Úprava popílku ze spaloven odpadů s možností snížení environmentálních rizik.

Silvie Hartmann

Doctoral thesis

Solid Waste Incineration Fly ash Treatment for Mitigation of Environmental Risks.

Abstract:

Práce se zabývá problematikou využití vedlejších energetických produktů spalování odpadů, se zaměřením na popílky vznikající spalováním komunálních odpadů. Jako zkoumané vzorky byly použity popílky ze tří spaloven odpadů v Rakousku. Popílek 1 a popílek 2 pocházejí ze spalovny spalující komunální odpad v roštové peci. Popílek 1 se liší technologií čištění spalin pomocí vstřikování aktivačního koksu. Popílek 3 pochází ze spalovny používající technologii spalování v peci s fluidním ložem a spaluje se v ní především palivo vyrobené z odpadu (RDF) a částečně také čistírenské kaly. Teoretická část práce se zabývá popílky ze spalování odpadů se zaměřením na jejich nebezpečné vlastnosti a potencionální environmentální dopady, které souvisí s jejich ukládáním na skládky. Specifická pro popílek ze spaloven odpadů je nebezpečná vlastnost H15 „schopnost uvolňovat nebezpečné látky do životního prostředí“ a zvýšený obsah těžkých kovů. Zvláštní pozornost je v této práci věnována vymývání chloridů z popílků a možnostem snižování koncentrace rtuti a olova. K tomuto účelu byla využita technologie třídění popílků na cyclosizeru. Popílky ze spaloven odpadů jsou nositeli pucolánových/hydraulických vlastností a jsou tedy po eliminaci jejich nebezpečných vlastností vhodné pro použití ve stavebnictví. Teoretická část se tedy mimo jiné zabývá také možnostmi využití popílků jako příměsí do stavebních materiálů. Experimentální část práce byla v první řadě zaměřena na identifikaci fyzikálních a chemických vlastností popílků. Pro studium chemického složení byla použita metoda RTG-fluorescenční analýzy a dále byly provedeny výluhy z popílků. K určení pucolánových fází a jejich množství v popílcích byla použita mineralogická analýza pomocí RTG difrakce. Ze základních analýz popílků vyplývá, že obsahuje Popílky 1 a 2 se vyznačují vysokým obsahem chloridů, poměrně značným obsahem síranů, Ca, Na, K, Al a Si. Oproti tomu popílek 3 obsahuje 4-7x nižší množství chloridů, a vyšší množství Si a Al. Jako problematický se jeví vysoký obsah Hg u popílků 1 a 2, kvůli kterému jsou překračovány limity pro ukládání na skládky odpadů a s tímto popílkem je nakládáno jako s nebezpečným odpadem. Analýza vodného výluhu popílků napovídá, že se jedná o vysoce alkalické odpady s vysokou konduktivitou. Z mineralogických fází majících pucolánové/hydraulické vlastnosti jsou v neupravených popílcích zastoupeny anhydrit, larnit a gehlenit v celkovém množství 9.19 (popílek 3) – 28.93% (popílek 1). Pro snížení obsahu chloridů bylo využito extrakční metody vymývání destilovanou vodou s účinností až 98.4% při poměru pevné a kapalné fáze 1:10. Ke snížení koncentrace těžkých kovů bylo využito metody třídění na cyclosizeru, kdy bylo potvrzeno, že těžké kovy se koncentrují v nejjemnozrnnější třídě (<12 resp. 14 µm), tato třída byla z popílků odstraněna. Po úpravě popílků tříděním se celkový obsah mineralogických fází s pucolánovými/hydraulickými vlastnostmi zvýšil v případě popílku 1 o 31%, u popílku 2 o 39% a u popílku 3 o 45%. Takto upravené popílky byly následně použity jako částečná náhrada portlandského cementu do betonu.

Abstract:

Dissertation thesis was dealing with possibilities of the waste incineration secondary energy products utilization. Focus was given on the municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash (FA). Three samples of MSWI FA from Austrian incineration plants were used for examination. FA1 and FA2 come from the grate furnace MSW incineration plant, moreover FA1 contains of activated coke, which is injected during the process of flue gas cleaning. On the other hand FA3 comes from the incineration plant combusting refuse derived fuel partly mixed with sewage sludge in a fluidized bed furnace. The theoretical part of the thesis describes MSWI FAs, their hazard properties and possible environmental impacts of FAs landfilling. Hazard property H15 (Waste capable by any means, after disposal, of yielding another substance, e..g. a leachate) and increased concentration of heavy metals were specific for MSWI FA. Focus was given on FA chlorides washing and on the possibilities of reduction of mercury and lead concentration in FAs, which was achieved by a technology of FA separation on a cyclosizer. MSWI FAs contain of mineralogical phases having pozzolanic/hydraulic properties, for that reason they are useful as a construction material. Therefore the possibilities of the MSWI FA utilization in a construction industry were also described in a theoretical part of the thesis. Identification of FA physical and chemical properties is presented in an experimental part of the thesis. X-Ray fluorescence analysis and FAs leachates were executed. The X-Ray diffraction was used for the evaluation of the pozzolanic mineralogical phase’s content. It can be concluded that FA1 and FA2 were characteristic for the high concentration of chlorides and sulphates, Ca, Na, K, Al and Si. On the other hand FA3 had 4-7 times lower chlorides concentration and higher concentrations of Si and Al. High concentration of mercury in FA1 and FA2 were problematic due to the exceedance of Hg landfilling limits, thus they were treated as a hazardous waste. From the leachate analysis can be concluded that FA samples were highly alkaline with high conductivity. The content of pozzolanic phases in untreated FA samples (namely anhydrite, larnite and gehlenite) was from 9.19% (FA3) to 28.93% (FA1). Chemical extraction method (distilled water washing with 1:10 solid/liquid ratio) was used for decreasing of the chlorides content, with 98.4% effectiveness. Physical separation using cyclosizer equipment was used for the heavy metals content reduction. Heavy metals were concentrated in the fraction bellow 12 resp. 14 µm, this fraction was removed from the samples. The content of pozzolanic phases in treated FA samples was increased by 31% (FA1), 39% (FA2) and 45% (FA3). Treated FA samples were used as a partial Portland cement replacement in a concrete.

Keywords

spalování odpadu, popílky ze spaloven odpadů, chloridy, těžké kovy, pucolánové vlastnosti

Keywords

waste incineration, MSWI fly ash, chlorides, heavy metals, pozzolanic properties

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 6. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 17. 9. 2015
• Supervisor: Helena Raclavská
• Reader: Barbara Tora, Emília Hroncová, Dagmar Juchelková

VŠB - Technical University of Ostrava

Hornicko-geologická fakulta

Doctoral programme / field:
Nerostné suroviny / Úpravnictví