DIM-WASTE. Termiczna metoda przekształcania osadów ściekowych i krzemionki odpadowej w lekkie kruszywa dla budownictwa

Transkrypt

1 Więcej informacji: Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego ul. Racjonalizacji 6/ Warszawa DIM-WASTE Termiczna metoda przekształcania osadów ściekowych i krzemionki odpadowej w lekkie kruszywa dla budownictwa Koordynator projektu: tel.: r.podgorzak@imbigs.pl

2

3 Nowa energooszczędna metoda otrzymywania kruszywa lekkiego z odpadów komunalnych i przemysłowych polega na: Wymagania jakościowe wyrobu odpowiednim przygotowaniu mieszaniny surowców odpadowych i jej uformowaniu w postać granul o pożądanej wielkości; spiekaniu otrzymanych granul dla uzyskania produktu o właściwościach kruszywa lekkiego w temperaturze poniżej 1200 C. Uwzględniając fakt, że osady ściekowe w trakcie wypalania wytwarzają gazy, podstawowym warunkiem działania takiej linii jest połączenie operacji termicznych z systemem oczyszczania gazów poreakcyjnych, zgodnie z obowiązującym przepisami prawa. Instalacja termicznego zagospodarowania odpadów musi spełniać bardzo rygorystyczne wymagania dotyczące wielkości emisji, znacznie ostrzejsze niż w spalarniach paliw tradycyjnych. Oznacza to, że tradycyjne wytwórnie kruszyw lekkich z surowców naturalnych znacznie bardziej zanieczyszczają powietrze, niż planowana produkcja kruszyw lekkich z odpadów. Nowe kruszywo lekkie, w którym porowatość wyrobu została zapewniona przez wypalenie osadów ściekowych, zbudowane będzie głównie z krzemionki i krzemianów powstałych ze składników mineralnych obecnych w osadach ściekowych. Bardzo ważną cechą opracowanej metody jest fakt, że także związki metali ciężkich obecnych w surowcach odpadowych tworzą w proponowanym procesie odpowiednie krzemiany, a więc związki powszechnie występujące w przyrodzie, bardzo odporne chemicznie i stabilne w warunkach środowiska naturalnego. Aby z takich krzemianów uwolnić metale ciężkie, należałoby je poddać działaniu bardzo silnych środków chemicznych w warunkach wysokiej temperatury, co oczywiście nie ma miejsca podczas zwykłego użytkowania wytworzonych wyrobów budowlanych. Nie ma zatem niebezpieczeństwa ich wymywania i migracji do otoczenia, nawet podczas rozkruszania lub obróbki metodami mechanicznymi. Warunkiem podstawowym zakwalifikowania produktu otrzymanego w opisywanej technologii jako wyrobu budowlanego jest jego bezpieczeństwo dla zdrowia i życia człowieka oraz dla środowiska naturalnego. Wytworzone z odpadów kruszywa lekkie według opisanej metody zostały poddane badaniom: w zakresie ich bezpieczeństwa ekologicznego (wymywalność związków metali ciężkich według PN-EN :2002, PN-EN 1233: 2000, PN-EN ISO8288: 2002) oraz podstawowych właściwości fizyko-mechanicznych (gęstość nasypowa w stanie luźnym według PN-EN :2000, nasiąkliwość według PN-EN :2002). Badania przeprowadzone w akredytowanym przez PCA nr AB 049 laboratorium IMBiGS potwierdziły, że zastosowanie syntezy termicznej osadów ściekowych i odpadów mineralnych pozwala uzyskać bezpieczny produkt handlowy lekkie kruszywo, które może być stosowane jako zamiennik keramzytu. Realizacja projektu DIM-WASTE umożliwi potwierdzenie opracowanej technologii w skali technicznej. Produktem końcowym opracowanej metody jest lekkie kruszywo, stabilne w czasie przechowywania i stosowania. Jego właściwości są analogiczne do właściwości innego kruszywa lekkiego keramzytu, otrzymywanego z surowców naturalnych. 6 7

4 Innowacyjność technologii Założenia technologiczne Opracowane przez IMBiGS metoda otrzymywania bezpiecznych kruszyw lekkich wyłącznie z surowców odpadowych, przede wszystkim pyłów krzemionki i osadów ściekowych, jest rozwiązaniem nowatorskim w skali światowej. Metoda oparta jest na reakcji syntezy termicznej składników w fazie stałej, w wyniku syntezy powstaje produkt o nowych właściwościach, ponieważ reakcja zachodzi na poziomie cząsteczkowym. W trakcie opisywanej reakcji także przekształcenie substancji szkodliwych (w tym związków metali ciężkich) zachodzi na poziomie cząsteczkowym, co powoduje, że tego rodzaju stabilizacja substancji niebezpiecznych jest znacznie bezpieczniejsza dla środowiska naturalnego, niż stosowana w spalarniach osadów ściekowych cementyzacja popiołów, w której substancje niebezpieczne są jedynie powierzchniowo otoczkowane. Efekt ekologiczny reakcji syntezy termicznej odpadów w fazie stałej jest analogiczny do ich zeszkliwienia (witryfikacji), ale jest osiągnięty w temperaturze o ponad 400 C niższej, co decydująco wpływa na koszty niezbędnej stabilizacji substancji szkodliwych. Efekt jakościowy nowej technologii otrzymany w wyniku reakcji produktu handlowego o korzystnych właściwościach jest związany z wyborem krzemionki, a właściwie pyłów krzemionkowych o bardzo drobnym uziarnieniu jako podstawowego surowca. Pył krzemionkowy, użyty jako składnik podstawowy w produkcji lekkiego kruszywa, nie wymaga dodatkowego przygotowania, a w warunkach reakcji syntezy termicznej tworzy bardzo trwałą strukturę, w którą wbudowują się także krzemiany powstające przez reakcje związków nieorganicznych (w tym związków metali ciężkich) występujących jako zanieczyszczania osadów ściekowych i samej krzemionki. Ważnym elementem nowej technologii jest obniżenie temperatury powstawania kruszywa lekkiego poprzez zastosowanie odpowiedniego topnika. W prezentowanej technologii efekt ten osiągnięto stosując jako topnik mieszane odpady szklane, powstające zarówno w trakcie operacji przemy- Otrzymywane według proponowanej technologii kruszywo lekkie wykorzystuje jako surowce wyjściowe głównie dwa rodzaje odpadów: pyły krzemionkowe tworzące strukturę podstawową nowego kruszywa lekkiego; osady ściekowe, które są składnikiem wytwarzającym porowatość w kruszywie. Krzemionka zastosowana w procesie syntezy termicznej kruszyw jest odpadem powstającym podczas produkcji kruszyw naturalnych i obecnie niewykorzystywanym gospodarczo (wyłącznie składowanym), ze względu na wielkość ziaren. Natomiast w opracowanej metodzie mały rozmiar ziaren jest cechą niezwykle pożądaną, ponieważ reakcja syntezy termicznej w fazie stałej jest bardziej efektywna przy dużym rozwinięciu powierzchni surowców. Osady ściekowe, drugi podstawowy składnik metody wytwarzania sztucznego kruszywa lekkiego, mogą w tej technologii być używane w takiej postaci, w jakiej są wytwarzane na końcu procesu oczyszczania ścieków, to znaczy zagęszczone wyłącznie metodami mechanicznymi, bez konieczności stosowania procesu termicznego osuszania. Jest to istotna różnica w porównaniu ze spalarniami, które przyjmują do zagospodarowania wyłącznie suche osady ściekowe. Proponowana technologia łączy grupy odpadów w jednym procesie zagospodarowania, wykorzystuje ich specyficzne właściwości do realizacji procesu termicznego wytwarzania nowego rodzaju lekkiego kruszywa w temperaturze nie wyższej niż 1200 C, osiągając jednocześnie takie bezpieczeństwo ekologiczne wyrobu, jakie dotychczas osiągano w temperaturach o ponad 400 C wyższych w procesach witryfikacji. 8 5

5 Opracowana w Instytucie Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego nowa metoda zagospodarowania osadów ściekowych oparta została na założeniu, że celowe jest włączenie ich w termiczny proces wytwarzania sztucznych kruszyw na bazie surowców odpadowych, w wyniku którego wytworzony zostaje produkt handlowy wyrób budowlany do szerokiego zastosowania gospodarczego, spełniający wszelkie wymagania bezpieczeństwa. Kruszywa lekkie są obecnie wytwarzane z surowców naturalnych specjalnego rodzaju gliny, która podczas wypalania w temperaturze ok C pęcznieje i tworzy w ten sposób strukturę kruszywa lżejszego od kruszyw z surowców skalnych. Cechą charakterystyczną kruszyw lekkich jest gęstość ich ziaren, która zgodnie z wymaganiami norm PN-EN jest mniejsza niż 2000 kg/m 3, a ich gęstość nasypowa w stanie luźnym nie może być większa niż 1200 kg/m 3. Kruszywa lekkie znajdują szerokie zastosowanie w budownictwie właśnie ze względu na tę korzystną cechę użytkową. Są one wykorzystywane zarówno w postaci niezwiązanej (w zastosowaniach geotechnicznych, izolacjach termicznych, do budowy nasypów, wymiany gruntów słabonośnych, itp.) oraz w wyrobach budowlanych, głównie betonowych, dla poprawy takich właściwości użytkowych, jak zwiększenie izolacyjności, zmniejszenie masy obiektów budowlanych, pochłanianie hałasu, itp. Jedyną barierą w powszechnym ich stosowaniu jest cena kilkakrotnie wyższa niż cena kruszyw naturalnych, a wynikająca głównie z kosztów procesu termicznego. Poszukując alternatywnych, ale tańszych sposobów wytwarzania kruszyw lekkich zastosowano nowy rodzaj surowców wyjściowych, a mianowicie odpady z różnych obszarów gospodarki, które dobrano w taki sposób, aby temperatura ich termicznego przekształcania w kruszywo lekkie nie była wyższa niż temperatura otrzymywania keramzytu. Założono także, że uzyskany produkt musi spełniać normowe, europejskie wymagania jakościowe dla lekkich kruszyw sztucznych. Technologia wytwarzania kruszywa lekkiego z odpadów jest bezpiecznym, korzystnym energetycznie, przyjaznym dla środowiska i efektywnym ekonomicznie sposobem zagospodarowania osadów ściekowych. Dodatkowo, umożliwia otrzymanie atrakcyjnego wyrobu budowlanego wyłącznie z surowców odpadowych. słowych (utylizacji zużytych kineskopów, lamp oświetleniowych, złomowanych samochodów) jak i pochodzące z wysypisk komunalnych, a nienadające się do powtórnego przetworzenia w hutach ze względu na ich rodzaj lub zanieczyszczenie. Włączenie odpadów szklanych w proces wytwarzania nowego kruszywa lekkiego jest kolejnym krokiem do optymalizacji kosztów technologii, zarówno ze względu na obniżenie temperatury reakcji syntezy termicznej w fazie stałej, jak i wykorzystanie odpadów trudnych do zagospodarowania dotychczasowymi metodami. Najistotniejszy efekt ekonomiczny stosowania reakcji syntezy termicznej w fazie stałej do zagospodarowania opisywanych odpadów wynika z następujących faktów: możliwość sprzedaży produktów utylizacji odpadów otrzymany według tej technologii produkt jest wyrobem budowlanym, o szerokim zastosowaniu w budownictwie, co nie tylko wpływa na opłacalność całego przedsięwzięcia, ale także powinno umożliwić intensyfikację zagospodarowania rosnącego strumienia osadów ściekowych; pobierania opłat za odbiór osadów ściekowych; niższa energochłonność produkcji wynikająca z bezpośredniego wykorzystania ciepła spalania osadów ściekowych. Celowość stosowania do wytwarzania kruszyw lekkich metody wykorzystującej surowce odpadowe wynika także z następujących przesłanek: możliwość efektywnej i ekonomicznie opłacalnej termicznej utylizacji osadów ściekowych jako rozwiązania alternatywnego do spalarni; możliwość dostosowania wielkości instalacji do lokalnych potrzeb małych i średnich oczyszczalni ścieków; bezodpadowe zagospodarowanie surowców odpadowych; ograniczenie ilości odpadów do składowania u producentów kruszyw i na wysypiskach, możliwość zagospodarowania dotychczasowych lagun i hałd odpadów; ograniczenie zużycia nieodnawialnych zasobów surowców naturalnych. 4 9

6 Oddziaływanie na środowisko naturalne Projekt DIM-WASTE realizowany jest przez Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego. Realizację projektu umożliwiło wsparcie ze środków instrumentu finansowego Life+ oraz środków NFOŚiGW. Otrzymane według metody IMBiGS kruszywo lekkie na bazie osadów ściekowych i odpadów wydobywczych jest produktem w pełni ekologicznym. Dodatkowo wyprodukowane kruszywo: nie wprowadza do elementów budowlanych żadnych obcych dla środowiska związków chemicznych; struktura kruszyw, wytworzona na bazie krzemionki, jest analogiczna z występującą w minerałach naturalnych; kruszywo nie posiada substancji reagujących w środowisku naturalnym, nawet po rozdrobnieniu; podczas eksploatacji nie są uwalniane żadne środki chemiczne (jak ma to miejsce przy stosowaniu cementyzacji odpadów). Stosowany proces termicznej stabilizacji odpadów metodą syntezy termicznej w fazie stałej jest: Głównym celem projektu jest zademonstrowanie innowacyjnej technologii zagospodarowywania wybranych grup odpadów, w tym osadów ściekowych, w celu wytwarzania kruszyw lekkich. Technologia została OPRACOWANA przez pracowników Instytutu Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego. Technologia jest rozwiązaniem innowacyjnym na skalę światową. konkurując z innymi wynalazkami zdobyła dwa złote medale w dwóch międzynarodowych konkursach: na Światowych Targach Innowacyjności Badań i Nowych Technologii EUREKA 2008 w Brukseli oraz na 107 Międzynarodowym Salonie Wynalazczości Concours - Lepine w Paryżu w mniej energochłonny od procesów witryfikacji, a zapewniający analogiczny efekt ekologiczny; obróbka termiczna odpadów zachodzi w temperaturze wyższej niż podczas rutynowego spalania osadów ściekowych, co ogranicza możliwość obecności dioksyn w gazach spalinowych. Przemysłowe uruchomienie produkcji kruszyw lekkich według opracowanej technologii przyczyni się do znaczącej poprawy stanu środowiska naturalnego ze względu na wykorzystanie do produkcji odpadowych surowców składowanych obecnie na wydzielonych składowiskach. Pozwoli to na odzysk terenów i ograniczenie kosztów składowania oraz zmniejszy zużycie nieodnawialnych surowców naturalnych. 10 3

7 Opłacalność technologii Nowatorska, tańsza od dotychczasowych, metoda wytwarzania kruszyw lekkich z surowców odpadowych spowoduje, że przemysłowe koszty ich wytwarzania będą niższe od kosztów wytwarzania keramzytu. Na obniżenie kosztów wpłyną: obniżenie kosztów surowcowych poprzez zastosowanie odpadowych pyłów z produkcji kruszyw naturalnych i szkła nienadającego się do ponownego przetopienia; możliwość bezodpadowego zagospodarowania osadów ściekowych z oczyszczalni ścieków (opłaty za przyjęcie osadów ściekowych do utylizacji); możliwość rezygnacji z energochłonnego i uciążliwego suszenia osadów ściekowych przed obróbką termiczną; wykorzystanie ciepła spalania osadów ściekowych jako czynnika poprawiającego bilans energetyczny procesu syntezy kruszyw. Szacuje się, że w rezultacie wdrożenia projektu możliwe będzie obniżenie kosztów wytwarzania nowego kruszywa lekkiego nawet o 30% w porównaniu z kosztami produkcji wytwarzanych dotychczas kruszyw lekkich. 2 11

8 Realizację projektu umożliwiło wsparcie ze środków instrumentu finansowego Life+ oraz środków NFOŚiGW. Program Life+ LIFE+ jest jedynym instrumentem finansowym Unii Europejskiej koncentrującym się wyłącznie na współfinansowaniu projektów w dziedzinie ochrony środowiska. Jego głównym celem jest wspieranie procesu wdrażania wspólnotowego prawa ochrony środowiska, realizacja polityki ochrony środowiska oraz identyfikacja i promocja nowych rozwiązań dla problemów dotyczących ochrony środowiska. NFOŚiGW Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej jest wspólnie z Wojewódzkimi funduszami filarem polskiego systemu finansowania ochrony środowiska. Współfinansuje realizację projektu DIM-WASTE IMBiGS Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego jest interdyscyplinarną jednostką naukowo-badawczą. Przedmiotem działania Instytutu jest prowadzenie badań naukowych i prac rozwojowych, doświadczalnych i wdrożeniowych, związanych z mechanizacją i automatyzacją przemysłu, budownictwa, górnictwa skalnego, gospodarką odpadami oraz upowszechnianiem i wdrażaniem nowych rozwiązań technologicznych, technicznych i organizacyjnych w praktyce gospodarczej. 12