennis B.J.,2001 Nucleation,growthandbreakagephenomena in agitated wet granulation processes: a review. Powder Technology 117, p J u n g C.H., M a t s u t o T., T a n a k a N., O k a d a T., 2004 Metal distribution in incineration residues of municipal solid waste (MSW) in Japan. Waste Management 24, p K a l V.S. Sastry, P r a s a n n a r a o D., C e t i n H., 2003 Investigation of the layering mechanism of agglomerate growth during drum pelletization. Powder Technology 130, p Kavouras P., Kaimakamis G., Ioannidis Th.A., Kehagias Th., Komninou Ph., Kokkou S., Pavlidou E.,Antonopoulos I.,Sofoniou M.,Zouboulis A.,Hadjiantoniou C.P.,Nouet G., Prakouras A., Karakostas Th., 2003 Vitrification of lead-rich solid ashes from incineration of hazardous industrial wastes. Waste Management 23, p K o r d y l e w s k i W., Z a c h a r c z u k W., K a s p r z y k K., 2003 Modyfikacja popio³u i u la metod¹ witryfikacji. Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów vol. 37, nr 3, str L i p i ñ s k a E.J., 2003 Gospodarka odpadami. Prace Naukowo-Dydaktyczne Pañstwowej Wy szej Szko³y Zawodowej w Kroœnie, Zeszyt 3. M a n g i a l a r d i T., 2003 Disposal of MSWI fly ash through a combined washing-immobilisation process. Journal of Hazardous Materials B98, p M a n g i a l a r d T., 2001 Sintering of MSW fly ash for reuse as a concrete aggregate. Journal of Hazardous Materials B87, p M a s ³ o w s k i D., 2004 Sposoby zagospodarowania produktów spalania. VIII Konferencja Naukowo-Techniczna Procesy termiczne w gospodarce odpadami w regionach przyrodniczo-cennych, Poznañ, s M i n L., J u n X., S o n g H., L u - S h i S., S h e n g S., P e i - S h e n g L., X u e - X i n S., 2004 Characterization of solid residues from municipal solid waste incinerator. Fuel 83, p N a b a j y o t i S., S h i g e r u K., T o s h i n o r i K., 2007 Production of cement clinkers from municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash. Waste Management 27, p N e t e r o w i c z J., 2008 Przyk³adowe wykorzystanie energii z ZTPO w krajach skandynawskich. Materia³y konferencyjne Wykorzystanie energii z zak³adów termicznego przekszta³cania odpadów komunalnych w systemach ciep³owniczych i energetycznych, 3 4 kwietnia, Kraków. Oleszczuk P., 2002 Unieszkodliwianie odpadów niebezpiecznych z zastosowaniem procesów obróbki fizyczno-chemicznej. Cz. I. Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów vol. 36, nr 3, str Oleszczuk P.,2002 Unieszkodliwianieodpadówniebezpiecznych technikami chemicznymi i fizycznymi. Cz. II. Zestalanie odpadów niebezpiecznych z wykorzystaniem cementu. Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów vol. 36, nr 4, str

8 156 P a j ¹ k T., 2008 Zak³ad termicznego przekszta³cania odpadów komunalnych, jako Ÿród³o u ytecznej i zielonej energii dla wytwórców odpadów. Materia³y konferencyjne Wykorzystanie energii z zak³adów termicznego przekszta³cania odpadów komunalnych w systemach ciep³owniczych i energetycznych, 3 4 kwietnia, Kraków. P i e t s c h W., 1991 Size enlargement by agglomeration. New York, John Wiley and Sons Inc. Polska Norma PN-EN Kruszywa lekkie. Czêœæ 1: Kruszywa lekkie do betonu, zaprawy i rzadkiej zaprawy. R e d e s M., Z a b a w a S., K a d a r o w s k a B., 2004 Termiczne unieszkodliwianie odpadów komunalnych w warunkach krajowych. VIII Konferencja Naukowo-Techniczna Procesy termiczne w gospodarce odpadami w regionach przyrodniczo-cennych, Poznañ, str Rozporz¹dzenie Ministra Œrodowiska z dnia 27 wrzeœnia 2001 r. w sprawie katalogu odpadów. S a x e n a S.C., J o t s h i C. K., 1996 Management and Combustion of Hazardous Wastes. Prog. Energy Combust. Sci. 22, S h i m a o k a T., Z h a n g R., W a t a n a b e K., 2007 Alterations of municipal solid waste incineration residues in a landfill. Waste Management 27, p Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach. W i s ³ a - W a l s h E., K ê p y s W., P i o t r o w s k i Z., 2006 Charakterystyka produktów sta³ych powstaj¹cych w czasie spalania odpadów niebezpiecznych. Czêœæ I: Popio³y lotne. Gospodarka Surowcami Mineralnymi t. 22, z. 3, str W i s ³ a - W a l s h E., K ê p y s W., P i o t r o w s k i Z., 2006 Charakterystyka produktów sta³ych powstaj¹cych w czasie spalania odpadów niebezpiecznych. Czêœæ II: u le. Gospodarka Surowcami Mineralnymi t. 22, z. 3, str PRÓBA ODZYSKU POPIO ÓW LOTNYCH I U LI Z INSTALACJI TERMICZNEGO PRZEKSZTA CANIA ODPADÓW JAKO KRUSZYWA SZTUCZNEGO S³owa kluczowe Kruszywa sztuczne, popio³y lotne i u le, termiczne przekszta³canie odpadów Streszczenie W wyniku termicznego przekszta³cania odpadów powstaj¹ popio³y lotne i u le, które w wiêkszoœci poddawane s¹ sk³adowaniu. W celu odzysku takich odpadów, wykorzystuj¹c proces granulacji podjêto próbê wytworzenia z nich kruszyw sztucznych. W artykule przedstawiono wyniki badañ wybranych w³aœciwoœci fizykochemicznych kruszyw powsta³ych z popio³ów lotnych i u li, pochodz¹cych ze spalania odpadów komunalnych i niebezpiecznych. TRIAL OF RECOVERY OF FLY ASH AND BOTTOM ASH FROM THERMAL TREATMENT OF WASTES AS ARTIFICIAL AGGREGATES Key words Artificial aggregates, fly ashes and bottom ashes, thermal treatment of wastes Abstract Solid residues (fly ashes and bottom ashes) are formed as a result of thermal treatment of municipal solid and hazardous wastes. Most of them are landfill disposed. Thus, to reuse them, artificial aggregates have been tried to be produced by granulation. The aim of this paper is to present results of selected research chemical and physical properties of such artificial aggregates.