Rozdrabnianie, dezintegracja cząstek, mechaniczna aktywacja

Fizyczne metody przetwarzania popiołów stosowane są głównie w celu zmiany charakterystyki uziarnienia lub usunięcia cząstek substancji za-nieczyszczających, czyli przede wszystkim cząstek niespalonego węgla.

Jednym z najbardziej podstawowych sposobów poprawy jakości popio-łów lotnych jest taka zmiana rozkładu cząstek, aby odzyskać drobniej-sze, bardziej kuliste i wysokoaktywne frakcje. Można tego dokonać przez przesiew lub przemiał. Taki sposób uszlachetniania może mieć

szczegól-ne znaczenie dla wykorzystania popiołów fluidalnych, wysokowapnio-wych, popiołów składowanych w warunkach wilgotnych oraz popiołów powstających w procesach współspalania. Cyklony i złoża fluidalne są przykładami technologii wykorzystujących proces odseparowania ma-łych cząstek w oparciu o siły aerodynamiczne. Przemiał jest również pro-stą i znaną operacją technologiczną prowadzącą do zmiany uziarnienia oraz miałkości popiołów fluidalnych. Natomiast rozdrabnianie popiołów powstających ze spalania węgla kamiennego w kotłach konwencjonalnych może prowadzić do wzrostu wodożądności popiołów oraz wyeliminowa-nia korzystnego wpływu kulistego kształtu ziaren popiołu na urabialność zapraw czy betonu z ich udziałem [59].

Celowe wydaje się w tym miejscu przywołanie badań prowadzonych przez Roszczynialskiego. Konwencjonalne popioły krzemionkowe pod-dane mechanicznej aktywacji przez wspólne mielenie z cementem wpły-wają korzystnie na narastanie wytrzymałości w późniejszym okresie.

Natomiast w czasie do 28 dni twardnienia wytrzymałość cementów z po-piołami rozdrobnionymi są niewiele wyższe niż wytrzymałość cementów zawierających rozdrobnione popioły. Zdaniem autora może to świadczyć o korzystnym oddziaływaniu popiołu niemielonego, zachowującego nie-zniszczoną strukturę okrągłych ziaren na reologię zapraw cementowych.

Na rycinie 80 przedstawiono schemat mechanicznej aktywacji konwencjo-nalnych popiołów lotnych krzemionkowych.

szkło reaktywne

faza krystaliczna nieaktywna

Rozdrabnianie. Dezintegracja

rozdrabnianie

Ryc. 80. Schematyczne przedstawienie wpływu mechanicznego rozdrobnienia na kształt ziaren popiołu lotnego konwencjonalnego [61]

Mielenie popiołu krzemionkowego może być zabiegiem korzystnym, jeżeli będzie prowadzone w sposób kontrolowany. Inaczej mówiąc, moż-na parametry pracy młymoż-na i procesu mielenia ustawić w ten sposób, aby otrzymać popiół składający się z rozkruszonych dużych ziaren popioło-wych, jednocześnie przy znacznym udziale drobnych okrągłych ziare-nek.

Doświadczenia związane z rozdrabnianiem popiołów krzemionko-wych pokazały, że proces rozdrobnienia prowadzi najczęściej do uzyska-nia produktu o mniej korzystnych właściwościach. Ponadto, nadmierne rozdrobnienie powoduje zazwyczaj zwiększenie wodożądności popiołu, co nie jest pożądane.

Ź r ó d ł o: Badania własne.

Ryc. 81. Ziarno popiołu wapiennego ze spalania węgla brunatnego wypełnione drobnymi ziarenkami

Popioły lotne mogą niekiedy charakteryzować się znacznym udziałem ziaren zawierających w zeszkliwionej otoczce duże ilości drobniutkich ziarenek (ryc. 81). Rozdrabnianie pomoże wtedy w ich uwolnieniu [60].

Ź r ó d ł o: Badanie własne.

Ryc. 82. Mikroskopowy obraz popiołu konwencjonalnego uszlachetnionego przez domielanie

W odniesieniu do popiołów wapniowych pochodzących ze spala-nia węgla brunatnego rozdrabspala-nianie powoduje rozbicie ziaren grubych i uwolnienie tkwiących w nich drobnych, aktywnych cząstek. Ziarenka te charakteryzują się kulistymi kształtem i dlatego, mimo wzrostu po-wierzchni właściwej i udziału frakcji drobnych, obniża się wodożądność aktywowanego w ten sposób popiołu, zwłaszcza jeżeli procesowi uzdat-niania towarzyszy odseparowanie grubych cząstek niespalonego węgla.

Taki proces waloryzacji może powodować znaczny wzrost aktywności badanych popiołów, co znalazło potwierdzenie w wynikach przeprowa-dzonych eksperymentów.

Wskaźnik aktywności pucolanowej osiągnął wysoki poziom po 28 dniach hydratacji (znacznie ponad 100% w stosunku do wytrzymałości cementu wzorcowego). Wpływ aktywacji polegającej na dodatkowym rozdrobnieniu popiołu jest bardzo znaczący, co przejawia się wzrostem wytrzymałości w stosunku do popiołu niepoddanego procesowi mielenia.

Warte podkreślenia jest, że osiągnięty efekt uzyskano w wyniku prostych operacji technologicznych [60].

cement porównawczy 80

70

50 40 30 20 10

20 40 60 80 100

0 0 60

wytrzymałość ma ściskanie [MPa]

okres dojrzewania [dni]

wytrzymałość zapraw wykonanych z popiołu wapniowego po odsianiu frakcji ≥ 315 µm i dodatkowo zmieleniu w czasie 30 minut

wytrzymałość zapraw wykonanych z popiołu wapniowego po odsianiu frakcji ≥ 315 µm

Ź r ó d ł o: Badania własne.

Ryc. 83. Wpływ zastosowanych sposobów waloryzacji popiołów wapiennych (odseparowanie węgla i rozdrabnianie) na właściwości wytrzymałościowe

zapraw cementowych

Ź r ó d ł o: Badania własne.

Ryc. 84. Wpływ rozdrabniania na strukturę ziaren popiołu wysokowapniowego ze spalania węgla brunatnego: a – przed rozdrabnianiem, b – po rozdrabnianiu

Na rycinie 84 pokazano strukturę popiołu wapniowego ze spalania wę-gla brunatnego uszlachetnionego poprzez separację i rozdrabnianie. Wi-doczne są kuliste ziarna popiołu, które mimo procesu rozdrabniania nie zmieniły swego kształtu.

a b

Dodatkowe rozmielenie popiołów wapniowych w zasadniczy sposób zmieniło ich charakterystykę uziarnienia. Znacznie wzrosła zawartość ziaren drobnych ≤ 10 µm z 4,5 do 40,2%, a udział bardzo drobnych zia-renek o średnicy ≤ 2 µm, które zostały uwolnione ze zlepionych konglo-meratów dużych ziaren, zwiększył się z 0,05 do 12,50% po rozdrobnieniu.

Powierzchnia właściwa popiołu przed rozdrobnieniem wynosiła 64 m²/ kg, po rozdrobnieniu 814 m²/kg [63].

Badania składu ziarnowego wykonane metodą granulometrii lasero-wej pokazują zmianę charakterystyki uziarnienia popiołu po procesie rozdrobnienia. Tak więc mechaniczna aktywacja może być skutecznym sposobem uszlachetnienia również popiołów fluidalnych. Na rycinie 86 przedstawiono schemat aktywacji popiołów lotnych fluidalnych przez ak-tywację mechaniczną – rozdrobnienie.

suma [%] udział [%]

wymiar [µm]

b

Ź r ó d ł o: Badania własne.

Ryc. 85. Charakterystyka uziarnienia popiołów wapniowych

ze spalania węgla brunatnego po odsianiu (a) frakcji węglowych i do-datkowym

rozdrobnieniu (b)

suma [%]

a

udział [%]

wymiar [µm]

faza krystaliczna

konglomeraty ziarenek wapna faza amorficzna

Rozdrabnianie. Dezintegracja

rozdrabnianie

Ryc. 86. Schematyczne przedstawienie wpływu mechanicznego rozdrobnienia na kształt ziaren popiołu fluidalnego [61]

Skład ziarnowy popiołów fluidalnych może być w szerokim zakresie modyfikowany przez ich rozmielanie, co powoduje rozdrobnienie zarów-no nieregularnych, amorficznych form, jak i faz krystalicznych zawartych w popiołach fluidalnych. Rozdrobnieniu ulegają również konglomeraty ziarenek tlenku wapnia i niespalone cząstki węgla.

Najczęściej stosowanym w kraju sposobem aktywacji mechanicznej popiołu fluidalnego jest dezintegracja oparta na metodzie opatentowanej przez Energomar Nord [62].

Rozważając możliwości uaktywnienia popiołu fluidalnego pod kątem wykorzystania go jako dodatku do cementu, bierze się pod uwagę przede wszystkim przemiał popiołów wspólnie z pozostałymi składnikami ce-mentu. Pozwala to nie tylko na ich aktywację, lecz również bardzo do-brą homogenizację z innymi składnikami cementu, a staje się to możliwe dzięki ogromnemu postępowi w zakresie techniki mielenia. Natomiast w przypadku stosowania popiołu fluidalnego w produkcji betonów po-piół ten poddawany jest procesowi aktywacji mechanicznej w oddziel-nych urządzeniach.

Podkreślając korzystny wpływ aktywacji mechanicznej popiołu flu-idalnego, realizowanej poprzez procesy rozdrabniania lub opatentowany i stosowany w ostatnich latach w odniesieniu do popiołu fluidalnego spo-sób polegający na dezintegracji cząstek, należy jednak mieć na uwadze, że inne sposoby waloryzacji, prowadzące do zmiany charakterystyki

uziar-nienia, takie jak: separacja czy selektywny odbiór, mogą mieć większe znaczenie. Wydaje się również, że są to najwłaściwsze sposoby, w szcze-gólności w odniesieniu do popiołów lotnych konwecjonalnych.

Badania składu ziarnowego klasycznego popiołu krzemionkowego od-bieranego selektywnie z poszczególnych sekcji elektrofiltru pokazują, że popiół z różnych sekcji charakteryzuje się odmiennymi właściwościami.

Niektóre z tych cech mogą zaznaczyć się szczególnie korzystnie w prak-tyce [63, 65].

Ź r ó d ł o: Badania własne.

Ryc. 87. Mikropopioły otrzymane przez selektywny odbiór z poszczególnych stref elektrofiltrów