Popiół lotny, będący jednym z ubocznych produktów spalania węgla (UPS) w elektrowniach węglowych, zdobył coraz większe zainteresowanie jako surowiec o dużym potencjale przemysłowym. Jego efektywne zagospodarowanie, podobnie jak innych UPS-ów, napotyka jednak trudności wynikające z jego zróżnicowanych właściwości fizycznych i chemicznych.
Marcin Jarosz, Jurij Delihowski
Popiół lotny charakteryzuje się szerokim zakresem granulometrycznym, różnorodną morfologią oraz zmiennym składem chemicznym. Te zmienności mogą wpływać negatywnie na właściwości oraz jakość końcowych produktów, co rodzi potrzebę opracowania zaawansowanych technologii przetwórczych, mających na celu poprawę stabilności i jednorodności surowca.
Jedną z kluczowych metod suchych stosowanych do przetwarzania popiołów jest separacja aerodynamiczna. Technika ta bazuje na różnicach w parametrach grawitacyjnych i aerodynamicznych poszczególnych ziaren, takich jak masa, rozmiar, gęstość i kształt, co pozwala na ich efektywne rozdzielanie. Poddając popiół kontrolowanym przepływom powietrza oraz działaniu sił bezwładności, separatory mogą skutecznie frakcjonować materiał na grupy ziarnowe o określonych rozmiarach. Dzięki temu procesowi można nie tylko poprawić homogeniczność frakcji, ale również selektywnie odzyskiwać wartościowe składniki, takie jak np. cenosfery i niedopalony węgiel, co otwiera nowe możliwości ich dalszego zastosowania w przemyśle.
Dezintegracja, kluczowa podczas suchych metod separacji popiołu lotnego, polega na rozpadzie aglomeratów i uwolnieniu drobnych cząstek. Proces ten zachodzi pod wpływem mechanicznego oddziaływanie sił aerodynamicznych i inercyjnych, co prowadzi do fragmentacji kruchych cząstek i zmiany rozkładu wielkości ziaren. W wyniku dezintegracji uzyskuje się drobniejsze frakcje o większej powierzchni właściwej, co zwiększa reaktywność i poprawia właściwości mechaniczne końcowych produktów, szczególnie w zastosowaniach cementowych.
Separacja aerodynamiczna i potencjał technologii COMEX
Separatory aerodynamiczne ACX firmy COMEX to urządzenia o dużym potencjale w efektywnej przeróbce suchych materiałów sypkich, takich jak wspomniany popiół lotny. Pozwalają one na precyzyjną separację ziaren w oparciu o ich masę, wielkość, gęstość i kształt, wykorzystując różnice w ich właściwościach aerodynamicznych.
Technologia separatorów COMEX umożliwia dokładne frakcjonowanie popiołu lotnego na różne części, co znacząco poprawia jakość materiału poprzez koncentrację węgla w najgrubszych i najdrobniejszych frakcjach, pozostawiając środkową frakcję zubożałą w węgiel oraz cenosfery. Pewne frakcje granulometryczne mogą zawierać zwiększoną ilość cenosfer, co pozwala wytworzyć produkt wsadowy do kolejnych technologii ich odzysku. Na przykład w przypadku popiołów krzemionkowych z węgla brunatnego cenosfery będą zawsze się koncentrować we frakcji 20–100 µm, gdyż procesy fizyczne towarzyszące powstawaniu samych cenosfer w fazie spalania węgla w kotle ograniczają rozmiary powstawania cenosfer i nie mogą one być większe niż 100 µm lub mniejsze niż 10–20 µm.. Separatory więc wykorzystywane są do wytwarzania frakcji o podwyższonej zawartości cenosfer i innych części, w których tych cenosfer praktycznie nie ma (podobnie jest z pozostałościami niedopalonego węgla) i które mogą być dalej wykorzystywane w procesach przemysłowych. Dzięki możliwości regulacji prędkości wirnika separatory te oferują wysoką elastyczność w dostosowywaniu rozmiaru uzyskiwanych frakcji, co jest kluczowe dla optymalizacji procesu dalszej przeróbki.
Systemy COMEX charakteryzują się dużą wydajnością, co czyni je idealnym rozwiązaniem do przetwarzania dużych ilości materiału przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiej jakości produktów końcowych.
Jak to się odbywa?
W procesie klasyfikacji powietrznej na cząstki popiołu lotnego działają dwie główne siły: siła odśrodkowa Fc oraz siła oporu powietrza Fd (RYS. 1). Dodatkowo cząstki poruszające się w kierunku środka wirnika są poddawane działaniu siły Coriolisa (RYS. 2). Wirnik klasyfikatora generuje siłę odśrodkową, która przyspiesza cząstki do prędkości obwodowej. Siły oporu powietrza wynikają z przepływu powietrza przez urządzenie, pełniąc jednocześnie funkcję transportu pneumatycznego.
RYS. 1 Proces separacji wewnątrz klasyfikatora z głównymi siłami działającymi na cząstkę
Trzecim istotnym zjawiskiem jest siła Coriolisa, oznaczona Fcol (RYS. 2), która działa stycznie do krawędzi wirnika. Zależy ona od prędkości obrotowej oraz promieniowej, skierowanej do środka wirnika. W niektórych przypadkach siła Coriolisa odgrywa kluczową rolę, zwłaszcza gdy cząstki popiołu lotnego poruszają się szybko w kierunku środka, co może znacząco wpływać na efektywność klasyfikacji.
RYS. 2 Rozkład sił działających na cząstkę podczas klasyfikacji
Zastosowanie w praktyce
Podczas testów laboratoryjnych przeprowadzono aerodynamiczną separację dwóch rodzajów popiołu lotnego: S1 (wysokowapniowy) i S2 (krzemionkowy). Wyniki pokazały, że zmniejszenie prędkości wirnika powodowało uzyskanie grubszych frakcji. Zjawisko dezintegracji było widoczne zwłaszcza dla minerałów o niskiej wytrzymałości, takich jak anhydryt, które ulegały rozdrobnieniu i przechodziły do drobniejszych frakcji, podczas gdy twardsze minerały, takie jak kwarc i mulit, pozostawały w grubszych frakcjach. W S1 wielokrotne cykle separacji skutkowały bardziej ostrym podziałem ziaren, a w S2 proces prowadzony jednokrotnie spowodował obecność większej ilości drobnych ziaren w grubej frakcji.
Po testach dokonano oceny powstałych frakcji za pomocą obrazów mikroskopii elektronowej. Obrazy SEM potwierdziły dezintegrację cząstek popiołu, ukazując fragmenty cząstek i rozproszone struktury w drobnych frakcjach. Różnice w dezintegracji wpłynęły również na odzysk cennych cenosfer – pękanie słabszych cenosfer podczas separacji mogło obniżyć jakość produktu, ale także umożliwiło selektywny odzysk nienaruszonych, wysokiej jakości cenosfer.
Dostępność surowca a technologia przetwarzania
Technologia suchej separacji pneumatycznej odgrywa kluczową rolę w przetwarzaniu ubocznych produktów spalania, zwłaszcza popiołów. W kontekście zmieniającej się gospodarki energetycznej dostępność surowców popielnych staje się coraz bardziej ograniczona. Malejąca produkcja energii z węgla w Polsce, wynikająca z odchodzenia od paliw kopalnych na rzecz odnawialnych źródeł energii, bezpośrednio przekłada się na zmniejszoną podaż popiołów i innych ubocznych produktów spalania. W związku z tym innowacyjne techniki, takie jak sucha separacja pneumatyczna, nabierają szczególnego znaczenia. Dzięki precyzyjnemu oddzielaniu frakcji drobnoziarnistych pozwala ona na uzyskanie popiołów o specyficznych właściwościach, dostosowanych do wymagań rynkowych. Technologia ta nie tylko zwiększa efektywność przetwarzania surowców, ale także umożliwia ich zastosowanie w bardziej zaawansowanych sektorach, takich jak produkcja materiałów budowlanych czy spoiw specjalnego przeznaczenia. Wyzwaniem pozostaje także legislacja, która wciąż niejednoznacznie definiuje popioły jako materiał antropogeniczny, co może ograniczać ich rynkową akceptację. Jednak zaawansowane techniki separacji mogą pomóc w nadaniu im wyższej wartości użytkowej i komercyjnej.
Marcin Jarosz jest dyrektorem ds. produkcji w firmie Comex Polska sp. z o.o. w Oświęcimiu, a Jurij Delihowski jest pracownikiem naukowym na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie
