building industry waste as a - Archiwum Gospodarki Odpadami i

building industry waste as a - Archiwum Gospodarki Odpadami i

Archives of Waste Management
Archiwum Gospodarki Odpadami
and Environmental Protection
http://ago.helion.pl
ISSN 1733-4381, Vol. 3 (2006), p-01-10
Ocena możliwości gospodarczego wykorzystanie niektórych odpadów
hutniczych jako substytutu kruszywa naturalnego do betonów osłonowych
przed promieniowaniem gamma
Alwaeli M.
Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów, Politechnika Śląska,
ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice
tel. (+48 32 237 21 15), fax (+48 32) 237 11 67,
e-mail [email protected],
e-mail [email protected]
Streszczenie
W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań parametrów technicznych i absorpcyjnych
promieniowania jonizującego osłon betonowych z dodatkiem żużla granulowanego z Huty
Cynku „Miasteczko Śląskie” w Tarnowskich górach oraz opiłków stalowych i zendry z
Huty Baildon w Katowicach.
Abstract
Assessment possibility of utilization of selected steel mill and machine –
building industry waste as a component of concrete for gamma radiation
shielding
In this work the technical parameters and radiation shielding properties of concrete with
steel mill and machine – building industry waste were tested. In laboratory tests the
granulated slag from zinc mill “Miasteczko Śląskie” in Tarnowskie Góry, steel chips and
scale from Baildon mill in Katowice was added to ordinary concrete as aggregate. The
compressive stress and gamma radiation attenuation was measured for various composition
of the concrete.
1.Wstęp
W hutnictwie i przemyśle maszynowym podczas procesów produkcyjnych powstaje
znaczna ilość odpadów. Odpady te zawierają na ogół znaczne ilości cennych pierwiastków
jak żelazo, mangan, różne pierwiastki stopowe, oraz związków zasadowych.
Proces hutniczy i przemysłu maszynowego zaliczany jest do najbardziej uciążliwych dla
środowiska ze względu na powstawanie obok podstawowego produktu, znacznych ilości
2
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
odpadów, których nieprawidłowe zagospodarowane wiąże się w istotny sposób z
degradacją środowiska naturalnego. Ich negatywny wpływ na środowisko wynika z:
-
zawartości w nich związków toksycznych,
-
występowania odpadów w dużych ilościach [1]
Jednym ze sposobów zagospodarowania odpadów hutniczych jest ich przerób. Najprostszą
metodą przerobu odpadów hutniczych jest sortowanie z usuwaniem zanieczyszczeń
[2].Odpady hutnicze i przemysłu maszynowego zawierają znaczne ilości zanieczyszczeń.
Do najczęściej występujących zanieczyszczeń ciekłych należą: oleje i emulsje chłodzące
oraz woda [3]. Trudności z pełnym zagospodarowaniem odpadów hutniczych, szczególnie
do celów metalurgicznych, wynikają głównie z braku odpowiednich, ekonomicznie
opłacalnych, technologii ich uzdatniania do dalszego wykorzystania (np. zagęszczanie i
odwadnianie szlamów, odolejanie zgorzeliny i mułków zgorzelinowych, usuwanie
pierwiastków szkodliwych). Od lat prowadzone są badania nad opracowaniem technologii,
która umożliwia zagospodarowanie zaolejonych odpadów hutniczych. Prace
skoncentrowano na procesie wypalania zaolejonej i zawodnionej zgorzeliny i mułków
zgorzelinowych, powstających w procesie walcowania stali w celu zawrócenia ich do
procesu metalurgicznego. Wynikiem prowadzonych badań są technologie wypalania
zaolejonej zgorzeliny i mułków zgorzelinowych w reaktorze fluidalnym, piecu obrotowym,
jak również spiekanie suchych zanieczyszczeń wytrąconych w elektrofiltrach [4].
Drobnoziarniste odpady hutnicze (pyły i szlamy metalonośne oraz różnego rodzaju
zgorzeliny, mułki zgorzelinowe, często o wysokim stopniu uwodnienia) mogą być
brykietowane w brykieciarkach stemplowych. Poprzez brykietowanie otrzymuje się
zagęszczony i jednocześnie zbrylony materiał o żądanym kształcie i wymiarach oraz
stałych parametrach wytrzymałościowych. Zastosowanie brykietów zawierających żelazo,
wapno i mangan pozwala na zastąpienie surowcami wtórnymi części drogich rud i
zmniejszenie ilości surowego topnika we wsadzie wielkopiecowym oraz na wzrost
wzbogacenia wsadu i obniżenie jednostkowego zużycia koksu w wielkim piecu [15].
Stosowanie
metody odolejania rozpuszczalnikami odpadów hutniczych jest zbyt
kosztowne, niedopracowane i powoduje powstawanie uciążliwych dla środowiska
odcieków[6].
Jedną z możliwości wykorzystywania odpadów hutniczych jest stosowanie ich jako
dodatku do betonów osłonowych przed promieniowaniem jonizującym. Ekonomicznym i
równocześnie najbardziej efektywnym materiałem na osłony jest beton, mający dostateczne
własności absorpcji promieniowania gamma i rozpraszania neutronów, jak również
odznaczający się znaczną wytrzymałością i nadający się do wytworzenia osłon o dowolnym
kształcie. W celu zwiększenia własności absorpcyjnych betonu stosowane są dodatki
kruszywa ciężkiego, przy czym obecnie znanych jest kilkadziesiąt rodzajów takich
kruszyw. Niektóre z nich jak żużel granulowany, wióry stalowe i zgorzelina mogą być
zastosowane jako dodatki do betonów osłonowych i mogilników [7].
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
3
1. Zastosowanie odpadów hutniczych jako dodatku do osłon betonowych
przed promieniowaniem jonizującym:
Jednym ze sposobów zagospodarowania odpadów hutniczych jest ich przerób. Najprostszą
metodą przerobu odpadów hutniczych jest sortowanie z usuwaniem zanieczyszczeń [8]
Odpady hutnicze i przemysłu maszynowego zawierają znaczną ilość zanieczyszczeń. Do
najczęściej występujących zanieczyszczeń ciekłych należą: oleje i emulsje chłodzące oraz
woda [9]
Trudności z pełnym zagospodarowaniem odpadów hutniczych, szczególnie do celów
metalurgicznych, wynikają głównie z braku odpowiednich, ekonomicznie opłacalnych,
technologii ich uzdatniania do dalszego wykorzystania (np. zagęszczanie i odwadnianie
szlamów, odolejanie zgorzeliny i mułków zgorzelinowych, usuwanie pierwiastków
szkodliwych).[10]
Drobnoziarniste odpady hutnicze (pyły i szlamy metalonośne oraz różnego rodzaju
zgorzeliny, mułki zgorzelinowe, często o wysokim stopniu uwodnienia) mogą być
brykietowane w brykieciarkach stemplowych. Poprzez brykietowanie otrzymuje się
zagęszczony i jednocześnie zbrylony materiał o żądanym kształcie i wymiarach oraz
stałych parametrach wytrzymałościowych. Zastosowanie brykietów zawierających żelazo,
wapno i mangan pozwoli na zastąpienie surowcami wtórnymi części drogich rud i
zmniejszenie ilości surowego topnika we wsadzie wielkopiecowym oraz na wzrost
wzbogacenia wsadu i obniżenie jednostkowego zużycia koksu w wielkim piecu [10].
Stosowanie
metody odolejania rozpuszczalnikami odpadów hutniczych jest zbyt
kosztowne, niedopracowane i powodują powstawanie uciążliwych dla środowiska
odcieków[11].
W związku z stosowaniem techniki jądrowej szczególnego znaczenia nabiera problem
ochrony przed promieniowaniem jonizującym. W zakresie budownictwa dotyczy to przede
wszystkim :
-
budowy osłon chroniących pracowników zatrudnionych w laboratoriach, w których
występuje promieniowanie;
-
budowy mogilników przeznaczonych do magazynowania odpadów radioaktywnych;
-
budowy hermetycznych powłok reaktorów w celu zabezpieczenia przed skutkami
ewentualnej awarii.
W celu zwiększenia własności absorpcyjnych betonu stosowane są dodatki kruszywa
ciężkiego, przy czym obecnie znanych jest kilkadziesiąt rodzajów takich kruszyw. Niektóre
z nich jak żużel granulowany, wióry stalowe i zgorzelina mogą być zastosowane jako
dodatki do betonów osłonowych (np. w instalacjach odsiarczania spalin emitowanych w
przemyśle energetycznym ) i mogilników.
Ekonomicznym i równocześnie najbardziej efektywnym materiałem na osłony jest beton,
mający dostateczne własności absorpcji promieniowania gamma i rozpraszania neutronów,
jak również odznaczający się znaczną wytrzymałością i nadający się do wytworzenia osłon
o dowolnym kształcie[12,13].
4
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
2. Badania właściwości odpadów oraz mieszanek betonowych:
Badania przeprowadzono dla betonów wytworzonych z dodatkiem następujących odpadów:
-
żużel granulowany z Huty Cynku ,,Miasteczko Śląskie” w Tarnowskich Górach,
-
opiłki stalowe z Huty Baildon w Katowicach,
-
zgorzelina (czarna zendra) z Huty Baildon w Katowicach.
Badania właściwości odpadów obejmowały:
-
oznaczenie zawartości wilgoci,
-
oznaczenie gęstości oraz
-
oznaczenie zawartości oleju.
Wyniki przeprowadzonych badań podano w Tab. 1. jako średnią arytmetyczną.
Tab. 1. Właściwości odpadów
Table 1. Waste characteristics
lp.
oznaczanie
Notation
1.
Wilgotność [%]
wióry stalowe
steel chips
0,15
nazwa odpadu
Name of waste
zgorzelina
scale
0,23
żużel granulowany
granulated slag
0,25
Humidity
2
Gęstość [g/cm3]
7,30
4,72
3,86
0,051
0,29
0,19
Density
3
Zawartość oleju [%]
Oil content
Analiza wyciągu wodnego z odpadów obejmowała następujące oznaczenia:
•
odczyn pH,
•
chemiczne zapotrzebowanie tlenu ChZT,
•
Zawartości: chlorków, azotu ogólnego, siarki oraz fosforanów.
Wyniki przeprowadzonych badań podano w Tab. 2. jako średnią arytmetyczną.
5
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
Tabela 2. Właściwości wyciągów z odpadów
Table 2. Characteristics of wastes extract
lp.
1.
Oznaczenie
Notation
Odczyn pH
Jednostka
Unit
-
Wióry stalowe
Steel chips
8,73
nazwa odpadu
Name of waste
zgorzelina
żużel granulowany
scale
granulated slag
5,90
7,31
PH
2.
Chlorki
mg/dm3
3,56
6,94
7,10
mg/dm3
0,00
0,00
0.00
mg/dm3
1,94
24,69
28,39
mg/dm3
0,80
1,60
1,21
mgO2/dm3
34,79
59,82
60,58
Chlorines
3.
Azot ogólny
Nitrogen
4.
Siarka
Sulphur
5.
Fosforany
Phosforus
6.
ChZT
Chemical demand
of oxygen
3.1 Badania właściwości wytrzymałościowe
Dla wykonania badań właściwości wytrzymałościowych betonu z dodatkiem odpadu
przygotowano 16 próbek betonu. Udział odpadów jako zamiennika piasku w składzie
mieszanek betonowych zmieniano co 25 % od 0 do 100 %.
Badania wytrzymałościowe wykonano na kostkach typu C o wymiarach 10x10x10 cm
Konsystencje wykonanych betonów utrzymywano na poziomie K-4. Wartości
wytrzymałości na ściskanie przeliczono na kostki typu B-1 o wymiarach 15x15x15 cm.
Wszystkie próbki od momentu sformowania do 28-go dnia dojrzewania przebywały w
środowisku wodnym [14] Wyniki przeprowadzonych badań przedstawiono w tabeli 3, 4, 5
Wyniki pokazały, że dodatek opiłków i żużla granulowanego wpływa na wzrost
wytrzymałości, zdolności osłabienia promieniowania gamma W przypadku osłon z
dodatkiem zendry wytrzymałość na ściskanie ma tendencję malejącą, natomiast dodatek ten
wpływa na wzrost właściwości osłabienia promieniowania.
6
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
Tabela3.Właściwości wytrzymałościowe osłon betonowych z domieszką opiłków
Table 3. Compressive strength of concrete shielding with steel chips
Udział odpadu
Rate of waste
[%]
gęstość
Density
ρ
[kg/dm3]
Wytrzymałość na ściskanie
Cmpressive strength
Rc [MPa]
0
25
50
75
100
2,16
2,41
2,50
2,80
3,10
37,80
47,00
49,00
54,00
57,00
Tabela 4. Właściwości wytrzymałościowe osłon betonowych
z domieszką żużla
granulowanego
Table 4. Compressive strength of concrete shielding with granulated slag
Udział odpadu
Rate of waste
[%]
Gęstość
Density
ρ
[kg/dm3]
Wytrzymałość na ściskanie
Compressive strength
RC[MPa]
0
2,16
37,80
25
50
75
100
2,21
2,38
2,40
2,56
44,00
42,80
37,00
50,50
Tabela 5. Właściwości wytrzymałościowe osłon betonowych z domieszką zendry
Table 5. Compressive strength of concrete shielding with steel scale
Udział odpadu
Gęstość
Wytrzymałość na ściskanie
Rate of waste
Density
Copressive strength
[%]
RC [MPa]
ρ
[kg/dm3]
0
2,16
37,80
25
2,41
47,00
50
2,52
23,80
75
2,70
33,00
100
2,82
24,90
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
7
3.2 Badania absorpcji promieniowania gamma
Dla wykonania badań absorpcji promieniowania gamma przygotowano 16 próbek betonu
(po 7 płyt z każdej próbki, o wymiarach 25x25x2.6 cm.). Pomiary były wykonane przy
użyciu Co-60 o energii E = 1,25 MeV. Całkowita ilość pomiarów wyniosła 1728 pomiarów
Przystępując do obliczenia liniowego współczynnika osłabienia, obliczono najpierw średnie
tło promieniowania na jednostkę czasu, średnią arytmetyczną liczbę zliczeń z 12 pomiarów
dla każdej grubości danej serii próbek. Wartość liniowego współczynnika osłabienia
promieniowania gamma obliczono ze wzoru:
µ=
1
ln K
d
gdzie:
K – krotność osłabienia promieniowania gamma
d – grubość osłony betonowej z domieszką odpadów.
3. Prównanie grubości zwykłych osłon betonowych i grubości badanych
osłon z domieszką odpadów
Na podstawie otrzymanych wartości krotności osłabienia obliczono grubości osłon
betonowych ze zwykłego betonu odpowiadających grubościom badanych osłon z
domieszką odpadów, na podstawie tablic i wykresów normy [15, 16].
Jako przykład w Tab.6 przedstawiono wyniki obliczeń grubości zwykłych osłon
betonowych odpowiadające grubości 18,2 cm badanych osłon z domieszką odpadów.
Tab. 6. Porównanie grubość zwykłych osłon betonowych przed promieniowaniem gamma z
odpowiadające grubości 18,2 cm badanych osłon z udziałem odpadu
Table 6. Thickness of ordinary concrete shielding for X radiation which substitutes 78 mm
of studies concrete with wastes
Udział
odpadu
Grubość osłony
betonowej
z domieszką
odpadu
[cm]
Grubość zwykłej
osłony betonowej
odpowiadającą
grubości osłony z
opiłkami [cm]
Grubość zwykłej
osłony betonowej
odpowiadającą
grubości osłony z
żużlem gran. [cm]
Grubość zwykłej
osłony betonowej
odpowiadającą
grubości osłony z
zendrą [cm]
25
41,43
38,43
39,05
50
44,68
39,23
39,49
48,42
42,13
45,63
53,60
43,36
46,82
[%]
75
100
18,2
8
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
Podsumowanie i wnioski
Odpady hutnicze i z przemysłu maszynowego zaliczane są do najbardziej uciążliwych dla
środowiska ze względu na duże uwodnienie oraz dużą zawartość olejów i z tego względu są
trudne do utylizacji. Jedną z możliwości ich utylizacji jest wykorzystanie jako dodatków do
betonów osłonowych w celu zwiększenia ich właściwości wytrzymałościowych i
absorpcyjnych.
Omawiane odpady ze względu na dużą gęstość nasypową są zaliczono do tzw. kruszyw
ciężkich, które mogą być zamiennikami piasku naturalnego. Mieszanki betonowe
kształtowane na bazie tych odpadów charakteryzują się dużą wytrzymałością na ściskanie
oraz podwyższoną gęstości objętościową , co powoduje wzrost liniowego współczynnika
osłabienia.
Odpady hutnicze zastosowane jako dodatki do betonu w sposób istotny zwiększają
absorpcję betonu dla promieniowania gamma, nie pogarszając zbytnio innych cech
technicznych przedmiotowych betonów. Wszystkie próbki betonowe przetrzymywane
przez 28 dni w środowisku wodnym nie wykazały nawet śladów uszkodzeń.
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że spośród wykonanych mieszanek
betonowych najlepsze właściwości wytrzymałościowe wykazują mieszanki zawierające
opiłki stalowe, natomiast mieszanki zawierające zgorzelinę oraz opiłki stalowe posiadają
najlepsze właściwości absorpcyjne.
Literatura
[1] Gulińska T., Baic I., Grabowski J.: Ocena oddziaływania na środowisko Huty
Częstochowa w zakresie metod usuwania i unieszkodliwiania odpadów oraz ich wpływ
na środowisko. IGO, Katowice, 1995r.
[2] A Ph. Jurgen and R. Endell: How German steel industry is managing waste disposal
[3] J. Kobyliński: Wióry metalowe: transport, magazynowanie i przerób. WNT, 1976r.
[4] J. Marcinek: Gospodarka odpadami przemysłowymi w Hucie imienia Tadeusza
Sendzimira S.A”Odpady przemysłowe i komunalne. Powstawanie oraz możliwości ich
wykorzystywania. Kraków 1999r.
[5] M. Alwaeli, J. Nadziakiewicz,: Odpady hutnicze jako domieszka do betonów
osłonowych przed promieniowaniem gamma. IV Międzynarodowe Forum Gospodarki
odpadami „Systemy Gospodarki Odpadami”, Poznań. 2001r.
[6] M. Alwaeli, J. Rubin: Kształtowania betonów na bazie kruszyw ciężkich. XVI
Konferencja Naukowo-Techniczna. Jadwisiń. 1998r.
[7] M. Niesler: Możliwość zastosowania w procesie wielkopiecowym brykietów z
odpadów hutniczych wykonanych w brykieciarkach stemplowych, Hutnik, nr 1, 2001r.
[8] Góksel, J. Wróbel, J. Kohut: Recycling waste oxide from iron steel plants using the
PTC process ironmaking Conference Proceeding.1991r.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
9
[9] Marcinek J.: Gospodarka odpadami przemysłowymi w Hucie imienia Tadeusza
Sendzimira S.A”Odpady przemysłowe i komunalne. Powstawanie oraz możliwości ich
wykorzystywania. Kraków 1999r.
[10] Kobyliński J.: Wióry metalowe: transport, magazynowanie i przerób. WNT, 1976r.
[11] Jurgen A Philipp and Ralf Endell: How German steel industry is managing waste
disposal
[12] Niesler M.: Możliwość zastosowania w procesie wielkopiecowym brykietów z
odpadów hutniczych wykonanych w brykieciarkach stemplowych, Hutnik, nr 1, 2001r.
[13] Alwaeli M., Nadziakiewicz, J.: Odpady hutnicze jako domieszka do betonów
osłonowych przed promieniowaniem gamma. IV Międzynarodowe Forum Gospodarki
odpadami „Systemy Gospodarki Odpadami”, Poznań. 2001r.
[14] Alwaeli M., Rubin J.: Kształtowania betonów na bazie kruszyw ciężkich. XVI
Konferencja Naukowo-Techniczna. Jadwisiń. 1998r.
[15] PN-88-B-06250: Beton zwykły
[16] PN-86-80001: Materiały i sprzęt ochronny przed promieniowaniem X i gamma,
Obliczenia osłon stałych.
10
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)