Содержание элементов с потенциально неблагоприятным воздействием на клинкер по сравнению с образующимися оксидами

Общее наблюдение из Рис.2 состоит в том, что исследованные группы биомассы WWB и HAB показывают два различных и последовательных распределения соотношения CaO / SiO ₂ , причем WWB имеет более высокое соотношение CaO / SiO ₂ , чем группа HAB. Напротив, отношение CaO / SiO ₂ группы OR-CB более разбросано. Среднее содержание Al ₂ O ₃ + Fe ₂ O ₃ в группе WWB близко к оптимальному значению 9% по массе (Критерий 1, рис.1), тогда как другие типы биомассы ( т.е. HAB и OR-CB) содержат либо слишком низкое, либо слишком высокое содержание Al ₂ O ₃ + Fe ₂ O ₃ .Распределение содержания неблагоприятных элементов на рис. 3 кажется более диспергированным, чем это наблюдалось ранее для элементов, образующих клинкер (рис. 2), и трудно выявить согласованную картину среди различных групп и подгрупп. Образцы, принадлежащие к группе WWB, обычно расположены в нижней левой части треугольной диаграммы, что означает, что концентрация элементов, образующих клинкер, выше, чем отрицательные. Группа ВЦВ является наиболее распространенной, с тенденцией попадать в центральную часть диаграммы.Концентрация вредных элементов в группе OR-CB показывает либо очень высокое содержание щелочи и низкое содержание Cl, P ₂ O ₅ и SO ₃ (т.е. пробы навоза) или наоборот (т.е. пробы осадка сточных вод). Конкретные образцы бумажного осадка (полный синий кружок на рис. 3) показывают очень низкое содержание вредных элементов по сравнению с концентрациями элементов, образующих клинкер.

Когда мы смотрим на подгруппы и конкретные образцы в группе WWB, мы видим относительно низкий уровень CaO / SiO ₂ и относительно высокий уровень Al ₂ O ₃ + Fe ₂ O ₃ в подгруппе обработанной древесины ( открытые красные символы на рис.2), в то время как противоположное наблюдается для необработанной подгруппы древесины (сплошные красные символы на рис. 2). Эта тенденция может быть связана с включением экзогенного материала с высоким содержанием кремния, такого как песок, пыль и бетонные обломки, которые собираются вместе с обработанной древесиной, а также с наличием коры в необработанной древесине. Включение экзогенного материала является обычным для подгруппы обработанной древесины и вносит значительный вклад в концентрации Si, Al и Fe, что приводит к более низкому соотношению CaO / SiO ₂ и более высокому Al ₂ O ₃ + Fe ₂ O _{3 концентрация} [38] Рис.2). Конкретные образцы подгруппы необработанной древесины также могут быть предметом экзогенного включения, особенно образцы древесины, полученные из берегов рек или парков. Еще один важный фактор, который следует учитывать, — это содержание коры в древесине. Образцы чистой коры, принадлежащие к группе необработанной биомассы, обогащены кальцием. Werkelin et al. [39] обнаружили, что содержание Са в коре в 8-19 раз выше, чем в соответствующей древесной ткани. Образцы необработанной древесины могут относиться к древесине с тканью коры или без нее, что может иметь важное влияние на соотношение CaO / SiO ₂ (эта информация не всегда сообщается в Phyllis).Следовательно, образцы коры или коры, содержащей древесину с низким содержанием экзогенных включений, как ожидается, будут иметь самое высокое соотношение CaO / SiO ₂ в группе WWB, а также могут достичь требуемого отношения трех, что теоретически подходит для C ₃ S формирование.

Распределение образцов на рис. 2, 3 предполагает хороший потенциал для группы WWB (т.е. образцы коры или образцы древесины с высоким содержанием коры и низким экзогенным включением) для содержания элементов, образующих клинкер, и, следовательно, представляют собой хорошую отправную точку в цепочке производства золы в качестве замены сырого клинкера. материал.Напротив, выбор исходного сырья группы HAB не может производить золу с подходящим соотношением Ca / Si, если только Ca не добавлен из внешнего источника, и потенциально может снизить качество клинкера из-за высокого содержания вредных элементов. В группе OR-CB образцы бумажного осадка имеют очень высокую концентрацию Ca, Si и Al наряду с очень низкими концентрациями вредных элементов, что делает это сырье биомассы очень интересным в качестве источника элементов, образующих цемент.

Состав золы биомассы

Следуя второму критерию, определенному в методе оценки (рис.1) зольный остаток всех типов установок был исключен из дальнейшего рассмотрения. Фактически, зольный остаток представляет собой основной поток золы, образующийся из топочной печи с колосниковой решеткой, с примерно 90% по массе от общей зольности биомассы, попадающей в эту фракцию. Все пробы зольного остатка ALLASKA из колосниковых топок показывают средний процент прохождения 13% для размера ячеек 125 мкм и 20% прохождения для размера ячейки 250 мкм, что указывает на его грубый характер. Кроме того, эта зольная фракция обычно очень неоднородна по составу [40].Поэтому зольный остаток от сжигания топки в колосниковой решетке был исключен из дальнейшего рассмотрения. Зольный остаток от сжигания в псевдоожиженном слое составляет от 30 до 50% по массе от общего количества образующейся золы. Эту фракцию золы часто называют золой из слоя, потому что она в основном состоит из частиц слоя (часто кварцевого песка), покрытых оксидами щелочных металлов, в зависимости от содержания щелочи в топливе и рабочей температуры. Никаких особых изменений в составе соответствующих цементу оксидов для шлака от сжигания в псевдоожиженном слое не наблюдалось, при этом SiO ₂ был доминирующим компонентом во всех образцах со средним значением 65-70% от общей золы по массе.Зола от сжигания в псевдоожиженном слое очень похожа по химическому и минералогическому составу, а также по физическим свойствам на песок. Его можно применять так же, как песок уже применяется в строительной индустрии, но он также считается не подходящим для замены сырого клинкерного материала в цементе.

Летучая зола является основным компонентом всей золы, образующейся при сжигании в псевдоожиженном слое (примерно от 50 до 70% по массе от общего содержания золы) и при сжигании пылевидного топлива (> 90% по массе от общего содержания золы).Около 80% и 96% летучей золы от сжигания псевдоожиженного слоя и пылевидного топлива, соответственно, проходит через размер ячеек 125 мкм. Гранулометрический состав этой золы очень похож на гранулометрический состав цементного сырья. При таком размере частиц ожидается высокий уровень гомогенности, и дополнительное измельчение не требуется, если зола-унос из псевдоожиженного слоя и сжигания пылевидного топлива используется в качестве сырья для производства цемента. Таким образом, данные о составе летучей золы биомассы из камер сгорания с кипящим псевдоожиженным слоем (BFB), циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) и пылевидным топливом (PF) были извлечены из базы данных ALLASKA в соответствии с методом, описанным в Разделе.Минеральный состав и термическая обработка золы отобранной биомассы. На рисунке 4 показана концентрация CaO, SiO ₂ и суммы Al ₂ O ₃ и Fe ₂ O ₃ в различных образцах летучей золы биомассы. Образцы сгруппированы по технологии сжигания, видам топлива из биомассы и потокам золы. Второй критерий для состава золы биомассы для замены сырого клинкерного материала указан как эталонный (черный кружок на рис. 4).

Цементно-релевантный оксидный состав летучей золы (ЗС) из базы данных АЛЛАСКА.Пробы ЖК сгруппированы по их конверсии и типу биомассы. Образцы, названные «Добавка извести / CaCO ₃ », указывают на летучую золу, собранную с установок, использующих известь / CaCO ₃ в качестве меры по снижению SOX (см. Более подробную информацию в тексте). Пунктирными овалами обозначены три различных кластера в соответствии с содержанием CaO и SiO ₂ в летучей золе в зависимости от термической конверсии и типа золы. Типичный состав клинкера указан как контрольный (черный кружок и параллельные линии).Все значения нормированы на 100

Общее наблюдение состоит в том, что вариация концентраций CaO (т.е. 6% 2 (т.е. 9% 2 <82%) очень велика для золы биомассы, в то время как сумма Al ₂ O ₃ и Fe ₂ O ₃ демонстрирует существенно меньшее отклонение — около 6–30%. Средняя концентрация Al ₂ O ₃ + Fe ₂ O ₃ в образцах биомассы составляет около 10–15% и близка к контрольной (Критерий 2, рис.1). Тип сжигаемой биомассы или принятая технология сжигания, по-видимому, не оказывает большого влияния на получаемую концентрацию Al ₂ O ₃ + Fe ₂ O ₃ . Однако вид и морфология этих оксидов могут быть разными. На рис. 4 были обозначены три кластера, чтобы выделить важные аспекты, связанные с системой конверсии, которые влияют на результирующее содержание CaO и SiO ₂ в золе:

Кластер 1 SiO ₂ ≫ CaO представлен золой с высоким содержанием SiO ₂ (> 65%) и низким содержанием CaO.Все пробы, собранные из циклонов, которые используются для улавливания относительно крупных фракций во время очистки дымовых газов, относятся к кластеру 1. Эта фракция состоит в основном из крупных фрагментированных частиц слоя и экзогенного материала (например, частиц почвы и пыли из исходного сырья. ), что объясняет высокое содержание SiO ₂ в этой фракции по сравнению с фильтром и золой ESP. Предполагается, что образцы осадка BFB_Wood и CFB_Mixed bark_paper, которые также находятся в зоне кластера 1, являются либо циклонной золой, либо смешанными с фракцией циклонной золы, поскольку из базы данных ALLASKA получить дополнительную информацию не удалось.Фракцию циклонной золы-уноса следует собирать отдельно от фракции золы фильтра тонкой очистки, чтобы избежать разбавления Са и сделать возможным применение последнего в производстве цемента (как дополнительно обсуждается ниже).

Кластер 2 SiO ₂ ≈ CaO Характеризуется сопоставимыми значениями SiO ₂ и CaO, при этом SiO ₂ по-прежнему является преобладающим элементом. Это состояние является общим для большинства исследованных образцов золы-уноса как из ДСП, так и из ЦКС, и связано с включением частиц фрагментированного слоя и экзогенного инертного материала, введенного во время обработки биомассы.Размер частиц, плотность и объем материала слоя в установке контролируются оператором и довольно постоянны. С другой стороны, свойства экзогенного инертного материала, вводимого во время обработки биомассы, более неоднородны и могут влиять на содержание SiO ₂ в мелкодисперсной фракции золы-уноса. Фактически, грубый экзогенный материал все еще может быть достаточно мелким, чтобы уноситься с дымовым газом и достигать мелкой фракции золы, влияя на его состав.Тарелхо и др. [38] измерили средний размер частиц экзогенного материала и обнаружили, что 67% по массе составляют менее 500 мкм, сделав вывод, что часть этих частиц может уноситься с дымовыми газами и, соответственно, собираться в секции очищающего газа. Эти результаты показывают, что осторожное обращение и переработка биомассы за счет исключения включения почвы, пыли и других инертных материалов может снизить количество кремния, попадающего в мелкодисперсную фракцию золы, тем самым улучшая качество золы с точки зрения содержания в ней CaO / SiO. ₂ соотношение.

Кластер 3 CaO / SiO ₂ подходит для C ₃ S и C ₂ Образование S представлено золой с высоким содержанием CaO (> 55–60 %) и относительно низкое содержание SiO ₂ . В этой части диаграммы представлены образцы от сгорания PF_wood и CFB_mixed bark_paper с относительно небольшими вариациями по составу. Образцы PF_wood демонстрируют большее разнообразие по сравнению с осадком CFB_mixed bark_paper, который попадает в более ограниченную область кластера три.Это наблюдение можно объяснить тем фактом, что ожидается, что конкретный остаточный поток, такой как отстой от удаления краски или волокнистый отстой, будет сохранять стабильный состав с течением времени в результате процесса промышленной обработки. Кроме того, бумажный шлам имеет высокое содержание золы, и его химический состав преобладает над составом получаемой золы, когда бумажный шлам сжигается совместно с другими видами топлива, такими как древесина. Этот эффект был замечен при уровне совместного сжигания 20% от массы ила [41].

Изменение количества летучей золы от сжигания ПФ связано с изменениями в древесной смеси, которая используется в качестве топлива.Технология PF не предполагает использования материала слоя, поэтому включение дополнительного Si ограничивается только вкладом экзогенного материала. Тем не менее, когда подходящий состав древесины (т.е. соотношение CaO / SiO ₂ , равное трем, см. Критерий 1, Рис. 1) сжигается как PF, может быть получена конечная летучая зола с высоким потенциалом замещения клинкера (Рис. 4, черный полный круг внутри ссылки).

Образцы, в которых для снижения выбросов SO _X используются известь или карбонат кальция (Образцы с маркировкой извести / CaCO ₃ на рис.4) также можно найти в кластере номер три. Однако разброс для этих образцов выше по сравнению с образцами осадка PF_wood и CFB_mixed bark_paper. Кроме того, когда концентрация серы в биомассе высока, как в случае шламов (рис. 3), выбросы SO _X обычно сокращаются путем введения щелочных агентов, таких как известняк / известь или NaOH. Когда известняк или известь используются в качестве щелочных агентов, высокая эффективность восстановления SO _X может быть получена только путем введения добавки в стехиометрическом избытке.CaSO ₄ вместе с непрореагировавшим известняком / известью затем собираются в системе очистки тонких частиц (например, ESP или рукавном фильтре) [42]. Таким образом, фракция летучей золы, извлеченная после впрыска известняка или извести, богата Ca. Однако это часто также связано с высоким содержанием серы, что потенциально отрицательно сказывается на качестве клинкера, как описано ниже.

Горючесть золы-уноса в качестве сырья для производства цемента

На рисунке 5 показан набор параметров, определяющих горючесть золы-уноса из чистой биомассы, а также Критерий три (рис.1). Целью данной оценки является изучение способности летучей золы биомассы образовывать желаемые фазы C ₃ S и C ₂ S во время образования клинкера. Зола биомассы также может быть добавлена ​​в смесях с традиционным сырьем для достижения желаемой горючести, хотя в данном исследовании это конкретно не определено количественно. Первое наблюдение заключается в том, что значительное количество образцов летучей золы биомассы от сжигания FB показывает значения LSF от 0,1 до 0,4, что значительно ниже эталонного (Критерий 3, рис.1). Эти низкие значения LSF указывают на то, что в золе биомассы имеется недостаточное количество CaO для образования C ₃ S и C ₂ S, и, следовательно, эта зола имеет низкий потенциал в качестве замены сырья для клинкера.

Параметры горючести проб золы-уноса из различных технологий конверсии. Коэффициент насыщения известью (LSF) указывает количество CaO в сочетании с другими оксидами с образованием минеральных фаз клинкера. Коэффициент кремнезема (SR) указывает количество жидкости, произведенной при соответствующей температуре.Коэффициент оксида алюминия (AR) указывает количество и состав жидких фаз при более низкой температуре. Каждая выборка строится в соответствии с ее LSF (ось X), SR (закрытые символы левой оси Y) и AR (закрытые символы правой оси Y). Значения LSF, SR и AR для типичного клинкера указаны (открытые и закрытые синие символы). Пунктирные квадраты на диаграмме ограничивают области, в которых минералы C ₃ S и C ₂ S потенциально могут существовать или уже были идентифицированы в предыдущей работе [44]

Образцы PF, попадающие в возможные C _{3 Ассортимент} S может образовывать C ₃ S и C ₂ S в пропорции, аналогичной той, что наблюдается в традиционном клинкере.Эти результаты показывают, что комбинация древесного топлива, богатого кальцием, сжигаемого в установке с доменным цехом, приводит к образованию летучей золы с аналогичным химическим составом и параметрами горючести, как у традиционного необработанного клинкерного материала. Установки PF обычно работают при 1400 ° C, что очень близко к температуре клинкеризации. Однако время, в течение которого летучая зола подвергается воздействию 1400 ° C во время пылевидного сжигания, составляет порядка секунд, что, как предполагается, ограничивает образование жидких фаз, необходимых для реакции CaO с C ₂ S и образования C ₃ С.Существует хороший потенциал для образования C ₃ S и C ₂ S, когда этот тип золы вводится в печь и подвергается воздействию температуры клинкера в течение более длительного времени (обычно от 20 до 40 минут). Рассчитанные параметры LSF, SR и AR для PF_wood указывают на потенциально высокий коэффициент замещения традиционного цементного сырья.

Зола биомассы с более низкими соотношениями LSF, SR и AR в наблюдаемом диапазоне (т.е. «возможная область C ₂ S» на рис. 5) все еще может содержать активные фазы, такие как силикат кальция [12, 38, 43].Segui et al. [44], например, обнаружил присутствие минерала C ₂ S в летучей золе от сжигания смеси бумажного шлама и древесных отходов в псевдоожиженном слое (LSF = 0,5, SR = 2, AR = 10, при 850 ° C). Летучая зола с LSF от 0,5 до 0,9 потенциально может производить C ₂ S и, следовательно, по-прежнему актуальна в качестве заменителя сырья. Образцы летучей золы от сжигания коры и смешанной коры с бумажным шламом в установке CFB имеют значение LSF от 0,6 до 0.8. Параметры SR и AR очень близки к эталонным критериям 3. Летучая зола с аналогичным набором параметров горючести может содержать C ₂ S, который образуется в CFB при рабочей температуре (900–950 ° C). Образование C ₂ S в цементной печи наблюдается при температуре от 900 ° C до 1250 ° C и может быть в основном связано с реакцией между твердым CaO и частицами SiO ₂ . Кальций должен поставляться в форме оксида, чтобы обеспечить реакцию твердое тело с SiO ₂ [33].Кальций в коре присутствует в основном в виде оксалата кальция [45, 46] и, скорее всего, высвобождается при сгорании в виде сверхмелкозернистых частиц CaO. То же самое относится и к осадку бумаги после удаления краски, где Са присутствует в основном в виде СаСО ₃ , который при сгорании разлагается до СаО. Кроме того, кремнезем в кварце менее реакционноспособен во время процесса клинкеризации, чем кремнезем в глине [32], в то время как осадок после удаления краски содержит высокую концентрацию неорганических веществ, таких как каолин и глина, которые используются в качестве покрытий в бумаге.Следовательно, образование гидравлических минералов C ₂ S в летучей золе, вероятно, улучшается за счет сжигания коры и / или осадка от удаления краски с бумаги. Относительно низкая рабочая температура псевдоожиженного слоя (900 ° C) позволяет избежать образования жидкости, и образование C ₃ S во время горения псевдоожиженного слоя не ожидается. Поскольку летучая зола от коры и / или осадка бумаги, удаляющего краску, вероятно, уже содержит C ₂ S в золе, эти материалы можно использовать непосредственно в качестве связующего, обогащенного C ₂ S, добавляемого в традиционный клинкер.В качестве альтернативы, этот тип золы может по-прежнему представлять собой важный источник элементов для производства клинкера, если подвергаться воздействию нужной температуры в течение достаточного времени.

Минеральный состав и термическая обработка золы отобранной биомассы

В этом разделе представлены теоретические прогнозы, сделанные в разделах. Зола биомассы в качестве исходного клинкерного материала и горючесть золы-уноса в качестве сырья для производства цемента будут проверены путем анализа результатов предыдущего эксперимента по нагреванию, проведенного на реальных образцах золы биомассы.

Тости и др. [47, 48] выбрали три образца золы FA1, FA2 и FA3 из комбинаций источника биомассы и технологии преобразования на основе критериев, описанных в разд. Горючесть золы-уноса в качестве сырья для производства цемента с целью изучения (i) выщелачивания основных и микроэлементов из золы сырой биомассы и цементных продуктов, содержащих золу биомассы (ii) для выполнения технической и экологической оценки таких цементных продуктов (iii ) для оценки устойчивости использования золы биомассы в цементе в качестве альтернативы захоронению [49].

Карр [50] провел эксперименты по нагреванию тех же образцов для изучения потенциального образования гидравлических минералов. Первоначально оптимальные температуры обжига определялись путем измерения температуры, при которой происходили химические реакции и минералогическое превращение, с помощью цифровой сканирующей калориметрии в сочетании с термогравиметрическим анализом (DSC / TGS). Впоследствии автор поместил образцы в печь (т.е.карболит), подвергая их определенным температурам в течение разного времени пребывания (т.е.е. 1, 2, 4 и 6 ч) и при разных скоростях линейного изменения (т. Е. 5 ° C / мин и 10 ° C мин). Изменения минерального состава обнаружены с помощью рентгеноструктурного анализа. Дальнейшие подробности экспериментальной установки и сканирования XRD можно найти у Карра [50]. В таблице 1 представлена ​​техническая информация о выбранной золе биомассы, факторах LSF, AR и SR, температуре обжига и минеральном составе до и после эксперимента по повторному нагреву. Следует отметить, что экспериментальные условия, представленные в настоящей работе, отличаются от условий современной печи.Таким образом, результаты экспериментов служат единственной цели — оценить потенциальное образование минералов C ₃ S и C ₂ S в наборе образцов, отобранных на основе критериев, предложенных в этой статье.

Минеральный состав FA 1 преобладает кварц с меньшими количествами кальцита, арканита, портландита и извести. Состав подтверждает гипотезу, высказанную в разд. Состав золы биомассы на негативное влияние включения частиц песчаника на ТВС как клинкерный материал.В качестве топлива использовалась чистая древесина, и обычно это сырье богато кальцием (см. Раздел «Состав сырья биомассы» и рис. 2). Однако образец FA1 показывает значение LSF 0,7, которое ниже эталонного, и значение 3,6 для SR, которое выше эталона. Даже несмотря на то, что значения горючести помещают образец FA1 в зону «образования C ₂ S», после повторного нагрева присутствие C ₂ S не обнаружено. Наблюдаемый недостаток C ₂ S согласуется с низкой реакционной способностью кремнезема в кварце во время процесса клинкеризации по сравнению с аморфным кремнеземом, как описано в разделах.Состав золы биомассы и горючесть золы-уноса как сырья для производства цемента. Это наблюдение подчеркивает важность минеральной формы, в которой содержатся элементы. Таким образом, теоретически достаточное значение LSF может не привести к образованию C ₂ S и C ₃ S, когда диоксид кремния преимущественно обеспечивается включениями частиц песка (например, как FA1).

Образец FA2 состоит из кварца, кальцита и арканита. Значения горючести LSF и AR образца FA2 находятся за пределами эталонного диапазона, тогда как SR попадают в этот диапазон.Однако присутствие C ₂ S обнаруживается после повторного нагрева, но отсутствует C ₃ S. Отсутствие C ₃ S объясняется тем, что C ₃ S перешел обратно в CaO и C ₂ S после охлаждение [31] и / или вмешательство магния в процесс образования клинкерных минералов (раздел «Зола биомассы в качестве сырого клинкерного материала»). Отношение AR ниже контрольного значения, но не считается, что оно существенно влияет на наблюдаемое отсутствие образования C ₃ S в образце FA2.Эта последняя гипотеза также подтверждается образованием как акерманита, так и мервинита после повторного нагрева, которые являются богатыми кальцием минералами с химической формулой Ca ₂ MgSi ₂ O ₇ и Ca ₃ MgSi ₂ O ₈ , соответственно, что указывает на то, что реакция между Ca, Mg и Si предпочтительнее образования C ₃ S. Образец FA3 преимущественно состоит из извести с меньшими количествами кварца, C ₂ S, геленита и портландита.Содержание кальция в FA3 очень высокое из-за бумажного шлама, используемого в качестве топлива (рис. 2), что приводит к очень высокому значению LSF по сравнению с эталоном. Значения SR и AR находятся в пределах допустимых значений. Эта зола уже содержит минерал C ₂ S в том виде, в каком он был получен, как это предлагается также в разделе «Состав золы биомассы», подчеркивая ее потенциальное использование в качестве вторичного вяжущего материала для непосредственного смешивания с цементом. После повторного нагрева FA3 количество C ₂ S увеличивается, но C ₃ S не образуется.Это отсутствие также связано с вероятным переходом C ₃ S обратно в CaO и C ₂ S во время охлаждения золы.

Таблица 1 показывает, что гидравлические минералы (например, C ₂ S) могут образовываться из FA2 и FA3, когда они подвергаются стадии повторного нагрева (например, в цементной печи). Все оптимальные температуры как минимум на 200 ° C ниже традиционных температур обжига. Однако ни один из образцов не дал никакого C ₃ S. Предполагается, что при охлаждении C ₃ S снова перешел в CaO и C ₂ S [31].Результаты, показанные в Таблице 1, подтверждают, что чистая биомасса, сжигаемая в установке для пылевидного топлива, имеет более высокий потенциал для замены сырого клинкерного материала, чем при сжигании в псевдоожиженном слое. Эти результаты также показывают, что присутствие Mg следует минимизировать и контролировать при выборе биомассы в качестве топлива. Летучая зола от бумажного шлама и аналогичных видов топлива, сжигаемых в псевдоожиженном слое, уже может содержать C ₂ S и, таким образом, может использоваться непосредственно в качестве вторичного вяжущего материала в составе цемента.В качестве альтернативы, такая зола может представлять собой хороший источник сырья для производства клинкера из-за того, что ее значения горючести очень близки к эталонным.

Содержание элементов в золе биомассы с потенциально неблагоприятным влиянием на качество клинкера

Присутствие Na ₂ O, K ₂ O, Cl, SO ₃ , MgO и P ₂ O ₅ дюйм смесь золы биомассы может отрицательно повлиять на качество конечных цементных продуктов, когда зола биомассы используется в качестве сырья для производства клинкера.На рисунке 6 показано молярное содержание щелочных металлов и SO ₃ в образцах летучей золы биомассы. Согласно критериям на рис. 1 отношение A / S от 0,8 до 1,2 указывает на хорошее качество клинкера. Общее содержание MgO и P ₂ O ₅ в золе биомассы показано на рис. 7 вместе с Критерием 3 (рис. 1) для оценки потенциального образования неблагоприятных минеральных фаз из-за избыточного MgO и снижения содержания углерода. ₃ Образование S за счет избытка P ₂ O ₅ в клинкере.Оценка выполнена в предположении, что зола биомассы заменяет 100% традиционного сырья.

Молярное отношение щелочи к сере (A / S) летучей золы биомассы. Молярное содержание щелочных металлов (K ₂ O и Na ₂ O) корректируется на молярное содержание Cl согласно формуле. 4, чтобы учесть часть щелочи, которая легко улетучивается в виде хлоридов щелочных металлов и, следовательно, не включается в фазы клинкера. Предполагается, что оставшаяся щелочь соединяется с серой с образованием сульфатов щелочных металлов.Черная пунктирная линия представляет фиксированное отношение A / S, равное 1 (± 0,2, серые пунктирные линии). Считается, что образцы с соотношением A / S в пределах этого диапазона A / S (= Критерий 3, рис. 1) имеют более низкую вероятность неблагоприятного щелочного воздействия на свойства цементного клинкера

MgO и P ₂ O ₅ содержание в образцах летучей золы биомассы. Небольшое включение MgO в фазы клинкера является полезным и увеличивает производство C ₃ S. Содержание MgO в клинкере более 5% по массе (вертикальная пунктирная линия) может способствовать образованию минеральных фаз, неблагоприятных для качества клинкера.P ₂ O ₅ препятствует образованию C ₃ S выше концентрации 0,7% по массе в клинкере, в то время как образование C ₃ S полностью блокируется выше 4,5% по массе (горизонтальные пунктирные линии)

Большинство проб золы биомассы показывают несбалансированное соотношение A / S со значениями выше 1,2 из-за, как правило, относительно высокого содержания щелочи в древесине и древесной биомассе и низкого содержания серы. Образцы от сжигания в псевдоожиженном слое показывают в среднем отношение A / S, более близкое к эталонному, по сравнению с образцами пылевидного топлива.Известно, что технологии псевдоожиженного слоя улавливают часть щелочей в материале слоя кремнезема, что приводит к фракциям летучей золы с относительно низким содержанием щелочи [51]. В частности, образцы от сжигания FB древесины, смешанной с бумажным шламом, имеют отношение A / S в пределах или очень близко к контрольному диапазону. Это можно объяснить объединенным эффектом улавливания щелочи псевдоожиженным слоем и очень низким содержанием щелочи и серы в бумажном шламе. Добавление бумажного шлама к древесине и древесной биомассе может привести к образованию летучей золы с адекватным соотношением A / S, чтобы ограничить включение щелочи и SO ₃ в фазы клинкера, в то время как эти материалы также близки к композиционным требованиям для потенциального образования C ₂ S и C ₃ S (т.е.е. Критерий 1, рис. 1).

Во время сжигания пылевидного топлива неорганические вещества, присутствующие в топливе из биомассы, почти полностью восстанавливаются с летучей золой. Хотя такие образцы золы из древесной биомассы были определены как потенциально подходящие для замены до 100% традиционного сырья, такие высокие замены могут привести к чрезмерному включению щелочи в фазы клинкера с неблагоприятными последствиями для долговечности цемента. По техническим причинам сжигание пылевидного топлива применяется только для чистой древесной биомассы.Следовательно, при выборе топлива из биомассы для этого метода сжигания допускается только ограниченная гибкость. Это ограничение подразумевает, что для получения соответствующего отношения A / S необходимо использовать внешний источник, богатый SO ₃ (например, золу от сжигания ила, см. Рис. 3).

Образцы, содержащие отходы (например, ТБО, промышленные отходы), имеют чрезвычайно низкое соотношение A / S. Как правило, это связано с комбинированным эффектом высоких концентраций Cl и S в отходах. В некоторых случаях концентрация Cl настолько высока, что при вычитании из числителя в соотношении A / S получается отрицательное значение (не показано на рис.6). Такие высокие концентрации Cl и S являются ограничивающим фактором для использования этих видов золы в качестве сырого клинкерного материала из-за их неблагоприятного воздействия на коррозию железобетона и долговечность продукта. Высокое содержание SO ₃ в летучей золе не всегда связано с высоким содержанием Cl (например, когда в качестве топлива используется отстой, см. Также рис. 3). Как обсуждалось ранее, этот тип золы представляет интерес как источник SO ₃ для получения приемлемого отношения A / S в смеси образцов золы с другими подходящими свойствами в соответствии с эталонными критериями.

На рисунке 7 показано содержание MgO и P ₂ O ₅ в летучей золе биомассы вместе с контрольными значениями, как описано в Критерии 3 (Рис. 1). Важно подчеркнуть, что на рис. 7 концентрация MgO и P ₂ O ₅ в золе сравнивается с контрольной концентрацией в клинкере. Отсутствуют подробные исследования доли этих элементов, которые будут включены в фазы клинкера во время клинкеризации. Поэтому в данной статье принят наихудший сценарий, предполагающий, что все содержание этих элементов в золе переходит в клинкер.

Содержание MgO в золе биомассы обычно ниже максимального контрольного значения (т.е. 5% по массе). Исключение составляют образцы пылевидного топлива и некоторые образцы, полученные от сжигания в псевдоожиженном слое. Однако содержание MgO недалеко от эталонного значения. Это означает, что даже если большая часть MgO в золе биомассы будет включена в фазы клинкера, это, вероятно, приведет к приемлемому уровню. Следовательно, MgO не считается важным ограничивающим фактором для большей части замены клинкерного сырья летучей золой из биомассы, хотя он может быть нежелательным для конкретной летучей золы от сжигания пылевидного топлива, как показано в Разделе.Минеральный состав и термическая обработка золы отобранной биомассы.

Иная ситуация наблюдается для содержания P ₂ O ₅ . В этом случае только несколько образцов золы показывают содержание P ₂ O ₅ ниже нижнего контрольного значения 0,7% по массе. При этой концентрации P ₂ O ₅ в клинкере образование C ₃ S начинает уменьшаться. Большинство образцов золы биомассы показывают концентрации P ₂ O ₅ около 3% по массе.Предполагая, что значительное количество P ₂ O ₅ в золе будет перенесено в фазы клинкера, концентрация P ₂ O ₅ около 3% приведет к уменьшению образования C ₃ S. Считается, что содержание 1% P ₂ O ₅ в клинкере снижает содержание C ₃ S на 10% [52]. Таким образом, этот аспект может представлять собой ограничивающий фактор для использования летучей золы биомассы в качестве сырого клинкерного материала. Требуются дальнейшие исследования, чтобы оценить, какая доля P ₂ O ₅ в золе биомассы может быть включена в фазы клинкера и как эта доля связана с составом P в конкретных типах золы, чтобы проверить консервативное предположение. сделано в этой статье.Более того, тщательное исследование состава фосфора в золе биомассы может позволить разработать дополнительные критерии для сужения фракции фосфора, которая может быть перенесена в клинкерные фазы.

Лесные пожары и химический состав воды: влияние металлов, связанных с древесной золой

* Соответствующие авторы

^а Департамент гражданского строительства, MSC01 1070, Университет Нью-Мексико, Альбукерке, Нью-Мексико 87131, США
Эл. Почта: jcerrato @ unm.edu
Факс: +1 505 277 1918
Тел .: +1 505 277 0870

^б Департамент химии, MSC03 2060, Университет Нью-Мексико, Альбукерке, Нью-Мексико 87131, США

^с Департамент химической и биологической инженерии, MSC01 1120, Университет Нью-Мексико, Альбукерке, Нью-Мексико 87131, США

^г Департамент биологии и Музей биологии Юго-Запада, MSC03 2020, Университет Нью-Мексико, Альбукерке, Нью-Мексико 87131, США

^e Департамент наук о Земле и планетах, MSC03 2040, Университет Нью-Мексико, Альбукерке, Нью-Мексико 87131, США

^f Департамент химической и биологической инженерии и Центр микротехнических материалов, Университет Нью-Мексико, MSC 01 1120, Альбукерке, Нью-Мексико 87131, США