POJIVÉ VLASTNOSTI POPÍLKU ZE SPALOVNY KOMUNÁLNÍHO ODPADU
OBSAH
BINDING PROPERTIES OF FLY ASH FROM MUNICIPAL SOLID WASTE INCINERATOR Pavla Rovnaníková1), Žaneta Průdková2) 1) 2)
Stavební fakulta VUT v Brně VUSTAH a.s., Brno
Abstract: Fly ash from incinerator is declared as non-toxic material that corresponds to the limits of the 2nd class of Notice No. 383/2001 Code of laws. In the contribution there are described the binding properties of fly ash based on compressive and flexural strengths determination. The compressive strength of solidified mixture of fly ash and water is about 6 N/mm2 and flexural strength is about 1.4 N/mm2. 1. Úvod Problematika možnosti využití popílku a strusky produkované spalováním městských komunálních odpadů se dostává do popředí zájmu jak producentů těchto odpadů, tak i spotřebitelů, kteří v odpadech ze spalování vidí materiálové zdroje, kterých by mohlo být užito při vzájemném spolupůsobení nízké ceny a ekologičnosti. Zneškodňování komunálního odpadu, který produkuje každý občan, je možno provádět v podstatě dvěma způsoby: ukládáním na skládky nebo spalováním ve speciálních zařízeních – spalovnách. Spalování komunálního odpadu je výhodnější z několika hledisek: • •
•
minimalizuje se objem komunálního odpadu, spalováním vznikají odpady, které jsou homogennější než původní komunální odpad, který zahrnuje širokou škálu chemických sloučenin a má vysoký obsah organických látek a také granulometrie odpadů se posune k menším rozměrům; teplo, které vzniká při spalování je možno dále využívat.
Produktem spalování jsou kromě tepla popeloviny, které jsou charakterizovány popílkem a struskou. Je snahou producentů těchto odpadů, aby byly popeloviny upraveny do takové formy, která by z nich učinila ostatní odpad a umožňovala tak jejich využití v technické praxi. Záměrem výzkumu bylo zjistit pojivé vlastnosti popílku ze spalovny komunálního odpadu TERMIZO, a.s., Liberec. V této spalovně bylo minimalizováno množství pevných odpadů tak, že z popílku a strusky byla vytvořena směs, vyhovující požadavkům netoxičnosti, podle Vyhlášky Ministerstva životního prostředí o podrobnostech nakládání s odpady 383/2001 Sb., pod názvem Směs popelovin pro rekultivaci a úpravu krajiny (SPRUK), která je určena pro rekultivační účely a úpravu krajiny, pro násypy a zásypy. Zjištění příčiny pojivých vlastností popílku a možnost jejich zvýšení by umožnilo další využití tohoto netoxického velkoobjemového odpadu.
119
2. Vlastnosti popílku Popílek je tvořen prachovými částicemi kulovitého tvaru o velikosti zrn od několika µm až po několik stovek µm. Svým složením odpovídá anorganickému obsahu komunálního odpadu a při vhodném spalovacím procesu obsahuje minimální podíl organického nespáleného zbytku. Spalování odpadu probíhá termooxidačním procesem při teplotách 950 až 1130°C, kdy dojde k tvorbě plynných složek (H2O, CO2, SOx, NOx, Cl2, F2), kterými se z odpadu odstraní většina organických látek a některé látky anorganické. Chemické složení popílku závisí na složení anorganické složky odpadu, které se v průběhu roku mění. Popílek z odlučovačů je surový s obsahem řady prvků (zejména těžkých kovů), které jsou z hlediska životního prostředí nepřípustné. Proto je popílek upraven kyselým loužením při zvýšené teplotě, následně promýván vodou a odvodněn. Vlhkost popílku se pak pohybuje v rozmezí 25 – 35%. Popílek je sypký, vlhký, bez zápachu, pH vodního výluhu je 6,90. Obsah organických toxických látek (BTEX, EOX(Cl), PAU, NEL, PCB, TOC v pevné fázi nepřesahuje limity pro inertní odpad podle Vyhlášky NŽP 383/2001 Sb. Hodnoty obsahu anorganických látek ve vodním výluhu, které jsou stanovovány na základě stejné vyhlášky ukazují, že pevný popílek vyhovuje až na obsah síranů vyluhovací třídě I. Zvýšený obsah síranů je způsoben obsahem CaSO4⋅2H2O a Na2SO4, které jsou rozpustné. Popílek byl charakterizován sítovým rozborem, tabulka 1, chemickým složením, tabulka 2, RTG difrakční analýzou, obr. 1, 2, termickou analýzou, obr. 3, 4 a mikrostrukturou pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu, obr. 5 a 6. Tab. 1 Sítový rozbor popílku Otvor na sítě [mm]
Dílčí zbytek na sítě [%]
4 2 1 0,5 0,25 0,125 0,063 < 0,045 Σ
0,0 0,0 0,5 3,2 25,0 13,8 10,0 47,6 100,0
Celkový propad sítem [%] 100,0 100,0 99,5 96,4 71,4 57,6 47,6 0,0 -
Popílek má největší podíl zrn (47,6 %) v rozmezí 45 až 63 µm, obsahuje i zrna větší (500 µm), ojediněle zrna o velikosti 1 mm. Obsah vody více než 30 % je poměrně vysoký, na druhé straně tato voda může tvořit část nebo celé množství záměsové vody. Chemické složení vysušeného popílku ukazuje na vysoký obsah SiO2, Al2O3, CaO a síranů. Složení je odlišné od běžných vysokoteplotních elektrárenských popílků, zejména se liší obsahem síranů. Ztráta žíháním je poměrně nízká, zahrnuje nejen zbytek organických spalitelných látek, ale také vodu z rozkladu sádrovce a přítomného hydroxidu vápenatého.
120
RTG difrakční analýza vzorku popílku vysušeného při 40°C ukázala přítomnost sádrovce (CaSO4·2H2O) a β-křemene (SiO2), obr. 1. Popílek byl také sušen při teplotě 105°C do konstantní hmotnosti. V tomto případě došlo k rozkladu sádrovce na hemihydrátovou sádru, rovněž byl zjištěn β-křemen, portlandit a anhydrit III, obr. 2. Tab. 2 Chemické složení popílku Složka
Obsah [%] 34,00 1,20 26,75 5,52 2,32 0,15 14,45 2,00 1,40 10,53 1,02 0,12
SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO MnO CaO Na2O K2O SO3 P2O5 Volné CaO Ztráta žíháním Obsah vody
7,24 30,36
Obr. 1 RTG difrakční analýza vzorku popílku vysušeného při 40 °C
Obr. 2 RTG difrakční analýza vzorku popílku vysušeného při 105°C
U popílku sušeného při teplotě 40 °C byla přítomnost sádrovce potvrzena také termickou analýzou, kde na DTA křivce je výrazný endotermní pík, odpovídající jeho rozkladu, obr. 3. Modifikační přeměna křemene, probíhající při teplotě 490°C je překryta výrazným exoefektem rozkladu zbytků organických látek. Absenci sádrovce a přítomnost hemihydrátové sádry v popílku, který byl vysušen při teplotě 105°C, ukazuje záznam analýzy na obr. 4. Elektronová rastrovací mikroskopie ukázala, že popílek obsahuje zrna kulovitého tvaru, tak jak je běžné u vysokoteplotních popílků z elektráren a tepláren. 121
Kulovité částice popílku vysušeného při 40°C jsou velmi dobře patrné na obr. 5, na obr. 6 jsou znázorněny dobře vyvinuté krystaly sádrovce. Vysušením popílku při teplotě 105°C se kulovité částice popílku nemění, obr. 7, sádrovec se rozloží na hemihydrátovou sádru, jejíž dobře vyvinuté krystaly jsou vidět na obr. 8.
Obr. 3 Termická analýza vzorku popílku vysušeného při 40 °C
Obr. 4 Termická analýza vzorku popílku vysušeného při 105°C
Obr. 5 Mikrostruktura popílku vysušeného při 40°C
Obr. 6 Mikrostruktura popílku vysušeného při 40°C 122
Obr. 7 Mikrostruktura popílku vysušeného při 105°C
Obr. 8 Mikrostruktura popílku vysušeného při 105°C
3. Složení směsí a metodika zkoušení Směsi pro výrobu zkušebních těles vycházely z popílku ve stavu vlhkém a z popílku vysušeného při teplotě 105°C do konstantní hmotnosti. Suchý popílek byl nejdříve míchán s 50 ml vody po dobu 2 minut, a dále pak se zbytkovým množstvím vody po dobu 6 minut. Závislost pevností a objemových hmotností na vodním součiniteli (w) byla zkoušena u suchého popílku s 5 vodními součiniteli na zkušebních tělíscích velikosti 20x20x100 mm v termínech 28, 56, 84 a 112 dnů. Vlhký popílek (vlhkost 30,36 %) byl míchán najednou s celkovým přídavkem vody, a to po dobu 6 minut. Závislost pevností a objemových hmotností na vodním součiniteli byla zkoušena u vlhkého popílku s 5 vodními součiniteli na zkušebních tělíscích velikosti 20x20x100 mm v termínech 28, 56, 84 a 112 dnů. 4. Výsledky stanovení a jejich diskuse Výsledky stanovení objemových hmotností, pevností v tlaku a tahu za ohybu jsou uvedeny v tabulkách 3 a 4. Pevnosti v tlaku a tahu za ohybu za 112 dní v závislosti na vodním součiniteli jsou uvedeny v grafech na obr. 9 a 10 pro směsi připravené ze suchého popílku a z vlhkého popílku. Z výsledků vyplývá, že s rostoucím vodním součinitelem se u obou druhů zkušebních těles snižují pevnosti v tlaku i v tahu za ohybu. Pevnosti vzrůstají s délkou doby zrání zkušebních těles. Tělesa vyrobená ze suchého popílku vykazovala po 112 dnech více než 2,5násobné pevnosti v tlaku a 5násobné pevnosti v tahu za ohybu v porovnání s tělesy, vyrobenými z mokrého popílku. Vyšší pevnosti u těles vyrobených z vysušeného popílku jsou způsobeny přítomností sádry a anhydritu, které s vodou hydratují za vzniku sádrovce, zatímco ve vlhkém popílku je síran vápenatý přítomen již ve formě sádrovce. 123
Tab. 3 Objemové hmotnosti a pevnosti zkušebních těles vyrobených ze suchého popílku doba zrání [dny]
w = 0,40
28 56 84 112
1082 1415 1291 1432
28 56 84 112
2,26 6,63 6,00 6,17
28 56 84 112
0,24 1,47 1,26 1,42
w = 0,45
w = 0,50
Objemová hmotnost [kg/m3] 1304 1258 1376 1348 1343 1313 1401 1361 Pevnost v tlaku [N/mm2] 5,24 5,53 5,62 4,94 5,52 5,25 6,42 5,39 Pevnost v tahu za ohybu [N/mm2] 1,06 1,23 1,33 1,29 1,42 1,29 1,39 1,41
w = 0,55
w = 0,60
1318 1312 1267 1286
1251 1318 1212 1386
4,83 5,02 4,49 4,37
3,89 4,88 4,31 4,10
1,14 1,16 1,25 1,06
0,89 1,07 1,00 0,99
Tab. 4 Objemové hmotnosti a pevnosti zkušebních těles vyrobených z vlhkého popílku doba zrání [dny]
w = 0,44
28 56 84 112
1267 1306 1271 1306
28 56 84 112
2,51 2,60 2,25 2,43
28 56 84 112
0,24 0,26 0,23 0,26
w = 0,47
w = 0,51
Objemová hmotnost [kg/m3] 1231 1280 1306 1267 1225 1245 1300 1276 Pevnost v tlaku [N/mm2] 2,19 2,45 2,66 2,47 1,94 1,94 2,32 2,17 Pevnost v tahu za ohybu [N/mm2] 0,22 0,25 0,26 0,27 0,22 0,24 0,25 0,25 124
w = 0,54
w = 0,62
1270 1219 1248 1269
1221 1185 1198 1229
2,33 2,37 2,19 2,16
1,81 1,44 1,92 2,13
0,26 0,26 0,24 0,25
0,21 0,21 0,20 0,23
7 popílek suchý popílek vlhký
2
pevnost v tlaku [N/mm ]
6
5
4
3
2
1
0 0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
vodní součinitel
Obr. 9 Pevnost v tlaku po 112 dnech v závislosti na vodním součiniteli
2
pevnost v tahu za ohybu [N/mm ]
1,6 popílek suchý
1,4
popílek vlhký
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
vodní součinitel
Obr. 10 Pevnost v tahu za ohybu po 112 dnech v závislosti na vodním součiniteli RTG difrakční analýza zatvrdlého popílku ukázala na přítomnost krystalických fází: sádrovce, portlanditu a β-křemene. Snímky mikrostruktury z rastrovacího elektronového mikroskopu ukazují u vzorku vyrobeného ze suchého popílku uspořádání krystalů sádrovce srostlé do drúz a 125
dobře vyvinuté krystaly portlanditu, které jsou příčinou vyšších pevností. Vzorky z vlhkého popílku mají neuspořádanou strukturu s nahodilým výskytem krystalů sádrovce. Snímky mikrostruktury jsou na obr. 11 a 12.
Obr. 11 Mikrostruktura zatvrdlého vzorku z vysušeného popílku
Obr. 12 Mikrostruktura zatvrdlého vzorku z vlhkého popílku
5. Závěr Popílek, který vzniká spalováním komunálního odpadu, má pojivé vlastnosti, a to jak ve stavu vlhkém, tak ve stavu vysušeném. Na pojivých vlastnostech popílku se podílí zejména síranové sloučeniny, anhydrit a hemihydrátová sádra, které hydratací vytvářejí sádrovec. Hydratace sádrovce je podpořena přítomností sodných a draselných solí. Dále je v popílku přítomen portlandit (hydroxid vápenatý), který reaguje se vzdušným oxidem uhličitým a vytváří uhličitan vápenatý. Vzhledem k vývinu pevností je možno konstatovat, že příspěvek sádrových pojiv k pevnostem bude dominantní. Poděkování Příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru MS 1350003 Ekologicky a energeticky řízené soustavy zpracování odpadů a biomasy. 5. Literatura [1] EICHLEROVÁ, J., NOVÁK, P. Možnosti využití zbytkových materiálů po spalování odpadu k rekultivačním a stavebním účelům. Liberec: Termizo, a. s., 2004, 6 s. OBSAH
126
