Ceniza voladora

Las cenizas volantes (fly ash)  son residuos finamente dispersos de la combustión de combustibles a partir de sus impurezas minerales contenidas en los gases de combustión en suspensión. Las cenizas volantes desgastan las tuberías de las calderas y los extractores de humo y, cuando se eliminan con los gases de combustión, contaminan la atmósfera [1] .

En los EE. UU., la mayoría de las cenizas volantes generalmente se almacenan en centrales eléctricas de carbón o en vertederos, mientras que aproximadamente el 43% de los desechos de carbón se reciclan, según la Asociación Estadounidense de Cenizas de Carbón. [2] En Europa, según la Asociación Europea para el Reciclaje de Productos de Combustión de Carbón, alrededor del 43% de las cenizas volantes se utilizan para la producción de materiales de construcción . [3] En Rusia, solo se procesa el 4-5% de las cenizas de carbón. [cuatro]

Captura de cenizas volantes

En la producción de electricidad en las centrales térmicas, dependiendo de los sistemas de combustible utilizados, la combustión del carbón produce residuos en forma de cenizas volantes (fly ash), cenizas húmedas y escorias de caldera.

En el proceso de incineración, todos los residuos sólidos de cogeneración se pueden dividir en: fracción de escoria + ceniza pesada; cenizas volantes, que a su vez se pueden dividir en una fracción mediana que es captada por precipitadores electrostáticos (filtros electrostáticos ) y una fracción de cenizas volantes finas que no es captada por filtros. Teniendo en cuenta las características de los filtros y su eficiencia real, el grado de captura de cenizas volantes es del 95%, es decir, anualmente se emite a la atmósfera un 5% de cenizas volantes. Pero incluso con la máxima limpieza de gases de combustión, el grado de captura no supera el 99% [5] .

La eficiencia de los dispositivos de limpieza de gases depende en gran medida de las propiedades físicas y químicas de las cenizas recolectadas y los gases de combustión que ingresan al colector de cenizas. Las principales características de las cenizas volantes en el proceso de limpieza de gases de combustión son la densidad, la composición de la dispersión, la resistencia eléctrica (para precipitadores electrostáticos) y la pegajosidad. La densidad de las partículas de ceniza volante para la mayoría de los carbones está en el rango de 1900-2500 kg/m 3 . La composición de dispersión de las cenizas volantes depende en gran medida de la composición de dispersión del polvo de carbón quemado que ingresa al horno después del dispositivo de molienda. Para los colectores de cenizas inerciales, la adherencia de las cenizas es esencial. Al seleccionar y operar los colectores de cenizas, se debe tener en cuenta la abrasividad de la ceniza, que depende de la dureza, el tamaño, la forma y la densidad de las partículas.

Las cenizas volantes se pueden eliminar de los colectores de polvo mediante el método seco o mezclándolas con agua y luego eliminando la ceniza y la pulpa de escoria al vertedero.

Composición química, propiedades y clasificación

Dependiendo del proceso de combustión, la fuente y la composición del carbón quemado, los componentes de las cenizas volantes varían considerablemente, pero todas las cenizas volantes incluyen cantidades significativas de dióxido de silicio (SiO 2 ) (tanto amorfo como cristalino), alúmina (Al 2 O 3 ), y óxido de calcio (CaO), así como carbón no quemado [6] . Las cenizas volantes también contienen metales pesados . Los pequeños componentes de las cenizas volantes dependen de la composición particular de la veta de carbón, pero pueden incluir uno o más de los siguientes elementos o compuestos que se encuentran en concentraciones traza (hasta cientos de ppm): arsénico , berilio , boro , cadmio , cromo , cromo hexavalente , cobalto , plomo , manganeso , mercurio , molibdeno , selenio , estroncio , talio y vanadio junto con concentraciones muy bajas de dioxinas y compuestos PAH [7] [8] .

La composición química de las cenizas volantes [9]
Componentes Límites de cambio en la composición química de la ceniza, %, formada durante la combustión del carbón.
Donbass Kuzbass Karagandá región de Moscú
SiO2 _ 50-55 58-63 59-61 48-56
Al2O3 _ _ _ 21-28 20-26 25-26 25-36
Fe2O3 _ _ _ 7-16 5-7 5-6 7-10
Fe O 0-7 - - 0-6
CaO 2-5 2-4 3-4 2-5
MgO 1-3 0.4-1.5 1-1.2 0.2-0.9
TAN 3 0.6-1.6 - 0.8 0.2-0.9
K2O _ _ 2.5-4.7 1.7-2.3 1.6-1.7 0.4-0.7
Na2O _ _ 0.4-1.3 1-1.4 una 0.1-0.4

Los estudios de fase-mineralógicos de la composición de las cenizas de varios tipos de combustibles sólidos muestran que la fase principal de todos los tipos de cenizas es el vidrio. La fase cristalina está representada por diversas cantidades de cuarzo, hematita, magnetita y varios silicatos de calcio.

Las cenizas volantes se subdividen según el tipo de carbón quemado:

- antracita (formada durante la combustión de antracita, semi-antracita y carbón pobre),

- carbón,

- carbón marron;

por composición química en bajo contenido de calcio (ácido y superácido) y alto contenido de calcio (alto contenido de sulfato y bajo contenido de sulfato) [10] ; o ácidas (con un contenido de óxido de calcio de hasta el 10%) y básicas (lignito, con un contenido de óxido de calcio superior al 10%) [11] ;

según el grado de dispersión (según el residuo en el tamiz N° 008) en poco disperso (hasta 30%), medio disperso (hasta 20%) y muy disperso (hasta 15%) [10] ; o en tres clases (según el residuo con dispersión húmeda en un tamiz No. 0045) - hasta el 15%, hasta el 40%, más del 40% [11] ;

dependiendo de la pérdida por calcinación en 4 categorías (hasta 2%, hasta 5%, hasta 9%, más de 9%) [11] .

Cuestiones ambientales

Radiología

Los combustibles fósiles sólidos tienen poco efecto sobre el fondo general de radiactividad natural, pero algunos de sus depósitos, así como los productos del procesamiento de combustibles fósiles sólidos, especialmente cenizas y escorias, se caracterizan por un aumento de la radiactividad y un alto contenido de radionucleidos naturales (torio , radio, uranio y el isótopo 40 K). El contenido de radionucleidos naturales en productos sólidos capturados después del procesamiento térmico de los carbones originales aumenta significativamente. Así, estudios especiales llevados a cabo en muchos países del mundo han demostrado que la radiactividad del suelo y del aire en los territorios adyacentes a la central térmica, probablemente debido a la deposición de productos de combustión, a veces supera no solo el fondo, sino incluso el valores máximos permisibles por decenas de veces [12] . Mucho depende de qué tipo de carbón utiliza una central térmica en particular, además, mucho está determinado por las tecnologías de preparación del carbón, su combustión, captura y recolección de productos de ceniza y escoria [13] . Con un contenido medio de uranio en la corteza terrestre de 2,0 g/t, el contenido medio de uranio en las cenizas volantes ricas alcanza los 400 g/t.

El contenido de Th y U en las cenizas volantes de las centrales térmicas [13]
Nombre de CHPP (TPP) Contenido en cenizas volantes, g/t
el tu
Uglegórskaya 37.2 7.6
Zuevskaya 56,0 10.4
Kurakhovskaya 16.7 2.9
Mironovskaya 32.4 4.2
Novocherkassk 33.0 5.2
Lugansk 17.8 4.5
Shakhtinskaya 23,9 7.0
Moscú CHPP-22 51.5 4.9
Vladímirskaya CHPP-1 25,9 2.9

Debido a la acumulación de radionucleidos naturales en las cenizas volantes finas, una parte significativa de las cuales no se captura después de la combustión del carbón, se libera a la atmósfera y luego se deposita en la superficie terrestre, puede ocurrir la acumulación de radionucleidos naturales en los suelos alrededor de la TPP [ 13] . La mayor parte de las cenizas volantes que caen sobre la superficie de la tierra se depositan en las partes aéreas de las plantas y eventualmente ingresan al suelo. Además, la retención de cenizas y aerosoles por las copas de los árboles en los bosques puede contribuir significativamente a la contaminación radiactiva del medio ambiente (hasta 5 veces) [14] .

Las cenizas volantes enviadas desde la CHPP como materia prima para su uso posterior en términos de la actividad específica efectiva total de los radionucleidos naturales deben cumplir con los requisitos de las normas y estándares de higiene pertinentes. Con una actividad efectiva específica total de radionucleidos naturales de hasta 370 Bq/kg, según las normas rusas, los materiales de construcción están permitidos para todo tipo de construcciones [15] . La actividad eficaz específica total de los radionucleidos naturales de las cenizas del GRES de Reftinskaya es de 95,1 Bq/kg, y la del hormigón de cenizas de gas basado en ella es de 40,33 Bq/kg [16] .

Instrucciones de uso

Las cenizas volantes pueden tener propiedades puzolánicas y/o actividad hidráulica [11] . Las cenizas volantes se utilizan en la producción de materiales de construcción como puzolana para la producción de cemento, mezclas secas para la construcción, sustitución parcial del cemento Portland [3] en la producción de hormigón , hormigón y productos de hormigón armado. La presencia de aditivos puzolánicos proporciona al hormigón una mayor protección contra las condiciones de humedad y la exposición a productos químicos agresivos [3] .

Fortalecimiento de suelos en la construcción de carreteras

La introducción de cenizas volantes ricas en calcio en los suelos permite sustituir parte del cemento y la cal utilizados para ello.

La conveniencia de usar cenizas volantes como un aditivo de mejora está determinada por su capacidad para reaccionar químicamente con la cal para formar hidrosilicatos de calcio con bajo contenido básico, que cementan las partículas minerales y los agregados del suelo en un solo complejo estructural. A diferencia del refuerzo de suelos con cemento, en este caso el aglutinante se forma directamente en la propia mezcla. Por lo tanto, el uso combinado de cenizas volantes y cal para fortalecer los suelos se basa en el principio de la síntesis de aglomerantes en el sistema suelo-ceniza-cal [17] .

Los suelos tratados con cenizas volantes activas o aglutinantes de cal-ceniza se caracterizan por un desarrollo de resistencia relativamente lento y una deformabilidad significativa. Al mismo tiempo, las grietas por contracción o temperatura generalmente no aparecen en los suelos sobre aglomerantes de cenizas en el primer año de operación. En las condiciones de las regiones del norte y centro de Rusia, se recomienda el uso de suelos reforzados con aglutinantes de ceniza principalmente para la colocación de cimientos para pavimentos de hormigón asfáltico. Un pavimento de hormigón asfáltico impermeable retiene el contenido de humedad de la base, que es necesario para el curso normal de los procesos de hidratación, que tardan más para los aglutinantes de ceniza en comparación con los de cemento [18] .

Los ligantes hidráulicos para carreteras (HPA) se utilizan mucho en Alemania para la estabilización de suelos, principalmente debido a su bajo costo en comparación con los ligantes tradicionales como la cal o el cemento. La composición y los principales parámetros del GDV se dan en las normas EN13282-1 [19] y EN13282-2 [20] . La investigación sobre los aglutinantes con alto contenido de cenizas volantes comenzó en la República Checa mucho antes de la creación de las normas EN. El ligante RSS5, elaborado a partir de un 80% de cenizas volantes base de la combustión de carbón fluidizado y un 20% de cal viva, se utiliza desde 2010 como una buena alternativa a la cal para el tratamiento de arcillas y margas [21] .

Grava de ceniza

La grava de ceniza se puede obtener mediante granulación de ceniza calcinada o no calcinada.

Mediante la granulación de las cenizas volantes, seguida de la sinterización de los gránulos a altas temperaturas en hornos, se obtiene grava de ceniza calcinada.

Por granulación en frío de las cenizas volantes redondeándolas en tanques giratorios, se obtienen cenizas volantes sin quemar.

La grava de ceniza se utiliza en hormigón de alto rendimiento, hormigón autocompactante y hormigón ligero.

Para concreto de alta calidad, el uso de grava de ceniza puede reducir el costo del concreto mientras mantiene sus propiedades básicas. En los hormigones autocompactantes, la forma redondeada de las cenizas volantes y su tamaño relativamente pequeño aumentan la fluidez y la trabajabilidad del hormigón, especialmente cuando está muy reforzado. Estas mezclas se bombean más fácilmente con bombas de hormigón. El uso de grava de ceniza en hormigón ligero reduce su densidad y mejora su comportamiento térmico [22] [23] .

Aditivo para hormigones y morteros

La ceniza se utiliza como aditivo mineral o relleno en la fabricación de hormigón celular pesado, ligero, mezclas de construcción en seco y morteros con el fin de ahorrar cemento, agregados, mejorar las propiedades tecnológicas de las mezclas de hormigón y mortero, así como los indicadores de calidad de hormigones y morteros.

En la fabricación de hormigón celular, la ceniza ácida se utiliza como componente de sílice de la mezcla, y también para ahorrar cemento en hormigón no tratado en autoclave. En los hormigones termoaislantes estructurales, la ceniza ácida se utiliza para sustituir parcial o totalmente las arenas porosas y reducir la densidad media del hormigón. La ceniza ácida se utiliza para las estructuras de las zonas submarinas e internas de las estructuras hidráulicas [24] .

Cuando se utilizan algunos tipos de cenizas (principalmente cenizas ácidas) en hormigón de endurecimiento natural en lugar de parte del cemento, una disminución (en un 20-30%) de la resistencia a la compresión dentro de los 28-60 días y la subsiguiente nivelación de la resistencia en una fecha posterior de 90-180 días en comparación con un hormigón de composición similar sin la adición de cenizas [9] . Por lo tanto, las composiciones de hormigón y mortero con ceniza son principalmente relevantes a temperaturas de curado positivas.

Las cenizas volantes se pueden incluir en la composición del hormigón autocompactante para mejorar la estabilidad de la mezcla de hormigón, aumentar la capacidad de retención de agua; la densidad y la resistencia del hormigón aumentan al mismo tiempo [25] .

Las cenizas básicas con un contenido de óxido de calcio CaO superior al 30% se utilizan como ligante para la sustitución parcial de cal o cemento en hormigones celulares de endurecimiento en autoclave y sin autoclave, en la fabricación de morteros y hormigones para hormigón prefabricado y monolítico y productos y estructuras de hormigón armado. Parte de la cal está contenida en la profundidad de las partículas de ceniza e interactúa con el agua ya después de la formación de la estructura de la piedra de cemento, lo que provoca grietas y una disminución de la resistencia de la piedra de cemento. Esto inhibe el uso de cenizas altamente básicas en hormigones y morteros.

A los 28 días de endurecimiento normal, el CaO libre de las cenizas volantes tiene tiempo de reaccionar con el agua solo en un 50 %, pero en condiciones de vapor, la hidratación pasa en un 70-80 %. La formación de fases de hidrosulfoaluminato también ocurre de diferentes maneras, si en condiciones normales el sulfato de calcio se une principalmente a la etringita , entonces durante la vaporización se une al monosulfoaluminato de calcio. Por lo tanto, la vaporización de materiales que contienen cenizas reduce el riesgo de procesos destructivos en el material endurecido [26] .

Para resolver el problema de los procesos destructivos, las cenizas volantes se pueden triturar previamente hasta un mayor grado de dispersión, exponiendo las partículas de cal [27] . Este método tecnológico proporciona el apagado de la cal antes de que la piedra de cemento pierda sus propiedades plásticas, eliminando la amenaza de reducción de resistencia y agrietamiento del material. El uso de cenizas volantes premolidas junto con yeso con una superficie específica de 410 m 2 /kg permitió obtener un hormigón autocompactante sin pérdida de resistencia después de 6 meses de fraguado a un grado de sustitución del cemento superior. al 50%. Pero un aumento en el grado de llenado del aglutinante con cenizas aumenta significativamente las deformaciones por contracción del hormigón [28] .

Aditivo al cemento

La composición de dispersión de las cenizas volantes y sus propiedades químicas hacen posible su uso en la composición de cementos. Sobre las cenizas volantes principales de Oshmyany CHPP de la combustión de turba, se propuso una composición adicional de cemento Portland grado 500 con un contenido de cenizas volantes de hasta el 20 %, y grado 200 con un contenido de cenizas de hasta el 70 % [29] .

Sorbentes

Las cenizas volantes se pueden utilizar como sustituto del carbón activado para el tratamiento de aguas residuales que contienen, por ejemplo, los colorantes azo azul de metileno y rojo de metileno [30] .

En el registro geológico

Debido a la ignición de los depósitos de carbón por las trampas siberianas durante el evento de extinción del Pérmico-Triásico hace unos 252 millones de años, se liberaron en los océanos grandes cantidades de carbón, muy similar a las cenizas volantes modernas, que se conservan en los sedimentos marinos del Ártico canadiense . Se ha sugerido que las cenizas volantes pueden haber provocado condiciones ambientales tóxicas. [31]

Notas

  1. ↑ Gran Enciclopedia Soviética . - V. 9. Archivado el 17 de abril de 2021 en Wayback Machine .
  2. ↑ David J. Tenenbaum. ¿Basura o tesoro? Poner a  trabajar los residuos de la combustión del carbón . ambiental _ NIEHS . Consultado el 29 de mayo de 2018. Archivado desde el original el 30 de mayo de 2018.
  3. ↑ 1 2 3 James Hannan. La composición química de las cenizas volantes y de fondo varía significativamente;  Debe analizarse antes de reciclarse . Thermo Fisher Scientific (6 de febrero de 2015). Consultado el 24 de marzo de 2021. Archivado desde el original el 13 de marzo de 2022.
  4. ↑ Vatin N. I., Petrosov D. V., Kalachev A. I., Lakhtinen P. Aplicación de cenizas y residuos de ceniza y escoria en la construcción  // Revista de ingeniería civil: revista científica . - San Petersburgo. : SPbPU , 2011. - N º 4 . — ISSN 2071-4726 .
  5. ↑ James Hanan. La composición química de las cenizas volantes y de fondo varía significativamente;  Debe analizarse antes de reciclarse . Thermo Fisher Scientific (6 de febrero de 2015). Consultado el 24 de marzo de 2021. Archivado desde el original el 13 de marzo de 2022.
  6. ↑ Sonia Helle, Alfredo Gordon, Guillermo Alfaro Ximena García, Claudia Ulloa. Combustión de mezcla de carbón: vínculo entre el carbono no quemado en las cenizas volantes y la composición maceral . Archivado el 14 de diciembre de 2018 en Wayback Machine .
  7. ↑ Gestión de residuos de combustión de carbón en minas, Comité de ubicación de residuos de combustión de carbón en minas, Consejo Nacional de Investigación de las Academias Nacionales , 2006
  8. ↑ Human and Ecological Risk Assessment of Coal Combustion Wastes, RTI, Research Triangle Park , 6 de agosto de 2007, preparado para la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos
  9. ↑ 1 2 Recomendaciones sobre el uso de cenizas, escorias y mezclas de cenizas y escorias de centrales térmicas en hormigones y morteros pesados ​​/ NIIZhB. - M .: Stroyizdat, 1977. Copia archivada del 10 de marzo de 2019 en Wayback Machine .
  10. ↑ 1 2 ODM 218.2.031-2013 Directrices para el uso de cenizas volantes y mezclas de cenizas y escorias de la combustión de carbón en centrales térmicas en la construcción de carreteras . Consultado el 27 de marzo de 2021. Archivado desde el original el 23 de febrero de 2020.
  11. ↑ 1 2 3 4 GOST 25818-2017 Cenizas volantes de centrales térmicas para hormigón. Especificaciones .
  12. ↑ Shpirt M.Ya., Punanova S.A. Evaluación de la radiactividad de los combustibles fósiles sólidos  // Química de los combustibles sólidos. - 2014. - Nº 1 . - S. 3-11 . — ISSN 0023-1177 .
  13. ↑ 1 2 3 Krylov D.A., Aseev A.G. Seguridad radiológica para la población y el personal de producción de las empresas de carbón y centrales térmicas. - M. : Editorial del Centro Nacional de Investigación "Instituto Kurchatov", 2011. - 24 p.
  14. ↑ Sidorova G.P., Krylov D.A. Evaluación del contenido de elementos radiactivos en carbones y productos de su combustión  // Boletín de información y análisis minero (revista científica y técnica). - 2015. - Nº 7 . - S. 369-376 . — ISSN 0236-1493 .
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Enlaces

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