and Environmental Protection
http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 10 (2008), p-55-64
Polietylen odpadowy – problematyczny odpad czy cenny surowiec energetyczny ?
Hryb W.,
Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów, ul. Konarskiego,
18A44-100 Gliwice;
tel. (+48 32 237 21 04), fax (+48 32) 237 12 13, e-mail: wojciech.hryb@polsl.pl
Streszczenie
W ostatnim czasie odpady foliowe w mediach określane są mianem odpadów szczególnie niebezpiecznych dla środowiska. W marketach ogranicza się wydawanie foliowych toreb, wprowadza się torby wielokrotnego użytku i nazywa je torbami ekologicznymi. W artykule przedstawiono propozycję wykorzystania polietylenu odpadowego jako wartościowego składnika paliwa formowanego. Zaprezentowano wyniki badań właściwości paliwa formowanego zawierającego odpadowy polietylen i podano przykład zakładu, który tego typu produkt pozyskuje w wyniku przetwarzania odpadów komunalnych i przemysłowych.
Abstract
Polyethylene form waste – whether problematic waste or energy resource?
Waste foil for the last time, especially in the media are referred to as particularly dangerous for the environment. In the markets is limited to the issue of plastic bags, introduces the reusable bags called them ecological. This paper presents a proposal for the use of polyethylene waste as a valuable component of the formed fuel. It presented the results of the research of the properties of formed fuel containing waste polyethylene and give an example of the sorting plant, which obtains this type of product as a result of municipal and industrial waste processing.
1. Wstęp
W Europie Zachodniej największe zużycie tworzyw sztucznych występuje w przemyśle opakowań (33%), w budownictwie (20%) i elektrotechnice (10%) [1].
Struktura produkcji tworzyw sztucznych w Europie Zachodniej przedstawia się następująco (dane z 2000 roku) [1]:
- polietylen o dużej gęstości PE-HD – 10 %, - polipropylen PP – 12%, - polichlorek winylu PVC – 19%, - polistyren PS – 8%, - inne termoplasty – 12%, - tworzywa termoutwardzalne – 20%.
Tworzywa te są zużywane głównie w postaci wyrobów formowanych metodami wtryskiwania i rozdmuchiwania (34%), folii i arkuszy (29%), rur i wyrobów spienionych (10%), włókien, izolacji przewodów elektrycznych, tworzyw powłokowych i innych. Do odpadów komunalnych trafia około 70% odpadów tworzyw sztucznych [1].
Odpady tworzyw sztucznych stanowią około 14% masy wszystkich odpadów komunalnych [2]. Ze względu na swą małą gęstość mogą stanowić aż 40% ich objętości.
2. Recykling materiałowy polietylenu
Znane i stosowane są technologie recyklingu materiałowego polietylenu, w których otrzymuje się produkt tylko nieznacznie różniący się właściwościami od surowca pierwotnego. Możliwe jest również stosowanie technologii otrzymywania komponentów paliw płynnych z odpadów polimerowych.
W przygotowaniu odpadów tworzyw sztucznych do dalszego przetwórstwa wyróżnić można następujące etapy [1]:
1. sortowanie wstępne, 2. rozdrobnienie, 3. mielenie,
4. oddzielenie ciał obcych,
5. sortowanie tworzyw według rodzaju, 6. suszenie.
Produktem wejściowym kierowanym do instalacji są poszczególne rodzaje tworzyw sztucznych, a produktem wyjściowym ich regranulaty. Na każdej linii technologicznej materiał podczas regeneracji przechodzi przez wspólne podstawowe procesy [1]: rozdrabnianie, czyszczenie, mycie, suszenie przemiałów i granulację.
Polietylen pochodzenia odpadowego (np. polietylen znajdujący się w strumieniu odpadów komunalnych) jest zanieczyszczony innymi substancjami i z tego powodu nie nadaje się do recyklingu materiałowego. Recykling materiałowy zanieczyszczonego polietylenu wiąże się z wysokimi kosztami jego rozdrabniania, czyszczenia i mycia. Dlatego zanieczyszczony polietylen winien być kierowany do instalacji odzysku energii – najlepiej jako komponent paliwa formowanego wytwarzanego z odpadów komunalnych czy przemysłowych.
3. Energetyczne wykorzystanie folii z odpadów komunalnych
Folie stanowią około 30% masy tworzyw sztucznych znajdujących się w odpadach komunalnych. Rynek tworzyw sztucznych oferuje szeroką gamę wyrobów foliowych mających zastosowanie w różnych dziedzinach gospodarki. Są to: reklamówki, worki, torebki, folie rolnicze, folia strech, folie wielowarstwowe, folie przemysłowe i budowlane. Folie odgrywają istotną rolę w wielu dziedzinach naszego życia - pakujemy w nie produkty spożywcze, używamy ich robiąc zakupy i zabezpieczając podłogi podczas malowania etc. Folie występujące w odpadach komunalnych to głównie PE-HD, PE-LD i PP (folia z PCV to głównie folia budowlana – jej udział w folii znajdującej się w odpadach komunalnych jest znikomy). Folia wydzielona z tzw. ,,zmieszanych” odpadów komunalnych (np. przez sortowacza w kabinie sortowania ręcznego) charakteryzuje się wysokim stopniem zabrudzenia i zawilgocenia. Do jej powierzchni przylega często wilgotna frakcja biologiczna i drobna frakcja mineralna (szczególnie w sezonie grzewczym zanieczyszcza ją drobna frakcja popiołu pochodząca z pieców węglowych), co skutkuje jej niższą wartością rynkową. W przypadku zanieczyszczonych tworzyw sztucznych koszty recyklingu znacznie wzrastają z powodu konieczności dodatkowego oczyszczania, jak również możliwość ich wykorzystania jako surowca wtórnego jest znacznie mniejsza.
Tego typu odpady pochodzące z handlu (centra handlowe, supermarkety itp.) czy przemysłu charakteryzują się znacznie wyższą czystością, ponieważ są gromadzone selektywnie w miejscu ich powstania i to one powinny trafić do recyklingu.
Rozsortowane surowce transportowane są do zakładów recyklingowych lub do zakładów produkcji komponentu dla potrzeb rafinerii. Proces ich rozdrabniania i mycia wiąże się z wysokimi kosztami, dlatego do recyklingu kierowane są głównie surowce o najmniejszym zanieczyszczeniu. Z tego względu w większości sortowni nie wydziela się folii z odpadów komunalnych zmieszanych (przylegająca do niej drobna frakcja mineralna przyczynia się do szybszego zużycia noży w urządzeniach rozdrabniających, co powoduje zwiększenie kosztów eksploatacyjnych).
Jednakże zakłady produkujące komponent dla potrzeb rafinerii dopuszczają do produkcji surowce (PP, PE) zawierające niewielki udział zanieczyszczeń, takich jak piasek, szkło, metale oraz folię różnokolorową, z nadrukiem i pokrytą aluminium. Jedna instalacja może wyprodukować ok. 2,8 tys. ton komponentu dla potrzeb rafinerii, zatrudniając około 26 pracowników [3].
Popyt na surowiec wtórny odpadowego tworzywa sztucznego jako granulatu lub w postaci zmielonej uzależniony jest w bardzo znacznym stopniu od cen ropy naftowej i produktów jej przerobu, a tym samym od rynku ogólnoświatowego. Ceny granulatu z recyklingu zależą ponadto od zmian na rynkach światowych cen wyrobów nowych. [4]
Obecnie w tzw. ,,balaście”, czyli pozostałości po procesie sortowania odpadów komunalnych zmieszanych, trafiają w Polsce na składowisko duże ilości folii, jak również papieru, tektury i tekstyliów, które ze względu na ich stopień zabrudzenia i zawilgocenia (a często również niską opłacalność ich zbytu) nie są wydzielane w kabinie sortowania ręcznego.
W badaniach przeprowadzonych w ramach realizacji pracy [5] dotyczących analizy możliwości modernizacji sortowni w Polsce pod kątem wykorzystania frakcji balastowej (na przykładzie sortowni w Rybniku), oceniono możliwość wykorzystania wybranych składników tej frakcji jako komponentów paliwa oraz zaproponowano typoszereg urządzeń pozwalający na jego otrzymanie i optymalizację procesu przetwarzania odpadów. Badania przeprowadzono w różnych porach roku, aby uchwycić sezonowe wahania składu morfologicznego odpadów. Instalacja sortowania, z której pobrano próbki do badań, zlokalizowana jest na przedmieściach Rybnika przy składowisku odpadów komunalnych. Jest to typowa instalacja sortowania dla warunków polskich. Instalacja ta składa się z zespołu przenośników taśmowych, przesiewacza bębnowego i kabiny sortowniczej. Przesiewacz bębnowy wyposażony jest w sito o średnicy oczek 25 mm, co pozwala na wyseparowanie drobnej frakcji mineralnej. Głównym zadaniem przesiewacza jest wyseparowanie frakcji popiołu i żużla, który w sezonie grzewczym stanowi znaczny udział w odpadach komunalnych. W kabinie sortowniczej pracuje 4 pracowników wysortowujących: szkło białe, butelki PET (kolorami), opakowania po chemii gospodarczej (PP), metale i gruz. Przykładowe otrzymane wyniki przeprowadzonych badań w okresie letnim (próbki do badań pobrano 27.06.2005, a przetwarzane w sortowni odpady komunalne zmieszane pochodziły z zabudowy wysokiej - bloki) przedstawiono w tabeli 3.1. Wyniki są średnią arytmetyczną ze składu morfologicznego pięciu pobranych próbek. Zawartość procentowa poszczególnych składników została przedstawiona w odniesieniu do masy wilgotnej odpadów (stan roboczy).
Tabela 3.1. Skład morfologiczny balastu trafiającego z sortowni odpadów zmieszanych na składowisko (badania letnie) [5]
L.p. Nazwa frakcji: Udział [% m.w.]
I Odpady frakcji o wielkości cząstek poniżej 10 mm 1,66 1 Odpady spożywcze pochodzenia roślinnego 18,56 2 Odpady spożywcze pochodzenia zwierzęcego 0,36
3 Odpady papieru i tektury 37,72
4 Odpady tworzyw sztucznych - głównie folie 23,38
5 Odpady materiałów tekstylnych 3,18
6 Odpady szkła 6,0
7 Odpady metali 0,74
8 Odpady organiczne pozostałe 7,06
Razem: 100 %
Produktem Zakładów Zagospodarowania Odpadów - obok surowców wtórnych do recyklingu materiałowego czy chemicznego - powinny być także paliwa formowane tworzone na bazie substancji palnej odpadów opakowaniowych. Znane ilości odpadów opakowaniowych (papier, tektura, folia itp.) kierowanych do mieszanek paliwowych, wykazywane byłyby później jako metoda odzysku ,,R1 – wykorzystanie jako paliwa lub innego środka wytwarzania energii” - realizowana w elektrociepłowniach lub proces unieszkodliwiania odpadów ,,D10 – termiczne przekształcanie odpadów w instalacjach lub urządzeniach zlokalizowanych na lądzie” - realizowana w cementowniach. Daje to możliwość realizacji procesów termicznych bez konieczności budowy drogich spalarni,
ponieważ wyprodukowane paliwo formowane znalazłoby zastosowanie w cementowniach i elektrociepłowniach.
Konieczny jest dalszy rozwój technologii przemysłu produkującego materiały opakowaniowe zmierzający do oszczędności stosowanych surowców, zwiększenia udziału możliwości zastosowania w ich produkcji surowców i komponentów z recyklingu, jak również do zminimalizowania ich negatywnego oddziaływania na środowisko.
Podejmując działania mające na celu zwiększenie efektywności utylizacji odpadów należy uwzględniać koszty i aspekty środowiskowe tego procesu, np. w przypadku takich opakowań jak folie (szczególnie folie wydzielone z odpadów komunalnych) ich utylizacja (zebranie, rozdrobnienie, umycie, transport i inne procesy konieczne do ich recyklingu) pochłania bardzo dużo energii przez co jest kosztowna i powoduje również więcej szkody niż pożytku dla środowiska. Znacznie lepiej jest wykorzystać je do współtworzenia paliwa formowanego, które potem można spalić w zakładach energetycznych – w ten sposób każda jednostka energii wyzwolona z paliwa z odpadu przekłada się na analogiczną redukcję popytu na paliwa kopalne wykorzystywane do generowania energii elektrycznej. Do podobnych wniosków doszedł autor pozycji literaturowej [6].
Postęp w Polsce w zakresie budowy instalacji sortowania i przetwarzania odpadów jest niewielki, a istniejące obiekty prezentują ograniczony stopień odzysku surowców i produktów oraz niski stopień wyposażenia technicznego. Z tego powodu przeprowadzono kompleksowe badania [5] wskaźników efektywności pracy i jakości otrzymywanych produktów w zagranicznej instalacji wyposażonej w nowoczesny system maszyn i urządzeń (separatory magnetyczne, wiroprądowe, separatory aerodynamiczne i inne). ZZO w Turku - Finlandia to nowoczesny zakład umożliwiający przetworzenie odpadów: budowlanych, przemysłowych, handlowych i komunalnych. W ciągu roku jest on w stanie przerobić 50-100 tys. Mg odpadów, posiada zdolność przerobową około 28 Mg/godzinę. Maksymalną wydajność ~100 tys. Mg/rok zakład jest w stanie osiągnąć przy pracy na dwie zmiany. Głównym produktem zakładu jest paliwo formowane, którego głównym składnikiem jest papier, tektura i folia. Folia stanowi około ~ 25% masy pozyskiwanego paliwa. Paliwo to jest wykorzystywane w lokalnej ciepłowni. Udział poszczególnych komponentów w paliwie formowanym pochodzącym z ZZO w Turku przedstawiono w tabeli 3.2. W wyniku prowadzonego procesu technologicznego wydzielane są także wybrane surowce wtórne: metale żelazne, nieżelazne i drobna frakcja mineralna. Przykładowy Zakład Zagospodarowania Odpadów, którego głównym produktem jest paliwo formowane przedstawiono na schemacie blokowym na rys. 3.1. (schemat blokowy ZZO w Turku Finlandia).
Tabela 3.2. Skład morfologiczny frakcji lekkiej (paliwa formowanego) z separatora powietrznego [5].
Udział poszczególnych składników w paliwie formowanym (frakcja lekka z separatora powietrznego)
Skład morfologiczny (stan suchy) [% m.s.]
Papier i tektura 44
Folia 25,7
Tekstylia 9,5
Organika 0,6
Tworzywa sztuczne 5,4
Metale magnetyczne 0,1
Metale niemagnetyczne 1,1
Folie aluminiowane (metale niemagnetyczne) 1,5 Frakcja < 10 mm (drobne kawałki papieru,
folii, drewna)
5,9
Substancja palna nadająca się do termicznego wykorzystania stanowi 97% masy paliwa formowanego (frakcji lekkiej z separatora powietrznego), co świadczy o właściwej organizacji procesu przetwarzania odpadów.
Tworząc koncepcję technologiczną Zakładu Zagospodarowania Odpadów należy w zależności od średniego składu morfologicznego odpadów na wejściu do instalacji tak dobrać urządzenia i kolejność ich umiejscowienia w linii technologicznej, aby do paliwa trafiły wybrane frakcje odpadów (komponenty paliwa). Proces sortowania i mieszania składników paliwa formowanego należy tak przeprowadzić, aby miało ono jak najwyższą wartość opałową, a zarazem zawierało jak najmniejszą ilość szkodliwych pierwiastków. Do pierwiastków najbardziej niepożądanych w paliwie zaliczyć należy przede wszystkim chlor, siarkę, metale takie jak ołów, rtęć i chrom. Dlatego proces separacji należy tak prowadzić, aby frakcje szczególnie bogate w niepożądane pierwiastki nie trafiały do produktu końcowego, jakim jest paliwo formowane [5].
Wyznaczone wskaźniki sortowalności poszczególnych frakcji dla zastosowanych urządzeń, jak również wysoka czystość uzyskanych surowców i produktów, świadczą o wysokiej skuteczności prowadzonych procesów. Zastosowany w odpowiednim miejscu linii technologicznej separator powietrzny (TORNADO 2500–40) pozwala na pozyskanie ~ 100% folii ze strumienia przetwarzanych odpadów [5].
Rys.3.1. Schemat blokowy przykładowej linii technologicznej pozyskania paliwa formowanego ( schemat blokowy ZZO w Turku – Finlandia) [5].
Tabela 3.3. Wartość opałowa badanego paliwa formowanego [5]. Wartość opałowa badanej mieszanki paliwa Badane
komponenty
paliwa: procentowy Udział frakcji w paliwie [% m.w.] Średnia zawartość wilgoci całkowitej w poszczególnych komponentach [% m.w.] Średnia wartość opałowa: Wd [kJ/kg m.w.] Wartość opałowa badanego paliwa Wd [kJ/kg m.w.] Papier i tektura 45,9 30 9 490 Folia 24,7 20 24 083 Tekstylia 9,5 25 13 792 Pozostałe składniki paliwa (drewno, tworzywa itp.)-przyjęto na podstawie danych z [12 ] 17,7 22 17 580 balast 2,2 - - 14 726
Wartość opałowa poszczególnych komponentów paliwa przedstawiona w tabeli 3.3. jest dużo niższa w porównaniu z cytowanymi w literaturze danymi ze względu na to, że do badań pobrane było paliwo formowane pochodzące z zawilgoconych odpadów komunalnych zmieszanych; wilgoć, jak również przylegająca do poszczególnych komponentów paliwa drobna frakcja mineralna, obniżyły jego wartość opałową.
Zawartość składników agresywnych w głównych komponentach paliwa przedstawiono w tabeli 3.4.
Tabela 3.4. Zawartość składników agresywnych [5].
Średnia zawartość składników agresywnych Badane komponenty paliwa: Azotany [mgNO3/kg m.s.] Siarczany [mgSO2/kg m.s.] Chlorki [mgHCl/kg m.s.] Papier i tektura 220,8 1231 1122 Folia 47,8 - 1463 Tekstylia 226,6 - 3 628
Zawartość części lotnych, palnych i popiołu w głównych składnikach paliwa przedstawiono w tabeli 3.5.
Tabela 3.5. Zawartość części lotnych, palnych i popiołu. [5] Badane komponenty paliwa: Części lotne [% m.s.] Części palne [% m.s.] Części niepalne (popiół) [% m.s.] Papier i tektura 74,15 90 10 Folia 96,44 94,8 5,2 Tekstylia 78,46 94,5 5,5
4. Wnioski
Frakcje tworzyw sztucznych w balaście z instalacji sortowania stanowią głównie folie (PE-LD, PE-HD i PP), które razem z frakcją papieru, tektury i tekstyliów mogą być po rozdrobnieniu wyseparowane za pomocą separatora powietrznego. Tak uzyskana mieszanka paliwowa stanowi produkt, którego sprzedaż pozytywnie wpłynie na rachunek ekonomiczny zakładu zagospodarowania odpadów. Spalanie pozwoli na odzyskanie energii zawartej w tworzywach, redukcję objętości odpadów kierowanych na składowisko oraz zaoszczędzenie paliw pierwotnych.
Reasumując przedstawione wyniki badań można stwierdzić, że paliwo formowane otrzymywane jako produkt z zakładów zagospodarowania odpadów - na przykładzie badanych próbek z instalacji sortowania w Finlandii - wykazuje bardzo dobre właściwości paliwowe. Jego skład elementarny oraz śladowa zawartość składników agresywnych gwarantują niską emisyjność ze spalania tego paliwa. Dlatego tego typu technologie powinny być wdrażane na szerszą skalę.
Istniejące w Polsce obiekty zagospodarowania odpadów rozbudować można o szereg urządzeń pozwalających na otrzymywanie nowego produktu, jakim jest paliwo formowane, co pozwoli na zwiększenie efektywności tych zakładów i zmniejszy strumień odpadów trafiających na składowisko. Rozwiąże to problem niezagospodarowanej i zabrudzonej folii trafiającej na składowisko.
Literatura
[1] Praca zbiorowa pod redakcją Skalmowskiego K.: Poradnik gospodarowania odpadami. Wydawnictwo Dashoefer Sp. z o. o. W - wa 2001
[2] Krajowy Plan Gospodarki Odpadami 2010
[3] Ziaja J., Skutki obniżenia akcyzy,, Recykling’’2005 nr 10(58), s.34
[4] Bilitewski B., Hardtle G., Marek K.:,, Podręcznik Gospodarki Odpadami”, wyd. Seidel – Przywecki” Sp. z o.o., Warszawa 2003
[5] Hryb W.:,, Analiza optymalizacyjna procesów segregowania i sortowania odpadów” Rozprawa doktorska, maszynopis dostępny w bibliotece Politechniki Śląskiej, Gliwice, 12.2007
[6] Tomkins R. :,,Czy utylizacja śmieci powinna pójść do kosza” Financial Times 10.07.06 str. 3
