aktywacja lotnych popiołów fluidalnych i sorbentów wapniowych

Energomar-Nord Sp. z o.o.
ul. Księcia Bolesława 1/3
01-452 Warszawa
tel. +48 22 685 25 16
fax +48 22 685 25 42
mgr inż. Jacek Maślanka
mgr inż. Katarzyna Ziarkowska
AKTYWACJA LOTNYCH POPIOŁÓW FLUIDALNYCH
I SORBENTÓW WAPNIOWYCH – NOWE ZASTOSOWANIA
Streszczenie: Referat prezentuje najnowsze osiągnięcia i zastosowania technologii
oferowanych przez firmę Energomar-Nord. Wykorzystanie lotnych popiołów
fluidalnych w różnych gałęziach gospodarki głównie w szeroko pojętym
budownictwie.
Przedstawione są również najciekawsze aktualnie prowadzone prace badawcze
mające na celu szersze zastosowanie produktu, jakim jest Flubet, w praktyce
inżynierskiej.
1. WSTĘP
Lotne popioły fluidalne będąc uciążliwym odpadem produkcyjnym, są jednocześnie
wartościowym surowcem, który po odpowiednim przetworzeniu staje się znakomitym
produktem możliwym do wykorzystania w różnych gałęziach gospodarki głównie w szeroko
pojętym budownictwie (drogownictwo, geotechnika, hydrotechnika).
Sorbenty wapniowe stosowane do redukcji tlenków siarki w spalinach stosowane są w
elektrowniach w ilościach masowych. Zmniejszając ich użycie można osiągnąć znaczne
obniżenie kosztów oraz ograniczyć niekorzystny wpływ na środowiska wynikający ze zużycia
nieodnawialnych zasobów kamienia wapiennego.
Oferowana przez firmę Energomar-Nord technologia i metoda przetwarzania lotnych
popiołów fluidalnych i sorbentów wapniowych znalazła już zastosowania w obu tych
dziedzinach.
2. BUDOWNICTWO
Poza typowym użyciem aktywowanego popiołu lotnego z kotłów fluidalnych
(Flubetu) jako dodatku do betonu zastępującego 20% masy cementu [1], ostatni rok przyniósł
nam nowe zastosowania tego materiału budowlanego w geotechnice. Pierwsze badania
przydatności Flubetu do zawiesin twardniejących wykonano w Instytucie Zaopatrzenia w
Wodę i Budownictwa Wodnego Politechniki Warszawskiej [2, 6]. Zastosowanie Flubetu do
zawiesin twardniejących nie spowodowało zmian parametrów technologicznych i
wytrzymałościowych
zawiesiny
cementowo-bentonitowo-popiołowo-wodnej
w
stanie
płynnym i stwardniałym.
Pojawiło się pytanie: jak taka zawiesina zachowa się w praktyce? W tym celu podjęto
współpracę z firmą, która zajmuje się wykonawstwem m.in. „ścianek berlińskich”. Przed
użyciem na budowie wykonano badania „in situ”. Badania te potwierdziły wcześniejsze
wyniki. Potem na podstawie już sprawdzonej recepty wykonano tego typu zabezpieczenie na
budowie w Warszawie.
W przypadku tej budowy, dzięki zastosowaniu Flubetu, obniżono koszty materiałów o około
60%.
Kolejnym wdrożeniem jest zastosowanie Flubetu do iniekcyjnego wzmacniania gruntu
na terenie budowy autostrady A4 (rysunek nr 1).
Rysunek 1. Maszyna do wykonywania wzmacniania gruntu metodą
Jet Grouting
2
Na tej budowie Flubet jest stosowany jako środek stabilizujący. Zastępuje on 20% masy
cementu w zaczynie iniekcyjnym. Dotychczasowe badania i aprobaty techniczne dopuszczają
na dozowanie Flubetu w ilości 20% masy cementu, jednak ostatnie badania zlecone
Instytutowi Badawczemu Dróg i Mostów wykazują, że w przypadku tego typu zastosowań
Flubetem będzie można zastąpić do 60% masy cementu [4].
Biorąc pod uwagę plany dotyczące rozwoju sieci autostrad w Polsce, Flubet może stać
się powszechnie używanym składnikiem począwszy od materiału do stabilizacji
a skończywszy na betonie nawierzchniowym (w przypadku dróg betonowych).
3. SORBENTY WYSOKOREAKTYWNE
Metoda EMDC jest również wykorzystywana w energetyce do aktywacji sorbentów
wapniowych. W tym przypadku mechaniczna aktywacja powoduje poprawę stopnia
wykorzystania sorbentu. Badania prowadzone na Politechnice Częstochowskiej wykazały, iż
mechaniczna aktywacja sorbentu powoduje zmniejszenie wskaźnika reaktywności RI, a co za
tym idzie sorbenty poddane procesowi aktywacji należą do klasy sorbentów znakomitych
(RI<2,5) [3]. Jednak najlepsze wskaźniki reaktywności uzyskano dla mieszanek sorbentu i
popiołu. Mechaniczna aktywacja metoda EMDC podziarna kamienia wapiennego z popiołem
zwiększa do 30% stopień konwersji [5], a więc prawidłowe odsiarczanie kotła fluidalnego
przestaje być zależne od krzywej przemiału sorbentu, tak rygorystycznie egzekwowanej przez
producentów kotłów. Użytkownik kotła może ten warunek gwarancyjny po prostu odrzucić.
Zastosowanie do odsiarczania mieszanin kamienia wapiennego z popiołem lotnym pozwala
na wywołanie głębokich zmian w strukturze porów zarówno sorbentów, jak i popiołu lotnego,
ponadto umożliwia wykorzystanie zawartego w popiele lotnym CaO w procesie odsiarczania.
W Elektrowni Turów w tym roku została uruchomiona pierwsza instalacja doprowadzającą
sorbent aktywowany do kotła fluidalnego.
Sorbent wprowadzono do komory paleniskowej współprądowo to znaczy w taki sposób by
jego cząsteczki nie zostały porywane w górę komory paleniskowej, lecz pozostawały w masie
popiołu zsuwającego się do komory paleniskowej kotła i brały w całości aktywny udział w
reakcjach chemicznych zachodzących w trakcie odsiarczania spalin. Sposób ten został
opatentowany.
Instalacja doprowadzająca mieszaninę sorbentu i popiołu lotnego składa się z urządzenia
aktywującego mieszaninę sorbentu i lotnego popiołu fluidalnego, które jest wyposażone we
3
wsyp, armaturę, doprowadzenie powietrza transportowego, aparat wydmuchowy. Schemat
takiej instalacji został przedstawiony na rysunku nr 2.
LEGENDA
1. Zbiornik przesypowy
mączki kamienia
wapiennego
2. Zbiornik przesypowy
popiołu
3. Rynna aeracyjna
4. Zbiornik mieszaniny
kamienia wapiennego i
popiołu
5. Aktywator
wdmuch sorbentu
do kotła
transport sorbentu
Rysunek 2. Schemat instalacji doprowadzającej mieszaninę sorbentu i lotnego popiołu fluidalnego
do kotła fluidalnego
Po przeprowadzeniu badań okazało się, że przy zastosowaniu instalacji według patentu proces
odsiarczania spalin jest wysoce skuteczny (rysunek nr 3).
4
Rysunek 3. Pomiary kontrolne instalacji w Turowie.
5
Kolejną opatentowaną przez nas technologią jest utylizacja odpadów z półsuchego
odsiarczania spalin. Celem było opracowanie takiego sposobu utylizacji odpadów z kotłów
energetycznych będących poreakcyjnym produktem odsiarczania spalin metodą półsuchą,
który pozwoli wyeliminować konieczność tworzenia uciążliwych dla środowiska naturalnego
składowisk.
Sposób polega na usuwaniu gazowych tlenków siarki przy wykorzystaniu stałego produktu
poreakcyjnego z instalacji odsiarczania spalin metodą półsuchą z dodatkiem popiołu lotnego i
sorbentu, mieszaninę tą poddaje się procesowi aktywacji mechanicznej. Otrzymany produkt
posiada właściwości sorpcyjne i znajduje zastosowanie jako sorbent do oczyszczania ze
związków siarki strumienia gorących gazów spalinowych, zwłaszcza w kotłach fluidalnych
lub pyłowych stosujących suche odsiarczanie spalin.
Odsiarczanie spalin w kotle energetycznym, sposobem według tego patentu, pozwala na
uzyskanie wyższej skuteczności odsiarczania niż przy użyciu samego węglanu wapnia.
Ponadto wysoki stopień konwersji tlenku wapnia jak i siarczynów w anhydryt pozwala na
bezpieczne składowanie produktów po suchym odsiarczaniu i umożliwia ich przeróbkę.
4. PRACE BADAWCZE
Obecnie
prowadzimy
kilka
prac
badawczych,
z
wykorzystaniem
techniki
mechanicznej aktywacji. Rokującym duże możliwości są:
1. Aktywny dodatek do zawiesin twardniejących na przesłony przeciwfiltracyjne w obiektach
ochrony środowiska
2. Wpływ straty prażenia na zmianę parametrów technologicznych betonu.
Celem pierwszego projektu jest wdrożenie na dużą skalę Flubetu do budowy przesłon
przeciwfiltracyjnych
w
podłożu
gruntowym,
chroniących
wody
podziemne
przed
zanieczyszczeniem.
Pod tym kątem został rozpisany program badawczy. Projekt ten przewiduje badania zawiesin
twardniejących z aktywowanym popiołem fluidalnym.
Najistotniejszą częścią projektu są badania odporności korozyjnej zawiesin z Flubetem
w warunkach filtracji wód zanieczyszczonych (np. odcieki ze składowisk odpadów),
albowiem dodatek popiołów konwencjonalnych poprawia odporność korozyjną zawiesin
i działanie takie powinien również wykazywać Flubet. Potwierdzenie tej właściwości
przyczyni się do szerszego wykorzystania tego rodzaju odpadu. Jego ilość będzie, bowiem
6
rosła wraz z korzystną dla stanu środowiska naturalnego rosnącą liczbą palenisk fluidalnych
w energetyce.
Projekt ten uzyskał dofinansowanie Komitetu Badań Naukowych. Wykonawcą badań
stosowanych i prac rozwojowych jest Instytut Zaopatrzenia w Wodę i Budownictwa Wodnego
Politechniki Warszawskiej, częścią wdrożeniowo-inwestycyjną zajmuje się natomiast firma
Energomar-Nord. Planowany termin zakończenia projektu 30.03.2004 r.
Celem drugiego z wymienionych projektów jest „sprowokowanie” ludzi nauki do
szerszego zbadania wpływu straty prażenia lotnych popiołów fluidalnych na parametry
technologiczne materiałów z ich dodatkiem.
Obecnie, jeżeli chodzi o parametr straty prażenia przyjmuje się wg PN-EN 450 wartość do
7,0% masy. Wiadomo też, że w przypadku popiołów konwencjonalnych parametr ten ma
istotne znaczenie.
Jednak zgłębiając wiedzę na temat popiołów fluidalnych stwierdziliśmy pewne odstępstwa.
Prowadzone badania wykazują, że w przypadku Flubetu ten parametr może być znacznie
wyższy od dopuszczalnego przyjętego w normie. W tym celu wszystkie pobierane i oznaczane
próbki lotnych popiołów fluidalnych z EC Żerań mających duże straty prażenia są
ewidencjonowane.
Dla każdej z tych próbek zostały przeprowadzone badania straty prażenia i zawartości
wolnego CaO (w akredytowanym laboratorium). Wyniki straty prażenia dla poszczególnych
próbek wahały się od 7,12% do 16,92% masy.
Następnie wykonane zostały zaroby w celu zbadania parametrów wytrzymałościowych oraz
zaobserwowania ewentualnych zamian związanych z tak różnymi parametrami straty prażenia.
Część wykresów wykorzystanych do analizy przedstawiono na rysunku nr 4 i 5. Łatwo
zauważyć, że parametry wytrzymałościowe nie ulegają pogorszeniu, ale wręcz odwrotnie
polepszeniu wraz ze wzrostem straty prażenia. Jest to tym bardziej zaskakujące, że przeczy to
rozpowszechnionym stereotypom o szkodliwości zwiększonych ilości węgla.
7
44,0
y = 4,3043Ln(x) + 29,234
42,0
40,0
[MPa]
wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach dojrzewania
46,0
38,0
36,0
34,0
32,0
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
60,0
55,0
50,0
[MPa]
wytrzymałość na ściskanie po 90 dniach dojrzewania
strata prażenia [% masy]
y = 0,3176Ln(x) + 46,652
45,0
40,0
35,0
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
strata prażenia [% masy]
Rysunek 4. Wykresy przedstawiające zależność między parametrem straty prażenia wyrażonej w % masy, a
wytrzymałością na ściskanie po 28 i 90 dniach wyrażoną w MPa
8
Rysunek 5. Zależność ukazująca wpływ zmiany straty prażenia i wolnego CaO na wytrzymałość na ściskanie
po 28 dniach dojrzewania
Lotne popioły konwencjonalne różnią się od lotnych popiołów fluidalnych strukturą ziaren,
które w przypadku pierwszych są większe i zeszklone. Ziarna wchodzące w skład lotnych
popiołów fluidalnych są mniejsze, mają bardziej nieregularne kształty i są miękkie.
Na Politechnice Częstochowskiej zostały wykonane badania określające zawartość węgla w
poszczególnych frakcjach lotnego popiołu fluidalnego. Po analizach okazało się, że w
przypadku tego popiołu największa ilość węgla jest we frakcjach najdrobniejszych w
przeciwieństwie do popiołów konwencjonalnych.
Proces aktywacji mechanicznej metodą EMDC obok zwiększania powierzchni właściwej
powoduje powstawanie nowych mikropęknięć, a także potęguje rozwijanie się powierzchni
pęknięć już istniejących, co przyczynia się do procesu rozdrabniania.
Dzięki tym różnicom w strukturze ziaren, materiały wykonywane na bazie Flubetu są
prawdopodobnie mniej porowate, co może być jedną z przyczyn uzyskiwania tak
zadowalających wyników, jeżeli chodzi o parametry wytrzymałościowe.
Obecnie zbieramy informację dotyczące samej struktury popiołów konwencjonalnych i
popiołów fluidalnych w celu dokładniejszego wytłumaczenia takiego stanu rzeczy.
Badania te mogą być podstawą dla ewentualnych zmian w dokumentach dopuszczających
Flubet do stosowania w budownictwie.
9
Literatura:
[1]
Glinicki M.A. Instytut Podstawowych Problemów Techniki, Polskiej Akademii Nauk
Wpływ dodatku aktywowanych popiołów lotnych ze spalania fluidalnego na
właściwości betonów konstrukcyjnych, VIII Międzynarodowa Konferencja Popioły z
energetyki, Międzyzdroje 2001r.
[2]
Kledyński Z., Ziarkowska K. Badania wstępne nad wykorzystaniem popiołów
fluidalnych do zawiesin twardniejących w obiektach ochrony środowiska, Monografie
Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk vol. 11, I Kongres Inżynierii
Środowiska, Lublin 2002r.
[3]
Nowak W., Bis Z., Szymanek A., Radecki M.: Opracowanie koncepcji procesu
domielania sorbentu drobnego w Elektrowni Turów. Grudzień 2000 r.
[4]
Sprawozdanie z badań Sprawdzenie możliwości wykorzystania aktywowanego popiołu
fluidalnego „Flubet” jako dodatku do zaczynu cementowego stosowanego przy
wzmacnianiu metodą Jet Grouting, Instytut Badawczy Dróg i Mostów
[5]
Szymanek Arkadiusz Sorbenty dla energetyki, Targi Ecoenergia (materiały
konferencyjne), Gdańsk 2002r.
[6]
Ziarkowska Katarzyna Wykorzystanie do zawiesin twardniejących aktywowanego
odpadu paleniskowego ze spalania węgla kamiennego w kotle fluidalnym
EC „Żerań”, praca dyplomowa, Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii
Środowiska, Warszawa 2001r.
10