SZÉNERŐMŰVEK MARADÉK ANYAGAINAK JELLEMZŐI ÉS HASZNOSÍTÁSA*

Átírás

1 PubL Univ. of Miskolc, SeriesA. Mining Vol. 53. (1999) pp Szénerőmüvek maradék anyagainak jellemzői és hasznosítása SZÉNERŐMŰVEK MARADÉK ANYAGAINAK JELLEMZŐI ÉS HASZNOSÍTÁSA* tanszékvezető egyetemi tanár a MTA rendes tagja ME Bányászati és Geotechnikai Tanszék Összefoglalás Az előadás bemutatja a világ ásványi nyersanyagtermelésének adatait, megadja a feldolgozás maradék anyagainak mennyiségét. Részletesen elemzi a szénerőművek maradék anyagainak (salak és pernye) kémiai-fizikaimechanikai jellemzőit. Összehasonlítja a különböző területek salak- és pernye anyagai tulajdonságait. Röviden összefoglalja az erőműi maradék anyagok hasznosítási lehetőségeit. * A téma kutatásait a Környezetvédelmi Minisztérium az /98. sz., az OTKA a T sz. és a FK.FP a 6/1999. sz. munka keretében támogatta. 123

2 Szénerőművek maradék anyagainak jellemzői és hasznosítása 1. Az erőművek maradék anyagainak mennyisége A világ nyersanyag és energia igényeit döntő többségben a bányászati iparágban kitermelt ásványi nyersanyagok, illetőleg energiahordozók elégítik ki. Az ásványi nyersanyagok előkészítése, dúsítása, feldolgozása, az energiahordozók eltüzelése során jelentős mennyiségben keletkeznek maradék anyagok, a környezetet szennyező égéstermékek is. A szóban forgó probléma jelentősége a közeljövőben várhatólag nem csökken, a nyersanyagtermelés adatai alapján megállapítható ugyanis, hogy a világ nyersanyag, illetőleg energiahordozó termelése az években is folyamatosan emelkedett. Az emelkedés öt év alatt nyersanyagfajtáktól függően 3-11 % volt. Az 1996-os év termelési adataiból néhány főbb tétel: Nyersvas és ötvöző anyagai (Fe, Cr, Co, Mn, Mo,...) Színesfémek (Al, Sb, Cd, Cu, Zn, Pb,...) t(mt) t(mt) Nemes fémek (Au, Ag, Pt) Ipari ásványok (só, gipsz, bentonit,...) Feketeszén (Kína termelése t) kg (Mkg) t(mt) t(mt) Barnaszén és lignit t(mt) Kőolaj t(mt) Földgáz m 3 (Mrdm 3 ) Fém urán (U) Építőanyag (kő, kavics, homok) kg (Mkg) t(mrdt) 124

3 Szénerőművek maradék anyagainak jellemzői és hasznosítása A megmozgatott szilárd ásványi anyag, az érc + szén évi termelése fentiek alapján t (Mrdt) lehet, a külfejtésekben megmozgatott meddő (Mrdt), az építőanyag és vele együtt megmozgatott kőzet mintegy (Mrdt), összesen tehát évente t (Mrdt) megmozgatott anyag. A kitermelt ásványi nyersanyagok feldolgozása, felhasználása (elégetése) során keletkező, a környezetet terhelő (elhelyezendő) maradékanyag mennyisége mintegy t (Mrdt), ezen belül az érc- és ásványelőkészítés anyagai (Mrdt), a széntüzelésű erőművek salak és pernye anyaga t (Mrdt). A környezeti hatások vonatkozásában jelentős károsító anyag többek között a kéndioxid (SO2) és a széndioxid (C0 2 ) is. A széntüzelésű erőművekben (pl. Németország, ahol a villamos energia termelés 30 %-a szénre alapul, és az átlagos hamutartalom 7 %) 100 MW erőműi teljesítményre t/év (Et) salak és pernye t/év (Et) gipsz (CaS0 4 ) keletkezik. A füstgázkéntelenítő klasszikus módszerénél, ahol a SO2 lekötése meszes oldatban történik, szulfátban és kloridban dús ( mg/l) un. mosóvíz, REA víz is keletkezik. A keletkező erőműi maradék anyagok (salak és pernye) aránya a fűtőanyagtól, a tüzelési technológiától függően változik. A német rajnai területen a pernye salak arány 4:1-hez, a német keleti területeken 9:1-hez. Magyarországon a salak (nedves hamu) Visontai a tüzelőanyag tömegének 6-8 %-át, a pernye %-át teszi ki, összesen kereken 20 %-át. A keletkező erőműi maradék anyagok (salak, pernye, gipsz, mosóvíz) mennyisége és fizikai-kémiai összetétele döntő módon meghatározza a hasznosítás lehetőségeit, a deponált anyag szilárdsági- hidraulikus jellemzőit, az elhelyezés módjától is függően a várható környezeti hatásokat. 125

4 Szénerőművek maradék anyagainak jellemzői és hasznosítása 2. A maradék anyagok kémiai, fizikai és szilárdsági jellemzői A hamu kémiai összetétele, illetőleg a szemnagyság által meghatározott hidraulikus tulajdonságok. Az irodalmi források, illetőleg tapasztalatok szerint annak feltétele, hogy valamely szemcsés anyag hidraulikus tulajdonságú legyen, azaz vízzel keverve kémiai reakciók során idővel megszilárduljon, a következő: 1. A por állapotú szemcsés anyag tömegének döntő többsége (m%>90%) (j.m (0,03-0,05 mm)-nél kisebb szemnagyságú legyen. 2. A CaO, SÍO2, Fe 2 03 és AI2O3 tartalma a hidraulikus-, a szilikát- és aluminátmodulusokkal, illetve a bazicitással meghatározott tartományokba essen, valamint 3. Ezen vegyületek megfelelő metastabil kristálystruktúrákat alkossanak, melyek víz hatására hidratálnak, felbomlanak, majd hidrolízis során stabil kalcium-szilikát-hidrát kristályokká alakulnak. A hamu hidraulikus szilárdulásának feltételeit jellemző modulusok: CciCy Hidraulikus modulus HM = Si02 + Al Fe Si0 2 Szilikát modulus SM = Al Fe Aluminát modulus AM = Fe D CaO Bazicitas B = Si02 + Al

5 Szénerőművek maradék anyagainak jellemzői és hasznosítása A hamu (pernye) összetétele a hidraulikus kötőképesség szempontjából akkor megfelelő, ha modulusai az alábbi intervallumokba esnek (a portland cementekre jellemző modulusok): HM =1,7-2,3 SM = 1,8-3,0 AM = 1,5-3,5 B<1 Irodalmi adatok szerint a "jó" hidraulikus tulajdonságokat mutató rajnai pernye anyagoknál a HM modulus 0,4-0,6 közötti érték. Az egyes területek pemye anyagainak kémiai összetételét az 1. táblázat tartalmazza. A 2. táblázatban adtuk meg a HM, SM, AM és B modulusok számított értékeit. A CaO + MgO tartalmak alapján azt látjuk, hogy a 3., 4. és 5. német (rajnai) barnaszén pernyék, valamint rajnai barnaszén pernyék mutatnak viszonylag kedvező hidraulikus tulajdonságot, illetőleg a magyarországi adatok közül az Inotai Erőmű pernye anyagai (17. és 18. minta). Az irodalmi adatok alapján megállapítható, hogy a hidraulikus tulajdonságokkal rendelkező anyagok szemnagysága jellemzően a 0,03-0,05 mm szemnagyság alatt van. A vizsgálatok szerint a VEAG és a Rajna-i pernyék szemnagysága több, mint 90 m %-ban e határ szemnagyság alá esik. Az Inota-i pernyénél 70 m % esik e kritikus érték alá, valamilyen mértékű hidraulikus tulajdonság (önszilárdulás) várható tehát. A Visonta-i pernyék kevesebb, mint m %-a esik a kritikus szemnagyság érték alá, ezért hidraulikus tulajdonság (önszilárdulás) nem várható. A megnevezett anyagokkal kísérleteket folytattunk a szilárdsági paraméterek meghatározása céljából, illetőleg irodalmi közlésekből (Berg, W., Puch K.H., Lukas W., Thole B., Gebhardt G., Ortner G.) vettünk adatokat. A Visonta-i pernyék nem mutatnak hidraulikus tulajdonságot, gyakorlatilag zérus szilárdság adódik. A 28 napos kötési idő után, m % tiszta víz bekeverése mellett a kisebb CaO (MgO) tartalmú VEAG pernyéknél 2,5-2,8 MPa átlagos szilárdság, a magasabb CaO (MgO) tartalom mellett 4,5-5,0 MPa átlagos szilárdság jelentkezik. A Rajna-i (német) barnaszén pernyéknél m % CaO (MgO) tartalom mellett 6-7 MPa átlagos egyirányú nyomószilárdság jelentkezik. Az Inota-i anyagoknál (átlagos CaO tartalom m %) 1,5-4,0 MPa szilárdság adódott. 127

6 Szénerőművek maradék anyagainak jellemzői és hasznosítása A kutatási eredmények alapján is határozottan látszik a tendencia, a CaO (MgO) tartalom emelkedésével nő a pernye + tiszta víz keverékből megszilárdult anyag egyirányú nyomószilárdsága. A m % tartalmú portland cementek szilárdsága MPa. A kísérletek adatai alapján az adódott, hogy a REA-víz (klorid és szulfát tartalmú mosóvíz) bekeverése növeli a depónia szilárdságát. Ez a kémiai folyamatok intenzitásának eredménye. A vizsgálatok további tapasztalata az, hogy a REA-gipsz (CaS0 4. 2H2O) bekeverése viszont csökkenti a depónia szilárdságát. Kísérleti tapasztalat ugyanakkor, hogy az építési (ipari) gipsz (CaSO A H 2 0) pernyéhez keverése ( + tiszta víz) növeli a megszilárduló keverék szilárdságát. A tapasztalt ellentétes hatás oka az, hogy a flistgázkéntelenítés során a "mésztej" oldatból kiváló REA-gipsz már "megszilárdult", vízzel telített, további átalakulásra - kötésre "alkalmatlan" állapotú, a depóniában semleges töltelékanyagként viselkedik. További tapasztalat, hogy pernye + víz, pernye + REA-víz, pernye + gipsz + víz keverék szilárdsága időben előrehaladva tovább emelkedik, nap után a szilárdsága a 28 napos 5-7 MPa értékről, MPa-ra növekszik. A penye depóniák másik fő jellemzője a szilárdság mellett a szivárgási tényező (k), az áteresztőképesség. Altalános tapasztalat, hogy az áteresztőképesség a szilárdság növekedésével csökken. CaO tartalom növekedés, valamint a REA-víz (klorid-szulfát) jelenléte csökkenti - kedvező irányba befolyásolja - az áreresztőképességet, a REA-gipsz viszont növeli azt, mivel csökkenti a szilárdságot. A külfejtések meddőhányóra kerülő döntött meddő (homok) k tényezője 10" 4-10" 5 m/sec nagyságrendű, ugyanilyen érték a száraz pernye k értéke is. A kis CaO tartalmú, vízzel kevert depónia k tényezője 10" 7-10" 8 m/sec, a nagy CaO tartalmú pernyéből vízzel kevert anyag k értéke 10" 8-10" 9 m/sec, a REA-vízzel kevert anyag k értéke 10" 9-10" 10 m/sec is lehet. Természetesen ezek az értékek "labor", illetve "minta" eredmények, a teljes hányó (depónia) szilárdsági, illetőleg áteresztőképesség - záróképesség - értékei jelentősen elmaradhatnak (1-2 nagyságrenddel) a most megadott értékektől. Környezetvédelmi vonatkozásban javít azonban a helyzeten, hogy a kötési (szilárdulási) folyamatban keletkező új ásványok, jelentős "záróképességgel" rendelkeznek. 128

7 Szénerőművek maradék anyagainak jellemzői és hasznosítása 3. Az erőműi maradék anyagok hasznosítási lehetőségei, a hasznosítás tapasztalatai A szén eltüzelésénél salak és pernye, ha a fústgázkéntelenítés megoldott, akkor gipsz és un. mosóvíz keletkezik. A gipsz döntő tömege a technológiából adódóan CaS0 4, az un. mosóvíz nagy koncentrációban ( mg/l) tartalmaz kloridot és szulfátokat. A mosóvíz elhelyezése speciálisan szigetelt depóniákban történik a pernye anyagával való keverés, un. felitatás után. Ahol nincs fiistgázkéntelenítés, ott a pernye teljes tömege, ahol a mosóvíz felitatás történik, ott a pernye egy része áll rendelkezésre más irányú hasznosítás céljából. A pernye hasznosítását általában a következő tényezők akadályozzák: nem egységes, illetőleg nem állandó a pernye minősége, az összeté-tel a szén minőségétől, a bányászat technológiától és a tüzelés paramétereitől is függ, a keletkezett pernye helyhezkötöttsége, illetőleg a nagy mennyiség, a helyettesítendő anyagok (hagyományos építő anyagok) alacsony árszintje miatt a pernye előkészítése nem gazdaságos. A piaci értékesítés követelményeihez való alkalmazkodás érdekében teljesítendő feltételek: az értékesítendő anyagoknak ismerni kell a kémiai, ásványi, fizikai, mechanikai jellemzőit és a környezeti hatásokat befolyásoló egyéb tulajdonságokat, a piaci igények szerinti előkészítést kell gazdaságosan megoldani. A barnaszén erőműi pernye hasznosításával és értékesítésével kapcsolatos vizsgálatok az alábbi területekre terjedtek ki: 1. Ipari ásványok (alapanyagok) előállítása 2. Cement, illetőleg beton adalékanyagokként való hasznosítás 3. Építőipari kötőanyagként, falazóanyagként való hasznosítás 4. Útépítésnél történő hasznosítás 5. Üregkitöltésnél depónia építésnél történő hasznosítás 6. Talajjavításnál és rekultivációnál történő hasznosítás 129

8 Szénerőművek maradék anyagainak jellemzői és hasznosítása A felsorolt tématerületeken Németországban 15 kutatási projektben folytak vizsgálatok, számos laboratóriumban, illetve kísérleti üzemben dolgoztak. Az analitikai vizsgálatok során a kémiai-fizikai-ásványtani paramétereket határozzák meg, összesen kb. 40 különféle vegyi összetevőt elemeztek. A fizikai paraméterek közül elsősorban a szemnagyság, szemeloszlás, a fajlagos felület értékeit határozták meg. Meghatározták a pemye hidraulikus tulajdonságait, a szilárdsági értékeket, a szivárgási tényező adatait. A pernye mechanikai osztályozással való előkészítési kísérletei során kapott frakciókat minőségileg is elemezték, becsülték az előkészítés költségeit. Altalános tapasztalatként rögzítették, hogy a különböző szénmedencék (erőművek) pernye-összetevői igen eltérőek. 1. Az ipari ásványok előállítását célzó kísérletek során Al-ban gazdag pernyékből zeolitot állítottak elő. A Si0 2 -ban gazdag pernyéből mész [Ca(OH) 2 ] adagolással, kalcinálás után wollastonit-ot állítottak elő. Az Al-ban gazdag pernyéből hígítási eljárással Al-vegyületeket, illetve alumíniumot gyártottak. 2. A feketeszén pernyék cement, illetőleg beton adalékanyagként való hasznosítása a viszonylag állandó összetétel következtében viszonylag széleskörű, több országban (Németország, Ausztria) szabványok rögzítik az adagolás előírt arányait. A barnaszén pernyék összetétele jelentősen változhat, ezért a felhasználás feltételeit minden esetben külön kell pontosítani. A magas CaO, illetőleg Si0 2 tartalom a felhasználásnál kedvező adottság, valamint a homogenizálás követelménye is. 3. A barnaszén pernye bizonyos összetétel (általában magas, %-nál nagyobb CaO tartalom) mellett kedvező hidraulikus tulajdonságokkal rendelkezik, építőipari kötőanyagként (malter, habarcs) hasznosítható. A pernye alapanyag (összetétel, szemnagyság) a szokásos gőzzel habosított, majd szilárdított termékek előállításnál teljes értékű nyersanyag (mész adalék anyagot pótol), könnyű építőelemek gyártásánál hasznosítható. A nagyobb Si0 2 tartalmú pernyékből kondicionálás, víz hozzáadás, préselés, szárítás (égetés) után nehéz falazóanyagok (téglák, blokkok) készíthetők. Ezek a téglák méret és formatartók mivel a pernye már egyszer "kiégett" anyag, megmunkálás nélkül, sima falfelületek alakíthatók ki, kedvező beépítési (gyorsaság, nagy teljesítmény) jellemzők adódnak. 130

9 Szénerőművek maradék anyagainak jellemzői és hasznosítása A Rajna-i terület mészben gazdag pernyéi alkalmasak mesterséges mészhomokkövek előállítására. A pernye összetétele folytán ( ~ 50 % Si0 2, % CaO) részben mind a homokot, mind pedig a meszet helyettesíti. Ha a pernyét előbb osztályozzák, akkor a homok, ill. a mész irányított helyettesítésére van lehetőség, minthogy a durvább frakcióban főleg az Si0 2, a finom frakcióban pedig főleg a CaO található. A megfelelő arány beállítása érdekében arra is lehet gondolni, hogy a pernyét a különböző filter-fokozatokról elkülönítetten válasszuk le. 4. Az útépítési hasznosítás kettős célú lehet. Egyrészt az útalapban hasznosítható hidraulikusan kötött hordozó (betonréteg) réteg adalékaként, másrészt aszfalt-töltelékként jöhet szóba, ahol kőzúzalékot helyettesíthet. 5. A barnaszén pernye felszíni és föld alatti üregek tömedékelésére is hasznosítható. Az ilyen irányú hasznosítást megelőző vizsgálatok az anyag szilárdsági, áteresztőképességi jellemzőire terjed ki. A vizsgálatok szerint a depónia anyagában végbemenő változások során un. "tárolóásványok" alakulnak ki, a depónia anyaga mintegy "zárórétegként" viselkedik. Külön elemzést igényel természetesen az a helyzet, amikor a pernye + gipsz + mosóvíz bekeverés után együtt kerül deponálásra. 6. A talajjavítás, illetve rekultiváció során a barnaszénpernye azon kedvező adottságait használják ki, hogy a pernyével kevert hányófelületeken progresszív talajképződés folyik, hasonló módon, mint a mésszel kezelt hányótalajokon. Nem tapasztaltak olyan jelenséget, hogy a talajok kezelése során a pernye nehézfém, illetve nyomelem tartalma számottevő mértékben kioldódott volna. A barnaszéntüzelésű erőművek maradék anyagai közül a salak és pernye, valamint a gipsz tárolása, hasznosítása során nem jelentkezik gond, a mosóvíz (REA víz) klorid és szulfát tartalma azonban külön intézkedéseket igényel. A barnaszénpernyében nehézfémek (Pb, Cu, Co, Cd, Ni, Cr, Zn) minimális mennyiségben vannak, a kioldódás környezetvédelmi szempontból nem jelent veszélyt, alatta marad a megengedett határértékeknek. A maradék anyagok (salak, pernye, gipsz, REA-víz) együttes kiszállítása (deponálása) esetén a kémiai átalakulás során un. "tároló ásványok" kialakulása elősegíti a nehézfémek lekötését, un. tartós kristály formájában azok "bezárását". A REA-víz magas klorid és szulfát tartalma miatt azonban, a fentiek ellenére, a biztonság érdekében, a depónia kialakításánál speciális intézkedéseket (szigetelés, vízzárás, vízelvezetés) kell alkalmazni. 131

10 Szénerőművek maradék anyagainak jellemzői és hasznosítása Irodalom [1] F. Kovács: Chemical composition of clinker and fly ash from lignite fired power plants. Publ. Univ. of Miskolc, Series A. Mining Vol. 52 (1997) Fasc. 5. [2] F. Kovács - J. Molnár: Grain size and distribution of brown coal clinker and fly ash. Publ. Univ. of Miskolc, Series A. Mining Vol. 52. (1997) Fasc. 5. pp [3] F. Kovács - J. Molnár: Mechanical and hydraulic characteristics of the lignite fired power plant wastes. Publ. Univ. of Miskolc, Series A. Mining Vol. 52. (1997) Fasc. 5. pp [4] Kovács F.: A barnaszén erőművekben keletkező maradék anyagok jellemzői és hasznosítása. Magyar Energetika szám old. 132

11 Szénerőművek maradék anyagainak jellemzői és hasznosítása 1 Feketeszén hamu (nedves anzag %-ában) 2 Feketeszén hamu (száraz anyag %-ában) Terület Si0 2 CaO MgO CaO + MgO A Fe 20 3 A Fe Német barnaszén hamu Rajnai barnaszén hamu Rajnai barnaszén hamu granulátum (BengW.-PuchK.H.) 6 Rajnai barnaszén nedves (ágy) hamu (Betg W. - Puch K.H.) 7 Rajnai barnaszén nedves (ágy) hamu (Berg W. - Puch K.H.) 8 Rajnai barnaszén nedves (égy) hamu (Lukas W.-TholeB., 1987) 9 Rajnai barnaszén (RWE) nedves (ágy) hamu (GebhartG.-OrtnefG., 1988) 10 Rajnai barnaszén pernye (Berg W.- Puch K.H.) 11 Rajnai barnaszén pernye (Berg W.-Puch KH.) 12 Rajnai barnaszén (RWE) pernye (GebhartG.-OrtnerG., 1987) 13 Rajnai barnaszén (RWE) pernye (Gebhart G. - Ortner G., 1988) * Visontai telepek át), hamu Bükkábrányi telepek át. hamu Vsonta Erőmű hamu Inotai ErömO (Inotai + Balinka szén) hamu Inotai Erőmű (Balinkai) pernye Tatabánya Erőmű pernye Berentei Erőmű táblázat: Hamu (salak, pernye) anyagok kémiai összetétele 133

12 Szénerőművek maradék anyagainak jellemzői és hasznosítása Terület HM SM AM B 1 Feketeszén hamu (nedves anyag %-ában) 2 Feketeszén hamu (száraz anyag %- ában) 0,19 1,58 2,25 0,22 0,07 1,15 2,90 0,08 3 Német barnaszén hamu 0,39 2,94 0,41 0,46 4 Rajnai barnaszén hamu 0,34 2,73 0,42 0,40 5 Rajnai barnaszén hamu granulátum (Berg W.-Puch K.H.) 6 Rajnai barnaszén nedves (ágy) hamu (Berg W. - Puch K.H.) 7 Rajnai barnaszén nedves (ágy) hamu (Berg. W. - Puch K.H.) 8 Rajnai barnaszén nedves (ágy) hamu (Lukas W.-TholeB 1987) 9 Rajnai barnaszén (RWE) nedves (ágy) hamu (Gebhart G. - Ortner G., 1988) 10 Rajnai barnaszén pernye (Berg W. - Puch K.H.) 11 Rajnai barnaszén pernye (Berg W. - Puch K.H.) 12 Rajnai barnaszén (RWE) pernye (Lukas W.-TholeB, 1987) 13 Rajnai barnaszén (RWE) pernye (Gebhart G.-Ortner G 1988) 0,38 2,36 0,42 0,45 0,19 25,70 0,50 0,19 0,13 40,00 1,00 0,14 0,03 23,00 0,33 0,03 0,03 15,00 2,00 0,03 0,90 1,10 0,18 1,52 1,61 0,86 0,56 2,47 0,52 3,14 0,21 0,63 0,31 3,77 0,38 0,35 14 Visontai telepek átl. hamu 0,10 1,75 0,61 0,12 15 Bükkábrányi telepek átl. hamu 0,13 1,46 0,54 0,16 16 Visonta Erómú hamu 0,10 2,03 1,36 0,12 17 Inotai Erőmű (Inotai + Balinkai szén) hamu 0,33 2,13 0,53 0,42 18 Inotai Erőmű (Balinkai) pernye 0,26 2,25 0,41 0,33 19 Tatabánya Erőmű pernye 0,25 2,26 2,29 0,28 20 Berentei Erőmű 0,06 8,85 3,33 0,06 21 Portland cement alapanyag 1,7-2,3 1,8-3,0 1,5-3,5 <1 2. táblázat: Hamu (salak, pernye) anyagok hidraulikus jellemzői 134