RAZMATRANJE MOGUĆNOSTI UPOTREBE OTPADNOG MULJA U INDUSTRIJI CEMENTA ANALYZING OF USAGE OF WASTE SLUDGE IN CEMENT INDUSTRY STOJAN SIMIĆ, RAFINERIJA ULJA A.D. MODRIČA, BIH MIROSLAV STANOJEVIĆ, MAŠINSKI FAKULTET, BEOGRAD Pri obradi komunalnih i industrijskih otpadnih voda nastaju muljevi koje je potrebno zbrinuti na način bezbedan po životnu sredinu. U radu su prezentovana teorijska razmatranja mogućnosti zbrinjavanja spaljivanjem muljeva iz postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda u pećima za proizvodnju cementa. Ova razmatranja su pokazala da radna temperatura, višak vazduha, vreme spaljivanja i udeo vlage u otpadnom mulju utiču na efikasnost sagorevanja i emisiju zagađujućih komponenata u vazduh. Upotrebom muljeva otpadnih voda smanjuju se troškovi proizvodnje cementa, a istovremeno rešava problem zbrinjavanja ovog otpadnog materijala. Spaljivanje muljeva otpadnih voda u pećima za proizvodnju cementa jedno je od najprihvatljivijih rešenja za trajno zbrinjavanje ovog otpadnog materijala. S obzirom da se svojstva primarnog goriva menjaju dodavanjem otpadnog mulja, istraživanja u narednom periodu terba usmeriti u cilju određivanja optimalnog udela otpadnog mulja u mešavini sa primarnim gorivom. Ključne reči: otpadni mulj; rotaciona peć; cementara; spaljivanje; životna sredina Municipal and industrial waste water treatment generate sludge which must be treated in an environment friendly way. This paper presents the theoretical analyses of sludge incineration from the facility for waste water treatment in the furnaces within the cement manufacturing industry. These analyses show that work temperature, air excess, time of incineration and moisture content in waste sludge affect the incineration efficiency and pollutant emission in the air. The usage of waste water sludge decreases the costs of cement production and solves the problem of disposal of this hazardous material. The waste water sludge incineration in furnaces for cement production is one of the most acceptable solutions for the permanent disposal of this hazardous material. In regard to the fact that the properties of primary fuels are changed by adding waste sludge, the research in the future must be focused on the determination of waste sludge content in mixture with primary fuel. Key words: waste sludge; rotary furnace; cement plant; incineration; environment 1. UVOD Supstitucija konvencionalnih goriva alternativnim gorivima u zemljama Evropske Unije je u stalnom porastu, od 3% 1990. do 17% 2009. godine, što je ekvivalentno uštedi od 4 miliona tona uglja. Količina alternativnih goriva koja se koriste za dobijanje toplotne energije u Evropskoj Uniji značajno se razlikuje za pojedine zemlje i kreće se od 72% u Holandiji do 2% u Španiji. Posebno je prisutan trend rasta upotrebe alternativnih goriva, a naročito otpadnog mulja iz postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda, životinjskog otpada i čvrstog komunalnog otpada. U toku 1995. godine u ukupnoj količini goriva korišćenog u 1
cementarama zemalja Evropske Unije udeo alternativnih goriva je bio 10%, koksa 39%, uglja 42%, a naftnih derivata i gasa 9%. U cementarama Evropske Unije u toku 2004. godine spaljeno je 49960 tona opasnog i 197700 tona neopasnog mulja od industrijskih otpadnih voda, kao i oko 264500 tona mulja od komunalnih otpadnih voda [1, 2]. Muljevi iz postrojenja za tretman otpadnih voda moraju se zbrinuti na ekološki prihvatljiv način. Najčešće primenjivani postupci za zbrinjavanje ovih muljeva su: spaljivanje, odlaganje na deponije ili korišćenje kao đubriva u poljoprivredi. Muljevi otpadnih voda mogu se koristiti kao sekundarno gorivo u industrijskim i energetskim postrojenjima. U zavisnosti od sastava toplotna moć suve materije ovih muljeva može iznositi do 13 MJ/kg. Nakon mehaničkog tretmana i sušenja udeo vlage ovog otpadnog materijala može se dovesti na vrednost manju od 25%. Ovako pripremljen otpadni materijal predstavlja izuzetno kvalitetno sekundarno gorivo. U radu su prezentovana teorijska razmatranja mogućnosti spaljivanja muljeva iz postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda u pećima za proizvodnju cementa. 2. OSNOVNE KARAKTERISTIKE I POSTUPCI OBRADE MULJEVA OTPADNIH VODA Pri procesima prečišćavanja komunalnih i industrijskih otpadnih voda količine i karakteristike nastalog mulja zavise od svojstava i količine vode koja se obrađuje, tipa postrojenja za prečišćavanja i stepena prečišćavanja. Uobičajeno je da muljevi otpadnih voda sadrže od 5 do 10% čvrstog materijala. Ovaj materijal se sastoje iz mineralnih i organskih komponenata u kojima se mogu nalaziti patogeni mikroorganizmi. Muljeve koji se produkuju pri tretmanu otpadnih voda potrebno je obraditi tako da budu neškodljivi po životnu sredinu, kao i smanjiti njihovu zapreminu pre korišćenja ili konačnog zbrinjavanja. Troškovi obrade otpadnih muljeva su veliki i mogu iznositi i do 30% ukupnih troškova obrade otpadnih voda. Zbog toga je neophodno obratiti posebnu pažnju pri projektovanju sistema za obradu i zbrinjavanje mulja. U odnosu na komunalne, industrijske otpadne vode su znatno komplikovanije za obradu zbog prisustva zagađujućih komponenata različitog porekla. Svaka grana industrije produkuje otpadne vode različitih karakteristika, što u znatnoj meri otežava njihovu obradu i zbrinjavanje na ekološki prihvatljiv način nusprodukata koji nastaju pri njihovoj obradi. Karakteristike muljeva u značajnoj meri zavise od faze obrade otpadne vode pri kojoj se produkuju. Shodno tome, otpadni muljevi se najčešće dele na: primarni mulj, sekundarni ili višak aktivnog mulja koji nastaje pri biološkoj obradi, i tercijarni mulj. Sastav mulja najviše zavisi od porekla otpadne vode. Uopšte, otpadni mulj ima sledeći sastav: organska komponenta, nutrijenti (N, P), mikroorganizmi (bakterije, virusi, protozoe i dr.), metali, toksične organske komponente i dr. U tabeli 1. dat je tipični sastav mulja iz postrojenja za tretman komunalnih otpadnih voda. Tabela 1. Tipični sastav mulja komunalnih otpadnih voda [3] Sastav mulja Vrsta mulja azot (N) ugljenik (C) odnos C/N (-) P 2 O pepeo (A) primarni mulj 2,2-3,8 28,2-46,6 14,6-18,0 1,1-5,1 24,1-40,9 aktivni mulj 2,3-4,9 30,3-44,0 5,7-14,6 3,6-11,1 29,7-34,8 2
Muljevi koji nastaju pri tretmanu industrijskih otpadnih voda su specifični i njihov sastav je različit za svaku granu industrije. Čak i za istu vrstu industrije, u zavisnosti od starosti opreme i tehnoloških karakteristika procesa, sastav muljeva otpadnih voda se može znatno razlikovati. U tabeli 2. dat je prosečan sastav i toplotna moć mulja produkovanog pri fizičko-hemijskom tretmanu rafinerijskih otpadnih voda. Tabela 2. Prosečan sastav i toplotna moć mulja rafinerijskih otpadnih voda Karakteristika Oznaka Jedinica Prosečna vrednost vlaga W 60,65 pepeo A 2,58 ugljenik C 30,88 %mas vodonik H 2,05 kiseonik i azot O+N 3,81 gorivi sumpor gorivi S 0,03 gornja toplotna moć Hg 11640 kj/kg donja toplotna moć Hd 9880 Za izdvajanje mulja iz vode najčešće se koriste hemijski reagensi-koagulanti i flokulanti. Obično se koriste soli aluminijuma i gvožđa ili polimeri (polielektroliti) koji pospešuju izdvajanje vode iz mulja. U cilju smanjenja sadržaja vode u mulju najčešće se koriste sledeći postupci i operacije: ugušćivanje, centrifugiranje, filtracija, i sušenje. Za trajno zbrinjavanje muljeva otpadnih voda primenjuju se različite tehnologije i postupci. Muljevi otpadnih voda najčešće se zbrinjavaju: odlaganjem na uređene deponije; kompostiranjem nakon čega se primenjuju u poljoprivredi za kondicioniranje zemljišta; spaljivanjem u industrijskim i energetskim postrojenjima. Spaljivanje ovog otpadnog materijala u industrijskim i energetskim postrojenjima je sa ekološkog aspekta jedno od najprihvatljivijih rešenja. Spaljivanje u odnosu na ostale metode ima značajan broj prednosti, ali i određene nedostatke. Glavna svrha postupka spaljivanja je uništenje celokupne organske supstancije. Spaljivanjem se smanjuje količina otpada u najvećoj mogućoj meri. Produkti koji nastaju pri spaljivanju mogu biti inertni materijali koji se mogu odlagati u životnu sredinu. Pri spaljivanju otpadnog mulja rešavaju se biološki i fizički aspekti, dok je hemijski problem rešen samo delimično. Ovaj problem u najvećoj meri zavisi od parametara sagorevanja, specifičnosti ložišta, sastava otpada, dodatih reagenasa i postupka obrade dimnih gasova. Spaljivanje mulja, pored upotrebe u poljoprivredi ili odlaganja na deponije, predstavlja konačno rešenje za njegovo trajno zbrinjavanje. Da bi se otpadni mulj koristio kao sekundarno gorivo potrebno je da zadovolji dva osnovna uslova; ekološki i ekonomski. Ekološki uslov je određen hemijskim sastavom otpadnih gasova, a ekonomski toplotnom moći otpadnog mulja. U tabeli 3. su date toplotne moći za neke muljeve koji se produkuju nakon ili u toku procesa obrade komunalnih otpadnih voda. 3
Tabela 3. Toplotne moći za pojedine muljeve otpadnih voda Redni broj Vrsta mulja Sadržaj gorive supstancije, % Sadržaj pepela, % Toplotna moć mulja, kj/kg 1. ulje, masti i pena 88,5 11,5 35300-36900 2. ostatak sa fine rešetke 86,4 13,6 16500 3. primarni mulj (digestirani) 59,6 40,4 11160 4. talog iz peskolova 33,2 69,8 8450 Spaljivanje muljeva iz postrojenja za tretman otpadnih voda se sastoji iz sušenja i sagorevanja. Danas su u upotrebi različita konstrukciona rešenja postrojenja koja se koriste za spaljivanje muljeva otpadnih voda. Sa aspekta zaštite životne sredine, jedno od najprihvatljivijih rešenja je spaljivanje muljeva u rotacionoj peći za proizvodnju cementa. 3. SPALJIVANJE MULJEVA OTPADNIH VODA U CEMENTARAMA Proizvodnja cementa spada u red industrijskih grana sa izuzetno velikom potrošnjom električne i toplotne energije po jedinici proizvoda. Potrošnja energije pri proizvodnji cementa u zavisnosti od tehničko-tehnološke opremljenosti proizvodnih postrojenja kreće se od 3 do 6 GJ/t klinkera, odnosno od 90 do 120 kwh/t cementa. Troškovi energije u ukupnim troškovima proizvodnje cementa iznose oko 40%, pri čemu 25% otpada na toplotnu energiju koja se u cementarama koristi za sušenje sirovine i pečenje klinkera. U industrijski razvijenim zemljama početkom sedamdesetih godina prošlog veka počela su opsežna istraživanja o mogućnosti korišćenja goriva dobijenog iz otpada. Istraživanja su dala pozitivne rezultate, obzirom da se do 30% ukupne energije potrebne za proces može dobiti primenom alternativnih goriva, bez smanjenja kvaliteta cementa. Upotreba skoro svih vrsta goriva u fabrikama cementa moguća je zbog prirode tehnološkog postupka pečenja klinkera i hemijskih reakcija koje se tom prilikom odvijaju. Doziranje goriva kod rotacionih peći sa predgrejačem obavlja se kroz glavni gorionik na prednjem delu rotacione peći (primarno doziranje) i prelazu između predgrejača i rotacione peći (sekundarno doziranje). Danas se u industriji cementa najčešće koriste sledeća alternativna goriva [4]: otpadna ulja i zauljeni otpadni materijali, otpadni pneumatici od motornih vozila, gorivi deo komunalnog ambalažnog otpada, drvni otpad, mulj otpadnih voda i dr. Jedna od mogućnosti za zbrinjavanje muljeva iz postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda je njihovo spaljivanje u rotacionim pećima u industriji cementa. U industrijski razvijenim zemljama urađeno je više studija i industrijskih proba vezano za mogućnost spaljivanja ovih muljeva u rotacionim pećima zajedno sa primarnim gorivom. Za efikasno eliminisanje nepoželjnih mirisa i za potpuno sagorevanje organskih supstancija u muljevima iz postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda potrebno je da temperatura bude iznad 800 o C. Pri korišćenju muljeva veće vlažnosti od 95% dolazi do znatnog opterećenja procesa koji se odvija u rotacionoj peći zbog: povećanja količine toplote potrebne za isparavanje vode, pada temperature u zoni sagorevanja na ulaznoj strani peći, smanjenja proizvodnje klinkera usled visoke količine vodene pare, povećane potrošnje električne energije za odvođenje dimnih gasova. 4
Zbog toga je ove muljeve potrebno prethodno mehanički ocediti ili izvršiti predsušivanje radi smanjenja udela vlage, a u cilju boljeg energetskog iskorišćenja suve materije pri procesu sagorevanja. Za sušenje muljeva može se koristiti toplota iz procesa proizvodnje cementa, npr. dimni gasovi iz rotacione peći, otpadni vazduh od hlađenja i dr. Na slici 1. prikazana je uprošćena šema rotacione peći sa označenim pravcima kretanja i temperaturama materijala i vrelih gasova, kao i mesto uvođenja sekundarnog goriva (otpadni mulj) u dimnu komoru. Slika 1. Uprošćena šema rotacione peći Količina muljeva od otpadnih voda koja može zameniti primarno gorivo u procesu proizvodnje cementnog klinkera zavisi od: vlažnosti ovih muljeva i njihovog uticaja na temperaturu sagorevanja, uticaja muljeva na hemijski i minerološki sastav klinkera, i uticaja muljeva na emisiju dimnih gasova iz rotacione peći. Mnogobrojnim istraživanjima u rotacionim pećima sa planetarnim hladnjacima i ugljem kao primarnim gorivom utvrđeno je da udeo mulja do 10% u ukupnoj količini goriva ne utiče značajnije na karakteristike procesa u rotacionoj peći. Kada je pri procesu proizvodnje cementnog klinkera udeo mulja otpadnih voda u ukupnoj količini goriva od 5 do 10%, uočeno je da dolazi do porasta sledećih procesnih parametara [5]: potrošnje toplote za 95 kj/kg klinkera, odnosno za 2,5%; produkcije dimnih gasova za 3,7%; temperature dimnih gasova za 21 o C; pada pritiska za 3,6 kpa, odnosno za 9%; potrošnje električne energije za odvođenje dimnih gasova za 1 kwh/t klinkera. U procesu proizvodnje cementa, bez obzira na vrstu korišćenih goriva (klasična ili alternativna), način i mesto doziranja, u produktima procesa sagorevanja emituju se 5
odgovarajući polutanti. Emisija najviše zavisi od sastava sirovinske smeše, u znatnoj meri od sastava goriva, a skoro nikako ne zavisi od načina doziranja goriva. Istraživanja koja su do sada sprovedena pokazuju da ukoliko se pri procesu proizvodnje cementnog klinkera izvrši delimična zamena primarnog goriva (npr. uglja) sa muljem iz postrojenja za tretman otpadnih voda, ne dolazi do zanačajnije promene emisije u vazduh u odnosu na emisiju kada se koristi samo ugalj kao primarno gorivo. Pri korišćenju muljeva otpadnih voda kao sekundarnog goriva u pećima za cement uočen je porast emisije ugljen-monoksida (CO) za 30 do 50%, odnosno smanjenje koncentracije azotnih oksida (NO x ) za 14 do 26%. Zbog toga je znatno složenija regulacija viška vazduha pri procesu sagorevanja u rotacionoj peći, pa dolazi do nepotpunog sagorevanja. Jedan od razloga smanjenja emisije azotnih oksida je porast sadržaja ugljen-monoksida u dimnim gasovima. Ukoliko se u pećima za proizvodnju cementa umesto primarnog goriva (ugalj), kao gorivo koristi kombinacija uglja i muljeva iz postrojenja za tretman otpadnih voda dolazi do povećanja sadržaja organskih supstancija u dimnim gasovima za oko 20 mg/m 3. Rezultati istraživanja vezano za mogućnost korišćenja muljeva otpadnih voda u cementnoj industriji, pokazuju pozitivne trendove i sa aspekta koncentracije teških metala. Na primer, u cementari "Vassiliko" na Kipru u toku 2003. i 2004. godine za dobijanje energije spaljeno je oko 22000 m 3 mulja komunalnih otpadnih voda. Koncentracija teških metala u dimnim gasovima je bila 16%, a koncentracija furana i dioksina 6% od maksimalno dozvoljene vrednosti. Mulj iz postrojenja za tretman otpadnih voda kada se dodaje primarnom gorivu u manjoj ili većoj meri menja njegova svojstva kao goriva, a to su: količina proizvedene toplote, potrebna količina vazduha za sagorevanje, zapremina dimnih gasova, sastav dimnih gasova, sadržaj prašine u dimnim gasovima, količina pepela i šljake, kao i emisija teških metala. Zbog toga maksimalni udeo otpadnog mulja ne treba da bude veći od 5% u odnosu na kapacitet postrojenja za proizvodnju cementnog klinkera. Istraživanja u narednom periodu treba usmeriti u cilju određivanja optimalnog udela ovih muljeva u mešavini sa primarnim gorivom. Dosadašnja istraživanja su pokazala da dodavanje muljeva iz postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda primarnom gorivu ne utiče značajnije na karakteristike cementnog klinkera. 4. ZAKLJUČAK Pri obradi otpadnih voda nastaju muljevi koje je potrebno zbrinuti na bezbedan način po čovekovu životnu i radnu sredinu. U zavisnosti od porekla u muljevima se nalazi odgovarajuća količina polutanata koji zagađuju životnu sredinu i izazivaju neprijatne mirise. U odnosu na muljeve komunalnih otpadnih voda, muljevi industrijskih otpadnih voda su znatno komplikovaniji za obradu zbog prisustva zagađujućih komponenata različitog porekla. Pre završnog tretmana potrebno je izvršiti redukciju produkovanog mulja, kako bi se smanjila količina materijala kojeg treba zbrinuti. Spaljivanje se smatra jednim od ekološki najprihvatljivijih rešenja za trajno zbrinjavanje mulja dobijenog iz procesa obrade otpadnih voda. Jedan od najvećih problema pri spaljivanju je nastajanje dioksina, furana i drugih ostataka iz reakcija koje se odvijaju na nižim temperaturama. Zbog toga je neophodno da su, pri procesu sagorevanja, temperature dovoljno visoke kako bi se u što većem obimu eliminisale štetne komponente iz dimnih gasova. Jedno od najprihvatljivijih rešenja za zbrinjavanje muljeva iz postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda je njihovo spaljivanje u pećima za proizvodnju cementa. Obzirom da su temperature u rotacionim pećima visoke (u pojedinim zonama i do 1800 o C), u ovim postrojenjima se moglu spaljivati muljevi otpadnih voda na bezbedan način po čovekovu životnu i radnu sredinu. 6
LITERATURA [1] Genon, G., Brizio, E., Perspectives and limits for cement kilns as a destination for RDF, Waste Management, 28 (2008.), pp. 2375-2385. **** [2] IEA, Cement & lime bref revision Cemburea contribution, May, 2006. [3] Simičić, H., Procesi obrade otpadnih voda, Eko-Zeleni, Tuzla, 2002. [4] Đukić, V., Uloga cementne industrije BiH u sistemu upravljanja otpadom, Zaštita materijala, Broj 3, Sarajevo, 2008., str. 40-44. [5] Sredojević, J., Reciklaža otpada, Mašinski fakultet, Zenica, 2006. 7