Osady ściekowe w cementowniach

Warunkami współspalania osadów ściekowych są określone właściwości samych osadów, jak również zachowanie odpowiedniej jakości klinkieru oraz dotrzymanie granicznych wielkości emisji zanieczyszczeń do atmosfery.

Według danych Głównego Urzędu Statystycznego (GUS) z 2011 r., w Polsce istnieją 3143 komunalne oczyszczalnie ścieków. Obsługują one ponad 24 miliony mieszkańców. Nowoczesne i wysoko efektywne systemy oczyszczania ścieków powodują wytwarzanie znacznych ilości osadów ściekowych. Zgodnie z informacjami GUS-u, w 2011 r. ilość osadów ściekowych wytworzonych w oczyszczalniach komunalnych wyniosła 519,2 tys. Mg s.m. Według Krajowego Planu Gospodarki Odpadami 2014, prognozowana na 2015 r. ilość suchej masy komunalnych osadów ściekowych osiągnie poziom 662 tys. Mg, a w ciągu kolejnych trzech lat prognozowana masa wytworzonych komunalnych osadów ściekowych zwiększy się o kolejne 64 tys. Mg s.m. Taka ilość osadów stwarza problemy związane z ich zagospodarowaniem, tym bardziej, że od 1 stycznia 2016 r. składowanie nieprzetworzonych osadów ściekowych, które jest jedną z popularniejszych metod zagospodarowania osadów, będzie niemożliwe z uwagi na niespełnienie wymagań określonych w załączniku do Rozporządzenia Ministra Gospodarki z 8 stycznia 2013 r. w sprawie kryteriów oraz procedur dopuszczania do składowania odpadów danego typu (DzU z 2013 r. poz. 38). Poszukuje się zatem możliwości praktycznego zagospodarowania osadów, które będzie bezpieczne i korzystne dla środowiska. Takim rozwiązaniem jest termiczne przekształcenie w piecach cementowych. Zapewnia to unieszkodliwianie odpadu, zastąpienie paliwa kopalnego oraz eliminację popiołu i żużla.

Wymagania prawne

Istotny wpływ na rozwój paliw z biomasy i odpadów, w tym osadów ściekowych, wywarła Ustawa z 22 grudnia 2004 r. o handlu uprawnieniami do emisji do powietrza gazów cieplarnianych i innych substancji, która obecnie została zastąpiona przez Ustawę z 28 kwietnia 2011 r. o systemie handlu uprawnieniami do emisji gazów cieplarnianych. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z 12 września 2008 r. w sprawie sposobu monitorowania wielkości emisji substancji objętych wspólnotowym systemem handlu uprawnieniami do emisji w części F, będącej wykazem biomasy neutralnej pod kątem emisji CO₂, do tej grupy zaliczone zostały osady ściekowe. Neutralność polega na tym, że wskaźnik emisji CO₂ wynosi 0 Mg CO₂/TJ. Dla instalacji spalania odpadów ustawa Prawo ochrony środowiska z 27 kwietnia 2001 r. (DzU z 2008 r. nr 25. poz. 150, z późn. zm.) artykułuje wymóg stosowania technik BAT. W przypadku produkcji cementu, wapna i tlenku magnezu najlepsze dostępne techniki zawarto w dokumencie referencyjnym, będącym zapisem wymiany informacji przeprowadzonej zgodnie z art. 16 ust. 2. Dyrektywy Rady 96/61/WE. W czerwcu 2010 r. został opublikowany, przyjęty przez Komisję, znowelizowany BREF/BAT dla przemysłu cementowego. Z kolei Rozporządzenie Ministra Środowiska z 22 kwietnia 2011 r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji (DzU z 2011 r. nr 95, poz. 558) określa standardy emisyjne z instalacji w zakresie wprowadzania gazów lub pyłów do powietrza, zróżnicowane w zależności od rodzaju działalności, procesu technologicznego lub operacji technicznej oraz sposobu monitorowania. Rozporządzenie to poprzez załącznik 6 część II podaje m.in. wartości emisji dla pieców cementowych współspalających odpady. Podane stężenia odnoszą się do średnich wartości dziennych (dla pomiarów ciągłych), podanych w mg/m³ (dioksyny i furany w ng/m³ TEQ) przy zawartości 10% tlenu w gazach odlotowych. Inne wymagania wynikają z nowej Dyrektywy UE z 24 listopada 2010 r. w sprawie emisji przemysłowych ? IED, która od 2014 r. zastąpi dyrektywę 96/61/WE.

Warunki dla współspalania

Dotychczas podstawowymi paliwami w przemyśle cementowym były węgiel, gaz czy olej opałowy. Ostatnio jednak coraz chętniej i częściej wykorzystywane są paliwa alternatywne, głównie formowane na bazie odpadów. Szeroką gamę odpadów, które mogą być spalane w procesie produkcji cementu przedstawia tabela 1.

W tym aspekcie osady ściekowe, a w szczególności osady wysuszone, stanowią interesującą opcję, przy czym zaleca się, aby maksymalny udział osadów w mieszance paliwowej nie był większy niż 5%¹. Ten dość restrykcyjny warunek wynika przede wszystkim z konieczności spełnienia wymagań środowiskowych. Trzeba jednak zaznaczyć, że w piecach cementowych panują bardzo dobre warunki, temperatura spalania w piecu dochodzi do 2000°C, a na wylocie z walczaka wynosi ok. 1000 ? 1200°C (rys. 1). Temperatura materiału wzrasta z 830°C do 1450°C w ciągu ok. 20 minut. Czas przebywania gazów w piecu cementowym spełnia wymogi prawne termicznej utylizacji odpadów, gdyż jest to od 8 do 10 sekund w temperaturze powyżej 1100°C, przy czym temperatura ponad 1600°C utrzymuje się przez 2-3 sekundy. Wymienione warunki są wystarczające do całkowitej  neutralizacji wielkocząsteczkowych węglowodorów czy odchlorowania dioksyn. Ponadto proces prowadzony jest w środowisku alkalicznym, dzięki czemu zobojętnieniu ulegają kwaśne składniki gazów spalinowych, takie jak: chlorowodór, fluorowodór czy ditlenek siarki, a powstałe związki wchodzą w skład klinkieru. Duża bezwładność cieplna wyklucza przypadkową awaryjną emisję zanieczyszczeń, gdyż temperatura spada bardzo powoli. Zaletę stanowi również to, że niepalne części, w tym przede wszystkim metale ciężkie, wbudowane zostają w strukturę klinkieru. Proces sam w sobie jest bezodpadowy.

Od­pady przeznaczone do spalania w piecu cementowym muszą być odpowiednio do tego przygotowane. Istotne są: ich stan fizyczny, wartość opałowa, skład chemiczny (w szczególności zawartość Na, K, Cl, F), tok­syczność (cząsteczki aromatyczne, PCB, metale ciężkie), ilość i skład chemiczny popiołu, wilgotność, jednorodność, zdol­ność do obróbki i transportu, uziarnie­nie oraz gęstość². Wartość opałowa paliwa odpadowego, przy której zawarta w paliwie energia jest efektywnie wykorzystywana w procesie wypalania klinkieru, nie może być niższa niż 12 MJ/kg dla paliw stałych. Polskie cementownie należące do koncernu Lafarge określiły podstawowe wymagania przyjęcia odpadów. Muszą one spełniać następujące kryteria: kaloryczność powyżej 14 MJ/kg (średnia tygodniowa) oraz 11,7 MJ/kg (średnia dzienna), zawartość chloru poniżej 0,5%, siarki poniżej 2,5%, polichlorowanych bifenyli (PCB) poniżej 5 ppm, a metali ciężkich poniżej 2500 ppm (rtęć < 10 ppm, kadm+tal+rtęć < 100 ppm). W przypadku cementowni Rudniki oraz Chełm, należących do grupy Cemex, wymagania są następujące: dla paliw RDF wartość opałowa w przypadku podawania do kalcynatora powinna być większa niż 17 MJ/kg, a w razie dozowania przez główny palnik wyższa niż 20 MJ/kg. Ponadto wilgotność powinna wynosić poniżej 20%, siarki i chloru winno być odpowiednio mniej niż 1% i 0,7%. Natomiast w przypadku osadów ściekowych wymogi wymuszają wartość opałową > 12 MJ/kg, wilgotność < 10%, zawartość chloru < 0,7%, zawartość siarki < 1% i sumę metali ciężkich < 2000 ppm³.

Tab. 1. Paliwa alternatywne w produkcji cementu¹

Paliwa ciekłe	smoła, odpady chemiczne, rozpuszczalniki, zużyte oleje, odpady petrochemiczne, odpady lakiernicze i farb
Paliwa stałe	odpady gumowe, odpady opakowaniowe z tworzyw sztucznych, paliwa alternatywne na bazie frakcji odpadów komunalnych, paliwa formowane, osady ściekowe
Paliwa gazowe	gaz syntetyczny, gaz pirolityczny

 

Dostarczanie paliw

Ponadto osady powinny być dostarczone w postaci granulatu lub pyłu. W zależności od typu instalacji oraz własności fizycznych odpadów wyróżnia się rozmaite techniczne rozwiązania sposobu podawania. Może być on podawany wprost do strefy spalania wspólnie z paliwem podstawowym. W ten sposób mogą być podawane paliwa płynne, pyliste lub drobno rozdrobnione o wysokiej wartości opałowej, bowiem nie powoduje to obniżenia temperatury płomienia. Przy niskiej kaloryczności paliwa jego ilość musi być ograniczona. Taki sposób podawania jest najbardziej korzystny, gdyż paliwo spalane jest w strefie o najwyższej temperaturze, a więc szczególnie zalecanej dla paliw, które w swym składzie zawierają związki organiczne trudno ulegające rozkładowi termicznemu. Od strony tzw. zimnego końca pieca paliwo dozuje się do pieca poprzez śluzę. W miejscu podawania temperatura gazów wynosi 1100-1200°C, a temperatura wypalanego materiału ok. 830°C. Paliwo wraz z materiałem przemieszcza się w kierunku stref coraz wyższych temperatur.
W ten sposób można podawać wszelkie paliwa stałe, bez ograniczeń co do ich postaci fizycznej. Ilość podawanego paliwa jest ograniczona i uzależniona od zawartości tlenu w gazach na wylocie z walczaka. Paliwo może być dostarczone poprzez podanie do kalcynatora. Do kalcynatora doprowadza się dodatkowe powietrze, dzięki czemu proces spalania jest niezależny od spalania w piecu. Temperatura spalania wynosi 1000-1100°C. Do kalcynatora mogą być poddawane odpady płynne lub rozdrobnione w dowolnej ilości.

Praktyczne rozwiązania

Podawanie paliw alternatywnych oraz osadów ściekowych w cementowniach Chełm oraz Rudniki przedstawiono odpowiednio na rysunkach 2 i 3. Istnieje również możliwość podawania osadów do chłodników rusztowych⁴. Schemat takiego rozwiązania przedstawiono na rysunku 4. Przeprowadzone badania w rozmaitych układach technologicznych pozwoliły na stwierdzenie, że 10-procentowy dodatek suchej masy osadów ściekowych do miału węglowego nie powodował pod względem parametrów procesu oraz emisji zanieczyszczeń znaczących różnic w stosunku do wypalania cementu wyłącznie paliwem naturalnym (pył węglowy, koks ponaftowy)². Porównanie parametrów emisyjnych przedstawiono w tabeli 2. Współspalanie osadów ściekowych w cementowniach grupy Cemex realizowane jest dopiero
od kilku lat. W cementowni Chełm proces współspalania uruchomiono w 2009 r. Natomiast
w cementowni Rudniki rok później. W tabeli 3 przedstawiono ilości osadów ściekowych, które poddano procesowi współspalania w obu cementowniach³. Jak widać, nie są to znaczące wielkości w całej ilości współspalanych paliw alternatywnych. Jednak ich masa z roku na rok rośnie. W 2011 r. udział współspalonych osadów ściekowych w całej ilości paliw alternatywnych dostarczonych do grupy Cemex stanowił masowo jedynie 1,5%. Podobnie jest w pozostałych grupach cementowych.

Tab. 2. Porównanie parametrów emisyjnych procesu wypalania w piecu cementowym².

Emitowane zanieczyszczenie	Jednostka	Wypalanie bazowe	Wypalanie ekomiałem	Standardy emisyjne
Pył	mg/m3 (kg/h)	13,5/14,8 (0,266/0,250)	8,0/6,9 (0,280/0,277)	30
CO	mg/m3 (kg/h)	792,7 (13,8)	700,7 (25,7)	2 000
SO2	mg/m3 (kg/h)	0	0	50
NOx	mg/m3 (kg/h)	2 160,0 (37,5)	2018 (73,9)	800
TOC	mg/m3	1,92	1,45	10
HCL	mg/m3	0,353	0,386	10
HF	mg/m3	0,0035	0,0036	1
Cd+Ti	mg/m3	0,000177	0,000333	0,05
Hg	mg/m3	Bd.	Bd.	0,05
S pozostałe	mg/m3	0,0136	0,0117	0,5

 

Tab. 3. Ilość osadów ściekowych poddanych procesowi współspalania w cementowniach grupy Cemex [tys. Mg]

Cementownia	2009	2010	2011	Razem
Chełm	1 719	5 522	6 251	13 492
Rudniki	–	1 047	1 406	2 453

 

Przy szacowanej produkcji cementu w Polsce w 2020 r. ok. 20 mln ton i przy założeniu 5-procentowego udziału osadów ściekowych w mieszance paliwowej uzyskano by możliwość unieszkodliwiania blisko 100 tys. ton s.m. osadów rocznie. Okazuje się to możliwe także dzięki rozwiązaniu zapewniającemu nowe możliwości współspalania paliw alternatywnych, w tym osadów ściekowych. Chodzi o technikę spalania w atmosferze wzbogaconej w tlen, tzw. oxy-fuel. Trwają obecnie prace, realizowane w ramach projektu badawczego współfinansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju jako Projekt Strategiczny PS/E/2/66420/10 pt. ?Zaawansowane technologie pozyskiwania energii: Opracowanie technologii spalania tlenowego dla kotłów pyłowych i fluidalnych zintegrowanych z wychwytem CO₂?. Badane są też możliwości wykorzystania tej technologii do unieszkodliwiania osadów ściekowych przy współspalaniu w warunkach cyrkulacyjnej warstwy fluidalnej. Niemniej, aktualnie dzięki paliwom alternatywnym uzyskuje się w przypadku palnika piecowego substytucję do 45% ciepła. W technologii oxy-fuel w tych samych warunkach przy 60-procentowym udziale tlenu substytucja ta może wynieść nawet 80% dla paliwa alternatywnego i do 60% dla osadów ściekowych.

Cementownia najlepszym utylizatorem

Problem zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych narasta. Wynika to z coraz większej ilości wytwarzanych osadów oraz uwarunkowań legislacyjnych, stwarzających coraz mniejsze możliwości zagospodarowania w postaci rolniczego, w tym przyrodniczego, wykorzystania czy składowania. W szczególności należy mieć na uwadze fakt, że od 1 stycznia 2016 r. deponowanie nieprzetworzonych osadów ściekowych na składowiskach odpadów będzie praktycznie niemożliwe z uwagi na niespełnienie wymagań określonych w załączniku do Rozporządzenia Ministra Gospodarki z 8 stycznia 2013 r. w sprawie kryteriów oraz procedur dopuszczania do składowania odpadów danego typu (DzU z 2013 r. poz. 38). Wymusza to zatem poszukiwanie rozwiązań, w tym m.in. na drodze termicznego unieszkodliwiania. Jednym z interesujących sposobów w tym zakresie jest właśnie unieszkodliwianie osadów w przemyśle cementowym. Podstawą tej metody jest fakt, że przemysł cementowy realizuje wysokotemperaturowy proces klinkieryzacji specyficznej mieszanki surowcowej, posiadając odpowiednie rozwiązania technologiczne i organizacyjne. Wysoka temperatura procesu oraz czas przebywania spalin w piecu spełniają wymogi prawne termicznej utylizacji odpadów. Warunki te są wystarczające do całkowitej neutralizacji wielkocząsteczkowych węglowodorów oraz odchlorowania dioksyn. Proces prowadzony jest w środowisku alkalicznym, dzięki czemu zobojętnieniu ulegają kwaśne składniki gazów spalinowych, takie jak: chlorowodór, fluorowodór czy ditlenek siarki, a powstałe związki wchodzą w skład klinkieru. Duża bezwładność cieplna wyklucza przypadkową awaryjną emisję zanieczyszczeń, gdyż temperatura spada bardzo powoli. Zaletą jest również to, że niepalne części, w tym przede wszystkim metale ciężkie, zostają wbudowane w strukturę klinkieru, a proces sam w sobie jest bezodpadowy, co niewątpliwe zmniejsza kolejną uciążliwość, czyli konieczność zagospodarowania ubocznych produktów spalania paliw i odpadów.

Źródła

1. Kaantee U., Zevenhoven R., Backman R., Hupa M.: Cement manufacturing using alternative fuels and the advantages of process modelling. ?Fuel Processing Technology?, vol. 85, nr 4, 2004.
2. Sładeczek F., Niemczyk P.: Ekologiczne i techniczne aspekty współspalania osadów ściekowych w przemyśle cementowym i w energetyce. ?Archiwum spalania?, vol. 6, nr 1-4, 2006.
3. Bąbelewski P.: Współspalanie paliw alternatywnych w cementowniach Cemex Polska. I Forum Paliw Alternatywnych. Lubliniec 2011.
4. Sładeczek F.: Aktualny stan współspalania paliw z odpadów w piecach cementowych w Polsce. I Forum Paliw Alternatywnych. Lubliniec 2011.

dr inż. Jurand Bień, Politechnika Częstochowska