wydział inżynierii materiałowej i ceramiki katedra technologii...

Właściwości fizykochemiczne popiołów fluidalnych

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Katedra Technologii Materiałów Budowlanych

Zakopane 15 kwiecień 2010

Prof. dr hab. inż. Jan Małolepszy

POPIÓŁ LOTNY KRZEMIONKOWY

Krzemionkowy popiół lotny

z konwencjonalnego kotła

pyłowego

C4AH

13, C

2AH

8

C2ASH

8, C

3AS

3-C

3AH

6

SiO2akt

Al2O

3akt

+ Ca(OH)2

C-S-H

REAKCJA PUCOLANOWA

woda

OBSERWACJE MIKROSKOPOWE - SEM

OP2/II

RODZAJE POPIOŁÓW FLUIDALNYCH

• Z węgla kamiennego

• Z węgla brunatnego (Turoszów)

• Z węgla brunatnego (PAK) ?

• Z węgla brunatnego (Bełchatów) ?

PROCES FLUIDALNY

Temperatura w palenisku – 850 C

Sorbent – CaCO3 Odpady

- popiół

- złoże denne

Paleniska naturalne

- Temperatura w palenisku – 1200 C

- Odpady

- popiół

- żużel

OBRAZ SEM POPIOŁU FLUIDALNEGO

ZIARNA POPIOŁU – TUROSZÓW

Powiększenie 10 000 x

Pow. 10 000 x

analiza EDS

ZIARNA POPIOŁU – TUROSZÓW

ZIARNA POPIOŁU – KATOWICE

Powiększenie 10 000 x

POPIÓŁ FLUIDALNY (T)

FLUBETPOPIÓŁ FLUIDALNY (T)

GŁÓWNI PRODUCENCI ODPADÓW FLUIDALNYCH W 2005 R.

Nazwa zakładu

rodzaj odpadu (tys. t.)

Popiół fluid. odpad denny razem

Elektrownia „Turów” 1 200 300 1 500

E.C. „Żerań” 120 40 160

E.C.”Czechowice-Dziedzice” 40 10 50

Elektrownia „Jaworzno II” 100 50 150

E.C. „Katowice” 100 30 130

E.C. „Tychy” 20 5 25

Elektrownia „Siersza” 75 25 100

Z-dy Farm. „Polpharma” 8 2 10

Elektrownia „Chorzów” 100 25 125

Elektrownia Łagisza 300 100 400

Razem 2063 587 2 290

ZMIENNOŚĆ WYBRANYCH ELEMENTÓW SKŁADU CHEMICZNEGO POPIOŁÓW FLUIDALNYCH TURÓW I KATOWICE

W OKRESIE 2007-2008R.

Składnik

Procent masy danego składnika, %

Popiół fluidalny Turów Popiół fluidalny Katowice

Wartość

średnia σ* min max

Wartość


SiO2 34,74 2,62 29,96 37,75 43,75 2,89 40,59 47,18

Fe2O3 5,26 0,58 4,40 6,00 7,66 1,17 5,85 9,40

Al2O3 25,43 2,73 21,20 28,40 23,33 1,29 21,18 25,62

CaO 19,24 4,46 14,46 26,34 8,85 1,77 6,30 11,60

SO3 4,20 1,02 2,95 6,43 5,07 1,27 3,62 6,98

Na2Oe 2,25 0,44 1,74 3,14 2,83 0,24 2,42 3,27

CaOw 6,57 1,93 4,70 10,00 1,18 1,14 0,00 3,40

Cl- 0,02 0,00 0,02 0,03 0,11 0,05 0,04 0,19

AKTYWNOŚĆ PUCOLANOWA POPIOŁÓW FLUIDALNYCH K

WG METODY ASTM C379-65

Składnik

Aktywność pucolanowa popiołów, %

Popiół

z

Katowic

(K)

Popiół

z

Katowic

(K1)

Popiół

z

Katowic

(K2)

Popiół

z

Katowic

(K3)

Popiół

z

Katowic

(K4)

Popiół

z

Katowic

(K5)

Popiół

z

Katowic

(K6)

Popiół

z

Katowic

(K7)

SiO2 21,50 15,37 17,20 16,00 18,25 17,88 14,13 17,89

Al2O3 14,80 11,62 12,50 9,90 11,50 11,29 10,21 13,16

SUMA: 36,30 26,99 29,70 25,90 29,75 29,17 24,34 31,05

AKTYWNOŚĆ PUCOLANOWA POPIOŁÓW FLUIDALNYCH T

WG METODY ASTM C379-65

Składnik

Aktywność pucolanowa popiołów, %

Popiół

z

Turowa

(T)

Popiół

z

Turowa

(T1)

Popiół

z

Turowa

(T2)

Popiół

z

Turowa

(T3)

Popiół

z

Turowa

(T4)

Popiół

z

Turowa

(T5)

Popiół

z

Turowa

(T6)

Popiół

z

Turowa

(T7)

SiO2 19,37 15,84 12,05 18,90 17,75 15,33 18,30 13,87

Al2O3 13,00 10,93 8,50 12,03 10,40 10,11 11,49 9,08

SUMA: 32,37 26,77 20,55 30,93 28,15 25,44 29,79 22,94

WYNIKI OZNACZENIA CECH WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH ZAPRAW WYKORZYSTANYCH DO OCENY

PUCOLANOWOŚCI POPIOŁÓW FLUIDALNYCH TURÓW

Skład spoiwa w zaprawie

normowej

Wytrzymałość na zginanie

i ściskanie po czasie

hydratacji, dni

% wytrzymałości na ściskanie

zaprawy zawierającej popiół w

stosunku do zaprawy cementowej,

%, po czasie hydratacji

28 90 28 dni* 90 dni*

Cement CEM I 42,5R 8,3 // 45,1 8,5 // 49,7 - -

75% - CEM I 42,5R 25% - popiół Turów (T) 9,6 // 54,2 9,5 // 58,0 120 117

75% - CEM I 42,5R 25% - popiół Turów (T1) 9,7 // 51,2 9,4 // 53,6 114 108


Cement CEM I 42,5R 7,7 // 48,5 8,6 // 52,1 - -






WYNIKI OZNACZENIA CECH WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH ZAPRAW WYKORZYSTANYCH DO OCENY

PUCOLANOWOŚCI POPIOŁÓW FLUIDALNYCH KATOWICE

Skład spoiwa w zaprawie

normowej

Wytrzymałość na zginanie

i ściskanie po czasie

hydratacji, dni

% wytrzymałości na ściskanie zaprawy

zawierającej popiół w stosunku do

zaprawy cementowej, %, po czasie

hydratacji

28 90 28 dni 90 dni

Cement CEM I 42,5R 8,3 // 45,1 8,5 // 49,7 - -

75% - CEM I 42,5R 25% - popiół Katowice (K) 10,7 // 57,1 10,3 // 58,6 127 118

75% - CEM I 42,5R 25% - popiół Katowice (K1) 9,8 // 55,5 9,6 // 57,4 123 115

Cement CEM I 42,5R 7,7 // 48,5 8,6 // 52,1 - -







DYFRAKTOGRAM POPIOŁU FLUIDALNEGO (A – anhydryt, C – kalcyt, Q – kwarc)

ZMIENNOŚĆ SKŁADU MINERALNEGO POPIOŁÓW FLUIDALNYCH TURÓW I KATOWICE

W OKRESIE 2007-2008 R.

Składnik

Procent masy danego składnika, %

Popiół fluidalny Turów Popiół fluidalny Katowice

Wartość


Wartość


SiO2 2,3 1,0 1,5 3,9 16,4 2,2 14,2 19,9

CaSO4 7,1 1,7 5,0 10,9 8,6 2,2 6,2 11,9

CaO 6,6 1,9 4,7 10,0 1,2 1,1 0,00 3,4

CaCO3 5,2 1,7 3,4 8,9 2,2 1,9 0,4 6,5

nie spalony

węgiel 0,1 0,0 0,1 0,1 2,0 0,7 0,6 2,7

fazy

bezpostaciowe

związane z

rozkładem

minerałów

ilastych: typ

metakaolinitu

79,1 4,7 71,0 83,7 70,2 3,7 62,8 73,8

ZŁOŻE DENNE

Skład chemiczny Zawartość [% wag.]

Straty prażenia 4,00

SiO2 38,69

Fe2O3 3,21

Al2O3 16,18

TiO2 0,51

CaO 21,48

MgO 1,78

SO3 13,99

S2- 0,16

W tym CaOw 7,68

SKŁAD FAZOWY ZŁOŻA

Metakolinit(AS2 )– 50% (faza amorficzna)

CaOw – 5 – 8%

CaCO3 – 8-10%

CaSO4II – 20-25%

------------

SiO2 –kwarc

AKTYWNOŚĆ PUCOLANOWA POPIOŁÓW KRZEMIONKOWYCH

Zawartość rozpuszczanych składników

w temperaturze 80 C (roztw. NaOH)

- SiO2 - 12 – 18 % (16-20%)

- Al2O3 - 2 – 4 % (10 – 13%)

-----------------------------------------

Skład chemiczny

pop.fluid. – SiO2/Al2O3= 1.50 - 1.90

pop.krzem.- SiO2/Al2O3= 2.0 - 2.20

CHARAKTERYSTYKA POPIOŁÓW LOTNYCH

P1, P2, P3

– 1, 2, 3 strefa

odpylania

elektrofiltru

Popioły

lotne

Intensywność piku dyfrakcyjnego

od -kwarcu (26,5 2 CuKα)

Intensywność piku dyfrakcyjnego

od mullitu (26,2 2 CuKα)

[zliczenia] [%] [zliczenia] [%]

P1 128 100,0 31 100,0

P2 85 66,4 21 67,7

P3 70 54,7 16 51,6

10 20 30 40 50 60

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

M M

MM

MMM

M

M

M

M

MM

M

M

M

M

M

MM

MM

MM

M

M

M

M

M

M

2 CuK

P1

P2

P3

Q - -kwarc,

M - mullit

Dyfraktogramy XRD

popiołów lotnych

SKŁAD FAZOWY POPIOŁÓW KRZEMIONKOWYCH

Faza szklista – 50 - 70%

Faza krystaliczna – 30 - 50%

- kwarc (SiO2)

- mulit (3Al2O3∙2SiO2)

WYTRZYMAŁOŚĆ NA ŚCISKANIE ZAPRAW CEMENTOWYCH Z DODATKIEM POPIOŁÓW LOTNYCH

Z I, II I III SEKCJI ELEKTROFILTRU (2006)

Rodzaj cementuWytrzymałość na ściskanie w [MPa] po upływie:

2 dni 28 dni 90 dni 180 dni

CEM I 42,5R 24,6 44,7 54,4 60,2

CEM I 42,5R (80%) + PI

(20%)17,8 33,9 41,5 46,1

CEM I 42,5R (80%) + PII

(20%)19,6 43,0 49,1 64,7

CEM I 42,5R (80%) + PIII

(20%)22,1 45,8 53,1 69,4

CHARAKTERYSTYKA KAOLINITU

Kaolinit - minerał ilasty o budowie warstwowej,o pakietach dwuwarstwowych, dioktaedrycznych (1 : 1)

Odmiany polimorficzne: dickit i nakryt,

Al4[Si4O10](OH)8

(Al2O3∙2SiO2∙2H2O, AS2H2)

Podstawowym elementem struktury kaolinitów jest pakietzbudowany z warstwy krzemo-tlenowej i warstwy glino-tleno-wodorotlenowej

STRUKTURA KAOLINITU

Podstawowym elementem struktury kaolinitów: - warstwa krzemo-tlenowej - warstwa glino-tleno-wodorotlenowe

------------------------------------------------------------

L.K. Si = 4___________________________ [SiO2O5 ]-2

___________________________ H2O

L.K. Al = 6___________________________ [AlO6]-9

STRUKTURA WEWNĘTRZNA KAOLINITU(projekcja wzdłuż osi b)

KRZYWE TERMICZNE KAOLINITU

DEHYDROKSYLACJA KAOLINITU

2 Al2O3∙4SiO2∙4H2O → 2 Al2O3∙4SiO2 +4H2O

Temperatura rozkładu – 550 C

Temperatura praktyczna – 750 C – 800 C

REAKCJA PUCOLANOWA METAKAOLINITU

AS2 + 5 CH + 5 H → C5AS2H5

gdzie C5AS2H5 jest fazą o przeciętnym składzie reprezentowaną przez

mieszaninę CASH, C2ASH8, C4AH13, C3AH6, CSH, a w przypadku

obecności węglanów, dodatkowo mogą być również obecne

węglanogliniany (karbogliniany).

Rodzaj tworzących się produktów krystalicznych w głównej mierze

zależy od stosunku AS2/CH.

WPŁYW WIELKOŚCI SUBSTYTUCJI CEMENTU METAKAOLINITEM NA ZAWARTOŚĆ

PORTLANDYTU W BETONIE W ZALEŻNOŚCI OD DŁUGOŚCI OKRESU DOJRZEWANIA

WPŁYW DODATKU METAKAOLINITU NA ROZKŁAD WIELKOŚCI PORÓW

w zaprawie w/c = 0,4,

kruszywo/spoiwo = 1,0,

wiek zaprawy = 100 dni.

Skład fazowy betonu komórkowego

• xCaO ySiO2 nH2O

• 5CaO ∙ 6SiO2 ∙ 5H2O

• 3CaO ∙ Al2O3 ∙ CaSO4 ∙ 12H2O

-----------------------------

x 3CaO ∙ mAl2O3 ySiO2 nH2O

Popioły fluidalne – dodatkowo

3CaO ∙ Al2O3 ∙ CaCO3 ∙ 12H2O

7CaO ∙ 2SiO2 ∙ CaCO3 ∙ 2H2O

CaSO4

POROWATOŚĆ

Duże pory kuliste Małe pory kuliste

FORMY CSH

TOBERMORYT

PORÓWNANIE ODMIAN 300 I 600OBSERWACJE SEM - FORMACJE

TOBERMORYTU

300(dśr 6 m)

600(dśr 4 m)

Prefabet Lidzbark Welski S.A.

XONOTLIT

MONOSULFAT

Brak powstawania etryngitu

HYDROGRANAT

C-S-H + C3S2H (girolit)

MICROSTRUCTURE OF AAC FLUIDIZED COMBUSTION ASH

C-S-H (stringy) and tobermorite


C-S-H (honeycomb) and hydrated calcium aluminosilicate


hydrated calcium aluminosilicate


gypsum

CHARAKTERYSTYKA SCAWTYTU

Scawtyt

Ca6Si6O18∙2H2O∙Ca(CO)3

(7CaO∙6SiO2∙CO2∙2H2O, C7S6H2(CO2)

zawiera dwie cząsteczki w jednoskośnej komórce

elementarnej.

SCAWTYT

WNIOSKI

Popioły fluidalne

Zalety:

- duża aktywność pucolanowa

- zawartość CaOw bardzo aktywnego

- zawartość CaSO4 II

Wady:

- zwiększona wodożądność

- zmienność składu fazowego

- wskazane ujednorodnianie

Ucząc innych - uczysz siebie

Seneca

Dziękuję za uwagę

STRUKTURA WEWNĘTRZNA KAOLINITU(projekcja wzdłuż osi a)

STRUKTURA WEWNĘTRZNA SCAWTYTU

STRUKTURA WEWNĘTRZNA KAOLINITU(projekcja wzdłuż osi c)

WYNIKI OZNACZEŃ PARAMETRÓW FIZYCZNYCH BADANYCH POPIOŁÓW ZE SPALANIA

W KOTŁACH FLUIDALNYCH.

Identyfikacja popiołu fluidalnego

Wyniki oznaczeń:

Powierzchnia BET, m2/g Wodożądność zaczynu wodno-popiołowego o normowej

konsystencji, wyrażona wskaźnikiem W/S, -

popiół Turów (T) 12,1 0,75

popiół Turów (T1) 9,2 0,69







popiół Katowice (K) 13,5 0,73

popiół Katowice (K1) 13,3 0,75







FAZA CSH

wydział inżynierii materiałowej i ceramiki katedra technologii...

Documents