Αξιοποίηση σκόνης φίλτρων ηλεκτροκαµίνων (EAFD) σε δοµικά κεραµικά υλικά

Transcript

1 Environmental problem solving, Case study for the steel industry Αξιοποίηση σκόνης φίλτρων ηλεκτροκαµίνων (EAFD) σε δοµικά κεραµικά υλικά «Συστήµατα Περιβαλλοντικής Πιστοποίησης στους τοµείς της κατεργασίας µετάλλου και επικαλύψεων» Τετάρτη 7 εκεµβρίου 2011 Ξενοδοχείο Αµαλία, Λεωφ. Αµαλίας 10 Αθήνα Βασίλης Σταθόπουλος Επίκουρος Καθηγητής Υπηρεσία Περιβάλλοντος, ΕΚΕΠΥ Α.Ε. Εταιρεία Βιοµηχανικής Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης Κεραµικών & Πυριµάχων Page 1

2 Αξιοποίηση EAFD σε δοµικά κεραµικά Μείωση κόστους Βελτίωση περιβάλλοντος Page 2

3 Αξιοποίηση EAFD σε δοµικά κεραµικά Ιεραρχία διαχείρισης αποβλήτων Β.ΣΤΑΘΟΠΟΥΛΟΣ, Επικ. Καθηγητής ΤΕΙ-Χ Page 3

4 ιαχείριση στερεών αποβλήτων Page 4

5 Επικίνδυνα στερεά παραπροϊόντα Κάθε Κάθε υλικό φυσικοχηµικά που περιλαµβάνεται επεξεργασµένο (προς στον απόρριψη?) υλικό που λόγω ποσότητας, Ευρωπαϊκό Κατάλογο Αποβλήτων συγκέντρωσης ή µολυσµατικότητας µπορεί ή θα (ΕΚΑ) µπορούσε µε επισήµανση να βλάψει την υγεία αστερίσκου ή το περιβάλλον Παραδείγµατα επικινδύνων αποβλήτων Εκρηκτικά Βαρέα µέταλλα (As, Cd, Pb, Hg κλπ) Ραδιενεργά Πολυκυκλικοί υδρογονάνθρακες Σκόνη φίλτρων ηλεκτροκαµίνων χαλυβουργίας Page 5

6 Σκόνη φίλτρων ηλεκτροκαµίνων χαλυβουργίας Σχηµατίζεται κατά την παραγωγή χάλυβα από ανακύκλωση (SCRAP) και συλλέγεται από τα φίλτρα Περιέχει βαρέα µέταλλα τα οποία λόγω πτητικότητας κατά τη λειτουργία του κλιβάνου περνούν στην αέρια φάση οξειδώνονται από τον αέρα και συλλέγονται ως σκόνη Page 6

7 Σκόνη φίλτρων ηλεκτροκαµίνων χαλυβουργίας H EAFD καταχωρείται στο ΕΚΑ µε κωδ και εµφανίζει οικοτοξικότητα (Zn, Pb, Cd, Ni & Cr κλπ) ΗΠΑ (2009) 0.90 million tons EAFD από ~60 εκατ. tons χάλυβα 0.60 million tons για ανακύκλωση Zn 0.3 million tons για διαχείριση/απόθεση Ελλάς: 2009, 2.08 million tons χάλυβα ΕΕ: million tons Page 7

8 Σκόνη φίλτρων ηλεκτροκαµίνων χαλυβουργίας Το πρόβληµα: Η τύχη της ελληνικής σκόνης ηλεκτροκαµίνων χαλυβουργίας Η ιδέα: ιαχείριση EAFD µε ενσωµάτωση της σε δοµές οι οποίες να αδρανοποιούν τα περιεχόµενα βαρέα µέταλλα χωρίς οικοτοξικότητα και µετανάστευση στο περιβάλλον Η πρόταση: Ενσωµάτωση σε κεραµικές δοµές (τούβλα) Page 8

9 Αξιοποίηση EAFD σε δοµικά κεραµικά Ο κλάδος των δοµικών υλικών είναι από τους πιο σηµαντικούς κλάδους της Ελληνικής Οικονοµίας (εργαζόµενοι και εταιρίες) Μεγαλύτερος καταναλωτής πρώτων υλών και ενέργειας Απορρόφηση Υποκατάσταση µέρους µάζας/ενέργειας από παραπροϊόντα µε στόχο την εξοικονόµηση α υλών, ενέργειας κλπ. - Τσιµεντοβιοµηχανία - Βιοµηχανίες παραγωγής σκυροδέµατος και προϊόντων σκυροδέµατος - Κεραµοποιία - Βιοµηχανίες οµικών Χηµικών - Αδρανή Page 9

10 Σκόνη φίλτρων ηλεκτροκαµίνων χαλυβουργίας σε οικοδοµικά τούβλα Εργαστηριακοί έλεγχοι Χηµικές αναλύσεις, χαρακτηρισµοί (ΕΛΟΤ ΕΝ 955) Μάζες & Εξώθηση δοκιµίων Έψηση Αξιολόγηση (Χηµικές αναλύσεις, ΕΝ 955, ΕΝ 772, Αντοχές) Περιβαλλοντική αξιολόγηση (ΕΝ σταθερότητα) Πιλοτική εφαρµογή Ανάµιξη Εξώθηση 12οπα τούβλα Αξιολόγηση (Χηµικές αναλύσεις, ΕΝ 955, ΕΝ 772 Αντοχές κλπ) Περιβαλλοντική αξιολόγηση (ΕΝ ,σταθερότητα) Page 10

11 Χαρακτηριστικά υλικού Περιέχει % κ.β ZnO PbO CdO Cr 2 O CuO Fe 2 O NiO MnO K 2 O Na 2 O MgO CaO Al 2 O SiO CoO 0.01 SO F Cl LOI (900 o C) ΣΥΣΤΑΣΗ Μόλυβδος Κάδµιο Χρώµιο Χαλκός Νικέλιο Μαγγάνιο Χλώριο ΥΦΗ Πολύ Σίδηρος, Ψευδάργυρος Με ιακυµάνσεις Υπέρλεπτη πούδρα Μέγεθος µm Page 11

12 Σκόνη φίλτρων ηλεκτροκαµίνων χαλυβουργίας σε οικοδοµικά τούβλα Εκπλυσιµότητα βαρέων µετάλλων από σκόνη EAFD σύµφωνα µε το ΕΝ Στοιχείο mg/kg Μέθοδος ανάλυσης Zn 6618,2 FAAS Pb 162,3 FAAS Cd 4,61 FAAS Cu 15,73 FAAS Cr 0,77 FAAS Ni 1,31 FAAS Se Ba Sb As Mo Hg δεν ανιχνεύτηκε κατά την ανάλυση ICP-MS Cl IC F 150 IC SO IC DOC 3393,75 IC TDS Ηλεκτροχηµικά ph 6,16 Ηλεκτροχηµικά Αγωγηµότης (ms/cm) 18,57 Ηλεκτροχηµικά η σκόνη δεν µπορεί να αποτεθεί ασφαλώς ούτε σε ΧΥΤΑ επικίνδυνων αποβλήτων ΑΠΑΙΤΕΙΤΑΙ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ Όρια τοξικότητας ΕΝ (µονάδες σε mg / kg ξηράς ουσίας) 1 Απόφαση του συµβουλίου της Ε.Ε. 2003/33/ΕΚ Χαρακτηρισµός αποβλήτων Στοιχείο εκτά σε χώρους για αδρανή απόβλητα 1 εκτά σε χώρους για τα µη επικίνδυνα απόβλητα 1 εκτά σε χώρους για επικίνδυνα απόβλητα 1 As 0, Ba Cd 0, Cr σύνολο 0, Cu Hg 0,01 0,2 2 Mo 0, Ni 0, Pb 0, Sb 0,06 0,7 5 Se 0,1 0,5 7 Zn Cl F SO είκτης φαινόλης TDS Page 12 DOC

13 Εργαστηριακή εφαρµογή Προσθήκη σκόνης φίλτρων ηλεκτροκαµίνων σε ποσοστά 0%, 2.5% και 5% σε πηλό κατασκευής δοµικών κεραµικών Μετά τη δηµιουργία οµογενών µιγµάτων (ζύµωση), εξώθηση κυλινδρικών δοκιµίων, ξήρανση και έψηση σε τρεις θερµοκρασίες (850 ο C, 900 ο C, 950 ο C). Αξιολόγηση των δοκιµίων από πλευράς φυσικών και µηχανικών ιδιοτήτων Τέλος, περιβαλλοντική αξιολόγηση δοκιµίων Β.ΣΤΑΘΟΠΟΥΛΟΣ, Επικ. Καθηγητής ΤΕΙ-Χ Page 13

14 Εργαστηριακή εφαρµογή - Αποτελέσµατα Συνθέσεις κεραµικών δοµικών υλικών Yλικό % w/w EAFD ΠΗΛΟΣ Η 2 Ο ( % στο µίγµα) Πολλαπλασιασµός αντοχών στους 850 ο C Αντοχή σε κάµψη 3 σηµείων κυλινδρικών κεραµικών δοκιµίων Ø13.5 mm Ποσοστό EAFD 0% 2.5% 5% Θερµοκρασία ( o C) ΜPa 850 1,8 5,7 5, ,0 9,7 7, ,8 7,6 6,1 Αύξηση ή ιατήρηση των αντοχών Μείωση της απαιτούµενης θερµοκρασίας ψησίµατος Σταθερότητα αντοχών σε υψηλές 0 θερµοκρασίες Β.ΣΤΑΘΟΠΟΥΛΟΣ, Επικ. Καθηγητής ΤΕΙ-Χ αντοχή σε κάµψη 3 σηµείων (MPa) θερµοκρασία έψησης (C) 0% 2,5% 5% Page 14

15 Εργαστηριακή εφαρµογή - Αποτελέσµατα Περιβαλλοντική αξιολόγηση κατά ΕΝ Σταθεροποίηση επικινδύνου παραπροϊόντος - Απουσία των βαρέων µετάλλων (χαµηλότερα της κατηγορίας Α ΡΑΝΩΝ) - Επιτυγχάνεται πλήρης σταθεροποίηση του Zn στις κεραµικές δοµές. - TDS χαµηλότερα από καθαρό πηλό Εκπλυσιµότητα κεραµικών δοκιµίων κατά ΕΝ Pb,Cd,Cu, Θερµ/σία Zn Cr,Νi,Se,As Cl F SO οκίµιο % έψησης 4 TDS ph Cond Ba,Mo,Sb,Hg Πηλός / ΕAFD ( o C ) mg/kg ξηράς ουσίας µs/cm 100/0 <1 n.d * 50,6 5,1 198, , / <1 n.d * 48,3 3,5 1026, , /5 <1 n.d * 76,0 5,8 1668, , /0 <1 n.d * 35,2 5,6 156, , / <1 n.d * 34,5 2,9 1031, , /5 <1 n.d * 35,8 3,7 1633, , /0 <1 n.d * 31,1 4,6 197, , / <1 n.d * 25,9 2,8 832, , /5 <1 n.d * 26,9 2,9 1365, , n.d * : δεν ανιχνεύτηκε κατά την ανάλυση Page 15

16 Πιλοτική εφαρµογή - Αποτελέσµατα Ανάµιξη µε 2% (ΣΥΝΘΕΣΗ 2) και 7% (ΣΥΝΘΕΣΗ 1) Εξώθηση 12οπα τούβλα (~190mm x 112mm x 88mm) Αξιολόγηση (Χηµικές αναλύσεις, ΕΝ 955, ΕΝ 772 Αντοχές κλπ) Περιβαλλοντική αξιολόγηση (ΕΝ ,σταθερότητα) %w/w Άψητο Ψηµένο +EAFD άψητο +EAFD ψηµένο Σύνθεση Σύνθεση Σύνθεση 1 Σύνθεση 1 αναφοράς1 Αναφοράς1 PbO 0,05 0,37 0,02 0,34 ZnO 0,04 2,11 0,04 2,12 CdO 0,01 0,01 0,00 0,01 Fe 2 O 3 6,05 8,46 6,83 8,93 CuO 0,02 0,05 0,01 0,04 Cr 2 O 3 0,05 0,05 0,05 0,08 NiO 0,02 0,02 0,03 0,04 Na 2 O 0,14 0,14 0,15 0,14 K 2 O 1,27 1,43 1,27 1,26 MgO 2,32 2,42 2,45 2,60 CaO 4,76 4,23 3,68 4,43 Al 2 O 3 13,35 13,73 13,65 13,18 SiO 2 total 63,48 59,28 69,01 69,38 LOI 8,88 8,29 0,00 0,00 +7% σκόνη ηλεκτροκαµίνων EAFD (ΣΥΝΘΕΣΗ 1) Page 16

17 Πιλοτική εφαρµογή - Αποτελέσµατα Περιεκτικότητα όλων των συνθέσεων σε χλώριο +7% σκόνη ηλεκτροκαµίνων EAFD (ΣΥΝΘΕΣΗ 1) %w/w Τούβλο Άψητο Σύνθεση αναφοράς 1 +EAFD άψητο Σύνθεση 1 Τούβλο Ψηµένο Σύνθεση Αναφοράς 1 +EAFD ψηµένο Σύνθεση 1 Ολικό Cl 0,40 0,42 0,40 0,37 Σταθερότητα χλωρίου Προσδιορισµός υδατοδιαλυτού χλωρίου (ΕΝ 772-5) Τούβλο Άψητο Σύνθεση αναφοράς 1 +EAFD άψητο Σύνθεση 1 Τούβλο Ψηµένο Σύνθεση Αναφοράς 1 +EAFD ψηµένο Σύνθεση 1 %w/w υδατοδιαλυτό Cl 0,01 0,30 0,00 0,02 Υδατοδιαλυτά SO 2-4 0,01 0,16 0,06 0,37 Page 17

18 Πιλοτική εφαρµογή - Αποτελέσµατα +7% σκόνη EAFD (ΣΥΝΘΕΣΗ 1) ΠΟΙΟΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ 1) Προσδιορισµός Μηχανικής Αντοχής σε Θλίψη ΕΛΟΤ ΕΝ (10 τεµάχια σύνθεση αναφοράς 1) (10 σύνθεση 1 µε EAFD) 2) Έλεγχος ιαστάσεων (10+10 τεµ.) (ΕΛΟΤ ΕΝ ) 3) Προσδιορισµός Υδαταπορρόφησης µε βρασµό (10+10 τεµ.) (ΕΛΟΤ ΕΝ 772-7) Σύνθεση 1 (~7% σκόνη) α/α µήκος ύψος εµβ/ον ΚΝ Ν Ν/mm ,00 88, ,00 77, , ,60 88, ,24 55, , , ,00 56, , ,10 88, ,61 54, , ,70 88, ,21 68, , ,20 88, ,44 63, , ,30 88, ,89 75, , ,60 88, ,66 69, , ,10 87, ,98 62, , , ,40 70, ,24 Μ.Ο 3,94 ΜΙΝ 3,29 ΜAX 4,61 Σύνθεση αναφοράς 1 α/α µήκος ύψος εµβ/ον ΚΝ Ν Ν/mm ,00 88, ,00 42, , ,80 88, ,04 44, , ,10 88, ,89 41, , ,90 88, ,65 51, , ,70 88, ,36 42, , ,50 88, ,30 41, , ,60 88, ,68 56, , ,80 89, ,20 63, , ,30 88, ,67 39, , ,30 89, ,70 44, ,63 Μ.Ο 2,78 ΜΙΝ 2,35 ΜΑΧ 3,73 ΒΕΛΤΙΩΣΗ αντοχών Β.ΣΤΑΘΟΠΟΥΛΟΣ, Επικ. Καθηγητής ΤΕΙ-Χ «Αξιοποίηση βιοµηχανικών παραπροϊόντων σε δοµικά κεραµικά» Page 18

19 Πιλοτική εφαρµογή - Αποτελέσµατα Περιβαλλοντικός χαρακτηρισµός ΕΝ12457 Υλικό mg/kg Zn Pb Cd Cu Cr Ni Se Ba Sb As Mo Hg Τούβλο Ψηµένο Σύνθεση Αναφοράς 1 (υλικό 4 mm) Μη ανιχνεύσιµο κατά τη µέτρηση (ICP-MS) +EAFD ψηµένο Σύνθεση 1 (υλικό 4 mm) Τούβλο Ψηµένο Σύνθεση Αναφοράς 1 (ολόκληρο τούβλο) Μη ανιχνεύσιµο Μη ανιχνεύσιµο κατά τη κατά τη µέτρηση µέτρηση (ICP-MS) (ICP-MS) +EAFD ψηµένο Σύνθεση 1 (ολόκληρο τούβλο) Μη ανιχνεύσιµο κατά τη µέτρηση (ICP-MS) Cl 57,9 178,4 63,1 250 F 7 9, SO4 546, ,1 1786,4 TDS ph 7,99 8,01 6,75 6,76 cond µs/cm Α ΡΑΝΟΠΟΙΗΣΗ Παρά την υψηλή περιεκτικότητα σε σκόνη (~7%) Page 19

20 Πιλοτική εφαρµογή - Αποτελέσµατα +2% σκόνη ηλεκτροκαµίνων EAFD (ΣΥΝΘΕΣΗ 2) Χηµική σύσταση της σύνθεσης 2 %w/w +EAFD άψητο +EAFD ψηµένο Σύνθεση 2 Σύνθεση 2 PbO 0,12 0,14 ZnO 0,61 0,64 CdO 0,00 0,00 Fe 2 O 3 7,48 6,96 CuO 0,01 0,01 Cr 2 O 3 0,01 0,02 NiO 0,01 0,01 Na 2 O 0,11 0,16 K 2 O 1,81 1,39 MgO 1,50 1,99 CaO 4,75 7,48 Al 2 O 3 10,57 10,11 SiO 2 total 64,01 64,21 LOI 8,19 0 Προσδιορισµός υδατοδιαλυτού χλωρίου (ΕΝ 772-5) %w/w +EAFD άψητο Σύνθεση 2 +EAFD ψηµένο Σύνθεση 2 Ολικό Cl 0,40 0,39 Υδατοδιαλυτό Cl 0,14 0,02 Υδατοδιαλυτά SO 2-4 0,06 0,10 Σταθερότητα χλωρίου Χαµηλή διαλυτότητα θειικών Page 20

21 Πιλοτική εφαρµογή - Αποτελέσµατα ΠΟΙΟΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ Προσδιορισµός Μηχανικής Αντοχής σε Θλίψη ΕΛΟΤ ΕΝ Σύνθεση 2 (~2% σκόνη) α/α µήκος ύψος εµβ/ον ΚΝ Ν Ν/mm ,70 89, ,13 42, , ,70 88, ,36 41, , ,30 89, ,14 52, , ,70 88, ,36 53, , ,80 88, ,68 45, , , ,40 41, , ,00 87, ,70 45, , ,90 88, ,21 50, , ,80 88, ,24 37, , ,10 89, ,93 49, ,91 Μ.Ο 2,73 ΜΙΝ 2,25 ΜΑΧ 3,18 Σύνθεση αναφοράς 2 α/α µήκος ύψος εµβ/ον ΚΝ Ν Ν/mm ,30 87, ,75 42, , ,40 87, ,68 41, , ,30 87, ,08 52, , ,80 87, ,64 53, , ,00 87, ,60 45, , ,40 87, ,38 41, , ,60 87, ,00 45, , ,80 87, ,00 50, , ,30 87, ,42 37, , ,30 87, ,61 49, ,98 Μ.Ο 2,79 ΜΙΝ 2,30 ΜΑΧ 3,28 ΣΤΑΘΕΡΟΤΗΤΑ αντοχών Page 21

22 Πιλοτική εφαρµογή - Αποτελέσµατα Περιβαλλοντικός χαρακτηρισµός ΕΝ12457 Υλικό mg/kg Zn Pb Cd Cu Cr Ni Se Ba Sb As Mo Hg +EAFD ψηµένο Σύνθεση 2 Μη ανιχνεύσιµο κατά τη µέτρηση (ICP-MS) +EAFD ψηµένο Σύνθεση 2 (ολόκληρο τούβλο) Μη ανιχνεύσιµο κατά τη µέτρηση (ICP-MS) Cl 161,5 151,6 F 6,4 4,3 SO 4 444,4 251,3 TDS ph 11,29 7,08 cond µs/cm EAFD Α ΡΑΝΟΠΟΙΗΣΗ Αναφοράς Page 22

23 Σκόνη φίλτρων ηλεκτροκαµίνων χαλυβουργίας σε οικοδοµικά τούβλα Παρατηρήσεις στις δυο βιοµηχανικές δοκιµές που περιέχουν EAFD συγκρινόµενα µε αντίστοιχα τούβλα εµφανίζουν ίδιες ή βελτιωµένες µηχανικές αντοχές Και αποδεκτά λοιπά ποιοτικά χαρακτηριστικά (ελαφρά συρρίκνωση ελαφρά µειωµένο πορώδες) Από πλευράς σταθεροποίησης και οι δυο δοκιµές κρίνονται απόλυτα επιτυχείς δεδοµένο ότι σε καµία δεν προσδιορίσθηκαν εκπλύσιµα στοιχεία κατά ΕΝ , άνω των ορίων για αδρανή απόβλητα της οδηγίας 33/2003 ΕΚ. εν υπάρχει ουσιώδης αποµάκρυνση χλωρίου κατά την έψηση και άρα η χρήση EAFD στα τούβλα δεν αναµένεται να προξενήσει καµία φθορά στην πυρίµαχη επένδυση Page 23

24 Σκόνη φίλτρων ηλεκτροκαµίνων χαλυβουργίας σε οικοδοµικά τούβλα Αδρανοποίηση αποβλήτων/παραπροϊόντων σε δοµικά κεραµικά (τούβλα/κεραµύδια) Ηλεκτρολυτικά Απόβλητα MnO x -FeO y και µεταλλουργικές σκωρίες Ιπτάµενη τέφρα Φωσφογύψος Ερυθρά ιλύς βωξίτη Ιλύς ΒΙΟΚΑ κα Αδρανοποίηση σκόνης ηλεκτροκαµίνων χάλυβα Υαλοποίηση (µη συµφέρουσα ενεργειακά) Page 24

25 Αξιοποίηση EAFD σε δοµικά κεραµικά Συµπεράσµατα -Άριστο υλικό για ενσωµάτωση/αδρανοποίηση -Εφικτή η Υλοποίηση -Χρειάζεται Ευαισθητοποίηση ή Νοµική Υποχρέωση - υνατή η Αρχική εκτίµηση - Ελάχιστο κόστος -Εισαγωγή καινοτοµίας σε παραδοσιακό κλάδο -Ενίσχυση περιβαλλοντικού προφίλ εταιρειών -Αύξηση εσόδων Page 25

26 Αξιοποίηση EAFD σε δοµικά κεραµικά Συµπεράσµατα -Επιστηµονική Προσέγγιση -Τεκµηριωµένων τεχνολογικών πρακτικών -Υποστήριξη από κλαδικούς φορείς (ΤΕΕ, Επιµ/ρια) -Υποστήριξη από Αρχές ( νσεις Περιβ/ντος) ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΚΑΙΝΟΤΟΜΙΑ EAFD άριστο υλικό για την κατασκευή αντιολισθητικών ταπήτων στην οδοποιία ως τεχνητό αδρανές υλικό (Αττική Οδός, ΠΑΘΕ, ΕΣΕ- ΕΚΕ Στερεάς Ελλάδος, Εγνατία Οδός κλπ) Page 26

27 Page 27