Způsob výroby stavebních hmot a výrobku z fosilních paliv popele získí

fluidním spalováním tuhých

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby stavebních hmot a výrobků z popelů získaných fluidním spalováním tuhých fosilních paliv.

Dosavadní stav techniky

Popílky fluidního spalování tuhých fosilních paliv vznikají tepelnou přeměnou popelovin, které jsou obsažené v uhlí a lignitech, a CaCO3, přidávaného kuhlí před spalováním, a jejich vzájemnými reakcemi, probíhajícími při fluidním spalování. Za teploty 800 °C - 850 °C dochází k dehydrataci a dehydroxylaci jílových minerálů a k jejich částečné přeměně na skelnou - amorfní fázi. Křemen při teplotě 573 °C přechází na fázi tzv. vyššího beta křemene. Živce se částečně přemění na sklovitou fázi, částečně zůstanou nedotčené. Sulfidy železa se rozkládají za vzniku oxidů Fe^UI za uvolňování se plynného SO3. Uvolněný SO3 reaguje s vápencem (CaCCh), přidávaným do spalování na anhydrit (CaSOý, který hydrataci může přecházet na sádrovec (CaSO4.2H2O). Přebytek CaCCh, který nereaguje s SO3 se rozkládá na CaO + CO2, tedy nehašené , tzv. měkce pálené reaktivní vápno a oxid uhličitý. Zatím, co plynná fáze, tvořená především CO2 odchází komíny, pevné látky jsou jako ložový a úletový popílek zachycovány a skladovány v silech.

Nejčastěji pak bývají míchány v poměru 1:2,5 se zhruba 30 - 40 % vody a jako stabilizát ukládány na skládku, kde jsou pěchovány vibračním válcem a v průběhu několika týdnů utuhnou na porézní šedou struskovitou hmotu o nevelké pevnosti v tlaku. Mezi částicemi pevných látek v popílku probíhají za přítomnosti vody výměnné chemické reakce, při kterých na kontaktech jednotlivých zrn vznikají nové minerály. Například CaO nebo Ca(OH)2 reaguje se vzdušným CO2 na CaCO3, a hydrataci z anhydritu vzniká sádrovec.

-1 » · · · 0

0

0 0 0 • · • 0 • · · • · · · 0

Těmito procesy dochází k tuhnutí směsi. Zhruba po 28 dnech zrání směsi probíhá ještě reakce podobná pucolánové reakci, při které vzniká minerál ettringit Ca6Al₂(SO4)3(OH)i₂.6H₂O . Ten spolu s kalcitem a anhydritem dodává směsi mechanickou pevnost a chemickou odolnost. Ale protože popílky samy bez úpravy tuhnou jen velmi pomalu a výsledný produkt dosahuje pouze nízkých hodnot pevnosti, nejsou v neupraveném stavu průmyslově použitelné jako samostatné plnohodnotné stavební hmoty.

Proto se fluidní popílky v současnosti používají pouze jako materiál ke stavbě náspů nebo jako zásypový materiál, kterým se vyplňují zejména vydobyté důlní prostory. V malé míře jsou využívány jako příměs do cementu. Z celkové produkce fluidních popílků je využito necelých 10 % a veškerý další objem je ukládán ve formě stabilizátu na skládky.

Širší použití mají klasické popílky jako základní plnivo pro výrobu pórobetonových tvárnic, nebo vápnopopílkových tvárnic. Jako pojivo se používá portlandský cement nebo vápno. Dále se popílků z klasického spalování tuhých fosilních paliv používá jako aktivní složky směsných, popílkových nebo pucolánových cementů, kde se silikátová fáze popílků váže s vápennou složkou portlandského slínku při pucolánové reakci. Betony z cementů s příměsí popílků jsou pak odolnější ve vlhkém a kyselém prostředí. Jediným komplikujícím faktorem pro využití těchto stavebních prvků v bytové výstavbě je zvýšená radioaktivita některých popílků.

V poslední době byla vyvinuta nová pojivá na bázi jílů dopovaných alkalickými kovy, která jsou vhodná i k solidifikaci popílků a strusek. Rovněž byla vyvinuta tzv. bezslínková a máloslínková pojivá na základě směsí popílků a jílů. Dalším způsobem zpracování popílků je jejich alkalická aktivace, spočívající v dopování alkalickými kovy a přesrážení v zásaditém prostředí, a ve vytvoření tzv. geopolymerů.

Všechny tyto technologie se však neobejdou bez použití pojiv, ať už klasických jako cement a vápno nebo netradičních, jako jsou aktivované jíly a popílky dále slouží v podstatě pouze jako plnivo, nebo bez relativně drahých chemických aktivačních přísad.

-2• ·

I · · · « • · · ♦ ·· « • · > · · • · · · ·

Tyto technologie mají tu nevýhodu, že klasická pojivá jako portlandský cement nebo vápno jsou drahá a netradiční pojivá, jako aktivované jíly se musí k místu zpracování spolu s popílky dovážet, a doprava je dnes velmi drahá. Před dalším zpracováním se musí jíly sušit, pražit, rozmělnit a chemicky aktivovat, což ještě dále zvyšuje náročnost celé výroby.

Popely, získané fluidním spalováním tuhých fosilních paliv za přítomnosti vápence, v sobě již obsahují všechny složky, potřebné k tomu, aby se mohly používat jako pojivá pouze po přidání vody, protože z jejich složek mohou vznikat vodnaté síran-silikáty a síranalumináty vápníku jako thaumasit a ettringit. Tyto popely je vzhledem k jejich zrnitosti a uzavřenosti zrn většinou nutné mechanicky upravit mletím, desintegrací, nebo jiným způsobem mechanické aktivace. Existují mezi nimi výjimečně i takové úletové popely, většinou ty s nejjemnější zrnitostí, které pro využití jako stavební hmoty nevyžadují předběžnou mechanickou úpravu. Ale při výrobě stavebních výrobků z těchto popelů, ať z mechanicky upravených nebo neupravených, je pro jejich dostatečně vysokou kvalitu nezbytné dodržet postup, který je předmětem tohoto vynálezu.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je způsob výroby stavebních hmot a výrobků z popela získaného fluidním spalováním tuhých fosilních paliv, případně v přítomnosti vápence, nebo jiné přísady obsahující Ca nebo/a Mg, jehož podstata spočívá vtom, že se popel mechanicky jakkoliv upravený nebo neupravený, smíchá s minimálně 15 % hmotnosti vody (vztaženo na hmotnost popela) k získání tvarovatelné vlhké stavební hmoty, která se tvaruje do požadovaného tvaru stavebního výrobku tak, aby byl po dobu minimálně tří hodin od vytvarování ke stavebnímu výrobku zamezen přístup vzduchu, zejména vzdušného CO₂ a omezena ztráta vlhkosti vysycháním, čímž se docílí kvalitní hydratace novotvořených minerálních křemičitých a hlinitých fází a zamezí se nežádoucímu paralelnímu průběhu reakcí vápenatých nebo/a hořečnatých složek popela se vzdušným CO2 na karbonáty.

Výhodně se k popílku, případně kjeho směsi vodou přidá plnivo v množství nejvýše rovném 1000 % hmotnosti, vztaženo na hmotnost popílku.

-3 ·· ···· • · • · · ·

Popílky ze spalování tuhých fosilních paliv obsahují latentně hydraulické složky, které za přítomnosti vody a Ca, jsou schopny vstupovat do reakce a vytvářet spolu mechanismem pucolánové reakce nové krystalické struktury na bázi alumosilikátů, nebo v případě popílků z fluidního spalování, kde se kromě pucolánové reakce a dalších reakcí podobných těm, jaké probíhají v klasických betonech nebo vápenato-křemičitých systémech, mohou díky vysokému obsahu CaO a CaSO4 probíhat netypické reakce mezi alumosilikáty a CaSO4 za vzniku minerálu ettringitu CaéAl₂(SO4)3(OH)i₂.6H₂O případně thaumasitu Ca3Si(CO3)(SO₄)(OH6).12H₂O. Dále mohou u popílků fluidního spalování probíhat i reakce CaO nebo Ca(OH) ₂ se vzdušným CO₂ na CaCO3 a hydratace anhydritu CaSO₄ na sádrovec CaSO4.2H₂O. A právě posledním dvěma reakcím, které za přístupu vzduchu probíhají zejména v povrchové vrstvě vlhké stavební hmoty po jejím vytvarovaní do požadovaného tvaru stavebního výrobku, je potřeba zabránit. Při povrchu takového stavebního výrobku, ke kterému nebylo zabráněno v přístupu vzduchu a nebylo omezeno jeho vysychání po dobu nezbytně nutnou khydrataci zrn a vytvoření vodnatých síran-silikátů a síran-aluminátů Ca nebo/a Mg, dochází ke tvoření CaCO₃. To pak vede ke vzniku trhlinek v povrchové vrstvě, k anizotropii stavebního výrobku a v důsledku toho k výraznému snížení odolnosti takového výrobku proti povětrnostním vlivům, zejména proti mrazu. Zamezit přístupu vzduchu a příliš rychlému vysychání lze například zakrytím forem nebo nanesením nepropustné vrstvy na povrch stavebního výrobku.

Způsob podle vynálezu má oproti doposud běžně používaným způsobům zpracování fluidních popílků několik výhod.

Hlavní výhodou je, že lze beze zbytku zpracovat fluidní popílky ze spalování tuhých fosilních paliv, které byly doposud vyváženy na skládky, na kvalitní stavební hmoty a výrobky a to bez použití jakýchkoliv pojiv na bázi cementů nebo vápna, případně jílů, a některé z nich dokonce i bez mechanické úpravy.

Další výhodou je nízká spotřeba energie a tím i nízká cena stavebních hmot a výrobků vyrobených z fluidních popílků způsobem podle vynálezu ve srovnání s klasickými stavebními hmotami na bázi cementů a vápna.

-4• · · • 0 0 · 0 • · 0 • ·

Z fluidních popílků lze za použití způsobu podle vynálezu vyrábět celou řadu stavebních výrobků od litých zdí a základových desek až po prefabrikované výrobky typu tvárnic a příčkovek vhodných i pro bytovou výstavbu.

Další výhodou oproti klasickým stavebním hmotám na bázi cementů a vápna je nižší specifická hmotnost výrobků na bázi fluidních popílků při srovnatelných mechanických vlastnostech.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Výroba nosných a nenosných zdících prvků:

Neupravený fluidní úletový popel, se smíchá přibližně se 54 % hmotnosti vody, vztaženo na hmotnost popela a vzniklá směs se odlije do forem. Formy se zabezpečí proti přístupu vzduchu. Po nejméně 48 hodinách se může utuhlá směs z forem vyjmout a nechat dále dozrát za teploty místnosti po dobu alespoň 28dnů již za normálního přístupu vzduchu. Tím se získají výplňové tvárnice a příčkoveky s dostatečnou odolností proti vodě a pevností v tlaku do 40 MPa.

Příklad 2

Výroba dlažby:

Fluidní úletový popílek se smíchá s praným pískem v poměru hmotností 1:3 a podrobí se mechanické aktivaci za sucha v desintegrátorovém mlýně na hrubost zrna pod 20 mikrometrů. Takto upravený popílek se pečlivě smíchá přibližně s 36 % hmotnosti vody, vztaženo na hmotnost popílku. Tato směs je potom lisována do tvaru dlažby, na kterou se nastříká vrstva zamezující přístupu vzduchu a vysychání a poté se nechá zrát za teploty místnosti po dobu 28 dnů.