Galos Żródła i użytkowanie ...
Galos Żródła i użytkowanie popiołów lotnych ze spalania węgla w Polsce, Ochrona Środowiska studia, 4 rok ...
[ Pobierz całość w formacie 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
24
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
25
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
k
>40
<30
<10
<4
Glinowy
g
>40
>30
<10
<3
Wapniowy
w
>30
<30
>10
>3
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
26
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
27
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
8,1
6,8
6,6
10,2
6,8
CaO
2,7—3,6
0,1
4,1
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
[ Pobierz całość w formacie PDF ]