Możliwości ograniczenia emisji CO 2 w przemyśle cementowym

POLITYKA ENERGETYCZNA Tom 7 Zeszyt specjalny 2004 Wyd. Instytut GSMiE PAN Kraków s. 555-564 PL ISSN 1429 6675 Alicja ULIASZ-BOCHEŃCZYK *, Eugeniusz MOKRZYCKI ** Możliwości ograniczenia emisji CO 2 w przemyśle cementowym Streszczenie Przemysł cementowy jest jednym z największych emitentów dwutlenku węgla, gdzie emisja wynosi około 5% światowej emisji tego gazu. W związku z tym przemysł ten stara się ograniczyć emisję dwutlenku węgla poprzez m.in.: poprawę (udoskonalenie) procesów produkcyjnych, modernizację cementowni w celu redukcji zużycia energii elektrycznej, waloryzację odpadów w procesach produkcyjnych oraz optymalizację składu cementu. Zagadnienia te stanowią treść artykułu. SŁOWA KLUCZOWE: przemysł cementowy, emisja CO2, ograniczenie emisji Wprowadzenie Przemysł cementowy jest jednym z największych emitentów ditlenku węgla. Emisja ditlenku węgla z przemysłu cementowego stanowi około 5% światowej emisji powstałej w wyniku działalności człowieka. W Polsce w 2002 r. emisja z przemysłu cementowego wynosiła około 7824 tys. ton, co odpowiada emisji jednostkowej wynoszącej około 0,69 kg/tonę wyprodukowanego cementu [6]. Emisja ta jest szacowana na 900 1000 kg/mg klinkieru, przy zapotrzebowaniu ciepła rzędu 3500 5000 MJ na tonę klinkieru [11]. Tak wysoka emisja jest związana z technologią produkcji cementu. Podstawowymi źródłami emisji CO 2 z przemysłu cementowego są: proces dekarbonizacji surowca oraz spalanie paliw. Szacuje się, że emisja z procesu dekarbonizacji wynosi około 50%, a ze spalania paliw około 40% emisji całkowitej z cementowni. Emisja ditlenku węgla z tych dwóch * dr inż., ** prof. dr hab. inż., Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN Recenzent: prof. dr hab. inż. Anna MARZEC 1

procesów nazywana jest emisją bezpośrednią. Źródłami emisji pośredniej (około 10% emisji z cementowni) w przemyśle cementowym są środki transportu, produkcja energii elektrycznej wykorzystywanej w cementowni oraz wydobycie paliw pierwotnych i surowców mineralnych [10]. W związku z zapisami zawartymi w Protokole z Kyoto, przemysł cementowy stara się obniżyć emisję CO 2 poprzez następujące działania: poprawę (udoskonalenie) procesów produkcyjnych, waloryzację odpadów w procesach produkcyjnych, zastępowanie paliw o dużej zawartości pierwiastka C paliwami o mniejszej zawartości pierwiastka C (np. przejście z węgla kamiennego na gaz), wychwytywanie ditlenku węgla z gazów odlotowych, obniżenie ilości ditlenku węgla emitowanego przez środki transportu. Pomimo znacznego obniżenia emisji ditlenku węgla (w Polsce ilość emitowanego ditlenku węgla przypadająca na jednostkę klinkieru zmniejszyła się o około 40% w porównaniu do początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku [6]), przemysł cementowy prowadzi działania mające na celu dalsze obniżanie jego emisji. W tabeli 1 przedstawiono działania oraz możliwości redukcji ditlenku węgla w przemyśle cementowym do roku 2020. Tabela 1. Możliwości redukcji emisji ditlenku węgla emitowanego na tonę produkowanego cementu do roku 2020 Table 1. Technical emission reduction potential for CO 2 per tonne of cement by 2020 Zakres ulepszeń Emisja z procesu Działania produkcja cementu z dodatkami mineralnymi: popioły lotne i granulowany żużel wielkopiecowy Redukcja w zakładzie [%] Redukcja w regionie [%] Światowa redukcja [%] - <1 35 7 Emisja ze spalania zwiększenie wydajności zakładu - 5 15 11 paliw zmiana rodzaju paliwa <20 <1 35 3 Emisja z transportu Wytwarzanie energii elektrycznej Inne redukcje zwiększenie wydajności transportu z zastosowaniem biopaliw zwiększenie sprawności energetycznej i produkcji energii elektrycznej z paliw o niższej zawartości pierwiastka C zastosowanie odpadów jako surowców i paliw alternatywnych <5 <1 <1 <5 <1 <1 - <6 16 12 Całkowita redukcja wszystkie wymienione działania - ~20 50 ~30 Źródło: [4] Emisja całkowita z procesów produkcji cementu zależy głównie od: metody produkcji cementu, rodzaju paliwa i współczynnika klinkier/cement (procentowa ilość dodatków mineralnych). Redukcja emisji poprzez poprawę procesów produkcyjnych Do wyprodukowania każdej tony cementu zużywa się średnio 90 130 kw h energii elektrycznej. Udział kosztów energii w postaci paliwa i energii elektrycznej wynosi średnio około 50% całkowitych kosztów związanych z produkcją jednej tony cementu [11]. W związku z tym przemysł cementowy dąży do ograniczenia zużycia energii, a zarazem zmniejszenia emisji CO 2 poprzez 2

poprawę wydajności pieców cementowych oraz zastąpienia energochłonnej metody mokrej, metodami suchą i półsuchą. Obecnie w przemyśle cementowym występuje tendencja do koncentracji produkcji w bardziej wydajnych zakładach oraz łączenie wytwarzania energii elektrycznej z produkcją cementu w tzw. hybrydowych zakładach energetyczno cementowych. Technologia połączonego wytwarzania energii elektrycznej i produkcji cementu została opracowana w Chinach i Stanach Zjednoczonych. W Stanach Zjednoczonych technologia ta została opracowana przez firmy: Alstom Power, American Electric Power i Illinois Cement Company [4]. Technologia ta pozwala: zagospodarować w całości uboczne produkty spalania węgla, prawie wyeliminować emisję SO 2, oraz ograniczyć wielkość emisji CO 2 o 5 10%. Proponowana w Stanach Zjednoczonych technologia zawiera specjalnie zaprojektowany kocioł fluidalny, który jest połączony z piecem cementowym. Materiałem wsadowym do procesu jest węgiel, wapień i dodatki stosowane w produkcji cementu. Produktami powstałymi w wyniku tej technologii są: energia elektryczna, cement i spaliny. Węgiel spalany jest w kotle fluidalnym dostarczającym ciepło do wytwarzania pary, podgrzewania i kalcynacji surowca do produkcji cementu. Wymieszane produkty spalania węgla i kalcynowany surowiec do produkcji cementu trafiają do pieca cementowego, w którym powstaje klinkier [4]. KOCIOŁ FLUIDALNY (CFB) ENERGIA ELEKTRYCZNA BACK-PASS ELEKTROFILTR ZMIELONY SUROWIEC MIAŁ WĘGLOWY KALCYNOWANA MIESZANKA SUROWCOWA SPALINY DO ISTNIEJĄCEGO WYMIENNIKA CIEPŁA BY-PASS DLA KONTROLOWANIA ILOŚCI Hg I ALKALIÓW POWIETRZE FLUIDALNY WYMIENNIK CIEPŁA (FBHE) PIEC OBROTOWY KLINKIER Rys. 1. Schemat zakładu produkcji cementu i energii elektrycznej, Źródło: [4] Fig. 1. Scheme of combined power and cement plant Odzyskiwanie energii cieplnej z procesów produkcyjnych i zastosowanie jej do produkcji energii elektrycznej wykorzystywanej następnie w procesach technologicznych, również powoduje w efekcie końcowym ograniczenie emisji CO 2 [3]. W tabeli 2 zamieszczono możliwe kierunki poprawy efektywności procesu produkcji cementu, przyczyniające się do redukcji emisji CO 2. 3

Tabela 2. Możliwości poprawy sprawności energetycznej procesów w produkcji cementu Table. 2. Energy efficiency improvement options for cement production process Rozwiązanie techniczne Sterowanie i system zarządzania procesem System homogenizacji mączki surowcowej procesu mokrego procesem pół mokrym procesu mokrego procesem półsuchym suszenia wielostopniowymi wymiennikami ciepła suszenia przez piece z kalcynatorem chłodników obrotowych chłodnikami rusztowymi Udoskonalenie wymienników ciepła (piec Lepola) Optymalizacja wymiany ciepła w chłodnikach klinkieru Silniki i napędy Wysokosprawne napędy z regulacją prędkości Efektywność technologii mielenia pieców obrotowych piecami fluidalnymi Postęp technologii rozdrabniania Źródło: [5] Zakres działania automatyczne sterowanie komputerowe do optymalizacji procesu spalania zastosowanie grawitacyjnych silosów homogenizacyjnych redukcja zawartości wilgoci w mączce surowcowej przez zastosowanie pras filtracyjnych redukcja zawartości wilgoci w wyniku zastosowania termicznego systemu suszenia pięcio lub sześciostopniowe wymienniki ciepła obniżają straty ciepła i czasami redukują spadki ciśnienia wzrost wydajności i obniżenie właściwego zużycia ciepła duża wydajność i sprawność wymiany ciepła mączka surowcowa podgrzewana w dwustopniowym wymienniku rusztowym wymiana ciepła poprawiana przez redukcję nadwyżki objętości powietrza, sterowanie głębokością warstwy klinkieru, nowe ruszty udoskonalenie strategii sterowania, zastosowanie wysokowydajnych silników redukcja strat na dławikach i sprzęgłach poprzez zastosowane silników o stałych prędkościach zastosowanie wysokociśnieniowych młynów polepsza charakterystykę mielenia zastąpienie pieca obrotowego przez piec nieruchomy prowadzi do obniżenia kosztów inwestycyjnych, pozwala na zastosowanie wielu rodzajów paliwa i obniża zużycie energii zastosowanie ultradźwiękowej technologii mielenia Redukcja emisji/ udoskonalenie sprawności energetycznej średnio 2,5 5% redukcja zużycia energii (1,4 4,0 kw h/mg klinkieru) 0,8 1,6 GJ/Mg klinkieru (wzrost zużycia energii o 3 5 kw h) szacowana na 2,2 GJ/Mg klinkieru; niewielki wzrost zużycia energii w zależności od zużycia energii w procesie pierwotnym (np. redukcja z 3,9 do 3,4 GJ/Mg) w zależności od zużycia energii w procesie pierwotnym szacowana na 12% ( 0,44 GJ/Mg) redukcja ciepła z 1,0 do 0,3 GJ/Mg oszczędność paliwa około 6,3% (do 3,3 GJ/Mg); 1% obniżenie zużycia energii szacowana oszczędność ciepła 0,5 GJ/Mg oszczędność rzędu 3 8% szacowane oszczędności energii około 10 kw h/mg szacowane oszczędności energii 10 19 kw h/mg (40 50%) mniejsze zużycie paliwa o 2,9 3,35 GJ/Mg klinkieru (również mniejsza emisja NO x ) oczekiwane duże oszczędności Efekty ekonomiczne przedsięwzięcie bardzo opłacalne (bardzo krótki okres zwrotu nakładów około 3 miesięcy) brak dostępnych informacji obniżenie kosztów zużycia paliwa, częściowe zmniejszenie kosztów obniżenie kosztów zużycia paliwa, częściowe zmniejszenie kosztów zysk szacowany na 30 40 USD/Mg zysk szacowany na 28 USD/Mg prawdopodobnie przedsięwzięcie korzystne jedynie wówczas gdy jednocześnie instalowany jest kalcynator okres zwrotu jest satysfakcjonujący brak dostępnych informacji koszty takie same lub niewiele większe niż dla silników standardowych silnie zależy od wielkości układu; szacowane na 1 USD/Mg cementu szacowane na 2,5 8,0 USD/Mg oczekiwane niższe koszty inwestycyjne i koszty konserwacji brak dostępnych informacji 4

Redukcja emisji poprzez waloryzację odpadów w procesach produkcyjnych Odpady jako paliwa alternatywne Przemysł cementowy od lat 80 tych ubiegłego wieku na świecie i 90 tych w Polsce stosuje palne frakcje odpadów jako paliwa alternatywne. Zastosowanie palnych frakcji odpadów jako paliw alternatywnych powoduje zmniejszenie ich ilości deponowanych na składowiskach oraz spalanych w spalarniach, a w rezultacie redukcję emisji CO 2 zarówno ze składowisk, jak i ze spalarni, ponieważ przy spalaniu odpadów w cementowniach nie zwiększa się ilość emitowanego CO 2. Redukcja CO 2 związana jest również z ograniczeniem wydobycia paliw naturalnych. Odpady jako surowiec i dodatki mineralne Ze względów ekonomicznych, jak również w związku z ograniczeniem emisji zanieczyszczeń, przede wszystkim CO 2, przemysł cementowy stosuje odpady jako surowiec do produkcji klinkieru. Zmniejszając w ten sposób ilość surowców naturalnych potrzebnych do produkcji cementu, a tym samym ograniczając emisję związaną z wytwarzaniem energii niezbędnej do wydobycia i przeróbki surowców naturalnych. Odpady takie jak: popioły lotne czy granulowane żużle wielkopiecowe od lat są z powodzeniem stosowane jako dodatki mineralne do produkcji klinkieru. Dzięki wykorzystaniu odpadów jako dodatków mineralnych redukuje się ilość klinkieru na tonę cementu. W wyniku tych działań zmniejsza się ilość CO 2 emitowanego w wyniku procesów dekarbonizacji surowca i spalania paliw. paliw o wysokiej zawartości pierwiastka C paliwami o niższej zawartości pierwiastka C Około 90% energii zużywanej w przemyśle cementowym pochodzi z bezpośredniego spalania paliw. Pozostałe 5 10% zapotrzebowania energii pokrywane jest energią elektryczną. paliw o wysokiej zawartości pierwiastka C (węgla) paliwami o niższej zawartości pierwiastka C (np. gazem ziemnym) obniża emisję ditlenku węgla w procesie spalania w przemyśle cementowym [5]. Obniżenie emisji CO 2 przez środki transportu Redukcja emisji ditlenku węgla przez środki transportu może być realizowana trzema sposobami [5]: poprzez zwiększenie wydajności transportu surowców, zmniejszenie liczby środków transportu, zastosowanie paliw na bazie biomasy np. bio diesla. Redukcja emisji w wyniku wychwytywania emitowanego CO 2 Jedną z możliwości zmniejszenia emisji CO 2 jest jego usuwanie z gazów odlotowych. Ditlenek węgla może być wychwytywany z procesu dekarbonizacji i spalania paliw, a następnie magazynowany. Średnia koncentracja CO 2 w gazach odlotowych wynosi od 14 do 33% [5,8]. W celu zwiększenia koncentracji CO 2 w gazach odlotowych co usprawnia proces wydzielania CO 2 zalecane jest tlenowe spalanie węgla. Polega ono na zastosowaniu do spalania powietrza znacznie wzbogaconego w tlen dzięki uprzedniemu usunięciu zeń azotu [8]. Handel emisjami Instrumentem polityki ekologicznej państwa mającym na celu obniżenie emisji CO 2 jest handel emisjami [1]. Polskie zakłady cementowe zostały ujęte w Krajowym Planie Alokacji Uprawnień (KPAU), dlatego mogą brać udział w handlu emisjami. Cementownie mogą być zarówno kupującymi uprawnienia, jak również sprzedającymi, w zależności od możliwości redukcji emisji CO 2 w danym 5

zakładzie. W wyniku obniżenia emisji CO 2 cementownie będą mogły zbywać nadwyżki uprawnień, w ten sposób zarabiając. W celu ujednolicenia sposobu szacowania emisji ditlenku węgla dla handlu emisjami został zaproponowany sposób obliczenia zawarty w IPPC Good Practice Guidance and Uncertainty Management in National Greenhouse Gas Inventories. Preferowana formuła szacowania emisji CO 2 przedstawia się w sposób następujący [2, 7]: Emisje CO 2 = wskaźnik emisji z klinkieru x x produkcja klinkieru x wskaźnik korekcyjny CKD (Cement Kiln Dust) gdzie: wskaźnik emisji z klinkieru (Mg CO 2 /Mg klinkieru) to ilość CO 2 emitowana na każdą tonę wyprodukowanego klinkieru, produkcja klinkieru (Mg klinkieru), CKD (%), wskaźnik będący stosunkiem ilości powstałego piecowego pyłu klinkierowego do masy wyprodukowanego klinkieru. Zasadniczo przyjmuje się, że ilość powstającego piecowego pyłu klinkierowego wynosi 1,5 2% masy wyprodukowanego klinkieru. Duże koncerny cementowe takie jak: Cemex, Holcim, Heidelberg, Italcementi, Lafarge, RMC, przyjęły opracowany przez Grupę Roboczą ds. Cementu Światowej Rady Biznesu ds. Zrównoważonego Rozwoju (Working Group Cement World Business Council for Sustainable Development) Protokół CO 2 Przemysłu Cementowego dotyczący emisji, monitoringu i kontroli CO 2 w zakładach cementowych (The Cement CO 2 Protocol: CO 2 Emissions Monitoring and Reporting Protocol for the Cement Industry) [10]. Protokół zawiera wszystkie podstawowe dane dotyczące monitoringu CO 2, określenie źródeł emisji CO 2 z przemysłu cementowego i sposoby liczenia emisji CO 2 na poziomie zakładu, grupy, koncernu i przemysłu [9]. Podsumowanie Przemysł cementowy od wielu lat stara się ograniczyć emisję CO 2. Wykorzystuje się do tego różne metody. Część z tych działań, wśród których należy wymienić przede wszystkim: stosowanie paliw alternatywnych, zastępowanie części klinkieru surowcami odpadowymi, czy przechodzenie z metody mokrej na suchą, są z powodzeniem stosowane od wielu lat. Działania takie jak oddzielanie i wychwytywanie ditlenku węgla z gazów odlotowych, czy budowa hybrydowych zakładów produkujących cement i wytwarzających energię elektryczną są jeszcze w fazie badań lub wdrożeń, z czasem mają jednak szansę rozpowszechnić się. Dodatkowym bodźcem ekonomicznym jest handel emisjami, który ze względów czysto ekonomicznych zmusi zakłady do poszukiwań możliwości redukcji emitowanego ditlenku węgla. Trzeba podkreślić, że przemysł cementowy na całym świecie stara się ograniczyć emisję ditlenku węgla zarówno na poziomie zakładów, jak również międzynarodowych koncernów. Literatura [1] BŁACHOWICZ A, KOLAR S., KITTEL M., LEVINA E., WILLIAMS E., 2003 Przewodnik po handlu emisjami dla przedsiębiorstw. www.ccap.org [2] BŁACHOWICZ A, LEVINA E., 2003 Przewodnik po monitorowaniu, raportowaniu i weryfikacji (MRV) emisji gazów cieplarnianych dla przedsiębiorstw. www.ccap.org [3] Climate Change, Cement and the UE. The European cement industry contribution to CO2 emission reduction by choosing the best policies for Europe. Positive action by CEMBUREAU Members. Brussels, Wyd. Cembureau, 1998 www.cembureau.be 6

[4] HUMPHREYS K., MAHASENAN M., 2002 Climate Change. Toward a sustainable cement industry. An Independent Study Comissioned by World Business Council for Sustainable Development www.wbcsdcement.org [5] HENDRIKS C.A., WORRELL E., DE JAGER D., BLOK K., RIEMER P., 2002 Emission Reduction of Greenhouse Gases from the Cement Industry. GHGT-6 Conference Proceedings: Greenhouse Gas Control Technologies www.ieagreen.org.uk [6] Informator SPCiW 2004. Kraków, Wyd. Stowarzyszenie Producentów Cementu i Wapna, 2004. [7] Revised 1996, IPPC Good Practice Guidance and Uncertainty Management in National Greenhouse Gas Inventories www.ippc.ch [8] TARKOWSKI R., ULIASZ MISIAK B.: Przemysłowe źródła emisji CO 2 na świecie w aspekcie podziemnego składowania. Polityka Energetyczna, tom 6, zeszyt specjalny, s. 367 376. [9] ULIASZ-BOCHEŃCZYK A., MOKRZYCKI E., 2003 Emisja dwutlenku węgla w przemyśle cementowym. Polityka Energetyczna, tom 20, zeszyt 2, s. 129 143. [10] VANDERBORGHT B., BRODMANN U., 2001 The Cement CO 2 Protocol: CO 2 Emissions Monitoring and Reporting Protocol for the Cement Industry. Guide to the Protocol, version 1.6 www.wbcsdcement.org [11] Zintegrowane Zapobieganie i Ograniczenie Zanieczyszczeń (IPPC). Dokument Referencyjny dla najlepszych dostępnych technik w przemyśle cementowo wapienniczym. Ministerstwo Środowiska, 2004 www.ippc-ps.pl Alicja ULIASZ-BOCHEŃCZYK, Eugeniusz MOKRZYCKI The possibilities of limitation of CO 2 emission from the cement industry Abstract The cement industry is one of the largest sources of CO 2 emission. CO 2 emission from the cement industry is approximately 5% of global manmade emission. As a result of above mentioned data, the cement industry aims at reduction of CO 2 emission by: improving productions process, valorising wastes in the production process, optimising the composition of cement, improved products. This paper deals with above mentioned problems. KEY WORDS: cement industry, CO 2 emission, limitation of CO 2 emission 7