42

STRUČNI RADOVI

KRUTA GORIVA DOBIVENA IZ OTPADA (ENGL. SRF) ZA ZAMJENU FOSILNIH GORIVA U CEMENTNOJ INDUSTRIJI

U ovom radu opisuju se proizvodnja, kvaliteta te osiguranje kvalitete krutih goriva dobivenih iz otpada (engl. Solid Recovered Fuel - SRF) i njihova primjena u cementnoj industriji. SRF važna je frakcija „otpadne industrije“ jer predstavlja vrijedan lokalni energent koji se koristi za proizvodnju energije i koji zadovoljava kriterije kvalitete propisane europskim dokumentima. Parametri koji prikazuju kvalitetu SRF-a i utječu na njegovu tržišnu vrijednost su, između ostalog, energetska vrijednost (LHV), klor (Cl) i teški metali (Sb, Hg, Cd, As itd.). Pojednostavljenom klasifikacijom, goriva dobivena iz otpada koja se koriste u cementnoj industriji mogu se podijeliti u dvije skupine, ovisno o veličini čestica i mjestu ulaska goriva u cementnu peć. Sitan, visoko kaloričan SRF koristi se na primarnom dijelu peći, tj. glavnom gorioniku, dok se za sekundarne sustave izgaranja (kao što su kalcinatori, komore za (pred)sagorijevanje ili slični sustavi) može koristiti grublji SRF s nižom kalorijskom vrijednošću. Goriva proizvedena iz raznih vrsta otpada koriste se umjesto konvencionalnih goriva, poput kamenog ugljena.

Autor: dr. sc. Renato Šarc

OD OTPADA DO PROIZVODNJE SRF-aVeć više desetljeća sustav gospodarenja (komunalnim) otpadom u EU razvija se od nekontroliranog odlaganja otpada do modernog gospodarenja sirovinama i energijom. Moderno gospodarenje komunalnim otpadom utemeljeno je na odvojenom prikupljanju korisnog otpadnog materijala za recikliranje (npr. papir, plastika, staklo itd.), obradi bio-otpada (tj. kompostiranje ili fermentacija) i visoko učinkovitom (su)spaljivanju (prethodno obrađenog) ostalog otpada. Slikoviti primjer razvoja sustava gospodarenja sirovinama i energijom u EU-u od 1990. pa sve do danas, uključujući ciljeve EU-a za razvoj sustava do 2020., jasno ukazuje na usku povezanost pojedinih postupaka gospodarenja otpadom u skladu s redom prvenstva gospodarenja otpadom. Kao što Slika 1 jasno prikazuje, moderno gospodarenje otpadom ne isključuje ni jedan postupak obrade otpada, već ih stavlja u optimalan odnos, sukladno važećim ekološkim okvirima, tehničkim mogućnostima, ali i ekonomskim aspektima gospodarstva. Iz aspekta goriva iz otpada, kako bi „otpadna industrija“ postala „dobavljač goriva“ za sektor „industrijske proizvodnje“ (npr. cementa), ona mora proći različite razvojne korake. Taj razvoj i kretanja, kao i značajke, mogu se općenito podijeliti u četiri karakteristične skupine koje su prikazane u Tablici 1 (pravni zahtjevi, materijalna svojstva, (tehničke) karakteristike postrojenja i ekonomska situacija).

Za mono-spalionice otpada (ovisno o vrsti tehnološkog koncepta) obično nisu potrebni procesi mehaničke predobrade otpada, ali za suspalionice otpada, npr. cementnu industriju, prvo moraju biti ispunjeni različiti zahtjevi (npr. odgovarajuća veličina čestica, definirana energetska vrijednost i kemijski sastav). Dakle, prije nego što otpad postane gorivo za cementnu industriju, mora proći različite postupke opsežne (pred)obrade. Uobičajeni postupci obrade otpada uključuju višefazno usitnjavanje, klasiranje, odvajanje metala, nemetala i teških, inertnih materijala, kao i izdvajanje neželjenih materijala, poput PVC-plastike – primjenom suvremene tehnologije bliske infracrvene spektroskopije (NIR).

SLIKA 1

Razvoj sustava gospodarenja

komunalnim otpadom u EU-u u zadnjih 25 godina, uključujući

cilj za 2020.

Izvor: Bartl, A. 2014. Moving from recycling

to waste prevention: A review of barriers

and enables. 3-18

SLIKA 1

43

STRUČNI RADOVI

Kao otpadno gorivo (tj. Refuse Derived Fuel - RDF) može se u cementnoj industriji koristiti raznovrsni otpad iz domaćinstva, trgovine i industrije. Primjeri za RDF su: mulj iz pročistača otpadnih voda, otpadno drvo, kalorične frakcije iz postrojenja za mehaničko-biološku obradu (MBO) kućanskog, industrijskog i ostalog otpada, usitnjene lake frakcije (npr. od starih vozila, električnog i elektroničkog otpada), cijele otpadne gume ili otpaci iz obrade otpadnih guma, otpadna ulja, korištena otapala itd. U užem smislu riječi, u kruta goriva dobivena iz otpada (engl. Solid Recovered Fuel - SRF) spadaju samo goriva koja ispunjavaju sljedeća četiri uvjeta: 1. radi se o krutom otpadu,2. kruta goriva iz otpada proizvedena su isključivo iz neopasnog otpada,3. kruta goriva iz otpada koriste se za proizvodnju energije u (su)spalionicama i4. uvjeti o klasifikaciji i kvaliteti definirani u EN 15359:2011 su ispoštovani. Sukladno navedenome, SRF detaljno je definirana podgrupa RDF-a i njegova proizvodnja vrši se isključivo od neopasnog, sortiranog ili mješovitog krutog otpada (komunalnog, komercijalnog, proizvodnog, ambalažnog itd.).KLASIFIKACIJA RDF-a I SRF-aU praktičnoj primjeni nalazi se nekoliko sustava za kvalitetnu i pouzdanu klasifikaciju različitih vrsta SRF-a (primjerice EN 15359:2011, austrijski Pravilnik o spaljivanju otpada, njemački RAL-Gütezeichen itd.) koji se koriste za suspaljivanje u cementnoj industriji. Ulazni otpadni materijali koji se prerađuju u SRF-u mogu se opisati na temelju njihova ključnog broja, kao što slijedi (odabrane vrste otpada):• 04_02_09: otpad od mješovitih (kompozitnih) materijala (impregnirani tekstil, elastomeri, plastomeri),

• 07_02_13: otpadna plastika,• 15_01_01: ambalaža od papira i kartona,• 15_01_02: ambalaža od plastike,• 15_01_06: miješana ambalaža,• 17_09_04: miješani građevinski otpad i otpad od rušenja...,• 19_12_12: ostali otpad (uključujući mješavine materijala) od mehaničke obrade otpada...,• 20_01_01: papir i karton,• 20_01_39: plastika,• 20_03_01: miješani komunalni otpad (otpad iz kućanstva i slični otpad iz industrije),• 20_03_07: glomazni otpad. Proizvedeno gorivo (pravno gledano i dalje se radi o „otpadu“) klasificira se prema dvama ključnim brojevima:• 19_12_10: gorivi otpad (gorivo dobiveno iz otpada) => SRF,• 19_12_12: ostali otpad (uključujući mješavine materijala) iz mehaničke obrade otpada... => RDF.PRAVNA OGRANIČENJA KOD KORIŠTENJA SRF-a U CEMENTNOJ INDUSTRIJIU današnje vrijeme postoje dva režima pravnih ograničenja koja vrijede za SRF koji se koristi kao alternativno gorivo u cementarama: 1. Ograničenja za u cementaru dostavljeni (znači još nesagorjeli) SRF koji bi trebao sadržavati samo niske koncentracije neželjenih kemijskih elemenata ili spojeva (npr. teških metala) koji bi mogli utjecati na okoliš prije ili nakon izgaranja. Ovim ograničenjima istovremeno se definiraju vrsta i kvaliteta otpada koju proizvođač SRF-a može dostaviti cementari, uzimajući u obzir maksimalne koncentracije teških metala u materijalima koje tvornica cementa može prihvatiti. Konkretno, ovaj režim ne primjenjuje se

TABLICA 1 Kruta goriva dobivena iz otpada (SRF) – značajke i razvoj (budućnost razvoja)

Pravni zahtjevi Materijalna svojstva Tehničke karakteristike postrojenja Ekonomska situacija

Vodič za otpadna gorivaEnergetska svojstva:• energetska vrijednost• temperatura izgaranja

Povećanje proizvodnih kapaciteta

Tržišna vrijednost i izgledi za razcoj:• sirovine• sekundarne sirovine• odnos uloženog i

dobivenog• poslovni model• potrebe tržišta

Pravilnik o spaljivanju otpada:• kriteriji kvalitete

otpadnih goriva (granične vrijednosti ulaznog materijala)

• osiguranje kvalitete• koncept za uzorkovanje• kriteriji za ukidanje

statusa otpada

Kemijska svojstva:• udio klora• udio sumpora• udio teših metala

Izdvajanje kloriranih frakcija

Izdvajanje sirovina korisnih za reciklažu

Fizička svojstva:• gustoća otpada• udio vode

Proizvodnja SRF-a veće kvalitete

Procesna svojstva:• temperatura zapaljenja

Uporaba SRF-a specifične kvalitete (npr. niža energetska vrijednost i veća veličina čestica)

44

STRUČNI RADOVI

u svim državama članicama EU-a, ali primjenjuje se u Austriji, gdje su Pravilnikom o spaljivanju otpada ograničene količine (tj. sadržaji onečišćujućih tvari po neto kaloričnoj vrijednosti (mg/MJ s.t.)) za Sb, As, Pb, Cd, Cr, Co, Ni i Hg. 2. Ograničenja za emisije iz procesa izgaranja. Nakon potpunog izgaranja SRF-a u peći gorivo se, jednostavno rečeno, „pretvara“ u pepeo i otpadne plinove koji sadrže plinovite onečišćivače i fine čestice prašine. Ograničenja ovih emisija definirana su „starom“ Direktivom 2000/76/EC Europske unije te „novom“ europskom Direktivom 2010/75/EU o industrijskim emisijama.Poveznica između navedenih režima nalazi se u tzv. faktorima transferiranja emisija, koji su specifični za svaki pojedini parametar i ovise o primijenjenoj tehnologiji u procesu proizvodnje cementa, vrstama goriva, uvjetima izgaranja goriva, instaliranom sustavu obrade otpadnih plinova itd. Slikovito prikazano, ono što ulazi u postrojenje mora i negdje izaći, a izaći može jedino na kamin kao emisija u zrak ili kroz klinker (izlazni materijal iz rotacijske peći u cementnoj industriji i osnovni materijal za proizvodnju cementa) te tako završiti u proizvodu, tj. cementu. OSIGURANJE KVALITETE ZA SRFKada je riječ o osiguranju kvalitete u skladu s međunarodnim pravilima i smjernicama za otpadna goriva koja izrađuje tehnički odbor europskog Instituta za standardizaciju, „TC 343 – Kruta goriva iz otpada“, u obzir se mora uzeti pet bitnih postupaka: 1. Analize prosijavanja:Njihova realizacija je u skladu s EN 15415-1:2011 za određivanje parametara veličine čestica (d95), gustoće otpada (kg/m3) itd.2. Reprezentativan koncept i postupak uzorkovanja sukladno EN 15442:2011 itd.: Koncept prikazuje detaljan plan uzorkovanja, metode računanja minimalnih količina uzorka, razne formule i dr.3. Interne kontinuirane analize svakog (po vrsti i mjestu proizvodnje) SRF-a koji se koristi u cementari:Kako bi se osigurali svi relevantni zakonski (usp. odlomak „Pravna ograničenja...“) i ugovorni uvjeti (tj. dodatni parametri koji definiraju kvalitetu goriva, poput udjela sumpora, vode, pepela itd.), postoje dvije mogućnosti za kontinuirana istraživanja:a) „Kontrola od strane SRF-dobavljača“ ili b) „Kontrola od strane korisnika SRF-a“.4. Eksterni nadzor i kontrole kvalitete SRF-a:Kontrole provodi vanjski stručnjak ili stručni institut po detaljno definiranoj proceduri. 5. Primjena analitičkih metoda u vlastitom i vanjskom laboratoriju, a koje su u skladu s različitim EU standardima (normama), i (opsežno/dugoročno) evaluiranje podataka.

KVALITETA SRF-a KOJI SE KORISTI U CEMENTNOJ INDUSTRIJIKvaliteta SRF-a prikazana je iz dva aspekta, morfološkog i kemijskog sastava. Slika 2 prikazuje rezultate (iz vlastitih istraživanja) prosječnog morfološkog sastava visokokvalitetnog SRF-a koji se koristi na glavnom plameniku na izlaznom dijelu rotacijske peći.

Energetska vrijednost (LHV) prikazanog visokokvalitetnog SRF-a iznosi 19,3 MJ/kg O.S., a što znači da 1 t SRF-a energetski može zamijeniti 700 kg kamenog ugljena (LHV = 28,0 MJ/kg s.t.).Kada se u industriji cementa koriste fosilna, konvencionalna goriva (npr. kameni ugljen), u obzir se također mora uzeti njihov udio onečišćujućih tvari (npr. teški metali). Slika 3 prikazuje sažete rezultate o udjelu teških metala u kamenom ugljenu, prosječnom SRF-u koji se koristi u EU-u i u dvama vrstama SRF-a (1 i 4; Slika 4), detaljno analiziranim u sklopu vlastitih istraživanja.

Činjenica jest da je udio teških metala u ugljenu, prosječnom SRF-u u EU, ali i u SRF-u 1 i 4 (Slika 4), ispod granične vrijednosti za SRF (napomena: ne postoje granične vrijednosti za dostavljeni/ nesagorjeli ugljen koji se koristi u cementnoj industriji kao standardno gorivo) prema austrijskom Pravilniku o spaljivanju otpada. Očito je da je kemijski sastav (tj. udio teških metala) SRF-a koji se trenutno koristi u Austriji usporediv s onim primarnih goriva, u ovom slučaju kamenog ugljena. To znači da zamjena

SLIKA 2

Rezultati analize morfološkog sastava

visokokvalitetnog SRF-a

Izvor: izradio autor

SLIKA 3

Sažeti rezultati o udjelima teških metala

u kamenom ugljenu, SRF-u EU, SRF-u 1

(MBF) i SRF-u 4 (HDF) (vlastito istraživanje) u odnosu na granične vrijednosti (80 %-tni percentil) austrijskog

Pravilnika o spaljivanju otpada, koje su

postavljene na 100 %

Izvor: izradio autor

SLIKA 2

SLIKA 3

45

STRUČNI RADOVI

primarnog goriva SRF-om u cementnoj industriji ne povećava ukupan unos teških metala, budući da je udio zagađivača u ugljenu i SRF-u više-manje jednak. Prikazani rezultati o fizikalno-kemijskom sastavu SRF-a reprezentativni su za aktualnu austrijsku (pa čak i srednjoeuropsku) kvalitetu SRF-a, dostupnog na tržištu „SRF za suspalionice“.ENERGETSKA OPORABA SRF-a U CEMENTNOJ INDUSTRIJIKoja vrsta otpada se konačno može koristiti za proizvodnju energije (tj. energetski oporabiti) u peći cementne industrije, ovisi o različitim uvjetima, kao što su primjerice specifikacija procesa proizvodnje klinkera, uvjeti rada, sastav sirovina i goriva, mjesto ulaska goriva, instalirani sustavi obrade otpadnih plinova, dostupne količine otpada ili pak struktura gospodarenja otpadom u cjelini.Postoje tehnički razlozi i zakonska ograničenja koji ograničavaju mjesto unošenja goriva u sustav peći. Prema Direktivi 2010/75/EU o industrijskim emisijama, kao i prema nacionalnim Pravilnicima o spaljivanju otpada, gorivo proizvedeno iz otpada mora se spaliti na temperaturi većoj od 850 °C, uz minimalno vrijeme zadržavanja od 2 sekunde.Odabrani procesni, stvarni uvjeti kod korištenja goriva u proizvodnji klinkera mogu se sažeti na sljedeći način: 1. maksimalna temperatura plinova do cca 2.000 °C (glavni plamenik) u rotacijskim pećima,2. vrijeme zadržavanja plina u rotacijskim pećima od oko 8 sekundi na temperaturama iznad 1.200 °C, daleko iznad prije navedenih zakonskih ograničenja i3. vrijeme zadržavanja plina kod sekundarnih plamenika dulje od 2 sekunde na temperaturi iznad 850 °C itd.Općenito, različita mjesta mogu se koristiti za unošenje goriva (konvencionalnog i RDF-a) u peć za proizvodnju klinkera (Slika 4): 1. preko glavnog plamenika na izlaznom dijelu rotacijske peći (kvaliteta SRF-a: d95 < 35 mm, LHV: > 18 MJ/kg O.S.),

2. preko sekundarnih plamenika do kanala na ulazu peći (vrsta RDF-a: (cijele) otpadne gume),3. preko predkalcinacijskih plamenika kod kalcinatora (kvaliteta SRF-a: d95 < 80 mm, LHV: 12-18 MJ/kg O.S.),4. preko specijalnih komora do kalcinatora (za krupniji SRF: d95 ~ 300 mm, LHV: 12-18 MJ/kg O.S.).Valja naglasiti kako je način unošenja goriva u peć vrlo važan, budući da može imati izravan utjecaj na emisije koje nastaju izgaranjem. Najbolji način unosa goriva u peć je kroz mjesto gdje plinovi nastali izgaranjem goriva prolaze najvišu temperaturnu zonu (do 2.000 °C), i to preko glavnog plamenika (Slika 4). SRF je u međuvremenu postalo standardno gorivo u cementnoj industriji u EU-u. U Austriji i Njemačkoj korištenje tog alternativnog goriva započelo je prije 20 godina. Stopa supstitucije primarnih goriva (ugljena itd.) korištenjem RDF-a u austrijskoj cementnoj industriji iznosila je 72,3 % u 2013. godini. U Austriji je u 2013. energetski oporabljeno ukupno 483.694 t RDF-a, uključujući 277.909 t SRF-a. Prosječna stopa zamjene primarnih goriva u EU-u iznosila je 34 % u 2011., a u pojedinim cementarama u EU-u danas (2015.) ta stopa iznosi i više od 90 %. Na europskom nivou očekuje se godišnje povećanje stope zamjene za cca 3-5 %. Nadalje, u 2014./2015. tehnički je dokazano da se klinker može proizvoditi isključivo iz energije raznih vrsta RDF-a (uključujući 30-50 % SRF-a) [1]. ZAKLJUČCIKad se govori o „gospodarenju otpadom kao sirovinom i energijom“, uzimajući u obzir povećanje količine i kvalitete goriva iz otpada koje se koristi u cementnoj industriji za proizvodnju energije, postaje jasno da je suspaljivanje RDF-a i/ili SRF-a, kao lokalnog goriva, postalo vrlo važno u modernom gospodarenju otpadom. Za proizvodnju visoko kvalitetnog SRF-a (tj. veća LHV i manja veličina čestica (d95) i udio onečišćenja), potreban je višefazni tehnološki koncept obrade otpada (MBO). Potrebna kvaliteta goriva i potražnja na tržištu reguliraju situaciju cijena odnosno vrijednosti na tržištu SRF-a. ŽZbog kontinuiranog osiguranja kvalitete (na temelju „CEN/TC 343 - kruta goriva iz otpada“ - smjernica) i unutarnjeg i/ili vanjskog nadzora, može biti jamčen visoki standard kvalitete koji pomaže ispuniti stroge zakonske obveze, a ujedno i uvjete iz ugovora između dobavljača i korisnika SRF-a. Zamjena primarnog goriva SRF-om u cementnoj industriji ne povećava ukupan unos teških metala, budući da je kemijska kvaliteta ugljena i SRF-a usporediva. SRF je u međuvremenu postalo standardno gorivo u cementnoj industriji u EU-u i potencijal za njegovu oporabu u cementarama u Republici Hrvatskoj prilično je visok. Detaljnije i opširnije informacije te izvori podataka iz ovog članka nalaze se na zadnjoj stranici časopisa.

SLIKA 4

Mjesta za unošenje goriva u peć za proizvodnju klinkera

Izvor: Lorber, K.E., Sarc, R., Pomberger, R., Erdin, E. & Sarptas, H. (2015.): Polymeric composites waste as part of solid recovered fuel (srf) in cement industry

SLIKA 2

SLIKA 3

SLIKA 4