Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L IT E C H N IK I ŚL Ą SK IE J Seria: G Ó R N IC T W O z.220
________ 1994 Nr. kol. 1242
Ryszard M A JC H R Z A K Marian M A D A J W ojciech K L IM A S
Instytut Geomechaniki, Budownictwa Podziemnego i Ochrony Powierzchni Politechniki Śląskiej, Gliwice
BADANIA LABORATORYJNE POPIOŁÓW LOTNYCH Z DOŚWIADCZALNEGO KOTŁA FLUIDALNEGO AKF-c Z KWK
"DĘBIEŃSKO"
Streszczenie. W artykule zostały przedstawione wyniki badań laboratoryjnych popiołów lotnych z kotła fluidalnego typu AKF-c, który został zainstalowany w KWK
"Dębieńsko". Zamieszczone wyniki analizy chemicznej, zawartości siarczanów i siarczynów a także porównano je z danymi literaturowymi. Przeprowadzono próby zainicjowania procesów wiązania i twardnienia popiołów lotnych wodą oraz wybranymi aktywatorami. Przedstawiono perspektywy wykorzystania popiołów lotnych z kotła fluidalnego typu AKF-c na obecnym etapie jego eksploatacji.
LA BO RATORY TESTIN G OF FLY-ASH FROM AKF-c FLUIDIZED BED B O ILER
Sum m ary. The paper presents results of laboratory testing of fly-ash from AKF-c fluidized bed boiler that had been installed in Coal Mine "Dębieńsko". The work includes the results of chemical analysis, sulfate and sulfite contents, and compares the results to those ones offered by professional literature. Some tests have been made to initiate fly- ash binding and hardening processes with water and selected activators. The work offers utilization perpectives o f fly-ash from AKF-c fluidized bed boiler in the present phase of its exploitation.
J l A E O P A T O P H b l E
MCCJlE^OBAHHfl
J I E T Y M E M 3 0 J l b lM3
o n b i T H o r o c p . m o M ^ H o r o
k o t j i a
a k f -c M 3 K A M E H H o y r o -JlbHOM LLlAXTbl " ^ M b E H b C K O "
P e jiO M C . B C T a T b e n p e a c r a B J i e H b i p e 3 y j i b T a T b i j i a 5 o p a T o p n b i x H C C .ie jic m a H in i j i e T y a e f i 3 0 J ib i H 3 ( p a t o i i a i i o r o K O T Jia T i m a AKF-c, y c T a H O B J ie H H o r o H a u i a x T e "
j f s M Ó e H b C K o " . F Io M e c T e H O [ i c s y j i h r a T i . i x w v t i e c K o r o a H a j i n 3 a c o a e p > K a n i i H c y j i b t p a iO B m c y jib (J )H T O B , n p o B o a i i r c f i c p a B H e H w e 3t h x p e a y j i h r a T O B c a a i i u b i M i i , n p n B o a n M b iM M b j i m e p a T y p e n o n a n n o M y B o n p o c b i . il p e f lC T a B a e H b i T O /tc e n p o B e a e i i H b i e n o n b iT K H H H M U H H poB aH H H o p o u e c c o B c x B a T b m a H H f l n 3 a T B e p a e B a H H H j i e T y a e f l 3 0 J ib i c n o M o m b i o B O flbi h B b i S p a H H o r o a K T M B a T o p a . P a c c M a T p u B a i O T c a n e p c n e K T H B b i H c n o J ib 3 0 B a n H H j i e T y a e n 3 0 J n .i H3 f f i j u f t u a i i o r o K O T a a T u n a AKF-c H a a a n n o M a r a n e e r o 3 K c n a y a r a u n n .
1. W PROW ADZENIE
W zględy ekologiczne powodują, że elektrownie opalane w ęglem zanieczyszczają środowisko zm uszane są poprzez stosowanie technologii odsiarczania spalin do zm niejszania em isji SO2 i N O x . Jednym z najbardziej efektywnych i wszechstronnych sposobów odsiarczania spalin węglowy ch, a co za tym idzie zmniejszenia szkodliwości i uciążliw ości zakładów energetycznych dla środowiska naturalnego, jest zastosowanie kotłów z cyrkulacyjnym paleniskiem fluidalnym. Produktem odpadowym z kotłów fluidalnych są duże ilości popiołów lotnych, których jest o 50 % do 100 % więcej od wytwarzanych popiołów lotnych przez kotły bez zespołu odsiarczania spalin. Dlatego też bardzo ważnym problemem jest zagospodarowywanie coraz większych ilości odpadów clektrownianych. Jednym ze składników popiołów lotnych powstających w wyniku odsiarczania spalin są siarczany wapniowe m ogące stanowić podstawę do opracowania spoiw na bazie tychże odpadów'.
W kraju eksploatowane są najczęściej kotły konwencjonalne, których odpady w postaci popiołów lotnych m ogą wykazywać własności pucolanowe lub nie, Z tego w zględu nadają się one do wytwarzania cementów pucolanowych lub wytwarzania m ieszanek betonowych, gdzie są stosowanie jako wypełniacz.
W przypadku eksploatacji kotłów fluidalnych mamy do czynienia z wytwarzaniem dużych ilości jakościow o nowych odpadów (popiołów lotnych). Dlatego też istotne jest poznanie w łasności popiołów lotnych wytwarzanych w kotłach fluidalnych. Problem ten jest przedm iotem prac badawczych w Instytucie Geomechaniki, Budownictwa P odziem nego i Ochrony Powierzchni Politechniki Śląskiej w Gliwicach.
Badania laboratoryjne popiołów.. 37
2. KOCIOŁ FLUIDALNY ZE ZŁOŻEM CYRKUŁ AC YJNYM AKF-c
D oświadczalny kocioł fluidalny ze złożem cyrkulacyjnym typu AKF-c-5 zainstalowany w KWK "Dębieńsko" jest kotłem dwuciągowym o mocy cieplnej 5 MW.
W ciągu głównym znajduje się komora paleniskowa, a ponad nią konwekcyjne powierzchnie wymiany ciepła. W drugim ciągu umieszczony jest pęczek podgrzewacza wody i rurow>r podgrzewacz powietrza. Cała konstrukcja podwieszona jest do rusztu nośnego, co pozwala na swobodne, wzdłużne dylatacje kotła.
K ocioł posiada fluidalną instalację paleniskową, w skład której wchodzą:
- komora paleniskowa,
- system dystrybucji powietrza (dno dyszowe wraz z dyszami i instalacja doprowadzenia i rozdziału powietrza),
- system nawrotu popiołu (cyklon separacyjny, rura opadowa materiału odseparowanego z cyklonu do syfonu, syfon popiołowy wraz z doprowadzeniem paliwa i rurą zsypową popiołu do komory paleniskowej),
- system odprowadzania popiołu (schladzacz popiołu).
3. BA D A NIA LABORATORYJNE
Materiał do badań został pobrany z dwóch komór zbiorczych - komory I i komory II kotła fluidalnego AKF-c produkcji RAFAKO w Raciborzu zainstalowanego KWK
"Debięńsko". Popiół z komory I był koloru ciemnoszarego i jego gęstość usypowa w stanie luźnym wynosiła Gpi = 0,784 M g-m '3, a w stanie ubitym GpU =1,222 Mg-m"3.
Popiół z komory II był koloru szarego i jego gęstość usypowa w sta n ie luźnym wynosiła Gpt = 0,460 M g-m '3, a w stanie ubitym GpU = 0,702 Mg-m"3 .
N a podstawie literatury [1, 2], w której przedstawiono własności popiołów lotnych z kotłów fluidalnych, skład chem iczny oraz sposoby wykorzystania, wyciągnięto wniosek, że popiół lotny z kotła fluidalnego zainstalowanego w KWK "Dębieńsko"
będzie wykazywał własności wiążące. Dlatego też próbowano zainicjować proces wiązania popiołu lotnego przez zarobienie go wodą wodociągową. Wynikiem tej próby było stwierdzenie, że popiół nie związał.
W związku z tym, że na podstawie literatury spodziewano się obecności siarczanów wapniowych w popiołach lotnych z kotła fluidalnego proces wiązania próbowano zainicjować przy użyciu dotychczas najczęściej stosowanych aktywatorów spoiw siarczanowych, takich jak: fosforanowe, węglanowe i siarczanowe. Stosowano różne proporcje popiołu lotnego do aktywatora. W wyniku badań należy stwierdzić, że nie zaobserwowano wpływu aktywatorów na proces wiązania i nie spowodowały one procesów tężenia popiołów lotnych z kotła fluidalnego. W następnym etapie wykonano w Instytucie M ateriałów Ogniotrwałych w Gliwicach analizę chem iczną próbki popio-
lu z kotła fluidalnego pracującego w KWK "Dębieńsko". Z analizy chemicznej wynika (tabl.3.1). że dominującymi składnikami produktu poreakcyjnego są: krzemionka (48,80% SiC>2). w ęgiel (19,10% C), tlenki glinu (14,70% AI2O3) oraz w mniejszych ilościach tlenek żelaza (4,00% FeC^), tlenek wapnia (2,80% CaO), siarka całkowita (1.318% S), tlenek magnezu (0,70% MgO).
Tablica3.1 W łasności popiołów z kotła fluidalnego
w KWK "Dębieńsko"
W łasności popiołów z kotła fluidalnego w KWK "Dębieńsko"
%
Straty praż. 25,40
SiO? 48,80
AI2O3 14,70
FeC>3 4,00
MgO 0,70
CaO 2,80
w tym: C 19,10
S calk. 1,318
Zawartość siarczanów i siarczynów w popiele lotnym przedstawia się następująco:
- siarczyn wapnia - 0,172 % - siarczan wapnia - 5,400 %.
Z badań deiywatograficznych wynika, że próbka nie zawiera uwodnionych siarczanów wapnia. Badania wykonano w atmosferze redukcyjnej, w temperaturze do 1000°C.
Reasumując należy’ stwierdzić, że w badanej próbce ilość siarczynów jest śladowa.
Siarczanu wapnia w popiele lotnym jest 5,4 %, co świadczy o pewnej adsorbcji dwutlenku siarki. Wynika to również z ilości oznaczonego CaO w badanej próbce.
Popiół zawiera 19,1 % węgla. Pozostałe składniki stanowią w przeważającej części zdehydratyzowane glino-krzemiany.
4. PORÓW NANIE WYNIKÓW BADAŃ LABORATORYJNYCH POPIOŁÓW LOTNYCH KOTŁA FLUIDALNEGO AKF-c KWK "DĘBIEŃSKO"
Z DANYM I LITERATUROWYMI
Z badań laboratoryjnych popiołu lotnego kotła fluidalnego z KWK "Dębieńsko"
(tabl. 3.1) wy nika, że popiół ten w porównaniu z popiołami lotnymi z kotłów fluidalnych eksploatowanych na Zachodzie [ 1 , 2 ] wykazuje zbyt wysokie ilości: węgla
Badania laboratoryjne popiołów. 39
19,1% w p o rów naniu z 0,16 do 2,78% , krzem ionki SiC>2, 48,8% w porów naniu z 10,36 do 38,5% o raz zbyt m ałe ilości: w apnia C aO 2,8% w porów naniu z 21,2 do 48,15% , sia rk i 1,3% w porów naniu z 6,35 do 12,2%, siarczanu w apnia C aSO ą 5,4% w p orów naniu z 14,3%.
P orów nując an alizę ch em iczn ą popiołów lotnych z kotła z K W K "D ębieńsko"
(tabl.3.1) z a n a liz ą ch em iczn ą popiołów przedstaw ioną przez producenta kotłów [3], należy stw ierdzić, że w yniki te są do siebie podobne, z w yjątkiem siarczanu w apniow ego, którego autorzy w ym ienionej pracy nie zam ieścili. A naliza chem iczna nie w skazuje n a praw idłow y proces odsiarczania spalin węglowych przez dodanie addytyw u ze w zględu na niew ielkie ilości C aO i SO3, które nie są zgodne z zaw arto ścią tych składników przedstaw ionych w pracy [3], Z kolei w edług p ro d u cen ta kotłów [4] ilość siarczanu w apnia C aSO ą w popiele z kotłów fluidalnych pow inna się w ahać w zależności od w artości opalowej paliw a od 6% do 35% , a stw ierdzona ilość siarczanu w popiele z k otła fluidalnego (tabl.3.1) z K W K
"D ębieńsko" w ynosiła 4,5% . Z badań laboratoryjnych nad w łaściw ościam i w iążącym i popiołów lotnych z kotła fluidalnego z K W K "Dębieńsko" na obecnym etapie jego rozruchu technologicznego m ożna wyciągnąć wniosek, że popioły te nie m ają w łaściw ości w iążących w przeciw ieństw ie do popiołów lotnych z kotłów fluidalnych pracujących n a Z achodzie, które w 'zdecydow any sposób w ykazują takie w łasności [1,2], Przyczyny takiego stanu rzeczy należy szukać w niepraw idłow ym procesie o d sia rc za n ia i eksploatacji kotła, w w yniku którego powstaje odpad o zbyt m ałych zaw artościach siarczanu w apnia. M ożna rów nież stw ierdzić na podstaw ie analizy chem icznej popiołu lotnego z kotła fluidalnego z K W K "D ębieńsko", że w yniki są zbliżone do w yników analizy popiołu lotnego z k otła pyłowego (konw encjonalnego), co m ogłoby św iadczyć, że procesy' odsiarczania w kotle fluidalnym nie przebiegały właściw ie.
5. P E R S P E K T Y W Y K O N TY N U A C JI BADAŃ NAD PO PIO ŁA M I LO TN Y M I Z K R A JO W Y C H K O T Ł Ó W FLUID ALNYCH
W ykazano, ze najbardziej efektyw nym i w szechstronnym sposobem odsiarczania sp a lin w ęglow ych oraz zm niejszenia szkodliwości i uciążliw ości zakładów energetycznych d la środow iska naturalnego je st zastosow anie kotłów z cyrkulacyjnym p alen isk iem fluidalnym . P oniew aż ilość popiołów lotnych w ytw arzanych przez kotły z cyrkulacyjnych złożem fluidalnym w procesie odsiarczania spalin węglow ych je s t o 50 % do 100 % w iększa od w ytw arzanych popiołów lotnych przez kotły bez zespołu o d siarczan ia spalin, należy dążyć do opracow ania efektywnych sposobów' kom pleksow ego zagospodarow ania odpadów z palenisk fluidalnych.
W zw iązku z w ynikam i b adań laboratoryjnych i analizam i chem icznym i popiołów lotnych z k o tła dośw iadczalnego AK F-c zainstalow anego w K W K "D ębieńsko", należy stw ierdzić, że wy niki te nie potw ierdzają odpow iednich właściw ości popiołów lotnych
przedstaw ionych przez producenta kotła oraz autorów artykułów zagranicznych i nie stw a rz ają na obecnym etapie prób ruchowy ch kotła możliwości w ykorzystania ich ja k o spoiw lub dodatków do spoiw stosow anych w technice górniczej.
A n alizu ją c w łaściw ości popiołów lotnych wytwarzany ch w procesie o dsiarczania spalin w k o tła ch fluid aln y ch na podstaw ie prac autorów' zagranicznych [2, 5], m ożna przew idyw ać szerokie m ożliw ości w ykorzystania tych odpadów ja k o spoiw a lub k o m p o n en ty spoiw w w aru n k ach górnictw a podziem nego. N ależy w yraźnie podkreślić, że k o p aln ie w ęgla k am iennego obecnie dysponują kom pleksow ą technologią pneum aty czn eg o tran sp o rtu m ateriałów sypkich oraz zapotrzebow aniem na tanie spoiw a w ykorzystyw ane do:
- profilaktyki pożarow ej,
- budow y ta m i korków izolacyjnych, - w y p ełniania pustek,
- budow y pasów izolacyjnych.
W p rzypadku praw idłow ej eksploatacji kotła z cyrkulacyjnym paleniskiem fluidalnym o ra z procesem spalania w ęgla z odsiarczaniem spalin w ytw arzane są popioły lotne, któ ry ch w łaściw ości odpow iadać będ ą w ym aganiom staw ianym spoiw om w ykorzystyw anym w tech n ice górniczej.
N a podstaw ie b ad a ń laboratoryjnych przeprow adzonych przez autorów' opracow ania stw ierdza się, że odpady z dośw iadczalnego kotła fluidalnego typu A K F-c zain stalo w an eg o w K W K "D ębieńsko" m ogą być w ykorzystane jed y n ie do lokow ania w w yrobiskach podziem nych k opalń oraz ja k o w ypełniacz podsadzki sam o- utw ardzalnej.
M ając na uw adze powyższe stw ierdzenia konieczna je s t kontynuacja szczegółow ych b ad a ń laboratoryjnych prow adzonych na próbkach popiołu lotnego z kotła dośw iadczalnego A K F-c pobieranego w różnych okresach je g o eksploatacji oraz in n y c h eksploatow anych kotłów fluidalnych.
6. W N IO SK I K O Ń C O W E
1. P rzeprow adzone próby w iązania i tw ardnienia oraz aktywacji popiołów lotnych z k o tła dośw iadczalnego A K F-c nie wykazały pozytywnych rezultatów.
2. A naliza ch em iczna popiołów' lotnych z kotła dośw iadczalnego A K F-c w ykazała
obecność: ",
- siarczy nów w ap n ia w ilości 0,172 % , - sia rc za n u w ap n ia w ilości 5,4 %, - tle n k u w apnia w ilości 2 , 8 %, - w ęgla w ilości 19,1 %.
Badania laboratoryjne popiołów. 41
3. Popioły lotne z kotła dośw iadczalnego AKF-c na obecnym etapie jego eksploatacji nie w ykazały w łasności w iążących ze w zględu na niew ielkie ilości siarczan u w apnia i dlatego nie m ogą być wykorzystane ja k o spoiwo lub m ateriał bazow y do produkcji spoiw.
4. S tw ierdza się, że odpady z dośw iadczalnego kotła fluidalnego typu AKF-c zainstalow anego w K W K "Dębieńsko" m ogą być wykorzystane jedynie do lokowania w w yrobiskach podziem nych kopalń oraz ja k o dodatek do podsadzki sam o u tw ard zaln ej.
5. N a podstaw ie prac autorów zagranicznych [1 do 2] m ożna przewidywać szerokie m ożliw ości w ykorzystania odpadów z kotłów fluidalnych ja k o spoiw lub k o m ponentów spoiw w w arunkach górnictw a podziem nego.
6. K onieczn a je s t kontynuacja szczegółowych badań laboratoryjnych prow adzonych na próbkach popiołu lotnego z kotła dośw iadczalnego AKF-c p o bieranego w różnych okresach je g o eksploatacji oraz innych eksploatow anych kotłów fluidalnych.
L IT E R A T U R A
[1] P ra b ir B asu, Scott A. Fraser: M anagem ent o f solid residues. C irculating fluidized bed boilers. D esing and operations. C hapter 9.
[2] H ai Soo C hun, S nag D one K im : Fluidized-bed and tree-phase reactors, K yongju, K orea, 1992.
[3] M azurkiew icz A, Żyła J., B urek K.: Pierwszy polski kocioł z cyrkulacyjnym p alen isk iem fluidalnym dla zakładów' energetycznych w L ublinie O PF-230 R A F A K O - E V T system u "AHLSTROM A". Kotły fluidalne, z.3 R acibórz maj
1991.
[4] M azurkiew icz A., B urek K.: Kotły z cyrkulacyjnym paleniskiem fluidalnym R A FA K O - E V T system u "A HLSTROM A". popioły i ich zagospodarow anie.
K otły fluidalne z. 2 R acibórz luty 1991.
Recenzent: Prof. d r hab. inż. Stanislaw Jan iczek
W płynęło do R edakcji w kw ietniu 1994 r.
A b s tr a c t
T h e a rticle end eav o rs to estim ate the quality and usability o f fly-ash w aste from the A K F-c flu id ized b ed boilers, produced by RA FAK O, an d installed in th e "Dçbiciisko"
C oal M ine. L e a rn in g th e p roperties o f fly-ash is o f great im portance for th e ir u tiliz a tio n (in p a rtic u la r in m in in g ) in view o f the constantly increasing nu m b er o f flu id ized bed b oikers in P oland. By reason o f expected b in d in g properties o f fly-ashes le arn ed from overseas literature, they w ere tested on b in d in g process initiation. Since th e re w ere no effects o f th e proceeding, fly-ash w as tested chem ically an d th e results offered m in im al q u antity o f calcium sulfite 0,172% an d calcium sulfate 5,4% , and h ig h co n ten t o f carb o n 19,1%. T he obtained results o f chem ical analyses w ere c o m p ared w ith d ata from literature. T he lack o f b in d in g properties o f fly-ash from the e x p e rim en tasl A K F-c fluidized bed boiler was probably caused by im p ro rer d esu lfu rizatio n o f coal w aste gas, inappropriate exploitation o f the bed boiler, w hich resu lted in too low co n ten t o f calcium sulfate in th e produced waste. T he chem ical analy sis o f ly-ash fro m th e bed boiler discussed showed great sim ilarities w ith th e fly- a s h analy sis results from pulverized (conventional boiler. T he follow ing ch ap ter p resen ts perspectives o f fu rth e r research and prospects o f fly-ash u tiliza tio n provided th e fly-ash pro p erties are o f com parable quality to the fly-ash produced in fluidized bed boilers abroad. W ith correctly ru n process o f coal com bustion w ith w aste gas desu lfarizatio n , th e resu ltan t fly-ash w aste form ed in fluidized bed boilersa w ill m eet req u irem en ts fo r m a teria ls used in th e production o f binders. Fly ashes from fluidized b ed boilers are supposed to be w idely applied in m in in g as m in in g b in d ers or th e ir com ponents.
