technologia otrzymywania kruszywa ceramicznego z popiołów po

P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I WA R S Z AW S K I E J
z. 81
Chemia
2012
Janusz Sokołowski
Wydział Chemiczny
Zakład Technologii Nieorganicznej i Ceramiki
TECHNOLOGIA OTRZYMYWANIA
KRUSZYWA CERAMICZNEGO Z POPIOŁÓW
PO SPALENIU WĘGLA
W AUTOTERMICZNYM PROCESIE SPIEKANIA
Rękopis dostarczono 19.04.2012 r.
Praca poświęcona jest korzystnemu ekonomicznie zagospodarowaniu ubocznych produktów
spalania węgla. Nagromadzone w latach ubiegłych na hałdach, zalegają obecnie w ilości ponad
500 mln Mg. Z szeregu sposobów zagospodarowania popiołów elektrownianych produkcja lekkich
kruszyw ceramicznych, szczególnie metodą spiekania w wysokich temperaturach, jest jedną z najbardziej perspektywicznych metod. Kruszywo takie stosowane jest w budownictwie i drogownictwie, pozwalając jednocześnie na ograniczenie degradacji środowiska powodowanej pozyskiwaniem kruszyw naturalnych.
Rezultaty badań własnych poprzedzono opisem wdrożonych technologii zagospodarowania popiołów elektrownianych, z analizą możliwości zastosowania produkowanych kruszyw, tak jeśli chodzi o ich właściwości, jak i koszty wytwarzania.
Aby produkowane kruszywo znalazło zbyt na rynku, musi być konkurencyjne cenowo w stosunku do kruszyw naturalnych. Jest to możliwe do osiągnięcia tylko wtedy, gdy nitka technologiczna
produkcji kruszywa spiekanego będzie stosunkowo prosta, chociażby bez dużej ilości urządzeń ważąco-dozujących, a proces spiekania prowadzony będzie bez dodatku paliwa zewnętrznego, z wykorzystaniem jedynie ciepła spalania węgla zawartego w popiołach. Powstałe w tej sytuacji problemy
technologiczne, wynikające z różnej zawartości węgla w popiele, likwidowane muszą być w urządzeniu spiekalniczym poprzez odpowiednią jego konstrukcję i organizację przepływu mediów.
Badania prowadzono, pozyskując surowiec z hałdy popiołów w Sowlanach, pochodzącej ze spalania węgla kamiennego w paleniskach pyłowych elektrociepłowni w Białymstoku, na której przez
ok. 20 lat gromadzono popioły lotne z elektrofiltrów oraz mieszanki popiołowo-żużlowe z mokrego
odprowadzania odpadów paleniskowych. W zależności od miejsca poboru surowiec zawierał od 5,5
do nawet 19% wag. węgla.
Badania przeprowadzono w skali półtechnicznej. Najpierw opracowano konstrukcję i zbudowano urządzenia dla dwóch newralgicznych w technologii produkcji kruszyw spiekanych operacji: suszenia oraz wypalania i spiekania granulatów z popiołów elektrownianych. Następnie zaglomerowano kilka porcji popiołów elektrownianych, wysuszono je, wyprodukowano kruszywa i określono
ich przydatność użytkową.
4
Wstęp
Pierwszym zaprojektowanym i zbudowanym urządzeniem spiekalniczym był piec szybowy.
Spełniał on wszystkie warunki do autotermicznego przeprowadzenia procesu wypalania i spiekania kruszywa, ale spiekanie granulatów o różnej i zasadniczo zmiennej zawartości węgla w popiele
okazało się w piecu szybowym bardzo trudne. Zostało zrealizowane dopiero po zbudowaniu pieca
o zastrzeżonej konstrukcji, w którym proces wypalania i spiekania prowadzono w strumieniu gazów
spalinowych z dodatkiem odpowiedniej ilości powietrza. Mimo tego bieg procesu był bardzo wrażliwy nawet na niewielkie wahania parametrów technologicznych, dlatego trudno było takie rozwiązanie aparaturowe rekomendować jako docelowe urządzenie spiekalnicze w fabryce kruszyw.
W dalszym etapie badań analizowano możliwości wykorzystania pieca obrotowego, jako urządzenia stosunkowo odpornego na zmiany parametrów technologicznych w trakcie biegu procesu, do
wypalania i spiekania popiołów elektrownianych w autotermicznym procesie. W wyniku analiz biegu procesu i doświadczeń wstępnych uznano, że dobrze zaizolowany, pracujący w układzie współprądowym mediów piec obrotowy, w którym powietrze do szybu pieca podawane będzie w układzie
promieniowym, poprzez jego pancerz, a nie wzdłuż osi, przy wysokim, ponad 50% napełnieniu szybu granulatem, uzyska wybrane cechy pieca szybowego, umożliwiające prowadzenie procesu spiekania ziaren kruszywa bez dodatku paliwa zewnętrznego.
Taką unikalną konstrukcję pieca zastrzeżono, a następnie zbudowano urządzenie o średnicy 1,5 m
i długości 3 m, w którym przy 70% napełnieniu szybu pieca granulatem uzyskano autotermiczny bieg
procesu z wydajnością kruszywa 600 kg/h. Kruszywo to oraz betony wyprodukowane na jego bazie spełniły wszystkie normy jakościowe przewidziane dla kruszyw popiołoporytowych. Opracowano także konstrukcję i zbudowano suszarnię taśmową do suszenia świeżo zgranulowanych popiołów,
bardzo dobrze nadającą się do suszenia ziaren o małej początkowej wytrzymałości mechanicznej.
Wyniki badań były na tyle interesujące, że pojawił się inwestor strategiczny, który pozyskał
środki na dalsze badania w skali półtechnicznej i wdrożenie tej technologii do praktyki przemysłowej. Na tym etapie badań zaprojektowano, zbudowano i zastrzeżono konstrukcję półkowej suszarni szybowej do suszenia granulatów o małej wytrzymałości mechanicznej. Nadaje się ona lepiej niż
taśmowa do wmontowania w linię technologiczną produkcji kruszywa. Zbadano warunki jej pracy,
określono wydajność oraz zebrano dane do zaprojektowania jej w skali technicznej.
Zmodernizowano piec obrotowy, zmieniając strukturę przestrzenną jego wnętrza. Dołożono
jeszcze jeden rząd dysz podających promieniowo powietrze oraz wyposażono piec w nagrzewnicę
powietrza podawanego do pierwszego rzędu dysz. Na tak przebudowanym piecu w kolejnych procesach wypalania uzyskano 30% wzrost jego wydajności bez uszczerbku dla jakości uzyskanego
kruszywa. Zebrano komplet parametrów procesowych potrzebnych do zaprojektowania pieca przemysłowego o wydajności 50 tys. Mg kruszywa rocznie.
Aktualnie trwa budowa fabryki kruszywa zlokalizowanej przy hałdzie popiołów w Sowlanach
k. Białegostoku.
Słowa kluczowe: popioły elektrowniane, spiekanie autotermiczne, kruszywo ceramiczne.
WSTĘP
Ilość nagromadzonych w Polsce popiołów lotnych i żużli z elektrowni, elektrociepłowni i kotłowni przekroczyła już 500 mln Mg, przy czym corocznie przybywa
kolejne 19 mln Mg odpadów elektrownianych [1]. Wprawdzie popioły lotne z aktualnego wypadu z energetyki zawodowej są praktycznie w całości zagospodaro-