Archives of Waste Management and Environmental Protection Archiwum Gospodarki Odpadami http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 3 (2006), p-01-10 Ocena możliwości gospodarczego wykorzystanie niektórych odpadów hutniczych jako substytutu kruszywa naturalnego do betonów osłonowych przed promieniowaniem gamma Alwaeli M. Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów, Politechnika Śląska, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice tel. (+48 32 237 21 15), fax (+48 32) 237 11 67, e-mail 1Alwaeli@waste.ise.polsl.gliwice.pl, e-mail mohamed.alwaeli@polsl.pl Streszczenie W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań parametrów technicznych i absorpcyjnych promieniowania jonizującego osłon betonowych z dodatkiem żużla granulowanego z Huty Cynku Miasteczko Śląskie w Tarnowskich górach oraz opiłków stalowych i zendry z Huty Baildon w Katowicach. Abstract Assessment possibility of utilization of selected steel mill and machine building industry waste as a component of concrete for gamma radiation shielding In this work the technical parameters and radiation shielding properties of concrete with steel mill and machine building industry waste were tested. In laboratory tests the granulated slag from zinc mill Miasteczko Śląskie in Tarnowskie Góry, steel chips and scale from Baildon mill in Katowice was added to ordinary concrete as aggregate. The compressive stress and gamma radiation attenuation was measured for various composition of the concrete. 1.Wstęp W hutnictwie i przemyśle maszynowym podczas procesów produkcyjnych powstaje znaczna ilość odpadów. Odpady te zawierają na ogół znaczne ilości cennych pierwiastków jak żelazo, mangan, różne pierwiastki stopowe, oraz związków zasadowych. Proces hutniczy i przemysłu maszynowego zaliczany jest do najbardziej uciążliwych dla środowiska ze względu na powstawanie obok podstawowego produktu, znacznych ilości
2 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) odpadów, których nieprawidłowe zagospodarowane wiąże się w istotny sposób z degradacją środowiska naturalnego. Ich negatywny wpływ na środowisko wynika z: - zawartości w nich związków toksycznych, - występowania odpadów w dużych ilościach [1] Jednym ze sposobów zagospodarowania odpadów hutniczych jest ich przerób. Najprostszą metodą przerobu odpadów hutniczych jest sortowanie z usuwaniem zanieczyszczeń [2].Odpady hutnicze i przemysłu maszynowego zawierają znaczne ilości zanieczyszczeń. Do najczęściej występujących zanieczyszczeń ciekłych należą: oleje i emulsje chłodzące oraz woda [3]. Trudności z pełnym zagospodarowaniem odpadów hutniczych, szczególnie do celów metalurgicznych, wynikają głównie z braku odpowiednich, ekonomicznie opłacalnych, technologii ich uzdatniania do dalszego wykorzystania (np. zagęszczanie i odwadnianie szlamów, odolejanie zgorzeliny i mułków zgorzelinowych, usuwanie pierwiastków szkodliwych). Od lat prowadzone są badania nad opracowaniem technologii, która umożliwia zagospodarowanie zaolejonych odpadów hutniczych. Prace skoncentrowano na procesie wypalania zaolejonej i zawodnionej zgorzeliny i mułków zgorzelinowych, powstających w procesie walcowania stali w celu zawrócenia ich do procesu metalurgicznego. Wynikiem prowadzonych badań są technologie wypalania zaolejonej zgorzeliny i mułków zgorzelinowych w reaktorze fluidalnym, piecu obrotowym, jak również spiekanie suchych zanieczyszczeń wytrąconych w elektrofiltrach [4]. Drobnoziarniste odpady hutnicze (pyły i szlamy metalonośne oraz różnego rodzaju zgorzeliny, mułki zgorzelinowe, często o wysokim stopniu uwodnienia) mogą być brykietowane w brykieciarkach stemplowych. Poprzez brykietowanie otrzymuje się zagęszczony i jednocześnie zbrylony materiał o żądanym kształcie i wymiarach oraz stałych parametrach wytrzymałościowych. Zastosowanie brykietów zawierających żelazo, wapno i mangan pozwala na zastąpienie surowcami wtórnymi części drogich rud i zmniejszenie ilości surowego topnika we wsadzie wielkopiecowym oraz na wzrost wzbogacenia wsadu i obniżenie jednostkowego zużycia koksu w wielkim piecu [15]. Stosowanie metody odolejania rozpuszczalnikami odpadów hutniczych jest zbyt kosztowne, niedopracowane i powoduje powstawanie uciążliwych dla środowiska odcieków[6]. Jedną z możliwości wykorzystywania odpadów hutniczych jest stosowanie ich jako dodatku do betonów osłonowych przed promieniowaniem jonizującym. Ekonomicznym i równocześnie najbardziej efektywnym materiałem na osłony jest beton, mający dostateczne własności absorpcji promieniowania gamma i rozpraszania neutronów, jak również odznaczający się znaczną wytrzymałością i nadający się do wytworzenia osłon o dowolnym kształcie. W celu zwiększenia własności absorpcyjnych betonu stosowane są dodatki kruszywa ciężkiego, przy czym obecnie znanych jest kilkadziesiąt rodzajów takich kruszyw. Niektóre z nich jak żużel granulowany, wióry stalowe i zgorzelina mogą być zastosowane jako dodatki do betonów osłonowych i mogilników [7].
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) 3 1. Zastosowanie odpadów hutniczych jako dodatku do osłon betonowych przed promieniowaniem jonizującym: Jednym ze sposobów zagospodarowania odpadów hutniczych jest ich przerób. Najprostszą metodą przerobu odpadów hutniczych jest sortowanie z usuwaniem zanieczyszczeń [8] Odpady hutnicze i przemysłu maszynowego zawierają znaczną ilość zanieczyszczeń. Do najczęściej występujących zanieczyszczeń ciekłych należą: oleje i emulsje chłodzące oraz woda [9] Trudności z pełnym zagospodarowaniem odpadów hutniczych, szczególnie do celów metalurgicznych, wynikają głównie z braku odpowiednich, ekonomicznie opłacalnych, technologii ich uzdatniania do dalszego wykorzystania (np. zagęszczanie i odwadnianie szlamów, odolejanie zgorzeliny i mułków zgorzelinowych, usuwanie pierwiastków szkodliwych).[10] Drobnoziarniste odpady hutnicze (pyły i szlamy metalonośne oraz różnego rodzaju zgorzeliny, mułki zgorzelinowe, często o wysokim stopniu uwodnienia) mogą być brykietowane w brykieciarkach stemplowych. Poprzez brykietowanie otrzymuje się zagęszczony i jednocześnie zbrylony materiał o żądanym kształcie i wymiarach oraz stałych parametrach wytrzymałościowych. Zastosowanie brykietów zawierających żelazo, wapno i mangan pozwoli na zastąpienie surowcami wtórnymi części drogich rud i zmniejszenie ilości surowego topnika we wsadzie wielkopiecowym oraz na wzrost wzbogacenia wsadu i obniżenie jednostkowego zużycia koksu w wielkim piecu [10]. Stosowanie metody odolejania rozpuszczalnikami odpadów hutniczych jest zbyt kosztowne, niedopracowane i powodują powstawanie uciążliwych dla środowiska odcieków[11]. W związku z stosowaniem techniki jądrowej szczególnego znaczenia nabiera problem ochrony przed promieniowaniem jonizującym. W zakresie budownictwa dotyczy to przede wszystkim : - budowy osłon chroniących pracowników zatrudnionych w laboratoriach, w których występuje promieniowanie; - budowy mogilników przeznaczonych do magazynowania odpadów radioaktywnych; - budowy hermetycznych powłok reaktorów w celu zabezpieczenia przed skutkami ewentualnej awarii. W celu zwiększenia własności absorpcyjnych betonu stosowane są dodatki kruszywa ciężkiego, przy czym obecnie znanych jest kilkadziesiąt rodzajów takich kruszyw. Niektóre z nich jak żużel granulowany, wióry stalowe i zgorzelina mogą być zastosowane jako dodatki do betonów osłonowych (np. w instalacjach odsiarczania spalin emitowanych w przemyśle energetycznym ) i mogilników. Ekonomicznym i równocześnie najbardziej efektywnym materiałem na osłony jest beton, mający dostateczne własności absorpcji promieniowania gamma i rozpraszania neutronów, jak również odznaczający się znaczną wytrzymałością i nadający się do wytworzenia osłon o dowolnym kształcie[12,13].
4 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) 2. Badania właściwości odpadów oraz mieszanek betonowych: Badania przeprowadzono dla betonów wytworzonych z dodatkiem następujących odpadów: - żużel granulowany z Huty Cynku,,Miasteczko Śląskie w Tarnowskich Górach, - opiłki stalowe z Huty Baildon w Katowicach, - zgorzelina (czarna zendra) z Huty Baildon w Katowicach. Badania właściwości odpadów obejmowały: - oznaczenie zawartości wilgoci, - oznaczenie gęstości oraz - oznaczenie zawartości oleju. Wyniki przeprowadzonych badań podano w Tab. 1. jako średnią arytmetyczną. Tab. 1. Właściwości odpadów Table 1. Waste characteristics lp. oznaczanie Notation 1. Wilgotność [%] Humidity 2 Gęstość [g/cm 3 ] Density 3 Zawartość oleju [%] Oil content nazwa odpadu Name of waste wióry stalowe zgorzelina żużel granulowany steel chips scale granulated slag 0,15 0,23 0,25 7,30 4,72 3,86 0,051 0,29 0,19 Analiza wyciągu wodnego z odpadów obejmowała następujące oznaczenia: odczyn ph, chemiczne zapotrzebowanie tlenu ChZT, Zawartości: chlorków, azotu ogólnego, siarki oraz fosforanów. Wyniki przeprowadzonych badań podano w Tab. 2. jako średnią arytmetyczną.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) 5 Tabela 2. Właściwości wyciągów z odpadów Table 2. Characteristics of wastes extract lp. Oznaczenie Notation 1. Odczyn ph PH 2. Chlorki Chlorines 3. Azot ogólny Nitrogen 4. Siarka Sulphur 5. Fosforany Phosforus 6. ChZT Chemical demand of oxygen Jednostka Unit nazwa odpadu Name of waste Wióry stalowe zgorzelina żużel granulowany Steel chips scale granulated slag - 8,73 5,90 7,31 mg/dm 3 3,56 6,94 7,10 mg/dm 3 0,00 0,00 0.00 mg/dm 3 1,94 24,69 28,39 mg/dm 3 0,80 1,60 1,21 mgo 2 /dm 3 34,79 59,82 60,58 3.1 Badania właściwości wytrzymałościowe Dla wykonania badań właściwości wytrzymałościowych betonu z dodatkiem odpadu przygotowano 16 próbek betonu. Udział odpadów jako zamiennika piasku w składzie mieszanek betonowych zmieniano co 25 % od 0 do 100 %. Badania wytrzymałościowe wykonano na kostkach typu C o wymiarach 10x10x10 cm Konsystencje wykonanych betonów utrzymywano na poziomie K-4. Wartości wytrzymałości na ściskanie przeliczono na kostki typu B-1 o wymiarach 15x15x15 cm. Wszystkie próbki od momentu sformowania do 28-go dnia dojrzewania przebywały w środowisku wodnym [14] Wyniki przeprowadzonych badań przedstawiono w tabeli 3, 4, 5 Wyniki pokazały, że dodatek opiłków i żużla granulowanego wpływa na wzrost wytrzymałości, zdolności osłabienia promieniowania gamma W przypadku osłon z dodatkiem zendry wytrzymałość na ściskanie ma tendencję malejącą, natomiast dodatek ten wpływa na wzrost właściwości osłabienia promieniowania.
6 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) Tabela3.Właściwości wytrzymałościowe osłon betonowych z domieszką opiłków Table 3. Compressive strength of concrete shielding with steel chips Udział odpadu Rate of waste [%] gęstość Density ρ [kg/dm3] Wytrzymałość na ściskanie Cmpressive strength Rc [MPa] 0 2,16 37,80 25 2,41 47,00 50 2,50 49,00 75 2,80 54,00 100 3,10 57,00 Tabela 4. Właściwości wytrzymałościowe osłon betonowych z domieszką żużla granulowanego Table 4. Compressive strength of concrete shielding with granulated slag Udział odpadu Rate of waste [%] Gęstość Density ρ [kg/dm 3 ] Wytrzymałość na ściskanie Compressive strength R C [MPa] 0 2,16 37,80 25 2,21 44,00 50 2,38 42,80 75 2,40 37,00 100 2,56 50,50 Tabela 5. Właściwości wytrzymałościowe osłon betonowych z domieszką zendry Table 5. Compressive strength of concrete shielding with steel scale Udział odpadu Rate of waste [%] Gęstość Density ρ [kg/dm 3 ] Wytrzymałość na ściskanie Copressive strength R C [MPa] 0 2,16 37,80 25 2,41 47,00 50 2,52 23,80 75 2,70 33,00 100 2,82 24,90
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) 7 3.2 Badania absorpcji promieniowania gamma Dla wykonania badań absorpcji promieniowania gamma przygotowano 16 próbek betonu (po 7 płyt z każdej próbki, o wymiarach 25x25x2.6 cm.). Pomiary były wykonane przy użyciu Co-60 o energii E = 1,25 MeV. Całkowita ilość pomiarów wyniosła 1728 pomiarów Przystępując do obliczenia liniowego współczynnika osłabienia, obliczono najpierw średnie tło promieniowania na jednostkę czasu, średnią arytmetyczną liczbę zliczeń z 12 pomiarów dla każdej grubości danej serii próbek. Wartość liniowego współczynnika osłabienia promieniowania gamma obliczono ze wzoru: gdzie: K krotność osłabienia promieniowania gamma d grubość osłony betonowej z domieszką odpadów. 3. Prównanie grubości zwykłych osłon betonowych i grubości badanych osłon z domieszką odpadów Na podstawie otrzymanych wartości krotności osłabienia obliczono grubości osłon betonowych ze zwykłego betonu odpowiadających grubościom badanych osłon z domieszką odpadów, na podstawie tablic i wykresów normy [15, 16]. Jako przykład w Tab.6 przedstawiono wyniki obliczeń grubości zwykłych osłon betonowych odpowiadające grubości 18,2 cm badanych osłon z domieszką odpadów. Tab. 6. Porównanie grubość zwykłych osłon betonowych przed promieniowaniem gamma z odpowiadające grubości 18,2 cm badanych osłon z udziałem odpadu Table 6. Thickness of ordinary concrete shielding for X radiation which substitutes 78 mm of studies concrete with wastes Udział odpadu [%] Grubość osłony betonowej z domieszką odpadu [cm] Grubość zwykłej osłony betonowej odpowiadającą grubości osłony z opiłkami [cm] Grubość zwykłej osłony betonowej odpowiadającą grubości osłony z żużlem gran. [cm] Grubość zwykłej osłony betonowej odpowiadającą grubości osłony z zendrą [cm] 25 41,43 38,43 39,05 50 44,68 39,23 39,49 75 18,2 48,42 42,13 45,63 100 1 µ = d ln K 53,60 43,36 46,82
8 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) Podsumowanie i wnioski Odpady hutnicze i z przemysłu maszynowego zaliczane są do najbardziej uciążliwych dla środowiska ze względu na duże uwodnienie oraz dużą zawartość olejów i z tego względu są trudne do utylizacji. Jedną z możliwości ich utylizacji jest wykorzystanie jako dodatków do betonów osłonowych w celu zwiększenia ich właściwości wytrzymałościowych i absorpcyjnych. Omawiane odpady ze względu na dużą gęstość nasypową są zaliczono do tzw. kruszyw ciężkich, które mogą być zamiennikami piasku naturalnego. Mieszanki betonowe kształtowane na bazie tych odpadów charakteryzują się dużą wytrzymałością na ściskanie oraz podwyższoną gęstości objętościową, co powoduje wzrost liniowego współczynnika osłabienia. Odpady hutnicze zastosowane jako dodatki do betonu w sposób istotny zwiększają absorpcję betonu dla promieniowania gamma, nie pogarszając zbytnio innych cech technicznych przedmiotowych betonów. Wszystkie próbki betonowe przetrzymywane przez 28 dni w środowisku wodnym nie wykazały nawet śladów uszkodzeń. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że spośród wykonanych mieszanek betonowych najlepsze właściwości wytrzymałościowe wykazują mieszanki zawierające opiłki stalowe, natomiast mieszanki zawierające zgorzelinę oraz opiłki stalowe posiadają najlepsze właściwości absorpcyjne. Literatura [1] Gulińska T., Baic I., Grabowski J.: Ocena oddziaływania na środowisko Huty Częstochowa w zakresie metod usuwania i unieszkodliwiania odpadów oraz ich wpływ na środowisko. IGO, Katowice, 1995r. [2] A Ph. Jurgen and R. Endell: How German steel industry is managing waste disposal [3] J. Kobyliński: Wióry metalowe: transport, magazynowanie i przerób. WNT, 1976r. [4] J. Marcinek: Gospodarka odpadami przemysłowymi w Hucie imienia Tadeusza Sendzimira S.A Odpady przemysłowe i komunalne. Powstawanie oraz możliwości ich wykorzystywania. Kraków 1999r. [5] M. Alwaeli, J. Nadziakiewicz,: Odpady hutnicze jako domieszka do betonów osłonowych przed promieniowaniem gamma. IV Międzynarodowe Forum Gospodarki odpadami Systemy Gospodarki Odpadami, Poznań. 2001r. [6] M. Alwaeli, J. Rubin: Kształtowania betonów na bazie kruszyw ciężkich. XVI Konferencja Naukowo-Techniczna. Jadwisiń. 1998r. [7] M. Niesler: Możliwość zastosowania w procesie wielkopiecowym brykietów z odpadów hutniczych wykonanych w brykieciarkach stemplowych, Hutnik, nr 1, 2001r. [8] Góksel, J. Wróbel, J. Kohut: Recycling waste oxide from iron steel plants using the PTC process ironmaking Conference Proceeding.1991r.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) 9 [9] Marcinek J.: Gospodarka odpadami przemysłowymi w Hucie imienia Tadeusza Sendzimira S.A Odpady przemysłowe i komunalne. Powstawanie oraz możliwości ich wykorzystywania. Kraków 1999r. [10] Kobyliński J.: Wióry metalowe: transport, magazynowanie i przerób. WNT, 1976r. [11] Jurgen A Philipp and Ralf Endell: How German steel industry is managing waste disposal [12] Niesler M.: Możliwość zastosowania w procesie wielkopiecowym brykietów z odpadów hutniczych wykonanych w brykieciarkach stemplowych, Hutnik, nr 1, 2001r. [13] Alwaeli M., Nadziakiewicz, J.: Odpady hutnicze jako domieszka do betonów osłonowych przed promieniowaniem gamma. IV Międzynarodowe Forum Gospodarki odpadami Systemy Gospodarki Odpadami, Poznań. 2001r. [14] Alwaeli M., Rubin J.: Kształtowania betonów na bazie kruszyw ciężkich. XVI Konferencja Naukowo-Techniczna. Jadwisiń. 1998r. [15] PN-88-B-06250: Beton zwykły [16] PN-86-80001: Materiały i sprzęt ochronny przed promieniowaniem X i gamma, Obliczenia osłon stałych.
10 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)