Vedlejší energetické produkty ve výrobě stavební keramiky

Článek se věnuje otázkám použitelnosti klasických vysokoteplotních a fluidních elektrárenských popílků v různých oblastech keramické technologie – ve výrobě cihlářské, žárovzdorné a ve výrobě keramických obkladových prvků. Na výsledcích laboratorních experimentů je dokumentován vliv nejběžnějšího typu klasického vysokoteplotního elektrárenského popílku na vlastnosti různých druhů keramických střepů.

Značná část elektrické energie je celosvětově vyráběna spalováním fosilních paliv. V České republice jsou nejrozšířenějším zdrojem uhelné elektrárny (v ČR 69 % el. energie, ve světě je průměr 39 %), které spalují nejčastěji hnědé uhlí (10 – 30 % popela), lignit (až 60 % popela) a v menší míře i černé uhlí (10 – 15 % popela). Na jednu vyrobenou MWh se spálí průměrně asi 1 tuna uhlí. Jako vedlejší produkt toho spalování je ročně uhelnými elektrárnami v ČR vyprodukováno asi 8 miliónů tun popílku.
Popílky jsou tvořeny jemnými zrny (0 – 1 mm), které vznikají spalováním práškového uhlí a jsou unášeny spalinami do dalších tahů kotle, kde jsou zachycovány na filtrech. Vlastnosti popílků se zásadně liší především podle typu použitého spalovacího zařízení a typu uhlí. Rozlišují se dva zásadní druhy popílků v závislosti na způsobu spalování – spalováním v práškových ohništích za teplot průměrně 1400 – 1500 °C vznikají tzv. klasické vysokoteplotní popílky (černouhelné, hnědouhelné) a spalováním ve fluidních ohništích za teplot kolem 850 °C vznikají tzv. fluidní popílky, kdy se pro fluidní spalování uhlí mele současně s přídavkem vápence nebo dolomitu.
Klasické popílky obsahují jako hlavní složku až 80 % skelné fáze a do 20 % mullitu, obsah síry (stanovený jako SO3) obvykle nepřesahuje 1 %. Odsiřování spalin při klasickém spalování probíhá dodatečně s využitím nejčastěji vápence za vzniku dalšího vedlešího energetického produktu – energosádrovce.
Fluidní popílky díky nižší teplotě spalování neobsahují skelnou fázi a mullit, naopak jsou typické vysokým obsahem vápenatých sloučenin (anhydritu CaSO4, až 15 % CaO a zbytky nerozloženého vápence), které propůjčují fluidním popílkům hydraulické vlastnosti (tuhnou a tvrdnou po rozmíchání s vodou bez dalších příměsí). Produkt odsiřovacího procesu (anhydrit) je tedy součástí popílku a proto fluidní popílky vykazují obsah síry (jako SO3) řádově několik procent (obvykle maximálně 10 %). Tato skutečnost tedy do značné míry diskvalifikuje použití fluidních popílků v keramické technologii, kde vlivem výpalu hrozí značný únik oxidu siřičitého do ovzduší.
Výhodou popílků pro využití obecně ve stavebním průmyslu je jejich zrnitost, neboť vykazují měrný povrch až téměř 300 m2.kg-1, což je hodnota téměř na úrovni, kterou dosahují běžné komerčně prodávané cementy. To znamená, že pro řadu aplikací není třeba jejich energeticky náročné domílání. Dalším pozitivním rysem popílků je jejich nízká sypná hmotnost (500 – 750 kg.m-3 ve volně sypaném stavu), což je přibližně třetinová hodnota ve srovnání např. s křemenným pískem. To umožňuje využít popílky jako lehčivo v keramickém střepu a tím mu zajistit dobré tepelně-izolační vlastnosti.
Společným negativním rysem elektrárenských popílků může být zvýšená měrná aktivita izotopu Radia Ra-226. Limitní hodnoty měrné aktivity Ra-226 jsou na základě požadavků ČSN 72 2071 (Popílek pro stavební účely – Společná ustanovení, požadavky a metody zkoušení) jsou 150 Bq.kg-1 (stavby s pobytovým prostorem), resp. 1000 Bq.kg-1 (pro jiné účely). Vyhláška Státního úřadu pro jadernou bezpečnost o radiační ochraně č. 307/2002 Sb., ve znění vyhlášky č. 499/2005 Sb. definuje mezní hodnoty měrné aktivity Ra-226 pro konkrétní typy stavebních materiálů a podmínky jejich využití (tabulka 1).
Využití elektrárenských popílků v keramickém průmyslu se v ČR omezuje převážně na cihlářskou výrobu, kde se popílky používají jako příměs do surovinových směsí za účelem:
• snížení citlivosti k sušení a smrštění sušením (jako ostřivo),
• vylehčení střepu (jako lehčivo) a
• pro snížení nevratné vlhkostní roztažnosti (především fluidní popílky), která je limitována pro stropní desky HURDIS.
Výhodou využití popílků v cihlářské výrobě jsou relativně nízké teploty výpalu asi do 1000 °C, kdy ještě nehrozí zvýšení obsahu oxidu siřičitého SO2 ve spalinách. Další oblastí keramické výroby, kde se ještě elektrárenský popílek, ač v omezeném objemu, používá je žárovzdorná výroba lehčených šamotových cihel, kde je opět využita schopnost popílku jako lehčiva.
V poslední době se v odborné literatuře začínají objevovat také publikace, které se týkají možnosti využití elektrárenského popílku jako jediné suroviny pro výrobu za sucha lisovaného popílkojílového střepu, který má potenciál využití pro výrobu keramických obkladových prvků (obkládaček, resp. dlaždic).

Popílky v cihlářské výrobě
Cihlářská výroba, která pracuje s relativně nízkými vypalovacími teplotami umožňuje využití klasických i fluidních popílků, což zohledňují i dvě ČSN, které definují požadované vlastnosti popílku pro jejich využití v cihlářské výrobě, a to:
• ČSN P 72 2081-14: Fluidní popel a fluidní popílek pro stavební účely – Část 14: Fluidní popel a fluidní popílek (FPP) pro výrobu cihlářských pálených výrobků;
• ČSN 72 2072-4: Popílek pro stavební účely – Část 4: Popílek pro výrobu cihlářských pálených výrobků.
Fluidní popílky vhodné pro cihlářskou výrobu smějí obsahovat maximálně 10 % hmotnostních volného CaO a stejné množství celkové síry jako SO3. Výrobní surovina s přídavkem fluidního popílku musí zachovat parametry plasticity těsta od rozdělání těsta do vytváření, což vzhledem k jejich hydraulickým vlastnostem bývá obtížné. V praxi potom může docházet k zatuhnutí plastického těsta (ztrátě jeho požadované plastičnosti) během procesu odležování. Granulometricky je pro oba typy popílků požadován maximálně 10% zbytek na sítě 0,125 mm, resp. 1% zbytek na sítě 4 mm.
V cihlářském střepu byl posuzován vliv popílku (25 % hmotnostních v surovinové směsi označené APO v tabulce 2) jako lehčiva ve srovnání s dřevěnými pilinami (4 % hmotnostní v surovinové směsi označené API), které slouží v současné době jako standard, a střepem nelehčeným (značen A). Dávkování obou lehčiv vycházelo z požadavku vytvoření přibližně shodně vylehčeného střepu, tzn. především se srovnatelným součinitelem tepelné vodivosti. Popílek snížil objemovou hmotnost vypáleného střepu o 12 % ve srovnání s vypáleným střepem bez příměsi. Zásadní výhodu použití elektrárenského popílku jako lehčiva ve srovnání s dřevěnými pilinami lze spatřovat ve snížení emisí oxidu uhličitého během výpalu, neboť elektrárenský popílek je lehčivo nevyhořívající, resp. minimálně vyhořívající (nedopal). Nevýhodou je mírné zvýšení měrné aktivity izotopu Ra-226 vypáleného střepu, avšak v uvedeném konkrétním případě bez limitujících dopadů na použití (tabulka 1).

Popílky ve výrobě keramických obkladových prvků
Dnešní technologie výroby keramických obkladových prvků podle ČSN EN 14411 využívá pouze přírodní suroviny (kaoliny, živce, jíly, křemen, vápenec apod.), což vzhledem k objemům výroby obkládaček, resp. dlaždic v České republice (každoročně kolem 30 mil. m2) představuje nemalý zásah do krajiny v rámci těžby těchto surovin. V současné době celosvětově vědecké časopisy publikují výsledky převážně laboratorních experimentů (např. /1/), které dokazují, že tzv. popílkojílová směs (tzn. směs popílku a vhodného vazného jílu) plně vyhovuje potřebám technologie výroby za sucha lisovaných keramických obkládaček i dlaždic.
Dosavadní výsledky dlouhodobého výzkumu na Fakultě stavební v Brně /2, 3/ prokázaly, že lze využít až 70 % elektrárenského popílku ve směsi s vhodným druhem jílu, který zabezpečuje dostatečnou pevnost střepu před výpalem (výsušek) tak, aby bylo možno výsušek například glazovat nebo s ním jinak manipulovat v rámci výrobní linky. Nevýhodou je ta skutečnost, že popílkojílová směs vyžaduje asi o 3 % vyšší lisovací vlhkost ve srovnání se standardní surovinovou směsí na bázi přírodních surovin.

Možnost použití popílků v keramické technologii nelze omezovat pouze na jejich funkci příměsi v cihlářské výrobě. Popílek lze s úspěchem používat v žárovzdorné keramice, která pracuje výhradně se surovinami s nízkým obsahem taviv. Při volbě vhodné výrobní technologie lze s popílky nakládat jako s plnohodnotnou surovinou z níž lze vyrábět nejrůznější druhy výrobků stavební keramiky.

Tento příspěvek byl vytvořen s podporou VVZ MSM 261100008 "Výzkum a vývoj nových materiálů z odpadních surovin a zajištění jejich vyšší trvanlivosti ve stavebních konstrukcích"

LITERATURA
/1/ Pimraska K., Wilhelm M., Wruss W.: A New Approach to the production of Bricks Made of 100 % Fly Ash. Tile and Brick Int. 2000, Vol. 16, No. 6
/2/ Sokolář R., Smetanová L.: Popílkojílový střep keramických obkládaček BIII – vliv typu jílu. Keramický zpravodaj. 2008, vol. 24, no. 3, ISSN 1210-2520.
/3/ Sokolář R., Smetanová L.: Dry pressed ceramic tiles based on fly ash-clay body: influence of fly ash granulometry and pentasodium triphosphate addition. Ceramic International. 2010, vol. 36, no. 1

Tabulka 1: Mezní hodnoty hmotnostní aktivity Ra-226 a indexu hmotnostní aktivity, při jejichž překročení nesmí být stavební materiál uváděn do oběhu

1 - pro stavby s pobytovou místností; 2 - výhradně pro stavby jiné než s pobytovou místností

Tabulka 2: Vlastnosti střepu po výpalu na 950 °C

Doc. Ing. Radomír Sokolář, Ph.D.
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební
E-mail: sokolar.r@fce.vutbr.cz
 

Zdroj: OF 4/2010