Vlastnosti energetických popolčekov a možnosti ich využitia

Popolčeky však obsahujú také zložky, ktorých oddelením (separáciou) by sa tento materiál, ktorý bol pôvodne odpadom, stal cennou surovinou. Chemické zloženie popolčekov je totiž blízke prírodným materiálom a preto na separáciu ich úžitkových zložiek je možné využiť podobné metódy ako u prírodných rúd a minerálov.

Energetické závody, produkujúce popolčeky, obvykle nemajú tradíciu v budovaní zariadení na ich úpravu a popolček využívajú v neupravenej podobe. Napr. Slovenské elektrárne, a. s. v roku 2000 využili (na výrobu stavebných výrobkov, krajinotvorbu, a pod.) až 430 334 ton popolčekov.

Vlastnosti popolčekov

Fyzikálne

Pre výber metód, použitých na získavanie jednotlivých úžitkových zložiek z popolčeka, je zaujímavá zrnitosť, respektíve veľkosť povrchu, merná hmotnosť a morfologické vlastnosti. Zrnitosť popolčekov býva v rozsahu 0 - 1 mm. Merná hmotnosť popolčekov sa pohybuje od 1,9 (Nováky, Mělník), 2,2 - 2,3 (TEKO Košice, EVO Vojany), až do 2,5 (Tisová, Hodonín, Ostrava NHKG), resp. 2,6 g/cmA. Morfológia častíc popolčeka z určitého zdroja, zistená rastrovacím mikroskopom, umožňuje okrem iného určiť zdroj znečistenia v posudzovanej lokalite. Morfológia častíc popolčeka, ktorý prešiel tepelným procesom počas horenia uhlia, sa líši od morfológie častíc anorganického i organického spadu imisií z prírodných zdrojov. Pre použiteľnosť popolčekov v cestnom staviteľstve sú významné zhutniteľnosť a namŕzavosť. Taviteľnosť popolčeka je dôležitá vo výrobe keramických hmôt.

Chemické

Chemické zloženie popolčekov je v značnej miere informáciou o zložení pôvodného uhlia. Chemické zloženie a reakcie počas spaľovania ovplyvňuje prítomnosť vody, dostatok kyslíka, obsah síry, konštrukcia kúreniska, riadenie procesu horenia, obsah spáliteľných látok. Magnetitové železo a spáliteľné látky, resp. zvyšky nespáleného uhlia (nedopal) sú úžitkovými zložkami.

Popolčeky tiež obsahujú ďalšie prvky, ktorých úžitkovosť je treba posudzovať podľa toho, či a v ktorých produktoch úpravy popolčekov dochádza k ich kumulácii, ako ovplyvňujú proces do ktorého vstupujú. Sú to: Ti, Mo, Cu, Sb, Mn, Ni, Ge, ďalej troskotvorné prvky: Si, Al, Ca, Mg. Toxické prvky, ktoré obsahujú popolčeky vo významnejšom množstve, sú najmä: As a B, Be a Cd. Ďalej je potrebné venovať pozornosť rádioaktívnym prvkom: Ra, Th, Rn, K, a produktom ich rozpadu.

Obsah spáliteľných látok v jednotlivých druhoch popolčekov sa pohybuje od 0,5 do 20 %. Hodnoty maximálneho obsahu spáliteľných látok (strata žíhaním - s. ž.) sú pre jednotlivé aplikácie v stavebníctve uvedené v ČSN a v STN 722062 - 69 (3 - 12 % s. ž.).

Obsah železa sa pohybuje od 3 do 11 %. Popolčeky okrem silikátov obsahujú i alumosilikáty železa, oxidy železa, často sa v zrnách kremeňa vyskytuje magnetit. Všetky častice popolčeka sa správajú ako minerálne látky paramagnetické až feromagnetické, tj. látky s určitou magnetickou susceptibilitou. Magnetitové železo - ide o minerálny novotvar magnetitu - vzniká iba v úzkej povrchovej oblasti jemnozrnných častíc vyhoreného paliva a obvykle je silne prerastené silikátovou a inou hlušinou.

Obsah síry býva vyšší ako 0,2 %. Zvyšková síra a jej zlúčeniny môžu nepriaznivo vplývať na utilizáciu popolčekov v stavebníctve, hlavne na proces tuhnutia a tvrdnutia cementových kompozitov.

Obsah hliníka - príkladom využívania odpadových elektrárenských popolčekov je ich spracovanie v spoločnej výrobe oxidu hlinitého a cementu. Spôsob je ekonomicky výhodný vtedy, keď východisková surovina - popolček - obsahuje minimálne 30 % oxidu hlinitého.

Obsah arzénu: jde o ubikvitárne rozšírený prvok. Z hľadiska použitia popolčekov ako prísady do pórobetónu je dôležité, že až 99 % arzénu v pórobetóne je v nerozpustnej forme. O arzéne je v súčasnosti známe, že sa zo skládok, úložísk a odkalísk trvale vyluhováva.

Mikrosféry sú častice popolčeka charakterizované guľovým tvarom. V ich vnútri sú oxidy uhlíka a dusíka. Táto zvláštna stavba rozhoduje o ich nízkej mernej hmotnosti, resp. hustote - asi 500 kg.m-3 a nízkom súčiniteli tepelnej vodivosti - okolo 0,1 W.m- 1.K- 1.

Nedocenená surovina

Ako už bolo spomínané, popolček je stále nedocenenou surovinou. Obsah zvyškov spaliteľných látok vyjadrený stratou žíhaním (ČSN a STN 722062-9) limituje jeho využitie v stavebníctve. Toto využitie je najčastejšie vo výrobe pórobetónu, keramických výrobkov, glazúrovaných dlaždíc a obkladačiek, agloporitu, cementárenského slinku, ľahkých neautoklávovaných betónov, hutných autoklávovaných silikátobetónov, ako jemné kamenivo do betónu, zbalky spevňované za studena a autoklávované kamenivo do betónu, betónovej krytiny, na sypané tepelné izolácie, na výrobu tepelnoizolačných hmôt, polystyrénbetónu, ako plnidlo do epoxidových a polyuretánových hmôt a polyesterových živíc, pri stabilizácii podkladových vrstiev vozovky v cestnom staviteľstve, ako prísada vo výrobe mált, atď.

V hutníctve sú popolčeky využívané ako zásypové hmoty pri odlievaní ocele, zásypové zmesi a izolačné vložky, tepelnoizolačné dosky, formovacie hmoty pre odlievanie zliatin a ocele. S použitím mikrosfér sú vyrábané formovacie hmoty na odlievanie neželezných kovových prvkov alebo zliatin.

V baníctve sú popolčeky využívané ako základkový a termoizolačný materiál.

V automobilovom priemysle slúžia na výrobu zvukovoabsorpčných zmesí.

Úpravnícké postupy

Oddeľovanie zvyškov spaliteľných látok. V popolčeku zachytávanom v jednotlivých výsypkách elektrofiltrov dochádza ku kumulovaniu spáliteľných látok - nedopalu do hrubších zrnitostných tried. Odtriedením je tak možné znížiť ich obsah o niekoľko %. Napríklad z hnedouhoľného popolčeka z úložiska Chalmová s obsahom 5,6 % s. ž. bol získaný podsitný produkt s obsahom 2,8 % s. ž. (tj. taký produkt, ktorý spÍňa najprísnejšiu normu pre použitie v stavebníctve) s hmotnostným výnosom 92 % a nadsitný produkt s obsahom 40,3 % s. ž.

Ak je obsah nespálených zvyškov uhlia vyšší ako 12 %, potom na ich oddelenie je vhodné použiť flotáciu. Flotácia je fyzikálno-chemický proces, založený na selektívnom spájaní vzduchových bubliniek s hydrofóbnymi časticami dispergovanými vo vodnom prostredí - rmute. Vhodným zberačom hydrofobizovaný povrch nespálených častíc uhlia im umožní vyflotovať na hladinu rmutu, odkiaľ sú odoberané a filtrované, prípadne sušené. Získaný flotačný koncentrát má obsah spaliteľných látok vyše 80 % s. ž.

Flotačný odpad je už produkt vhodný na spracovanie v stavebníctve, nakoľko obsahuje asi 1 % s. ž.

Získavanie železa sa uskutočňuje suchým a mokrým nízkointenzitným magnetickým rozdružovaním. Koncentráty získané z čiernouhoľných popolčekov obsahovali vyše 50 % Fe pri hmotnostnom výnose do 7 %.

Získavanie kovov je známe niekoľko desiatok rokov. Okrem železa ide najčastejšie o hliník, germánium, urán a vápnik. Autor Hycnar uvádza, že hydrometalurgickými procesmi je možné získať 22 kovov, napr. Ag, Al, Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sn, Sb, Th, Ti, U, V, Zn. Pyrometalurgickými metódami je možné získať Al, Ca, Cu, Ga, Ge, Fe, Si, As, Mg, Mn, Ni, Sb, Si, Sn, Th, Ti, U, V. Doteraz neboli zaregistrované metódy získavania Co, Cr a Sr.

Použiteľné produkty

Z popolčeka, ktorý je obvykle odpadom, je možné po úpravníckom spracovaní získať produkty použiteľné v priemysle:

Flotačný koncentrát zvyškov nespáleného uhlia - nedopalu môže slúžiť ako palivo. Jeho spalné teplo je 26 - 27 MJ.kg-1. Zápalná teplota tohto uhlia je nad 500 řC.

Magnetitový koncentrát ako zaťažkávadlo pri úprave uhlia, alebo ako surovina na výrobu železa alebo iných, železo obsahujúcich hutníckych produktov.

"Odpad" po flotácii spáliteľných zvyškov a po magnetickej separácii Fe - zušľachtený popolček - má s minimálnym obsahom zvyškov spáliteľných látok také vlastnosti, ktoré ho predurčujú pre hodnotnejšie výrobky. Po alterácii môže slúžiť ako náhrada prírodných zeolitov, čiastočná náhrada cementu, a ako jemnozrnné kamenivo do niektorých druhov betónov alebo pórobetónov, ako prísada do maltovín a do maltovinových zmesí.

Mikrosféry majú široké použitie a sú trhovo atraktívne. Ich cena, v závislosti od kvality, sa pohybuje od 1000 do 11 000 USD za tonu. Slúžia napr. ako výborná protipožiarna ochrana káblov.

Zúžitkovanie popolčekov šetrí prvotné suroviny a energiu. Pri projektoch na ich spracovanie, alebo zúžitkovanie nie je potrebné uvažovať s investíciami na také operácie ako je ťažba a zdrobňovanie. Potrebné sú iba tie zariadenia, ktoré priamo súvisia s rozdružovaním - s procesom flotácie a magnetickej separácie.

Pre seriózne rozhodnutie o spôsobe využitia popolčekov z určitej elektrárne alebo teplárne je potrebný podrobný výskum ich fyzikálnych (najmä zrnitosť a morfológia), chemických a mineralogických vlastností, preverenie možnosti použitia technológií na získavanie jednotlivých úžitkových zložiek, ekonomické zhodnotenie a prieskum možnosti odbytu získaných produktov vo vzťahu ku nákladom na úpravu, skládkovanie spolu s vyhodnotením dopadu na životné prostredie.

Realizácia uvedených postupov úpravy už bola overená v priemyselných podmienkach a môže byť významným prínosom k riešeniu daného ekologického problému.

Detailné štúdium fyzikálnych, chemických a mineralogických vlastností popolčekov zo spaľovania čierneho alebo hnedého uhlia v kúreniskách tepelných elektrární je predpokladom pre kvalifikovaný výber možností ich využitia. Tento hromadný odpad predstavuje vyše 70% podiel z tuhých odpadov produkovaných na Slovensku. Zužitkovanie popolčekov v konečnom dôsledku znamená ich zneškodnenie ako odpadu. Výber technológií, uplatňovaných na získavanie jednotlivých úžitkových zložiek a posúdenie vhodnosti ich použitia v rôznych priemyselných oblastiach by mali zohľadňovať ich výsledný dopad na životné prostredie.

Ak budú jednotlivé produkty, získané z popolčekov, vhodne zúžitkované, zníži, resp. minimalizuje sa množstvo, ktoré by bolo potrebné skládkovať. Skládkovanie, okrem vplyvov uvedených v úvode, sa prejavuje vylúhovaním často aj toxických chemických prvkov kontamináciou podzemných i povrchových vôd, čo je z dlhodobého hľadiska jedným z rizikových environmentálnych faktorov.

Františka Michalíková, Jiří Škvarla, Fridrich Zeleňák,

katedra mineralurgie a environmentálnych technológií,

Fakulta BERG

Technická univerzita, Košice

V osemdesiatych rokoch predchádzajúceho storočia bola ČSFR v produkcii energetických popolčekov na obyvateľa a km2 na prvom mieste vo svete.