A Miskolci Egyelem Közleménye A.sorozat, Bányászat, 55. kötet, (2001) p. 67-76 "Tiszta Környezetünkért" Szénerőműi pernyék hasznosításával tudományos konferencia A BARNASZÉN ERŐMŰVEK SALAK-PERNYE ANYAGAI, JELLEMZŐIK ÉS HASZNOSÍTÁSUK Prof. Dr. Kovács Ferenc egyetemi tanár, az MTA rendes tagja Miskolci Egyetem A széntüzeléses erőművekben a tüzelőanyag összetételétől, a szénelőkészítés és a tüzelőberendezések technikai paramétereitől függően, jelentős mennyiségben keletkeznek maradékanyagok. Nagy tömegben salak és pernye, füstgázkéntelenités esetén un. RE A gipsz és mosóvíz is. A maradékanyagok mennyisége elsődlegesen a tüzelőanyag hamutartalmától, illetőleg kéntartalmától függ. A világ energia ellátásában, számottevő mennyiségben a villamosenergia termelésben is jelentős szerepe van a szénnek. A világtermelés az ezredfordulón kereken 4 milliárd tonna feketeszén, valamint mintegy 800 millió tonna barnaszén, illetőleg lignit évente. A szenek hamutartalmától függően - a hamutartalom 5-8 %-tól 30-35 %-ig változik általában - az elégetés során keletkező salak és hamu mennyisége 1,0-1.5 milliárd tonna/év, a múltban felhalmozott ilyen jellegű maradék anyagok mennyisége 100 milliárd tonnát jelenthet. Közelebbi példákat említve a szénerőművek maradék anyagait illetően a rajnai barnaszén medence erőműveiben - ahol a lignit hamutartalma átlagosan 7 %, a kéntartalom 0,2-0,8 % - 100 MW erőművi teljesítmény évi tüzelőanyag igénye kereken 1 Mt. A 100 MW teljesítményre esőén évente 60-70 kt salak + pernye keletkezik, füstgázkéntelenités esetén még 12-15 kt gipsz is. A német keleti területeken az erőművi rekonstrukciók után 100 MW teljesítményre vonatkoztatva évente 30-50 kt pernye, a nagyobb kéntartalom miatt 25-30 kt gipsz és 4-5000 m 3 mosóvíz esik.
68 Kovács Ferenc A magyarországi lignit tüzelőanyag összetétele jelentősen eltér a rajnai barnaszéntől. A hazai ligniteknél lényegesen nagyobb a hamutartalom és az éghető kéntartalom is. A lignit hamutartalma 15-25 % között változik, átlagosan 20 %. Visontán 100 MW erőmüvi teljesítményre évente 160-200 kt salak + pernye keletkezik. A közelmúltban megvalósult füstgázkéntelenités során 100 MW teljesítményre 40-60 kt/év gipsz mennyiséggel számolhatunk. A salak és pernye anyagok kémiai összetétele, szemcsenagyság méretei A salak és pernye anyagok kémiai-ásványos összetétele, illetőleg szemeloszlása egyrészt a felhasználási lehetőségek miatt érdekes, másrészt a depóniába helyezés esetén ezek a paraméterek is befolyásolják a szilárdságot és a vízáteresztő-képességet, a szivárgási tényezőt. A szénportüzelésü kazánokból kikerülő salak es pernye gyakorlatilag szilárdság nélküli, porszem - a salak durvább, a pernye finomabb anyag, igen laza szerkezetű. A visontai erőmű maradék anyagainál a salak sűrűsége 1650-1750 kg/m 1, a pernye anyagok sűrűsége 2000-2050 kg/m 1, a salak + pernye keverék sűrűsége 1900-2000 kg/nv. A hidraulikus kiszállítás során az anyagok aprózódnak, az aprózódotl salak + pernye keverék sűrűsége 2150-2300 kg/m\ közel azonos a homok sűrűségével. Mérési adatok szerint a örvényágyas (fluidágyas) és szénportüzeléses kazánoknál is az a jellemző, hogy az Si0 2 tartalom döntő része a salakban távozik - a salak Si0 2 tartalma 60-90 % -, a pernyében esak kisebb része marad (a pernye Si0 2 tartalma 20-50 %). A CaO + MgO tartalom ugyanakkor nagyobb részben a pernyében jelenik meg. Hasonló módon az Fe 2 0, + A1 2 0 3 tartalom döntő része is a pernyében található. Az egyes elemek részaranya a különböző anyagoknál viszonylag széles határok között változik, az alsó és felső határértékek között 10-15-szörös különbség is lehet. Az 1. táblázatban különböző bányászati területek salak + pernye anyagai kémiai összetételének jellemző adatait adjuk meg. A Si0 2 tartalom átlagos értekei közel azonosak, a barnaszén és lignit tüzelésű erőmüveknél 45-60 % közötti az SiO : tartalom. A maradék anyagok hidraulikus (kötési) tulajdonságait determináló CaO + MgO tartalom jelentősen különbözik az egyes anyagoknál. Visontán 10-12 %, Inotán 20-25 %, a rajnai területen 20-30 %. A Fe 2 0 3 + A1 2 0 3 tartalom ugyanakkor a rajnai területen a legkisebb 12-18 %, Visontán viszont magas 25-30 %, Inotán közepes érték 20-25 %. Ezek az összetételi arányok határozzák meg döntő módon. hogy a Visonta-i depónia anyaga a hidraulikus kiszállítás után - a kiszáradást követően - egyáltalán nem szilárdul meg, míg a rajnai területen 5-20 MPa-os szilárdság is jelentkezik.
A barnaszén erőmüvek salak-pernye anyagai, jellemzőik és hasznosításuk 69 A kémiai összetétel adatokat az 1. ábra Rankin diagramján is ábrázoltuk, más anyagok paramétereivel együtt. Az egyes anyagok összetételét jellemző területek elhelyezkedése is szemlélteti, hogy a németországi és Inota-i (Balinka-i) barnaszén hamu anyagok, illetőleg a Visonta-i depónia anyag jelentősen eltérő összetételű. A salak és pernye anyagok szemcsenagyság összetétele, illetőleg szemeloszlása egyrészt a felhasználási lehetőségek miatt érdekes, másrészt a depóniákba helyezés esetén ezek a paraméterek is befolyásolják a szilárdságot és a vízáteresztő képességet is. A szokásos módon szerkesztett szemeloszlási függ vények jellemzik az anyag összetételét, minél meredekebb" a függvény, annál inkább homogén az anyag, kevésbé van szükség osztályozásra, szemnagyság szerinti szétválasztásra. A különböző területek anyagai szemnagyság összetételét, illetve szemeloszlási függvényeit 2. ábra szemlélteti. A rajnai pernyék tömegének mintegy 80 %-a 50 p m-nél kisebb szemnagyságú, ebből is adódóan kedvező hidraulikai tulajdonságú. Az Inota-i pernyéknél 70 % ez az arány, Visontán viszont csak a pernye tömegének 20-30 %-a esik a 0,05 mm alatti tartományba. Az alacsony" CaO + MgO tartalom mellett az utóbbi adottság okozza", hogy a Visonta-i depónia anyaga nem szilárdul meg. A salak anyagok szemcsenagysága kereken két nagyságrenddel nagyobb, mint pl. a kedvező hidraulikus tulajdonságú (pl. cement) anyagoké. A viszonylag széles - ezerszeres - szemcsenagyság tartomány is magyarázza, hogy az erőmüvi maradék anyagok igen eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek. A salak + pernye anyagok szilárdsági jellemzői, a depóniák áteresztő képessége A lerakás, deponálás után a szárazanyag Visontán igen laza szerkezetű, porózus tulajdonságú, vízáteresztő, gyakorlatilag zérus szilárdságú. Külföldi irodalmi adatok alapján a kevert hamu (salak+pernye) anyagok belső súrlódási szöge általában 27-36 között változik. A Visonta-i salak-pernye anyagok belső súrlódási szöge 27-36 között alakul. A száraz salak + pernye anyagoknál laboratóriumi mérések alapján a szivárgási tényező k = 10" 4-10" 5 m/s, az önsúly tömörödés utáni érték k = 7-10 m/s, helyenként 10 " 6 m/s érték is jelentkezik. Hasonló mérések alapján a külfejtési letakarításból származó döntött meddő anyag szivárgási tényezője k = 4 10" 5 m/s körüli érték.
70 Kovács Ferenc Az egyes anyagok - kötőanyagok - hidraulikus, szilárdulási tulajdonságait elsősorban a kémiai- és a szemesenagyság - összetétele határozza meg. A kémiai összetétel ilyen vonatkozásban a hidraulikus -, a szilikát- és aluminát modulus, valamint az un. bazieitás határozza meg. A salak és pernye anyagok vizsgálatánál ezeket a paramétereket hasonlítjuk össze a portlandeementeknél megadott szokásos értékhatárokicai. A paraméterek közül most esak a hidraulikus modulust kiemelve: azt kapjuk, hogy a Visonta-i salak + pernye mintáknál ez az arány HM át, = 0,04-0,07, ugyanakkor a rajnai barnaszén salak + pernye anyagoknál HM ;ÍÜ = 0,40-0,60 közötti érték, a portlandeementeknél szokásosan megadott értékhatár HM = 1,7-2,3. A visonta-i hamu anyag HM értékei egy nagyságrenddel kisebbek, mint a rajnai pernyék jellemzői, illetve két nagyságrenddel kisebbek, mint a cement hidraulikus modulusa. A Visonta-i hamu + pernye anyagok CaO:Si0 2 aránya általában nem éri el azt a határt. (0,1:1,0), ami fölött a barnaszén pernye vizben kötő (liidraulikus) tulajdonsága érvényesül. A rajnai pernyéknél ez az arány 0,1-0,5-ös érték. A hirdaulikus tulajdonságok másik jellemzője a kötőanyagok szemcsenagysága. A megkívánt szemcsenagyság felső határa 0,03-0,05 mm. A rajnai pernyék tömegének döntő része (2. ábra) ezen szemcsenagyság tartomány alá esik, míg a visontai zagytéri mintákban csak 5-25 %-nyi tömeghányad esik a 30-50 pm -nél finomabb szemcsetartományba. A visontai salak + pernye anyagokkal végzett szilárdítási kísérleteink azt mutatták, hogy ezek az anyagok nem mutatnak szilárdulási tulajdonságokat. (Hasonlóan a depónián tapasztalt jelenségekhez). A szilárdsági vizsgálatokkal párhuzamosan lehet meghatározni a depóniák áteresztő képességét, a szilárdsági tényező értékeket is. A depóniában található anyagok (kloridok, szulfátok, toxikus anyagok, nehézfémek) kioldódásának mértékét jelentősen befolyásolja a megszilárdult összlet áteresztőképessége. Az áteresztőképesség meghatározása során olyan eredményeket kaptak, hogy a klorid, illetve a szulfát tartalom növekedése csökkenti a k tényező értékét.
A barnaszén erőművek salak-pernye anyagai, jellemzőik és hasznosításuk 71 A csökkenés mértéke függ a depónia anyagának CaO + MgO tartalmától, magas CaO tartalom mellett a REA viz (klorid, szulfát) bekeverése 3 nagyságrenddel is csökkentheti a k értékét. A REA gipsz bekeverése viszont növeli az áteresztőképességet, csökkenti a szilárdságot. A 3. ábra a rajnai terület adatai alapján, a depóniába szállított anyag víztartalmának függvényében mutatja a k tényező változását. A salak + pernye anyag kémiai átalakulási folyamatában a sztöchiometriailag szükséges vízmennyiség (25-35 m%) eredményez minimális áteresztőképességgel, közel maximális szilárdságot. Ugyanakkor ilyen mértékű vízbekeverés még nem okoz felesleges kioldást, káros anyag kimosódást. A 4. ábra ugyancsak rajnai adatok alapján a hányóanyag nyomószilárdsága függvényében adja meg a szivárgási tényező változását. A maradékanyagok elhelyezése során rövidebb és hosszabb távon is veszélyt jelenthet a depónia anyagból történő kioldódás, az oldott anyagok környezeti károsító hatása. A kioldódódás elsődlegesen klorid és szulfát, másodlagosan nehézfém, toxikus anyagok lehetnek. A kloridok és szulfátok maximális kioldódási koncentrációja 4000-10000 mg/l is lehet. A depónia anyagának megkötésével, az ásványok átalakulásával, fázisváltozásával párhuzamosan csökken a kioldás mértéke. Németországi mérések alapján 28-30 napos megkötés után a klorid koncentráció 100-500 mg/l, a szulfát koncentráció 200-400 mg/l értékre csökken, 180 napos megkötés után a klorid esetén 40-200 mg/l, a szulfát esetében 100-200 mg/l a kioldódási koncentráció. A német előírások ivóvíz esetében 200 mg/l klorid (Cl") és 240 mg/l (S0 4 2+ ) koncentrációt engednek meg. A német irodalmi közlések azt állítják, hogy a pernyéből, illetve a depóniából származó nehézfém (ion) kioldódás minden esetben alatta marad a megengedett határértéknek. Környezeti hatások szempontjából érdekes lehet a szenek, illetőleg a hamupernye anyagok sugárzó anyag tartalma. A hazai szenek urántartalmának vizsgálata során az adódott, hogy hazai vonatkozásban legnagyobb urántartalma az ajkai kréta kőszénnek van. Az ajkai alsó telepek urántartalma elérheti a 0,1 %-ot, azaz az 1000 g/t értéket, az átlagos érték néhányszor 100 g/t. Viszonylag magasnak mondható a dunántúli eocén szenek urántartalma, ami általában néhány 10 g/t, maximális értékként 300-400 g/t. A mecseki líász szenek viszonylag alacsony, 10 g/t körüli urántartalmúak. Az Észak-magyarországi miocén barnaszenek, valamint a Mátra- Bükkalja-i lignitek - és nyilván ezek hamujának - urántartalma is minimális, néhány g/t érték.
72 Kovács Ferenc A salak és pernye anyagok hasznosítása A fustgázkéntelcnitéssel működő erőmüveknél általában a salak és pernye anyagok kezelése a REA vízzel együtt történik. Külfejtési üregek feltöltése - általában a környezeti hatások csökkentése érdekében - speciális, un. kazettás tormában szokásos. Ahol nincs - illetőleg nem volt - füstgázkéntelenités, ott a pernye nagyobb arányban áll rendelkezésre más irányú felhasználás céljára. A pernye egyéb irányú hasznosítását általában a következő tényezők korlátozzák: nem egységes (állandó) a pernye minősége, mivel az a széntelep minőségétől, a külfejtési technológiától és a tüzelés paramétereitől is ftigg, a keletkezett, illetőleg a korábban felhalmozódott pernye viszonylag nagy mennyisége, illetőleg helyhezkötöttsége, a helyettesítő anyagok (hagyományos építőanyagok) árszintje miatt a pernye előkészítés nem gazdaságos. A salak - pernye anyagok hasznosításával kapcsolatban széleskörtí kutatások folynak. Egyedül Németországban 15 kutatási programban dolgoznak, félüzemi és üzemi kísérletekkel összekapcsoltán. A hasznosítási lehetőségek, illetőleg a kutatási irányok: ipari ásványok előállítása, illetőleg kinyerése (pl. zeolit, wollastonit. alumínium oxidok) cement és beton adalékanyagként való hasznosítás, építőanyagkent való hasznosítás (könnyű-, illetve nehéz építőelemek gyártása, magas CaO + MgO tartalom esetén hidraulikus kötőanyagként való hasznosítás, magas Si0 2 tartalom esetén homok helyettesítés stb.) hidraulikus tulajdonságú pernyék (barnaszén-lignit pernye) hasznosítása útépítésnél, feltöltések, gátak kialakításánál, külfejtési és földalatti üregek tömedékelésénél, talajjavítási és rekultivációs célú hasznosítás. A hasznosítás környezetvédelmi szempontjait elemezve a különböző anyagok (cement, szemétégetőműi-, feketeszén- és barnaszénpernye) kémiai vizsgálata azt mutatta, hogy a Na, K, Co, Fe és AI elemek a vizsgált porokban lényegében azonos mennyiségben vannak jelen. A Cr, Zu, Pb, Cu, Co, Col és Ni
A barnaszén erőmüvek salak-pernye anyagai, jellemzőik és hasznosításuk koncentráció a barnaszén (lignit) pernyékben lényegében kisebb, mint a többi anyagban, az utóbbi három elem a rajnai pernyékben egyáltalán nem fordul elő. A kutatások során olyan eredményeket kaptak, hogy a barnaszén (lignit) pernyében található nehézfémek (nyomelemek) a pernye deponálás során környezetvédelmi szempontból nem jelentenek veszélyt, a kioldódás alatta marad a megengedett határértékeknek. IRODALOM fi] Kovács Ferenc: A barnaszén erőmüvekben keletkező maradék anyagok jellemzői és hasznosítása. Magyar Energetika, 1998. 2. szám 31-36. old. [2] Majoros György: A mecseki liász kőszén radioaktív-elem tartalom. Specimina Geographica, Pécs, 1993. 3. szám, 47-51. old.
74 Kovács Ferenc 1. táblázat A különböző bányászati területek salak-pernye anyagai kémiai összetételének jellemző adatai (Az izzít ősi veszteség nélküli tömeg %-ban) 1. Feketeszén hamu (örvény-ágyas tüzelés teljes tömeg % -ban) 2 Feketeszén hamu (örvényágyas tüzelés, száraz tömeg %-ában) Németország 3 Barnaszén hamu (száraz tömeg %-ában) Németország 4 Rajnai barnaszén (szénportüzelés) 5 Visonta-Bükkábrányi telepek 6 Visontai minták Krőmü (szénportüzelés) átlag 7 Inotai zagytér minták Si0 2 CaO MgO CaO + MgO Fe 2 0 3 AliOi Fe 2 Oi + AI2O3 33-48 8-18 1-2 9-20 5-10 1 3-22 18-32 40-55 1-8 0,4-4,8 2-13 4-17 23-35 27-52 20-70 8-40 0,5-7 9-47 1,5-20 1-15 2,5-35 45-58 20-28 12-18 41-49 10-12 28 45-60 53 45-53 5-10 1,5-25 6,5-12,5 18-26 2-3 10 20-29 8-14 12-18 20-32 7-9 14-17 26 21-26 átlag 50 21±3 2,6+0,6 23-24 7.510.7 15+1.0 8 Inola 3. és 5. kazán, filter pernye 51-53 18-20 2-2,2 20-22 7-7,5 16-16,5 22-23
A barnaszén erőművek salak-pernye anyagai, jellemzőik és hasznosításuk 75 1. ábra: A különböző ipari területek (barnaszén, cement, hulladék, feketeszén, puccolánok) anyagai elemzési eredményei a Rankin-diagramon a- Portland cement; b - magaskemence cement; c - szemétégetőmül pernyepor; d - Inotai Erőmű salak + pernye; e - Visontai Erőmű salak + pernye; f - természetes poccolánok; g - feketeszén pernye; h - barnaszén pernye (Németország) 2. ábra: A különböző területek pernye és salak anyagainak szemnagyság eloszlási függvényei a - VEAG feketeszén; b - rajnai pernye (átlag); c - inota pernye; d - Braunschw. pernye; e - Visonta pernye (átlag); f - német salak (alsó határ); g - Inota salak; h - rajnai salak (átlag); i - német salak (felső határ)
Kovács Ferenc 3. ábra:.] szivárgási tényező változása a deponált pernye víztartalmának függyényében nai barnaszén pernye anyagának száraz és nedves - vízzel történő - deponálása során) 4. ábra: szivárgási tényező változása a nyomószilárdság függvényében (Rajnai barnaszénterület)