popioły lotne.pdf

GOSPODARKA SUROWCAMI MINERALNYMI

Tom 21

2005

Zeszyt 1

KRZYSZTOF GALOS*, ALICJA ULIASZ-BOCHEÑCZYK*

ród³a i u¿ytkowanie popio³ów lotnych ze spalania wêgli w Polsce

S³owa kluczowe

Popio³y lotne, poda¿, materia³y budowlane, podsadzka

Streszczenie

W pracy zosta³y przedstawione Ÿród³a popio³ów lotnych ze spalania wêgli w Polsce, jak równie¿ g³ówne

kierunki ich wykorzystania. Zaprezentowano charakterystykê jakoœciow¹ popio³ów lotnych, szczegó³owej ana-

lizie poddaj¹c wielkoœæ i strukturê ich wytwarzania w kraju. Omówiono podstawowe trendy w gospodarowaniu

popio³ami lotnymi na œwiecie oraz — w tym kontekœcie — przedstawiono kierunki ich u¿ytkowania w Polsce.

Najwa¿niejsze kierunki wykorzystania tych popio³ów poddano szczegó³owej analizie zarówno pod wzglêdem

iloœci u¿ytkowanych popio³ów, jak i wymagañ jakoœciowych wzglêdem nich stawianych przez te bran¿e.

W koñcowej czêœci przedstawiono perspektywy dalszego rozwoju u¿ytkowania tych materia³ów w warunkach

polskich.

Wprowadzenie

W procesach wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej w wyniku spalania wêgli powstaj¹

ró¿norodne odpady energetyczne, takie jak: popio³y lotne, ¿u¿le, mieszaniny popio³o-

wo-¿u¿lowe, mikrosfery, popio³y z kot³ów fluidalnych, gips z odsiarczania spalin metod¹

mokr¹ wapienn¹, odpady z odsiarczania spalin metodami pó³suchymi i suchymi itp. Odpady te

przez dziesi¹tki lat stanowi³y powa¿ny problem œrodowiskowy, bowiem stopieñ ich gospo-

darczego wykorzystania by³ niezadowalaj¹cy, a znaczna ich czêœæ by³a lokowana na sk³a-

* Dr in¿., Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ PAN, Kraków.

Recenzowa³ prof. dr hab. in¿. Eugeniusz Mokrzycki

dowiskach. W okresie ostatnich 10—15 lat nast¹pi³ w Polsce znaczny wzrost u¿ytkowania tych

odpadów. Równolegle krajowa energetyka próbowa³a zmieniæ wizerunek tych materia³ów

poprzez stosowanie w odniesieniu do nich terminu uboczne produkty spalania UPS.

Jednym z najwa¿niejszych odpadów energetycznych s¹ popio³y lotne ze spalania wêgli

w paleniskach energetycznych, wychwytywane po procesie spalenia wêgla metod¹ elek-

trostatyczn¹ lub mechaniczn¹. Od lat podejmowane s¹ próby wielokierunkowego zasto-

sowania gospodarczego tych odpadów, przy czym jednym z g³ównych ich u¿ytkowników

jest przemys³ materia³ów budowlanych. Zjawisko rosn¹cego wykorzystania popio³ów lot-

nych ma miejsce tak¿e i w Polsce, szczególnie w ostatnich latach. Ze wzglêdu na stosunkowo

niski udzia³ czystych popio³ów lotnych w strukturze otrzymywanych odpadów energetycz-

nych w Polsce, stopieñ ich gospodarczego wykorzystania w kraju jest wyj¹tkowo wysoki

(96%), znacznie wy¿szy ni¿ np. w krajach Europy Zachodniej czy w Stanach Zjednoczonych

Ameryki. Niepoœledni¹ rolê w tym zakresie odgrywa przemys³ materia³ów budowlanych,

u¿ytkuj¹cy obecnie ponad 55% wytwarzanych popio³ów lotnych. W tym œwietle popio³y

lotne ze spalania wêgli, szczególnie wêgli kamiennych, jawi¹ siê w warunkach polskich

jako pe³nowartoœciowy surowiec mineralny dla przemys³u materia³ów budowlanych, choæ

warunkowane jest to spe³nieniem przez popio³y pochodz¹ce od poszczególnych dostawców

wymagañ w zakresie parametrów jakoœciowych surowców stosowanych do produkcji posz-

czególnych materia³ów budowlanych (klinkier cementowy i cement, beton — w tym

komórkowy, kruszywa lekkie, ceramika budowlana).

W pracy podjêto próbê kompleksowej charakterystyki zarówno Ÿróde³ i jakoœci popio³ów

lotnych generowanych w polskich elektrowniach i elektrociep³owniach wêglowych, jak te¿

kierunków ich gospodarczego wykorzystania. Szczególn¹ uwagê poœwiêcono ich stoso-

waniu w przemyœle materia³ów budowlanych oraz do podsadzania wyrobisk podziemnych,

s¹ to bowiem — i zapewne pozostan¹ — g³ówne kierunki gospodarczego wykorzystania tych

materia³ów.

1. Charakterystyka jakoœciowa popio³ów lotnych ze spalania wêgli

Rozwój technik spalania wêgla w paleniskach energetycznych oraz wymogi ochrony

œrodowiska wp³ywaj¹ na rodzaj, iloœæ i jakoœæ sta³ych odpadów spalania wêgla i odsiarczania

spalin, czêsto ogólnie okreœlanych terminem odpadów paleniskowych (energetycznych,

elektrownianych). Do produktów spalania wêgla, powstaj¹cych w rezultacie obecnoœci

w wêglu substancji niepalnych, zalicza siê ¿u¿le i popio³y lotne ró¿nych odmian i granulacji.

Ich szczegó³ow¹ klasyfikacjê i terminologiê uwzglêdniaj¹c¹ rodzaj stosowanego wêgla

i warunki jego spalania, precyzuje stara norma bran¿owa BN-79/6722-09 „Popio³y lotne

i ¿u¿le z kot³ów opalanych wêglem kamiennym i brunatnym. Podzia³, nazwy i okreœlenia”.

Norma ta nie obejmuje jednak produktów otrzymywanych w nowych rodzajach kot³ów

energetycznych, np. w kot³ach fluidalnych. Poza produktami spalania wêgla, do odpadów

energetycznych zalicza siê tak¿e produkty odsiarczania spalin, których iloœæ, rodzaj i jakoœæ

zale¿¹ od stosowanej technologii odsiarczania (Hycnar 2002). Odpadami bêd¹cymi na

pograniczu tych dwóch rodzajów odpadów energetycznych s¹ popio³y lotne ze wspo-

mnianych ju¿ kot³ów fluidalnych, zawieraj¹ce poza sta³ymi odpadami ze spalania wêgla

tak¿e produkty odsiarczania spalin (Gawlicki, Roszczynialski 2000).

Popio³y lotne ze spalania wêgli otrzymywane s¹ w wyniku spalania wêgli kamiennych

czy brunatnych w paleniskach konwencjonalnych. S¹ one zawarte w powsta³ej po spaleniu

wêgla mieszaninie py³owo-gazowej, z której frakcja py³owa (a wiêc w³aœnie popió³ lotny)

jest wytr¹cana g³ównie elektrostatycznie (w elektrofiltrach), niekiedy mechanicznie (np.

filtry tkaninowe). Niestety, w warunkach polskich popio³y lotne w du¿ej czêœci s¹ odpro-

wadzane hydraulicznie wraz z powstaj¹cymi tak¿e w trakcie spalania ¿u¿lami spod kot³ów

energetycznych, tworz¹c mieszaniny popio³owo-¿u¿lowe. Zgromadzone na sk³adowiskach

mieszaniny popio³owo-¿u¿lowe, poza faktem zmieszania ró¿nych frakcji materia³ów i wy-

nikaj¹cego z tego du¿ego zró¿nicowania pod wzglêdem sk³adu ziarnowego, posiadaj¹ tak¿e

odmienne w³aœciwoœci w stosunku do popio³ów lotnych z bie¿¹cej produkcji. S¹ one bowiem

zazwyczaj dezaktywowane i nie wykazuj¹ du¿ej aktywnoœci pucolanowej (Hycnar 2002).

Popio³y lotne maj¹ zró¿nicowany sk³ad chemiczny. Z wêgla kamiennego z regu³y uzyskuje

siê popio³y zasobne w SiO 2 iAl 2 O 3 (rodzaj kig wg normy BN-79/6722-09 — tab.1),

a z wêgla brunatnego na ogó³ bogatsze w CaO (rodzaj w , tab. 1). Sk³ad chemiczny popio³u

uzyskiwanego w danej elektrowni czy elektrociep³owni jest bezpoœredni¹ pochodn¹ jakoœci

u¿ytkowanego przez zak³ad wêgla.

TABELA 1

Rodzaje popio³ów lotnych ze spalania wêgli (wg normy BN-79/6722-09)

TABLE 1

Types of fly ashes from coal combustion (acc. to standard BN-79/6722-09)

Rodzaj popio³u

Symbol

SiO 2 [%]

Al 2 O 3 [%]

CaO [%]

SO 3 [%]

Krzemianowy

>40

<30

<10

Glinowy

>40

>30

<10

Wapniowy

>30

<30

>10

m <30%), popió³ œredni (30—50%), popió³ gruby (>50%). Cz¹stki popio³ów s¹

najczêœciej kuliste o œrednicy zwykle w przedziale 1—100 µm.

Sk³ad fazowy popio³ów jest bardzo zró¿nicowany nawet w obrêbie poszczególnych

ziaren. Podstawowym sk³adnikiem popio³ów jest szk³o, którego zawartoœæ przekracza nawet

80%. Szk³o w popio³ach lotnych jest zbli¿one do szk³a krzemionkowego, a tak¿e krzemiano-

wo-glinowego przypominaj¹cego szk³o ¿u¿lowe (Kurdowski 1990). W sk³adzie chemicz-

nym fazy szklistej istotne znaczenie maj¹ poza SiO 2 iAl 2 O 3 tak¿e wapñ, magnez, niewielkie

iloœci ¿elaza, alkalia i siarka. Wœród faz krystalicznych wystêpuj¹: kwarc, mullit, magnetyt,

W zale¿noœci od wielkoœci ziaren wyró¿nia siê sortymenty: popió³ drobny (pozosta³oœæ

na sicie 63

hematyt, spinele Al-Mg, wûstyt, pirotyn (Kurdowski 1990; Bolewski i in. 1991, Ratajczak

i in. 1999). Sk³adnikami szkodliwymi s¹ niespalony wêgiel i zwi¹zki siarki, których iloœæ

zmniejsza siê wraz ze wzrostem temperatury spalania. Niektóre popio³y ze spalania wêgla

kamiennego mog¹ zawieraæ pierwiastki promieniotwórcze w iloœciach przekraczaj¹cych

graniczne wartoœci dla materia³ów budowlanych. Mo¿liwoœci zastosowania popio³u lotnego

z wêgla kamiennego zale¿¹ tak¿e w du¿ym stopniu od jego fizycznych w³aœciwoœci. Szcze-

gólnie istotna jest du¿a powierzchnia w³aœciwa, rzêdu 2000—3000, a niekiedy nawet do

6000 m 2 /kg, przez co materia³ ten charakteryzuje siê dobr¹ aktywnoœci¹ pucolanow¹ (nie-

kiedy s¹ one nazywane sztuczn¹ pucolan¹). Reasumuj¹c, o dobrej jakoœci popio³ów decyduj¹

przede wszystkim: ma³a zawartoœæ wêgla, wysoka zawartoœæ fazy szklistej, niska zawartoœæ

alkaliów oraz wysoka powierzchnia w³aœciwa (Kurdowski 1990).

W³aœciwoœci pucolanowe s¹ szczególnie istotne w takich kierunkach zastosowañ, jak

produkcja cementów, betonów czy spoiw niskocementowych. Z kolei w produkcji wyrobów

ceramiki budowlanej dodawanie popio³ów ma na celu przede wszystkim schudzenie masy

ceramicznej. Nale¿y tu jednak zastrzec, ¿e o ile wiêkszoœæ otrzymywanych w formie suchej

(z bie¿¹cej produkcji) popio³ów lotnych znajduje zastosowanie do licznych wymienionych

wy¿ej zastosowañ, to popió³ lotny z ka¿dego zak³adu wykazuje odmienn¹ charakterystykê

jakoœciow¹ i jego stosowanie w poszczególnych kierunkach powinno byæ skorelowane z jego

parametrami jakoœciowymi.

Popio³y lotne otrzymywane w polskich elektrowniach maj¹ zró¿nicowany sk³ad che-

miczny. W elektrowniach u¿ytkuj¹cych wêgiel kamienny uzyskiwane s¹ z regu³y popio³y

zasobne w SiO 2 iAl 2 O 3 (rodzaj k ). Popio³y otrzymywane ze spalania wêgli brunatnych

z rejonów Be³chatowa, Adamowa i Konina wykazuj¹c du¿¹ zawartoœæ CaO (nawet powy¿ej

30% dla wêgli koniñskich) i SO 3 odpowiadaj¹ rodzajowi w (wapniowemu). Jedynie popio³y

powsta³e ze spalania wêgla brunatnego ze z³o¿a Turów reprezentuj¹ rodzaj g (glinowy),

wykazuj¹c przy tym wysok¹ zawartoœæ Fe 2 O 3 (tab. 2). W³aœciwoœci pucolanowe wykazuj¹

g³ównie popio³y rodzaju k , co stwarza najwiêksze mo¿liwoœci ich wykorzystania w za-

stosowaniach gospodarczych. Z kolei popio³y turoszowskie, reprezentuj¹ce rodzaj g ,s¹

dobrym surowcem do produkcji wyrobów ceramiki budowlanej i klinkierowych. Najni¿sz¹

przydatnoœæ wykazuj¹ popio³y lotne rodzaju w , cechuj¹ce siê du¿¹ zmiennoœci¹ sk³adu

chemicznego, ale ich wytwarzanie w Polsce jest obecnie bardzo ograniczone (w elek-

trowniach P¹tnów-Adamów-Konin i Be³chatów otrzymuje siê g³ównie mieszanki popio-

³owo-¿u¿lowe). Zdecydowana wiêkszoœæ otrzymywanych obecnie popio³ów lotnych w Pol-

sce to popio³y rodzaju krzemianowego k , wytwarzane w elektrowniach, gdzie spalane s¹

wêgle kamienne i wykorzystywane gospodarczo niemal w 100%.

2. Krajowe Ÿród³a popio³ów lotnych ze spalania wêgli

Polski przemys³ energetyczny, zarówno energetyka zawodowa, jak i przemys³owa, trady-

cyjnie u¿ytkuje jako g³ówne paliwa wêgle kamienne i brunatne, co wynika z posiadanej

TABELA 2

Sk³ad chemiczny wybranych popio³ów lotnych z elektrowni krajowych spalaj¹cych wêgiel kamienny

i brunatny

TABLE 2

Chemical composition of selected fly ashes from domestic power plants based on hard and brown coal

Elektrownie bazuj¹ce na wêglu kamiennym

Elektrownie bazuj¹ce na wêglu

brunatnym

Sk³adnik

Dolna

Odra

£aziska Opole Rybnik Siekierki Wroc³aw Be³chatów

P¹tnów

Turów

SiO 2

51—55

54,6

52,3

49,6

52,3

51,0

41,0

38,5

51,0

Al 2 O 3

25—29

24,4

28,5

26,4

25,0

24,0

19,2

4,0

33,0

Fe 2 O 3 6,7—7,4

7,7

6,4

8,1

6,8

6,6

10,2

6,8

CaO

2,7—3,6

0,1

4,1

3,4

0,3

23,4

32,6

1,5

SO 3

0,3—0,6

0,2

0,4

—

1,0

0,5

2,1

7,2

0,5

Strata

pra¿enia

<5,0

2,8

—

5,9

2,6

2,2

2,9

0,4

2,2

ród³o: VKN Polska, KE Dolna Odra, Puszkariowa i in. 2002, B¹k i in. 2001, Garbacik i in. 2001, Ratajczak

i in. 1999, Peukert 1986.

bogatej bazy zasobowej tych paliw kopalnych. A¿ 55% wytwarzanej energii elektrycznej

pochodzi z elektrowni u¿ytkuj¹cych wêgiel kamienny, a dalsze 38% z elektrowni u¿ytku-

j¹cych wêgiel brunatny (Gospodarka paliwowo-energetyczna 2003). Do generowania ener-

gii elektrycznej i cieplnej jest obecnie zu¿ywane w Polsce 50—52 mln t/r. wêgli kamiennych

energetycznych oraz 57—59 mln Mg/r. wêgli brunatnych (Bilans gospodarki... 2004).

Wobec wystêpowania w u¿ytkowanych wêglach znacz¹cych iloœci substancji niepalnych

(11—17% w wêglach kamiennych i 3—11% w wêglach brunatnych), procesom spalania

wêgli towarzyszy powstawanie produktów odpadowych (odpadów energetycznych). Iloœæ

powstaj¹cych odpadów energetycznych w Polsce jest bardzo znacz¹ca i przez lata prze-

kracza³a poziom 20 mln Mg/r. W ostatnim czasie uleg³a ona pewnemu ograniczeniu, co

wi¹za³o siê ze zmniejszeniem produkcji energii elektrycznej w kraju oraz — w przypadku

wêgli kamiennych — pewn¹ popraw¹ jakoœci stosowanego paliwa.

Odpady energetyczne by³y przez lata traktowane jako k³opotliwe odpady produkcyjne,

do sk³adowania których trzeba przeznaczaæ znaczne obszary, a tak¿e ponosiæ wysokie op³aty

zwi¹zane z ich sk³adowaniem. Wystarczy wspomnieæ, ¿e jeszcze w latach osiemdziesi¹tych

stopieñ ich wykorzystania gospodarczego w Polsce siêga³ zaledwie 30%. Obecnie prze-

kroczy³ on ju¿ 70% (73% w 2003 r.), przy czym jest bardzo zró¿nicowany dla ró¿nych grup

odpadów: poni¿ej 50% dla mieszanin popio³owo-¿u¿lowych, 67% dla popio³ów z kot³ów

fluidalnych, 88% dla ¿u¿li, 96% dla popio³ów lotnych (tab. 3), 100% dla mikrosfer i gipsu

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: