Wpływ procesu separacji powietrznej na parametry użytkowe popiołu lotnego

Badania właściwości użytkowych uzyskanych frakcji popiołowych, zgodnie z normą N1, polegały na porównaniu parametrów zapraw normowych wykonanych z czystego cementu z zaprawami wykonanymi z cementu z dodatkiem 25% popiołu lotnego. Materiałem odniesienia był cement portlandzki CEM I 42,5R. Wartości poszczególnych parametrów, zaprezentowano jako wartości procentowe, gdzie 100% to charakterystyka zastosowanego cementu portlandzkiego.

W przeprowadzonej analizie wyników badań laboratoryjnych frakcji popiołowych, skupiono się przede wszystkim na odniesieniu zmierzonych wielkości do różnic w miałkości i LOI poszczególnych materiałów. Dane literaturowe wskazują, że po spełnieniu podstawowych wymagań jakościowych, to właśnie miałkość popiołu lotnego, a nie jego skład chemiczny w największym stopniu wpływa na wytrzymałość uzyskiwanego betonu (Kiattikomol et al., 2001).

Analizę wpływu procesu separacji powietrznej na właściwości użytkowe uzyskanych materiałów, rozpoczęto od porównania ich wskaźników aktywności pucolanowej po 28 (K28) oraz 90 dniach (K90). Aktywność pucolanowa przejawia się w ilości i szybkości wiązania Ca(OH)2 przez aktywne składniki popiołu lotnego oraz we wpływie, jaki wywiera na wytrzymałość uzyskiwanego betonu.

Wskaźniki te opisują zatem proces wiązania i twardnienia mieszanki popiołowej. W oparciu o wykonane analizy laboratoryjne miałkości, LOI oraz zawartości tlenków kwasowych spodziewano się, następujących zależności (Giergiczny et al., 2016):

[K28 Nadawy ≈ K28 F3] < [K28 F1 ≈ K28 C2] << [K28 F2]

Zestawienie wartości K28 oraz K90 w odniesieniu do LOI, zmierzonych dla pozyskanych frakcji popiołowych, zawiera Figura 53. Każdy punkt na wykresie odpowiada jednej próbce popiołu.

W oparciu o przedstawione dane (Fig. 53), popioły frakcji F2 zdecydowanie odstają od pozostałych materiałów pod kątem właściwości pucolanowych. Charakteryzują się one bardzo wysokimi wartościami aktywności pucolanowej K28 oraz K90 w porównaniu do nadawy oraz frakcji F1. Jest to spójne z założeniami testów oraz danymi literaturowymi (Jones et al., 2006), intensywność zaobserwowanego zjawiska była jednak wyższa niż przewidywano. Przyczyn tak wyraźnej zmiany aktywności frakcji F2 szukać należy w synergii zjawisk występujących na skutek procesu separacji.

Niewielki rozmiar ziaren frakcji ułatwia przebieg reakcji pucolanowej ze względu na znaczną powierzchnię właściwą materiału. Zmierzone wartości SBET materiału ultradrobnego są dwu lub niemal trzykrotnie wyższe, niż w przypadku popiołu kategorii S (frakcje: F1, C2, F3). Dodatkowo w oparciu o dane zebrane w Tabeli 27, w materiale ultradrobnym, następuje wzrost udziału procentowego składników takich jak tlenki kwasowe krzemu i glinu, w tym udział reaktywnego SiO2

stanowiącego właściwą substancję reagującą z Ca(OH)2 w procesach twardnienia. Wyraźny jest

również spadek zawartości tlenku żelaza, co zgodnie z danymi literaturowymi może ułatwiać przebieg reakcji w mieszance betonowej (Tab. 4).

a)

b)

Fig. 53. Zależność pomiędzy a) K28 b) K90 oraz LOI wydzielonych frakcji.

Dla pozyskanych próbek popiołu lotnego kategorii S (materiały F1 oraz C1, obserwowany jest zdecydowanie szybszy wzrost wytrzymałości mieszanek wykonanych z ich dodatkiem w porównaniu do surowej nadawy (Fig. 53, a). Przejawia się to podwyższoną wartością wskaźnika K28. Materiały frakcji F3, o miałkości zbliżonej do nadawy oraz nieznacznie niższym LOI, charakteryzują się porównywalnym wskaźnikiem K28 oraz pogorszonym wskaźnikiem K90 względem nadawy. Pod kątem wytrzymałości, mieszanki uzyskiwane z jego udziałem, w dalszym ciągu spełniają jednak wymagania normy (Tab. 4). Różnicowanie aktywności pucolanowej między frakcjami N/F1/C2/F3 jest

zatem wyraźnie widoczne w początkowej fazie twardnienia mieszanki (wskaźnik K28). Wraz z upływem czasu różnice te zacierają się i materiały wykazują podobną wartość parametru K90.

Wzrost aktywności pucolanowej w materiale ultradrobnym zaobserwowano niezależnie od zmierzonych wartości strat prażenia (Fig. 53). Niektóre próbki frakcji F2, o LOI wynoszącym 6%, charakteryzują się wskaźnikiem K90 niższym niż dla materiału o LOI przekraczającym 9%. Stoi to w opozycji do danych literaturowych (Golewski, 2015), zgodnie z którymi wzrost LOI powoduje obniżenie aktywność pucolanowej. Uzyskane wyniki badań wskazują, że w przypadku tak drobnego materiału jak popiół F2, nie zawsze obserwowane będą zależności zidentyfikowane dla popiołów kategorii N oraz S. W uzyskanym materiale ultradrobnym, pozostałe czynniki wpływające na jego właściwości, sprawiają że zawartość LOI nie jest czynnikiem limitującym czy też decydującym o aktywności pucolanowej. Można przypuszczać, iż po usunięciu niespalonego węgla z frakcji ultradrobnej, jej parametry użytkowe mogą ulec dalszemu polepszeniu, weryfikacja tej tezy wymaga jednak wykonania dodatkowych prac badawczych.

Uzyskane parametry aktywności pucolanowej odniesiono również do rodzaju użytego w separacji urządzenia. Figura 54, a-d przedstawia porównanie parametrów K28 oraz K90 uzyskanych dla frakcji F1 oraz F2 względem właściwości nadawy, dla kolejnych typów separatorów. Pozostałe materiały porównano na Figurze 54, e-g. Słupki błędów symbolizują zakres pomiędzy uzyskaną wartością minimalną i maksymalną parametrów. W przypadku technologii separacji popiołu oferowanej przez firmę Metso proces prowadzony był jednoetapowo, w związku z czym, z nadawą porównano jedynie wyniki uzyskane dla frakcji F1. W przypadku technologii firmy Sturtevant w porównaniu uwzględniono z kolei frakcję wychwytywaną na filtrze workowym oznaczoną symbolem F2*.

Wartości wskaźników K28 oraz K90 są nieznacznie niższe dla materiałów pozyskanych na urządzeniach Bradley. Wyniki wykonanych analiz laboratoryjnych wskazują jednak (Tab. 23 – 26, Fig.

54), że składniki aktywne pucolanowo, statystycznie separują się w jednakowy sposób. Zjawisko wzrostu aktywności pucolanowej po 28 i 90 dniach, wraz ze spadkiem miałkości frakcji popiołowych, obserwowano niezależnie od zastosowanej technologii separacji (Fig. 54, a-d). W przypadku frakcji F1 oraz F2, dla materiałów o porównywalnej miałkość, aktywność pucolanowa utrzymywała się na zbliżonym poziomie. Większe różnice w działaniu separatorów zaobserwować można porównując rezultaty otrzymane dla frakcji F3 i C2 (Fig. 54, e-g). Rozbieżność pomiędzy technologiami najlepiej widać na przykładzie aktywności pucolanowej frakcji F3. Wskaźniki K28 i K90 mają wyższe wartości dla materiałów pozyskanych w Bradley. Dodatkowo wartości te są wyższe od wyników uzyskanych dla nadawy. Wartości K28 oraz K90 zmierzone dla frakcji F3 powstałej na urządzeniach Sturtevant są niższe niż dla nadawy.

a) Zmiana miałkości i aktywności pucolanowej dla frakcji F1 i F2 – Bradley

b) Zmiana miałkości i aktywności pucolanowej dla frakcji F1 i F2 – Sturtevant

c) Zmiana miałkości i aktywności pucolanowej dla frakcji F1 – Metso

d) Zmiana miałkości i aktywności pucolanowej dla frakcji F1 i F2 – średnia

e) Zmiana miałkości i aktywności pucolanowej dla frakcji F3 i C2 – Bradley

f) Zmiana miałkości i aktywności pucolanowej dla frakcji F3 i C2 – Sturtevant

g) Zmiana miałkości i aktywności pucolanowej dla frakcji F3 i C2 – średnia

Fig. 54. Zmiana miałkości i aktywności pucolanowej w zależności od frakcji oraz zastosowanego urządzenia.

Biorąc pod uwagę dane literaturowe, na temat wpływu podwyższonej wartości strat prażenia oraz obniżonej miałkości na właściwości uzyskiwanych mieszanek betonowych (Tab. 4, Felekoglu et al., 2009), a także dane o zmienności LOI i miałkości w poszczególnych frakcjach popiołowych (Rozdział 5.3.3, 5.3.4) w kolejnym kroku analizie poddano zmierzone wartości wodożądności (W) czyli ilości wody niezbędnej do wykonania mieszanki betonowej o odpowiedniej konsystencji (Fig. 55).

Norma N1 określa dopuszczalną wartość tego parametru w odniesieniu do popiołów kategorii S, dla których powinna ona wynosić nie więcej niż 95% względem właściwości cementu portlandzkiego.

Wodożądność jest zatem istotnym parametrem w opisie frakcji F1, F2 oraz C2.

Fig. 55. Zależność pomiędzy wodożądnością i LOI dla wydzielonych frakcji.

Zgodnie z danymi literaturowymi (Tab. 4), znaczny wzrost wartości LOI, powyżej 5%, powinien skutkować podwyższeniem wodożądności. W oparciu o dane zebrane na Figurze 55, zauważyć można jednak odwrotne zjawisko. Dla próbki frakcji F2 o najwyższym LOI, sięgającym 9%, stwierdzono obniżoną wodożądność w stosunku do nadawy i frakcji F3 (popiół lotny klasy N) oraz porównywalną wodożądność względem frakcji F1 oraz C2 (popiół lotny klasy S). Dla zbadanych próbek PL, spadek wodożądności odnotowano zatem również wraz ze spadkiem miałkości. Stoi to w sprzeczności z częścią literatury, w której np. Felekoglu et al., 2009, wskazywał na możliwość wzrostu wodożądności wraz ze spadkiem uziarnienia PL dla materiałów drobnym uzyskiwanym w procesie mielenia. Za odmienne obserwacje odpowiedzialna może być różnica w metodzie pozyskiwania frakcji drobnych. Niezależnie od zaobserwowanych zależności wodożądności pomiędzy poszczególnymi frakcjami, uzyskane w testach separacji materiały kategorii S oraz ultradrobne, nie zawsze mieściły się w granicach normy (W≤95%). Nie koreluje to z wynikami prezentowanymi przez Giergiczny et al., 2016, w których wykazywał on spadek wartości wodożądności do akceptowanego poziomu dla materiałów o miałkości poniżej 12%.

Odnosząc parametry użytkowe frakcji popiołowych do danych literaturowych niezwykle ważne jest zwrócenie uwagi na sposób przygotowania mieszanek betonowych, na podstawie których dokonywano pomiarów. Baran et al., 2017 wskazuje w swojej pracy, jak istotny wpływ na właściwości wytwarzanego betonu, ma dobór cementu towarzyszącego. Ten sam popiół dodany do mieszanek betonowych z kilkoma rodzajami cementu CEM I (producent, partia produktu), może skutkować produkcją betonów o odmiennych właściwościach. W przypadku szerszego zastosowania popiołów aktywowanych o obniżonej miałkości, konieczna byłaby zatem ścisła współpraca z producentami materiałów budowlanych celem wypracowania mieszanek o optymalnym składzie i właściwościach końcowych.

Podsumowując wyniki analiz, zestawione na Figurach 53 – 55, wnioskować można, iż w przypadku materiałów drobnych oraz ultradrobnych wartość LOI określona w normie N1 nie powinna być czynnikiem limitującym ich wykorzystanie jako dodatku do betonu. Zawartość rezydualnego węgla w popiele, nie ma szkodliwego wpływu na mikrostrukturę oraz na rozwój mechanicznej wytrzymałości betonu, nawet przy wysokiej zawartości węgla wynoszącej 9 i 12%. Ich zastosowanie niesie ze sobą jednocześnie znaczne korzyści pod kątem uzyskiwanych właściwości materiałów budowlanych. Jest to spójne z literaturą tematu. Golewski w swojej monografii (2015) wskazuje, że stosowanie w produkcji betonu popiołów o wysokich stratach prażenia, tzn.

przekraczających 5%, nie musi prowadzić do istotnie negatywnego wpływu na właściwości betonów.

Warunkiem który powinien być spełniony, jest właściwy nadzór technologiczny nad jego produkcją, oparty na bieżącym oznaczaniu właściwości popiołów oraz odpowiednich korektach składu betonu.

W ramach analizy pozyskanych wyników, przeprowadzono również szczegółową ocenę wpływu procesu separacji na wartości parametrów K28, K90 oraz wodożądności, zmierzone dla wyselekcjonowanych próbek dodatkowych (Tab. 20). W pierwszej kolejności przeanalizowano, na ile pogłębienie separacji i obniżanie uziarnienia materiału otrzymywanego w pierwszym kroku procesu (frakcja F1) polepsza jego parametry użytkowe. W tym celu na testy przekazane zostały próbki JP1-M-F1-03 o miałkości 6% oraz JP4-B-F1-02 o miałkości około 3,5%. Figura 56 a) przedstawia porównanie parametrów K28, K90, W wybranych materiałów, w odniesieniu do wartości miałkości (M) oraz LOI zmierzonych dla trzech próbek frakcji F1 uzyskanych z nadawy z JP4 na urządzeniach Bradley. Figura 56 b) zawiera z kolei informacje na temat analogicznych parametrów zmierzonych dla próbek F1 pozyskanych z wszystkich nadaw na urządzeniu Metso. Informacje uzupełniono o dane na temat wypadu procentowego frakcji drobnej.

Na podstawie danych zebranych na Figurze 56 wnioskować można, iż dalsze pogłębianie separacji poprzez obniżanie miałkości otrzymywanej frakcji drobnej F1, nie jest potrzebne pod kątem polepszania parametrów otrzymywanego popiołu. Takie działanie będzie wyraźnie obniżać wypad

cennej frakcji drobnej, podczas gdy parametry wytrzymałościowe uzyskanego materiału nie ulegają zmianie.

a)

b)

Fig. 56. Analiza wpływu pogłębionej separacji na parametry K28, K90 oraz W frakcji F1 a) Bradley, b) Metso.

W trakcie testów na urządzeniach firmy Sturtevant, na etapie pozyskiwania frakcji ultradrobnej, wykonano dwie modyfikacje względem ogólnego schematu testów separacji (Tab. 20). Figura 57 a) przedstawia zestawienie parametrów K28, K90 oraz W, w odniesieniu do miałkości, LOI oraz wypadu frakcji F2. Zaprezentowano informacje na temat wszystkich próbek materiału ultradrobnego pozyskanych na urządzeniach Sturtevant, które przekazane zostały na analizy na zgodność z normą N1, niezależnie od pochodzenia nadawy. Porównano wpływ obniżenia wymagań odnośnie

uziarnienia frakcji F2, przy jednoczesnym zwiększeniu wypadu, na parametry użytkowane uzyskiwanego materiału. Figura 57 b) zawiera zestawienie danych na temat parametrów fizykochemicznych dwóch próbek pochodzących z filtrów workowych po procesie separacji frakcji F1 (materiał F2*) w porównaniu z materiałem frakcji F2 uzyskanym w drugim kroku procesu, z nadawy z JP4 oraz JP5.

a) b)

b)

Fig. 57. Porównanie parametrów wytrzymałościowych próbek frakcji a) F2, b) F2 i F2*.

Wśród danych przedstawionych na Figurze 57 a) obniżone wymagania odnośnie miałkości frakcji F2 zastosowano w próbach JP1-S-F2-29 oraz JP3-S-F2-15. Pozyskane w ten sposób próbki popiołu charakteryzowały się wartością miałkości niewiele wyższą niż cel wyznaczony dla drugiego kroku separacji (D90 < 10 µm), odnotowano jednak niemal dwukrotny wzrost ilości odbieranej frakcji

ultradrobnej. W obu przypadkach nastąpił wzrost wypadu materiału F2 do poziomu około 30%. Nie spowodowało to znacznego pogorszenia wyznaczonych wartości K28, K29 oraz W, względem pozostałych materiałów frakcji F2. Warto również zauważyć, iż parametry wytrzymałościowe materiałów frakcji F2 nie różniły się między sobą niezależnie od rodzaju użytej nadawy.

Obserwacje poczynione na podstawie danych zawartych na Figurze 57, wskazują na możliwość optymalizacji warunków prowadzenia procesu separacji celem zwiększenia ilości uzyskiwanego materiału. W trakcie testów założono sztywne warunki ich prowadzenia oraz cele poszczególnych etapów, aby umożliwić porównanie różnych technologii. Po wybudowaniu docelowej instalacji na terenie jednostek produkcyjnych możliwe byłoby, we współpracy z producentem betonu/cementu, odpowiednie zoptymalizowanie procesu separacji, w kierunku wypracowania najkorzystniejszych parametrów produktu, przy maksymalnej wydajności procesu pozyskiwania pożądanych frakcji.

Materiał F2* pobrany z filtrów workowych, spośród wszystkich materiałów ultradrobnych pozyskanych dla danego rodzaju nadawy (Tab. 21), charakteryzował się najniższą wartością parametru D90. W oparciu o dane zaprezentowane na Figurze 57 b) stwierdzono, że posiada on bardzo dobre właściwości pucolanowe, jednak w obrębie danej nadawy charakteryzuje się najwyższą wodożądnością. Ze względu na charakter prowadzonych testów oraz relatywnie małe ilości nadawy przeprocesowane u dostawców, ciężko jest ocenić możliwy do uzyskania w procesie separacji wypad tego produktu. W oparciu o powyższe wyniki, na etapie analizy wdrożenia separatorów powietrznych w lokalizacjach produkcyjnych Przedsiębiorcy, można jednak rozważyć dodatkowy wariant operacyjny. Polegałby on na zabudowie w pierwszym etapie wdrożenia, separatorów typu Side Draft SD-20 Classifier do pozyskiwania popiołu lotnego kategorii S oraz stabilizacji parametrów jakościowych popiołu lotnego kategorii N. Materiał ultradrobny, jako produkt specjalistyczny, o niższym zapotrzebowaniu na rynku, pozyskiwany byłby z filtrów workowych. W sytuacji wzrostu zapotrzebowania rynkowego, możliwa byłaby zabudowa dodatkowych separatorów, typu 3 Ft Superfine ATP Classifier, dedykowanych do produkcji frakcji ultradrobnej.

Dane na temat parametrów wytrzymałościowych materiałów frakcji C2 w odniesieniu do ich miałkości i LOI przedstawiono na Figurze 58. W oparciu o zaprezentowane dane, materiał gruby C2, stanowiący frakcję odpadową po produkcji popiołu ultradrobnego, scharakteryzować można jako produkt o stabilnych parametrach wytrzymałościowych niezależnie od użytej nadawy. W większości przypadków, pod kątem miałkości, materiał C2 spełnia wymagania jakościowe dla popiołu klasy S.

Spełnione są dla niego również wymagania dla parametrów wytrzymałościowych po 28 i 90 dniach.

W testach JP3-S-C2-15 oraz JP1-S-C2-29 podwyższoną miałkość frakcji grubej można wiązać ze sposobem prowadzenia procesu separacji. Próby te nastawione były na uzyskanie maksymalnej ilości

% frakcji ultradrobnej (około 30%). Z nadawy (F1) usunięto zatem znaczną część drobnych ziaren.

Dodatkowo, dla trzech próbek C2, stwierdzono nieznaczne przekraczeni parametru LOI, powyżej 5%.

Obserwowane jest to jednak dla materiału pochodzącego z JP3, dla którego wysokie LOI mierzono już w surowej nadawie. Podobnie jak w przypadku pozostałych materiałów kategorii S (Fig. 56), dla większości próbek C2 odnotowano przekroczenie wartości normowej wodożądności.

Fig. 58. Parametry wytrzymałościowe próbek frakcji C2.

W celu lepszego porównania wpływu drugiego kroku separacji (pozyskiwania materiału ultradrobnego) na właściwości użytkowe separowanych materiałów, wykonano również porównanie parametrów K28, K90, W, zmierzonych dla frakcji F1, F2, C2. Na Figurze 59 zaprezentowano dane dla wybranego materiału frakcji drobnej oraz rozseparowanych z niego dwóch par F2/C2.

Fig. 59. Porównanie właściwości użytkowych materiałów frakcji F1, F2, C2.

Produkcja frakcji ultradrobnej, polegająca na odseparowaniu z materiału kategorii S (F1) pewnej ilości najdrobniejszych ziaren popiołowych (F2), nie powoduje drastycznego spadku parametrów użytkowych pozostałej masy popiołowej (C2) (Fig. 58). Obserwowane jest pewne pogorszenie, w szczególności w zakresie aktywności pucolanowej K28 (Fig. 59). W dalszym ciągu mieści się ona jednak w wymaganiach normy N1. Frakcja C2 nie stanowi zatem odpadu z procesu separacji, wręcz przeciwnie może być traktowana jako wysokiej jakości produkt handlowy.

Wpływ procesu separacji na aktywność pucolanową porównano również dla trzeciego kroku separacji, czyli produkcji frakcji F3. Założeniem dla tego działania była próba odzyskania z materiału odpadowego C1, jak największej ilości produktu, zbliżonego pod kątem miałkości do surowej nadawy.

Z uwagi na cel reklasyfikacji, wartości oznaczone dla frakcji F3 zestawiono na Figurze 60 z parametrami surowej nadawy. Nie analizowano szczegółowo parametru wodożądności i jego zgodności z normą. W większości przypadków kształtował się on w przedziale 100 – 105% i był wyższy niż dla nadaw wyjściowych. Frakcja F3 jest jednak materiałem kategorii N, dla którego wodożądność nie jest parametrem regulowanym normą N1. Frakcja drobna F3, pod kątem właściwości pucolanowej po 28 oraz 90 dniach, wykazuje nieznacznie gorsze parametry względem surowej nadawy. Jednocześnie we wszystkich zbadanych przypadkach spełnione zostały wymagania normy N1 pod kątem K28 oraz K90. Materiały frakcji F3 o miałkości poniżej 40% oraz LOI poniżej 5%, nie są zatem odpadem w procesie separacji, a stanowią produkt o wartości handlowej.

Fig. 60. Parametry wytrzymałościowe próbek frakcji F3 w porównaniu z surową nadawą.