Popiół lotny

Mikrofotografia wykonana za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) i detektora rozproszenia wstecznego: przekrój poprzeczny cząstek popiołu lotnego przy powiększeniu 750×

Popiół lotny , popiół lotny , popiół węglowy lub popiół ze sproszkowanego paliwa (w Wielkiej Brytanii) – wiele tantum : pozostałości po spalaniu węgla ( CCR ) – to produkt spalania węgla , który składa się z cząstek stałych (drobnych cząstek spalonego paliwa), które są napędzane z kotłów węglowych wraz ze spalinami . Popiół opadający na dno komory spalania kotła (potocznie zwanej paleniskiem) nazywany jest popiołem dennym . W nowoczesnych elektrowniach węglowych popiół lotny jest zazwyczaj wychwytywany przez elektrofiltry lub inne urządzenia do filtracji cząstek, zanim gazy spalinowe dotrą do kominów. Wraz z popiołem paleniskowym usuwanym z dna kotła nazywany jest popiołem węglowym .

W zależności od źródła i składu spalanego węgla, składniki popiołu lotnego znacznie się różnią, ale wszystkie popioły lotne zawierają znaczne ilości dwutlenku krzemu (SiO 2 ) ( zarówno amorficznego , jak i krystalicznego ) , tlenku glinu (Al 2 O 3 ) i tlenek wapnia (CaO), główny związek mineralny w warstwach skał węglonośnych .

Wykorzystanie popiołu lotnego jako lekkiego kruszywa (LWA) oferuje cenną możliwość recyklingu jednego z największych strumieni odpadów w USA. Ponadto popiół lotny może przynieść wiele korzyści, zarówno ekonomicznych, jak i środowiskowych, gdy jest wykorzystywany jako LWA. [ potrzebne źródło ]

Drobne składniki popiołu lotnego zależą od konkretnego składu złoża węgla , ale mogą zawierać jeden lub więcej następujących pierwiastków lub związków występujących w śladowych stężeniach (do setek ppm): gal , arsen , beryl , bor , kadm , chrom , sześciowartościowy chrom , kobalt , ołów , mangan , rtęć , molibden , selen , stront , tal i wanad , a także bardzo małe stężenia dioksyn i związków WWA . Posiada również niespalony węgiel.

W przeszłości popiół lotny był generalnie uwalniany do atmosfery , ale obecnie normy dotyczące kontroli zanieczyszczenia powietrza wymagają, aby był on wychwytywany przed uwolnieniem przez zamontowanie urządzeń kontrolujących zanieczyszczenia . W Stanach Zjednoczonych popiół lotny jest zwykle składowany w elektrowniach węglowych lub składowany na wysypiskach. Około 43% jest poddawane recyklingowi, często używane jako pucolana do produkcji cementu hydraulicznego lub tynku hydraulicznego oraz jako zamiennik lub częściowy zamiennik cementu portlandzkiego w produkcji betonu. Pucolany zapewniają wiązanie betonu i tynku oraz zapewniają lepszą ochronę betonu przed wilgocią i agresją chemiczną.

W przypadku, gdy popiół lotny (lub denny) nie jest wytwarzany z węgla, na przykład gdy odpady stałe są spalane w zakładzie przetwarzania odpadów na energię w celu wytworzenia energii elektrycznej, popiół może zawierać wyższe poziomy zanieczyszczeń niż popiół węglowy. W takim przypadku powstający popiół jest często klasyfikowany jako odpad niebezpieczny.

Skład chemiczny i klasyfikacja

Skład popiołu lotnego według rodzaju węgla [ potrzebne źródło ]
Część Bitumiczny podbitumiczne Węgiel brunatny
SiO2 ( %) 20–60 40–60 15–45
) _ Al2O3 ( % 5–35 20–30 20–25
) _ Fe2O3 ( % 10–40 4–10 4–15
CaO (%) 1–12 5–30 15–40
LOI (%) 0–15 0–3 0–5

Popiół lotny krzepnie, gdy jest zawieszony w spalinach i jest zbierany przez elektrofiltry lub worki filtracyjne. Ponieważ cząstki zawieszone w gazach spalinowych szybko zestalają się, cząstki popiołu lotnego mają na ogół kształt kulisty i mieszczą się w zakresie wielkości od 0,5 µm do 300 µm. Główną konsekwencją szybkiego schładzania jest to, że niewiele minerałów ma czas na krystalizację i pozostaje głównie amorficzne, hartowane szkło. Niemniej jednak niektóre ogniotrwałe w pyle węglowym nie topią się (całkowicie) i pozostają krystaliczne. W konsekwencji popiół lotny jest materiałem niejednorodnym.

SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 i okazjonalnie CaO to główne składniki chemiczne obecne w popiołach lotnych. Mineralogia popiołów lotnych jest bardzo zróżnicowana. Główne napotkane fazy to faza szklista wraz z kwarcem , mulitem i tlenkami żelaza , hematytem , ​​magnetytem i/lub maghemitem . Inne często identyfikowane fazy to krystobalit , anhydryt , wolne wapno , peryklaz , kalcyt , sylwit , halit , portlandyt , rutyl i anataz . W popiołach lotnych bogatych w Ca można zidentyfikować minerały zawierające Ca , anortyt , gehlenit , akermanit oraz różne krzemiany i gliniany wapnia, identyczne z tymi występującymi w cemencie portlandzkim . Zawartość rtęci może sięgać 1 ppm , ale na ogół mieści się w przedziale 0,01–1 ppm dla węgla kamiennego. Stężenia innych pierwiastków śladowych różnią się również w zależności od rodzaju węgla spalanego w celu jego wytworzenia.

Klasyfikacja

American Society for Testing and Materials (ASTM) C618 definiuje dwie klasy popiołu lotnego : popiół lotny klasy F i popiół lotny klasy C. Główną różnicą między tymi klasami jest zawartość wapnia, krzemionki, tlenku glinu i żelaza w popiele. Na właściwości chemiczne popiołu lotnego duży wpływ ma skład chemiczny spalanego węgla (tj. antracytu , bitumu i węgla brunatnego ).

Nie wszystkie popioły lotne spełniają wymagania ASTM C618, chociaż w zależności od zastosowania może to nie być konieczne. Popiół lotny stosowany jako zamiennik cementu musi spełniać surowe normy budowlane, ale w Stanach Zjednoczonych nie ustanowiono żadnych standardowych przepisów dotyczących ochrony środowiska. Siedemdziesiąt pięć procent popiołu lotnego musi mieć uziarnienie 45 µm lub mniej i zawartość węgla , mierzona stratą przy prażeniu (LOI), mniejszą niż 4%. W USA LOI musi być poniżej 6%. Rozkład wielkości cząstek surowego popiołu lotnego ma tendencję do ciągłych wahań ze względu na zmieniającą się wydajność młynów węglowych i wydajność kotła. To sprawia, że ​​konieczne jest, aby popiół lotny, jeśli jest wykorzystywany w optymalny sposób w celu zastąpienia cementu w produkcji betonu, był przetwarzany przy użyciu metod wzbogacania , takich jak mechaniczna klasyfikacja powietrzna. Ale jeśli popiół lotny jest używany jako wypełniacz zastępujący piasek w produkcji betonu, można również użyć niewzbogaconego popiołu lotnego o wyższym LOI. Szczególnie ważna jest bieżąca weryfikacja jakości. Wyrażają to głównie pieczęcie kontroli jakości, takie jak Bureau of Indian Standards czy znak DCL gminy Dubai.

klasa „F”

Spalanie twardszego, starszego antracytu i węgla kamiennego zazwyczaj wytwarza popiół lotny klasy F. Ten popiół lotny ma pucolanowy i zawiera mniej niż 7% wapna (CaO). Posiadając właściwości pucolanowe, szklista krzemionka i tlenek glinu popiołu lotnego klasy F wymaga środka cementującego, takiego jak cement portlandzki, wapno palone lub wapno hydratyzowane - zmieszanego z wodą w celu przereagowania i wytworzenia związków cementujących. Alternatywnie dodanie aktywatora chemicznego, takiego jak krzemian sodu (szkło wodne) do popiołu klasy F, może utworzyć geopolimer .

klasa „C”

Popiół lotny powstający ze spalania młodszego węgla brunatnego lub subbitumicznego, oprócz właściwości pucolanowych, posiada również właściwości samocementujące. W obecności wody popiół lotny klasy C twardnieje i z czasem staje się silniejszy. Popiół lotny klasy C zawiera na ogół ponad 20% wapna (CaO). W przeciwieństwie do klasy F, samocementujący popiół lotny klasy C nie wymaga aktywatora. Zawartość alkaliów i siarczanów ( SO
4 ) jest na ogół wyższa w popiołach lotnych klasy C.

Co najmniej jeden amerykański producent ogłosił, że cegła z popiołu lotnego zawiera do 50% popiołu lotnego klasy C. Testy wykazały, że cegły spełniają lub przekraczają normy wydajności wymienione w normie ASTM C 216 dla konwencjonalnych cegieł glinianych. Mieści się również w dopuszczalnych granicach skurczu dla cegieł betonowych w ASTM C 55, Standardowa specyfikacja dla betonowych cegieł budowlanych. Szacuje się, że sposób produkcji cegieł z popiołu lotnego zmniejszy energię wcieloną konstrukcji murowanych nawet o 90%. Oczekiwano, że cegły i bruk będą dostępne w ilościach handlowych przed końcem 2009 roku.

Dystrybucja i źródła rynkowe

W przeszłości popiół lotny powstający podczas spalania węgla był po prostu unoszony przez gazy spalinowe i rozpraszany do atmosfery. Spowodowało to obawy dotyczące środowiska i zdrowia, które skłoniły prawa w krajach silnie uprzemysłowionych [ gdzie? ] , które ograniczyły emisję popiołu lotnego do mniej niż 1% produkowanego popiołu. Na całym świecie ponad 65% popiołów lotnych wytwarzanych w elektrowniach węglowych trafia na wysypiska śmieci i zbiorniki popiołu .

Popiół przechowywany lub osadzany na zewnątrz może ostatecznie wypłukiwać toksyczne związki [ wymagane wyjaśnienie ] do podziemnych warstw wodonośnych. Z tego powodu znaczna część obecnej debaty na temat usuwania popiołów lotnych dotyczy tworzenia specjalnie wyściełanych składowisk odpadów, które zapobiegają przedostawaniu się związków chemicznych do wód gruntowych i lokalnych ekosystemów.

Ponieważ węgiel był dominującym źródłem energii w Stanach Zjednoczonych przez wiele dziesięcioleci, firmy energetyczne często lokowały swoje elektrownie węglowe w pobliżu obszarów metropolitalnych. W połączeniu z kwestiami środowiskowymi, elektrownie węglowe potrzebują znacznych ilości wody do obsługi swoich kotłów, dlatego wiodące elektrownie węglowe (a później ich zbiorniki na popiół lotny) muszą być zlokalizowane w pobliżu obszarów metropolitalnych oraz w pobliżu rzek i jezior, które są często wykorzystywane jako źródło wody pitnej przez pobliskie miasta. Wiele z tych zbiorników na popiół lotny było pozbawionych wykładziny, a także narażonych na duże ryzyko rozlania i powodzi z pobliskich rzek i jezior. Na przykład firma Duke Energy w Karolinie Północnej była zaangażowana w kilka poważnych procesów sądowych związanych z jej składowaniem popiołu węglowego i wyciekami popiołu do zbiornika wodnego.

Recykling popiołów lotnych staje się w ostatnich latach coraz większym problemem ze względu na rosnące koszty składowania odpadów i obecne zainteresowanie zrównoważonym rozwojem . Od 2017 r. Elektrownie węglowe w USA zgłosiły produkcję 38,2 miliona ton amerykańskich (34,7 × 10 ^ 6 t) popiołu lotnego, z czego 24,1 miliona ton amerykańskich (21,9 × 10 ^ 6 t) zostało ponownie wykorzystanych w różnych zastosowaniach. Korzyści dla środowiska płynące z recyklingu popiołów lotnych obejmują zmniejszenie zapotrzebowania na materiały pierwotne, które wymagałyby wydobywania oraz tanie zastąpienie materiałów takich jak cement portlandzki .

Ponowne użycie

Nie ma rządowej rejestracji lub oznakowania wykorzystania popiołów lotnych w USA w różnych sektorach gospodarki – przemyśle, infrastrukturze i rolnictwie. Dane z badań wykorzystania popiołu lotnego, uznane za niepełne, są publikowane corocznie przez American Coal Ash Association.

Zastosowania popiołu węglowego obejmują (mniej więcej w kolejności malejącego znaczenia):

  • betonu jako materiału zastępczego dla cementu portlandzkiego, piasku.
  • Kontrola korozji w konstrukcjach żelbetowych
  • Pellet z popiołu lotnego, który może zastąpić zwykłe kruszywo w mieszance betonowej.
  • Nasypy i inne wypełnienia konstrukcyjne (zwykle przy budowie dróg)
  • Produkcja fug i płynnych wypełnień
  • Stabilizacja i zestalanie odpadów
  • klinkieru cementowego (jako materiał zastępczy dla gliny)
  • Rekultywacja kopalni
  • Stabilizacja gleb miękkich
  • Budowa podbudowy drogowej
  • Jako materiał zastępczy kruszywa (np. do produkcji cegieł)
  • Mineralny wypełniacz w betonie asfaltowym
  • Zastosowania rolnicze: poprawianie gleby, nawozy, karmniki dla bydła, stabilizacja gleby na placach paszowych i palikach rolniczych
  • Luźna aplikacja na rzekach do topienia lodu
  • Luźna aplikacja na drogach i parkingach do zwalczania lodu

Inne zastosowania obejmują kosmetyki , pasty do zębów , blaty kuchenne, płytki podłogowe i sufitowe, kule do kręgli , urządzenia flotacyjne , sztukaterie , przybory, uchwyty narzędzi, ramy do obrazów, karoserie samochodowe i kadłuby łodzi , beton komórkowy, geopolimery , dachówki, granulat dachowy, deski tarasowe , płaszcze kominkowe , bloki żużlowe , rury PCV , strukturalne panele izolacyjne , bocznice i wykończenia domów , bieżnie , śrut do piaskowania , tarcica z tworzyw sztucznych pochodzących z recyklingu , słupy i poprzecznice , podkłady kolejowe , ekrany akustyczne autostrad , pale morskie, drzwi, ramy okienne, rusztowania , szyldy, krypty, kolumny, podkłady kolejowe, wykładziny winylowe, kostka brukowa, kabiny prysznicowe, bramy garażowe, ławki parkowe, belki krajobrazowe, donice, bloki paletowe, listwy, skrzynki pocztowe, sztuczna rafa , środek wiążący, farby i podkłady , metal odlewów i wypełniaczy w produktach z drewna i tworzyw sztucznych.

cement portlandzki

Dzięki swoim właściwościom pucolanowym popiół lotny jest stosowany jako zamiennik cementu portlandzkiego w betonie . Wykorzystanie popiołu lotnego jako składnika pucolanowego zostało rozpoznane już w 1914 r., chociaż najwcześniejsze godne uwagi badanie jego zastosowania miało miejsce w 1937 r. Rzymskie budowle, takie jak akwedukty czy Panteon w Rzymie, wykorzystywały popiół wulkaniczny lub pucolanę (która ma podobne właściwości do latania popiół) jako pucolan w ich betonie. Ponieważ pucolana znacznie poprawia wytrzymałość i trwałość betonu, użycie popiołu jest kluczowym czynnikiem w ich konserwacji.

Zastosowanie popiołu lotnego jako częściowego zamiennika cementu portlandzkiego jest szczególnie odpowiednie, ale nie ograniczone do popiołów lotnych klasy C. Popioły lotne klasy „F” mogą mieć lotny wpływ na zawartość powietrza w betonie, powodując zmniejszoną odporność na uszkodzenia spowodowane zamarzaniem/rozmrażaniem. Popiół lotny często zastępuje do 30% masy cementu portlandzkiego, ale w niektórych zastosowaniach może być stosowany w wyższych dawkach. W niektórych przypadkach popiół lotny może zwiększyć końcową wytrzymałość betonu oraz zwiększyć jego odporność chemiczną i trwałość.

Popiół lotny może znacznie poprawić urabialność betonu. Ostatnio opracowano techniki zastępowania częściowego cementu popiołem lotnym o dużej objętości (50% zamiennik cementu). W przypadku betonu zagęszczanego walcami (RCC) [wykorzystywanego do budowy zapór] w projekcie tamy Ghatghar w stanie Maharasztra w Indiach osiągnięto wartości zastępcze wynoszące 70% przy użyciu przetworzonego popiołu lotnego. Ze względu na kulisty kształt cząstek popiołu lotnego może zwiększać urabialność cementu przy jednoczesnym zmniejszeniu zapotrzebowania na wodę. Zwolennicy popiołu lotnego twierdzą, że zastąpienie cementu portlandzkiego popiołem lotnym zmniejsza gazów cieplarnianych betonu, ponieważ produkcja jednej tony cementu portlandzkiego generuje około jednej tony CO 2 , w porównaniu do braku CO 2 generowanego w przypadku popiołu lotnego. Nowa produkcja popiołu lotnego, tj. spalanie węgla, wytwarza około 20 do 30 ton CO 2 na tonę popiołu lotnego. Ponieważ światowa produkcja cementu portlandzkiego ma osiągnąć prawie 2 miliardy ton do 2010 roku, zastąpienie jakiejkolwiek dużej części tego cementu popiołem lotnym mogłoby znacznie zmniejszyć emisję dwutlenku węgla związaną z budownictwem, o ile w porównaniu produkcja popiołu lotnego dany. [ potrzebne źródło ]

Wał przeciwpowodziowy

Właściwości popiołu lotnego są niezwykłe wśród materiałów inżynierskich. W przeciwieństwie do gruntów typowo stosowanych do budowy nasypów, popiół lotny ma duży współczynnik jednorodności i składa się z wielkości gliny . Właściwości techniczne, które wpływają na wykorzystanie popiołu lotnego w nasypach, obejmują rozkład wielkości ziaren, charakterystykę zagęszczania , wytrzymałość na ścinanie , ściśliwość , przepuszczalność i podatność na mróz . Prawie wszystkie rodzaje popiołów lotnych stosowanych w nasypach należą do klasy F.

Stabilizacja gruntu

Stabilizacja gleby to trwała fizyczna i chemiczna zmiana gleby w celu poprawy jej właściwości fizycznych. Stabilizacja może zwiększyć wytrzymałość gruntu na ścinanie i/lub kontrolować właściwości skurczowo-pęczniejące gruntu, poprawiając w ten sposób nośność podłoża podtrzymującego chodniki i fundamenty. Stabilizację można stosować do obróbki szerokiej gamy materiałów podrzędnych, od ekspansywnych glin po materiały ziarniste. Stabilizację można osiągnąć za pomocą różnych dodatków chemicznych, w tym wapna, popiołu lotnego i cementu portlandzkiego. Właściwy projekt i testowanie jest ważnym elementem każdego projektu stabilizacji. Pozwala to na ustalenie kryteriów projektowych oraz określenie odpowiedniego dodatku chemicznego i stopnia domieszki, który pozwala osiągnąć pożądane właściwości inżynierskie. Korzyści płynące z procesu stabilizacji mogą obejmować: Wyższe wartości oporu (R), Zmniejszenie plastyczności, Niższą przepuszczalność, Zmniejszenie grubości nawierzchni, Eliminację wykopów – transportu/przeładunku materiału – i importu podłoża, Ułatwia zagęszczanie, Zapewnia dostęp do i w witrynach projektów. Inną formą obróbki gleby, ściśle związaną ze stabilizacją gleby, jest modyfikacja gleby, czasami nazywana „osuszaniem błota” lub kondycjonowaniem gleby. Chociaż pewna stabilizacja jest nieodłącznie związana z modyfikacją gleby, różnica polega na tym, że modyfikacja gleby jest jedynie sposobem na zmniejszenie zawartości wilgoci w glebie w celu przyspieszenia budowy, podczas gdy stabilizacja może znacznie zwiększyć wytrzymałość materiału na ścinanie, tak że można go włączyć do projekt konstrukcyjny projektu. Decydującymi czynnikami związanymi z modyfikacją gleby w porównaniu ze stabilizacją gleby mogą być istniejąca zawartość wilgoci, końcowe wykorzystanie struktury gleby i ostatecznie zapewnione korzyści finansowe. Urządzenia do procesów stabilizacji i modyfikacji obejmują: rozsiewacze domieszek chemicznych, mieszadła glebowe (regeneratory), przenośne pneumatyczne zbiorniki magazynowe, wozy wodne, zagęszczarki, równiarki samojezdne.

Płynne wypełnienie

Popiół lotny jest również stosowany jako składnik do produkcji zasypki płynnej (zwanej również kontrolowanym materiałem o niskiej wytrzymałości lub CLSM), która jest stosowana jako samopoziomujący, samozagęszczalny materiał zasypowy zamiast zagęszczonej ziemi lub zasypki ziarnistej. Wytrzymałość płynnych mieszanek wypełniających może mieścić się w zakresie od 50 do 1200 funtów siły/ cal2 (0,3 do 8,3 MPa ), w zależności od wymagań projektowych danego projektu. Płynne wypełnienie zawiera mieszanki cementu portlandzkiego i materiału wypełniającego i może zawierać domieszki mineralne. Popiół lotny może zastąpić cement portlandzki lub drobne kruszywo (w większości przypadków piasek rzeczny) jako materiał wypełniający. Mieszanki o wysokiej zawartości popiołu lotnego zawierają prawie cały popiół lotny, z niewielkim procentem cementu portlandzkiego i wystarczającą ilością wody, aby mieszanka była płynna. Mieszanki o niskiej zawartości popiołu lotnego zawierają wysoki procent materiału wypełniającego i niski procent popiołu lotnego, cementu portlandzkiego i wody. Popiół lotny klasy F najlepiej nadaje się do mieszanek o wysokiej zawartości popiołu lotnego, podczas gdy popiół lotny klasy C jest prawie zawsze stosowany w mieszankach o niskiej zawartości popiołu lotnego.

Beton asfaltowy

Beton asfaltowy jest materiałem kompozytowym składającym się ze spoiwa asfaltowego i kruszywa mineralnego powszechnie stosowanym do nawierzchni dróg. Zarówno popiół lotny klasy F, jak i klasy C można zwykle stosować jako wypełniacz mineralny do wypełniania pustych przestrzeni i zapewniania punktów styku między większymi cząstkami kruszywa w mieszankach z betonu asfaltowego. Ta aplikacja jest używana w połączeniu lub jako zamiennik innych spoiw (takich jak cement portlandzki lub wapno hydratyzowane). Do stosowania w nawierzchniach asfaltowych popiół lotny musi spełniać specyfikacje wypełniaczy mineralnych określone w normie ASTM D242 . Hydrofobowy charakter popiołu lotnego nadaje nawierzchni lepszą odporność na zdzieranie. Wykazano również, że popiół lotny zwiększa sztywność matrycy asfaltowej, poprawiając odporność na koleinowanie i zwiększając trwałość mieszanki.

Wypełniacz do tworzyw termoplastycznych

Popioły lotne z węgla i oleju łupkowego zostały wykorzystane jako wypełniacz do tworzyw termoplastycznych , które można wykorzystać do formowania wtryskowego .

Geopolimery

Niedawno popiół lotny był używany jako składnik geopolimerów , gdzie reaktywność szkła popiołu lotnego można wykorzystać do stworzenia spoiwa podobnego z wyglądu do uwodnionego cementu portlandzkiego , ale o potencjalnie lepszych właściwościach, w tym zmniejszonej emisji CO2 , w zależności od preparatu.

Beton zagęszczany walcami

Górny zbiornik elektrowni wodnej Taum Sauk w Ameren został zbudowany z betonu walcowanego, który zawierał popiół lotny z jednej z elektrowni węglowych Ameren.

Innym zastosowaniem popiołów lotnych są zapory betonowe zagęszczane walcami . Wiele zapór w USA zostało zbudowanych z dużą zawartością popiołu lotnego. Popiół lotny obniża ciepło hydratacji, umożliwiając grubsze osadzanie. Dane na ten temat można znaleźć w US Bureau of Reclamation. Zostało to również zademonstrowane w tamy Ghatghar w Indiach .

Cegły

Istnieje kilka technik wytwarzania cegieł konstrukcyjnych z popiołów lotnych, wytwarzających szeroką gamę produktów. Jeden rodzaj cegły z popiołu lotnego jest wytwarzany przez zmieszanie popiołu lotnego z równą ilością gliny, a następnie wypalenie w piecu w temperaturze około 1000 ° C. Główną zaletą tego podejścia jest zmniejszenie wymaganej ilości gliny. Inny rodzaj cegły z popiołu lotnego powstaje przez zmieszanie ziemi, gipsu paryskiego, popiołu lotnego i wody i pozostawienie mieszanki do wyschnięcia. Ponieważ nie jest wymagane ciepło, technika ta zmniejsza zanieczyszczenie powietrza. Bardziej nowoczesne procesy produkcyjne wykorzystują większy udział popiołu lotnego i technikę produkcji pod wysokim ciśnieniem, która pozwala na wytwarzanie cegieł o wysokiej wytrzymałości z korzyścią dla środowiska.

W Wielkiej Brytanii popiół lotny jest używany od ponad pięćdziesięciu lat do produkcji betonowych bloków konstrukcyjnych . Są szeroko stosowane do wewnętrznej powłoki ścian szczelinowych . Są naturalnie bardziej izolujące termicznie niż bloki wykonane z innych kruszyw.

Cegły jesionowe są używane do budowy domów w Windhoek w Namibii od lat 70. XX wieku. Istnieje jednak problem z cegłami, ponieważ mają one tendencję do zawodzenia lub tworzenia nieestetycznych pop-outów. Dzieje się tak, gdy cegły wchodzą w kontakt z wilgocią i zachodzi reakcja chemiczna powodująca rozszerzanie się cegieł. [ potrzebne źródło ]

W Indiach do budowy używa się cegieł z popiołu lotnego. Wiodący producenci stosują standard przemysłowy znany jako „Popiół opałowy sproszkowany do mieszanki wapno-pucolana” wykorzystujący ponad 75% odpadów poprzemysłowych pochodzących z recyklingu oraz proces kompresji. Daje to mocny produkt o dobrych właściwościach izolacyjnych i korzystnych dla środowiska.

Kompozyty z osnową metaliczną

Cząsteczki popiołu lotnego sprawdziły się jako dobre wzmocnienie stopów aluminium i wykazują poprawę właściwości fizycznych i mechanicznych. W szczególności wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na rozciąganie i twardość wzrastają wraz ze wzrostem procentowej zawartości popiołu lotnego, podczas gdy gęstość maleje. Obecność cenosfer popiołu lotnego w czystej osnowie Al obniża jej współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE).

Ekstrakcja minerałów

Możliwe jest zastosowanie destylacji próżniowej w celu ekstrakcji germanu i wolframu z popiołów lotnych i ich recyklingu.

Oczyszczanie i stabilizacja odpadów

Popiół lotny, ze względu na swoją zasadowość i zdolność do wchłaniania wody, może być stosowany w połączeniu z innymi materiałami alkalicznymi do przekształcania osadów ściekowych w nawóz organiczny lub biopaliwo .

Katalizator

Popiół lotny potraktowany wodorotlenkiem sodu wydaje się działać dobrze jako katalizator przekształcania polietylenu w substancję podobną do ropy naftowej w procesie wysokotemperaturowym zwanym pirolizą i wykorzystywanym w oczyszczaniu ścieków.

Ponadto popioły lotne, głównie klasy C, mogą być wykorzystywane w procesie stabilizacji/zestalania odpadów niebezpiecznych i zanieczyszczonych gruntów. Na przykład proces Rhenipal wykorzystuje popiół lotny jako domieszkę do stabilizacji osadów ściekowych i innych osadów toksycznych. Proces ten jest stosowany od 1996 r. do stabilizacji dużych ilości szlamów skórzanych zanieczyszczonych chromem(VI) w Alcanena w Portugalii.

Problemy środowiskowe

Zanieczyszczenie wód gruntowych

Węgiel zawiera śladowe ilości pierwiastków śladowych (takich jak arsen , bar , beryl , bor , kadm , chrom , tal , selen , molibden i rtęć ), z których wiele jest wysoce toksycznych dla ludzi i innych form życia. Dlatego też popioły lotne uzyskiwane ze spalania tego węgla zawierają podwyższone stężenia tych pierwiastków, a potencjał popiołów do zanieczyszczenia wód podziemnych jest znaczny. W USA są udokumentowane przypadki zanieczyszczenia wód gruntowych, które nastąpiło po wywiezieniu lub utylizacji popiołu bez wprowadzenia niezbędnych zabezpieczeń.

Przykłady

Maryland

W latach 1996-2007 firma Constellation Energy usuwała popiół lotny wytwarzany przez stację generacyjną Brandon Shores w byłej kopalni piasku i żwiru w Gambrills w stanie Maryland . Popiół zanieczyścił wody gruntowe metalami ciężkimi. Departament Środowiska Maryland nałożył na Constellation grzywnę w wysokości 1 miliona dolarów. Pobliscy mieszkańcy złożyli pozew przeciwko Constellation, aw 2008 roku firma rozstrzygnęła sprawę za 54 miliony dolarów.

Karolina Północna

W 2014 r. mieszkańcom Buck Steam Station w Dukeville w Północnej Karolinie powiedziano, że „doły popiołu węglowego w pobliżu ich domów mogą wypłukiwać niebezpieczne substancje do wód gruntowych”.

Illinois

Illinois ma wiele wysypisk popiołu węglowego z popiołem węglowym wytwarzanym przez elektrownie opalane węglem. Spośród 24 składowisk popiołu węglowego w stanie, z dostępnych danych, 22 uwolniło toksyczne zanieczyszczenia, w tym arsen , kobalt i lit , do wód gruntowych, rzek i jezior. Niebezpieczne toksyczne chemikalia wyrzucane do wody w Illinois przez te składowiska popiołu węglowego obejmują ponad 300 000 funtów aluminium, 600 funtów arsenu, prawie 300 000 funtów boru, ponad 200 funtów kadmu, ponad 15 000 funtów manganu, około 1500 funtów selenu, około 500 000 funtów azotu i prawie 40 milionów funtów siarczanów, zgodnie z raportem Environmental Integrity Project , Earthjustice , Prairie Rivers Network i Sierra Club .

Tennessee

W 2008 roku Kingston Fossil Plant w hrabstwie Roane wylało 1,1 miliarda galonów popiołu węglowego do rzek Emory i Clinch i uszkodziło pobliskie obszary mieszkalne. Jest to największy wyciek przemysłowy w USA

Teksas

Environmental Integrity Project (EIP) , wody gruntowe otaczające każdą z 16 elektrowni węglowych w Teksasie zostały zanieczyszczone popiołem węglowym . Niebezpieczne poziomy arsenu, kobaltu, litu i innych zanieczyszczeń stwierdzono w wodach gruntowych w pobliżu wszystkich miejsc składowania popiołu. W 12 z 16 miejsc analiza EIP wykazała, że ​​poziomy arsenu w wodach gruntowych są 10 razy wyższe niż maksymalny poziom zanieczyszczeń EPA ; Stwierdzono, że arsen powoduje kilka rodzajów raka. W 10 miejscach lit, który powoduje choroby neurologiczne, wykryto w wodach gruntowych w stężeniu przekraczającym 1000 mikrogramów na litr, co stanowi 25-krotność maksymalnego dopuszczalnego poziomu. W raporcie stwierdza się, że przemysł paliw kopalnych w Teksasie nie przestrzega federalnych przepisów dotyczących przetwarzania popiołu węglowego, a stanowe organy regulacyjne nie chronią wód gruntowych.

Ekologia

Wpływ popiołu lotnego na środowisko może się różnić w zależności od elektrowni cieplnej , w której jest produkowany, a także proporcji popiołu lotnego do popiołu paleniskowego w produkcie odpadowym. Wynika to z odmiennego składu chemicznego węgla w zależności od geologii obszaru występowania węgla oraz procesu spalania węgla w elektrowni. Podczas spalania węgla powstaje alkaliczny pył. Ten alkaliczny pył może mieć pH w zakresie od 8 do nawet 12. Pył popiołu lotnego może osadzać się na wierzchniej warstwie gleby , zwiększając pH i wpływając na rośliny i zwierzęta w otaczającym ekosystemie. Pierwiastki śladowe , takie jak żelazo , mangan , cynk , miedź , ołów , nikiel , chrom , kobalt , arsen , kadm i rtęć , można znaleźć w wyższych stężeniach w porównaniu z popiołem paleniskowym i węglem macierzystym.

Popiół lotny może wydzielać toksyczne składniki, które mogą być od stu do tysiąca razy większe niż federalne normy dotyczące wody pitnej . Popiół lotny może zanieczyścić wody powierzchniowe poprzez erozję , spływ powierzchniowy , unoszące się w powietrzu cząsteczki lądujące na powierzchni wody, zanieczyszczoną wodę gruntową przedostającą się do wód powierzchniowych, zalanie drenażu lub zrzut popiołu węglowego. Ryby mogą zostać zanieczyszczone na kilka różnych sposobów. Gdy woda jest zanieczyszczona popiołem lotnym, ryby mogą wchłaniać toksyny przez skrzela. Osad w wodzie może również zostać zanieczyszczony. Zanieczyszczony osad może zanieczyścić źródła pożywienia dla ryb, a następnie ryby mogą zostać skażone w wyniku spożycia tych źródeł pożywienia. Może to następnie doprowadzić do skażenia organizmów jedzących te ryby, takich jak ptaki, niedźwiedzie, a nawet ludzie. Po wystawieniu na działanie popiołów lotnych zanieczyszczających wodę, organizmy wodne miały podwyższony poziom wapnia , cynku, bromu , złota, ceru, chromu, selenu, kadmu i rtęci.

Gleby zanieczyszczone popiołem lotnym wykazały wzrost gęstości nasypowej i pojemności wodnej, ale spadek przewodności hydraulicznej i spoistości. Wpływ popiołu lotnego na gleby i mikroorganizmy w glebie zależy od pH popiołu i zawartości metali śladowych w popiele. Społeczności drobnoustrojów w zanieczyszczonej glebie wykazały zmniejszenie oddychania i nitryfikacji. Te zanieczyszczone gleby mogą być szkodliwe lub korzystne dla rozwoju roślin. Popiół lotny zazwyczaj ma korzystne skutki, gdy koryguje niedobory składników odżywczych w glebie. Najwięcej szkodliwych skutków zaobserwowano, gdy zaobserwowano fitotoksyczność boru. Rośliny absorbują pierwiastki wyniesione z gleby przez popiół lotny. Arsen, molibden i selen były jedynymi pierwiastkami występującymi na potencjalnie toksycznych poziomach dla pasących się zwierząt. Organizmy lądowe narażone na popiół lotny wykazywały jedynie podwyższony poziom selenu.

Wycieki z magazynu luzem

Awaria zabezpieczenia przed popiołem lotnym władz Tennessee Valley w dniu 23 grudnia 2008 r. W Kingston w stanie Tennessee

Tam, gdzie popiół lotny jest przechowywany luzem, zwykle jest przechowywany w stanie mokrym, a nie suchym, aby zminimalizować ulotny pył . Powstałe tamy (stawy) są zazwyczaj duże i stabilne przez długi czas, ale każde naruszenie ich zapór lub obwałowań jest szybkie i ma masową skalę.

W grudniu 2008 r. Zawalenie się nasypu przy spiętrzeniu mokrego składowania popiołu lotnego w zakładzie Kingston Fossil w Tennessee Valley Authority spowodowało uwolnienie 5,4 miliona metrów sześciennych popiołu lotnego z węgla, niszcząc trzy domy i wpływając do Emory Rzeka . Koszty sprzątania mogą przekroczyć 1,2 miliarda dolarów. [ wymaga aktualizacji ] Po tym wycieku kilka tygodni później nastąpił mniejszy wyciek z elektrowni TVA w Alabamie , który zanieczyścił Widows Creek i rzekę Tennessee .

W 2014 roku 39 000 ton popiołu i 27 milionów galonów (100 000 metrów sześciennych) zanieczyszczonej wody przedostało się do rzeki Dan w pobliżu Eden w Karolinie Północnej z zamkniętej elektrowni węglowej w Północnej Karolinie, której właścicielem jest Duke Energy. Jest to obecnie trzeci najgorszy wyciek popiołu węglowego, jaki kiedykolwiek miał miejsce w Stanach Zjednoczonych.

Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) opublikowała rozporządzenie dotyczące pozostałości po spalaniu węgla (CCR) w 2015 r. Agencja nadal klasyfikowała popiół węglowy jako bezpieczny (unikając w ten sposób surowych wymagań dotyczących zezwoleń na mocy podtytułu C ustawy o ochronie i odzyskiwaniu zasobów (RCRA) , ale z nowymi ograniczeniami:

  1. Istniejące stawy popiołu, które zanieczyszczają wody gruntowe, muszą przestać otrzymywać CCR i zostać zamknięte lub wyposażone w wykładzinę.
  2. Istniejące zbiorniki popiołu i składowiska odpadów muszą być zgodne z ograniczeniami strukturalnymi i lokalizacyjnymi, w stosownych przypadkach, lub muszą zostać zamknięte.
  3. Staw, który nie otrzymuje już CCR, nadal podlega wszystkim przepisom, chyba że zostanie odwodniony i objęty ochroną do 2018 r.
  4. Nowe stawy i składowiska odpadów muszą posiadać warstwę geomembrany nad warstwą ubitej gleby .

Regulacja miała zapobiegać awariom stawów i chronić wody gruntowe. Wymagana jest wzmożona kontrola, prowadzenie rejestrów i monitorowanie. Procedury zamykania są również uwzględnione i obejmują zamykanie, wkładki i odwadnianie. Rozporządzenie CCR było od tego czasu przedmiotem sporu sądowego.

Zanieczyszczenia

Popiół lotny zawiera śladowe ilości metali ciężkich i innych substancji szkodliwych dla zdrowia w wystarczających ilościach. Potencjalnie toksyczne pierwiastki śladowe w węglu obejmują arsen , beryl , kadm , bar , chrom , miedź , ołów , rtęć , molibden , nikiel , rad , selen , tor , uran , wanad i cynk . Około 10% masy węgli spalanych w Stanach Zjednoczonych składa się z niespalnego materiału mineralnego, który staje się popiołem, więc stężenie większości pierwiastków śladowych w popiele węglowym jest około 10 razy większe niż stężenie w pierwotnym węglu. Analiza przeprowadzona w 1997 roku przez United States Geological Survey (USGS) wykazała, że ​​popiół lotny zawierał zwykle od 10 do 30 ppm uranu, co jest porównywalne z poziomami występującymi w niektórych skałach granitowych , fosforytach i czarnych łupkach .

W 1980 roku Kongres Stanów Zjednoczonych zdefiniował popiół węglowy jako „odpady specjalne”, które nie podlegałyby surowym wymaganiom RCRA dotyczącym zezwoleń na odpady niebezpieczne. W swoich poprawkach do RCRA Kongres polecił EPA zbadanie kwestii odpadów specjalnych i podjęcie decyzji, czy konieczne są bardziej rygorystyczne przepisy dotyczące zezwoleń. W 2000 roku EPA stwierdziła, że ​​popiół lotny z węgla nie musi być regulowany jako odpad niebezpieczny. Dzięki temu większość elektrowni nie musiała instalować geomembran ani systemów zbierania odcieków w zbiornikach popiołu.

Badania przeprowadzone przez USGS i inne podmioty dotyczące pierwiastków radioaktywnych w popiele węglowym wykazały, że popiół lotny jest porównywalny ze zwykłymi glebami lub skałami i nie powinien być źródłem niepokoju. Jednak organizacje społeczne i ekologiczne udokumentowały liczne obawy związane z zanieczyszczeniem środowiska i szkodami.

Obawy związane z narażeniem

Zobacz też: Skutki zdrowotne popiołu węglowego

Krzemionka krystaliczna i wapno wraz z toksycznymi chemikaliami stanowią zagrożenie dla zdrowia ludzkiego i środowiska. Popiół lotny zawiera krzemionkę krystaliczną, o której wiadomo, że w przypadku wdychania powoduje choroby płuc, w szczególności krzemicę . Krzemionka krystaliczna jest wymieniona przez IARC i amerykański Narodowy Program Toksykologiczny jako znany czynnik rakotwórczy dla ludzi .

Wapno (CaO) reaguje z wodą (H 2 O), tworząc wodorotlenek wapnia [Ca(OH) 2 ], dając popiół lotny o pH między 10 a 12, czyli o średniej do mocnej zasadzie. Może to również spowodować uszkodzenie płuc, jeśli występuje w wystarczających ilościach.

Karty charakterystyki substancji zalecają podjęcie szeregu środków ostrożności podczas obchodzenia się z popiołem lotnym lub pracy z nim. Obejmują one noszenie okularów ochronnych, respiratorów i odzieży jednorazowej oraz unikanie mieszania popiołów lotnych w celu zminimalizowania ilości, która przedostaje się do powietrza.

Narodowa Akademia Nauk zauważyła w 2007 r., Że „obecność wysokich poziomów zanieczyszczeń w wielu odciekach CCR (pozostałości ze spalania węgla) może powodować problemy zdrowotne i ekologiczne”.

Rozporządzenie

Stany Zjednoczone

Po wycieku szlamu popiołu lotnego z Kingston Fossil Plant w 2008 r. EPA zaczęła opracowywać przepisy, które miałyby zastosowanie do wszystkich zbiorników popiołu w całym kraju. EPA opublikowała zasadę CCR w 2015 r. Niektóre przepisy rozporządzenia CCR z 2015 r. Zostały zakwestionowane w postępowaniu sądowym, a Sąd Apelacyjny Stanów Zjednoczonych dla Okręgu Dystryktu Kolumbii przekazał EPA niektóre fragmenty rozporządzenia w celu dalszego stanowienia przepisów.

EPA opublikowała 14 sierpnia 2019 r. proponowaną zasadę, która wykorzystywałaby kryteria oparte na lokalizacji, a nie próg liczbowy (tj. retencjonowanie lub rozmiar składowiska), który wymagałby od operatora wykazania minimalnego wpływu na środowisko, aby miejsce mogło nadal działać.

W odpowiedzi na nakaz sądowy, EPA opublikowała 28 sierpnia 2020 r. ostateczną zasadę „CCR część A”, wymagającą, aby wszystkie stawy popiołu bez wykładziny zostały wyposażone w wykładziny lub zostały zamknięte do 11 kwietnia 2021 r. Niektóre obiekty mogą ubiegać się o uzyskanie dodatkowego czasu — do 2028 – znalezienie alternatyw dla zagospodarowania odpadów popiołów przed zamknięciem ich składowisk powierzchniowych. EPA opublikowała swoją zasadę „CCR Part B” 12 listopada 2020 r., Która zezwala niektórym obiektom na korzystanie z alternatywnej wykładziny, w oparciu o wykazanie, że nie wpłynie to na zdrowie ludzi i środowisko. Dalsze spory sądowe dotyczące rozporządzenia CCR toczą się od 2021 r.

W październiku 2020 r. EPA opublikowała ostateczne wytyczne dotyczące ścieków , które odwracają niektóre przepisy jej rozporządzenia z 2015 r., Które zaostrzyły wymagania dotyczące metali toksycznych w ściekach odprowadzanych ze stawów popiołu i innych strumieni ścieków z elektrowni. Zasada 2020 została również zakwestionowana w sporach sądowych. W sierpniu 2021 r. EPA ogłosiła, że ​​prowadzi kolejne regulacje w celu uwzględnienia zasady 2020 i wzmocnienia ograniczeń dotyczących ścieków. Agencja planuje opublikować proponowaną regułę jesienią 2022 r.

Indie

Ministerstwo Środowiska, Leśnictwa i Zmian Klimatu Indii po raz pierwszy opublikowało w 1999 r. zawiadomienie w biuletynie, w którym wyszczególniono wykorzystanie popiołów lotnych i wyznaczono datę docelową, aby wszystkie elektrownie cieplne osiągnęły zgodność, zapewniając 100% wykorzystanie. Kolejne poprawki w 2003 i 2009 r. przesunęły termin zgodności na 2014 r. Jak podał Central Electricity Authority, New Delhi, od 2015 r. tylko 60% wyprodukowanego popiołu lotnego było wykorzystywane. Doprowadziło to do ostatniego powiadomienia w 2015 r., w którym ustalono 31 grudnia 2017 r. jako zmieniony termin osiągnięcia 100% wykorzystania. Z około 55,7% wykorzystywanych popiołów lotnych większość (42,3%) trafia do produkcji cementu, podczas gdy tylko około 0,74% jest stosowane jako dodatek do betonu (patrz Tabela 5 [29]). Naukowcy z Indii aktywnie podejmują to wyzwanie, pracując nad popiołem lotnym jako domieszką do betonu i aktywowanym cementem pucolanowym, takim jak geopolimer [34], aby pomóc osiągnąć cel 100% wykorzystania. Największy zakres wyraźnie leży w obszarze zwiększania ilości popiołów lotnych wprowadzanych do betonu. Indie wyprodukowały 280 milionów ton cementu w 2016 roku. Ponieważ sektor budownictwa mieszkaniowego zużywa 67% cementu, istnieje ogromne pole do włączenia popiołu lotnego zarówno do rosnącego udziału PPC, jak i betonu o niskiej lub średniej wytrzymałości. Istnieje błędne przekonanie, że indyjskie przepisy IS 456:2000 dla betonu i betonu zbrojonego oraz IS 3812.1:2013 dla popiołu lotnego ograniczają użycie popiołu lotnego do mniej niż 35%. Podobne nieporozumienia istnieją w krajach takich jak USA, ale dowodem na coś przeciwnego jest stosowanie HVFA w wielu dużych projektach, w których zastosowano mieszanki projektowe pod ścisłą kontrolą jakości. Sugeruje się, aby w celu jak najlepszego wykorzystania wyników badań przedstawionych w artykule, pilnie opracować beton z popiołu lotnego o bardzo dużej objętości (UHVFA) do powszechnego stosowania w Indiach przy użyciu lokalnego popiołu lotnego. Konieczne są również pilne działania w celu promowania betonów na bazie cementu pucolanowego lub geopolimeru aktywowanego alkaliami.

W zapisie geologicznym

W wyniku zapłonu złóż węgla przez pułapki syberyjskie podczas wymierania permu i triasu około 252 milionów lat temu, do oceanów uwolniono duże ilości karbonizatu bardzo podobnego do współczesnego popiołu lotnego, który jest zachowany w zapisie geologicznym w złożach morskich znajduje się w kanadyjskiej Arktyce. Postawiono hipotezę, że popiół lotny mógł spowodować powstanie toksycznych warunków środowiskowych.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Fly_ash&oldid=1135492300 ”