Wpływ procesu współspalania odpadów w piecu cementowym na jakość powietrza / Impact of waste co-incineration process in a cement kiln on air quality

From the SelectedWorks of Robert Oleniacz November 1, 2011 Wpływ procesu współspalania odpadów w piecu cementowym na jakość powietrza / Impact of waste co-incineration process in a cement kiln on air quality Robert Oleniacz Magdalena Kasietczuk Available at: http://works.bepress.com/robert_oleniacz/24/

PALIWA Z ODPADÓW. TECHNOLOGIE TWORZENIA I WYKORZYSTANIA PALIW Z ODPADÓW Robert OLENIACZ, Magdalena KASIETCZUK Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Kraków WPŁYW PROCESU WSPÓŁSPALANIA ODPADÓW W PIECU CEMENTOWYM NA JAKOŚĆ POWIETRZA IMPACT OF WASTE CO-INCINERATION PROCESS IN A CEMENT KILN ON AIR QUALITY W pracy scharakteryzowano m.in. ogólne wymogi w zakresie kontroli emisji zanieczyszczeń do powietrza z instalacji współspalania odpadów ze szczególnym uwzględnieniem pieców do produkcji klinkieru, a także oceniono wielkość emisji zanieczyszczeń z pieca cementowego, w którym rutynowo są współspalane odpady i wpływ tej emisji na jakość powietrza. Obiektem badań była jedna z krajowych cementowni, w której stosuje się znaczne ilości paliw alternatywnych (mających ponad 70 % udział w bilansie cieplnym pieca cementowego). Ocena wpływu na jakość powietrza została dokonana w oparciu o wyniki przeprowadzonych obliczeń rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń. 1. Wprowadzenie Zgodnie z ustawą z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach [1], przez współspalarnię odpadów rozumie się zakład lub jego część, których głównym celem jest wytwarzanie energii lub produktów, w których wraz z paliwami są przekształcane termicznie odpady w celu odzyskania zawartej w nich energii lub w celu ich unieszkodliwiania. Pojęciem tym są objęte instalacje i urządzenia służące do prowadzenia procesu termicznego przekształcania wraz z oczyszczaniem gazów odlotowych i wprowadzaniem ich do atmosfery, kontrolą, sterowaniem i monitorowaniem procesów, instalacjami związanymi z przyjmowaniem, wstępnym przetwarzaniem i magazynowaniem odpadów dostarczonych do termicznego przekształcania oraz instalacjami związanymi z magazynowaniem i przetwarzaniem substancji otrzymanych w wyniku spalania i oczyszczania gazów odlotowych. Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. - Prawo ochrony środowiska [2] operuje z kolei pojęciem instalacji, w tym instalacji współspalania odpadów, zdefiniowanej w rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 22 kwietnia 2011 r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji [3], wydanym na podstawie art. 145 ust. 1 pkt 1 oraz art. 146 ust. 2 i 4 tej ustawy. Instalacją współspalania odpadów jest każda instalacja, której głównym celem jest wytwarzanie energii lub innych produktów, w której wraz z paliwami są

198 R. OLENIACZ, M. KASIETCZUK spalane odpady w celu odzyskania zawartej w nich energii lub w celu ich unieszkodliwienia; obejmuje to spalanie przez utlenianie odpadów i paliw, jak również inne procesy przekształcania termicznego odpadów, w tym pirolizę, zgazowanie i proces plazmowy, o ile substancje powstające podczas przekształcania są następnie współspalane z paliwami. Klasycznym przykładem współspalarni odpadów i instalacji współspalania odpadów jest piec cementowy (do produkcji klinkieru cementowego), w którym są współspalane odpady. Prowadzenie procesu współspalania odpadów w piecu cementowym jest jedną z metod zagospodarowania tych odpadów umożliwiającą odzysk zawartej w nich energii, przynoszącą jednocześnie oszczędność zużycia konwencjonalnych źródeł energii (nieodnawialnych i droższych). Jest to niezwykle istotne, gdyż koszty energii w przemyśle cementowym stanowią ok. 30-40 % kosztów produkcji (bez nakładów inwestycyjnych) [4]. Niewątpliwe korzyści ekonomiczne stały się przyczyną powszechnego stosowania w procesie wypalania klinkieru cementowego wszelkich paliw alternatywnych oraz budowy bardziej złożonych instalacji kogeneracyjnych [5-9]. Przykładowo w Polsce w roku 2009 spośród 11 funkcjonujących zakładów cementowych paliwa pozyskane z odpadów stosowało 9 cementowni, łączna ilość spalonych odpadów wyniosła 725 tys. ton, a średni uzysk ciepła z paliw alternatywnych osiągnął poziom 36 % [10]. Z uwagi na obserwowany z roku na rok wzrost ilości odpadów współspalanych w przemyśle cementowym nasuwa się pytanie, w jaki stopniu przekłada się to na zmiany wielkości emisji zanieczyszczeń do powietrza i czy istotny jest wpływ tego procesu na jakość powietrza. Ocenę wpływu stosowania paliw alternatywnych w piecu cementowym na wielkość emisji zanieczyszczeń powietrza przy uzysku ciepła z paliw alternatywnych dochodzącym do 20 % przedstawiono m.in. w pracach [11-13]. Ocena spełniania standardów emisyjnych przez tego typu instalacje jest zwykle dokonywana na bieżąco z uwagi na konieczność stosowania ciągłego systemu monitoringu wielkości emisji pyłu ogółem, dwutlenku siarki (SO 2 ), tlenków azotu (NO x ) w przeliczeniu na dwutlenek azotu (NO 2 ), tlenku węgla (CO), chlorowodoru (HCl), substancji organicznych w postaci gazów i par wyrażonych jako całkowity węgiel organiczny (TOC), fluorowodoru (HF) i parametrów odniesienia (prędkość przepływu, temperatura i ciśnienie spalin oraz zawartość tlenu i wilgoci w gazach odlotowych), a także wykonywania dodatkowych pomiarów okresowych (co najmniej dwa razy w roku) stężeń w emitowanych gazach metali ciężkich (Cd, Tl, Hg, Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni i V) oraz dioksyn i furanów [14, 15]. Ocena oddziaływania na jakość powietrza przeprowadzana jest jednak stosunkowo rzadko przy okazji realizacji procesu inwestycyjnego mogącego wpływać na środowisko lub podczas uzyskiwania pozwolenia zintegrowanego wymaganego mocą ustawy z dnia 27 kwietnia 2001 r. - Prawo ochrony środowiska [2]. W niniejszej pracy skoncentrowano się na ocenie wielkości emisji zanieczyszczeń do powietrza z jednego z krajowych pieców cementowych dla jednorocznego okresu jego pracy, w którym średni uzysk ciepła z paliw alternatywnych wynosił ok. 71 %, a także na ocenie wpływu tej emisji na jakość powietrza. 2. Charakterystyka obiektu badań i spalanych odpadów Obiektem badań był piec cementowy Cementowni Chełm należącej do koncernu CEMEX, jednego z największych producentów materiałów budowlanych na świecie. W cementowni tej produkowane są cementy portlandzkie, portlandzkie popiołowe wapienne, mieszane oraz cementy specjalne, w tym dla budownictwa drogowego [16].

WPŁYW PROCESU WSPÓŁSPALANIA ODPADÓW W PIECU CEMENTOWYM NA JAKOŚĆ POWIETRZA 199 Aktualnie produkcja klinkieru cementowego odbywa się tutaj tylko metodą suchą w krótkim piecu cementowym o wymiarach 4,75 74 m (pracującym od roku 1999), wyposażonym w jednopasmowy, trzystopniowy wymiennik cyklonowy z cyklonami o średnicy 7,6 m oraz oddzielny kalcynator typu SLC o wymiarach 7,4 24 m [17]. Dzięki zastosowaniu osobnego kalcynatora wydajność całej instalacji jest stosunkowo wysoka (pomimo niewielkich wymiarów pieca obrotowego) i wynosi ok. 5000 t/dobę. Instalacja pieca cementowego składa się z następujących głównych elementów [17]: urządzeń przygotowujących i podających wsad, zewnętrznych wymienników ciepła wraz z kalcynatorem (rys. 1), właściwego pieca obrotowego (rys. 2), chłodnika wypalonego produktu, urządzeń przygotowujących i podających paliwo, urządzeń odpylających gazy odlotowe z pieca i chłodnika. Rys. 1. Cementownia Chełm widok na cyklony zerowe, cyklonowy wymiennik ciepła i kalcynator pieca cementowego (fot. M. Kasietczuk) Do produkcji klinkieru wykorzystywana jest kreda z własnej kopalni oraz glina, pyły dymnicowe, dodatki żelazonośne i krzemionka, pozyskiwane na rynku. Surowce przygotowywane są w suszarko-kruszarce (pełniącej funkcję młyna surowca), w której zostają poddawane procesowi przemiału i suszenia w strumieniu gorących gazów (o temperaturze rzędu 600 C) z wymiennika cyklonowego. Stopień rozdrobnienia mąki surowcowej regulowany jest na separatorze dynamicznym. Pozostające ziarno z separatora zawracane jest na wlot kruszarko-suszarki. Mieszanka pyłowo-gazowa z kruszarki (wraz z pyłami dymnicowymi dodanymi bezpośrednio do cyklonów) kierowana jest do dwóch cyklonów odpylających, tzw. zerowych. Mąka surowcowa wychwycona w cyklonach przechodzi do zbiornika pośredniego, z którego dozowana jest do trzystopniowego wymiennika cyklonowego, a następnie do kalcynatora, w którym następuje rozkład węglanów. Kalcynator stanowi oddzielną komorę spalania, do której specjalnym rurociągiem jest doprowadzane powietrze nadmiarowe z chłodnika klinkieru o temperaturze rzędu 750 C (tzw. powietrze trzecie).

200 R. OLENIACZ, M. KASIETCZUK Właściwy piec cementowy to piec obrotowy, odchylony od poziomu o ok. 3-5 %, obracający się z prędkością ok. 3 obr./min. W piecu tym można wyróżnić dwie części: strefę suszenia, gdzie temperatura gazów wynosi 700-800 C, a wymiana ciepła zachodzi za pomocą konwekcji oraz część drugą, w której materiał jest podgrzewany, ulega dekarbonizacji i spiekaniu, a procesem odpowiadającym za wymianę ciepła jest promieniowanie. Temperatura materiału w strefie spiekania wynosi ok. 1250-1450 o C. Rys. 2. Cementownia Chełm widok na piec obrotowy do wypalania klinkieru, rurociąg odprowadzający powietrze nadmiarowe z chłodnika i taśmociąg doprowadzający paliwa alternatywne do kalcynatora (fot. M. Kasietczuk) Chłodnik klinkieru ma za zadanie schładzanie spieków klinkieru powstałych w piecu cementowym do temperatury około 1000 C. Jest to chłodnik rusztowy o powierzchni rusztu 112 m 2 z nadmuchem komorowo-kanałowym i trzema oddzielnie napędzanymi rusztami poziomymi. Po schłodzeniu klinkier jest transportowany przenośnikami taśmowymi do stanowiska dystrybucji (umożliwiającego załadunek klinkieru na samochody) lub na skład klinkieru (w hali klinkieru). Spaliny z pieca po oddaniu ciepła w wymienniku cyklonowym i suszarko-kruszarce są odpylane w filtrze tkaninowym wyposażonym w 6000 worków filtracyjnych wysokotemperaturowych z włókien szklanych i odprowadzane do atmosfery poprzez komin o wysokości 91 m. Gazy z chłodnika klinkieru są odpylane w elektrofiltrze. Do roku 2008 ciepło do wypału klinkieru w omawianej instalacji było pozyskiwane głównie ze spalania paliw konwencjonalnych, takich jak: węgiel, koks i łupek, przy coraz większym jednak udziale paliw alternatywnych. W roku 2009 średni uzysk ciepła ze spalania paliw alternatywnych istotnie wzrósł i osiągnął poziom 71 %, a w roku 2010 przekroczył nawet 75 %, co powoduje, że Cementownia Chełm jest aktualne krajowym liderem w stosowaniu paliw alternatywnych. Rodzaje i ilości odpadów poddanych odzyskowi energii w roku 2009 w analizowanej instalacji zestawiono w tabeli 1. Odpady i pozyskane z nich paliwa alternatywne są najczęściej dostarczane do zakładu specjalnymi ciężarówkami z naczepami z ruchomą podłogą. Po wjechaniu do magazynu ruchoma podłoga wypycha je do zamkniętej hali magazynowej. Następnie są one odbierane z miejsca załadunku i przenoszone przez automatyczną suwnicę do dalszej części hali. Suwnica ta poddaje je również do instalacji dozującej, z której trafiają one

WPŁYW PROCESU WSPÓŁSPALANIA ODPADÓW W PIECU CEMENTOWYM NA JAKOŚĆ POWIETRZA 201 zabudowanym taśmociągiem do kalcynatora, gdzie w wysokich temperaturach (rzędu 1000-1100 o C) zachodzi proces ich spalania. Część odpadów jest podawana wraz z węglem do palnika głównego pieca i spalana w strefie najwyższych temperatur (dochodzących w fazie gazowej do 2000 o C). Tab. 1. Rodzaje i ilości odpadów spalonych w roku 2009 w Cementowni Chełm [17] Kod odpadów Rodzaj odpadów Ilość [Mg/rok] Udział [% mas.] 03 01 05 Trociny, wióry, ścinki, drewno, płyta wiórowa i fornir inne niż wymienione w 03 01 04 1,2 0,0005 07 02 80 Odpady z przemysłu gumowego i produkcji gumy 37,9 0,02 16 01 03 Zużyte opony 2 174,4 0,96 19 08 05 Ustabilizowane komunalne osady ściekowe 2 207,0 0,98 19 12 10 Odpady palne (paliwo alternatywne) 203 483,5 90,27 19 12 11* Inne odpady (w tym substancje i przedmioty) z mechanicznej obróbki odpadów zawierające substancje niebezpieczne 17 501,4 7,76 Cały proces technologiczny jest odpowiednio monitorowany. Z uwagi na prowadzenie procesu współspalania odpadów, w celu kontroli spełniania standardów emisyjnych [3, 15], na emitorze pieca cementowego został zastosowany ciągły monitoring wielkości emisji takich substancji, jak NO x, SO 2, pył ogółem, CO, CO 2, HCl, HF i TOC oraz wykonywane są dodatkowe okresowe pomiary stężeń zanieczyszczeń w gazach odlotowych (w tym m.in. metali ciężkich oraz dioksyn i furanów) zgodnie z [14]. 3. Ocena wielkości emisji Analiza wyników pomiarów wielkości emisji zanieczyszczeń do powietrza została przeprowadzona dla roku 2009, a więc dla okresu, w którym średni udział paliw alternatywnych w bilansie cieplnym rozpatrywanego pieca cementowego wyniósł ok. 71 %, a ich średni udział masowy w całkowitej ilości spalanych paliw przekroczył 81 %. W roku tym analizowana instalacja pracowała 6339 godzin, przy czym w kwietniu piec nie pracował, a większe przerwy w produkcji miały też miejsce w styczniu, maju i grudniu. Standardy emisyjne obowiązujące dla pieców do produkcji klinkieru cementowego, w których są współspalane odpady, przedstawiono w tabeli 2. Z kolei otrzymane w wyniku pomiarów ciągłych średnie miesięczne wartości stężeń NO x, SO 2, pyłu ogółem, CO, HCl i HF w gazach odlotowych w roku 2009 (w okresie pracy pieca cementowego) w odniesieniu do odpowiednich standardów emisyjnych zamieszczono na rys. 3 i 4. Jak wynika z przedstawionych danych, średnie miesięczne stężenia tych substancji w rozpatrywanym okresie utrzymywały się na poziomie do 8 % standardu emisyjnego w przypadku HF, do 38 % standardu emisyjnego w przypadku HCl, do 47 % standardu emisyjnego w przypadku SO 2, do 60 % standardu emisyjnego w przypadku CO, do 74 % standardu emisyjnego w przypadku pyłu ogółem i do 95 % standardu emisyjnego w przypadku NO x.

202 R. OLENIACZ, M. KASIETCZUK Tab. 2. Standardy emisyjne dla współspalania odpadów w piecach cementowych [3] Lp. Nazwa substancji Standard emisyjny [mg/m 3 u] przy zawartości 10 % O 2 1 Pył całkowity 30 2 Chlorowodór (HCl) 10 3 Fluorowodór (HF) 1 4 Tlenek azotu (NO) i dwutlenek azotu (NO 2) w przeliczeniu na dwutlenek azotu (NO 2) 800 a) 500 b) 5 Dwutlenek siarki (SO 2) 50 c) 6 Substancje organiczne w postaci gazów i par wyrażone jako całkowity węgiel organiczny (TOC) 7 Tlenek węgla (CO) 2000 8 Cd + Tl 0,05 9 Hg 0,05 10 Sb + As + Pb + Cr + Co + Cu + Mn + Ni + V 0,5 11 Dioksyny i furany [ngteq/m 3 u] 0,1 a) dla instalacji użytkowanych przed dniem 29 grudnia 2000 r. i innych istniejących instalacji w myśl [3] b) dla nowych instalacji c) standardu emisyjnego dwutlenku siarki można nie stosować w przypadkach, gdy substancja ta nie powstaje w wyniku spalania odpadów albo gdy ilość tej substancji powstająca w wyniku spalania odpadów jest nie większa od ilości, jaka powstałaby, gdyby zamiast odpadów spalane było paliwo d) standardu emisyjnego substancji organicznych w postaci gazów i par wyrażonych jako całkowity węgiel organiczny można nie stosować w przypadkach, gdy substancje te nie powstają w wyniku spalania odpadów Biorąc pod uwagę fakt, że współspalanie tak dużych ilości odpadów powoduje znaczne wahania stężeń chwilowych poszczególnych substancji w gazach odlotowych oraz to, że w przypadku pomiarów ciągłych standardy emisyjne są określone jako średnie dobowe wartości stężeń substancji w gazach odlotowych, analizie poddano także wyniki pomiarów średnich dobowych. Maksymalne wartości tych stężeń w roku 2009 również utrzymywały się na poziomie niższym od standardu emisyjnego w przypadku SO 2, pyłu ogółem, CO, HCl i HF. W przypadku SO 2 niewielkie przekroczenie średniego dobowego standardu emisyjnego (o ok. 30 %) zaobserwowano tylko raz w pierwszej dobie po rozruchu pieca po jednym z postojów, a więc w okresie, w którym standard ten nie obowiązuje. 10 d)

WPŁYW PROCESU WSPÓŁSPALANIA ODPADÓW W PIECU CEMENTOWYM NA JAKOŚĆ POWIETRZA 203 Średnie stężenie w emitowanych gazach [% standardu emisyjnego] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 NOx (jako NO2) SO2 Pył ogółem 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kolejne miesiące Rys. 3. Porównanie średnich miesięcznych wartości stężeń NO x, SO 2 i pyłu ogółem w gazach emitowanych do powietrza z analizowanej instalacji w roku 2009 z obowiązującymi standardami emisyjnymi Średnie stężenie w emitowanych gazach [% standardu emisyjnego] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kolejne miesiące CO HCl HF Rys. 4. Porównanie średnich miesięcznych wartości stężeń CO, HCl i HF w gazach emitowanych do powietrza z analizowanej instalacji w roku 2009 z obowiązującymi standardami emisyjnymi Zdecydowanie częściej zdarzały się natomiast podwyższone stężenia średnie dobowe tlenków azotu (NO x ), które czasami (średnio 2 razy w miesiącu) przekraczały obowiązujący dla tej instalacji standard emisyjny 800 mg/m 3 u (przy 10 % O 2 ). O dużych wahaniach stężeń NO x może głównie decydować ich nierównomierne powstawanie z azotu zawartego w paliwach alternatywnych (zwłaszcza spalanych w kalcynatorze, gdyż tutaj dominują tlenki azotu pochodzenia paliwowego) oraz z azotu zawartego w powietrzu spalania (zwłaszcza w piecu obrotowym, w którym dominują tlenki azotu pochodzenia termicznego, silnie zależne od wahań temperatury i dostępności tlenu). W celu

204 R. OLENIACZ, M. KASIETCZUK stałego dotrzymywania ww. standardu emisyjnego lub osiągnięcia standardu emisyjnego obowiązującego dla instalacji nowych (500 mg/m 3 u), wskazane byłoby zastosowanie wybranych pierwotnych lub wtórnych metod redukcji emisji NO x, wynikających z dokumentu referencyjnego dotyczącego najlepszych dostępnych technik (BAT) [4]. Osobny problem stanowi emisja substancji organicznych w postaci gazów i par wyrażonych jako całkowity węgiel organiczny (TOC), których stężenia średnie miesięczne w gazach odlotowych w roku 2009 utrzymywały się na poziomie ok. 8-20 mg/m 3 u, a maksymalne stężenia średnie dobowe osiągały poziom 30 mg/m 3 u (rys. 5). W przypadku TOC średni dobowy standard emisyjny wynoszący 10 mg/m 3 u (przy 10 % O 2 ) nie musi być jednak dotrzymywany, jeśli substancje te nie powstają w wyniku spalania odpadów. Jak wynika z pomiarów wielkości emisji realizowanych w latach poprzednich, gdy ilość stosowanych paliw alternatywnych (odpadów) w analizowanym piecu cementowym była dużo niższa, stężenia TOC występowały na zbliżonym lub wyższym poziomie niż obecnie [17]. Może to świadczyć o tym, że TOC nie powstają w wyniku spalania odpadów, a nawet możliwe jest obniżenie emisji TOC w wyniku spalania dużych ilości odpowiednio dobranych paliw alternatywnych. 40 Stężenie TOC w emitowanych gazach [mg/m 3 u] 35 30 25 20 15 10 5 wartość średnia miesięczna wartość maksymalna dobowa 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kolejne miesiące Rys. 5. Wyniki pomiarów średnich miesięcznych i maksymalnych dobowych stężeń całkowitego węgla organicznego (TOC) w gazach emitowanych do powietrza z analizowanej instalacji w poszczególnych miesiącach roku 2009 Dla porównania w piecu cementowym o wydajności 8500 Mg/dobę, pracującym w Grupie Ożarów S.A., podczas stosowania bardzo małych ilości paliw alternatywnych (przy uzysku ciepła z odpadów i biomasy rzędu 6-7 %, w tym z samych odpadów rzędu 3 %) średnie dobowe stężenia TOC w gazach odlotowych występowały na poziomie ok. 23-25 mg/m 3 u [18], a więc wyższym niż w Cementowni Chełm przy ok. 70 %-owym uzysku ciepła z odpadów. Jak wynika z ciągłego monitoringu emisji prowadzonego w cementowniach zachodnioeuropejskich, stężenia TOC w emitowanych gazach mogą się również utrzymywać na jeszcze wyższym poziomie, rzędu 30-60 mg/m 3 u i to niezależnie od tego, czy są w nich współspalane odpady czy nie [4].

WPŁYW PROCESU WSPÓŁSPALANIA ODPADÓW W PIECU CEMENTOWYM NA JAKOŚĆ POWIETRZA 205 W rozpatrywanej instalacji współspalania odpadów również są dotrzymywane standardy emisyjne określone dla metali ciężkich oraz dioksyn i furanów, o czym świadczą wyniki prowadzonych pomiarów okresowych. 4. Ocena wpływu na jakość powietrza 4.1. Metodyka obliczeń i przyjęte założenia Ocena wpływu procesu współspalania odpadów (w postaci paliw alternatywnych) w analizowanym piecu cementowym została przeprowadzona dla okresu jednego roku kalendarzowego (2009), podczas którego średni udział paliw alternatywnych w bilansie cieplnym tego pieca (wraz z kalcynatorem) przekroczył 70 %. W tym celu wykonano obliczenia rozprzestrzeniania się emitowanych zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym zgodnie z referencyjną metodyką modelowania poziomów substancji w powietrzu [19]. Obliczenia te przeprowadzono z wykorzystaniem oprogramowania EK100w firmy ATMOTERM S.A. oraz wieloletnich statystyk danych meteorologicznych pochodzących ze stacji IMiGW we Włodawie, najbliższej w stosunku do miasta Chełma. W obliczeniach uwzględniono emisję wszystkich substancji monitorowanych w sposób ciągły lub okresowy w postaci emisji maksymalnych dobowych i średnich za okres pracy pieca w poszczególnych miesiącach (w przypadku wykonywania pomiarów ciągłych) lub tylko średnich za okres pracy pieca w ciągu całego roku (w przypadku wykonywania pomiarów okresowych) oraz rzeczywiste średnie parametry gazów na wylocie z emitora. W przypadku substancji mierzonych okresowo, uwzględniono dodatkowo wielkość emisji benzo(a)pirenu (B(a)P). Sposób użytkowania i pokrycia terenu został określony w postaci średniego współczynnika aerodynamicznej szorstkości podłoża dla przyjętego obszaru obliczeniowego, którym był kwadrat o boku 10 km z emitorem umieszczonym pośrodku. Dodatkowe obliczenia przeprowadzono na wysokości najbliższej zabudowy mieszkalnej. Wyniki obliczeń porównano z odpowiednimi wartościami odniesienia (dopuszczalnymi) jednogodzinnymi (D 1 ) i średniorocznymi (D a ), wynikającymi z rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 r. w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu [19]. 4.2. Wyniki obliczeń W tabeli 3 przedstawiono wyniki obliczeń najwyższych ze stężeń maksymalnych jednogodzinnych (S mm ) poszczególnych substancji powodowanych przez rozpatrywany piec cementowy w powietrzu przy powierzchni terenu podczas najbardziej niekorzystnej sytuacji meteorologicznej i najgorszego wariantu emisyjnego (za rok 2009) z podziałem na sezon zimowy i letni. Dla większości analizowanych substancji stężenia S mm otrzymano na poziomie ułamka procenta odpowiedniej jednogodzinnej wartości odniesienia D 1. Nieco wyższe wartości tych stężeń (rzędu 1-3 % wartości odniesienia D 1 ) uzyskano w przypadku B(a)P i SO 2, natomiast w przypadku NO 2 stężenia S mm wystąpiły na stosunkowo wysokim poziomie, choć także poniżej wartości dopuszczalnej (ok. 60 % D 1 ).

206 R. OLENIACZ, M. KASIETCZUK Z uwagi na brak wartości odniesienia w powietrzu, nie ma możliwości bezpośredniej interpretacji wyniki obliczeń powodowanych w powietrzu stężeń dioksyn i furanów. Maksymalne stężenia jednogodzinne rzędu 0,011-0,014 pgteq/m 3 są jednak ok. 2 razy niższe od typowego tła tych substancji rejestrowanego w obszarach wiejskich [20]. Tab. 3. Wyniki obliczeń najwyższych ze stężeń maksymalnych (S mm) wybranych substancji powodowanych w powietrzu przy powierzchni terenu przez analizowaną instalację Rodzaj substancji Jednostka Stężenie S mm w sezonie zimowym letnim Wartość odniesienia D 1 S mm jako % D 1 NO 2 μg/m 3 113,5 117,3 200 57-59 SO 2 μg/m 3 9,60 5,06 350 1,4-2,7 Pył zawieszony PM10 μg/m 3 2,13 1,16 280 0,41-0,76 HCl μg/m 3 1,23 1,18 200 0,59-0,62 HF (jako fluor) ng/m 3 0,0159 0,0219 30 0,053-0,073 CO μg/m 3 214,0 211,0 30000 0,70-0,71 TOC μg/m 3 2,55 3,95 3000 a) 0,09-0,13 B(a)P ng/m 3 0,130 0,170 12 1,1-1,4 Cd ng/m 3 0,00096 0,00126 520 0,00018-0,00024 Hg ng/m 3 2,39 3,13 700 0,34-0,45 As ng/m 3 0,00206 0,00270 200 0,0010 0,0014 Pb ng/m 3 0,118 0,155 5000 0,0024-0,0031 Cr ng/m 3 0,0303 0,0398 4600 b) 0,00066-0,00086 Co ng/m 3 0,00288 0,00378 5000 0,00006-0,00008 Mn ng/m 3 0,100 0,131 9000 0,0011-0,0015 Ni ng/m 3 0,0329 0,0432 230 0,014-0,019 Dioksyny i furany pgteq/m 3 0,0110 0,0144 - - a) wartość odniesienia dla sumy węglowodorów alifatycznych b) wartość odniesienia dla chromu(+6) Najwyższe ze stężeń maksymalnych (S mm ) są powodowane w odległości ok. 1,7 km od emitora pieca cementowego w sezonie zimowym (przy wyniesieniu gazów odlotowych ponad wylot komina ok. 330 m) oraz w odległości ok. 1,4 km od tego emitora w sezonie letnim (przy wyniesieniu gazów odlotowych ponad wylot komina ok. 290 m). Dodatkowe obliczenia stężeń jednogodzinnych przeprowadzone w regularnej siatce obliczeniowej, jak również na wysokości najbliższej zabudowy mieszkalnej także nie wykazały przekroczeń odpowiednich wartości odniesienia D 1. Maksymalne wartości stężeń średniorocznych otrzymane w przyjętym obszarze obliczeniowym również kształtowały się na poziome wielokrotnie mniejszym od odpowiednich wartości odniesienia D a (rys. 6). I w tym przypadku relatywnie najwyższe stężenia w stosunku do wartości dopuszczalnej uzyskano dla NO 2 (rzędu 2,6 % D a ). Z kolei w przypadku dioksyn i furanów maksimum stężeń średniorocznych wyniosło zaledwie 0,22 fgteq/m 3, co stanowi wartość bardzo małą w porównaniu ze stężeniami występującymi w powietrzu nawet na niezanieczyszczonych terenach pozamiejskich [20].

WPŁYW PROCESU WSPÓŁSPALANIA ODPADÓW W PIECU CEMENTOWYM NA JAKOŚĆ POWIETRZA 207 Maksymalne stężenie średnioroczne [% Da] 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 Rys. 6. Porównanie maksymalnych wartości stężeń średniorocznych powodowanych na powierzchni terenu przez rozpatrywaną instalację z wartościami odniesienia D a 5. Podsumowanie i wnioski Na podstawie przeprowadzonych analiz i obliczeń wyciągnięto następujące wnioski: 1. Jak wynika z doświadczeń Cementowni Chełm, współspalanie odpadów w układzie krótkiego pieca cementowego z prekalcynatorem (pracującego metodą suchą) może być z powodzeniem realizowane przy uzysku ciepła z odpadów rzędu 70-75 %, pod warunkiem stosowania odpowiednio dobranych paliw alternatywnych i ograniczeniu ilości spalanych odpadów niebezpiecznych (w analizowanym jednorocznym okresie pracy tej instalacji ich średni udział w stosunku do wszystkich spalanych odpadów nie przekraczał 10 % mas.). 2. Przy tak dużym udziale odpadów w bilansie cieplnym pieca nie obserwuje się podwyższonej emisji zanieczyszczeń do powietrza, a nawet możliwe jest obniżenie emisji niektórych substancji (np. TOC) w stosunku do sytuacji, gdy paliwa alternatywne są stosowane w małych ilościach. W przypadku prawie wszystkich substancji nie ma też problemów z dotrzymywaniem standardów emisyjnych obowiązujących dla pieców cementowych, w którym są współspalane odpady. 3. W analizowanej okresie średnie dobowe standardy emisyjne sporadycznie były przekraczane jedynie w przypadku tlenków azotu (NO x ). Zalecane jest zatem zastosowanie odpowiedniej metody redukcji emisji NO x : pierwotnej (np. chłodzenie płomienia, stopniowanie spalania) lub wtórnej (np. selektywna redukcja niekatalityczna), która powinna zagwarantować stałe dotrzymywanie standardu emisyjnego 800 mg/m 3 u (obowiązującego dla instalacji istniejących) lub zejście poniżej poziomu 500 mg/m 3 u (obowiązującego dla instalacji nowych), nawet w przypadku dużych wahań zawartości azotu w spalanych odpadach.

208 R. OLENIACZ, M. KASIETCZUK 4. Pomimo podwyższonej emisji NO x, powodowane w powietrzu przy powierzchni terenu przez emitor pieca cementowego maksymalne wartości stężeń jednogodzinnych i średniorocznych tych substancji w przeliczeniu na NO 2 powinny występować znacznie poniżej odpowiednich wartości dopuszczalnych. 5. W przypadku pozostałych substancji, dla których są wykonywane ciągłe lub okresowe pomiary wielkości ich emisji do powietrza, oddziaływanie rozpatrywanego pieca cementowego na jakość powietrza jest na pomijalnie małym poziomie, co wynika zarówno ze stosunkowo niskich ich emisji, jak i dobrego wyniesienia gazów odlotowych ponad wylot emitora (rzędu 300 m). Dotyczy to także dioksyn i furanów, których maksymalne stężenia jednogodzinne i średnioroczne powodowane w powietrzu uzyskano znaczne poniżej tła tych substancji występującego zwykle w obszarach wiejskich. Praca została wykonana w ramach badań statutowych AGH nr 11.11.150.008. Bibliografia [1] Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach. Dz. U. z 2010 r. Nr 185, poz. 1243 [2] Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. - Prawo ochrony środowiska. Dz. U. z 2008 r. Nr 25, poz. 150 z późn. zm. [3] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 22 kwietnia 2011 r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji. Dz. U. z 2011 r. Nr 95, poz. 558 [4] European Commission. Reference Document on Best Available Techniques in the Cement, Lime and Magnesium Oxide Manufacturing Industries. May 2010 [5] Stowarzyszenie Producentów Cementu. Broszura Paliwa alternatywne 2011 (http://www.polskicement.com.pl) [6] Mokrzycki E. and Uliasz-Bocheńczyk A.: Alternative fuels for the cement industry. Applied Energy, 2003, 74, 95-100 [7] Cheung, W.H., Choy, K.K.H., Hui, D.C.W., Porter, J.F. and McKay, G. Use of Municipal Solid Waste for Integrated Cement Production. Developments in Chemical Engineering and Mineral Processing, 2006, l4 (1/2), 193-202 [8] Genon, G. and Brizio, E. Perspectives and limits for cement kilns as a destination for RDF. Waste Management, 2008, 28, 2375-2385 [9] Duda, J. i Lepucki, M. Nowe możliwości wykorzystania paliw z odpadów w procesie wypalania klinkieru. W: Paliwa z odpadów 2009 (red. J. Biegańska i M. Landrat). Gliwice: Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów, Wydział Inżynierii Środowiska I Energetyki, Politechnika Śląska, 2009 [10] CEMBUREAU. Sustainable cement production: Co-processing of Alternative Fuels and Raw Materials in the Cement Industry. January 2009

WPŁYW PROCESU WSPÓŁSPALANIA ODPADÓW W PIECU CEMENTOWYM NA JAKOŚĆ POWIETRZA 209 [11] Prisciandaro, M., Mazziotti, G. and Veglió, F.. Effect of burning supplementary waste fuels on the pollutant emissions by cement plants: a statistical analysis of process data. Resources, Conservation and Recycling, 2003, 39, 161-184 [12] Conesa, J.A., Gálvez, A., Mateos, F., Martín-Gullón, I. and Font, R. Organic and inorganic pollutants from cement kiln stack feeding alternative fuels. Journal of Hazardous Materials, 2008, 158, 585-592 [13] Oleniacz, R. Assessment of the impact of using alternative fuels in a cement kiln on the emissions of selected substances into the air. In: Waste to Energy and Environment (ed. J.W. Wandrasz, K. Pikoń and Z. Czekalska). Department of Technologies and Installations for Waste Management Silesian University of Technology, 2010 [14] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 4 listopada 2008 r. w sprawie wymagań w zakresie prowadzenia pomiarów wielkości emisji oraz pomiarów ilości pobieranej wody. Dz. U. z 2008 r. Nr 206, poz. 1291 [15] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/75/UE z dnia 24 listopada 2010 r. w sprawie emisji przemysłowych (zintegrowane zapobieganie zanieczyszczeniom i ich kontrola) (wersja przekształcona). Dz. U. L 334 z 17.12.2010, s. 17 [16] Witryna internetowa CEMEX Polska Sp. z o.o. (http://cemex.pl) [17] Kasietczuk, M. Cementownia Chełm jako instalacja współspalania odpadów. Praca dyplomowa magisterska pod kierunkiem dr inż. R. Oleniacza. AGH, WGGiIŚ, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska, Kraków 2011 (praca niepublikowana) [18] Mazur, M. Ocena efektów środowiskowych stosowania paliw alternatywnych w cementowni Grupa Ożarów S.A. Praca dyplomowa magisterska pod kierunkiem dr inż. R. Oleniacza. AGH, WGGiIŚ, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska, Kraków 2008 (praca niepublikowana) [19] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 r. w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu. Dz. U. z 2010 r. Nr 16, poz. 87 [20] Lohmann, R. and Jones, K.C. Dioxins and furans in air and deposition: a review of levels, behaviour and processes. Science of the Total Environment, 1998, 219 (1), 53-81.