Hydratacja popiołu IBS

Instytut Badań Stosowanych Politechniki Warszawskiej Sp. z o.o.

Centrum Inżynierii Minerałów Antropogenicznych

ANALIZA

TERMOGRAWIMETRYCZNA

ORAZ OKRE ŚLENIE TOPOGRAFII

POPIOŁÓW LOTNYCH

PRZY WYKORZYSTANIU

MIKROSKOPU SIŁ ATOMOWYCH

OPRACOWANIE MODELU EKSPERYMENTU BADAWCZEGO

HYDRATACJI POPIOŁÓW WRAZ Z USTALENIEM WYTYCZNYCH

DO PRZEPROWADZENIA TEGO DO ŚWIADCZENIA ORAZ

OKREŚLENIEM KONIECZNEJ METODOLOGII BADAWCZEJ.

WYKONANIE WW. EKSPERYMENTU BADAWCZEGO.

Warszawa, 2015 r.

2

CEL PRACY

Praca została wykonana w ramach umowy, nr 3/03/213310/GEKON, dotyczącej

dzieła pt.: Opracowanie modelu teoretycznego, eksperymentu badawczego hydratacji

popiołów w ciągu spalin, wraz z ustaleniem wytycznych do przeprowadzenia tego

doświadczenia oraz określeniem koniecznej metodologii badawczej. Wykonanie ww.

eksperymentu badawczego.

Ww. dzieło realizowane jest w ramach projektu pt. „Innowacyjna modyfikacja

technologii produkcji niskoemisyjnych spoiw oraz nawozów, na bazie Ubocznych Produktów

Spalania (UPS) z energetyki”, zadanie nr 1, dofinansowanego przez NCBiR i NFOŚiGW,

w ramach Programu GEKON – Generator Koncepcji Ekologicznych, i obejmuje swym

zakresem w szczególności następujące czynności:

a) opracowanie modelu teoretycznego, eksperymentu badawczego hydratacji popiołów

w ciągu spalin, wraz z ustaleniem wytycznych do przeprowadzenia tego

doświadczenia,

b) dokonanie poboru próbek popiołu lotnego w Elektrowni Bełchatów, bezpośrednio z

procesu energetycznego,

c) przygotowanie próbek i przeprowadzenie doświadczenia w skali rzeczywistej, tj. na

działającym kotle pyłowym, z uwzględnieniem następujących wymogów:

• temperatura ośrodka gazowego 350, 360, 370, 380, 390 i 400 st. C;

• stężenie popiołu lotnego w ośrodku gazowym 50, 60, 70, 80 i 90 g/m3;

• ilość czynnika hydratyzującego w ilości 10, 15 i 20% stężenia popiołu lotnego

w ośrodku gazowym.

d) wykonanie próby nastąpi z wydłużonym czasem przebywania popiołów, poddanych

działaniu wody w instalacji,

e) oprócz powyższego, sprawdzeniu poddana zostanie możliwości ulokowania

instalacji zraszającej za przegrzewaczami powietrza LUVO, tj. wykonanie próby w

zakresach temperatur 150 - 190 st. C, z dodatkiem 10% wody,

f) badania termograwimetryczne uzyskanych próbek materiału po hydratacji, pod

kątem obecności wodorotlenku i jego zawartości procentowej,

g) ocena zawartości CaO wolnego zgodnie z obowiązującymi normami, rozkład

ziarnowy (MALVERN) ocena powierzchni właściwej w oparciu o analizę sitową,

3

h) ocena możliwości prowadzenia procesu przemysłowego i sposobu jego realizacji

oraz – fakultatywnie – sformułowanie koncepcji instalacji do hydratacji w skali

półtechnicznej,

i) raport końcowy, według wymagań obowiązujących dla Programu GEKON.

OPIS WYKONANEGO ZADANIA

Wykonano próby, w pełnym zakresie opisanym powyżej. Wyniki okazały się

niezadowalające. Analiza danych literaturowych, oraz konsultacje z prof. Tsimasem,

pokazują, że w temperaturach pow. 200 st. C reakcja hydratacji ma ograniczony zakres.

Potwierdzeniem tego są wyniki badań hydratacji popiołów lotnych z węgla brunatnego, które

Zamawiający wcześniej zlecił Centrum Innowacji w Energetyce, Politechniki

Częstochowskiej, w ramach realizowanego programu badawczo-rozwojowego GEKON.

Po uzgodnieniach z Zamawiającym, ustalono, co następuje:

1. Przeprowadzone wyniki badań w temperaturach powyżej 360oC nie wykazują efektu

hydratacji w postaci utraty wolnego tlenku wapnia i zmiany go w wodorotlenek

wapnia. Nie skutkuje to również wzrostem powierzchni właściwej.

2. Nie zauważono praktycznie żadnego wpływu zmian stężenia popiołu lotnego w

ośrodku gazowym w zakładanych stężeniach 50, 60, 70, 80 i 90 g/m3. Podwodem jest

prawdopodobnie i tak relatywnie niskie stężenie popiołu w gazie transportującym w

warunkach rzeczywistych. Kilkukrotny wzrost stężenia popiołu do ponad 500 g/m3

dopiero wykazywał oddziaływanie na proces hydratacji wyraźnie ją blokując,

natomiast w zakładanych zakresach nie stwierdzono korelacji pomiędzy zmianą

stężenia pyłu, a hydratacją, czy rozwojem powierzchni właściwej.

3. Ilość wprowadzanej wody była istotnym czynnikiem hydratyzującym, natomiast

pojawiał się tutaj problem aglomeracji przy niskich temperaturach i strumieniach

wody wyższych niż 10%. Wynika z przeprowadzonych badań, ze jest to maksymalna

ilość wody jaką można wprowadzić do pracującej instalacji kotłowej, a w zasadzie

systemu odprowadzania popiołu. Wyższe wartości dają co prawda lepsze efekty ale

skutecznie blokują transport pneumatyczny popiołu lotnego.

4

ANALIZA TERMOGRAWIMETRYCZNA

Popioły zostały poddane badaniom termograwimetrycznym przy użyciu analizatora

TGA/SDTA 851e TGA/SDTA 851e firmy Mettler Toledo. Parametry prowadzenia pomiaru

przedstawiono poniżej:

Zakres temperaturowy pomiaru: 25oC – 10000 C

Stopień nagrzewania celi: 20 oC/min

Gaz: azot o przepływie 50ml/min

Dodatkowo jako gaz ochronny: argon o przepływie 20ml/min

Tygiel: platyna 70ul

Masa początkowa próbki ~20mg.

Rysunek 1. Krzywa TG, DTG próbki mokrej aktywowanej popiołu lotnego.

Popiół mokry aktywowany charakteryzował się ubytkiem masy wynoszącym około

6,5% w temperaturze 690oC dla CaCO3 pochodzącego ze skały płonnej oraz 0,5%

dla Ca(OH)2 w temperaturze 430 oC.

5

Rysunek 2. Krzywa TG, DTG próbki mokrej surowej popiołu lotnego.

Natomiast dla próby popiołu mokrego jednakże, bez użycia wody aktywowanej

ubytek masy wyniósł około 6,0 % dla CaCO3 pochodzący ze skały płonnej w temperaturze

688 oC oraz 0,5 Ca(OH)2 w temperaturze 430oC.

Rysunek 3. Krzywa TG, DTG próbki suchej popiołu lotnego.

6

Popiół lotny bez dodatku wody charakteryzował się ubytkiem masy CaCO3 (ze skały

płonnej) wynoszącym 7,5% w temperaturze 696 oC oraz 0,5% dla Ca(OH)2 w temperaturze

430 oC. W proponowanych warunkach hydratacja przebiegała w minimalnym stopniu.

OKREŚLENIE TOPOGRAFII POPIOŁÓW LOTNYCH

PRZY WYKORZYSTANIU MIKROSKOPU SIŁ ATOMOWYCH

Określenie topografii popiołów lotnych zostało wykonane z wykorzystaniem

mikroskopu sił atomowych. Mikroskop sił atomowych Atomic Force Microscope AFM

stanowi przykład skaningowego mikroskopu sondującego. W badaniach wykorzystano

mikroskop sił atomowych Vecco Muti Mode V typu Nanscope E, o następujących

parametrach: zakres skanowania wynosił 2x2 µm2, obszar w jakim rejestrowano próbki-

10 x 10 µm po osi X, Y, natomiast po osi Z=2,5 µm. Materiał nanoszono na nośny krążek,

umocowano za pomocą „sticker’a” i umieszczano na skanerze, który umożliwia jej

precyzyjne przesuwanie względem sondy pomiarowej, krzemowej dźwigni z ostrzem.

Skanowanie było prowadzone w płaszczyźnie próbki (x,y) jak również w kierunku do niej

prostopadłym (oś z). Obraz został utworzony przez program komputerowy na bazie sygnałów

elektrycznych charakteryzujących sprzężenie miedzy próbką a sondą. Podczas analizy

wykorzystano tryb pracy: Tapping Mode (półkontakt) o częstotliwości rezonansowej

f = 230 – 292 kHz. Technika AFM, bazuje na wykorzystywaniu oddziaływań

międzyatomowych, dzięki którym określono topografię, chropowatość oraz profil

powierzchni w wybranym przekroju.

OKREŚLENIE STRUKTURY POPIOŁÓW LOTNYCH

– MIKROSKOP SIŁ ATOMOWYCH

Topografię ziarna popiołu lotnego z Elektrowni Bełchatów użytego do badań

hydratacji przedstawiono na rysunkach: 4-15.

7

Rysunek 4. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 500 x1,0µm, ziarno węgla 10 % woda aktywowana, próbka mokra.

Rysunek 5. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 500 x1,0µm, ziarno białe 10 % woda aktywowana, próbka mokra.

8

Rysunek 6. Topografia ziarna popiołu lotnego- badany obszar 1,2µm x 3,0µm, ziarno węgla 10 % woda aktywowana, próbka mokra.

Rysunek 7. Topografia ziarna popiołu lotnego- badany obszar 1,2µm x 3,0µm,

ziarno białe 10 % woda aktywowana, próbka mokra.

9

Rysunek 8. Topografia ziarna popiołu lotnego- badany obszar 500 x1,0µm, ziarno białe 10 % woda surowa, próbka mokra.

Rysunek 9. Topografia ziarna popiołu lotnego- badany obszar 500 x1,0µm, ziarno węgla 10 % woda surowa, próbka mokra.

10

Rysunek 10. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 1,2µm x 3,0µm, ziarno białe 10 % woda surowa, próbka mokra.

Rysunek 11. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 1,2µm x 3,0µm, ziarno węgla 10 % woda surowa, próba mokra.

11

Rysunek 12. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 500 x1,0µm, ziarno węgla, próba sucha.

Rysunek 13. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 500 x1,0µm, ziarno białe, próba sucha.

12

Rysunek 14. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 1,2µm x 3,0µm, ziarno białe, próbka sucha.

Rysunek 15. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 1,2µm x 3,0µm, ziarno czarne, próbka sucha.

13

Zidentyfikowane ziarna popiołu lotnego charakteryzują się zróżnicowaną morfologią.

W skanowanym materiale dominowały ziarna o kształcie kulistym: mineralne

oraz amorficzne. W popiele lotnym najdrobniejszą frakcję stanowią wypełnione w środku

porosfery, natomiast frakcje grubsze (czasami przekraczające średnice 100 µm) stanowią

puste cenosfery. Występują również plerosfery, które stanowią otwarte wypełnione w środku

mniejszymi ziarnami kulistymi od 1 do kilku µm ziarna. Ziarna PL mogą występować

pojedynczo, bądź jak na analizowanych zdjęciach (ze względu na silne właściwości

higroskopijne) mogą się łączyć ze sobą tworząc aglomeraty złożone z subziaren węgla.

Na rysunkach 16-21 zaprezentowano powierzchnię właściwą oraz charakterystykę badanego

materiału z podkreśleniem chropowatości.

Rysunek 16. Powierzchnia właściwa, chropowatość ziarna czarnego popiołu lotnego, 10 % woda aktywowana, próbka mokra, 3,0µm.

Name 007 Value Results Image Surface Area 14.3 µm˛ Image Projected Surface Area 9.00 µm˛ Image Surface Area Difference 59.1 % Image Rq 104 nm Image Ra 80.4 nm Image Rmax 629 nm

14

Rysunek 17. Powierzchnia właściwa, chropowatość ziarna białego popiołu lotnego, 10 % woda aktywowana, próbka mokra, 3,0µm.

Rysunek 18. Powierzchnia właściwa, chropowatość ziarna białego popiołu lotnego, 10 % woda surowa, próbka mokra, 3,0µm.

Name biała 085 Value

Results

Image Surface Area 15.6 µm˛

Image Projected Surface Area 9.00 µm˛

Image Surface Area Difference 73.5 %

Image Rq 142 nm

Image Ra 114 nm

Image Rmax 859 nm

Name biala 004 Value Results Image Surface Area 14.8 µm˛ Image Projected Surface Area 9.00 µm˛ Image Surface Area Difference 64.3 % Image Rq 170 nm Image Ra 138 nm Image Rmax 1020 nm

15

Rysunek 19. Powierzchnia właściwa, chropowatość ziarna czarnego popiołu lotnego, 10 % woda surowa, próbka mokra, 3,0µm.

Rysunek 20. Powierzchnia właściwa, chropowatość ziarna białego popiołu lotnego, próba sucha, 3,0µm.

Name02251158_ czarna Value Results Image Raw Mean -232 nm Image Mean 0.132 nm Image Z Range 274 nm Image Surface Area 10.0 µm˛ Image Projected Surface Area 9.00 µm˛ Image Surface Area Difference 11.4 % Image Rq 44.7 nm Image Ra 34.3 nm Image Rmax 274 nm

Name 02201235 Value Results Image Surface Area 13.5 µm˛ Image Projected Surface Area 9.00 µm˛ Image Surface Area Difference 50.2 % Image Rq 151 nm Image Ra 119 nm Image Rmax 916 nm

16

Rysunek 21. Powierzchnia właściwa, chropowatość ziarna czarnego popiołu lotnego, próba sucha, 3,0µm.

Tabela 1.

Próba mokra Próba sucha

10 % H2O aktywowana 10 % H2O surowa

Czarne ziarno

Białe ziarno Czarne ziarno

Białe ziarno Czarne ziarno

Białe ziarno

Surface Area Difference [%]

59.1 73.5 11.4 64.3 44.0 50.2

Ra [nm] 80,4 114 34.3 138 24.0 119

Chropowatość powierzchni jest jednym z elementów, które w istotny sposób

wpływają na zastosowanie popiołów lotnych w innowacyjnych technologiach.

Natomiast w zastosowaniu w budownictwie im większa jest powierzchnia właściwa tym,

materiał charakteryzuje się większą aktywnością pucolanową i jest z powodzeniem

stosowany. Na rysunkach nr 22-27 przedstawiono profile powierzchni.

Name 02182347 Value Results poniżej 4x4 Image Surface Area 23.4 µm˛ Image Projected Surface Area 16.3 µm˛ Image Surface Area Difference 44.0 % Image Rq 30.7 nm Image Ra 24.0 nm Image Rmax 185 nm

Raw Mean -373 nm Mean -0.254 nm Z Range 185 nm poniżej 3x3 Surface Area 13.5 µm˛ Projected Surface Area 9.20 µm˛ Surface Area Difference 46.2 % Rq 30.0 nm Ra 24.5 nm Rmax 202 nm

17

Rysunek 22. Profil powierzchni w wybranym przekroju 1-2, badany obszar 3,0µm, ziarno czarne, próba mokra, 10% woda aktywowana.

Rysunek 23. Profil powierzchni w wybranym przekroju 1-2, badany obszar 3,0µm, ziarno białe, próba mokra, 10% woda aktywowana.

18

Rysunek 24. Profil powierzchni w wybranym przekroju 1-2, badany obszar 3,0µm, ziarno białe, próba mokra, 10% woda surowa.

Rysunek 25. Profil powierzchni w wybranym przekroju 1-2, badany obszar 3,0µm, ziarno czarne, próba mokra, 10% woda surowa.

19

Rysunek 26. Profil powierzchni w wybranym przekroju 1-2, badany obszar 3,0µm, ziarno białe, próba sucha.

Rysunek 27. Profil powierzchni w wybranym przekroju 1-2, badany obszar 3,0µm, ziarno czarne, próba sucha.

20

We wszystkich analizowanych próbach stwierdzono nieregularne ziarna

o zaokrąglonych bądź ostrokrawędzistych brzegach, posiadają one największe wymiary,

zazwyczaj ich średnica przekracza 150 µm. Ziarna największe posiadające najciemniejszy

kolor i stanowią zasadniczo okruchy niespalonego węgla, sadzy oraz mniejsze mineralne

jasne ziarna kwarcu. Jak widać na rysunkach PL ze spalania węgla brunatnego

są jasnobrązowe bądź szare.

BADANIA W ZMODYFIKOWANYCH WARUNKACH

W dniu 31.03.2015 przeprowadzono serię dodatkowych badań hydratacji popiołu

lotnego na nowym stanowisku przedstawionym na rysunku:

Rysunek 28. Schemat stanowiska badawczego.

Stanowisko do badań aktywacji popiołu lotnego zbudowano jako zamknięty kanał

o przekroju kołowym (średnica 0,2 m) i elipsoidalnym kształcie o szerokości 1m i długości

3m (2m - odcinek prosty). Do kanału poprzez krócieć wprowadzano popiół lotny znajdujący

się w strumieniu gorących spalin, który na swojej drodze napotykał kurtynę wodną tworzoną

przez wtryśnięte do przewodu cząsteczki wody. Wodę do układu wprowadzono poprzez

system dysz umiejscowionych symetrycznie na obwodzie kanału. Cząsteczki popiołu lotnego

unoszone w gorących spalinach wchodzą w kontakt z cząsteczkami wody, ulegając hydratacji.

Ciągły przepływ mieszaniny spalin i popiołu lotnego w kanale wymuszany został za pomocą

21

wentylatora. Po zakładanym czasie pobytu w komorze reakcyjnej zhydratyzowane cząstki

popiołu lotnego wyprowadzano z instalacji za pomocą króćca spustowego.

Natępnie przeprowadzono analizę termograwimetryczną badanego popiołu lotnego,

wyniki przedstawiono na rysunkach: 29-31.


Popiół mokry aktywowany charakteryzował się ubytkiem masy wynoszącym 5,5%

w temperaturze 690 0C dla CaCO3 pochodzącego ze skały płonnej oraz 3,4 % dla Ca(OH)2

w temperaturze 430 0C.

22


Popiół mokry charakteryzował się ubytkiem masy wynoszącym 6% w temperaturze

690 0C dla CaCO3 pochodzącego ze skały płonnej oraz 2,8% dla Ca(OH)2 w temperaturze

430 0C.


23

Natomiast popiół suchy charakteryzował się ubytkiem masy wynoszącym 7%

w temperaturze 690 0C dla CaCO3 pochodzącego ze skały płonnej oraz 0,5 % dla Ca(OH)2

w temperaturze 435 0C.

Uzyskane próbki z hydratacji poddano dodatkowo analizie CaO wolnego oraz analizie

ziarnowej. Wyniki przedstawiono w poniższej tabeli 2.

Tabela 2. Hydratacja popiołu lotnego w temperaturze 350 0C z 10% udziałem wody surowej

i aktywowanej – test dodatkowy 2.

350°C 10%H2O

test dodatkowy nr 2 woda surowa woda aktywowana 10%

sucha mokra sucha mokra

CaO [%] 3.75 3.77 4.02 4.07

d(0,1) [µm] 20.222 18.466 19.567 17.322

d(0,5) [µm] 82.144 79.821 81.298 80.122

d(0,9) [µm] 215.330 198.467 224.076 212.283

Specific Surface Area [m/g] 0.147 0.178 0.154 0.177

Surface Weighted Mean D[3,2] [µm] 41.217 45.554 41.341 49.329

Vol. Weighted Mean D[4,3] [µm] 111.246 129.544 124.657 131.577

Uzyskane wyniki rozkładów ziarnowych i powierzchni właściwych pokazują ich

wyraźny przyrost po hydratacji w każdym przypadku i wynoszą od 6 do 16%. Analiza CaO

wolnego nie wykazuje żadnych zmian ale jest to spowodowane specyfiką metody oznaczania,

o czym wspominał Raport Politechniki Częstochowskiej.

24

WNIOSKI

Przeprowadzone wcześniej badanie na modelu CFB dały wyniki na różnym poziomie

bez jednoznacznej odpowiedzi na pytanie o możliwości prowadzenia hydratacji. Dopiero

badania na elemencie przewodu dały pełną i jasną odpowiedź, że jest to możliwe. Obydwa

testy dały pozytywny efekt. Prawdopodobnie w przypadku pierwszym ograniczeniem była

ilość popiołu cyrkulującego w instalacji pilotażowej CFB. Ze względów eksploatacyjnych

ilość popiołu była znacznie zawyżona w stosunku do warunków rzeczywistych. W przypadku

przewodu zastosowana stężenie pyłu zbliżone do stężenia przemysłowego. W próbie

aktywowanej wyznaczona zawartość wodorotlenku wapnia 3,4 % stanowi prawie 88%

przereagowania tlenku wapnia, który w próbce suchej stanowił niewiele ponad 0,5%.

A zawartość CaO w popiele bez obróbki średnio wynosiła 3,85. Taki wynik należy uznać

za bardzo dobry. W próbce dla wody bez aktywacji uzyskano natomiast 73% stopień

przereagowania. Wydaje się, że przeprowadzenie testu w warunkach przemysłowych

da lepszy obraz proponowanej metody. Analizę wyników oparto na uzyskanych wynikach

laboratoryjnych i próbach stanowiskowych. Podczas badań zweryfikowano wcześniej

uzgodnioną metodykę, a badania wzbogacono o analizę TGA oraz analizę mikroskopem sił

atomowych. Ze względu na to, że proponowana metoda analityczna zgodna z Normą PN-EN

451-1 jest bezużyteczna w tego typu oznaczeniach.

Badania pokazały także, że nie ma szybkiej metody analitycznej do wykrywania

wodorotlenku wapnia i wolnego tlenku wapnia osobno. Określanie konwersji CaO

do wodorotlenku wapnia z zastosowaniem analizy chemicznej zgodnie z Normą

PN-EN 451-1, pokazała kompletną jej nieprzydatność do tego rodzaju badań, gdyż tlenek

i wodorotlenek wapnia według w/w normy oznaczane są łącznie. Jedyną alternatywą jest

zastosowanie metody termograwimetrycznej. Analiza TGA jest co prawda bardzo dokładną

metodą jednakże bardzo praco- i czasochłonną. Czas jednego oznaczenia z przygotowaniem

aparatu i próbki przekracza 4 godziny, a dodatkowo analizie poddawana jest próbka w ilości

5 -10 mg co stwarza konieczność wykonania wielu serii badań celem uzyskania

reprezentatywnego wyniku. Przy rocznej produkcji popiołów lotnych sięgających z reguły

u dużych wytwórców powyżej miliona ton rocznie, trudno będzie zastosować metodę TGA

jako weryfikującą i sprawdzającą jakość procesu hydratacji. Zatem nie ma możliwości

badania on-line jakości hydratacji w kanale spalinowym z zastosowaniem klasycznych metod.

25

Badania pokazały również, że najlepszą metodą uzyskania produktu o podwyższonej

zawartości wodorotlenku wapnia jest klasyfikacja ziarnowa. Zatem hydratacji powinny zostać

poddane frakcje o największej zawartości CaO wolnego, wtedy to uzyskane efekty będą

maksymalne. Pozytywny efekt dały badania przeprowadzone na wybudowanym to tego celu

kanale spalinowym, w każdym przypadku zanotowano zmianę zawartości pomiędzy

CaO i Ca(OH)2. Hydratacja w tym przypadku zachodziła co potwierdzają również wyniki

uziarnienia i powierzchni właściwych. Interesującym elementem jest zastosowanie analizy

mikroskopii siła atomowych w wyniku, której uzyskano następujące wnioski:

1. Na zdjęciach 9-20 możemy zaobserwować topografię ziarna popiołu. Interesujący

obraz uzyskano na zdjęciu 15,18, przedstawiający zmienność fazową w obrębie

ziarna. Obraz taki uzyskano dzięki zastosowaniu ziaren w kanale spalinowym sił

atomowych. Rozwinięcie powierzchni 3d ziarna daje również pogląd na temat

powierzchni właściwej ziarna popiołu, którego powierzchnia posiada liczne kawerny

jak i wypiętrzenia.

2. Stopień rozwinięcia powierzchni właściwej ziarna czarnego pobranego z Elektrowni

Bełchatów wyniósł 44% po eksperymencie z wykorzystaniem wody surowej uległ

zmniejszeniu do wartości 11,4% lecz przy wykorzystaniu wody aktywowanej stopień

uległ zwiększeniu do wartości 59,1%. Dla części mineralnej popiołu (krzemionki)

stopień rozwinięcia powierzchni właściwej w próbie suchej wyniósł 50,2%,

po eksperymencie z zastosowaniem wody surowej wynosił 64,3% a po wodzie

aktywowanej osiągnął najwyższy stopień aż 73,5%.

3. Chropowatość ziarna popiołu mineralnego we wszystkich badanych próbach osiągnęła

podobne wartości, których zakres wynosił od 114 do 138 nm. Natomiast dla ziarna

czarnego najniższe wartości ukształtowały się w próbie suchej oraz z wodą surową

zdecydowanie odbiegająca od nich jest wartość 80,4 dla próby z wodą aktywowaną.

4. Badania pod mikroskopem elektronowym wykazały, że miedzy błonką hydratów

a powierzchnią ziaren popiołu występuje otoczka wodna wypełniona hydratami,

o grubości 0,5 - µm. Stopniowo wypełnia się ona produktami hydratacji, jednak jest

to proces powolny.

Tego typu badania są bardzo cenne i interesujące jednak w skali przemysłowej nie ma

możliwości ich stosowania ze względu na bardzo długi czas preparacji próbki polegający na

natrysku wybranych ziaren związkami złota, suszeniem i poddawaniem długofalowej

26

ekspozycji. Poza tym dostępność do tego typu urządzeń jest bardzo ograniczona, na chwilę

obecną w Polsce pracują dwa takie mikroskopy.

Przeprowadzone badania dodatkowe wskazują jednak na potencjalne możliwości

stosowania hydratacji w kanale spalinowym. Wydaje się, ze kluczowym elementem jest

stężenie pyłu w kanale, możliwość rozpylenia wody, a także czas przebywania

oraz temperatura procesu. Spadek temperatury poniżej 200 oC zaburza proces transportu pyłu

powodując jego aglomerację i zaklejanie kanału, co może stanowić poważny problem

w systemie odprowadzania popiołu, jak również odzysku ciepła w procesie transportu

zapylonych spalin. W wyższych temperaturach rzędu 300 - 350 oC problem ten nie występuje.

Zbyt duża koncentracja pyłu także utrudnia proces hydratacji, a nawet go blokuje. Aktywacja

wody nie dała jasnych i klarownych efektów w postaci podwyższonego stopnia hydratacji

oraz powierzchni właściwych, a także zmniejszenia badanych specyficznych

i charakterystycznych średnic.

Zebrane powyższe doświadczenia jednoznacznie wskazują, iż powinno się

przeprowadzić próbę przemysłową z zastosowaniem hydratacji popiołów lotnych w kanale

spalinowym. Utrzymując temperaturę na wskazanym poziomie oraz stosując system

atomizacji wody. Uzyskane wyniki pozwalają na podjęcie decyzji o prowadzeniu dalszych

badań w tym zakresie.

A) opis innowacyjności

Proponowana metoda poprawy jakości właściwości popiołów lotnych jest innowacyjna

i nowatorska. Nie znane są do tej pory badania w literaturze światowej poprawy jakości

materiałów antropogenicznych w źródle ich powstawania. Uzyskane wyniki w pełni

potwierdzają wybrany kierunek i umożliwiają stosowanie tej metody w warunkach

przemysłowych. Z punktu widzenia pracy kotła wybór miejsc wtrysku wody nie powinien

wpływać na jakość procesu spalania, a także na sprawność kotła oraz systemów oczyszczania

spalin.

27

a) Dodatkowe zdjęcia uzyskane przy użyciu mikroskopu sił atomowych.

Rysunek 32. Ziarno czarne 10 % woda aktywowana, próbka mokra


28

Rysunek 34. Ziarno białe 10 % woda aktywowana, próbka mokra


29



30

Rysunek 38. Ziarno białe 10 % woda surowa, próbka mokra


31

Rysunek 40. Ziarno czarne 10 % woda surowa, próbka mokra


32



33

Rysunek 44. Ziarno czarne, próba sucha


34

Rysunek 46. Ziarno białe, próba sucha


35



36

Rysunek 50. Profil powierzchni w wybranym przekroju 1-2, badany obszar 1,0µm, ziarno białe, próba mokra, 10% woda aktywowana.

Documents

Hydratacja popiołu IBS