Bezpieczeństwo współspalania

Strategia przemysłu cementowego w zakresie ochrony środowiska opiera się na ograniczeniu zużycia energii, wykorzystaniu odpadów i zminimalizowaniu szkodliwych emisji. Również współspalanie RDF w piecach cementowych jest realizowane w sposób zrównoważony i bezpieczny.

Cementownie w Polsce prawie od dwudziestu lat wykorzystują paliwa alternatywne. Niezależnie od upływu czasu, opinia publiczna jest zainteresowana tym, czy istnieje wpływ współspalania paliw RDF m.in. na poziom emisji do powietrza, produkty uboczne procesu produkcyjnego (np. pyły z pieców) lub produkt finalny ? cement.

Zrównoważone działanie

Pierwsze próby spalania paliw alternatywnych (opon samochodowych) w cementowniach w Polsce podjęto już na początku lat 80. ub.w. Trzeba stwierdzić, że problemy ochrony środowiska nie były wówczas priorytetem w polityce państwa. Jednakże, takie zagospodarowanie odpadów wymaga akceptacji społeczeństwa i stanowi poważne wyzwanie techniczne i ekonomiczne dla zakładu ? niesie za sobą konieczność odpowiedniego przygotowania infrastruktury związanej z instalacją współspalania (magazyny, transport, monitoring zanieczyszczeń i laboratorium badawcze). Ponadto w trakcie realizacji całego procesu współspalania pojawia się wiele rozmaitych kwestii, które należy rozstrzygnąć. Zapewnienie odpowiedniego poziomu ochrony środowiska i bezpieczeństwa pracowników ma kluczowe znaczenie. Bardzo istotne są stałe i przejrzyste relacje ze społecznością lokalną, dające poczucie, że współspalanie w zakładzie cementowym nie powoduje zagrożeń, a wręcz przeciwnie ? jest jedną ze sprawdzonych, bezpiecznych i nowoczesnych metod zagospodarowania odpadów w Europie oraz na świecie. Stosowanie paliw alternatywnych przynosi korzyści nie tylko cementowni, ale również środowisku i społeczeństwu. W 2010 r. ilość ciepła uzyskana z paliw alternatywnych pozwoliła zastąpić w sektorze średnio 39% ciepła potrzebnego do produkcji klinkieru cementowego. Plany przemysłu cementowego zakładają, że udział ciepła z paliw alternatywnych będzie nadal wzrastał, zwłaszcza z uwagi na nie w pełni wykorzystany potencjał w tym zakresie.

Tab. 1. Przemysł cementowy w Polsce

Grupa cementowa	Zakłady
Górażdże Cement	Cementownia Górażdże (współspalanie), przemiałownia Ekocem
Lafarge Cement	Cementownie Małogoszcz (współspalanie) i Kujawy (współspalanie)
Grupa Ożarów	Cementownie Ożarów (współspalanie) i Rejowiec (współspalanie)
Cemex Polska	Cementownie Chełm (współspalanie) i Rudniki (współspalanie)
Dyckerhoff Polska	Cementownia Nowiny (współspalanie)
Miebach/Polen Cement	Cementownia Warta (współspalanie), Cementownia Odra
?	Cementownia Nowa Huta
?	Cementownia Górka ? producent cementu glinowego

 

Tab. 2. Zużycie paliw w przemyśle cementowym w Polsce w 2010 r. [tys. ton]

Paliwo	Zużycie
Węgiel	962,0
Paliwa alternatywne ogółem	982,0
Paliwo alternatywne 19 12 10	737,7
Zużyte opony	89,5
Odpady z elektrowni (popiół zawierający niespalony węgiel)	62,9
Odpady z oczyszczania kopalin	40,9
Tworzywa sztuczne i guma	16,7
Osady ściekowe	11,5
Odpady drewna	7,2
Odpadowa tkanka zwierzęca	4,0
Odpady gumowe	3,6
Pozostałe	8,0

 

Co-processing w cementowni

Produkcja cementu to proces technologiczny, w którym w sposób użyteczny można wykorzystać odpad w całości. Część organiczna jest źródłem ciepła w piecu, a część mineralna staje się wartościowym dodatkiem do wsadu materiałowego. Cementownie w jednym procesie realizują jednocześnie recykling materiałowy i odzysk energetyczny paliwa alternatywnego. Składa się ono z wody w postaci wilgoci, która zostanie odparowana w piecu, substancji organicznych, które dostarczą ciepło w wyniku spalenia i części mineralnej, która po spaleniu zostanie skutecznie wbudowana w strukturę klinkieru cementowego.

Cementownie w Polsce należą do nowoczesnych, zmodernizowanych zakładów, wyposażonych w urządzenia i technologie zgodnie z zaleceniami przewodnika najlepszych dostępnych technik (BAT). Paliwem podstawowym stosowanym w tej branży jest węgiel kamienny, dozowany w postaci pyłu węglowego do palnika pieca. Palniki wielokanałowe to nowoczesne urządzenia, które umożliwiają także wprowadzanie niektórych paliw z odpadów. Z kolei paliwa tego typu mogą być podawane w różnych częściach instalacji w postaci rozdrobnionej lub jako całe opony albo paliwa ciekłe. Do systemu pieca cementowego można wprowadzać różne rodzaje paliw z odpadów z gwarancją, że zostaną spalone w odpowiednio wysokiej temperaturze.

Stosowanie paliw alternatywnych wiąże się z przeprowadzeniem serii prób w cementowni, które pozwalają na określenie ich wpływu na pracę pieca i jego profil termiczny, charakterystykę klinkieru oraz emisje pyłowo-gazowe z instalacji. Ponadto analizy umożliwiają ocenę możliwości i zakresu dozowania paliw pod względem ich parametrów fizykochemicznych.

Proces monitoringu

W piecu cementowym temperatura gazów sięga 2000°C, a czas przepływu produktów spalania przez system pieca obrotowego może wynieść do kilkunastu sekund. W strefie temperatury powyżej 1200°C czas przebywania gazów wynosi nawet do 10 sekund. Zawartość tlenu w gazach odlotowych to 2-3%. Piec cementowy jest urządzeniem stabilnym termicznie ze względu na dużą pojemność cieplną, która uniemożliwia zmianę temperatury w krótkim czasie. Nawet w przypadku awaryjnego przerwania spalania paliwa temperatura powierzchni wymurówki i materiału w piecu nie ulega obniżeniu przez ok. pół godziny. Procesy odzysku energetycznego w cementowniach są całkowicie zautomatyzowane, co pozwala na pełną kontrolę ilości współspalanych odpadów. Magazyny rozdrobnionych paliw alternatywnych są wyposażone w zautomatyzowane systemy dozowania paliw do instalacji transportujących i dozujących do pieców obrotowych. Ponadto posiadają one specjalne systemy ochrony przeciwpożarowej oraz są monitorowane przez kamery. Systemy pieca w cementowniach wyposaża się w urządzenia do ciągłego monitorowania emisji pyłowo-gazowej, pozwalające na stałą kontrolę procesu wypału klinkieru. W przypadku pieca cementowego nie ma problemu z popiołem, który pochodzi ze spalenia. Mineralne składniki popiołu reagują w strefie spiekania ze wsadem surowcowym, wchodząc w skład wypalanego klinkieru, a pyły cementowe są zawracane z powrotem do pieca. Cementownia musi modyfikować zestaw surowcowy, uwzględniając dodatkowe związki chemiczne wprowadzane z paliwem alternatywnym oraz monitorować jakość produkowanego klinkieru i cementu.

Cementownia współspalająca paliwa alternatywne musi zapewnić, określone przez przepisy prawne warunki, w jakich powinien zostać przeprowadzony proces współspalania, a także przestrzegać limitów emisji wielu zanieczyszczeń do powietrza.

Niektóre zanieczyszczenia są monitorowane i kontrolowane w cementowni nie tylko ze względu na wymagania prawne, ale także z uwagi na bezpieczeństwo prowadzenia samego procesu produkcyjnego. Produkcja cementu to proces bardzo skomplikowany, na który może mieć wpływ wiele parametrów. Paliwa alternatywne mogą oddziaływać na proces wypału poprzez zmianę profilu temperaturowego i atmosfery pieca (wydłużenie strefy spiekania surowców i strefy chłodzenia klinkieru, obniżenie temperatury spiekania surowców, obniżenie temperatury klinkieru) lub bezpośrednio na skład chemiczny i mineralny klinkieru.

Pyły, chlorki i fluorki

Pyły należą do cząstek przepływających przez piec, porywanych i unoszonych przez gazy odlotowe do urządzeń odpylających, w których zostają wychwycone i zawrócone z powrotem do pieca. Głównymi składnikami pyłów są węglan i tlenek wapnia oraz magnezu, siarczan wapnia, dwutlenek krzemu oraz sole alkaliów. Bezpośrednim efektem przeprowadzonych w ostatnich latach modernizacji zakładów cementowych było m.in. znaczące ograniczenie emisji pyłowych na tonę produkowanego cementu. W stosunku do 1989 r. emisja pyłu została zredukowana z 5 kg/t cementu do 0,070 kg/t cementu, a to dzięki zainstalowaniu najnowszych urządzeń odpylających we wszystkich cementowniach.

Z kolei chlor w instalacji pieca cementowego jest składnikiem niepożądanym, który w sposób negatywny wpływa na proces wypalania. Gazowe nieorganiczne związki chloru zawarte są w niewielkich ilościach w surowcach i paliwach piecowych (w tym w paliwach alternatywnych). Chlorki reagują z alkaliami, tworząc alkaliczne chlorki. Związki te wstępnie odparowują, kondensują na wsadzie lub pyle piecowym w zakresie temperatur 700-900°C, następnie wprowadzane są ponownie do pieca i znów odparowują. Tworzą one wewnętrzny obieg, wzbogacając się w obszarze między walczakiem pieca a wymiennikiem. Przy wprowadzeniu do układu piecowego powyżej 0,2 g Cl/kg klinkieru wymagany jest zazwyczaj by-pass gazów piecowych. Wtedy schłodzone chlorki alkaliczne zawarte w gazach piecowych zostają wytrącone i wyłapane w odpylaczu. Pyły z by-passu w sposób kontrolowany kierowane są do młynów cementu. Poziom zawartości chloru w paliwach alternatywnych zawsze powinien odpowiadać warunkom zaakceptowanym dla danej instalacji piecowej, a jego ilość winna wynikać z łącznego bilansu chloru wprowadzanego do instalacji piecowej. W przypadku obecności fluoru w piecu obrotowym od 90 do 95% jego ilości jest wyłapywana przez klinkier, natomiast pozostałość zostaje związana z pyłem jako fluorek wapnia. Przy wielkim nadmiarze wapnia w piecu emisja gazowych nieorganicznych związków fluoru jest praktycznie wykluczona.

Metale

Związki metali wprowadzane są do pieca cementowego w surowcach, paliwie naturalnym i alternatywnym. Metale nie ulegają zniszczeniu w urządzeniu do spalania i przeważnie znajdują się w stałych produktach procesu. Zachowanie się metali w procesie wypalania zależy od ich lotności. Nielotne ich związki pozostają w procesie i opuszczają piec jako składniki klinkieru cementowego. Związki metali o ograniczonej lotności są częściowo zabierane przez fazę gazową w temperaturach spiekania, a następnie kondensują na surowcu w chłodniejszych częściach instalacji piecowej. Ilość metali Pb, Cr, Cd i Zn jest ściśle monitorowana ze względu na wpływ tych pierwiastków na jakość klinkieru. Przykładowo cynk jest wiązany w większości w klinkierze, jego ilość powinna być jak najmniejsza z uwagi na wpływ na obniżenie wytrzymałości zapraw cementowych. Metale, które są odporne na wysokie temperatury (Cr, Be, Ba, Ni, As, Ag), wbudowują się w strukturę minerałów klinkierowych i fazę szklistą klinkieru. Najbardziej lotnym metalem jest rtęć. Obniżenie emisji Hg do atmosfery wymaga kontroli ilości wprowadzanych do układu piecowego. Wyniki badań potwierdzają, że w przypadku większości metali nie występują znaczące różnice w wielkości emisji z pieców cementowych współspalających paliwa alternatywne w porównaniu do pieców opalanych tylko paliwem podstawowym.

Tab. 3. Limity emisyjne dla pieców do produkcji klinkieru cementowego, w których współspalane są paliwa alternatywne

Nazwa substancji	Standardy emisyjne [mg/m3] przy 10% zawartości tlenu w gazach odlotowych (dla dioksyn i furanów w ng/m3),	Monitoring
Pył całkowity	30	Pomiary ciągłe: średnie dobowe obliczane na podstawie średnich 30-minutowych
Chlorowodór (HCl)	10
Fluorowodór (HF)	1
Tlenki azotu (NOx) dla istniejących instalacji Tlenki azotu (NOx) dla nowych instalacji	800 (do końca 2013 r.) 500 (od 2014 r.)
Dwutlenek siarki (SO2)	50
Substancje organiczne w postaci gazów i par wyrażone jako całkowity węgiel organiczny	10
Tlenek węgla (CO)	2000
Kadm+tal (Cd+Tl)	0,05	Pomiary okresowe: metale: wartości średnie z pomiarów (minimum 30-min i maks. 8-godz. okres pobierania próbek), dioksyny: min. 6-godz. i maks. 8-godz. okres pobierania próbek
Rtęć (Hg)	0,05
Antymon+arsen+ołów+chrom+kobalt+miedź+mangan+nikiel+wanad (Sb+As+Pb+Cr+Co+Cu+Mn+Ni+V)	0,5
Dioksyny i furany	0,1

 

Związki organiczne

W celu skutecznego utlenienia związków organicznych niezbędne są: odpowiedni czas reakcji, temperatura i kontakt paliwa z powietrzem. Warunki panujące w piecu cementowym wystarczają do osiągnięcia zupełności spalania węglowodorów wielkocząsteczkowych, a także pozwalają na dechloryzację najbardziej trwałych związków organicznych. Badania prowadzone od wielu lat w tym zakresie wykazują, że nie występuje zwiększona emisja dioksyn przy spalaniu paliw alternatywnych w porównaniu do stosowania węgla. Liczne pomiary emisji dioksyn w wielu cementowniach dowodzą, że w piecu cementowym istnieją niekorzystne warunki do powstawania tych związków, a w niektórych przypadkach nastąpiło zmniejszenie emisji. Stwierdzono, że emisja PCDD/PCDF z pieców cementowych nie zależy od rodzaju stosowanych paliw i zawartości w nich stałych zanieczyszczeń organicznych (POP). Wyniki badań potwierdzają natomiast, że emisja związków organicznych i cząstek stałych zależy od warunków przebiegu procesu spalania.

Rzetelna, wyczerpująca informacja, przekazywana ze strony sektora cementowego, jest niezbędna. Należy podkreślać, że współspalanie paliw alternatywnych w cementowni jest realizowane w sposób odpowiedzialny i nie wpływa negatywnie na środowisko, a często może przyczyniać się do obniżenia wielkości emisji do powietrza. Warto też przypominać społeczeństwu, że wytworzone odpady muszą być zagospodarowywane w odpowiedni sposób. Nie bez znaczenia jest efekt ekonomiczny. Należy zatem wykorzystać już istniejące instalacje.

 

dr inż. Bożena Środa, Stowarzyszenie Producentów Cementu