HULLADÉKOK ÉS KEZELÉSÜK
4.4 4.3
Szárazelemek hasznosítása – módszerek összehasonlítása az energiaszükséglet és a szén-dioxid-emisszió szempontjából Tárgyszavak: szárazelem; újrahasznosítás; kohászati eljárás; energiaigény; CO2-emisszió.
Az 1998. évi „Elemrendelet” hatályba lépése óta a cink–szén, és az alkáli–mangán szárazelemeket a házi szeméttől elkülönítve kell gyűjteni és hatástalanítani. Mivel Németországban nincs kifejezetten a cink–szén, és az alkáli– mangán elemek újraértékesítésének céljára készült üzem, és létesítése igen nagy költséggel járna, arra törekszenek, hogy az elemeket a fémipar meglévő üzemeiben dolgozzák fel. A specifikusan erre a célra kidolgozott eljárások azonban ökológiai előnyökkel járnak.
Bevezetés A Német Szövetségi Köztársaságban évenként 29 000 tonnányi elemet hoznak forgalomba. Ennek a mennyiségnek kereken 80%-a nem újratölthető cink–szén és alkáli–mangán elem. Az „Elemrendelet” teljes körű hatályba lépése óta mindenféle „készülékbe való” elemre vonatkozóan, az előállítók és forgalmazók részére visszavételi kötelezettség áll fenn. Ugyanakkor a felhasználók (fogyasztók) kötelesek az elemeket, használatuk befejezésekor a kereskedelmi vagy a közjogilag illetékes átvevőhelyeken keresztül leadni, hogy azok a házi szeméttől elkülönítve ártalmatlaníthatók legyenek. Jelenleg az évente eladott elemek kb. egyharmadát sikerül, az előállítók által erre a célra kialakított átvevőrendszeren keresztül megfogni és az ártalmatlanító helyekre eljuttatni, azaz az ártalmatlanító folyamatba bevezetni.
Méregtelenítési stratégiák Az összegyűjtött elemeket osztályozzák. Míg a Ni-Cd akkumulátorok, illetve a gombelemek a megfelelő, különleges berendezésekbe kerülnek, a túlnyomó rész, zömében szárazelemek (cink–szén és alkáli–mangán elemek)
jelenleg még veszélyes hulladék depóniákra kerülnek. Ennek az az oka, hogy a visszajuttatandó szárazelem elegyben higanytartalmúak is vannak, amelyek a régebbi elemekből származnak, és ez a kár nélküli újraértékesítést gátolja. Amint a higany a következő években a hulladékáramból eltünik – ma a legtöbb európai gyártó által forgalomba hozott alkáli–mangán elem és cink–szén elem már higanymentes –, a szárazelemek is feldolgozhatóak lesznek a bennük lévő cink és mangán másodnyersanyagkénti kitermelésre. Az alkáli–mangán és a cink–szén elemek, valamint a háztartási elemkeverékek hasznosítására egy sor egyedi eljárást dolgoztak ki, és azokat nagyipari méretekben is megvalósították.Ilyen kereskedelmi célú berendezés működik pl. Svájcban (Batrec Industrie A.G. Winnis) és Franciaországban, (Citron A.G. Rogerville). Ezek az elemek fémes alkatrészeinek, a cink, acél és mangán visszanyerését célozták meg. A Német Szövetségi Köztársaságban nincs olyan különleges feldolgozó berendezés, amely a szárazelemek vagy elemkeverékek újrafeldolgozását célozza. Ehelyett az elem-előállító cégek arra törekszenek, hogy a higanyprobléma „lecsengése” után az elhasznált elemeket a cink- vagy az acélipar meglévő kohászati berendezéseiben nyerjék ki másodnyersanyagként. Annak érdekében, hogy ökológiai szempontból meg lehessen ítélni az egyes „elemspecifikus” értékesítési eljárásokat, (pl. a Sumitomo/Batrec eljárást) a normál fémkohókban, pl. az Imperial Smelting aknakemencében kivitelezettektől, a következők „eljárás-összehasonlítást” mutatnak. Elsősorban az energiaszükséglet és a CO2-emisszió az összehasonlítás fő szempontja.
A Sumitomo/Batrec eljárás A Sumitomo/Batrec eljárásban az elemkeveréket – a nagyobb NiCd- és ólom-akkumulátorok kiválogatása után – aknakemencében kezelik (1. ábra). Itt az elem szerves alkatrészei pirolizálódnak. Ugyanakkor az esetleg jelen levő higanyvegyületek fémes higannyá redukálódnak. Ez elpárolog és a kohógázokkal együtt elhagyja a kemencét. A gázok utóégetés után nedves gáztisztítón (savanyú mosás) haladnak át, és ott megszabadulnak a HCl-től, kéndioxidtól és a nehézfémektől (különösen a higanytól). A szilárd szárazelem-maradékokat az akna alján távolítják el, és onnan elektromos fűtésű indukciós olvasztókemencébe jutnak. Itt szén (redukálószer) és adalékanyagok hozzáadása után 1350–1500 °C-on megolvasztják és redukálják. A cink elpárolog és az indukciós kemence után kapcsolt cinkhűtőn keresztül vezetve lecsapják, és tuskó formára öntik. Az indukciós kemencében való olvasztás során egy-egy főleg vasból és mangánból álló, valamint egy ásványi fázis keletkezik. A két olvadékfázist – a sűrűségkülönbséget felhasználva a kemencéből külön-külön el lehet távolítani. A fémes ferromangán – a réztartalom ellenőrzése és korlátozása esetén az acéliparban felhasználható. Az ásványi fázist salaklerakóba kell eljuttatni.
iszapok
véggáz
elemek
iszapok
aknás kemence pirolízis
CO-tartalmú gáz szennyvíz
pirolizált elemek
savas mosó
véggáz
higany
indukciós olvasztókemence redukció
salak
FeMn
lúgos mosó
szennyvízkezelés
CO-tartalmú gáz cinkkondenzáló
cink
szennyvíz
1. ábra A Sumitomo/Batrec eljárás erősen leegyszerűsített folyamatábrája A cinkhűtő gáz-halmazállapotú részét bázikus mosón való átvezetéssel végzett tisztítás után folyamatgázként az aknakemencébe juttatják. A véggáz mosásakor kapott mosóvizet a szennyvízkezelőben lecsapással, flokkuláltatással, semlegesítéssel, ülepítéssel és szűréssel tisztítják, majd újból a mosórendszerben használják fel. Egy részáram befejező aktív szenes mosás után szennyvíz formájában távozik a rendszerből.
Az Imperial Smelting eljárás Az Imperial Smelting (I.S.) aknakemence egy olyan komplex fémkohó központi egysége, amely alkalmas cink és ólom előállítására, különböző primer és szekunder nyersanyagokból. A kohó melléküzemeiben folyik a segédanyagok előkezelése (szinterezés, magas hőmérsékletű brikettezés), hogy így a szinterező anyag pörkgázaiban lévő SO2-ből kénsavat gyártsanak, valamint a szinterezéshez felhasználják (2. ábra). Primér nyersanyagokként szulfidos cink és cink-ólom-érckoncentrátumok jönnek számításba. Ezeket a szinterező berendezésekben előbb pörkölik és darabosítják. Ennek során a cink-szulfidot kén-dioxiddá és cink-oxiddá oxidálják. A SO2-dús gázt (pörkgázt) tisztítják,majd kontakt berendezésben kénsav-
vá alakítják. A pörkgáztisztítás során kadmiumtartalmú szálló por keletkezik, amelyet kadmiumkinyerés céljából egy kadmiumkioldó berendezésben „kilúgoznak”. A finom szemcséjű szekunder nyersanyagokat (cinktartalmú elektroacél-üzemi porokat, cinkelektrolízis maradékokat(üledékeket) magas hőmérsékleten brikettezik.
primer nyersanyagok
szekunder nyersanyagok
szinterező berendezés (pörkölés)
forró brikettezés szinter
direkt befúvás
brikett
pörkgáz
elemek
I. S. salak
pörkgáztisztítás SO2
por
kénsavgyártás
kadmiumkioldó
kénsav 99% H2SO4
Cd/Znkarbonát
cink aknás kemencéből
I.S. aknás kemence
kohóólom
cinkfinomító
SHG GOB 99,995% Zn 98,5% Zn
Zn/Cd ötvözet
2 .ábra Cinkkohó erősen leegyszerűsített folyamatábrája I.S. aknakemencével (SHG = különleges tisztaságú cink, GOB = jó általános tisztaságú cink (ólmot tartalmazó, csaknem kadmiummentes az előbbinél gyengébb minőségű cink) Az I.S. aknakemencében a primer és szekunder nyersanyagokat – így a higanymentes szárazelemeket is – előfűtött szénnel váltakozva rétegesen sarzsírozzák és 1000 °C körüli hőmérsékleten redukálják. A cink elpárolog (forrpont 906 °C), és a torokgázzal együtt elhagyja az aknakemencét. Egy permetező hűtőben – folyékony ólom segítségével – kimossák a torokgázból, és egy csatlakozó hűtőrendszerben elválasztják az ólomtól. A nyers cinket
mely 98–98,5%-os tisztaságú, utólagosan termikus raffinálásnak vetik alá (New Jersey eljárás) és finom cinkké alakítják. A primer és szekunder nyersanyagokban lévő ólmot az I.S. aknakemencében, ugyanúgy mint a cinket, redukálják. A salakkal együtt, olvadékként távolítják el és a salakkal együtt olvadt állapotban eltávolítják. A két fázist sűrűségkülönbségük alapján egy előkemencében elválasztják. A salakot vízzel granulálják, és lehetőség szerint az útépítésben hasznosítják, az ólom pedig a cink mellett az eljárás második főterméke. Az elhasznált szárazelemeknek az I.S. aknakemencében való újrafeldolgozása a cinktartalom visszanyerésére szolgál. Az egyéb fémes elem alkotórészeket (mangán, acél) nem nyerik ki, és a különböző hulladékáramokba (salak, hulladék gáz, szennyvíz) kerülnek.
Módszertan és segédanyagok Az elemspecifikus Sumitomo/Batrec eljárás és az I.S. aknakemencében végzett eljárás összehasonlítása céljából, mind a két eljárásra anyagáramhálózatot modelleztek és számítottak. A két tekintetbe vett eljárás között, a berendezés célja, mérete és komplexitása tekintetében lényeges különbségek állnak fenn, amelyeket a modellezésnél számításba kell venni. Elemek felhasználásának feltételei az I.S. eljárásban Az elhasznált elemek másodnyersanyagként való felhasználásának csak akkor van hulladékgazdálkodási szempontból értelme, ha ezzel primer nyersanyagok felhasználását lehet helyettesíteni. A modellezéshez ezért két feltételezéssel éltek: – Használt elemekkel olyan mértékben helyettesítünk szulfidos érckoncentrátumokat, amennyire az elhasznált elemek közepes cinktartalma az érckoncentrátumok közepes cinktartalmának megfelel. – A koksz energiahordozóként és redukálószerként való felhasználását olyan mértékben csökkentjük, amennyire szénelektródok formájában lévő szén kerül helyettesítőként felhasználásra. Az I.S. eljárásnál előálló „allokációs problematika” A Sumitomo/Batrec eljárás fő célja az elhasznált elemek újraértékesítése. Az elhasznált elemek újraértékesített mennyiségét, mint „az eljárás termékét”(referenciaáramát) és funkcionális egységet az eljárás összes többi anyagés energiaáramához kell hozzárendelni. Az előállított szekunder nyersanyagoknak – a cinknek és a ferromangánnak – egyelőre még nem tulajdonítanak jelentőséget.
Az Imperial Smelting berendezéskomplexumban a fémek előállítása a berendezés fő célja, míg a kénsav-előállítás a berendezés mellékcélja. Az „Elhasznált elemek újraértékesítése” nevű funkcionális egységet új „eljárási termék”-ként (referenciaáramként) először meg kell konstruálni, és a tényleges „eljárási termékek” (referenciaáramok) „cink” „ólom” és „kénsav” mellé kell állítani. A többi anyag- és energiaáramnak ezekhez a referenciaáramokhoz való hozzárendelése, lehetőség szerint, „okozó” alapon történik. Ez érvényes az elemekből előállított cinkre, a redukciós szénre (koksz), valamint az eredményként megjelenő CO2-emissziókra. Azokban az esetekben amikor „okozó” alapon nem lehet a hozzárendelést elvégezni, az allokációt a részt vevő referenciaáramok tömegarányai alapján végzik. Ebben az esetben a feldolgozott elemmennyiséget a belőle visszanyert cinkmennyiséghez viszonyítják. Ilyen tömegáramhoz viszonyított allokációkat a földgáz, fűtőolaj és villamos áram, valamint az ezen energiahordozókkal kapcsolatos CO2-emisszióknál végeztek.
Előzetes kapcsolatláncok az energiahordozók biztosítására Mind a két eljárás modellezésében és az anyagáramok számításában a szükséges energiahordozók (fűtőolaj , földgáz, szén és villamos áram) biztosításához szükséges előzetes kapcsolatláncokat számításba kell venni. A elhasznált elemekből kinyert szekunder nyersanyagok tekintetében az egyes szemügyre vett eljárások erősen eltérnek egymástól. Míg a Sumitomo/ Batrec eljárásnál cink és ferromangán nyerhető vissza, addig az I.S. eljárás kizárólag a cink előállítására szolgál. Az elhasznált elemek vas- és mangántartalma ennél az eljárásnál a salakba kerül, és ezzel szekunder nyersanyagként nem használható fel (eltekintve a salakfeldolgozás lehetőségétől). A különböző eljárás-forgatókönyvek mindenre kiterjedő határozott összehasonlításához, hasznosságazonosságot (funkcionális ekvivalenciát) kell előállítani. Az input oldaláról ez akkor érhető el, ha két azonos, egységes összetételű, bizonyos mennyiségű elemre lehet az összehasonlítást vonatkoztatni. Az output oldaláról az azonos használati érték azáltal érhető el, hogy az egyes újrahasznosítási eljárásoknak azokat a környezeti hatásait is javukra írják, amelyek a primer nyersanyagokból készült anyagok értékesülésekor keletkeztek volna. Az összehasonlítás céljaira, az elhasznált elemekből I.S. aknakemencében történő cinkkinyerést egyenértékű folyamatként tekintik a primer nyersanyagokból (szulfidos cinkérckoncentrátumokból) való cinkkinyeréssel. Ebben az esetben, a Sumitomo/Batrec eljárás ekvivalens eljárásához, a szulfidos primer nyersanyagokból való cinkkinyerés mellett a ferromangán mangánércekből elektromos ívfénykemencében való előállítását is hozzá kell számítani.
Az ekvivalens eljárások modellezésénél a kapcsolt energialáncolatokat is be kell számítani. Energiaszükséglet A 3. ábrán szembeállítják a két tekintetbe vett eljárás energiaszükségletét, a regenerált elemek egy tonnájára vonatkoztatva. Az oszlopdiagramon feltüntetik az energiahordozónkénti megoszlást is.
kumulált energiaszükséglet, MJ/telem
14000 12000 10000
7200
298 287
8000 1749
84
6000
3409
4000
villamos energia propán fűtőolaj földgáz szén
2000 1674
5417
0 Imperial Smelting
Sumitomo/Batrec
3. ábra Az elem újraértékesítésének kumulált energiaszükséglete az I.S. és a Sumitomo/Batrec eljárásban A Sumitomo/Batrec eljárás nagyobb fajlagos energiaszükséglete egyrészt abból adódik, hogy az indukciós kemencében alkalmazott 1500 °C körüli hőmérséklet kb. egy harmaddal magasabb, másrészt a mangánredukció ebben az eljárásban tovább megy, és ez nagyobb fajlagos szénfelhasználást jelent. Az I.S. eljárásnál viszont az össz-szénfelhasználás magasabb. Ez abból adódik, hogy az eljárás kivitelezési hőmérsékletét a Sumitomo/Batrec eljárásnál lényegében elektromosan, míg az I.S. aknakemencében a bevitt szén lényeges részének elégetésével állítják elő. A feltételezéseknek megfelelően az elemekkel bevitt szén is hozzájárul az elemek újraértékesítéséhez, mert az elemek a szenet automatikusan hozzák magukkal. A bevetett energiahordozókat energiaigényes előfolyamatokban állítják elő. Ezek a folyamatok a rendelkezésre bocsátásukhoz szükséges források igénybevétele miatt nem egyenértékűek. Különösen a villamos áram olyan értékes energiaforma, amelynek
előállításához nagy primerenergia-mennyiség szükséges. A szénhez, fűtőolajhoz, földgázhoz képest az előállításához szükséges „kumulált energiamennyiség” (KEM) mintegy háromszor akkora. Mint az a 4. ábrából kitűnik, az előzetes kapcsolatláncok tekintetbevétele esetén mind a két eljárásnál lényegesen nagyobb a kumulált energiamennyiség, mint akkor, ha ezt nem veszik tekintetbe. Az I.S. eljáráshoz képest a Sumitomo/Batrec eljárásnál kapott lényegesen magasabb érték az utóbbinál fellépő nagyobb villamosenergiaszükségletre vezethető vissza.
kumulált energiaszükséglet, MJ/telem 35 000 30 000 25 000
30 241
20 000 12 367
15 000
Sumitomo/Batrec
10 000 5 000
9033
7751
Imperial Smelting
0 előzetes kapcsolatlánccal
előzetes kapcsolatlánc nélkül
4. ábra Az elem újraértékesítése kumulált energiaszükségletének összehasonlítása az I.S. és a Sumitomo/Batrec eljárásban előzetes kapcsolatláncokkal és előzetes kapcsolatláncok nélkül CO2-emissziók – üvegházhatás Az 5. ábra a két újraértékesítési eljárás – globális melegítési potenciálként (GWP100)– kifejezett elemspecifikus szén-dioxid-emisszióit mutatja, 100 éves viszonyítási időt feltételezve. A GWP közvetlenül adódik a felhasznált energiahordozók: szén, fűtőolaj, földgáz, propán mennyiségéből, és tekintetbe veszi az elemekben lévő szén oxidációját is. Abból, hogy a Sumitomo/ Batrec eljárásban a villamos áram részaránya nagyobb, mint az I.S. eljárásban, következik, hogy a berendezéshez közvetlenül hozzárendelendő CO2emisszió az I.S. eljáráséinél kisebb. Az energiahordozók és különösen a villamos áram biztosítása azonban, szintén megfelelő, előre bekövetkező emisszi-
ókkal párosul, amelynek eredményeként itt is az I.S. eljárás felé tolódik el a rangsor (6. ábra).
21 96
1200
6
1000
254
497
800
159
CO2 propánból CO2 fűtőolajból CO2 földgázból CO2 szénből CO2 elemszénből
600 400
652
652
200 0 Imperial Smelting
Sumitomo/Batrec
5. ábra A globális melegedési potenciál összehasonlítása, 100 éves viszonyítási időszakra vonatkoztatva (GWP100)), az I.S. és a Sumitomo eljárás alapján
GWP(100) CO2-egyenérték kg/telem
GWP(100) CO2-egyenérték kg/telem
1400
3000 2500 2721
2000
1070
1500 1000
1438
1266
500
Sumimoto/Batrec Imperial Smelting
0 előzetes kapcsolatlánccal
előzetes kapcsolatlánc nélkül
6. ábra GWP(100) összehasonlítása a két eljárás esetén, előzetes kapcsolatlánccal és anélkül
Értékelés és összefoglalás Az előzőekben leírt eljárás-összefoglalás rámutat arra, hogy az elemek újrahasznosítása során milyen környezeti befolyásokkal kell számolni, egyrészt forrásfelhasználás (energiafelhasználás) másrészt emissziók (CO2 ) formájában. Ennek alapján a következő észrevételeket lehet tenni: – Az összehasonlító szcenáriumok modellezése, (akár számításba veszszük az előzetes kapcsolatláncolatokat vagy ekvivalenciakapcsolatokat, akár nem) komolyan befolyásolhatja az összehasonlítások végeredményét. – Az energiahasználat és a CO2-emisszió, a környezettel való összeegyeztethetőség megítélésének lehetséges kritériumai az NSZK újrahasznosítási és hulladéktörvénye értelmében. Ahhoz azonban, hogy ebben a vonatkozásban átfogóan állást lehessen foglalni, további szempontokat is figyelembe kell venni. Az energiafelhasználás és a CO2-emisszió szempontjából a Sumitomo/Batrec eljárás, az I.S. aknakemencés eljárással szemben, kedvezőbbnek látszik. Az eljárások rangsorát az energiafelhasználás és a CO2-emisszió szempontjából nagymértékben meghatározzák az ekvivalencia-folyamatok. – Az ekvivalenciafolyamatok komplexitása az újrafelhasználás során kinyerendő másodnyersanyagoktól függ. Az a körülmény, hogy a Sumitomo/Batrec eljárással, két másodnyersanyag (cink és ferromangán) nyerhető a felhasznált szárazelemekből, szemben az I.S. eljárással nyerhető egy nyersanyaggal (cink), megszabja azt, hogy a Batrec eljárás ekvivalenciaeljárása is komplexebb, és mind az energiafelhasználás, mind a CO2 emissziója nagyobb környezeti terhelést okoz mint az I.S. eljárás esetében. – Az ekvivalenciafolyamatok és környezeti terhelésük tekintetbevételével a „nagyértékűség” hulladékjogi követelménye és bizonyos szempontból a környezettel való összeegyeztethetőség, az eljárás összehasonlítási kritériumaként jön számításba. (Dr. Vajda Miklós) Bräutigam, A.: Verwertung von Trockenbatterien – Verfahrensvergleich unter den Aspekten Energiebedarf und CO2-Emission. = Umwelt Praxis, 2002. 5. sz. p. 279–289. Lars, F.: Novellierung der Batterieverordnung – Veränderungen im Bereich der abfallrechtlichen Produktrücknahmepflichten? = Müll und Abfall, 34. k. 5. sz. 2002. p. 273–281.
