Põlevkivienergeetika uute tehnoloogiate mõju tahkjäätmete omadustele ja taaskasutusele

RITA maavarauuringute tutvustuspäev. 17. oktoober 2019, Maardu mõis

Töögrupi liikmed:

Can Rüstü Yörük, Regiina Viires, Kadriann Tamm, Rein Kuusik, Andres Trikkel –Materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituut, TalTech

Erik Väli, Andrus Paat, Brigitta Uibo, Kaarel Rebane, Karin Robam - Geoloogia instituut, TalTech

Kalle Kirsimäe, Peeter Paaver – Geoloogia osakond, TÜ

Mai Uibu

Taust

1 tonnist põlevkivist saab:

850 kWh elektrit + 870 kg CO2

125 kg põlevkiviõli + 35 Nm³ poolkoksigaasi + 180 kg CO2

450 kg põlevkivituhka

Aastas tekib 5-6 milj tonni põlevkivituhka

Lisaks eraldatakse kaevandustes kuni 6 milj tonni aherainet

Tekkivast tuhast leiab taaskasutust vaid kuni 5%

Tuhkade kasutusvõimalused

Põlevkivituhk

Kaevanduste tagasitäitmine

Pinnaste stabiliseerimine

Täitepinnased

Teedeehitus

Barjäärid

Põllumajandus

Jäätmete stabiliseerimine

Ehitusmaterjalid

Betoonsegud

Geopolümeerid

Metallid

Aktiveeritud süsi

Klaas/keraamika

Adsorbendid

Tseoliidid

Lihtne/mastaapne

Keeruline/väikesemahuline

Tsemendid Ksenosfäärulid

Probleem

Mastaapsed kasutusalad

kaevanduste tagasitäitmine

pinnaste stabiliseerimine, teedeehitus

kasutamine ehitusmaterjalide koostises jne

sõltuvad tuha sideainelistest omadustest.

Tehnoloogia areng (Enefit280, Petroter, Auvere EJ) on toonud kaasa

Energiatõhususe kasvu ning madalamad õhuemissioonid (SO2, NOx, etc)

aga ka muutused tuhkade mineraloogilises koostises → sideaineliste omaduste vähenemine.

Eesmärk

Selgitada kuivõrd temperatuuri mõõdukas tõstmine põlevkivi põletamis- ja

utmisprotsessides mõjutab tuhkade sideainelisi omadusi taaskasutuse kontekstist lähtudes.

Tuhaproovide kogumine koos vastavate režiimide parameetritega

0

2

4

31/12/2017 10/04/2018 19/07/2018 27/10/2018 04/02/2019 15/05/2019

üldtuhk ESP 1

Auvere EJ 790-850oC

0

2

4

18/08/2016 06/03/2017 22/09/2017 10/04/2018 27/10/2018 15/05/2019

üldtuhk tsüklontuhk

Enefit 280 <800oC

Tuhaproovide kogumine koos vastavate režiimide parameetritega

0

2

4

31/12/2017 10/04/2018 19/07/2018 27/10/2018 04/02/2019 15/05/2019

üldtuhk ESP 1

0

1

2

31/12/2017 10/04/2018 19/07/2018 27/10/2018 04/02/2019

NID tuhk

BEJ-11 790-800oC TP-101 + NID 1300-1400oC

Tuhaproovide koostis ja sideainelised omadused

14 1423

2320

19 15 20 2120

17 22 22 1920

1920 15 20

23

0%

20%

40%

60%

80%

100%Muud

Hannebahhiit

Andhüdriit

Ca/Mg-silikaadid

Lubi+Portlandiit

Kaltsiit+Dolomiit

Terrigeensed

0

1

2

3

4

5

6

7

8

aeg,

h

Tardumise algus

Tardumise lõpp

1-2h

2-5h

14.1 12.510.2

12.2

6.9

11.7

4.98.6

12

5.8

0

5

10

15

20

25

21

.02

.20

18

18

.05

.20

18

10

.07

.20

18

25

.10

.20

18

13

.03

.20

19

21

.02

.20

18

18

.05

.20

18

10

.07

.20

18

25

.10

.20

18

13

.03

.20

19

ESP 1 üldtuhk

Auvere

MP

a

Paindetugevus

Survetugevus

Mört 1:328 päeva

≥25MPa

Soovituslik vahemik

Auvere EJ tuhad

11.3

0%

20%

40%

60%

80%

100% Muud

Hannebahhiit

Andhüdriit

Ca/Mg-silikaadid

Lubi+Portlandiit

Kaltsiit+Dolomiit

Terrigeensed

Amorf

4.3

8.3

22.8

0

5

10

15

20

25

7 päeva 28 päeva 91 päeva

MPa

paindetugevus

survetugevus

Mört 1:3

0

2

4

6

8

aeg,

h

Tardumisealgus

Tardumiselõpp

TP-101 ESP1

Tuhaproovide koostis ja sideainelised omadused

NID tuhk

Enefit 280 üldtuhk

1714

20 13

3229

25 27

8 7 9 89 15 10

10 8 15 19

0%

20%

40%

60%

80%

100% Muud

Hannebahhiit

Andhüdriit

Ca/Mg-silikaadidLubi+Portlandiit

0

5

10

15

20

25

30

aeg,

h

Tardumise algus

Tardumise lõpp

2-5h1-2h

0

5

10

15

20

25

06

.02

.20

18

12

.05

.20

18

10

.09

.20

18

25

.10

.20

18

09

.02

.20

18

12

.07

.20

18

30

.10

.20

18

19

.03

.20

19

12

.07

.20

18

30

.10

.20

18

19

.03

.20

19

üldtuhk tsüklon

NID Enefit280 Enefit280

MP

a

Paindetugevus

Survetugevus

Mört 1:328 päeva

Klinkermineraalid

Karbonaadid

Sideainelised omadused

Katsekehad meenutavad kokkusurutud märga liiva

Paisumisest tingitud pragunemine

≥25MPa

Soovituslik vahemik

Enefit 280 tuhadNID tuhk

Põletustingimuste ning tuha sideaineliste omaduste vaheliste sõltuvuste kirjeldamine läbi faasimuutuste – Enefit280 tsüklontuhk

012345678

EN280tsüklon

780C 800C 820C

Aeg

, h

Tardumise algus

Tardumise lõpp

1-2h

2-5h

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Enefit280tsüklon

780C 800C 820C

Muud

Hannebahhiit

Andhüdriit

Ca/Mg-silikaadid

Lubi+Portlandiit

Kaltsiit+Dolomiit

Terrigeensed

0.4

8.8 8.7 7.9

0

5

10

15

20

25

EN280tsüklon

780C 800C 820C

MPa

Paindetugevus

Survetugevus

Mört 1:328 päeva

Karbonaatide osakaalu vähenemine

Klinkermineraalide osakaalu

suurenemine

Sideainelise omaduste

paranemine

Temperatuurimõõdukas tõstmine

Põletustingimuste ning tuha sideaineliste omaduste vaheliste sõltuvuste kirjeldamine läbi faasimuutuste – Enefit280 üldtuhk

614

19

9

13 16 16

Enefit280üld

780C(30min)

800C(30min)

820C(30min)

Muud

Hannebahhiit

Andhüdriit

Ca/Mg-silikaadid

Lubi+Portlandiit

Kaltsiit+Dolomiit

Terrigeensed

5

911

16 19

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Enefit280üld

780C(10min)

800C(10min)

820C(10min)

Klinkermineraalide osakaalu

suurenemine

Tuhasprevaleeribkaltsiit

Termotöötlus 10 min vs 30 min pöörlevas toruahjus

10 min 30 min

0

5

10

15

20

25

EN280üldtuhk

780C 800C 820C

MP

a

Termotöötlus 10 min vs 30 min

Survetugevus(10 min)

Survetugevus(30min,jahvatatud)

Sideainelised omadused ei

parane

• Jämedafraktsioonilise Enefit 280 üldtuha kasutamine konventsionaalsetes lahendustes jääb endiselt probleemiks• Tuhkade taaskasutuse osa mastaapseks suurendamiseks on vaja täiendavaid uuringud põletus/jahvatusrežiimide optimeerimise ning

uute tehnoloogiate kasutamise võtmes

Põlevkivituha ja aheraine logistika analüüs

Ehitusmaavarade varustuskindlus

Varustuskindlus taristuehituses on Eestis tagatud

Regionaalsed probleemid 5-10 aasta pärast

Naaberregioonis paiknevate ehitusmaavarade varude kasutuselevõtt

Veokauguse suurenemisest tingitud ehitusmaksumuse kallinemine

Põlevkivienergeetika jäätmevaldkonna materjalide (põlevkivituhk, aheraine) taaskasutamine pidurdaks ehitusmaksumuse kallinemist

Põlevkivi tootmisjääkide logistika perspektiivid

Lisaks toote omadustele ning kvaliteedile on perspektiivsuse määrajaks

transpordilogistika koos seda toetava infrastruktuuri võimekusega

Parimate kasutusvõimalustega valdkonnad on

• teedeehitus

• mass-stabiliseerimistegevused (sh Rail Baltica projekt)

• ehitusmaterjalide tootmine

• põllumajandus

• PCC tootmine

Logistilised piirangud: ehitustehnoloogia; tootmis- ja

transpordiettevõtete suutlikkus; materjalide/toodete kättesaadavus;

objektile juurdepääsetavus; materjalide ladustamine ja vaheladustamine

vaheladustamise võimalusega raudteejaamad

universaalkonteineri

käitlemise

võimalusega

raudteejaamad

Tulemused

Erinevatel põletusrežiimidel tekkivate tuhkade koostise ja sideaineliste omaduste määramine kinnitas

olulist alanemistendentsi sideaineliste omaduste osas, eriti Enefit280 tuhkade puhul. Tuhkade koostis ja

omadused varieeruvad ka aasta jooksul samast tuhaeralduspunktist võetud proovide lõikes.

Näidati, et temperatuuri mõõdukas tõstmine võimaldab läbi muutuste faasikoostises tuhkade sideainelisi

omadusi parandada. Samas jääb jämedafraktsioonilise üldtuha kasutamine konventsionaalsetes

lahendustes endiselt probleemiks ning tuhkade taaskasutuse osa mastaapseks suurendamiseks on vaja

täiendavaid uuringud põletus/jahvatusrežiimide optimeerimise ning uute tehnoloogiate kasutamise

võtmes.

Parimate kasutusvõimalustega valdkonnad on teedeehitus ja mass-stabiliseerimistegevused,

ehitusmaterjalide tootmine ja põllumajandus. Nende perspektiivsus on logistilisest aspektist põhjendatud

suure ja stabiilse nõudlusfunktsiooniga, mis tagab veohinna kogukulu arvestuse vaatenurgast

minimaalsed kriitilised mahud.

Põlevkivi tootmisjääkide logistikat Eestis kujundab lisaks põlevkivituha ja aheraine madalale omahinnale,

selle tootmise ja nõudluse geograafiline lahusus ning täiendavalt hulk piiranguid, mis oluliselt

kitsendavad veoviiside lõplikku valikut.