Wybór optymalnej metody waloryzacji popiołu lotnego oraz testy wielkogabarytowe

Wyniki uzyskane podczas inwentaryzacji popiołów lotnych stanowiły punkt wyjścia dla dalszych prac badawczych. Pozwoliły one na zidentyfikowanie technologicznych oraz procesowych zagrożeń dla jakości popiołu lotnego i wytypowanie następujących obszarów wymagających dalszej weryfikacji:

 znaczna zmienność parametrów jakościowych popiołu lotnego w czasie,

 podwyższona zawartość części palnych w popiele lotnym,

 podwyższona miałkość popiołu lotnego,

 zanieczyszczenie popiołu lotnego amoniakiem.

Podjęto prace badawcze mające na celu określenie możliwych do zastosowania technologii waloryzacji popiołu lotnego. W ramach tego zadania w pierwszej kolejności dokonano przeglądu literatury naukowej, branżowej oraz analizy stanu techniki w zakresie dostępnych metod waloryzacji jakości popiołu w obszarach zidentyfikowanych na podstawie inwentaryzacji. Podsumowano również wyniki prac badawczych prowadzonych w innych projektach Przedsiębiorcy.

Przeanalizowano metody pierwotne, oddziałujące na proces powstawania popiołu lotnego lub niewymagające użycia dodatkowych urządzeń dedykowanych do optymalizacji jego parametrów jakościowych. Rozpatrzono możliwość regulacji parametrów jakościowych spalanego paliwa oraz modyfikacji procesu jego przygotowania do spalania, a także selektywny odbiór popiołu ze stref elektrofiltru. W ramach metod wtórnych, polegających na zastosowaniu dedykowanych urządzeń do przetworzenia dostępnego materiału, przeanalizowano możliwość usuwania części palnych oraz amoniaku, a także poprawy miałkości popiołu.

W oparciu o posiadane dane na temat jakości popiołów lotnych, uwarunkowań technicznych, rynkowych oraz przewidywanych regulacji prawnych do przeprowadzenia testów obiektowych wybrano metodę separacji powietrznej. W procesie tym zachodzi rozdział surowego popiołu

(nadawy) na frakcje popiołowe o zadanej miałkości. Badania nad możliwością zastosowania tej technologii przeprowadzono etapowo w skali rzeczywistej, w ramach testów wstępnych oraz weryfikacyjnych. Prace przeprowadzone w ramach testów wstępnych polegały na:

 weryfikacji możliwości uzyskiwania frakcji popiołowych o zadanych parametrach na dostępnych rynkowo urządzeniach,

 określeniu możliwych do uzyskania wydajności procesu separacji,

 oszacowaniu kosztów wdrożenia rozwiązania w wybranej lokalizacji produkcyjnej Przedsiębiorcy.

W ramach testów weryfikacyjnych skupiono się na:

 potwierdzeniu, na materiale pochodzącym z kilku lokalizacji produkcyjnych Przedsiębiorcy, wyników i zależności uzyskanych w testach wstępnych,

 weryfikacji wpływu zmienności nadawy na możliwości pozyskiwania produktu o stałej, zadanej jakości,

 pozyskaniu większej partii materiału o zadanych parametrach celem możliwości przekazania ich do partnerów biznesowych (producenci cementu, centra badawcze) do oceny ich przydatności jako dodatku do betonu,

 zebraniu podstaw do wydania rekomendacji na temat najlepszej dostępnej na rynku metody separacji oraz zidentyfikowanie ograniczeń w zakresie stosowania konkretnych separatorów powietrznych.

Testy wstępne separacji powietrznej, przeprowadzono na urządzeniach w skali technicznej, w laboratoriach testowych pięciu producentów: Bradley Company (Bradley, B), Comex Polska Sp. z o.o. (Comex, C), Hosokawa Alpine (Hosokawa, H), Metso Minerals Industries, Inc. (Metso, M), Sturtevant, Inc. (Sturtevant, S). Siedziby tych firm zlokalizowane są na terenie Polski, Europy oraz Stanów Zjednoczonych. Na testy przekazano materiał pobrany ze zbiorników retencyjnych popiołu lotnego klasy A, zlokalizowanych w JP5. Materiał ten nie był zanieczyszczony amoniakiem z instalacji odazotowania spalin. Dodatkowo do laboratorium testowego firmy Comex, zlokalizowanego na terytorium Polski, dostarczono pozyskany na rynku popiół lotny kategorii A+N, zanieczyszczony amoniakiem. Przed wykonaniem testów separacji, popiół lotny zanalizowano pod kątem: zawartości TOC (N2), LOI (N4), NH3 (N6 – tylko w próbce dodatkowej do Comex), miałkości (N3) oraz wykonano analizę granulometryczną (N5). Separację prowadzono w dwóch krokach. Schemat procedury przedstawiono na Figurze 16.

Fig. 16. Schemat testów wstępnych separacji powietrznej.

Celem pierwszego kroku separacji, było pozyskanie z surowego popiołu lotnego kategorii N (N_T1) o miałkości około 40%, frakcji popiołowej kategorii S (F1) o miałkości poniżej 12%. Wartość docelową miałkości frakcji F1 ustawiono na poziomie 8 – 10%. Celem drugiego kroku klasyfikacji było pozyskanie w procesie reklasyfikacji materiału F1, dodatkowej frakcji ultradrobnej (F2), dla której uziarnienie precyzyjnie wyraża parametr D90 < 10µm. W wyniku tak przeprowadzonej separacji powstały dwie frakcje odpadowe, C1 oraz C2. Wielkość ziaren na poziomie D90 < 10 µm ustalona została w oparciu o literaturę definiującą popiół ultradrobny (Jones et al., 2006; Zhao J. et al., 2015).

W trakcie testów, do kontroli przebiegu procesu separacji, dostawcy urządzeń stosowali wewnętrzne procedury pomiarowe uziarnienia. Wykorzystano metody:

 przesiewania przez sita na mokro,

 przesiewania przez sita na sucho z wykorzystaniem przesiewaczy pneumatycznych Alpine 200 LS oraz Air Jet Sieve,

 laserowe z wykorzystaniem urządzeń Microtrac, Malvern Mastersizer (analiza na mokro, w wodzie), Malvern 3000 oraz Malvern-INSITEC (RTSizer) (analiza na sucho).

Dostawcy, bazując na swojej wiedzy eksperckiej odpowiedzialni byli za dobór warunków prowadzenia procesu separacji, takich jak ilość i sposób podawania nadawy, prędkość urządzeń wirujących, strumień powietrza. Dla wybranych nastaw, wykonali szereg prób. W wyniku przeprowadzonych testów wstępnych separacji popiołu lotnego pozyskano 141 próbek materiału zaliczanych do czterech frakcji jakościowych (Fig. 16). Każdy z dostawców opracował szczegółowy raport z wykonanych prac zawierający parametry eksploatacyjne separatorów w kolejnych próbach (prędkość wirnika, przepływ powietrza, wydajność), prezentację zmierzonych wartości uziarnienia frakcji oraz obliczonych sprawności procesu separacji. Dodatkowo raporty zawierały również wycenę proponowanych urządzeń oraz szacunkowe koszty eksploatacyjne.

W dalszej części pracy, jako wydajność procesu separacji, rozumiana będzie ilość ton nadawy możliwych do przeprocesowania w jednostce czasu, przy danych ustawieniach separatora. Dla każdej

z wykonanych prób separacji wyznaczono procentowy wypad frakcji drobnej obliczony z wykorzystaniem wzoru W2:

(W2)

Poszczególne testy oraz frakcje popiołowe kodowano zgodnie ze schematem zawartym w Tabeli 7.

Tab. 7. Schemat kodyfikacji próbek w testach separacji powietrznej popiołu lotnego.

JP1 – JP5 B, H, S, M, C, E – F1/C1/F2/C2 – 01 – n

Materiał frakcji drobnej, pozyskany w pierwszej próbie separacji frakcji F1 z nadawy z JP1 na urządzeniach Bradley

Ze względu na różny sposób wyznaczania przez Dostawców uziarnienia uzyskiwanych frakcji popiołowych, niemożliwe było bezwzględne porównywanie wyników dostarczonych w raportach końcowych. Dodatkowo, należy zauważyć, iż w większości przypadków do szybkiej oceny przebiegu procesu separacji, wykorzystywano metody laserowe pomiaru uziarnienia. Jak wykazano w trakcie inwentaryzacji popiołów lotnych, metody te mogą służyć jedynie do określenia pewnego trendu, jednak nie wartości bezwzględnej miałkości. Dostawcy odesłali pozyskane materiały do siedziby Przedsiębiorcy. Wykonano dla nich analizy laboratoryjne analogiczne jak dla nadawy tj. pod kątem:

TOC (N2), LOI (N4), miałkości (N3) oraz analizy granulometrycznej (N5). Dla każdego z dostawców technologii oraz etapu separacji testów wstępnych wyznaczono najlepszy test, czyli taki, w którym otrzymano materiał o miałkości frakcji popiołowej, najbardziej zbliżonej do założonego celu przy jednocześnie najwyższej wydajności.

Na podstawie uzyskanych danych zawężono listę rozważanych dostawców urządzeń do trzech.

Parametrami branymi pod uwagę w trakcie selekcji urządzeń były: jakość usług oferowanych przez dostawcę na etapie testów wstępnych, ilość frakcji drobnej pozyskiwanej w procesie, powtarzalność uzyskiwanych wyników, a także koszty inwestycyjne oraz operacyjne związane z użytkowaniem separatora.

Testy weryfikacyjne przeprowadzono w skali technicznej, w laboratoriach testowych trzech firm:

Bradley, Metso oraz Sturtevant. Materiałem wyjściowym był popiół lotny pochodzący ze zbiorników retencyjnych (PL klasy A) czterech jednostek produkcyjnych Przedsiębiorcy: JP2, JP3, JP4, JP5.

W każdej z lokalizacji pobrane zostały trzy tony popiołu, po jednej tonie do trzech osobnych

pojemników typu „big-bag”, przystosowanych do transportu oraz przechowywania materiałów sypkich (łącznie 12 partii). Każdemu z producentów urządzeń, dostarczono na testy weryfikacyjne cztery tony materiału, po jednej tonie z każdej z lokalizacji. Nadawa z każdego z big-bagów poddana została analizom fizyko-chemicznym w zakresie: strat prażenia (N4), miałkości (N3), rozkładu ziarnowego (N5) oraz zgodnym z normą PN-EN 450-01:2012 (N1). Celem zapewnienia jak najwyższej reprezentatywności zmierzonych parametrów nadaw, próbki pobrane zostały z big-bagów przez akredytowanego próbobiorcę.

Separację w testach weryfikacyjnych prowadzono w trzech krokach, schemat postępowania przedstawia Figura 17. Pierwsze dwa kroki separacji wykonano analogicznie jak w testach wstępnych.

Trzeci krok wprowadzony został celem weryfikacji możliwości zmniejszenia ilości odpadu generowanego w procesie. Przebadano w nim możliwość uzyskiwania materiału drobnego (F3) o miałkości poniżej 40%, na drodze reklasyfikacji frakcji odpadowej (C1) z procesu pozyskiwania popiołu klasy S (F1). Celem kroku trzeciego była zatem próba odzyskania materiału o wartości handlowej i miałkości zbliżonej do nadawy. W tak przeprowadzonej separacji uzyskiwano łącznie pięć frakcji, trzy produkty oraz dwa odpady.

Fig. 17. Schemat testów weryfikacyjnych separacji powietrznej.

Do kontroli procesu separacji, dostawcy urządzeń wykorzystywali pomiar uziarnienia zgodnie z wewnętrznymi procedurami, w oparciu o metody takie jak:

 przesiewanie przez sita na mokro,

 przesiewanie przez sita na sucho z wykorzystaniem przesiewacza pneumatycznego Air Jet Sieve,

 laboratoryjną metodę laserową z wykorzystaniem urządzeń Microtrac oraz Malvern 3000 (analiza na sucho).

W wyniku przeprowadzonych testów weryfikacyjnych separacji popiołu lotnego, dla nadaw pochodzących z czterech lokalizacji, pozyskano łącznie u trzech Dostawców, 366 próbek popiołu lotnego należących do pięciu frakcji (Fig. 17). Podobnie jak w testach wstępnych, uzyskane materiały zostały sprowadzone do siedziby Przedsiębiorcy. Próbki poddano analizom fizyko-chemicznym w zakresie: LOI (N4), miałkość (N3) oraz rozkład ziarnowy (N5). W oparciu o uzyskane wyniki, przeprowadzone testy separacji oceniono pod kątem zgodności z założonymi celami w zakresie uziarnienia, zawartości LOI, wydajności. Na tej podstawie, dla każdego typu urządzenia i rodzaju nadawy, wytypowano najlepsze próby separacji. Próbki frakcji popiołowych pochodzące z najlepszych prób przekazano na dodatkowe analizy na zgodność z normą N1. Rozszerzonej analizie (N1) poddano łącznie 58 próbek. Ocenę parametrów użytkowych (np. aktywność pucolanowa, wodożądność) pozyskanych frakcji popiołowych prowadzono w oparciu o analizę wskaźników zarejestrowanych dla mieszanek betonowych w których 25% cementu odniesienia zastąpiono materiałami uzyskanymi w testach. Cementem odniesienia dla wszystkich frakcji był produkt pochodzący z tej samej partii jednego producenta. Na podstawie uzyskanych wyników badań laboratoryjnych przeprowadzono ocenę wpływu separacji na właściwości użytkowe oraz oszacowano możliwe kierunki zagospodarowania otrzymanych frakcji popiołowych.

4.2.3 Wykorzystanie niejakościowych popiołów lotnych do produkcji materiałów