Produkcja tzw. paliw alternatywnych z odpadów w celu wykorzystania ich w przemyśle cementowym jest dużym wyzwaniem dla zakładów mechanicznego przetwarzania, ponieważ cementownie stawiają coraz wyższe wymagania. Istotny parametr to np. wartość opałowa, która powinna wynosić > 20 MJ/kg. Równie ważne są wilgotność: < 15% i zawartość metali ciężkich: < 2500 mg/kg. Wśród innych parametrów wyróżnia się zawartość chloru, która powinna wynosić < 1%, zawartość siarki < 1,5% oraz popiołu < 15%. Ponadto paliwo winno mieć postać rozdrobnionych, stałych odpadów o granulacji nie większej niż 40 mm i musi stanowić jednorodną mieszaninę. W związku z tym należy tak zorganizować proces przetwarzania odpadów, aby spełnić te wymagania.

Logistyka przetwarzania

W celu ograniczenia zawartości popiołu w paliwie trzeba wcześniej wydzielić drobną frakcję mineralną, która mogłaby przedostać się w końcowym etapie separacji do powietrznej frakcji palnej, kierowanej do paliwa. Przy wydzielaniu tej frakcji z odpadów komunalnych najlepiej sprawdzają się przesiewacze bębnowe lub rusztowe. Jeżeli naszym zamiarem jest chęć uzyskania paliwa o jak najwyższej kaloryczności, to należy kierować do niego frakcje palne, charakteryzujące się wysokim ciepłem spalania. W tym przypadku warto stosować przede wszystkim tworzywa sztuczne (PE, PP itp.), a unikać frakcji wilgotnych i niskokalorycznych. Materiałami higroskopijnymi są papier i tektura, które przejmują także wilgoć od odpadów kuchennych, a z tego względu zbyt wysoki udział tej frakcji w paliwie mógłby wpłynąć na obniżenie jego kaloryczności. Nie można przekroczyć dopuszczalnej zawartości chloru w paliwie, zatem nie wolno kierować do niego frakcji, które zawierają go najwięcej, czyli PCV. Zasada ta odnosi się również do zawartości siarki i metali ciężkich.

Wytwarzając paliwo z poszczególnych rodzajów odpadów przemysłowych, należy wcześniej w laboratorium zbadać ich ciepło spalania, zawartość chloru, siarki i metali ciężkich, w celu uzyskania jak najpełniejszych informacji. Istnieje też konieczność przeprowadzenia kontroli, czy odpady nadają się na składnik paliwa alternatywnego oraz w jakich proporcjach je zmieszać, aby produkt końcowy miał jak najwyższą kaloryczność. Ponadto nie może być przekroczona zawartość siarki, chloru i metali ciężkich. Rozdrabnianie jest także niezbędnym procesem w ramach wytwarzania paliwa z odpadów, a zastosowanie wstępnego rozdrabniania zwiększa efektywność separacji metali magnetycznych, niemagnetycznych oraz frakcji lekkiej, wydzielanej przez separator powietrzny. Obecnie urządzenia używane w technologiach sortowania i przetwarzania odpadów pozwalają uzyskać frakcję palną o wysokiej kaloryczności, pozbawioną zawartości metali, balastu i organiki. Wpływa to dodatnio na wartość opałową i poprawia właściwości energetyczne paliwa.

Cena jakości

Oczywiście im lepsza jakość paliwa, tym wyższa cena dla odbiorcy. W związku z tym cementownie, w zależności od jakości otrzymywanego paliwa alternatywnego (najistotniejsze kryterium to parametr wartości opałowej), płacą 50-100 zł/Mg. Koszty wytwarzania paliw stanowią istotną część kosztów eksploatacyjnych zakładów mechanicznego przetwarzania odpadów komunalnych i przemysłowych. Jednak obniżenie o jedną tonę strumienia odpadów kierowanego na składowisko stanowi oszczędność ok. 200 zł (opłata marszałkowska plus za składowanie).

W Polsce sortownie odpadów kojarzone są głównie z przesiewaczami bębnowymi i ręcznym sortowaniem odpadów komunalnych. Niestety, ich efektywność jest często niewielka. Nieraz tego typu inwestycje realizowane są tylko po to, aby zmienić kod odpadu na ,,odpady po mechanicznym przetwarzaniu odpadów” i na składowisku uiścić niższą opłatę marszałkowską. Ukrócenie tego procederu spowoduje Rozporządzenie Ministra Środowiska z 8 stycznia 2013 r. w sprawie kryteriów oraz procedur dopuszczania odpadów do składowania na składowisku danego typu (DzU z 2013 r., poz. 38), narzucające restrykcyjne warunki składowania pozostałości po mechanicznej obróbce odpadów.

Zgodnie z rozporządzeniem, od 1 stycznia 2016 r. nie będzie możliwe składowanie odpadów o kodzie 19 12 12. Oznaczono nim odpady pochodzące z mechanicznej obróbki, w których ogólny węgiel organiczny (TOC) wynosi > 5% suchej masy, strata przy prażeniu > 8% s.m., a ciepło spalania > 6 MJ/kg s.m. Kaloryczność balastu z większości polskich sortowni, a szczególnie z tych, w których pozostałość po wydzieleniu surowców wtórnych nie jest wykorzystywana do wytwarzania paliwa z odpadów, przekracza wartość zapisanych w rozporządzeniu z 8 stycznia br. 6 MJ/kg s.m. ciepła spalania, 5% ogólnego węgla organicznego oraz 8% straty przy prażeniu. Zapisy te wymuszą modernizację sortowni w Polsce, wpływającą na zwiększenie ich efektywności, a w konsekwencji zmniejszenie strumienia odpadów trafiających na składowisko. Dotyczy to większości sortowni wchodzących w skład zakładów mechaniczno-biologicznego przetwarzania odpadów komunalnych w Polsce. W balaście pochodzącym z polskich sortowni jest jeszcze bardzo dużo frakcji wysokokalorycznej1.

Jak pozbyć się balastu?

Sposobem na spełnienie restrykcyjnych zapisów jest wytwarzanie z frakcji balastowej z sortowni paliwa dla cementowni, a w przyszłości także dla elektrociepłowni, przy zastosowaniu dodatkowych urządzeń, pozwalających na wydzielenie z balastu tych frakcji palnych, które są pożądane jako składniki takiego paliwa. Do ich wydzielenia możemy wykorzystać separator powietrzny lub sorter automatyczny. Następnie w linii technologicznej należy umieścić rozdrabniacz, powalający na uzyskanie odpowiedniej granulacji paliwa – najczęściej jest to granulacja poniżej 40 mm. Opcjonalnie tego typu mieszankę możemy wzbogacić innymi frakcjami wysokokalorycznymi, pochodzącymi z odpadów przemysłowych. O tym, czy zakład zgodzi się na taką inwestycję, decyduje rachunek ekonomiczny, na który najważniejszy wpływ ma ilość przerabianych rocznie odpadów. Najczęściej zakłady mechanicznego przetwarzania odpadów wytwarzające paliwa alternatywne przetwarzają rocznie 40 tys. – 100 tys. Mg odpadów komunalnych lub przemysłowych.

Cementownie są zainteresowane dostawcami zapewniającymi utrzymanie dostaw dużych ilości paliwa, spełniającego wymagania i niechętnie podejmują współpracę z małymi podmiotami. Niewielkim sortowniom odpadów komunalnych zmieszanych pozostaje możliwość porozumienia się z innymi zakładami i wytwarzanie paliwa w jednym z nich. Przy inwestycji polegającej na budowie lub rozbudowie zakładu mechanicznego przetwarzania odpadów o linię technologiczną wytwarzania paliw z odpadów należy uwzględnić także sezonowość pracy cementowni, tzw. przestoje. Tego typu inwestycje wymagają budowy hali do magazynowania paliwa z odpadów.

Większość zakładów produkujących paliwa alternatywne w Polsce posiada także własne laboratoria, służące do kontroli jakości otrzymywanego paliwa. Bada się także właściwości paliwowe poszczególnych palnych rodzajów odpadów pod kątem możliwości wykorzystania ich jako wsadu do paliwa z odpadów. Frakcje odpadów stanowiące wsad do paliwa alternatywnego muszą spełniać określone kryteria jakościowe, aby otrzymane paliwo spełniało wymagania cementowni. Zakłady mechanicznego przetwarzania odpadów powinny zostać wyposażone w specjalny system ochrony przeciwpożarowej, na który składają się mgła wodna, działka pianowe i instalacje tryskaczowe.

Jednostkowe procesy wytwarzania

Właściwa organizacja systemu przetwarzania odpadów w paliwa jest podstawą ich efektywnego pozyskania i pozwala na zapewnienie gwarantowanej jakości. Przetwarzając odpady komunalne i przemysłowe, wykorzystuje się procesy rozdrabniania i separacji przy użyciu separatorów metali magnetycznych, niemagnetycznych, powietrznych oraz alternatywnych automatycznych separatorów optycznych, coraz powszechniej stosowanych i pozwalających na uzyskanie wysokiej jakości paliw. O efektywności przetwarzania odpadów w zbywalne surowce wtórne i paliwa z odpadów decyduje odpowiednia kolejność następujących po sobie procesów.

Odpady komunalne zmieszane wyładowywane są w punkcie przyjęcia odpadów komunalnych zmieszanych, który powinien znajdować się pod zadaszeniem, w celu ograniczenia zawilgocenia odpadów w trakcie opadów atmosferycznych. Przetwarzając odpady komunalne zmieszane, na początku należy zastosować rozrywacz worków. Worki mogą rozrywać np. pracownicy przy leju bunkrowym, do którego odpady podawane są przy pomocy ładowarki. Przy rozładunku odpadów musi być obecny pracownik sortowni, którego zadaniem jest sprawdzenie zgodności z deklaracjami przyjętych odpadów. W razie stwierdzenia jakichkolwiek nieprawidłowości w ich składzie pracownik udokumentuje to kamerą cyfrową, zanotuje numer rejestracyjny samochodu oraz datę i godzinę rozładunku odpadów. Punkt przyjęcia odpadów powinien być na tyle duży, aby umożliwić swobodne manewrowanie śmieciarkom i ładowarce oraz zapewnić odpowiednią rezerwę miejsca w razie przestoju instalacji. Dyspozytor w sortowni powinien znajdować sie w stałym kontakcie z pracownikiem pracującym przy załadunku odpadów na linię technologiczną. W punkcie przyjęcia zaleca się wydzielać: wielkogabarytowe odpady, gruz, odpady niebezpieczne oraz długie i duże przedmioty, które mogłyby zablokować linię technologiczną.

Odpady komunalne zmieszane podawane są na linię technologiczną ładowarką kołową do mobilnego leja zasypowego i dalej przenośnikiem bunkrowym wznoszącym, aż do wstępnej kabiny sortowniczej. Ważne jest równomierne podawanie ładowarką kołową odpadów do mobilnego leja zasypowego, aby na przenośnik taśmowy sortowniczy nie trafiała zbyt gruba warstwa odpadów. Mogłoby to utrudnić wydzielanie wybranych frakcji odpadów. We wstępnej kabinie sortowniczej wydzielane jest najczęściej szkło, z podziałem na bezbarwne i kolorowe. Jest to bardzo istotne, bo w przeciwnym razie frakcja szkła ulegnie stłuczeniu w przesiewaczu bębnowym i trafi do frakcji podsitowej, co skutkuje utratą surowca wtórnego. Przy okazji może nastąpić zanieczyszczenie frakcji podsitowej, kierowanej do stabilizacji tlenowej. We wstępnej kabinie sortowniczej pracownicy ręcznie wydzielają gruz, aby nie powodował ścierania sit w przesiewaczu. Ponadto wydzielane są też odpady niebezpieczne oraz kartony, folie i tekstylia o dużej powierzchni, aby nie utrudniały dalszych procesów separacji.

Odpady komunalne po przejściu przez wstępną kabinę sortowniczą trafiają z przenośnika sortowniczego na przenośnik wznoszący, podający je do przesiewacza bębnowego, najczęściej dwusekcyjnego. W pierwszej sekcji stosuje się oczka o wielkości 20 mm lub mniejsze w celu wydzielenia drobnej frakcji mineralnej, do której trafia także część frakcji organicznej. Drobną frakcję mineralną warto wydzielać szczególnie w sezonie grzewczym. Wówczas wykorzystuje się centralne ogrzewanie, najczęściej węglowe, w związku z czym udział popiołu w odpadach komunalnych jest wysoki. W drugiej sekcji przesiewacza stosuje się zazwyczaj oczka o wielkości 80 mm i wydziela się frakcję organiczną, zanieczyszczoną innymi frakcjami. Kieruje się ją najczęściej do stabilizacji w procesie kompostowania. Tak przygotowany strumień odpadów trafia do głównej kabiny sortowniczej, gdzie wydzielane są cenne surowce wtórne, czyli PET z podziałem na kolory, a także inne tworzywa, np. opakowania po chemii gospodarczej oraz papier i tektura. W przypadku dużego strumienia odpadów warto użyć separatorów optopneumatycznych wraz z przenośnikami przyśpieszającymi oraz zamontować np. dwie kabiny sortownicze. Sorter tego typu może wydzielić ze strumienia odpadów np. tylko PET, który w kabinie sortowniczej zostanie ręcznie rozdzielony na kolory, lub tylko papier, który ulegnie doczyszczeniu. Za kabiną sortowniczą można zamontować separatory metali magnetycznych (magnes lub elektromagnes), wydzielające metale żelazne, oraz separator metali niemagnetycznych (separator wiroprądowy), wyodrębniający metale nieżelazne.

Z pozostałości po wydzieleniu cennych surowców wtórnych można wytworzyć paliwo z odpadów, ponieważ zawiera ona jeszcze dużo frakcji. W celu ich wydzielenia stosuje się separator powietrzny, który często wykorzystuje się również po wstępnym rozdrobnieniu odpadów, lub sorter automatyczny, z wysoką skutecznością wydzielający tylko te frakcje, które mają znaleźć się w paliwie, pozostawiając zbędny balast oraz tworzywa zawierające chlor. Wydzielone frakcje, nadające się na wsad do paliwa, kierowane są do rozdrabniacza z sitem ograniczającym wielkość rozdrabnianego materiału (najczęściej poniżej 40 mm). Do rozdrabniacza kierowane mogą być równocześnie wybrane frakcje odpadów przemysłowych, stosowane jako wsad do paliwa alternatywnego.

Sortery optyczne

W ostatnim okresie zrealizowano kilka przedsięwzięć, w ramach których wkomponowano w istniejące instalacje technologiczne separatory optyczne, aby możliwe stało się maksymalne odzyskiwanie frakcji tworzyw sztucznych oraz papieru. W efekcie modernizacji odzyskuje się ponad 80-90% tworzyw sztucznych oraz ponad 85-90% papieru ze strumienia odpadów kierowanych do separatorów. Wybrane tworzywa sztuczne wydzielone w tych instalacjach wykorzystywane są do produkcji wysokiej jakości paliw alternatywnych2.

Odpowiednio przygotowany strumień odpadów trafia do strefy działania sortera optycznego, który wydziela zadane frakcje palne, mające wysoką kaloryczność, a zarazem zawierające nieznaczne ilości: chloru, siarki, matali ciężkich oraz innych niepożądanych składników. W tym przypadku decyduje też rachunek ekonomiczny, np. nie opłaca się kierować do paliwa PET-u, ponieważ tona tego bezbarwnego tworzywa kosztuje nawet ok. 2 tys. zł, a za tonę paliwa z odpadów płaci się ok. 80 zł. Przy pomocy sortera można wydzielać także frakcje, których nie chcemy zawrzeć w paliwie, np. PCV. Standardowo kontrola jakości produkowanego paliwa prowadzona jest w laboratoriach, ale istnieje również możliwość prowadzenia jej w sposób ciągły – w samej instalacji. Analiza online paliwa alternatywnego bazuje na skanerze wykorzystywanym w separatorze optycznym i obejmuje najczęściej badanie podstawowych parametrów, takich jak wartość opałowa, zawartość chloru i wilgoci.

Istota procesu rozdrabniania

Rozdrabnianie jest jednym z głównych procesów jednostkowych w ramach przetwarzania odpadów3. Wiąże się ono z wykorzystaniem technologii recyklingu odpadów oraz z wytwarzaniem paliw z odpadów i służy uzyskaniu produktu o określonym rozmiarze cząstek. Proces ten polega na otrzymaniu materiału o drobniejszym uziarnieniu i większej powierzchni właściwej. Wzrost powierzchni właściwej powoduje, że rozdrobnione materiały szybciej ulegają dalszym procesom fizycznym, chemicznym lub biologicznym. W praktyce przy doborze sposobu rozdrabniania należy uwzględnić odpowiednie warunki.

Niezwykle istotna jest podatność materiałów, która zależy od właściwości wytrzymałościowych rozdrabnianych materiałów. Następnie trzeba uwzględnić pracę techniczną, niezbędną do rozdrobnienia danego materiału, zależną od jego struktury. Jest to szczególnie ważne w przypadku materiałów polimerowych i ich często dwufazowej struktury. Należy zwrócić również uwagę na czas przebywania materiału w przestrzeni roboczej rozdrabniacza. Wzrost stopnia rozdrobnienia związany jest przede wszystkim ze zwiększeniem hipotetycznej liczby zetknięć materiału z elementami roboczymi maszyny. Przedłużenie tego czasu ma wpływ na wydajność rozdrabniania, destrukcję i degradację tworzywa4. Podstawowymi sposobami rozdrabniania są: zgniatanie, rozrywanie, ścinanie, łamanie, ścieranie, uderzanie oraz rozłupywanie5. W zależności od cech materiału rozdrabnianego lub jego wielkości, stosuje się odpowiednie sposoby rozdrabniania, np. w układzie otwartym lub zamkniętym, gdzie materiał w komorze rozdrabniany jest tak długo, dopóki nie będzie mniejszy od wielkości oczek sita.

W przypadku wytwarzania paliw z odpadów najczęściej stosuje się rozdrabnianie w układzie zamkniętym. Ze względu na prędkość obrotową wirnika i z uwagi na uzyskiwany stopień rozdrobnienia, rozdrabniarki można podzielić na wolnoobrotowe (ok. 60 obrotów/min.) i szybkoobrotowe (do 300 obrotów/min.). W ramach przetwarzania odpadów w paliwa alternatywne rozdrabniacze wolnoobrotowe stosuje się przy wstępnym rozdrabnianiu odpadów, a szybkoobrotowe przy końcowym. Stopień rozdrobnienia oblicza się zazwyczaj na podstawie średniego wymiaru ziaren przed i po procesie. Wśród wielu rodzajów rozdrabniaczy wyróżniamy m.in. młyny młotkowe, tnące, nożowe, jedno- lub wielowałowe, kaskadowe, kulowe, kruszarki udarowe i rozdrabniacze szczękowe. W liniach technologicznych wytwarzających paliwa alternatywne z odpadów komunalnych lub przemysłowych konieczne jest użycie systemu rozdrabniania jedno lub dwustopniowego. Przy rozdrabnianiu dwustopniowym we wstępnym rozdrabniaczu stosuje się na sicie oczka o średnicy ok. 100 mm, a przy rozdrabniaczu końcowym – 40 mm. W przypadku rozdrabniania jednostopniowego oczka mają średnicę 40 mm. System dwustopniowy polega na zastosowaniu rozdrabniania wstępnego wolnoobrotowego, a następnie różnego rodzaju separatorów metali magnetycznych i niemagnetycznych, przesiewaczy, separatorów powietrznych lub sorterów automatycznych. Ostatecznie dla frakcji przeznaczonej do wytworzenia paliwa należy zastosować rozdrabniacz końcowy, szybkoobrotowy, z sitem ograniczającym wielkość frakcji rozdrobnionej do granulacji wymaganej przez cementownie.

dr inż. Wojciech Hryb

dr hab. inż. Jolanta Biegańska, prof. nzw.

Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów
Politechnika Śląska

 

Źródła

1. Hryb W.: Analiza optymalizacyjna procesów segregowania i sortowania odpadów. Rozprawa doktorska. Maszynopis dostępny w bibliotece Politechniki Śląskiej. Gliwice 2007.

2. Rajca M.: Paliwa alternatywne z odpadów komunalnych. Potencjał, odzysk, jakość oraz możliwości produkcji i kontroli parametrów paliwa – przykłady wdrożenia. Odpady komunalne jako cenny surowiec energetyczny. Ogólnopolska konferencja szkoleniowa pt. „Paliwa z odpadów”. Chorzów 2011.

3. Hryb W.: Rozdrabnianie. „Recykling” 5/2012.

4. Bieliński M.: Uwarunkowania techniczne recyklingu materiałowego. „Recykling Review” 11/2003.

5. Skalmowski K. Poradnik gospodarowania odpadami. Wydawnictwo Dashofer. Warszawa 2001.