Zapotrzebowanie na energię na świecie jest coraz większe, ale produkcja i przetwarzanie energii powoduje w zastraszającym tempie degradację środowiska naturalnego. Dlatego powszechnie się dąży do ograniczenia zużycia energii i racjonalnego jej wykorzystania.
Zwiększone są też wymagania w zakresie izolacyjności w budownictwie.
Ostatnie Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 30 września 1997 r., obowiązuje od 28.04.1998 r., określa graniczne wartości obliczeniowego zapotrzebowania energii cieplnej Eo, niezbędnej do odrzewania budynków.
Dla spełnienia tych wymagań konieczne jest zwiększenie izolacyjności cieplnej i zachowanie innych wymagań związanych z oszczędnością energii, podanych w Załączniku do Rozporządzenia.
Obliczeniowe zapotrzebowanie na energię cieplną oraz współczynnik przenikania ciepła ścian i stropów zmieniał się w ostatnich latach następująco:
Dla budynków jednorodzinnych przy temperaturze obliczeniowej w pomieszczeniu > 16°C,
dla ścian zewnętrznych warstwowych z izolacją o 0,05 W (mK)
oraz dla stropów i stropodachów kmax = 0,30 W (m2K).
Jak widać z powyższego wymagania w zakresie zmniejszenia energii cieplnej niezbędnej do ogrzewania pomieszczeń się zwiększyły ostatnio o ponad 40%.
W przemyśle ceramiki budowlanej wdrożono trzy nowe technologie produkcji, wykorzystujące surowce odpadowe i odpady przemysłowe, pozwalające na wytwarzanie wyrobów przy mniejszym zużyciu energii, ale o większej izolacyjności w eksploatacji w budownictwie.
Pierwsza z nich polega na stosowaniu do produkcji wyrobów ceramiki budowlanej węglowych popiołów lotnych jako surowca podstawowego, stanowiącego ponad 50% składu masy ceramicznej. Druga technologia wykorzystuje łupki przywęgłowe, stanowiące odpad przy wydobyciu węgla kamiennego a będące na poryzacji tworzywa, które stanowi czerep wyrobów ceramicznych.
Uzyskuje się to przez dodawanie do masy produkcyjnej różnych komponentów spalających się w procesie wypalania wyrobów i pozostawiających w czerepie pory wypełnione powietrzem.
Komponenty te są najczęściej kolorycznymi surowcami odpadowymi lub odpadami przemysłowymi.
Niniejsza publikacja zawiera informacje o produkcji wyrobów ceramiki budowlanej z popiołów lotnych jako z surowca podstawowego.
Charakterystyka popiołów lotnych Popioły lotne z węgla kamiennego, wychwytywane ze spalin przez elektrofiltry w elektrowniach i elektrociepłowniach posiadają skład chemiczny i mineralogiczny bardzo podobny do składu surowców ilastych, stosowanych do produkcji wyrobów ceramiki budowlanej.
Ilustrują to zestawienia dla niektórych surowców ilastych i popiołów lotnych krajowych i zagranicznych (tab. 1 i 2). Z zestawień wynika, że różnice w składzie chemicznym surowców ilastych i popiołów z węgla kamiennego są bardzo małe.
Średnia zawartość SiO2, która wpływa na własności wyrobów jest w surowcach ilastych zaledwie o około 15% większa niż w popiołach, ale średnia ilość AI2O3′ korzystnie oddziaływująca na jakość wyrobów, jest w popiołach większa w stosunku do iłów przeciętnie o ponad 30%. Ilość Fe2O3′ decydująca o czerwono-ceglastym kolorze wyrobów jest w obu materiałach na ogół prawie jednakowa.
Popioły są zdehydratyzowanym materiałem drobnoziarnistym, w procesie wypalania wyrobów wchodzą w reakcje rozpadu surowców ilastych i tworzą jednolity czerep ceramiczny.
Surowce ilaste zawierają frakcji poniżej 0.063 mm co najmniej 90%. Natomiast popioły lotne frakcji poniżej 0.063 mm zawierają na ogół co najmniej 40% ale frakcji 0.063+0,5 mm maja przeważnie 10+40%, co jest korzystne dla procesu suszenia i wypalania oraz zwiększa izolacyjność gotowych wyrobów.
Popioły lotne od lat były stosowane w różnych ilościach jako komponent do masy przy produkcji wyrobów ceramiki budowlanej. Systematycznie dążono do zwiększenia ich udziału w masie i opracowania technologii produkcji, w której popioły byłyby surowcem podstawowym w ilości ponad 50% a surowiec ilasty komponentem wiążącym.
Prace badawcze prowadziła Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie oraz Biuro Projektowo-Badawcze PCB “Cerprojekt” w Warszawie. Praktycznego wdrożenia technologii popiołowej dokonało Krakowskie Przedsiębiorstwo Ceramiki Budowlanej.
Wdrożenie technologii popiołowej w Krakowskim PCB
W 1978 r. z ZCB Zesławice wdrożono do produkcji cegły kratówki z masy o zawartości ok. 60% popiołów lotnych a następnie dokonano tego w kilku innych zakładach Krakowskiego PCB.
W 1984 r. uruchomiono produkcję wieloformatowych pustaków szczelinowych według technologii popiołowej, przy zawartości popiołu w masie również ok. 50%, na automatycznej linii technologicznej w ZCB Zesławice. Roczna wielkość produkcji wyniosła ponad 40 mln j.t. wysokiej jakości pustaków ściennych stropowych a zużycie popiołów lotnych ok. 60.000 Mg.
Do końca 1986 r. KPCB zużyło do produkcji swoich wyrobów 531.815 Mg lotnych popiołów elektrownianych, osiągając dzięki temu poważne efekty ekonomiczne i walnie przyczyniając do ochrony środowiska.
W skali rocznej ważniejsze efekty były następujące:
– oszczędność węgla kamiennego w ilości ok. 7 200 Mg,
– oszczędność energii elektrycznej ok.630 tys. kWh,
– oszczędność surowca ilastego – ponad 50% w stosunku do technologii tradycyjnej.
W 1992 r. wybudowany został w Krakowie nowy zakład oparty na technologii popiołowej przy EC Łęg, należący obecnie do “Cermegad-Łęg” Sp. z 0.0. produkcja zakładu wynosi ponad 40 mln jt. wysokiej klasy pustaków szczelinowych, głównie K O,65-2W o wymiarach 288x188x220 mm. Zawartość popiołu 10tnego w masie ceramicznej wynosi 65+70% a roczne zużycie popiołu ok. 100.000 Mg.
Charakterystyka technologii produkcji ceramiki budowlanej z popiołów lotnych
Skład masy ceramicznej przy technologii popiołowej zależy od własności fizykochemicznych, zarówno popiołu, jak i surowca ilastego oraz zależy od asortymentu wyrobów.
Konieczne jest dobre wymieszanie surowca podstawowego, to jest popiołu, z komponentem, jakim jest surowiec ilasty.
Mieszanie powinno odprowadzić do równomiernego rozłożenia składników masy i do jednakowej jej wilgotności.
Formowanie półfabrykatów odbywa się jak dla tradycyjnych ceramicznych, pasmowo, na prasach ślimakowych, ale przy wilgotności względnej formowania i podciśnieniu w prasie oraz ciśnieniu formowania odpowiednim dla danej masy popiołowej i asortymentu wyrobów. Suszenie półfabrykatów odbywa się w odmiennym reżimie w stosunku do stosowanego w tradycyjnej technologii produkcji wyrobów ceramiki budowlanej. Charakteryzuje się on znacznie szybszymi przyrostami temperatury na początku procesu suszenia i krótszym cyklem suszenia 10+30% oraz niższym zużyciem ciepła z uwagi na mniejszą masę wyrobów.
Wypalania wyrobów wymaga zmienionego reżimu w stosunku do technologii tradycyjnej, ponieważ w popiele zawarte są na ogół znaczne ilości części palnych, co pozwala na zmniejszenie zużycia paliwa. Strata prażenia dla popiołów wynosi kilka %, a każdy % straty prażenia daje wartość opałową popiołu w wysokości 40+60 kcai/kg. Wartość opałowa popiołów lotnych wynosi na ogół ponad 150 kcai/kg. Powoduje to jednak konieczność takiego prowadzenia wypalania aby nie następowało pęcznienie wyrobów na początku procesu.
Zużycie ciepła jest, również jak w procesie suszenia, niższe z uwagi na mniejszą masę wyrobów wypałach.
Dodatkowo z reguły się stosuje wykorzystanie z pieca tunelowego znacznych ilości ciepła odpadowego do suszenia półfabrykatów w suszarniach sztucznych. Jest to uzasadnione właśnie w związku z dużą ilością energii cieplnej zawartej w popiołach.
Wyroby wyprodukowane według technologii popiołowej, w tym wyroby drążone, charakteryzują się lepszymi parametrami niż tradycyjne wyroby ceramiki budowlanej z surowców ilastych. Posiadają typową dla ceramiki budowlanej barwę ale mniejszą gęstość właściwą i lepszą izolacyjność. Mogą być stosowane do wszelkich konstrukcji murowych, zarówno w budownictwie mieszkaniowym jak i przemysłowym, w tym do konstrukcji murowych o wysokiej wytrzymałości.
Technologia produkcji wyrobów ceramiki budowlanej z masy popiołowo-glinowej przynosi między innymi następujące efekty:
– utylizacja odpadów przemysłowych jakimi są popioły lotne,
– ograniczenie terenów pod kopalnie iłów,
– ograniczenie terenów pod składowiska popiołów,
– zmniejszenie opłat za składowanie popiołów,
– zmniejszenie zużycia nie odtwarzalnych surowców ilastych,
– ograniczenie niszczenia powierzchni koniecznych do wydobycia surowców ilastych a stanowiących z reguły grunty ro1ne wysokiej klasy,
– oszczędności energetyczne przez wykorzystanie nie spalonego węgla zawartego w popiołach oraz dzięki zmniejszeniu masy suszonych półfabrykatów i wypalanych wyrobów; w stosunku do techno10gii tradycyjnej oszczędności wynoszą ok. 30%,
– mniejsze koszty produkcji, ponieważ podstawowy surowiec jakim jest popiół lotny otrzymywany jest bezpłatnie względnie producent popiołu płaci nawet za jego odbiór,
– zmniejszenie nakładów inwestycyjnych na budowę linii opartej na technologii popiołowej, ponieważ dzięki wykorzystaniu ciepła odpadowego z pieca tunelowego przeważnie nie zachodzi potrzeba budowy kotłowni dla celów suszarniczych,
– zmniejszenie ogólnej masy wyrobów o 20+30% w stosunku do wyrobów tradycyjnych co ma wpływ na zmniejszenie kosztów transportu wyrobów do odbiorcy,
– poprawa jakości wyrobów przez stabilizację ich parametrów takich jak wytrzymałość na ściskanie, nasiąkliwość itp., ale także poprzez zwiększenie izolacyjności wyrobów,
– zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska naturalnego, między innymi poprzez utylizację popiołów lotnych, zmniejszenie zużycia surowców ilastych i zmniejszenie emisji spalin do atmosfery.
Istotnym elementem w zakładach ceramiki budowlanej opartych na technologii popiołowoglinowej, jest ich lokalizacja przy elektrowniach lub elektrociepłowniach.
Wtedy się stosuje transport pneumatyczny popiołów lotnych ze zbiorników przy elektrofiltrach bezpośrednio do zakładu ceramicznego jak np. “Cermegad-Łęg” przy EC Łęg) i unika się pylenia związanego ze składowaniem i transportem w cysternach samochodowych lub kolejowych (np. ZCB Zesławice).
Promieniotwórczość naturalna ceramicznych wyrobów popiołowych
Badania promieniotwórczości naturalnej wyrobów ceramiki budowlanej prowadzi się w Polsce obowiązkowo od 1980 r.
Badana jest suma aktywności trzech pierwiastków: potasu K-40. radu Ra-226 i toru Th228. Suma ta określana jest współczynnikiem f1, który powinien być mniejszy od 1.
Dodatkowo bada się stężenie radu Ra-226, gdzie powinna być spełniona zależność < 185 Bq/kg.f2 Badania prowadzone w latach 1981+1985 przez “Cerprojekt” wykazały, że wielkość współczynnika f1 zawiera się dla surowców ilastych w granicach 0.39+0.60 a dla popiołów lotnych średnio 0.81. Wielkość współczynnika f2 dla iłów wynosiła 25+58 Bq/kg a dla popiołów średnio 111 Bq/kg.
Niektóre rodzaje węgla kamiennego a tym samym i powstałe z nich popioły lotne posiadają podwyższoną w stosunku do norm promieniotwórczość naturalną. Dlatego też niezbędne jest badanie pod tym kątem popiołów używanych do produkcji. Jednak większość popiołów posiada promieniotwórczość naturalną mniejszą niż dopuszczalna normą i mogą one bez obaw być stosowane, do produkcji wyrobów ceramiki budowlanej.
Należy tu podkreślić, że polskie normy są znacznie surowsze od norm zachodnioeuropejskich. Niezależnie od tego trzeba pamiętać, że na ogół większe zagrożenie dla zdrowia stanowi znaczna niejednokrotnie promieniotwórczość naturalna gruntu, na którym stawiamy dom, niż promieniotwórczość materiałów z jakich ten dom się buduje.
Budowa zakładów ceramiki budowlanej opartych na technologii popiołowej
Technologia popiołowo-glinowa najlepiej się nadaje do produkcji wielkoformatowych wysoko drążonych pustaków szczelinowych.
Dlatego do produkcji wyrobów ceramiki budowlanej buduje się nowoczesne, zautomatyzowane zakłady o dużej wydajności, gwarantujące utrzymanie wymaganego reżimu technologicznego i osiągnięcie wyrobów o wysokiej jakości w Polsce dotychczas pracują dwa takie zakłady w Krakowie, czyli ZCB Zesławice, produkujący wyroby ceramiki budowlanej według technologii popiołowej już od 20 lat i “Cermegad – Łęg” Sp. z 0.0.. uruchomiony w 1991 r. Oba zakłady produkują wyroby bardzo dobrej jakości, na które jest duże zapotrzebowanie rynku. Wysoka jest też rentowność tych zakładów.
Na technologii popiołowej zostały przez stronę polską wybudowane dwa zakłady ceramiki budowlanej za granicą. Pierwszy z nich to zakład ceramiczno-popiołowy Ningbo w Chinach, pracujący już od kilku lat Projektowana zdolność produkcyjna wynosi 60 mln NF. Zakład może produkować wyroby o wymiarach 240x115x90 mm (25% i 40% drążeń) oraz wyroby 190x190x90 mm (40% drążeń). Zapotrzebowanie popiołów lotnych – 90.000 m3 a jednostkowe zużycie energii cieplnej na suszenie i wypalanie 1 kg wyrobu z uwzględnieniem energii zawartej w popiołach wynosi 400 Kcal/kg. Drugi zakład, którego budowa się kończy to zakład popiołowo-ceramiczny Ładyżyn, realizowany przy Elektrowni Ładyżyn na Ukrainie.
Wielkość produkcji tego zakładu wynosi 45 mln NF/rok. w tym połowa to cegła pełna o wymiarach 250x120x65 mm i połowa cegła drążona: 250x120x140 mm. Zapotrzebowanie surowców wynosi 130 tys. m3/r0k.
Warunki ekonomiczne i techniczne powodują, że szereg istniejących dużych zakładów ceramiki budowlanej w Polsce będzie wdrażać u siebie technologię produkcji wyrobów ceramiki budowlanej z popiołów lotnych jako surowca podstawowego.
Obecnie co najmniej 6 zakładów jest oddalonych od elektrowni lub elektrociepłowni do 30 km, 12 zakładów 30+50 km, a 13 zakładów 50+100 km. Przy tych ekonomicznie uzasadniony.
Wyroby z popiołów posiadają wszelkie zalety tradycyjnej ceramiki budowlanej, przynoszą korzystne wymierne efekty, przyczyniają się do utylizacji odpadów przemysłowych, a także do zmniejszenia zanieczyszczenia środowiska naturalnego.
Dr inż. Bohdan Pieńkowski
PPP “Cerprojekt-Cerkam,’
Sp. z 0.0.Warszawa
Bibliografia
1. Inż. S. Dobrzyński, Mgr inż. J. Wyszogrodzka – Technologia wykorzystania odpadowych surowców powęglowych i energetycznych do produkcji wieloformatowych wyrobów ceramiki budowlanej. Prace własne “Cerprojektu”, Warszawa 1986 r.
2. Dr inż. B. Pieńkowski – Wykorzystanie surowców odpadowych w przemyśle ceramiki budowlanej w Polsce. Prace własne “Cerprojektu”, Warszawa maj 1986.
3. Mgr inż. J. Deręgowski – Energooszczędny sposób produkcji wielocegłowych wysokodrążonych, wyrobów ceramiki budowlanej w Krakowskim PCB. “Ceramika Budowlana” nr 12/1987 ..
4. Inż. K. Marcinkiewicz – Projekt techniczny technologiczny Zakładu cegły ceramiczno-popiołowej o zdolności produkcyjnej 60 mln NF Ningbo – ChRL. “Cerprojekt” Warszawa 1989 r.’.
5. Mgr inż. L. Jaślikowski – Zakład popiołowo-ceramiczny w Ładyżynie (Ukraina).Opis procesu technologicznego. “Cerprojekt” Warszawa 1992 r.
