Projekty a granty

Možnosti využití křemičitých popílků po denitrifikaci metodou SNCR v alkalicky aktivovaných materiálech

SP2020/140

Rozbor problematiky: Tento projekt se zabývá možnostmi využití druhotných surovin s latentními nebo pucolánovými vlastnostmi pro přípravu alkalicky aktivovaných hmot. V rámci experimentu budou použity především tyto suroviny: vysokopecní jemně mletá granulovaná struska a dále křemičité popílky z elektrárny Ostrava – Třebovice a to před a po denitrifikaci metodou SNCR. Při spalování uhlí dochází k emisím oxidů dusíku do ovzduší. Požadavky na snížení obsahu dusíku vedou k zavádění metod denitrifikace. Využívají se dvě metody a to selektivní katalytická redukce a selektivní nekatalytická redukce. Po denitrifikaci metodou SNCR se dusíkaté sloučeniny koncentrují v produktech spalování ‚(popílcích). Takto ošetřené popílky mohou v sobě obsahovat určité množství amonných solí, ze kterých se při využívání ve stavebnictví může uvolňovat čpavek a tím zhoršit hygienu pracovního prostředí. Sekundární opatření na snížení obsahu dusíku Sekundární opatření na snížení obsahu dusíku tvoří soustava chemických procesů, kdy dochází k reakcím ve spalinách a navázání oxidu dusíku do nově vzniklých chemických sloučenin. Nejrozšířenější procesy denitrifikace jsou selektivní redukce. Tato metoda je rozložena do dvou typů, selektivní katalytická redukce (SCR), která probíhá při nižších teplotách (80-500 °C) s katalyzátory a selektivní nekatalytická redukce (SNCR), která probíhá při vysokých teplotách (800-900 °C) bez katalyzátoru. [1,2] Tyto metody jsou zatíženy nedokonalou přeměnou amoniaku, která vede k emisím amoniaku a krystalizaci amonných solí na povrch popílků. U metody SCR se nejčastěji vyskytuje NH4HSO4 a u metody SNCR jde o (NH4)2SO4. [1,2] Selektivní nekatalytická redukce Jedná se o opatření na snížení obsahu dusíku ve spalinách. U této metody není použit katalyzátor a reakce probíhají v rozmezí teplot 850-1100 °C. Teplotní interval je závislý na použitém reakčním činidle (čpavek, močovina, hydroxid amonný). Aby docházelo k reakcím oxidu dusíku s činidlem za vzniku vody a dusíku, závisí především na teplotě a době prodlevy v teplotním rozmezí. Důležité je rovněž zvolit správný poměr mezi reakčním činidlem a oxidy dusíku. Optimálním teplotním rozmezím pro čpavek a hydroxid amonný je 850-1000 °C a optimální teplota je 870 °C. U močoviny se teplotní rozhraní pohybuje v rozmezí 800-1100 °C s optimální teplotou 1000 °C. [2] Alkalicky aktivované systémy V současné době se ve výzkumné sféře začíná prosazovat využívání alternativních pojiv a kompozitních materiálů různého složení, především pak bez obsahu portlandského cementu. Tyto materiály rozšiřují nabídku maltovin a betonů, a díky tomu vedou k šetření přírodních zdrojů a k využívání sekundárních surovin z metalurgického a energetického průmyslu. Zároveň se vyznačují kvalitními užitnými vlastnostmi. [3,4]. Efektivnímu využití těchto alternativních pojivových systémů na bázi sekundárních materiálů brání především nedostatečná informovanost odborné veřejnosti, nedůvěra z důvodu minimálního množství praktických aplikací ve stavebnictví a rovněž vysoká variabilita vlastností konečných produktů v závislosti na vlastnostech vstupních materiálů, podmínkách prostředí vzniku a podmínkách uložení těles. [3,4] Chemická podstata alkalické aktivace Výsledné produkty alkalické aktivace materiálů s vysokým obsahem CaO (typicky vysokopecní granulované strusky), jsou produkty hydratace podobné produktům hydratace portlandského cementu, vznikají tedy CSH gely. [6,7] Struktura a složení produktu typu C-A-S-H, které vzniká při aktivaci vysokopecní strusky, je silně závislé na povaze použitého aktivátoru. Produkt C-A-S-H, vytvářený v NaOH aktivované strusky, vykazuje vyšší poměr Ca/Si a uspořádanou strukturu, než gel C-A-S-H, jenž se formuje v pojivech křemičitanem aktivovaných strusek, v důsledku zvýšené dostupnosti silikátových sloučenin v roztoku systému aktivovaném křemičitanem. [5] [1] Haniskova, D. Možnosti využívání klasických popílků po zavedení SNCR, Brno 2015 [2] Integrovaná prevence a omezování znečištění, Referenční dokument o nejlepších dostupných technikách pro velká spalovací zařízení, Dostupné: www.mpo.cz [3] Brandštetr, J. Alkalické cementy a betony. SILIKA 2000 [4] Brandštetr, J., Koloušek, D., Vorel, J., Opravil, T., Bayer, P.: Geopolymery, geopolymerní cementy a betony. SILIKA, č. 7 - 8, s. 208-2011, (2005) [5] Provis, John L, van Deventer Jannie S. J. Alkali Activated Materials, vyd. RILEM 2014, ISBN 978-94-007-7671-5 [6] Boháčová, J. Studium vlivu různých typů plniv na vlastnosti geopolymerních systémů na bázi alkalicky aktivovaných strusek, VŠB – TUO, 2008 [7] Škvára, F. Alkalicky aktivované materiály - geopolymery. Praha, 2007. ISBN 978-80-7080-004-1. Ústav skla a keramiky Přehled použitých metod: V rámci experimentu bude probíhat příprava především těles dle cementářských norem o rozměrech 40x40x160 mm pro ověření základních fyzikálně mechanických vlastností a ověření chování připravených alkalicky aktivovaných hmot v menším měřítku, než proběhne příprava vzorku dle betonářských norem (100x100x400 mm, 150x300 mm ). Na tělesech o rozměrech 40x40x160 mm budou provedeny zkoušky pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku. Rovněž na těchto tělesech bude stanovena mrazuvzdornost s vyhodnoceným koeficientem mrazuvzdornosti. Při přípravě betonových těles budou provedeny zkoušky čerstvých směsí ( zkoušky: sednutí kužele a rozlití ). Na připravených tělesech o rozměrech (100x100x400 mm ) bude stanovena pevnost v tahu za ohybu a pevnost v tlaku a na tělesech ( 150x300 mm ) bude stanovena válcová pevnost v tlaku a statický a dynamický modul pružnosti. Zdůvodnění finančních prostředků: Stipendium - Ing. Lukáš Procházka, hlavní řešitel, návrh složení receptur a příprava vzorků, technická příprava experimentů v laboratoři a jejich provedení, vyhodnocení dat, psaní publikačních výstupů (17 000 Kč). Bc. Miroslav Vašina, student, v rámci BP příprava cementových trámečků s využitím popílků po denitrifikaci metodou SNCR pro využití v ternárních pojivech (3000 Kč). Materiálové náklady - Náklady pro výrobu zkušebních vzorků (vysokopecní granulovaná struska, popílek, alkalické aktivátory, stavební chemie, normalizovaný křemenný písek) 2500 Kč -Drobné spotřební nářadí (špachtle, stěrky, štětce) 500 Kč - Měřící technika (posuvná měřidla, váha) 930 Kč - Spotřební laboratorní materiál (misky, laboratorní sklo) 1000 Kč Služby - 1000 kč pro kalibraci zařízení v laboratoři FAST Cestovní náhrady - Časopis Waste forum – Scopus indexováno od roku 2017 ( vložné + korektury ) 8000 Kč Harmonogram prací: leden – březen: přípravné práce, návrh jednotlivých receptur výroba zkušebních vzorků (trámečky 40x40x160 mm 126 ks. ), stanovení pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku březen – duben: vyhodnocení výsledků (trámečky 40x40x160 mm) duben – září: sledování trvanlivostních vlastností (mrazuvzdornost a odolnost proti hladovým vodám 40x40x160 mm 42 ks. ) a příprava těles o rozměrech 100x100x400 mm (30 ks.) a 150x300mm (24 ks.) stanovení pevnosti v tahu za ohybu, krychelné a válcová pevnosti v tlaku a statický a dynamický modul pružnosti. říjen – prosinec: vyhodnocení výsledků doplňkové zkoušky Zdůvodnění zapojení do projektu Ing. Procházka, hlavní řešitel (v rámci bakalářské i magisterské práce řešení alkalicky aktivovaných hmot na bázi vysokopecní granulované strusky, v rámci projektu TAČR ZETA řešení využívání popílků po denitrifikaci v alkalicky aktivovaných materiálech. Disertační práce je zaměřena na využití popílku po denitrifikaci metodou SNCR v alkalicky aktivovaných materiálech) Bc. Miroslav Vašina, student, v rámci BP příprava cementových trámečků s využitím popílků po denitrifikaci metodou SNCR pro využití v ternárních pojivech. Pomoc pří přípravě zkušebních vzorků a následného testování. Předchozí dosažené výsledky L. Procházka, J. Boháčová, "The Role of Alkalis in Hydraulic Mixtures", Materials Science Forum, Vol. 955, pp. 62-67, 2019 L. Procházka, M. Pešata, J. Boháčová, Verification of the Use of Slag Aggregate of the Heap Koněv into Concrete, Solid State Phenomena, Vol. 296, pp. 47-56, 2019 L. Procházka, J. Boháčová, "The Effect of Fibers on the Basic Physical-Mechanical Properties of the Alkali-Activated Systems", Solid State Phenomena, Vol. 296, pp. 118-124, 2019 L. Procházka, J. Boháčová, "Possibilities of Processing of Slag Aggregate from Heap Koněv", Solid State Phenomena, Vol. 292, pp. 79-84, 2019 M. Pešata, L. Procházka, J. Boháčová, J. Daňková. Damage of Industrial Reinforced Concrete Chimneys Caused by High Temperatures, Key Engineering Materials, Vol. 808, pp. 153-158, 2019 M. Pešata, L. Procházka, J. Boháčová, J. Daňková. Preliminary Construction-Technical Survey of the Underpass at Hlučínská Street in Ostrava - Přívoz, Key Engineering Materials, Vol. 808, pp. 33-38, 2019 Z. Marcalíková, L. Procházka, M. Pešata, V. Bílek, R. Čajka. Mechanical properties of concrete with small fibre for numerical modelling. Bristol: IOP Publishing, 2019 Z. Marcalíkoková, L. Procházka, M. Pešata, J. Boháčová, R. Čajka. Comparison of material properties of steel fiber reinforced concrete with two types of steel fiber. Materials Science and Engineering, Vol. 549 012039, 2019 L. Procházka, B. Vojvodíková, " Evaluation of some Specific Effects of Pavement Curbs Containing Cement Kiln Dust on Soil and Lawns", AEE 2019 ( in press)

2020

2020

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Procházka Lukáš Ing., Ph.D.

Možnosti využití křemičitých popílků po denitrifikaci metodou SNCR v alkalicky aktivovaných materiálech

SP2020/140

Rozbor problematiky: Tento projekt se zabývá možnostmi využití druhotných surovin s latentními nebo pucolánovými vlastnostmi pro přípravu alkalicky aktivovaných hmot. V rámci experimentu budou použity především tyto suroviny: vysokopecní jemně mletá granulovaná struska a dále křemičité popílky z elektrárny Ostrava – Třebovice a to před a po denitrifikaci metodou SNCR. Při spalování uhlí dochází k emisím oxidů dusíku do ovzduší. Požadavky na snížení obsahu dusíku vedou k zavádění metod denitrifikace. Využívají se dvě metody a to selektivní katalytická redukce a selektivní nekatalytická redukce. Po denitrifikaci metodou SNCR se dusíkaté sloučeniny koncentrují v produktech spalování ‚(popílcích). Takto ošetřené popílky mohou v sobě obsahovat určité množství amonných solí, ze kterých se při využívání ve stavebnictví může uvolňovat čpavek a tím zhoršit hygienu pracovního prostředí. Sekundární opatření na snížení obsahu dusíku Sekundární opatření na snížení obsahu dusíku tvoří soustava chemických procesů, kdy dochází k reakcím ve spalinách a navázání oxidu dusíku do nově vzniklých chemických sloučenin. Nejrozšířenější procesy denitrifikace jsou selektivní redukce. Tato metoda je rozložena do dvou typů, selektivní katalytická redukce (SCR), která probíhá při nižších teplotách (80-500 °C) s katalyzátory a selektivní nekatalytická redukce (SNCR), která probíhá při vysokých teplotách (800-900 °C) bez katalyzátoru. [1,2] Tyto metody jsou zatíženy nedokonalou přeměnou amoniaku, která vede k emisím amoniaku a krystalizaci amonných solí na povrch popílků. U metody SCR se nejčastěji vyskytuje NH4HSO4 a u metody SNCR jde o (NH4)2SO4. [1,2] Selektivní nekatalytická redukce Jedná se o opatření na snížení obsahu dusíku ve spalinách. U této metody není použit katalyzátor a reakce probíhají v rozmezí teplot 850-1100 °C. Teplotní interval je závislý na použitém reakčním činidle (čpavek, močovina, hydroxid amonný). Aby docházelo k reakcím oxidu dusíku s činidlem za vzniku vody a dusíku, závisí především na teplotě a době prodlevy v teplotním rozmezí. Důležité je rovněž zvolit správný poměr mezi reakčním činidlem a oxidy dusíku. Optimálním teplotním rozmezím pro čpavek a hydroxid amonný je 850-1000 °C a optimální teplota je 870 °C. U močoviny se teplotní rozhraní pohybuje v rozmezí 800-1100 °C s optimální teplotou 1000 °C. [2] Alkalicky aktivované systémy V současné době se ve výzkumné sféře začíná prosazovat využívání alternativních pojiv a kompozitních materiálů různého složení, především pak bez obsahu portlandského cementu. Tyto materiály rozšiřují nabídku maltovin a betonů, a díky tomu vedou k šetření přírodních zdrojů a k využívání sekundárních surovin z metalurgického a energetického průmyslu. Zároveň se vyznačují kvalitními užitnými vlastnostmi. [3,4]. Efektivnímu využití těchto alternativních pojivových systémů na bázi sekundárních materiálů brání především nedostatečná informovanost odborné veřejnosti, nedůvěra z důvodu minimálního množství praktických aplikací ve stavebnictví a rovněž vysoká variabilita vlastností konečných produktů v závislosti na vlastnostech vstupních materiálů, podmínkách prostředí vzniku a podmínkách uložení těles. [3,4] Chemická podstata alkalické aktivace Výsledné produkty alkalické aktivace materiálů s vysokým obsahem CaO (typicky vysokopecní granulované strusky), jsou produkty hydratace podobné produktům hydratace portlandského cementu, vznikají tedy CSH gely. [6,7] Struktura a složení produktu typu C-A-S-H, které vzniká při aktivaci vysokopecní strusky, je silně závislé na povaze použitého aktivátoru. Produkt C-A-S-H, vytvářený v NaOH aktivované strusky, vykazuje vyšší poměr Ca/Si a uspořádanou strukturu, než gel C-A-S-H, jenž se formuje v pojivech křemičitanem aktivovaných strusek, v důsledku zvýšené dostupnosti silikátových sloučenin v roztoku systému aktivovaném křemičitanem. [5] [1] Haniskova, D. Možnosti využívání klasických popílků po zavedení SNCR, Brno 2015 [2] Integrovaná prevence a omezování znečištění, Referenční dokument o nejlepších dostupných technikách pro velká spalovací zařízení, Dostupné: www.mpo.cz [3] Brandštetr, J. Alkalické cementy a betony. SILIKA 2000 [4] Brandštetr, J., Koloušek, D., Vorel, J., Opravil, T., Bayer, P.: Geopolymery, geopolymerní cementy a betony. SILIKA, č. 7 - 8, s. 208-2011, (2005) [5] Provis, John L, van Deventer Jannie S. J. Alkali Activated Materials, vyd. RILEM 2014, ISBN 978-94-007-7671-5 [6] Boháčová, J. Studium vlivu různých typů plniv na vlastnosti geopolymerních systémů na bázi alkalicky aktivovaných strusek, VŠB – TUO, 2008 [7] Škvára, F. Alkalicky aktivované materiály - geopolymery. Praha, 2007. ISBN 978-80-7080-004-1. Ústav skla a keramiky Přehled použitých metod: V rámci experimentu bude probíhat příprava především těles dle cementářských norem o rozměrech 40x40x160 mm pro ověření základních fyzikálně mechanických vlastností a ověření chování připravených alkalicky aktivovaných hmot v menším měřítku, než proběhne příprava vzorku dle betonářských norem (100x100x400 mm, 150x300 mm ). Na tělesech o rozměrech 40x40x160 mm budou provedeny zkoušky pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku. Rovněž na těchto tělesech bude stanovena mrazuvzdornost s vyhodnoceným koeficientem mrazuvzdornosti. Při přípravě betonových těles budou provedeny zkoušky čerstvých směsí ( zkoušky: sednutí kužele a rozlití ). Na připravených tělesech o rozměrech (100x100x400 mm ) bude stanovena pevnost v tahu za ohybu a pevnost v tlaku a na tělesech ( 150x300 mm ) bude stanovena válcová pevnost v tlaku a statický a dynamický modul pružnosti. Zdůvodnění finančních prostředků: Stipendium - Ing. Lukáš Procházka, hlavní řešitel, návrh složení receptur a příprava vzorků, technická příprava experimentů v laboratoři a jejich provedení, vyhodnocení dat, psaní publikačních výstupů (17 000 Kč). Bc. Miroslav Vašina, student, v rámci BP příprava cementových trámečků s využitím popílků po denitrifikaci metodou SNCR pro využití v ternárních pojivech (3000 Kč). Materiálové náklady - Náklady pro výrobu zkušebních vzorků (vysokopecní granulovaná struska, popílek, alkalické aktivátory, stavební chemie, normalizovaný křemenný písek) 2500 Kč -Drobné spotřební nářadí (špachtle, stěrky, štětce) 500 Kč - Měřící technika (posuvná měřidla, váha) 930 Kč - Spotřební laboratorní materiál (misky, laboratorní sklo) 1000 Kč Služby - 1000 kč pro kalibraci zařízení v laboratoři FAST Cestovní náhrady - Časopis Waste forum – Scopus indexováno od roku 2017 ( vložné + korektury ) 8000 Kč Harmonogram prací: leden – březen: přípravné práce, návrh jednotlivých receptur výroba zkušebních vzorků (trámečky 40x40x160 mm 126 ks. ), stanovení pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku březen – duben: vyhodnocení výsledků (trámečky 40x40x160 mm) duben – září: sledování trvanlivostních vlastností (mrazuvzdornost a odolnost proti hladovým vodám 40x40x160 mm 42 ks. ) a příprava těles o rozměrech 100x100x400 mm (30 ks.) a 150x300mm (24 ks.) stanovení pevnosti v tahu za ohybu, krychelné a válcová pevnosti v tlaku a statický a dynamický modul pružnosti. říjen – prosinec: vyhodnocení výsledků doplňkové zkoušky Zdůvodnění zapojení do projektu Ing. Procházka, hlavní řešitel (v rámci bakalářské i magisterské práce řešení alkalicky aktivovaných hmot na bázi vysokopecní granulované strusky, v rámci projektu TAČR ZETA řešení využívání popílků po denitrifikaci v alkalicky aktivovaných materiálech. Disertační práce je zaměřena na využití popílku po denitrifikaci metodou SNCR v alkalicky aktivovaných materiálech) Bc. Miroslav Vašina, student, v rámci BP příprava cementových trámečků s využitím popílků po denitrifikaci metodou SNCR pro využití v ternárních pojivech. Pomoc pří přípravě zkušebních vzorků a následného testování. Předchozí dosažené výsledky L. Procházka, J. Boháčová, "The Role of Alkalis in Hydraulic Mixtures", Materials Science Forum, Vol. 955, pp. 62-67, 2019 L. Procházka, M. Pešata, J. Boháčová, Verification of the Use of Slag Aggregate of the Heap Koněv into Concrete, Solid State Phenomena, Vol. 296, pp. 47-56, 2019 L. Procházka, J. Boháčová, "The Effect of Fibers on the Basic Physical-Mechanical Properties of the Alkali-Activated Systems", Solid State Phenomena, Vol. 296, pp. 118-124, 2019 L. Procházka, J. Boháčová, "Possibilities of Processing of Slag Aggregate from Heap Koněv", Solid State Phenomena, Vol. 292, pp. 79-84, 2019 M. Pešata, L. Procházka, J. Boháčová, J. Daňková. Damage of Industrial Reinforced Concrete Chimneys Caused by High Temperatures, Key Engineering Materials, Vol. 808, pp. 153-158, 2019 M. Pešata, L. Procházka, J. Boháčová, J. Daňková. Preliminary Construction-Technical Survey of the Underpass at Hlučínská Street in Ostrava - Přívoz, Key Engineering Materials, Vol. 808, pp. 33-38, 2019 Z. Marcalíková, L. Procházka, M. Pešata, V. Bílek, R. Čajka. Mechanical properties of concrete with small fibre for numerical modelling. Bristol: IOP Publishing, 2019 Z. Marcalíkoková, L. Procházka, M. Pešata, J. Boháčová, R. Čajka. Comparison of material properties of steel fiber reinforced concrete with two types of steel fiber. Materials Science and Engineering, Vol. 549 012039, 2019 L. Procházka, B. Vojvodíková, " Evaluation of some Specific Effects of Pavement Curbs Containing Cement Kiln Dust on Soil and Lawns", AEE 2019 ( in press)

2020

2020

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Procházka Lukáš Ing., Ph.D.