Akademia Popiołu

Popiół lotny

To produkt powstający w wyniku spalania węgla kamiennego w jednostkach energetycznych. Zmielony do postaci drobnego pyłu węgiel kamienny, wdmuchiwany jest do paleniska kotła i spalany w temperaturze ok. 1400oC. W trakcie procesu spalania częściowemu lub całkowitemu topnieniu ulegają mineralne, nie dające się spalić, części skał zawarte w węglu kamiennym. Przeważająca część stopionych cząsteczek mineralnych zostaje wyprowadzona strumieniem gazów spali-nowych i zatrzymana w filtrze w postaci popiołu lotnego. Popiół lotny z węgla kamiennego jest miałkim pyłem, który wskutek obróbki termicznej składa się w przeważającej mierze z kulistych, szklistych cząsteczek. Popiół lotny zbierany jest w zasobnikach, a następnie ładowany i transportowany w postaci suchej autocysternami. Produkcja popiołu lotnego z węgla kamiennego podlega stałej kontroli jakościowej i optymalizacji składu fizykochemicznego a w szczególności strat prażenia (zawartości części palnych).

Charakterystyka jakościowa popiołów lotnych ze spalania węgli

Popiół lotny ma postać miałkiego pyłu mineralnego w kolorze od jasno- do ciemnoszarego i jasnobrązowym. Popiół lotny składa się w przeważającej części z tlenków krzemu, glinu i żelaza. Poza tym zawiera, tak samo jak naturalne skały, różnego rodzaju pierwiastki śladowe oraz wykazuje niewielki udział nie spalonych części węgla kamiennego w postaci cząsteczek koksu. Wskutek termicznej obróbki w komorze paleniskowej popiół lotny z węgla kamiennego wchodzi w obecności wapnia w temperaturze pokojowej w reakcje pucolanowe. Powstają przy tym, tak jak przy hydratacji cementu portlandzkiego, mikroskopijnie małe, krystaliczne wapienno-krzemianowe i wapienno-glinianowe hydraty, które scalają się w twardą skałę. Pod względem składu chemicznego popiół lotny odpowiada znanym od ponad 2000 lat popiołom wulkanicznym i skałom, takim jak trass i pumeks.
W zastosowaniu popiołu lotnego z węgla kamiennego dużą rolę odgrywają także jego fizyczne właściwości. Szkliste, w przeważającej większości kuliste cząsteczki mają średnicę między 0,5 a 200um. Przeciętna średnica ziarna leży pomiędzy 5 a 20um. Popioły lotne z węgla kamiennego wykazują gęstości właściwą ziarna od 2200 do 2500 kg/m3 oraz gęstość objętościową od 800 do 1100 kg/m3.
Rozwój technik spalania węgla w paleniskach energetycznych oraz wymogi ochrony środowiska wpływają na rodzaj, ilość i jakość stałych odpadów spalania węgla i odsiarczania
spalin, często ogólnie określanych terminem odpadów paleniskowych (energetycznych, elektrownianych). Do produktów spalania węgla, powstających w rezultacie obecności w węglu substancji niepalnych, zalicza się żużle i popioły lotne różnych odmian i granulacji.
Ich szczegółową klasyfikację i terminologię uwzględniającą rodzaj stosowanego węgla i warunki jego spalania, precyzuje stara norma branżowa BN-79/6722-09 „Popioły lotne i żużle z kotłów opalanych węglem kamiennym i brunatnym. Podział, nazwy i określenia”. Norma ta nie obejmuje jednak produktów otrzymywanych w nowych rodzajach kotłów energetycznych, np. w kotłach fluidalnych. Poza produktami spalania węgla, do odpadów energetycznych zalicza się także produkty odsiarczania spalin, których ilość, rodzaj i jakoś
 zależą od stosowanej technologii odsiarczania. Odpadami będącymi na pograniczu tych dwóch rodzajów odpadów energetycznych są popioły lotne ze wspomnianych już kotłów fluidalnych, zawierające poza stałymi odpadami ze spalania węgla także produkty odsiarczania spalin.*
Popioły lotne ze spalania węgli otrzymywane są w wyniku spalania węgli kamiennych czy brunatnych w paleniskach konwencjonalnych. Są one zawarte w powstałej po spaleniu węgla mieszaninie pyłowo-gazowej, z której frakcja pyłowa (a więc właśnie popiół lotny) jest wytrącana głównie elektrostatycznie (w elektrofiltrach), niekiedy mechanicznie (np. filtry tkaninowe). Niestety, w warunkach polskich popioły lotne w dużej części są odprowadzane hydraulicznie wraz z powstającymi także w trakcie spalania żużlami spod kotłów energetycznych, tworząc mieszaniny popiołowo-żużlowe. Zgromadzone na składowiskach mieszaniny popiołowo-żużlowe, poza faktem zmieszania różnych frakcji materiałów i wynikającego z tego dużego zróżnicowania pod względem składu ziarnowego, posiadają także odmienne właściwości w stosunku do popiołów lotnych z bieżącej produkcji. Są one bowiem zazwyczaj dezaktywowane i nie wykazują dużej aktywności pucolanowej.

Popioły lotne mają zróżnicowany skład chemiczny. Z węgla kamiennego z reguły uzyskuje
się popioły zasobne w SiO2 i Al2O3 (rodzaj k i g wg normy BN-79/6722-09 — tab.1), a z węgla brunatnego na ogół bogatsze w CaO (rodzaj w, tab. 1). Skład chemiczny popiołu uzyskiwanego w danej elektrowni czy elektrociepłowni jest bezpośrednią pochodną jakości
użytkowanego przez zakład węgla.

Tab. 1 Rodzaje popiołów lotnych ze spalania węgli (wg normy BN-79/6722-09)

W zależności od wielkości ziaren wyróżnia się sortymenty: popiół drobny (pozostałoś
 na sicie 63 _m <30%), popiół średni (30—50%), popiół gruby (>50%). Cząstki popiołów są najczęściej kuliste o średnicy zwykle w przedziale 1—100 μm.

Skład fazowy popiołów jest bardzo zróżnicowany nawet w obrębie poszczególnych ziaren. Podstawowym składnikiem popiołów jest szkło, którego zawartość przekracza nawet 80%. Szkło w popiołach lotnych jest zbliżone do szkła krzemionkowego, a także krzemianowo-glinowego przypominającego szkło żużlowe. W składzie chemicznym fazy szklistej istotne znaczenie mają poza SiO2 i Al2O3 także wapń, magnez, niewielkie ilości żelaza, alkalia i siarka. Wśród faz krystalicznych występują: kwarc, mullit, magnetyt, hematyt, spinele Al-Mg, wűstyt, pirotyn. Składnikami szkodliwymi są niespalony węgiel i związki siarki, których iloś
 zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury spalania.

Możliwości zastosowania popiołu lotnego z węgla kamiennego zależą także w dużym stopniu od jego fizycznych właściwości. Szczególnie istotna jest duża powierzchnia właściwa, rzędu 2000—3000, a niekiedy nawet do 6000 m2/kg, przez co materiał ten charakteryzuje się dobrą aktywnością pucolanową (niekiedy są one nazywane sztuczną pucolaną). Reasumując, o dobrej jakości popiołów decydują przede wszystkim: mała zawartość węgla, wysoka zawartoś
 fazy szklistej, niska zawartość alkaliów oraz wysoka powierzchnia właściwa.

Właściwości pucolanowe są szczególnie istotne w takich kierunkach zastosowań, jak produkcja cementów, betonów czy spoiw niskocementowych. Z kolei w produkcji wyrobów
ceramiki budowlanej dodawanie popiołów ma na celu przede wszystkim schudzenie masy
ceramicznej. Należy tu jednak zastrzec, że o ile większość otrzymywanych w formie suchej
(z bieżącej produkcji) popiołów lotnych znajduje zastosowanie do licznych wymienionych
wyżej zastosowań, to popiół lotny z każdego zakładu wykazuje odmienną charakterystykę
jakościową i jego stosowanie w poszczególnych kierunkach powinno być skorelowane z jego
parametrami jakościowymi.

Popioły lotne otrzymywane w polskich elektrowniach mają zróżnicowany skład chemiczny.
W elektrowniach użytkujących węgiel kamienny uzyskiwane są z reguły popioły zasobne w SiO2 i Al2O3 (rodzaj k). Popioły otrzymywane ze spalania węgli brunatnych z rejonów Bełchatowa, Adamowa i Konina wykazując dużą zawartość CaO (nawet powyżej 30% dla węgli konińskich) i SO3 odpowiadają rodzajowi w (wapniowemu). Jedynie popioły powstałe ze spalania węgla brunatnego ze złoża Turów reprezentują rodzaj g (glinowy), wykazując przy tym wysoką zawartość Fe2O3 (tab. 2). Właściwości pucolanowe wykazują głównie popioły rodzaju k, co stwarza największe możliwości ich wykorzystania w zastosowaniach gospodarczych. Z kolei popioły turoszowskie, reprezentujące rodzaj g, są dobrym surowcem do produkcji wyrobów ceramiki budowlanej i klinkierowych. Najniższą przydatność wykazują popioły lotne rodzaju w, cechujące się dużą zmiennością składu chemicznego, ale ich wytwarzanie w Polsce jest obecnie bardzo ograniczone (w elektrowniach Pątnów-Adamów-Konin i Bełchatów otrzymuje się głównie mieszanki popiołowo-żużlowe). Zdecydowana większość otrzymywanych obecnie popiołów lotnych w Polsce to popioły rodzaju krzemianowego k, wytwarzane w elektrowniach, gdzie spalane są węgle kamienne i wykorzystywane gospodarczo niemal w 100%.

Tab. 2 Skład chemiczny wybranych popiołów lotnych z elektrowni krajowych spalających węgiel kamienny i brunatny

* Krzysztof Galos*, Alicja Uliasz-Bocheńczyk* „Źródła i użytkowanie popiołów lotnych ze spalania węgli w Polsce”, Gospodarka Surowcami Mineralnymi, t. 21, 2005, zeszyt 1

Zastosowanie

Popiół lotny jako pucolana umożliwia redukcję udziału cementu. Dzięki swoim cennym właściwościom oraz konkurencyjnej cenie może być używany jako dodatek do betonu i cementu, dodatek w procesie produkcji galanterii betonowej (wibroprasowanej kostki brukowej itp.), cegły, pustaków, jako materiał nasypowy i wypełniający oraz materiał do polepszania gruntów budowlanych.