Ograniczanie emisji gazów i pyłów - wykorzystanie odpadów w przemyśle

Działania na rzecz strategii zrównoważonego rozwoju polegają na dążeniu do rozwoju gospodarczego z równoczesnym zachowaniem lub nawet rewitalizacją stanu środowiska naturalnego. Relacja między procesami wytwórczymi i stanem środowiska naturalnego musi być korzystna ekologicznie, tzn. powinna uwzględniać ograniczanie i ścisłą kontrolę emisji szkodliwych składników z procesów produkcji oraz, co należy podkreślić, z wyrobów.

Emisja szkodliwych składników z procesów produkcji dotyczy wytwarzania odpadów, a także emitowania gazów i pyłu do atmosfery oraz ścieków do gleby i wód. Oddziaływanie wyrobów związane jest z emisją szkodliwych składników oraz wynika z cech użytkowych wyrobu kształtujących jego trwałość i bezpieczeństwo użytkowania. Wymienione szkodliwe oddziaływania procesów produkcji i wyrobów na człowieka i środowisko można skutecznie kształtować przez rozwój nowoczesnych, ekologicznych technologii oraz kontrolę cech użytkowych wyrobów. Skuteczność takich działań zależy od zintegrowanych w skali światowej i regionalnej przepisów i wymagań dotyczących ochrony środowiska.

W zakresie emisji gazów i pyłu funkcjonują już restrykcyjne przepisy nakazujące wprowadzenie ograniczeń [1]. Zgodnie z ich wymaganiami opracowywane są również przepisy krajowe dotyczące składowania i wykorzystania gospodarczego odpadów. W odniesieniu do wyrobów zapisy norm i wymagań technicznych uwzględniają nowe wymogi dotyczące bezpiecznego użytkowania, w tym oddziaływania składników szkodliwych.

W odniesieniu do wyrobów budowlanych dyrektywa 89/106/EWG (w skrócie: dyrektywa PD.) [2] zawiera nowe wymagania dotyczące bezpiecznego użytkowania, które obejmują:

• zawartość chromu Cr (VI),
• emisję i wymywalność metali ciężkich,
• wymywalność glinu,
• emisję amoniaku,
• emisję związków organicznych,
• poziom promieniowania naturalnego.

W przypadku wyrobów cementopochodnych: spoiw, klejów, zapraw, betonów itp., istnieją już wymagania dotyczące niektórych wymienionych cech. Kontroluje się m.in. poziom promieniowania naturalnego. Wdrożona jest dyrektywa 2003/53/WE [3], która podaje, że zawartość Cr (VI) w wyrobach cementopochodnych nie może przekraczać 2 ppm. Jeśli wartość ta jest przekraczana, konieczna jest redukcja chromu Cr (VI).

Wdrażana jest nowela dyrektywy CPD według mandatu 336 CEN/TC 351 dotycząca kontroli składników szkodliwych w wyrobach cementopochodnych, dotycząca wymywalności i emisji do środowiska składników szkodliwych: metali ciężkich. W artykule zostaną przedstawione zintegrowane działania związane z ograniczeniem szkodliwego oddziaływania przemysłu cementowego na środowisko i człowieka. Przeanalizowana zostanie problematyka emisji gazów i pyłu w procesach produkcji cementu oraz możliwości utylizacji odpadów z innych gałęzi gospodarki w procesach produkcyjnych cementu.

Emisja gazów i pyłu w procesie produkcji cementu

Działania przemysłu cementowego na rzecz obniżenia emisji gazów i pyłu do atmosfery dotyczą podstawowych tlenków będących przedmiotem ograniczeń środowiskowych: SO₂, CO₂, NO_x, CO oraz pyłu. Efekty tych działań pokazano na rys. 1. Skuteczność działań mających na celu ograniczanie zanieczyszczeń jest duża, o czym świadczy ograniczenie emisji pyłu w procesie produkcji cementu. Najbardziej brudny przemysł, w którym emisja pyłu z pieców do produkcji klinkierów cementowych przekraczała 15% wsadu piecowego, emituje obecnie poniżej 50 mg/Nm³ pyłu, a dzięki wdrażaniu nowych, supersprawnych, nowoczesnych rozwiązań odpylających elektrofiltrów i filtrów tkaninowych – 10–20 mg/Nm³.

Podstawową zasadą programu obniżania emisji gazów i pyłu przez przemysł cementowy, realizowaną od 25 lat i uwzględniającą coraz bardziej zaostrzone przepisy krajowe, jest ograniczanie ilości emitowanego dwutlenku siarki (SO₂). W ciągu tych 25 lat ilość SO₂ w gazach spalinowych zmniejszyła się z 3000 mg/Nm³ do wartości zdecydowanie poniżej 300 mg/Nm³. Taki rezultat jest wynikiem rozwoju technologii produkcji klinkieru cementowego, a mianowicie zastosowania nowoczesnych technik wypalania, uwzględniających obok obniżenia zużycia paliwa technologicznego również maksymalne zdolności wymiany masy i autoodsiarczania SO₂, w wyniku wiązania tego gazu przez tlenki zasadowe, zestawu surowcowego do produkcji klinkieru cementowego.

Obecnie największym problemem przemysłu cementowego w zakresie emitowania gazów jest emisja podstawowego gazu cieplarnianego – CO₂. Ograniczenie emisji CO₂ do atmosfery wynika z wprowadzonej kilka lat temu dyrektywy europejskiej narzucającej tzw. limity emisji tego gazu do atmosfery dla poszczególnych zakładów [5]. Obniżenie emisji CO₂ poniżej limitu uprawnia do handlu nim oraz może przynieść duże korzyści finansowe poprzez sprzedaż niewykorzystanego limitu zakładom przekraczającym wyznaczone wartości emisji CO₂. Dla przemysłu cementowego problem jest szczególnie istotny, ponieważ wielkość emitowanego dwutlenku węgla w procesie produkcji klinkieru jest bardzo wysoka – wynosi prawie 1 kg CO₂ na 1 kg wyprodukowanego klinkieru. O tej wielkości decyduje ilość dwutlenku węgla powstającego z dysocjacji surowców węglanowych i z wykorzystywania do wypalania klinkieru paliwa technologicznego. Zintegrowane działania mające na celu obniżenie emisji CO₂ przez przemysł cementowy uwzględniają wiele rozwiązań, w tym głównie:

• ograniczenie w cemencie składnika klinkierowego i zastąpienie go mineralnymi materiałami odpadowymi – rozwój produkcji cementów z dużą ilością dodatków mineralnych,
• stosowanie paliw zastępczych, w tym biopaliw, z których emisja CO₂ nie podlega opłatom,
• zmniejszenie jednostkowego zużycia ciepła, tj. zużycia paliwa technologicznego w procesie wypalania klinkieru – rozwój technologii energooszczędnych niskozasadowych klinkierów: belitowych, siarczonoglinianowych, glinowych o niskim wskaźniku emisji CO₂ na jednostkę produktu

Szczególnie obiecujące są rozwiązania dotyczące wykorzystania do produkcji cementu paliw alternatywnych i odpadów przemysłowych. Łączą one efekty związane z ograniczeniem emisji CO₂ oraz NO_x, a także efekty gospodarczo-społeczne wynikające z utylizacji odpadów z innych gałęzi gospodarki. W produkcji cementów z dodatkami mineralnymi istnieją znaczne możliwości zmniejszenia emisji CO₂ do atmosfery z równoczesną poprawą efektywności produkcji cementów. Są to bezpośrednie efekty związane z obniżeniem kosztów produkcji cementu, wynikające z możliwości stosowania do wytwarzania cementu tańszych od klinkieru portlandzkiego dodatków mineralnych. W przeważającej większości są to materiały odpadowe, których wykorzystanie w procesie produkcji cementu generuje wymierne efekty gospodarcze związane ze zmniejszeniem kosztów składowania i ochrony zasobów naturalnych.

Ponadto w przypadku cementów wieloskładnikowych następuje znaczne obniżenie wielkości emisji CO₂ na jednostkę wyprodukowanego cementu w porównaniu z cementem bez dodatku. Obniżenie emisji CO₂ w przypadku cementu zawierającego 30% dodatków przedstawiono na rys. 2–3. Rozwijane są technologie produkcji cementów zawierających do 80% dodatków mineralnych.

W strategii obniżania emisji CO₂ w przemyśle cementowym uwzględnia się odpadowe paliwa alternatywne. Warunki procesowe w piecu do produkcji klinkieru pozwalają na bezpieczne spalanie, z wykorzystaniem wartości opałowej, odpadów komunalnych, zwierzęcych i przemysłowych z zabezpieczeniem ekstremalnie niskich wartości emisji pyłu i gazów, w tym dyskutowanych obecnie związków dioksynowych (PCDD/F).

Wykorzystanie odpadów w przemyśle cementowym

Proces produkcji cementu jest zasadniczo procesem bezodpadowym. Rozwiązania technologiczne produkcji klinkieru cementowego i cementu pozwalają natomiast na efektywne, gospodarcze wykorzystanie dużych ilości materiałów odpadowych z innych gałęzi gospodarki, w tym odpadów niebezpiecznych. W procesie produkcji klinkieru cementowego wykorzystuje się odpadowe surowce i paliwa alternatywne, w procesie mielenia cementu – odpadowe dodatki mineralne.

Odpady mineralne

Dodatki mineralne do cementu to głównie odpady z energetyki zawodowej i przemysłu hutniczego, tj. popiół lotny i żużel wielkopiecowy. Są to materiały, które z uwagi na swoje właściwości zdobywają pozycję wyrobów jako składniki pucolanowo-hydrauliczne spoiw i betonu. Odpowiednio, przy zachowaniu określonych wymagań jakościowych, podlegają certyfikacji i ocenie zgodności jak dla wyrobów wolnorynkowych ze znakiem CE [6, 7].

Ważną pozycję w bilansie dodatków mineralnych do cementu stanowią odpadowe gipsy chemiczne stosowane jako regulator wiązania cementu. Stanowią je głównie gipsy z odsiarczania spalin z kotłów energetyki zawodowej. Przemysł cementowy wykorzystuje ok. 300 tys. ton rocznie gipsu z odsiarczania (w ciągu roku wytwarza się go w ilości ok. 1300 tys. ton). Poza przemysłem cementowym reszta tego odpadu jest w całości wykorzystywana w przemyśle gipsowym do produkcji spoiw i wyrobów gipsowych. Również ten materiał jest przedmiotem dopuszczeń i obrotu jako wyrób budowlany.

Zużycie dodatków do cementu w kraju w ostatnich latach przedstawiono w tabeli 1 i na rys. 4. Dane zamieszczone w tabeli 1 podkreślają prawie dwukrotny wzrost zużycia dodatków mineralnych w produkcji cementu w Polsce w ostatnich latach (rys. 4). Omówione wcześniej przesłanki ekonomiczno-społeczne pozwalają zakładać dalszy wzrost wykorzystania odpadów mineralnych jako dodatku do cementu, a dzięki temu obniżenie emisji CO₂, zmniejszenie kosztów produkcji cementu i kosztów składowania odpadów.

Paliwa alternatywne

Dynamikę wdrażania paliw alternatywnych jako substytutu paliwa technologicznego do produkcji klinkieru kształtują:

• możliwość poprawy bilansu emisji dwutlenku węgla w procesie produkcji klinkieru,
• efekt ekonomiczny wynikający z obniżenia kosztu paliwa technologicznego do procesu syntezy klinkieru.

Większość zakładów wdraża nowoczesne, profesjonalne rozwiązania w zakresie stosowania paliw zastępczych. Skala możliwości utylizacji odpadowych paliw zastępczych jest bardzo duża – obejmuje wiele rodzajów odpadów przemysłowych i komunalnych, w tym odpadów niebezpiecznych:

• odpady komunalne,
• zużyte opony i inne odpady gumowe,
• odpady drzewne i inne składniki biomasy,
• odpady tworzyw sztucznych,
• odpady tekstylne i papiernicze,
• odpady niebezpieczne,
• odpady lakiernicze,
• oleje przepracowane,
• farby,
• rozpuszczalniki.

Dane dotyczące ilości zastosowanego w ostatnich latach w przemyśle cementowym paliwa alternatywnego zamieszczono na rys. 5. Wskazują one na wykładniczy wzrost zużycia tych paliw. Prognozę dalszego wzrostu zastosowania paliw alternatywnych w przemyśle cementowym uzasadniają efekty ekonomiczne i uwarunkowania ekologiczne ich utylizacji. Ten drugi czynnik jest szczególnie istotny, ponieważ warunki procesowe panujące w piecu do produkcji klinkieru pozwalają na bezpieczne spalanie, z wykorzystaniem wartości opałowej, odpadów komunalnych, zwierzęcych i przemysłowych.

Jednocześnie zabezpieczone są ekstremalnie niskie wartości emisji pyłu i gazów, w tym związków dioksynowych (PCDD/F), których stężenie jest zdecydowanie poniżej dopuszczalnej wartości. Praktycznie w każdym z ponad 600 raportowanych pomiarów wykonanych w cementowniach na całym świecie stężenie dioksyn w emitowanych spalinach, poza kilkoma przypadkami, było niższe od dopuszczalnych wartości, tj. 0,1 ng TEQ/m³ (tabela 2) [8].

Kolejnym czynnikiem decydującym o bezpiecznej utylizacji paliw zastępczych jest niska wartość emisji składników szkodliwych z wyrobu, tj. klinkieru/cementu. Potencjalnie paliwa odpadowe mogą wnosić do klinkieru znaczne ilości składników szkodliwych, w tym metali ciężkich. Pierwiastki te po procesie wypalania w piecu wbudowują się w minerały klinkieru, a ich wymywalność oraz emisja do środowiska osiągają poziom niższy, niż wynoszą limity środowiskowe dla ścieków i wód pitnych. Obrazują to dane przedstawione w tabeli 3, wyznaczone dla betonu wykonanego z cementu produkowanego przy współspalaniu odpadów w piecu cementowym.

W świetle cytowanego wcześniej dokumentu dotyczącego mandatu 366 CEN/TC 351 dane zamieszczone w tabeli 3, uzasadnione obszerną literaturą przedmiotu, potwierdzają bardzo wysoki stopień immobilizacji metali ciężkich w betonie. Poświadczają więc możliwość bezpiecznego unieszkodliwiania odpadów niebezpiecznych przy stosowaniu ich do produkcji cementu.

Podsumowanie

1. Działalność przemysłu cementowego w Polsce jest przykładem szczególnie dobrze realizowanej strategii zrównoważonego rozwoju. Produkcja cementu w naszym kraju jest procesem bezodpadowym, wykorzystującym duże ilości materiałów odpadowych z innych gałęzi gospodarki, w tym odpadów niebezpiecznych.
2. W najbliższych latach należy zakładać szybki rozwój sposobów utylizacji i wykorzystania gospodarczego materiałów odpadowych. Taką tendencję należy zakładać z uwagi na zintegrowane działania przemysłu cementowego uwzględniające przepisy środowiskowe w zakresie emisji składników szkodliwych, a także przesłanki ekonomiczno-gospodarcze, związane z kosztami produkcji cementu oraz składowania i utylizacji odpadów.
3. Głównym czynnikiem determinującym w najbliższych latach rozwój energooszczędnych i ekologicznych technologii w przemyśle cementowym będą działania na rzecz ograniczania emisji gazów cieplarnianych, głównie dwutlenku węgla. Do tego celu wykorzystywane będą organiczne substancje odpadowe jako paliwa zastępcze.
4. Duże możliwości ograniczenia emisji CO2 w przemyśle cementowym daje produkcja cementów z dużą ilością dodatków mineralnych, zastępujących w cemencie energochłonny klinkier portlandzki. Rozwiązania te łączą korzyści ekonomiczne producenta cementu z efektami gospodarczo-społecznymi związanymi z obniżeniem kosztów składowania i utylizacji odpadów.

Literatura

1. Dyrektywa 2006/12/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 5 kwietnia 2006 r. w sprawie odpadów (DzUrz L 114 z 27.04.2006, s. 9– 21).
2. Dyrektywa 89/106/EWG Rady z dnia 21 grudnia 1988 r. w sprawie zbliżenia przepisów ustawowych, wykonawczych i administracyjnych państw członkowskich odnoszących się do wyrobów budowlanych (DzUrz L 40 z 11.02.1989, s. 12–26, polskie wydanie specjalne: rozdz. 13, tom 9, s. 296–310).
3. Dyrektywa 2003/53/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 18 czerwca 2003 r. zmieniająca po raz dwudziesty szósty dyrektywę Rady 76/769/EWG odnoszącą się do ograniczeń we wprowadzaniu do obrotu i stosowaniu niektórych substancji i preparatów niebezpiecznych (nonylofenolu, etoksylowanego nonylofenolu i cementu) (DzUrz L 178 z 17.07.2003, s. 24–27, polskie wydanie specjalne: rozdz. 13, tom 31, s. 392–395).
4. Informator SPC. Wydawnictwo Stowarzyszenia Producentów Cementu, 2009.
5. Commission Decision of 29/01/2004; establishing guidelines for the monitoring of greenhouse gas emissions pursuant to Directive 2003/87/EC of the European Parliament and of the Council (Text with EEA relevance) (DzUrz L 6, 10.01.2004, s. 51–52).
6. PN-EN 15167-2:2006, „Mielony granulowany żużel wielkopiecowy stosowany do betonu, zaprawy i zaczynu. Część 2: Ocena zgodności”.
7. PN-EN 450-2:2006, „Popiół lotny do betonu. Część 2: Ocena zgodności”.
8. A. Grochowalski, „Problem emisji substancji niebezpiecznych podczas współspalania odpadów w piecach cementowych”, materiały VII Międzynarodowego Seminarium „Odzysk energetyczny – rola przemysłu cementowego w gospodarce odpadami”, Kraków 2006.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!