Download - Hydratacja popiołu IBS
Instytut Badań Stosowanych Politechniki Warszawskiej Sp. z o.o.
Centrum Inżynierii Minerałów Antropogenicznych
ANALIZA
TERMOGRAWIMETRYCZNA
ORAZ OKRE ŚLENIE TOPOGRAFII
POPIOŁÓW LOTNYCH
PRZY WYKORZYSTANIU
MIKROSKOPU SIŁ ATOMOWYCH
OPRACOWANIE MODELU EKSPERYMENTU BADAWCZEGO
HYDRATACJI POPIOŁÓW WRAZ Z USTALENIEM WYTYCZNYCH
DO PRZEPROWADZENIA TEGO DO ŚWIADCZENIA ORAZ
OKREŚLENIEM KONIECZNEJ METODOLOGII BADAWCZEJ.
WYKONANIE WW. EKSPERYMENTU BADAWCZEGO.
Warszawa, 2015 r.
2
CEL PRACY
Praca została wykonana w ramach umowy, nr 3/03/213310/GEKON, dotyczącej
dzieła pt.: Opracowanie modelu teoretycznego, eksperymentu badawczego hydratacji
popiołów w ciągu spalin, wraz z ustaleniem wytycznych do przeprowadzenia tego
doświadczenia oraz określeniem koniecznej metodologii badawczej. Wykonanie ww.
eksperymentu badawczego.
Ww. dzieło realizowane jest w ramach projektu pt. „Innowacyjna modyfikacja
technologii produkcji niskoemisyjnych spoiw oraz nawozów, na bazie Ubocznych Produktów
Spalania (UPS) z energetyki”, zadanie nr 1, dofinansowanego przez NCBiR i NFOŚiGW,
w ramach Programu GEKON – Generator Koncepcji Ekologicznych, i obejmuje swym
zakresem w szczególności następujące czynności:
a) opracowanie modelu teoretycznego, eksperymentu badawczego hydratacji popiołów
w ciągu spalin, wraz z ustaleniem wytycznych do przeprowadzenia tego
doświadczenia,
b) dokonanie poboru próbek popiołu lotnego w Elektrowni Bełchatów, bezpośrednio z
procesu energetycznego,
c) przygotowanie próbek i przeprowadzenie doświadczenia w skali rzeczywistej, tj. na
działającym kotle pyłowym, z uwzględnieniem następujących wymogów:
• temperatura ośrodka gazowego 350, 360, 370, 380, 390 i 400 st. C;
• stężenie popiołu lotnego w ośrodku gazowym 50, 60, 70, 80 i 90 g/m3;
• ilość czynnika hydratyzującego w ilości 10, 15 i 20% stężenia popiołu lotnego
w ośrodku gazowym.
d) wykonanie próby nastąpi z wydłużonym czasem przebywania popiołów, poddanych
działaniu wody w instalacji,
e) oprócz powyższego, sprawdzeniu poddana zostanie możliwości ulokowania
instalacji zraszającej za przegrzewaczami powietrza LUVO, tj. wykonanie próby w
zakresach temperatur 150 - 190 st. C, z dodatkiem 10% wody,
f) badania termograwimetryczne uzyskanych próbek materiału po hydratacji, pod
kątem obecności wodorotlenku i jego zawartości procentowej,
g) ocena zawartości CaO wolnego zgodnie z obowiązującymi normami, rozkład
ziarnowy (MALVERN) ocena powierzchni właściwej w oparciu o analizę sitową,
3
h) ocena możliwości prowadzenia procesu przemysłowego i sposobu jego realizacji
oraz – fakultatywnie – sformułowanie koncepcji instalacji do hydratacji w skali
półtechnicznej,
i) raport końcowy, według wymagań obowiązujących dla Programu GEKON.
OPIS WYKONANEGO ZADANIA
Wykonano próby, w pełnym zakresie opisanym powyżej. Wyniki okazały się
niezadowalające. Analiza danych literaturowych, oraz konsultacje z prof. Tsimasem,
pokazują, że w temperaturach pow. 200 st. C reakcja hydratacji ma ograniczony zakres.
Potwierdzeniem tego są wyniki badań hydratacji popiołów lotnych z węgla brunatnego, które
Zamawiający wcześniej zlecił Centrum Innowacji w Energetyce, Politechniki
Częstochowskiej, w ramach realizowanego programu badawczo-rozwojowego GEKON.
Po uzgodnieniach z Zamawiającym, ustalono, co następuje:
1. Przeprowadzone wyniki badań w temperaturach powyżej 360oC nie wykazują efektu
hydratacji w postaci utraty wolnego tlenku wapnia i zmiany go w wodorotlenek
wapnia. Nie skutkuje to również wzrostem powierzchni właściwej.
2. Nie zauważono praktycznie żadnego wpływu zmian stężenia popiołu lotnego w
ośrodku gazowym w zakładanych stężeniach 50, 60, 70, 80 i 90 g/m3. Podwodem jest
prawdopodobnie i tak relatywnie niskie stężenie popiołu w gazie transportującym w
warunkach rzeczywistych. Kilkukrotny wzrost stężenia popiołu do ponad 500 g/m3
dopiero wykazywał oddziaływanie na proces hydratacji wyraźnie ją blokując,
natomiast w zakładanych zakresach nie stwierdzono korelacji pomiędzy zmianą
stężenia pyłu, a hydratacją, czy rozwojem powierzchni właściwej.
3. Ilość wprowadzanej wody była istotnym czynnikiem hydratyzującym, natomiast
pojawiał się tutaj problem aglomeracji przy niskich temperaturach i strumieniach
wody wyższych niż 10%. Wynika z przeprowadzonych badań, ze jest to maksymalna
ilość wody jaką można wprowadzić do pracującej instalacji kotłowej, a w zasadzie
systemu odprowadzania popiołu. Wyższe wartości dają co prawda lepsze efekty ale
skutecznie blokują transport pneumatyczny popiołu lotnego.
4
ANALIZA TERMOGRAWIMETRYCZNA
Popioły zostały poddane badaniom termograwimetrycznym przy użyciu analizatora
TGA/SDTA 851e TGA/SDTA 851e firmy Mettler Toledo. Parametry prowadzenia pomiaru
przedstawiono poniżej:
Zakres temperaturowy pomiaru: 25oC – 10000 C
Stopień nagrzewania celi: 20 oC/min
Gaz: azot o przepływie 50ml/min
Dodatkowo jako gaz ochronny: argon o przepływie 20ml/min
Tygiel: platyna 70ul
Masa początkowa próbki ~20mg.
Rysunek 1. Krzywa TG, DTG próbki mokrej aktywowanej popiołu lotnego.
Popiół mokry aktywowany charakteryzował się ubytkiem masy wynoszącym około
6,5% w temperaturze 690oC dla CaCO3 pochodzącego ze skały płonnej oraz 0,5%
dla Ca(OH)2 w temperaturze 430 oC.
5
Rysunek 2. Krzywa TG, DTG próbki mokrej surowej popiołu lotnego.
Natomiast dla próby popiołu mokrego jednakże, bez użycia wody aktywowanej
ubytek masy wyniósł około 6,0 % dla CaCO3 pochodzący ze skały płonnej w temperaturze
688 oC oraz 0,5 Ca(OH)2 w temperaturze 430oC.
Rysunek 3. Krzywa TG, DTG próbki suchej popiołu lotnego.
6
Popiół lotny bez dodatku wody charakteryzował się ubytkiem masy CaCO3 (ze skały
płonnej) wynoszącym 7,5% w temperaturze 696 oC oraz 0,5% dla Ca(OH)2 w temperaturze
430 oC. W proponowanych warunkach hydratacja przebiegała w minimalnym stopniu.
OKREŚLENIE TOPOGRAFII POPIOŁÓW LOTNYCH
PRZY WYKORZYSTANIU MIKROSKOPU SIŁ ATOMOWYCH
Określenie topografii popiołów lotnych zostało wykonane z wykorzystaniem
mikroskopu sił atomowych. Mikroskop sił atomowych Atomic Force Microscope AFM
stanowi przykład skaningowego mikroskopu sondującego. W badaniach wykorzystano
mikroskop sił atomowych Vecco Muti Mode V typu Nanscope E, o następujących
parametrach: zakres skanowania wynosił 2x2 µm2, obszar w jakim rejestrowano próbki-
10 x 10 µm po osi X, Y, natomiast po osi Z=2,5 µm. Materiał nanoszono na nośny krążek,
umocowano za pomocą „sticker’a” i umieszczano na skanerze, który umożliwia jej
precyzyjne przesuwanie względem sondy pomiarowej, krzemowej dźwigni z ostrzem.
Skanowanie było prowadzone w płaszczyźnie próbki (x,y) jak również w kierunku do niej
prostopadłym (oś z). Obraz został utworzony przez program komputerowy na bazie sygnałów
elektrycznych charakteryzujących sprzężenie miedzy próbką a sondą. Podczas analizy
wykorzystano tryb pracy: Tapping Mode (półkontakt) o częstotliwości rezonansowej
f = 230 – 292 kHz. Technika AFM, bazuje na wykorzystywaniu oddziaływań
międzyatomowych, dzięki którym określono topografię, chropowatość oraz profil
powierzchni w wybranym przekroju.
OKREŚLENIE STRUKTURY POPIOŁÓW LOTNYCH
– MIKROSKOP SIŁ ATOMOWYCH
Topografię ziarna popiołu lotnego z Elektrowni Bełchatów użytego do badań
hydratacji przedstawiono na rysunkach: 4-15.
7
Rysunek 4. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 500 x1,0µm, ziarno węgla 10 % woda aktywowana, próbka mokra.
Rysunek 5. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 500 x1,0µm, ziarno białe 10 % woda aktywowana, próbka mokra.
8
Rysunek 6. Topografia ziarna popiołu lotnego- badany obszar 1,2µm x 3,0µm, ziarno węgla 10 % woda aktywowana, próbka mokra.
Rysunek 7. Topografia ziarna popiołu lotnego- badany obszar 1,2µm x 3,0µm,
ziarno białe 10 % woda aktywowana, próbka mokra.
9
Rysunek 8. Topografia ziarna popiołu lotnego- badany obszar 500 x1,0µm, ziarno białe 10 % woda surowa, próbka mokra.
Rysunek 9. Topografia ziarna popiołu lotnego- badany obszar 500 x1,0µm, ziarno węgla 10 % woda surowa, próbka mokra.
10
Rysunek 10. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 1,2µm x 3,0µm, ziarno białe 10 % woda surowa, próbka mokra.
Rysunek 11. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 1,2µm x 3,0µm, ziarno węgla 10 % woda surowa, próba mokra.
11
Rysunek 12. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 500 x1,0µm, ziarno węgla, próba sucha.
Rysunek 13. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 500 x1,0µm, ziarno białe, próba sucha.
12
Rysunek 14. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 1,2µm x 3,0µm, ziarno białe, próbka sucha.
Rysunek 15. Topografia ziarna popiołu lotnego – badany obszar 1,2µm x 3,0µm, ziarno czarne, próbka sucha.
13
Zidentyfikowane ziarna popiołu lotnego charakteryzują się zróżnicowaną morfologią.
W skanowanym materiale dominowały ziarna o kształcie kulistym: mineralne
oraz amorficzne. W popiele lotnym najdrobniejszą frakcję stanowią wypełnione w środku
porosfery, natomiast frakcje grubsze (czasami przekraczające średnice 100 µm) stanowią
puste cenosfery. Występują również plerosfery, które stanowią otwarte wypełnione w środku
mniejszymi ziarnami kulistymi od 1 do kilku µm ziarna. Ziarna PL mogą występować
pojedynczo, bądź jak na analizowanych zdjęciach (ze względu na silne właściwości
higroskopijne) mogą się łączyć ze sobą tworząc aglomeraty złożone z subziaren węgla.
Na rysunkach 16-21 zaprezentowano powierzchnię właściwą oraz charakterystykę badanego
materiału z podkreśleniem chropowatości.
Rysunek 16. Powierzchnia właściwa, chropowatość ziarna czarnego popiołu lotnego, 10 % woda aktywowana, próbka mokra, 3,0µm.
Name 007 Value Results Image Surface Area 14.3 µm˛ Image Projected Surface Area 9.00 µm˛ Image Surface Area Difference 59.1 % Image Rq 104 nm Image Ra 80.4 nm Image Rmax 629 nm
14
Rysunek 17. Powierzchnia właściwa, chropowatość ziarna białego popiołu lotnego, 10 % woda aktywowana, próbka mokra, 3,0µm.
Rysunek 18. Powierzchnia właściwa, chropowatość ziarna białego popiołu lotnego, 10 % woda surowa, próbka mokra, 3,0µm.
Name biała 085 Value
Results
Image Surface Area 15.6 µm˛
Image Projected Surface Area 9.00 µm˛
Image Surface Area Difference 73.5 %
Image Rq 142 nm
Image Ra 114 nm
Image Rmax 859 nm
Name biala 004 Value Results Image Surface Area 14.8 µm˛ Image Projected Surface Area 9.00 µm˛ Image Surface Area Difference 64.3 % Image Rq 170 nm Image Ra 138 nm Image Rmax 1020 nm
15
Rysunek 19. Powierzchnia właściwa, chropowatość ziarna czarnego popiołu lotnego, 10 % woda surowa, próbka mokra, 3,0µm.
Rysunek 20. Powierzchnia właściwa, chropowatość ziarna białego popiołu lotnego, próba sucha, 3,0µm.
Name02251158_ czarna Value Results Image Raw Mean -232 nm Image Mean 0.132 nm Image Z Range 274 nm Image Surface Area 10.0 µm˛ Image Projected Surface Area 9.00 µm˛ Image Surface Area Difference 11.4 % Image Rq 44.7 nm Image Ra 34.3 nm Image Rmax 274 nm
Name 02201235 Value Results Image Surface Area 13.5 µm˛ Image Projected Surface Area 9.00 µm˛ Image Surface Area Difference 50.2 % Image Rq 151 nm Image Ra 119 nm Image Rmax 916 nm
16
Rysunek 21. Powierzchnia właściwa, chropowatość ziarna czarnego popiołu lotnego, próba sucha, 3,0µm.
Tabela 1.
Próba mokra Próba sucha
10 % H2O aktywowana 10 % H2O surowa
Czarne ziarno
Białe ziarno Czarne ziarno
Białe ziarno Czarne ziarno
Białe ziarno
Surface Area Difference [%]
59.1 73.5 11.4 64.3 44.0 50.2
Ra [nm] 80,4 114 34.3 138 24.0 119
Chropowatość powierzchni jest jednym z elementów, które w istotny sposób
wpływają na zastosowanie popiołów lotnych w innowacyjnych technologiach.
Natomiast w zastosowaniu w budownictwie im większa jest powierzchnia właściwa tym,
materiał charakteryzuje się większą aktywnością pucolanową i jest z powodzeniem
stosowany. Na rysunkach nr 22-27 przedstawiono profile powierzchni.
Name 02182347 Value Results poniżej 4x4 Image Surface Area 23.4 µm˛ Image Projected Surface Area 16.3 µm˛ Image Surface Area Difference 44.0 % Image Rq 30.7 nm Image Ra 24.0 nm Image Rmax 185 nm
Raw Mean -373 nm Mean -0.254 nm Z Range 185 nm poniżej 3x3 Surface Area 13.5 µm˛ Projected Surface Area 9.20 µm˛ Surface Area Difference 46.2 % Rq 30.0 nm Ra 24.5 nm Rmax 202 nm
17
Rysunek 22. Profil powierzchni w wybranym przekroju 1-2, badany obszar 3,0µm, ziarno czarne, próba mokra, 10% woda aktywowana.
Rysunek 23. Profil powierzchni w wybranym przekroju 1-2, badany obszar 3,0µm, ziarno białe, próba mokra, 10% woda aktywowana.
18
Rysunek 24. Profil powierzchni w wybranym przekroju 1-2, badany obszar 3,0µm, ziarno białe, próba mokra, 10% woda surowa.
Rysunek 25. Profil powierzchni w wybranym przekroju 1-2, badany obszar 3,0µm, ziarno czarne, próba mokra, 10% woda surowa.
19
Rysunek 26. Profil powierzchni w wybranym przekroju 1-2, badany obszar 3,0µm, ziarno białe, próba sucha.
Rysunek 27. Profil powierzchni w wybranym przekroju 1-2, badany obszar 3,0µm, ziarno czarne, próba sucha.
20
We wszystkich analizowanych próbach stwierdzono nieregularne ziarna
o zaokrąglonych bądź ostrokrawędzistych brzegach, posiadają one największe wymiary,
zazwyczaj ich średnica przekracza 150 µm. Ziarna największe posiadające najciemniejszy
kolor i stanowią zasadniczo okruchy niespalonego węgla, sadzy oraz mniejsze mineralne
jasne ziarna kwarcu. Jak widać na rysunkach PL ze spalania węgla brunatnego
są jasnobrązowe bądź szare.
BADANIA W ZMODYFIKOWANYCH WARUNKACH
W dniu 31.03.2015 przeprowadzono serię dodatkowych badań hydratacji popiołu
lotnego na nowym stanowisku przedstawionym na rysunku:
Rysunek 28. Schemat stanowiska badawczego.
Stanowisko do badań aktywacji popiołu lotnego zbudowano jako zamknięty kanał
o przekroju kołowym (średnica 0,2 m) i elipsoidalnym kształcie o szerokości 1m i długości
3m (2m - odcinek prosty). Do kanału poprzez krócieć wprowadzano popiół lotny znajdujący
się w strumieniu gorących spalin, który na swojej drodze napotykał kurtynę wodną tworzoną
przez wtryśnięte do przewodu cząsteczki wody. Wodę do układu wprowadzono poprzez
system dysz umiejscowionych symetrycznie na obwodzie kanału. Cząsteczki popiołu lotnego
unoszone w gorących spalinach wchodzą w kontakt z cząsteczkami wody, ulegając hydratacji.
Ciągły przepływ mieszaniny spalin i popiołu lotnego w kanale wymuszany został za pomocą
21
wentylatora. Po zakładanym czasie pobytu w komorze reakcyjnej zhydratyzowane cząstki
popiołu lotnego wyprowadzano z instalacji za pomocą króćca spustowego.
Natępnie przeprowadzono analizę termograwimetryczną badanego popiołu lotnego,
wyniki przedstawiono na rysunkach: 29-31.
Rysunek 29. Krzywa TG, DTG próbki mokrej aktywowanej popiołu lotnego.
Popiół mokry aktywowany charakteryzował się ubytkiem masy wynoszącym 5,5%
w temperaturze 690 0C dla CaCO3 pochodzącego ze skały płonnej oraz 3,4 % dla Ca(OH)2
w temperaturze 430 0C.
22
Rysunek 30. Krzywa TG, DTG próbki mokrej aktywowanej popiołu lotnego.
Popiół mokry charakteryzował się ubytkiem masy wynoszącym 6% w temperaturze
690 0C dla CaCO3 pochodzącego ze skały płonnej oraz 2,8% dla Ca(OH)2 w temperaturze
430 0C.
Rysunek 31. Krzywa TG, DTG próbki mokrej aktywowanej popiołu lotnego.
23
Natomiast popiół suchy charakteryzował się ubytkiem masy wynoszącym 7%
w temperaturze 690 0C dla CaCO3 pochodzącego ze skały płonnej oraz 0,5 % dla Ca(OH)2
w temperaturze 435 0C.
Uzyskane próbki z hydratacji poddano dodatkowo analizie CaO wolnego oraz analizie
ziarnowej. Wyniki przedstawiono w poniższej tabeli 2.
Tabela 2. Hydratacja popiołu lotnego w temperaturze 350 0C z 10% udziałem wody surowej
i aktywowanej – test dodatkowy 2.
350°C 10%H2O
test dodatkowy nr 2 woda surowa woda aktywowana 10%
sucha mokra sucha mokra
CaO [%] 3.75 3.77 4.02 4.07
d(0,1) [µm] 20.222 18.466 19.567 17.322
d(0,5) [µm] 82.144 79.821 81.298 80.122
d(0,9) [µm] 215.330 198.467 224.076 212.283
Specific Surface Area [m/g] 0.147 0.178 0.154 0.177
Surface Weighted Mean D[3,2] [µm] 41.217 45.554 41.341 49.329
Vol. Weighted Mean D[4,3] [µm] 111.246 129.544 124.657 131.577
Uzyskane wyniki rozkładów ziarnowych i powierzchni właściwych pokazują ich
wyraźny przyrost po hydratacji w każdym przypadku i wynoszą od 6 do 16%. Analiza CaO
wolnego nie wykazuje żadnych zmian ale jest to spowodowane specyfiką metody oznaczania,
o czym wspominał Raport Politechniki Częstochowskiej.
24
WNIOSKI
Przeprowadzone wcześniej badanie na modelu CFB dały wyniki na różnym poziomie
bez jednoznacznej odpowiedzi na pytanie o możliwości prowadzenia hydratacji. Dopiero
badania na elemencie przewodu dały pełną i jasną odpowiedź, że jest to możliwe. Obydwa
testy dały pozytywny efekt. Prawdopodobnie w przypadku pierwszym ograniczeniem była
ilość popiołu cyrkulującego w instalacji pilotażowej CFB. Ze względów eksploatacyjnych
ilość popiołu była znacznie zawyżona w stosunku do warunków rzeczywistych. W przypadku
przewodu zastosowana stężenie pyłu zbliżone do stężenia przemysłowego. W próbie
aktywowanej wyznaczona zawartość wodorotlenku wapnia 3,4 % stanowi prawie 88%
przereagowania tlenku wapnia, który w próbce suchej stanowił niewiele ponad 0,5%.
A zawartość CaO w popiele bez obróbki średnio wynosiła 3,85. Taki wynik należy uznać
za bardzo dobry. W próbce dla wody bez aktywacji uzyskano natomiast 73% stopień
przereagowania. Wydaje się, że przeprowadzenie testu w warunkach przemysłowych
da lepszy obraz proponowanej metody. Analizę wyników oparto na uzyskanych wynikach
laboratoryjnych i próbach stanowiskowych. Podczas badań zweryfikowano wcześniej
uzgodnioną metodykę, a badania wzbogacono o analizę TGA oraz analizę mikroskopem sił
atomowych. Ze względu na to, że proponowana metoda analityczna zgodna z Normą PN-EN
451-1 jest bezużyteczna w tego typu oznaczeniach.
Badania pokazały także, że nie ma szybkiej metody analitycznej do wykrywania
wodorotlenku wapnia i wolnego tlenku wapnia osobno. Określanie konwersji CaO
do wodorotlenku wapnia z zastosowaniem analizy chemicznej zgodnie z Normą
PN-EN 451-1, pokazała kompletną jej nieprzydatność do tego rodzaju badań, gdyż tlenek
i wodorotlenek wapnia według w/w normy oznaczane są łącznie. Jedyną alternatywą jest
zastosowanie metody termograwimetrycznej. Analiza TGA jest co prawda bardzo dokładną
metodą jednakże bardzo praco- i czasochłonną. Czas jednego oznaczenia z przygotowaniem
aparatu i próbki przekracza 4 godziny, a dodatkowo analizie poddawana jest próbka w ilości
5 -10 mg co stwarza konieczność wykonania wielu serii badań celem uzyskania
reprezentatywnego wyniku. Przy rocznej produkcji popiołów lotnych sięgających z reguły
u dużych wytwórców powyżej miliona ton rocznie, trudno będzie zastosować metodę TGA
jako weryfikującą i sprawdzającą jakość procesu hydratacji. Zatem nie ma możliwości
badania on-line jakości hydratacji w kanale spalinowym z zastosowaniem klasycznych metod.
25
Badania pokazały również, że najlepszą metodą uzyskania produktu o podwyższonej
zawartości wodorotlenku wapnia jest klasyfikacja ziarnowa. Zatem hydratacji powinny zostać
poddane frakcje o największej zawartości CaO wolnego, wtedy to uzyskane efekty będą
maksymalne. Pozytywny efekt dały badania przeprowadzone na wybudowanym to tego celu
kanale spalinowym, w każdym przypadku zanotowano zmianę zawartości pomiędzy
CaO i Ca(OH)2. Hydratacja w tym przypadku zachodziła co potwierdzają również wyniki
uziarnienia i powierzchni właściwych. Interesującym elementem jest zastosowanie analizy
mikroskopii siła atomowych w wyniku, której uzyskano następujące wnioski:
1. Na zdjęciach 9-20 możemy zaobserwować topografię ziarna popiołu. Interesujący
obraz uzyskano na zdjęciu 15,18, przedstawiający zmienność fazową w obrębie
ziarna. Obraz taki uzyskano dzięki zastosowaniu ziaren w kanale spalinowym sił
atomowych. Rozwinięcie powierzchni 3d ziarna daje również pogląd na temat
powierzchni właściwej ziarna popiołu, którego powierzchnia posiada liczne kawerny
jak i wypiętrzenia.
2. Stopień rozwinięcia powierzchni właściwej ziarna czarnego pobranego z Elektrowni
Bełchatów wyniósł 44% po eksperymencie z wykorzystaniem wody surowej uległ
zmniejszeniu do wartości 11,4% lecz przy wykorzystaniu wody aktywowanej stopień
uległ zwiększeniu do wartości 59,1%. Dla części mineralnej popiołu (krzemionki)
stopień rozwinięcia powierzchni właściwej w próbie suchej wyniósł 50,2%,
po eksperymencie z zastosowaniem wody surowej wynosił 64,3% a po wodzie
aktywowanej osiągnął najwyższy stopień aż 73,5%.
3. Chropowatość ziarna popiołu mineralnego we wszystkich badanych próbach osiągnęła
podobne wartości, których zakres wynosił od 114 do 138 nm. Natomiast dla ziarna
czarnego najniższe wartości ukształtowały się w próbie suchej oraz z wodą surową
zdecydowanie odbiegająca od nich jest wartość 80,4 dla próby z wodą aktywowaną.
4. Badania pod mikroskopem elektronowym wykazały, że miedzy błonką hydratów
a powierzchnią ziaren popiołu występuje otoczka wodna wypełniona hydratami,
o grubości 0,5 - µm. Stopniowo wypełnia się ona produktami hydratacji, jednak jest
to proces powolny.
Tego typu badania są bardzo cenne i interesujące jednak w skali przemysłowej nie ma
możliwości ich stosowania ze względu na bardzo długi czas preparacji próbki polegający na
natrysku wybranych ziaren związkami złota, suszeniem i poddawaniem długofalowej
26
ekspozycji. Poza tym dostępność do tego typu urządzeń jest bardzo ograniczona, na chwilę
obecną w Polsce pracują dwa takie mikroskopy.
Przeprowadzone badania dodatkowe wskazują jednak na potencjalne możliwości
stosowania hydratacji w kanale spalinowym. Wydaje się, ze kluczowym elementem jest
stężenie pyłu w kanale, możliwość rozpylenia wody, a także czas przebywania
oraz temperatura procesu. Spadek temperatury poniżej 200 oC zaburza proces transportu pyłu
powodując jego aglomerację i zaklejanie kanału, co może stanowić poważny problem
w systemie odprowadzania popiołu, jak również odzysku ciepła w procesie transportu
zapylonych spalin. W wyższych temperaturach rzędu 300 - 350 oC problem ten nie występuje.
Zbyt duża koncentracja pyłu także utrudnia proces hydratacji, a nawet go blokuje. Aktywacja
wody nie dała jasnych i klarownych efektów w postaci podwyższonego stopnia hydratacji
oraz powierzchni właściwych, a także zmniejszenia badanych specyficznych
i charakterystycznych średnic.
Zebrane powyższe doświadczenia jednoznacznie wskazują, iż powinno się
przeprowadzić próbę przemysłową z zastosowaniem hydratacji popiołów lotnych w kanale
spalinowym. Utrzymując temperaturę na wskazanym poziomie oraz stosując system
atomizacji wody. Uzyskane wyniki pozwalają na podjęcie decyzji o prowadzeniu dalszych
badań w tym zakresie.
A) opis innowacyjności
Proponowana metoda poprawy jakości właściwości popiołów lotnych jest innowacyjna
i nowatorska. Nie znane są do tej pory badania w literaturze światowej poprawy jakości
materiałów antropogenicznych w źródle ich powstawania. Uzyskane wyniki w pełni
potwierdzają wybrany kierunek i umożliwiają stosowanie tej metody w warunkach
przemysłowych. Z punktu widzenia pracy kotła wybór miejsc wtrysku wody nie powinien
wpływać na jakość procesu spalania, a także na sprawność kotła oraz systemów oczyszczania
spalin.
27
a) Dodatkowe zdjęcia uzyskane przy użyciu mikroskopu sił atomowych.
Rysunek 32. Ziarno czarne 10 % woda aktywowana, próbka mokra
Rysunek 33. Ziarno czarne 10 % woda aktywowana, próbka mokra
28
Rysunek 34. Ziarno białe 10 % woda aktywowana, próbka mokra
Rysunek 35. Ziarno białe 10 % woda aktywowana, próbka mokra
29
Rysunek 36. Ziarno czarne 10 % woda aktywowana, próbka mokra
Rysunek 37. Ziarno białe 10 % woda aktywowana, próbka mokra
30
Rysunek 38. Ziarno białe 10 % woda surowa, próbka mokra
Rysunek 39. Ziarno białe 10 % woda surowa, próbka mokra
31
Rysunek 40. Ziarno czarne 10 % woda surowa, próbka mokra
Rysunek 41. Ziarno czarne 10 % woda surowa, próbka mokra
32
Rysunek 42. Ziarno białe 10 % woda surowa, próbka mokra
Rysunek 43. Ziarno czarne 10 % woda surowa, próbka mokra