PL182924B1 - Mieszanka do aglomerowania zasiarczonych popiołów lotnych, ϋΠΤΕΙΠϋΑ zwłaszcza do wytwarzania sztucznego kruszywa w piecu szybowym - Google Patents

Abstract

1. Mieszanka do aglomerowania zasiarczonych popiołów lotnych, zwłaszcza do wytwarzania sztucznego kruszywa w piecu szybowym, znamienna tym, że stanowi ją zestaw produktów odpadowych złożony z zasiarczonego popiołu lotnego w ilości wagowo 70% do 85% o zawartości węgla 1,5 do 3,5%, z odpadu poflotacyjnego węgla kamiennego w ilości 5% do 15% o zawartości węgla 23 do 27%, z żużla paleniskowego w ilości 5% do 10% o zawartości węgla 7 do 10%, oraz topnika odpadowego w ilości 1% do 6%, przy czym zestaw tych komponentów tworzy gotowy produkt o konsystencji sypkiej substancji ziarnistej, o uziarnieniu mniejszym niż 1,02 mm o wilgotności poniżej 20%.

Description

Przedmiotem wynalazku jest receptura mieszanki do aglomerowania zasiarczonych popiołów lotnych uchwyconych w instalacjach suchego lub półsuchego odsiarczania spalin, stosowana w wysokotermicznej utylizacji tych popiołów na kruszywo sztuczne dla budownictwa i drogownictwa, zwłaszcza w technologii wytwarzania sztucznego kruszywa otrzymywanego przez spiekanie w piecu szybowym.

Przemysłowe spalanie węgla, szczególnie w elektrowniach i elektrociepłowniach opalanych węglem kamiennym, wiąże się z problemem powstawania znacznych ilości odpadów, zarówno odpadów stałych w postaci żużla paleniskowego jak i odpadów ze spalin w postaci popiołów lotnych. Popioły lotne są to stałe pozostałości po spalaniu węgla kamiennego w paleniskach pyłowych, unoszone z kotła przez spaliny i wychwytywane w elektrofiltrach. Dla kotłów opalanych pyłem węglowym udział popiołu lotnego w odpadach stałych waha się w granicach 85% do 95%, a żużla paleniskowego odpowiednio od 15% do 5%. We wszystkich rodzajach popiołów podstawowymi składnikami są glinokrzemiany, które występują w postaci krzemionki S1O2 i tlenku glinu AI.2O3. Popioły lotne z palenisk pyłowych zawierają niewielkie ilości części palnych, aktualne ilości niespalonego węgla C nic przekraczają2.5%.

Zasiarczone popioły lotne są produktem suchego lub półsuchego odsiarczania spalin, który stanowi mieszaninę pozostałości po spalaniu węgla, produktów odsiarczania w postaci tlenku wapnia CaO i siarczanu wapnia CaSOą, oraz nieprzereagowanego sorbenta, którym jest np. według polskiego patentu nr 163 166 wapno CaO w postaci zmielonego kamienia wapiennego. Skład chemiczny zasiarczonych popiołów lotnych zaliczanych rodzajowo według BN-79/6722-09 do popiołów wapniowych charakteryzuje się wyższą zawartością tlenku wapnia CaO powyżej 10%, przy zawartości pozostałych podstawowych składników: krzemionki S1O2 powyżej 30%o, tlenku glinu AI2O3 poniżej 30% i zawartości związków siarki w przeliczeniu na SO3 już od 3%.

182 924

Składy mineralogiczne popiołu lotnego otrzymywanego w trakcie suchego odsiarczania spalin kształtują się różnie, i tak w przypadku Elektrowni Opole skład popiołu wyrażony w procentach wagowych wynosi: SiO2 42,7%; AI2O3 21,8%; Fe20^3 7,8%; CaO 16%; MgO 3%; SO3 2,7%; Na20 0,6%; K2O 2,3%; CaO wolne 8,8%; niespalony węgiel 1,5%, a w innej Elektrowni Rybnik skład ten wynosi SiO2 31%; AI2O3 18.2%; FeyOs 6,2%; CaO 26%; MgO 2,6%; a wyznaczona zawartość chemiczna siarki S 2,3% oraz węgla C 2,4%. Oznaczenia temperatur mięknięcia, topnienia i płynięcia wykonane dla popiołu z Elektrowni Rybnik zgodnie z wymogami normy PN-74/G-04535 wynosiły odpowiednio 1240°C, 1250°C i 1290°C, (1513K, 1523K i 1563K).

Popioły lotne zawierające podwyższoną zawartość tlenku wapnia CaO są aktywne hydraulicznie i po zarobieniu wodą wiążą i twardnieją, przez co nadają popiołom własności wiążące, są zaliczane do materiałów samocementujących. Właściwości wiążące tego rodzaju popiołów można wykorzystać m.in. do produkcji kruszyw budowlanych. Ze względu na pogłębiający się deficyt kruszyw mineralnych, szczególnie naturalnych, jako kruszywo do zapraw i betonów stosuje się kruszywo sztuczne wytwarzane z odpadów przemysłowych z zastosowaniem różnych form obróbki termicznej do jego utwardzenia. Właściwości kruszyw otrzymywanych na drodze obróbki termicznej z popiołów lotnych, zależą od technologii ich wytwarzania jak spiekanie, autoklawizowanie, naparzanie. Różnią się one zwłaszcza wytrzymałością na ściskanie. Kruszywa uzyskiwane drogą spiekania mają także różne właściwości zależne od zastosowanego w technologii pieca, np. szybowego lub rusztowego. Przy wytwarzaniu kruszywa metodą spiekania, wymagane są dodatki do surowej mieszanki ułatwiające jej aglomerowanie tj. granulowanie i spiekanie.

Utylizacja pyłów zasiarczonych poprzez spiekanie ich w wysokich temperaturach do tej pory nie jest skutecznie rozwiązana, gdyż zawarta w popiele siarka zostaje ponownie uwolniana i przedostaje się do atmosfery, przez co zanieczyszcza się środowisko.

Znane są jedynie kruszywa sztuczne wytwarzane w wysokich temperaturach, które produkowane są na bazie niezasiarczonych popiołów lotnych i glin pęczniejących.

Próba rozwiązania problemu utylizacji zasiarczonych popiołów lotnych przez obróbkę niskotemperaturową, znana jest z polskiego opisu patentowego nr 173 105. Rozwiązanie to dotyczy sposobu granulowania popiołów lotnych z węgla kamiennego lub brunatnego zawierających wolny tlenek wapnia CaO i/lub siarczan wapnia CaSO.t. Te związki chemiczne są istotnymi produktami powstającymi w instalacjach suchego lub półsuchego odsiarczania spalin. Przy okazji warto nadmienić, że rozwiązania układów instalacji do suchego lub półsuchego odsiarczania spalin są chronione patentami np. patentem nr 163 166. Sucha mieszanka do granulowania według polskiego opisu patentowego nr 173 105 zawiera 75% do 96% wagowo popiołu lotnego i odpowiednio 25% do 4% wagowo spoiwa. Dodawane do popiołu spoiwo stanowić może cement portlandzki, cement hutniczy bądź wapno hydratyzowane lub mieszankę tych spoiw. Uformowane granule obsypuje się suchym proszkiem m.in. popiołem, aby uniemożliwić ich wzajemne sklejanie, a następnie poddaje się je utwardzeniu w temperaturze od 7°C (280 K) do 97°C (370 K) przy wilgotności względnej od 50% do 100%, czyli w warunkach sprzyjających utwardzeniu ale nie dopuszczających do wykropienia się pary wodnej. Czas przebywania w komorze jest uzależniony od rodzaju spoiwa i wynosi od 2 do 24 godzin.

Celem wynalazku jest opracowanie mieszanki złożonej wyłącznie z surowców odpadowych, której głównym składnikiem jest zasiarczony popiół lotny, którą możnaby aglomerować w wysokich temperaturach, korzystnie, w piecu szybowym. Wypalanie węgla z wsadu w piecu szybowym jest szczególnie korzystne gdy przerabiany materiał zawiera znaczące ilości części palnych w składnikach mieszanki, co pozwalałoby eliminować dodatek pyłu węglowego - surowca naturalnego - ze składu mieszanki. Mieszanka ma gwarantować osiąganie przewidywanych i pożądanych właściwości końcowego produktu, zapewniając dużą wydajność procesu i jego opłacalność pod względem energetycznym jak i ekologicznym.

Istota rozwiązania według wynalazku, charakteryzuje się tym, że mieszanka stanowi zestaw produktów odpadowych złożony z zasiarczonego popiołu lotnego w ilości wagowo 70% do 85% o zawartości węgla 1,5 do 3,5%, z odpadu poflotacyjnego węgla kamiennego w ilości 5% do 15% o zawartości węgla 23 do 27%, z żużla paleniskowego w ilości 5% do 10% o za4

182 924 wartości węgla 7 do 10%, oraz topnika odpadowego, korzystnie szlamu pokaustycznego, obniżającego temperaturę topnienia mieszanki w ilości 1 % do 6%, przy czym zestaw tych komponentów tworzy gotowy produkt o konsystencji sypkiej substancji ziarnistej o uziarnieniu mniejszym niż 1,02 mm o wilgotności poniżej 20 %.

Skład granulometryczny żużla stanowi frakcja gruba 0,8 do 1,02 mm oraz frakcja drobna do 0,8 mm, przy czym zawartość frakcji grubej w żużlu wynosi do 30%. Uziarnienie pozostałych składników stanowi frakcja proszkowa do 0,2 mm,

Sumaryczna ilość węgla w mieszance ze wszystkich jej komponentów, w przeliczeniu na czysty pierwiastek C wynosi 4% do 6%.

W zależności od właściwości utylizowanego popiołu, głównie składu chemicznego i temperatury topnienia, tworzy się mieszankę o różnych udziałach poszczególnych komponentów, dobierając tak jej skład, by suma węgla C ze wszystkich składników wynosiła około 5%, celem zabezpieczenia odpowiedniego zapotrzebowania energetycznego w procesie spiekania. Właściwości kruszywa mogą być modyfikowane za pośrednictwem zmieniania proporcji składników w mieszance.

Odpad poflotacyjny węgla kamiennego zawiera znaczne ilości frakcji energetycznych i formacji ilastych. Odpad ten zagospodarowuje się w kierunku odzysku frakcji energetycznych np. według polskich opisów patentowych nr 162 107 i nr 136 695, co wydaje się być zbyt drogim sposobem jego utylizacji. Analiza odpadu przykładowo z kopalni „Pniówek” wykazała zawartość S1O2 38%; AI2O3 21%; Fe203 4,8%, CaO 4,3%, MgO 2, 1 %; SO3 0,2% i straty prażenia 24,4%. Ze względu na skład mineralogiczny i uziamienie, które stanowią najdrobniejsze frakcje skały płonnej i węgla, odpad ten wykazuje własności wiążące glin, stanowiąc lepiszcze mieszanki, jak również stanowi znakomity surowiec palny przydatny podczas spiekania.

Żużel paleniskowy z komory spalania kotła ma skład zbliżony do popiołu lotnego, ma postać gruboziarnistą złożoną z cząstek skoksowanych i szklistych, a także zawiera pewne ilości wolnego tlenku wapnia i niespalonego węgla. Odpad żużlowy przykładowo z Elektrowni Rybnik posiada zawartość części palnych około 8,9%. Żużel stanowi dodatek poprawiający granulację, gdyż grubsze ziarna w mieszance stanowią zarodniki granulek.

Szlam pokaustyczny stanowi osad trudno rozpuszczalnego węglanu wapnia CaCCL w ilości do 75% powstającego w procesie otrzymywania wodorotlenku sodowego, zwanego od tej reakcji sodą kaustyczną, oraz pozostałości mineralnych i organicznych. Składnik ten stanowi topnik obniżający interwał spiekania.

Zaletą wynalazku jest to, że pozwala on utylizować popioły z instalacji suchego lub półsuchego odsiarczania spalin będące uciążliwym szkodliwym odpadem dla środowiska. Użyte komponenty do sporządzenia mieszanki są również odpadem z innych procesów technologicznych, co pozwala wyeliminować surowce naturalne, zwłaszcza gliny, powszechnie stosowane w znanych metodach spiekania popiołów. Bardzo istotną zaletą mieszanki według wynalazku jest to, ze przez odpowiedni dobór jej komponentów obniżona jest temperatura spiekania do temperatury, której interwał zapobiega gwałtownemu uwalnianiu się siarki zawartej w utylizowanych popiołach.

Zawartość węgla w mieszance ogranicza ilość paliwa, a jego samowypalanie pozwala nadać własności porowate spiekanemu kruszywu. Aglomerat stanowić może gotowy produkt w postaci lekkiego kruszywa do betonu, lub w stanie tylko granulowanym może być półfabrykatem popiołu dla cementowni wykorzystującej go jako dodatek doziamiający po przemieleniu. Możliwość zagospodarowania popiołu zasiarczonego w postaci spieczonego aglomeratu w budownictwie i drogownictwie ma tę dodatkową zaletę, że ułatwiony i bezpieczny jest jego transport, przeładunek oraz składowanie, co również stanowiło istotną barierę zastosowań.

Przykład:

Do wytworzenia 100 kg mieszanki dozuje się na transporter taśmowy następujące ilości jej komponentów:

- 77 kg popiołu lotnego zasiarczonego o frakcji proszkowej do 0,2 mm, o zawartości węgla 2,5%, i o wilgotności około 3%,

182 924

- 12 kg odpadu poflotacyjnego węgla kamiennego o frakcji proszkowej do 0,2 mm, o zawartości węgla 23%, i o wilgotności około7%,

-7 kg żużla paleniskowego o składzie granulometrycznym złożonym z 5 kg frakcji sitowej grubej od 0,8 do 1,02 mm oraz 2 kg frakcji sitowej drobnej do 0,8 mm, o sumarycznej zawartości węgla z obu frakcji 8% i wilgotności około 8%,

-4 kg szlamu pokaustycznego o frakcji proszkowej do 0,2 mm i wilgotności około 10%, które przemieszczane są do mieszalnika.

Po dokładnym wymieszaniu mieszanka ma konsystencje sypkiej substancji ziarnistej o uziamieniu mniejszym niż 1,02 mm, o uśrednionej zawartości pierwiastka węgla 4,8% i o wilgotności około 5%.

Otrzymaną mieszankę podaje się z mieszarki na granulator talerzowy. W trakcie procesu granulowania mieszanki dodaje się systematycznie około 4 kg rozpylonej wody. Granulat o średnicy 5 do 20 mm podaje się podsuszaniu, a uzyskane granulki spieka się w piecu szybowym.

Otrzymane kruszywo charakteryzuje się następującymi cechami

- wielkość granul 5-20 mm

- wytrzymałość na ściskanie około 800 N/granulę

- gęstość suchych granul około 1840 kg/m³

- gęstość nasypowa około 720 kg/m³ (granule ok. 8 mm)

- nasiąkliwość wodą około 25%.

Ponadto analiza gazów odlotowych z pieca szybowego potwierdza nieznaczne uwalnianie się siarki, co świadczy o prawidłowym związaniu i uwięzieniu siarki w spieku.

Produkt o takich właściwościach może być wykorzystywany jako lekkie kruszywo sztuczne w budownictwie i drogownictwie.

182 924

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Mieszanka do aglomerowania zasiarczonych popiołów lotnych, zwłaszcza do wytwarzania sztucznego kruszywa w piecu szybowym, znamienna tym, że stanowi ją zestaw produktów odpadowych złożony z zasiarczonego popiołu lotnego w ilości wagowo 70% do 85% o zawartości węgla 1,5 do 3,5%, z odpadu poflotacyjnego węgla kamiennego w ilości 5% do 15% o zawartości węgla 23 do 27%, z żużla paleniskowego w ilości 5% do 10% o zawartości węgla 7 do 10%, oraz topnika odpadowego w ilości 1% do 6%, przy czym zestaw tych komponentów tworzy gotowy produkt o konsystencji sypkiej substancji ziarnistej, o uziarnieniu mniejszym niż 1,02 mm o wilgotności poniżej 20%.
2. 2. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że żużel posiada skład granulometryczny złożony z frakcji grubej 0,8 do 1,02 mm oraz frakcji drobnej do 0,8 mm, przy czym zawartość w żużlu frakcji grubej wynosi do 30%.
3. 3. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że uziamienie popiołu stanowi frakcja proszkowa do 0,2 mm, przy czym wilgotność substancji pylistej wynosi do 10%.
4. 4. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że uziarnienie odpadu poflotacyjnego stanowi frakcja proszkowa do 0,2 mm.
5. 5. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że jako topnik zawiera szlam pokaustyczny, którego uziarnienie stanowi frakcja proszkowa do 0,2 mm.
6. 6. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że sumaryczna ilość węgla, w przeliczeniu na czysty pierwiastek ze wszystkich komponentów mieszanki wynosi 4% do 6%o.