Wykorzystanie odpadów cementownianych

Dagmara Jagoda-Pużak
główny inżynier ekolog

Przemysł cementowy w Polsce odgrywa istotną rolę w zagospodarowywaniu odpadów pochodzących z innych gałęzi przemysłu, m.in. z elektrowni, hutnictwa oraz  jest kreatorem wykorzystania paliw alternatywnych. Dzięki cementowniom około 1,5-2,0 mln ton odpadów stanowi surowiec do produkcji paliw alternatywnych, dzięki czemu frakcja ta nie jest poddawana składowaniu na składowiskach.^{1, 8}

Przewagą cementowni w termicznym przekształcaniu odpadów jest bardzo wysoka temperatura powyżej 1400⁰C, która zapewnia bezpieczny sposób unieszkodliwiania odpadów (zgodne z rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 21 marca 2002 r. w sprawie wymagań termicznego przekształcania odpadów). Wszystkie substancje, które powstają w wyniku spalania paliw alternatywnych są wbudowywane w struktury klinkieru (stanowią około 4% klinkieru cementowego).^{1, 8} W Polsce funkcjonuje 12 zakładów cementowych.¹

Pod względem ilości i możliwości gospodarczego wykorzystania (na świecie i w Polsce) najważniejszą grupę odpadów z elektrowni stanowią popioły lotne ze spalania węgla kamiennego.⁹ Charakteryzują się one dużą miałkością, korzystną strukturą i składem chemicznym, właściwościami zbliżonymi do ilastych surowców naturalnych,  oraz swoistą aktywnością pucolanową (czynnik determinujący – cecha niezmiernie pożądana przy zastosowaniu popiołu lotnego jako dodatku mineralnego do produkcji cementu i betonu).¹⁰ Pucolanowość to cecha materiału budowlanego polegająca na zdolności do reakcji chemicznej w obecności wilgoci z wodorotlenkiem wapnia, w wyniku której powstają związki o właściwościach wiążących (jak np. cement czy wapno).^{10, 11}

Przemysł cementowy i przemysł betonu towarowego charakteryzują się ogromnym zużyciem energii i surowców, stąd niezwykle istotnym zagadnieniem jest znalezienie tanich i w pełni przydatnych materiałów mineralnych, mogących w pełni zastąpić najdroższy komponent w składzie cementu jakim jest klinkier portlandzki, stanowiący jednocześnie odpad z innych procesów przemysłowych.^{1, 12}

Jednym z takich surowców jest popiół lotny, wytrącany w elektrofiltrach, stanowiący odpad ze spalania węgla kamiennego. Zastosowanie popiołu lotnego w przemyśle cementowym przynosi wymierne efekty ekologiczne, w tym jednym z najważniejszych jest ograniczenie emisji CO₂ do atmosfery.^{6, 7} Przy produkcji cementu popiołowego poprzez zastąpienie klinkieru portlandzkiego w ilości 35% dodatkiem popiołu lotnego, emisja CO₂ zmniejszy się o 227 kg CO₂/tonę cementu, w porównaniu z produkcją czystego cementu portlandzkiego o zawartości klinkieru portlandzkiego równiej 95%.^{1, 8, 12} Popioły lotne wykorzystywane są jako:

• dodatek mineralny do produkcji cementu portlandzkiego wieloskładnikowego,
• aktywny dodatek mineralny oraz mikrokruszywo do produkcji betonu zwykłego i samozagęszczającego,
• do produkcji betonów wysokowartościowych,
• składnik betonów komórkowych, drogowych i innych.¹³

Z roku na rok obserwuje się wzrost zapotrzebowania na popioły lotne dobrej jakości, przy tendencji spadkowej w ich pozyskiwaniu z konwencjonalnych metod spalania. Wynika to przede wszystkim ze:

• spadku produkcji energii elektrycznej i cieplnej w wyniku restrukturyzacji przemysłu (np. zmniejszenie zużycia energii w procesach technologicznych),
• zmniejszonego zapotrzebowania na energię w okresie letnim (wówczas produkcja i zużycie cementu są największe – tym samym największe jest zapotrzebowanie na popioły lotne),
• wzrostu liczby elektrowni i elektrociepłowni, które wprowadzają lub przymierzają się do wprowadzenia odsiarczania gazów innymi metodami niż mokra wapienna – co w przyszłości będzie skutkować pojawianiem się w miejsce tak cennych popiołów lotnych krzemionkowych - innych odpadów.^{1, 2, 8, 9, 10}

Również w produkcji stali, która jest procesem zarówno materiałochłonnym, jak i energochłonnym, wytwarzane są duże ilości odpadów. Ponad połowa surowców wykorzystywanych w procesie wytwarzania stali, tworzy odpady w ilości około 10% w stosunku do ilości produkowanej stali.^{2, 3} W procesie wytapiania surówki w wielkim piecu hutniczym powstają odpady jakimi są żużle wielkopiecowe.²

Odpady stalownicze w postaci żużli, podobnie jak inne rodzaje odpadów, zgodnie z obowiązującymi dyrektywami powinny być w miarę możliwości zagospodarowywane.^{2, 4} Właściwe zagospodarowanie żużli ogranicza ich składowanie na hałdach. Granulowany żużel wielopiecowy jest cennym składnikiem cementu, jak i spoiw drogowych.² Stosowanie granulowanego żużla wielkopiecowego w składzie cementów wpisuje się w strategię zrównoważonego rozwoju, poprzez:

• wykorzystanie ubocznego produktu wytwarzania surówki żelaza;
• ograniczenia zastosowania surowców naturalnych do produkcji cementu;
• obniżeniem zawartości klinkieru portlandzkiego w składzie cementu co pozwala na zmniejszenie zużycia energii i emisji CO₂.²

Zastosowanie żużli wielkopiecowych w drogownictwie daje wymierne efekty w postaci poprawy właściwości mechanicznych, fizycznych, jak również chemicznych  betonu.² Hydrauliczne spoiwo wykonane przy wykorzystaniu żużli wielkopiecowych znajduje zastosowanie w inżynierii komunikacyjnej do ulepszania gruntów słabych i gruntów przydatnych, wzmacniania nawierzchni, wykonania podbudowy pomocniczej, jak również zasadniczej, w budowie dróg, trakcji kolejowych, lotnisk i innych rodzajów infrastruktury.²

Jednym z działań silnie wspomagających gospodarkę odpadami jest stosowanie paliw alternatywnych w cementowniach.^{1, 6, 7} Stosowanie tego typu paliw  przekłada się na zmniejszenie kosztów produkcji cementowni w wyniku obniżenia kosztów energii poprzez zastąpienie części paliw kopalnych.⁵ Wykorzystując paliwa alternatywne komponowane z odpadów należy pamiętać, że stosowanie ich nie może mieć negatywnego oddziaływania na pracę pieca cementowego ani na jakość produkowanego klinkieru, a także powodować zwiększenia zanieczyszczeń gazów emitowanych do atmosfery.⁶

W cementowniach można stosować jako paliwo alternatywne także zużyte opony, które są problematycznym odpadem. Obecnie około 90% paliw alternatywnych wykorzystywanych w cementowniach stanowi paliwo RDF (Refuse Derived Fuel) na bazie odpadów komunalnych. Pod pojęciem RDF kryje się określenie stosowane do frakcji odpadów o dużej wartości opałowej powyżej 18MJ/kg.⁷  Zużycie RDF jako paliwa w cementowniach wyniosło w 2019 r. aż 1 579,7 tys. ton. Zgodnie z danymi z 2019 r. na kolejnym miejscu pod względem ilościowym w strukturze paliw alternatywnych znalazły się zużyte opony, które stanowiły 5% całego strumienia paliw, aż 89,7tys. Ton [1]. Wśród strumienia paliw alternatywnych wyróżnić możemy także tworzywa sztuczne i gumę (3%) oraz osady ściekowe (1%).¹ Współspalanie paliw alternatywnych w cementowni wiąże się z przygotowaniem odpowiedniej infrastruktury, systemów monitoringu i kontroli. Większość zakładów cementowych w Polsce wyposażona jest w linie technologiczne z piecami do produkcji klinkieru portlandzkiego i wszystkie te cementownie wykorzystują paliwa alternatywne. Spalanie paliw alternatywnych w piecach cementowych jest bezpieczną dla środowiska metoda utylizacji odpadów.^{1, 7}

1. Stowarzyszenie Producentów Cementu – Przemysł w liczbach, 2022
2. Granulowany żużel wielkopiecowy składnikiem cementów i spoiw drogowych Gorażdże Heidelberg Cement Group, Dział Pełnomocnika Zarządu ds. Badań i Rozwoju Produktów Górażdże Cement
3. Modernizacja technologii zagospodarowania odpadów hutniczych, Systemy Wspomagania Inżynierii Produkcji; Inżynieria Systemów Technicznych 2016 z. 2(14)
4. Technologie utylizacji żużli metalurgicznych – studium literaturowe, Systemy wspomagania w Inżynierii Produkcji, Inżynieria Systemów Technicznych 2014
5. Paliwa alternatywne z odpadów dla cementowni – doświadczenia Lafarge Cement Polska S.A., Mieczysław Sarna, Eugeniusz Mokrzycki, Alicja Uliasz Bocheńczyk, Zeszyty Naukowe Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Koszalińskiej, Koszalin 2003
6. Paliwa alternatywne w przemyśle cementowym – aktualne wyzwania, dr inż. Bożena Środa, Stowarzyszenie Producentów Cementu
7. Paliwa alternatywne na bazie sortowanych odpadów komunalnych dla przemysłu cementowego, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2008
8. Cementownie są stałym i ważnym elementem polskiego systemu gospodarki odpadami - Polski Cement
9. Gospodarka popiołowa – jak i do czego wykorzystujemy popioły - ZielonaGospodarka.pl
10. Wpływa popiołów lotnych krzemionkowych kategorii S  na wybrane właściwości kompozytów cementowych, Politechnika Śląska, Górażdże Cement S.A. Zbigniew Giergiczny Mikołaj Ostrowski, Tomasz Baran
11. Co to są pucolany (chemiabudowlana.info)
12. Zużycie energii przez przemysł cementowy - Polski Cement
13. Popiół lotny jako aktywny składnik cementów i dodatek mineralny do betonu, Zbigniew Giergiczny, Marek Gawlicki, Dni Betonu 2004