Wykorzystanie popiołów lotnych i produktów ich transformacji do

Rafał Panek
[email protected]
Politechnika Lubelska
Wydział Inżynierii Środowiska
Tytuł pracy doktorskiej:
Wykorzystanie popiołów lotnych i produktów ich transformacji do
wychwytywania CO2 ze spalin
Energetyczne spalanie paliw ma największy udział w wytwarzaniu zanieczyszczeń gazowych
wprowadzanych do atmosfery tj. SO2, NOx, CO, CO2 i innych. O ile do tej pory skupiano się głównie
na procesach odsiarczania i odazotowania spalin, obecnie coraz bardziej dostrzegany jest problem
wzrastającego udziału CO2 w atmosferze, który stanowi jedną z głównych przyczyn efektu
cieplarnianego, obok CH4, freonów, halonów, N2O, H2O. W ostatnich dziesięcioleciach emisja tego
gazu do atmosfery wzrosła drastycznie. Naturalnymi źródłami CO2 są organizmy żywe, ich procesy
oddychania, obumierania (gnicia) oraz zbiorniki wodne. Ale to działalność człowieka związana ze
spalaniem paliw kopalnianych powoduję największą emisję CO2 do atmosfery. Choć poglądy
specjalistów na temat perspektywy ocieplenia klimatu na Ziemi nie są zgodne, rozważa się możliwość
ograniczenia emisji CO2 w stopniu pozwalającym na zapobieżenie dalszemu wzrostowi jego stężenia
w powietrzu.
W ostatnich latach obserwuje się intensywny wzrost technologiczny Województwa
Lubelskiego. W planach jest znaczna rozbudowa sektora energetycznego (m. in. w okolicach Łęcznej
mają być zbudowane dwie elektrownie, w których proces wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej
oparty będzie na węglu kamiennym). Region nasz jest obszarem Polski niezdegradowanym
przemysłowo i czystym pod względem ekologicznym. Z uwagi na europejskie zobowiązania do
przechodzenia na technologie niskoemisyjne oraz konieczność ograniczenia emisji gazów
cieplarnianych o 20% do 2020 roku, rozwój technologii czystego węgla powinien następować
równolegle z rozwojem technologii wychwytywania i magazynowania CO2 - CCS (Carbon Capture
and Storage).
Celem niniejszej pracy jest określenie efektywności procesu wychwytywania CO2 na
popiołach lotnych i sorbentach wytworzonych na ich bazie. Analiza danych literatury polskiej jak
i anglojęzycznej w zakresie separacji ditlenku węgla i ograniczenia negatywnego oddziaływania na
nasze środowisko pozwala zaproponować następujący zakres prac badawczych:
Przeprowadzenie badań adsorpcji CO2 na popiołach lotnych z węgla brunatnego
i kamiennego, oraz zeolitach syntetycznych otrzymanych na ich bazie;
Określenie głównych parametrów syntezy sztucznych zeolitów syntetycznych w celu
otrzymania jak najlepszych właściwości sorpcyjnych względem CO2;
Opracowanie warunków prowadzenia procesu chemisorpcji CO2 na badanych sorbentach;
Przeprowadzenie badań wpływu dodatków zużytych sorbentów do produkcji betonu.
Wyjściowym materiałem do badań są popioły lotne. Popiół lotny powstaje w procesie spalania
węgla, jako uboczny produkt wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej. Jego składowanie wywołuje
negatywne skutki w środowisku naturalnym, dlatego wciąż poszukuje się nowych możliwości
wykorzystania tego rodzaju odpadów w przemyśle oraz gospodarce. Popiół lotny ma postać miałkiego
pyłu mineralnego barwy od jasno- do ciemnoszarej. Posiada różne właściwości w zależności od
rodzaju spalonego węgla i warunków prowadzenia procesu spalania. Do badań wybrano dwa typy
popiołów, popioły pochodzące ze spalania węgla brunatnego z Elektrowni Bełchatów i popioły lotne
pochodzące ze spalania węgla kamiennego z Elektrowni Kozienice. Zgodnie z istniejącymi normami
pierwszy popiół został zakwalifikowany do klasy C, zaś drugi do klasy F. W składzie chemicznym
tych popiołów w głównej mierze dominuje tlenek krzemu i tlenek glinu, którym towarzyszą niewielkie
ilości pozostałych składników. Aczkolwiek w popiołach klasy C swój znaczny udział zaznacza
obecność tlenku wapnia. Mineralogicznie głównymi składnikami popiołów lotnych są: szkliwo
glinokrzemianowe wykształcone w postaci kulistych agregatów, mullit, kwarc oraz niewielkie ilości
tlenków żelaza wykształcone w postaci hematytu i magnetytu. W popiołach z węgla brunatnego
dodatkowo daje się zaznaczyć obecność siarczanów i węglanów w postaci anhydrytu/gipsu czy
kalcytu. Powyżej opisane popioły lotne stanowiły materiał wyjściowy do produkcji drugiego typu
sorbentu jakim są zeolity.
Zeolity to glinokrzemiany o strukturze krystalicznej w której występują liczne przestrzenie,
których wielkość i struktura pozwala na związanie wolnego CO2. Taka budowa w której obecne są
kanały i komory nadaje zeolitom szereg ważnych
właściwości: sorpcyjno-jonowymiennych,
molekularno sitowych i katalitycznych. Wybrane do badań zeolity syntetyczne były efektem konwersji
wyżej omawianych popiołów lotnych. Proces zeolityzacji popiołów przebiegał na podstawie reakcji
hydrotermalnej na wykonanym prototypie linii technologicznej pozwalającej na tworzenie różnych
struktur zeolitowych w zależności od warunków prowadzenia procesu. Przebieg konwersji popiołów
lotnych zachodził zgodnie z przedstawioną poniżej reakcją hydrotermalną:
Sterując parametrami prowadzenia syntezy (stężenie, czas i temperatura) linia ta, pozwala na
uzyskanie kilku rodzajów zeolitów. Ze względu na wielkość kanałów zeolitów i wielkość cząsteczki
CO2 (0,28nm) do badań wybrano dwa typy zeolitów: Na-P1 i Na-X. Powyższy materiał otrzymano
w czasie 24 godzin reakcji w temperaturze75°C. Stężenie wodnego roztworu wodorotlenku sodu
wynosiło 3mol/dm3.
Porównując podstawowe parametry adsorpcyjne, tekstualne i jonowymienne popiołów
i otrzymanych na ich bazie materiałów zeolitowych, wyraźnie daje się zauważyć wzrost wartości
powierzchni właściwej i pojemności jonowymiennej w stosunku do materiału wyjściowego.
Powierzchnia właściwa wzrosła ponad dziesięciokrotnie, a pojemność jonowymienna wzrosła 6-7
razy, w zależności od typu struktury zeolitowej.
Przeprowadzone wstępnie badania CO2 na popiołach lotnych, zeolitach syntetycznych i na
najpowszechniej występującym w przyrodzie zeolicie naturalnym klinoptilolicie, wykazały że są one
perspektywicznym materiałem mogącym służyć do separacji i adsorpcji ditlenku węgla. Wielkość
adsorpcji CO2 przez zeolity syntetyczne w stosunku do zeolitu naturalnego jest nawet czterokrotnie
większa. Natomiast popioły lotne powstałe z węgla kamiennego w porównaniu do popiołów z węgla
brunatnego mają niższe właściwości adsorpcyjne ditlenku węgla.
Zarówno ograniczenie emisji CO2 jak i zagospodarowanie odpadów (zazwyczaj składowanych
na hałdach) ma istotne znaczenie zarówno z punktu widzenia gospodarczego, ekonomicznego jak
i szeroko pojętej ochrony środowiska naturalnego. Proponowane rozwiązania wpisują się
w ogólnoświatowe trendy ograniczania emisji CO2, który po części jest odpowiedzialny za wywołanie
efektu cieplarnianego. Podjęte badania wskazują na nowy kierunek zagospodarowania odpadów
niebezpiecznych jakimi są popioły lotne. Pełen zakres pracy doktorskiej wpisuje się w preferowane
dziedziny badań, określone w Regionalnej Strategii Innowacji Województwa Lubelskiego. Uzyskane
dotychczas wstępne wynika badań pozwalają przypuszczać że całość procesu będzie efektywna nie
tylko z technicznego ale i ekonomicznego punktu widzenia.