Zastosowanie popiołu lotnego z węgla kamiennego w produkcji

Pomysł zastosowania popiołów lotnych z węgla kamiennego do produkcji ceramiki czerwonej wynikał z ich zbliżonego składu chemicznego do typowych surowców ilastych stosowanych w tym przemyśle. Przyczyna tego podobieństwa tkwi w dużej ilość minerałów ilastych występujących w skale płonnej węgla. W czasie spalania węgla, minerały ilaste ulegają dehydroksylacji w skutku której, nieodwracalnie tracą właściwości plastyczne.

Początkowo popiół lotnych stosowano jako surowiec schudzający i uszlachetniający masę plastyczną w ilości do około 20 - 30% objętościowych. Ilość wprowadzanego dodatku zależała od plastyczności głównego ilastego surowca i właściwości samego popiołu lotnego. Popioły lotne stosowane w takiej ilości nie pogorszyły jakości wyrobów, a przy tym nie powodowała konieczności wymiany dotychczas używanego oprzyrządowania wyrobowni. Oprócz formowania z masy plastycznej w prasach pasmowych (ślimakowych), stosowano techniki formowania na półsucho w prasach stemplowych oraz technikę wibroprasowania. Obie metody dawały możliwość większego dodatku popiołu lotnego do mieszanki w

porównaniu z metodą plastyczną. Na podstawie licznych badań [25,26,107], ustalono, że wprowadzanie popiołów lotnych do mieszanek ceramicznych powoduje następujące modyfikacje w masie i tworzywie. Popiół w dużym stopniu odwrażliwia masy plastyczne czego przejawem jest miedzy innymi zmniejszenie skurczu suszenia tworzywa. Również w czasie wypalania dodatek popiołu powoduje zmniejszony skurcz tworzywa, co daje możliwość intensyfikacji tego procesu. Popiół lotny poszerza interwały temperaturowe spiekania. Masy z udziałem popiołu lotnego należy wypalać w nieco wyższych temperaturach niż tradycyjnie, ale jednocześnie można skrócić czas wypalania. Zastąpienie piasku kwarcowego popiołem powoduje przede wszystkim wyraźny wzrost wytrzymałości na zginanie tworzyw. Co więcej, dodatek popiołu lotnego sprzyja powstawaniu mullitu w tworzywach, co efekcie powoduje ich wzrost wytrzymałości na ściskanie i zginanie [25,26,107,108].

Udane próby zastosowania popiołów lotnych jako dodatku do mas ceramicznych skłoniły do dalszych prac w tym kierunku i jego zastosowania w charakterze składnika głównego w ilości 50÷80% objętościowych. Początkowo autorzy tych projektów zakładali uplastycznienie masy poprzez wprowadzenie niewielkich ilości dodatków modyfikujących takich jak: olej odpadowy, melasa, szkła wodne, ług posulfanowy, klutanit, lignosulfonian wapnia itp. [97]. Modyfikatory te zamieniały kationy wymienne w grupach montmorillonitu na „kationy ciężkie”, przez co istotnie poprawiała się reologia całej masy. Poprawa plastyczności, nie szła w parze z poprawą własności gotowego wyrobu, z tego względu starano się minimalizować dodatki plastyczne lub też zupełnie je eliminować. W Polsce pierwsze udane próby laboratoryjne i przemysłowe zastosowania popiołów lotnych jako składnika głównego, masy formowanej metodą plastyczną bez modyfikatorów przeprowadzili Prof. Marian Kałwa i dr Halina Ropska [20,21,28-30]. W jednym z zakładów w Polsce wdrożyli oni technologie wyrobu cegły pełnej i cegły kratówki przy udziale popiołów w masie 45÷60%. Co ważne produkcję oparli o już dostępny sprzęt zakładowy. Formowanie masy było możliwe jedynie przy dużej dyscyplinie przestrzegania parametrów technologicznych. Określono następujące wytyczne na etapie wyrobowni:

- prawidłowe dozowanie i dobre wymieszanie składników

- wąski interwał zawartości wody zarobowej 18 – 22 % (średnio 20%)

- stosowanie gorącej pary wodnej w przerobie, tak aby temperatura pasma wynosiła około 40^oC.

- próżnia pracy prasy ślimakowej min 0,8 atm. - rytmiczne zasilanie prasy

Na etapie suszenia i wypalania dokonano następujących modyfikacji:

- skrócenie czasu suszenia, lecz przy zastosowaniu medium o ograniczonej wilgotności w pierwszej fazie suszenia.

- zwiększona o około 50^oC (1050^oC) temperatura wypalania, niewielkie przedłużenie strefy żarowej przez dopalanie się części niedopalonych z popiołów lotnych.

__________________________________________________________________________________

Postawiono również kryteria do właściwości krzemionkowych popiołów lotnych: wielkości ziaren poniżej 0,06mm powinna wynosić minimum 55%, ilości niespalonego węgla powinna nie przekraczać 6%, a wilgotności popiołów powinna mieścić się w przedziale od 12% do 15%. Natomiast z punktu widzenia składu chemicznego zalecano stosowanie popiołów lotnych o następujących modułach chemicznych (stosunki molarne): Al2O3 (min 0,1) SiO2

(max 0,35) oraz suma R2O+RO+Fe2O3 (max 0,4) [20,21].

Wprowadzenie popiołów lotnych w tak dużych ilościach dały dosyć istotne różnice w technologii wyrobu ceramiki wypalanej. Na wstępie należy zaznaczyć, iż popioły lotny ze względu na swoją pylistość, są nieco uciążliwym materiałem, aczkolwiek istnieje możliwość bardzo łatwego ich przeładowywania, jak i możliwość transportu pneumatycznego. Ograniczenie zużycia surowca plastycznego w pewien sposób ogranicza problem urobku i hałdowania. Popioły lotne, mimo dużej miałkości posiadają grubszą granulację w stosunku do typowych surowców ilastych, a to wpływa na zmniejszona ich wodożądność. Istnieją dosyć duże problemy w utrzymaniu stałego nawodnienia tego materiału i ograniczenia przypadków jego niekontrolowanego wypływania na przenośnikach taśmowych. Ponadto, odnotowuje się większe zużycie maszyn urabiających masę, w tym głównie gniotowników kołowych i walców. Ze względu na niższą wodę zarobową i większą granulację mas z udziałem popiołów lotnych, odznaczają się one niższą skurczliwości suszenia. To stwarza możliwość intensyfikacji procesu suszenia i skrócenia o 30 – 50% potrzebnego czasu. Eliminuje się, również ilość powstających braków suszenia, a także braków w wyrobach wypalonych spowodowanych ukrytymi wadami powstałymi jeszcze w procesie suszenia. Po wysuszeniu wyroby odznaczają się niższą wytrzymałością mechaniczną co powinno się uwzględniać przy ustawce na wózki do pieca. Jak już wspomniano do wypału wyrobów popiołowo-glinowych należy użyć wyższej temperatury wypalania. Zmniejsza się ogólna ilość reakcji endotermicznych dehydratacji i dehydroksylacji, z kolei zwiększa się ilość reakcji egzotermicznych, utlenienia części palnych. Sumarycznie zastępowanie materiału ilastego, popiołem lotnym nie powoduje istotnych różnic w użyciu paliwa w czasie wypalania wyrobów. Gotowe wyroby odznaczają się nieco niższą gęstością objętościową i większą opornością cieplną. Wytrzymałość na ściskanie tworzyw z dużym dodatkiem popiołu lotnego jest porównywalna do tradycyjnych wyrobów na bazie surowca ilastego[20,21,28-30].

Często pomijanym, aczkolwiek istotnym, negatywnym aspektem stosowania popiołów lotnych są własności promieniotwórcze gotowych wyrobów. Jak się okazuje stężenie radionuklidów w popiołach lotnych z węgla kamiennego jest dosyć zmienne, przy czym stężenie izotopu ⁴⁰K jest podobne jak w materiale ilastym, ale więcej jest izotopów ²²⁶Ra i

232

Th. Szczególny niekorzystny wpływ ma izotop radonu (produkt rozpadu izotopu ²²⁶Ra), który jako gaz dyfunduje do płuc i napromieniowuje tkankę płucną nieprzenikliwym ale bardzo energetycznym, promieniowaniem „α”. Popiół lotny z węgla brunatnego posiada ogólnie mniejszą zawartość radionuklidów w stosunku do materiału ilastego [31].

Podsumowując zastosowanie materiału ilastego popiołem lotnym poza oczywistym aspektem ekonomicznym związanym z eliminacją uciążliwego odpadu daje dodatkowe korzyści energetyczne i czasowe przede wszystkim w procesie suszenia, ale sprawia o wiele więcej trudności w procesie formowania pasma, zwiększając przy tym stopień zużycia maszyn formierskich [20,28-30].