Technologia otrzymywania kruszywa ceramicznego z popiołów po spaleniu węgla w autotermicznym procesie spiekania

• Autorzy: Sokołowski J.

Warianty tytułu

EN

The technology of production of ceramic aggregate from coal ashes in autothermal sinterig process

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca poświęcona jest korzystnemu ekonomicznie zagospodarowaniu ubocznych produktów spalania węgla. Nagromadzone w latach ubiegłych na hałdach, zalegają obecnie w ilości ponad 500 mln Mg. Z szeregu sposobów zagospodarowania popiołów elektrownianych produkcja lekkich kruszyw ceramicznych, szczególnie metodą spiekania w wysokich temperaturach, jest jedną z najbardziej perspektywicznych metod. Kruszywo takie stosowane jest w budownictwie i drogownictwie, pozwalając jednocześnie na ograniczenie degradacji środowiska powodowanej pozyskiwaniem kruszyw naturalnych. Rezultaty badań własnych poprzedzono opisem wdrożonych technologii zagospodarowania popiołów elektrownianych, z analizą możliwości zastosowania produkowanych kruszyw, tak jeśli chodzi o ich właściwości, jak i koszty wytwarzania. Aby produkowane kruszywo znalazło zbyt na rynku, musi być konkurencyjne cenowo w stosunku do kruszyw naturalnych. Jest to możliwe do osiągnięcia tylko wtedy, gdy nitka technologiczna produkcji kruszywa spiekanego będzie stosunkowo prosta, chociażby bez dużej ilości urządzeń ważąco-dozujących, a proces spiekania prowadzony będzie bez dodatku paliwa zewnętrznego, z wykorzystaniem jedynie ciepła spalania węgla zawartego w popiołach. Powstałe w tej sytuacji problemy technologiczne, wynikające z różnej zawartości węgla w popiele, likwidowane muszą być w urządzeniu spiekalniczym poprzez odpowiednią jego konstrukcję i organizację przepływu mediów. Badania prowadzono, pozyskując surowiec z hałdy popiołów w Sowlanach, pochodzącej ze spalania węgla kamiennego w paleniskach pyłowych elektrociepłowni w Białymstoku, na której przez ok. 20 lat gromadzono popioły lotne z elektrofiltrów oraz mieszanki popiołowo-żużlowe z mokrego odprowadzania odpadów paleniskowych. W zależności od miejsca poboru surowiec zawierał od 5,5 do nawet 19% wag. węgla. Badania przeprowadzono w skali półtechnicznej. Najpierw opracowano konstrukcję i zbudowano urządzenia dla dwóch newralgicznych w technologii produkcji kruszyw spiekanych operacji: suszenia oraz wypalania i spiekania granulatów z popiołów elektrownianych. Następnie zaglomerowano kilka porcji popiołów elektrownianych, wysuszono je, wyprodukowano kruszywa i określono ich przydatność użytkową. Pierwszym zaprojektowanym i zbudowanym urządzeniem spiekalniczym był piec szybowy. Spełniał on wszystkie warunki do autotermicznego przeprowadzenia procesu wypalania i spiekania kruszywa, ale spiekanie granulatów o różnej i zasadniczo zmiennej zawartości węgla w popiele okazało się w piecu szybowym bardzo trudne. Zostało zrealizowane dopiero po zbudowaniu pieca o zastrzeżonej konstrukcji, w którym proces wypalania i spiekania prowadzono w strumieniu gazów spalinowych z dodatkiem odpowiedniej ilości powietrza. Mimo tego bieg procesu był bardzo wrażliwy nawet na niewielkie wahania parametrów technologicznych, dlatego trudno było takie rozwiązanie aparaturowe rekomendować jako docelowe urządzenie spiekalnicze w fabryce kruszyw. W dalszym etapie badań analizowano możliwości wykorzystania pieca obrotowego, jako urządzenia stosunkowo odpornego na zmiany parametrów technologicznych w trakcie biegu procesu, do wypalania i spiekania popiołów elektrownianych w autotermicznym procesie. W wyniku analiz biegu procesu i doświadczeń wstępnych uznano, że dobrze zaizolowany, pracujący w układzie współprądowym mediów piec obrotowy, w którym powietrze do szybu pieca podawane będzie w układzie promieniowym, poprzez jego pancerz, a nie wzdłuż osi, przy wysokim, ponad 50% napełnieniu szybu granulatem, uzyska wybrane cechy pieca szybowego, umożliwiające prowadzenie procesu spiekania ziaren kruszywa bez dodatku paliwa zewnętrznego. Taką unikalną konstrukcję pieca zastrzeżono, a następnie zbudowano urządzenie o średnicy 1,5 m i długości 3 m, w którym przy 70% napełnieniu szybu pieca granulatem uzyskano autotermiczny bieg procesu z wydajnością kruszywa 600 kg/h. Kruszywo to oraz betony wyprodukowane na jego bazie spełniły wszystkie normy jakościowe przewidziane dla kruszyw popiołoporytowych. Opracowano także konstrukcję i zbudowano suszarnię taśmową do suszenia świeżo zgranulowanych popiołów, bardzo dobrze nadającą się do suszenia ziaren o małej początkowej wytrzymałości mechanicznej. Wyniki badań były na tyle interesujące, że pojawił się inwestor strategiczny, który pozyskał środki na dalsze badania w skali półtechnicznej i wdrożenie tej technologii do praktyki przemysłowej. Na tym etapie badań zaprojektowano, zbudowano i zastrzeżono konstrukcję półkowej suszarni szybowej do suszenia granulatów o małej wytrzymałości mechanicznej. Nadaje się ona lepiej niż taśmowa do wmontowania w Iinię technologiczną produkcji kruszywa. Zbadano warunki jej pracy, określono wydajność oraz zebrano dane do zaprojektowania jej w skali technicznej. Zmodernizowano piec obrotowy, zmieniając strukturę przestrzenną jego wnętrza. Dołożono jeszcze jeden rząd dysz podających promieniowo powietrze oraz wyposażono piec w nagrzewnicę powietrza podawanego do pierwszego rzędu dysz. Na tak przebudowanym piecu w kolejnych procesach wypalania uzyskano 30% wzrost jego wydajności bez uszczerbku dla jakości uzyskanego kruszywa. Zebrano komplet parametrów procesowych potrzebnych do zaprojektowania pieca przemysłowego o wydajności 50 tys. Mg kruszywa rocznie. Aktualnie trwa budowa fabryki kruszywa zlokalizowanej przy hałdzie popiołów w Sowlanach k. Białegostoku.

EN

The dissertation concerns economically beneficial utilisation of coal combustion by-products. Over the past years they have been gathered in landfills and by now the total amount is estimated to be over 500 billion tonnes. Among plenty of methods of utilization of power plant ash, the most prospective one is production of lightweight ceramic aggregate especially by means of sintering in high temperature. The aggregate can be used in building or road construction, which at the same time limits the degradation of the environment caused by mining of natural aggregate. The results of the research precede the description of applied technologies of utilization of power plant ash and the analysis of the possible application of aggregate concerning both the properties of aggregate and the cost of its production. The produced aggregate will be marketable if it is competitive in price in comparison with natural aggregate. This is possible to achieve provided that the production line is considerably simple, for example without weighing machines and feeders and the sintering process is carried out without external fuel but using the heat of combustion of coal present in ash. Technological problems that may occur due to varying content of coal must be solved through adequate construction of sintering apparatus and proper organization of flow of carriers. The raw material was brought from landfills in Sowlany. The power plant ash was produced during combustion of hard coal in pulverized fuel-fired furnace in the heat and power station in Bialystok. Fly ash and dust-slag compounds had been collected for over 20 years and depending on the place, the content of coal is 5.5-19% by weight. The research was carried out on a semi-commercial scale. Two most crucial processes in the technology of production of sintered aggregate are drying and sintering and primarily because of that the apparatus for these operations was constructed and built. Afterwards, a few portions of power plant ash were agglomerated, then dried and sintered. The produced aggregate was tested in terms of its functional quality. The shaft furnace was the first designed and built apparatus for sintering. It served the purpose of autothermal sintering but unfortunately sintering of granules of varying content of coal turned out to be very difficult and it was accomplished after building the furnace of reserved construction. In this. furnace the sintering was carried out in the atmosphere of combustion gases and a proper amount of air. Nevertheless, the process was very susceptible even to slight fluctuations of technological parameters, therefore it was difficult to recommend this construction as a target solution for the sintering apparatus. In further research the possibilities of using a rotary furnace as apparatus which is considerably resistant to changes of technological parameters during the autothermal process of sintering were analyzed. The performance of the process was analyzed and preliminary experiments were carried out. As a result of that, the conditions of the process of sintering without external fuel were determined. The conditions were as follows: performance of the furnace in the streamwise system of media, radial delivery of the air, good external thermal isolation of the furnace, 50% filling of the furnace. Such unique construction of the furnace was patented and the apparatus of the diameter of 1.5 meter and 3 meter was built. When the furnace was filled with granules up to 70% the autothermal process was obtained and the efficiency reached 600 kg per hour. The aggregate and the concrete made from it were tested and they fulfilled all quality standards for lightweight aggregate. A belt dryer for agglomerated granules was also constructed and then built. It was especially useful for drying granules of initially low mechanical strength. The results were interesting enough to attract an investor who found financial support for further research carried out on a semi-commercial scale and for final commercialization. At this stage, a shelf dryer for granules of low mechanical strength was designed, built and patented. It is much more simple to place this dryer in a production line than a belt dryer. The conditions of its running and its efficiency were determined. Collected data were used to design the dryer on a commercial scale. The rotary furnace was modernized by changing its internal construction. Another row of nozzles was added. The furnace was also equipped with a heater of air which is blown into the first row of nozzles. After such rebuilding of the furnace it was possible to obtain efficiency increased by 30% without any damage to the quality of the produced aggregate during subsequent processes. The data on technological parameters were collected to design the furnace with the efficiency of 50 thousand tonnes of aggregate annually. The aggregate factory localized near the landfill of ash in Sowlany, Bialystok, is currently under construction.

Słowa kluczowe

PL

popioły elektrowniane; spiekanie autotermiczne; kruszywo ceramiczne

EN

power plant ashes; autothermal sintering; ceramic aggregate

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Chemia
• Rocznik: 2012
• Tom: z. 81
• Strony: 3--108
• Opis fizyczny: Bibliogr. 54 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Sokołowski J.

• Wydział Chemiczny PW, Zakład Technologii Nieorganicznej i Ceramiki

Bibliografia

• [1] Rocznik statystyczny GUS 2009
• [2] Praca zbiorowa pod redakcją. P. Wyszomirskiego, Polskie Towarzystwo Mineralogiczne - Prace Specjalne, Zeszyt 13, Kraków 1999
• [3] A. Jarrige, Use of ash and cement and concrete manufacture, [w:] Materiały II Sesji Grupy Ekspertów ds. Wykorzystania Popiołów Lotnych w ramach Europejskiej Komisji Ekonomicznej ONZ, Praga 1969
• [4] BN-79/6722-09, Popioły lotne i żużle z kotłów opalanych węglem kamiennym i brunatnym
• [5] ASTM C618, Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete
• [6] PN-EN 450-1+A1:2009, Popiół lotny do betonu. Część 1: Definicje, specyfikacje i kryteria zgodności
• [7] K. Galos, A. Uliasz-Bocheńczyk, Źródła i użytkowanie popiołów lotnych ze spalania węgli w Polsce, Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 1/21,2005
• [8] Praca zbiorowa pod redakcją R. Neya, Surowce mineralne Polski. Mineralne surowce odpadowe, Wyd. Instytutu GSMiE PAN, Krakow 2009
• [9] E. Osiecka, Materiały budowlane. Spoiwa mineralne i kruszywa, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2005
• [10] E. Osiecka, Wybrane zagadnienia z technologii mineralnych kompozytów budowlanych, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2000
• [11] J. Mojsiejenko, R. Weppo, Sztuczne kruszywa lekkie z odpadów przemysłowych, COIB, Warszawa 1975
• [12] J. Kołakowski, K. Tyszka, Właściwości popiołów lotnych z węgla kamiennego i brunatnego. Praca zbiorowa: Popioły lotne, ITB, Warszawa 1965
• [13] W. Kowalenko, J. Mojsiejenko, W. Roszak, Sztuczne kruszywa lekkie - produkcja i zastosowanie, Arkady, Warszawa 1972
• [14] Prospekt firmy Aerdelite
• [15] Pat. pol. 166419
• [16] Pat. pol. 179309
• [17] J. Sokołowski, Produkcja lekkich kruszyw budowlanych z popiołów lotnych ze spalania węgla - ekologiczna metoda zagospodarowania odpadów. Część 1- wytwarzanie kruszyw utwardzanych hydrotermicznie, Przem. Chem., 84/2, 110-113, 2005
• [18] ACI 213R-87; Guide for Structural Lightweight Aggregate Concrete
• [19] E. Kon, Wykonanie i stosowanie betonu lekkiego z kruszyw Pollytag, ITB, Warszawa 1995
• [20] Boral-Lytag, Lytag structural concrete. Guidelines on the properties, design and specification of Lytag structural lightweight concrete (bez roku wydania; po 1988 r.)
• [21] A.S. Pearson, F. Asce, Civil Eng. New York 1967
• [22] Pat. USA 1127029
• [23] B. Lewicki i in., Betony lekkie, t. IV, Budownictwo Betonowe, Arkady, Warszawa 1967
• [24] Lytag faktory Northfleet, Team Spilit, nr 201, 1963
• [25] Prospekt firmowy Pollytag S.A.
• [26] Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, prace niepublikowane
• [27] http//www.igo.katowice.pl/bazy/techkraj/th2072.html
• [28] L. Cajzer, Sztuczne lekkie kruszywo z popiołów lotnych spiekanych w piecu szybowym, Biul. Tech. Zjednoczenia Przemysłu Kruszyw i Surowców Mineralnych, Warszawa 1961
• [29] S. Marcinkowski, Metoda otrzymywania sztucznych lekkich kruszyw z popiołów lotnych przy zastosowaniu pieców szybowych, BiuI. Tech. Zjednoczenia Przemysłu Kruszyw i Surowców Mineralnych, Warszawa 1961
• [30] M. Nabożny i in., Metallurgy and Foundry Eng., 22, 325, 1996
• [31] Zgł. pat. pol. W 102549 (1995)
• [32] Zgł. pat. pol. P-311501 (1995)
• [33] Zgł. pat. pol. P-318077 (1997)
• [34] M. Nabożny i in., Metallurgy and Foundry Eng., 23, 475, 1997
• [35] K. Borowicz, Rzeczpospolita, nr 225 (5998), 26.09.2001
• [36] Zgł. pat. pol. P-321549 (1997)
• [37] Zgł. pat. pol. P-321720 (1997)
• [38] Sprawozdanie z pracy badawczej dla ZUT "Unimasz" S.C., Zakład Innowacyjno-Wdrożeniowy "Novtech" s. c., lipiec 1999
• [39] Zgł. pat. pol. P-322154 (1998)
• [40] GIG Katowice, Problem 01.3, prace niepublikowane
• [41] http://www.igo.katowice.pl/
• [42] Pat. NL 0168532 (1984)
• [43] Pat. USA 9200303 (1991)
• [44] Pat. USA 0022857 (1991)
• [45] Pat. RP nr 197301 (2008)
• [46] Pat. RP nr 196842 (2008)
• [47] J. Sokołowski, K. Łuczaj, Technologia otrzymywania lekkiego kruszywa budowlanego z surowców odpadowych metodą wysokotemperaturowego spiekania, Przem. Chem. 82/8-9, 1168-1170, 2003
• [48] Ł. Bytniewski, Badania nad wykorzystaniem pieca obrotowego pracującego w układzie współprądowym do otrzymywania granulatu ceramicznego z popiołów elektrownianych i lepiszcza mineralnego, (praca dyplomowa) PW, Wydział Chemiczny, 2006
• [49] Zgł. pat. pol. P-393175 (2010)
• [50] Sprawozdanie z pracy badawczej dla ZUT "Unimasz" Sp. z o.o., Wydział Chemiczny PW, ZTNiC, kwiecień 2001
• [51] J. Sokołowski, Produkcja lekkich kruszyw budowlanych z popiołów lotnych ze spalania węgla - ekologiczna metoda zagospodarowania odpadów. Część II - kruszywa spiekane, Przem. Chem., 84/3, 192-196, 2005
• [52] Katedra Inżynierii Materiałów Budowlanych, Wydział Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej, Sprawozdanie z badań cech fizykomechanicznych kruszywa LSA, 2008
• [53] LSA Sp. z o.o. Sprawozdanie z wykonania badań przemysłowych, Zadanie 2, Badanie procesu suszenia w skali półtechnicznej. Określenie założeń technicznych do budowy i pracy suszarni w skali technicznej, 2011
• [54] Zakład Technologii Nieorganicznej i Ceramiki, Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej, Sprawozdanie z wykonania prac rozwojowych, Badanie procesu spiekania popiołów elektrownianych i założenie procesowe do wdrożenia technologii wytwarzania lekkiego kruszywa popiołoporytowego, 2011