Odpady energetyczne

Odpady energetyczne powstające w elektrowniach, elektrociepłowniach i ciepłowniach tworzą obszerną grupę materiałów. generalnie dzielą się na odpady młynowe, popioły, żużle i odpady z procesu odsiarczania spalin. Ich podział został podany na rysunku 3.

Rysunek 3. Podział odpadów energetycznych (M. Mazurkiewicz, Z. Piotrowski, A. Tajduś, 1997).

Odpady młynowe są to produkty separacji, głównie pirytu, jaka ma miejsce w procesie poprzedzającym mielenie. Odzwierciedla to ich skład chemiczny poprzez ponad 35 % zawartość siarki. Ilość pozostałych związków, poza trzykrotnie mniejszą zawartością krzemionki, jest podobna jak w innych odpadach tej grupy. Charakteryzują się ciężarem właściwym około 2 Mg/m³, ciężarem objętościowym około 1,2 Mg/m³. Odpady te z uwagi na zawartość węgla (ponad 25%) nie nadają się do składowania bez wykonania szczelnej

ODPADY ENERGETYCZNE

odpady

młynowe żużel popioły odpady

z odsiarczania spalin

w kotłach konwencjonalnych

metody

półsuche metody suche w procesie

spalania

w ciągu gazów spalinowych

metody mokre w kotłach

fluidalnych

31 izolacji, celem przeciwdziałania powstawaniu pożaru. Mogą stanowić surowiec dla pozyskiwania siarki oraz zostać spalone w kotłach fluidalnych z odsiarczaniem spalin.

Popioły lotne są wyprażonymi cząstkami skały płonnej wychwyconymi przez elektrofiltry w ciągu dynamicznego odprowadzania spalin. Z uwagi na zawartość krzemionki, dwutlenku glinu, tlenku wapnia oraz trójtlenku siarki dzielą się na drobne, średnie i grube. Oba podziały, aczkolwiek charakteryzujące materiał, nie są brane pod uwagę w działaniach praktycznych. Ich właściwości są uwzględniane w badaniach koniecznych do opracowania technologii lokowania i dopuszczenia. Własności fizyczne i chemiczne popiołów lotnych pozostają w ścisłym związku z rodzajem spalanego węgla, jego przygotowaniem (stopniem zmielenia) oraz warunkami – temperaturą spalania.

Wychwytywane w elektrofiltrach odpady charakteryzują się różną granulacją. Im dalej od komory spalania, tym ich ziarna są mniejsze. Ponieważ jednak w praktyce, w ciągu pneumatycznego ich odbioru ulegają one wymieszaniu, stąd też w dalszej charakterystyce posłużymy się wartościami uśrednionymi. Ziarna popiołów w wysokiej temperaturze ulegają przetopieniu, tworząc bezpostaciowe szkliwo. Przeciętnie w fazie krystalicznej występują następujące połączenia:

 mulit 10-20%,

 kwarc 4-15%,

 kalcyt 0,8-3,4%,

 hematyt 2-9,5%,

 magnetyt 0,9-12%,

 tlenek wapnia 0,6-1,2%,

 tlenek magnezu 2-3%,

 gips 1-2%.

Z metali ciężkich w popiołach lotnych występują: As (do 0,001%), Be (do 0,01%), Cr (do0,025%), Zn (do 0,01%), P (do 0,01%), Ni (do 0,01%), V (do 0,015%), Cu (do 0,005%).

W materiale tym znajdować się też mogą pierwiastki promieniotwórcze, takie jak ⁴⁰K, ²²⁶Ra,

232Th. Problemy wymywania z popiołów substancji chemicznych oraz ich właściwości promieniotwórcze zostaną omówione w dalszej części. Popioły lotne charakteryzują się powierzchnią właściwą od 1000 do 3500 cm²/g. ich porowatość wewnętrzna (w porach tych oraz na powierzchni mogą być zaabsorbowane gazy spalinowe) wynosi około 0,65 cm³/g, ciężar właściwy od 1,8 do 2,5 Mg/m³, ciężar objętościowy od 0,6 do 0,95 Mg/m³.

Bardzo zbliżonymi właściwościami charakteryzują się pyły dymnicowe, które są również cząstkami wyłapywanymi w ciągu odprowadzania spalin, z tym, że z kotłów

32 wyposażonych w cyklony. Zasadniczo różnią się one składem ziarnowym. Z uwagi na mniejszą w stosunku do elektrofiltrów sprawność tych urządzeń pyły dymnicowe zawierają znacznie mniejszą ilość frakcji najdrobniejszej.

Odpadem zaliczanym do omawianej grupy są również popioły z kotłów fluidalnych.

Ponieważ na ogół zawierają w swym składzie produkty odsiarczania spalin, stąd zostaną omówione z tą grupą.

Kolejną grupą odpadów elektrownianych powstających w komorach spalania są żużle.

dzielą się na:

 żużel topiony będący substancją mineralną powstającą przy ciekłym odprowadzaniu żużla. Jego ilość w stosunku do całości wypadu odpadu z kotła wynosi 10-15%. W Polsce odpad ten stanowi do 0,8% odpadów paleniskowych. Charakteryzują się składem mineralnym chemicznym zbliżonym do popiołów. Ciężar właściwy żużla topionego wynosi około 2,6 Mg/m³, a ciężar objętościowy około 1,2 Mg/m³;

 żużel granulowany będący substancją mineralną powstającą przy wydawaniu z komory paleniskowej żużla na sucho. Stanowi on około 30% odpadów powstających w kotle. W Polsce stanowi on około 15% odpadów paleniskowych. Jego skład chemiczny i mineralogiczny jest zbliżony do popiołu lotnego. Jego ciężary wynoszą odpowiednio:

właściwy 1,2 Mg/m³, objętościowy 0,65 Mg/m³;

 żużel paleniskowy stanowi substancję mineralną powstającą po spalaniu w kotłach rusztowych. W Polsce stanowi on około 2,5% odpadów paleniskowych. Ciężary tego odpadu wynoszą odpowiednio: właściwy 2,5 Mg/m³, objętościowy 0koło 0,5 mg/m³.

W niektórych elektrowniach za granicą, aby uniknąć trudnych do utylizacji popiołów lotnych, zawraca się je do kotła, gdzie topiąc się i łącząc w ziarna większe, przekształcają się w żużel.

Odrębną grupę odpadów paleniskowych stanowią odpady z procesu odsiarczania spalin. Technologie te znane są w świecie od kilkudziesięciu lat. Stąd też występują w praktyce w bardzo wielu odmianach. Z uwagi na własności odpadów dzieli się je na metody suche, półsuche i mokre. Metody suche polegają na wprowadzaniu sorbenta do komory paleniskowej lub kotła z paleniskiem fluidalnym. W tych przypadkach odsiarczanie następuje w procesie spalania. Metody półsuche i mokre polegają na przepuszczaniu gazów spalinowych przez sorbent w postaci jego wodnej zawiesiny. Jeśli w trakcie tego procesu woda odparowuje (uzyskiwany odpad jest w stanie suchym) mówimy o metodzie półsuchej, jeśli nie i odpad przechodzi do zawiesiny, to mamy do czynienia z metodą mokrą. Obie wymienione metody możemy zaliczyć do odsiarczania spalin w ciągu gazów spalinowych.

33 Nie sposób byłoby szczegółowo omówić własności odpadów z poszczególnych technologii, więc ograniczymy się do ogólnej charakterystyki. I tak:

Odpady z suchej technologii odsiarczania w kotłach konwencjonalnych powstają w wyniku wprowadzenia mączki wapiennej (o powierzchni właściwej wg Bleine’a powyżej 3500 cm²/g) do komory paleniskowej kotła w strefę temperatur 900-1200⁰C. Tam następuje termiczny rozkład węgla wapniowego z wytworzeniem aktywnego tlenku wapniowego, który następnie wiąże powstałe w kotle tlenki siarki. Produkty procesu z popiołem lotnym przechodzą do ciągu ich odprowadzania. Popiół ten, nie różniąc się zasadniczo właściwościami fizycznymi od popiołu bez tych produktów, charakteryzuje inny skład chemiczny z istotną zawartością siarczanu i tlenku wapniowego (trzy i więcej krotnie).

Posiada też istotnie wyższą zasadowość.

Odpady z suchej technologii odsiarczania w kotłach fluidalnych wykazują granulację zbliżoną do popiołów z kotłów pyłowych. Również ich pozostałe właściwości fizyczne są zbliżone. Różnić się mogą zasadniczo własnościami chemicznymi. Różnice te powodowane są stosunkowo niską temperaturą procesu spalania (poniżej 900⁰C), stosowaniem paliw wysokozapopielonych, często z domieszką innych materiałów, np. śmieci. Stąd też oprócz wspomnianych siarczanu i tlenku wapniowego w materiale mogą być związki krzemu i glinu.

Przykładowo: w stosunku do popiołu z produktami odsiarczania w kotle konwencjonalnym zawiera o połowę mniej SiO2, a dwu- i więcej krotnie CaO oraz wielokrotnie więcej SO₃.

Odpady z półsuchej metody odsiarczania spalin powstają poprzez rozpylenie w komorze absorbera, przy współprądowym przepływie gazów spalinowych mleka wapiennego, podczas którego zachodzi proces absorbcji SO2. Woda z zawiesiny odparowywuje, a przeważająca ilość produktów reakcji w postaci większych cząstek i grubszych frakcji popiołu spada na dno absorbera, skąd jest usuwana. Frakcje drobne i nieprzereagowany czynnik unoszony ze spalinami wyłapywane są w urządzeniach odpylających. Produktami reakcji są siarczany i siarczyny wapnia. One to wpływają na własności popiołu, który zwykle jest odprowadzany wspólnie z produktami reakcji.

Odpady z metody mokrej odsiarczania spalin wychodzą w postaci zawiesiny.

Poddane natlenieniu i odwodnieniu w celu zmiany siarczynów i siarczanów wapnia na siarczany przyjmują postać gipsu dwuwodnego (CaSO4 · 2H2O). Gips ten, zwany z niemieckiego „reagipsem”, może być wykorzystany w budownictwie. Woda z zawiesiny stanowi ściek.

34 2.2.4. Odpady hutnicze

Odpady hutnicze stanowią najliczniejszą jakościowo grupę. Podobnie jak w odpadach górniczych pierwszym kryterium ich podziału jest rodzaj otrzymywanego metalu. Biorąc pod uwagę polskie realia, omawiając je, można ograniczyć się do:

 odpadów z metalurgii żelaza,

 odpadów z metalurgii miedzi,

 odpadów z metalurgii cynku i ołowiu.

Z uwagi na postać dzielą się na: pyły, szlamy i żużle.

2.2.4.1. Odpady z metalurgii żelaza

W krajowym hutnictwie żelaza powstaje rocznie około 5 mln ton odpadów, w ponad pięćdziesięciu odmianach asortymentowych. Do najliczniejszej grupy należą żużle wielkopiecowe, stanowiące około 50 % odpadów. Z punktu widzenia możliwości utylizacji należy stwierdzić, że podstawowymi ich składnikami są cztery tlenki: CaO, MgO, SiO2 i Al₂O₃. Ich zawartość zależy od wsadu komponentów, a także od rodzaju wytapianej surówki.

O jego własnościach fizycznych decyduje temperatura i prędkość studzenia. Z uwagi na nie wyróżniamy:

 żużel krystaliczny – stosowany jako kruszywo do betonów, surowiec do produkcji wełny mineralnej, jako kruszywo w drogownictwie i budowlach inżynierskich oraz do produkcji kruszywa mikrokrystalicznego;

 żużel spieniony zwany pumeksem znajduje zastosowanie jako kruszywo w budownictwie, głównie w betonach lekkich oraz jako materiał termoizolacyjny, czy filtracyjny;

 żużel granulowany – wykorzystywany jest przez przemysł cementowy do wytwarzania klinkieru, cementu hutniczego lub po zmieleniu, jako wypełniacz w masach bitumicznych.

Wymienione powyżej odpady żużla są w całości wykorzystywane jako surowce wtórne. Oprócz wymienionych istnieje kilkanaście innych technologii, w których żużel wielkopiecowy może znaleźć zastosowania.

Żużle stalownicze charakteryzują się wysoką zawartością CaO i MgO, znaczną Fe, niewielką SiO2. Stanowią one około 20% wszystkich odpadów z metalurgii żelaza. W coraz większym stopniu, z uwagi na zawartości tlenków zawracane są do procesu metalurgicznego.

35 Również pozostałe, niewielkie ilościowo rodzaje żużli hutniczych (z produkcji żelazostopów i grzewcze) wykorzystywane są w bardzo dużym stopniu (prawie 95% w skali kraju).

Podobnie przedstawia się sytuacja z odpadami pylastymi (około 5% odpadów) i ze szlamami. Są one w przeważającej mierze wykorzystywane. Można więc stwierdzić, że odpady z metalurgii żelaza nie stanowią przedmiotu zainteresowań w aspekcie lokowania ich w kopalniach podziemnych.

Inaczej nieco ma się sytuacja z odlewni, z tzw. masami formierskimi. Są one mieszaniną przepalonych piasków kwarcowych z pozostałościami lepiszcza i substancji uplastyczniających czy utwardzających. Owe dodatki (np. żywice fenolowe) stanowią główny powód, że materiały te lokowane są prawie w całości na zwałach.

Występujący w hutach żelaza gruz poremontowy może być w całości wykorzystany, stąd też i on nie będzie stanowił przedmiotu naszych zainteresowań.

2.2.4.2. Odpady z metalurgii miedzi

Podstawowym odpadem hutniczym występującym w procesie metalurgicznym wytopu miedzi jest żużel szybowy. Wypad żużla w ciągu roku wynosi około 1600 tys. Mg.

W ponad 80% wykorzystywany jest w budownictwie lądowym oraz przetwarzany na materiały ścierne. Głównymi jego składnikami są: SiO2 (42%), CaO (18%), Fe₂O₃ (12%), MgO (8%). Ciężar właściwy żużla szybowego wynosi około 3,2 Mg/m³, a objętościowy 2,1 Mg/m³. Jest materiałem bardzo twardym (około 8 w skali Mhosa) i kwasoodpornym.

Podobne właściwości fizyko-chemiczne posiadają żużle: granulowany i z pieców Dőrschla. Występują w stosunkowo niewielkiej ilości (do 200 tys. Mg/rok) i prawie w całości wykorzystywane są gospodarczo.

2.2.4.3. Odpady z metalurgii cynku i ołowiu

Z uwagi na wielosetletnią historię wydobycia rud i wytopu cynku i ołowiu w rejonie Śląsko-Krakowskim na powierzchni składowane są odpady zwane „starymi”. Zaliczamy do nich żużle: kwaśne, „rajmówki”, z pieców szybowych i obrotowych oraz wypałki pirytowe.

Wszystkie one charakteryzują się bardzo zróżnicowanymi właściwościami, różnym stopniem przeerodowania. W dużym stopniu miejsca składowania tych odpadów uległy samoczynnej czy planowej rekultywacji. Tylko w niewielkim stopniu mogą one stanowić przedmiot zainteresowania w aspekcie wprowadzenia ich pod ziemię.

36 Aktualnie stosowane procesy technologiczne dla ogniowego wzbogacenia utlenionych surowców i procesy hutnicze produkcji cynku i ołowiu powodują powstawanie odpadów, m.in. żużli kwaśnych i zasadowych z procesu ogniowego wzbogacania surowców i odpadów cynkonośnych z pieców przewałowych, w trakcie odparowywania z mieszanki zasadowej cynku zredukowanego koksikiem. Ich gęstość wynosi około 2,0 – 2,4 Mg/m³, ciężar nasypowy dochodzi do 1,2 Mg/m³. Skład ziarnowy jest zróżnicowany, obrazowo podano do na rys. ... w postaci „pola”, na którym mogą leżeć krzywe. Odpad ten zawiera: CaO (26%), MgO (12,3%), SiO2 (13,3%), Al2O3 (3,5%), Fe (11,4%), S (%), Zn (do 1,2%), Pb (do 0,35%). Żużle zasadowe wykorzystywane są w całości w rolnictwie, jako cenny nawóz magnezowo-wapniowy. Żużle kwaśne w pewnej części zużywane mogą być do powierzchniowych robót inżynierskich. Oprócz wymienionych w procesach hutniczych występują jeszcze: żużle z pieców obrotowo-wahadłowych oraz szlamy z oczyszczalni ścieków. Ich wykorzystanie polega na zawracaniu do procesów technologicznych.