Ορυκτολογική και γεωχημική μελέτη τέφρας από τον ΑΗΣ Μελίτης, για χρήση ως πρώτη ύλη στην παραγωγή τσιμέντου, με στόχο τη μείωση των εκπομπών CO2 = Mineralogical and geochemical study of fly ash from Meliti power plant, for its use as raw material in cement production, with the aim to reduce CO2 emissions.

Περίληψη

Στην παρούσα εργασία εξετάστηκε η ιπτάμενη τέφρα του ατμοηλεκτρικού σταθμού της ΔΕΗ στη
Μελίτη Φλώρινας, και συγκεκριμένα πως αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη στην παραγωγή τσιμέντου, με στόχο τη μείωση εκπομπών CO 2. Η μελέτη έγινε με την αρωγή της Ανώνυμης Εταιρείας Τσιμέντων ΤΙΤΑΝ, στο εργοστάσιο Θεσσαλονίκης. Το παγκόσμιο φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής έχει επηρεάσει και τον κλάδο της βιομηχανίας, θέτοντας την ουδετερότητα άνθρακα ως κύριο στόχο κάθε επιχείρησης. Έτσι, οι βιομηχανίες τσιμέντου προσπαθούν να μειώσουν στο ελάχιστο δυνατό τις εκπομπές CO 2 που εκλύονται κατά την παραγωγική διαδικασία, με διάφορες τεχνικές. Η ενσωμάτωση εναλλακτικών υλικών στο μείγμα πρώτων υλών, όπως η ιπτάμενη τέφρα, είναι μια από αυτές. Για την καλύτερη κατανόηση του αντικειμένου της μελέτης, περιγράφεται η διαδικασία παραγωγής της ιπτάμενης τέφρας από την καύση του λιγνίτη και οι φυσικοχημικές ιδιότητές της. Έπειτα, αναλύεται η γραμμή παραγωγής του τσιμέντου, από την απόληψη των πρώτων υλών έως και το στάδιο δημιουργίας κλίνκερ. Επεξηγούνται οι διεργασίες που παρεμβάλλονται καθώς και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά που θα πρέπει να έχει μια φαρίνα (μείγμα πρώτων υλών) και ένα κλίνκερ τσιμέντου. Για το πειραματικό μέρος της εργασίας, συλλέχθηκαν συνολικά 88 δείγματα τέφρας από το σωρό απόθεσης που βρίσκεται δίπλα στον ΑΗΣ Μελίτης. Προσδιορίστηκε η χημική σύσταση τους με μέθοδο XRF και 14 από αυτά επιλέχθηκαν για ανάλυση XRD, προκειμένου να προσδιοριστεί η ορυκτολογική τους σύσταση. Η τέφρα από τον ΑΗΣ Μελίτης παρομοιάζει τις τέφρες των υπόλοιπων ΑΗΣ δυτικής Μακεδονίας (περισσότερο των ΑΗΣ Καρδιάς και Αγίου Δημητρίου) καθώς είναι θειο-ασβεστιτική. Τα δείγματα παρουσιάζουν υψηλά ποσοστά CaO και SO 3 και κυρίαρχες ορυκτολογικές φάσεις είναι η γύψος και ο χαλαζίας. Σε επόμενο στάδιο, τα δείγματα τέφρας χωρίστηκαν σε τέσσερις ομάδες σύμφωνα με την περιεκτικότητά τους σε CaO και επιλέχθηκε ένα δείγμα από κάθε ομάδα. Τα 4 δείγματα χρησιμοποιήθηκαν σε τέσσερα διαφορετικά ποσοστά (2, 3, 4, και 5%) για την κατασκευή 16 δειγμάτων φαρίνας (με τις υπόλοιπες πρώτες ύλες να είναι ασβεστόλιθος, φλύσχης και οξείδια του σιδήρου). Βρέθηκε η χημική σύσταση των φαρινών σε κύρια στοιχεία καθώς και η ορυκτολογική τους σύσταση. Τόσο ο χημικός χαρακτήρας των φαρινών όσο και οι ιδιότητές τους (λεπτότητα, δείκτες κα.) είναι όμοιες με την εργοστασιακή φαρίνα του ΤΙΤΑΝ Θεσσαλονίκης. Έπειτα, οι 16 φαρίνες οδηγήθηκαν σε έψηση για την κατασκευή 16 δοκιμίων κλίνκερ. Εξετάστηκε η ορυκτολογική τους σύσταση και επιλέχθηκαν 5 δοκίμια που πληρούν καλύτερα τις προϋποθέσεις και τα εργοστασιακά πρότυπα του κλίνκερ, και προτείνονται για βιομηχανική δοκιμή. Τέλος, έγιναν οι θεωρητικοί υπολογισμοί άμεσων εκπομπών CO 2 για την ετήσια παραγωγή κλίνκερ χωρίς ιπτάμενη τέφρα και για την παραγωγή κλίνκερ με τέφρα καθενός από τα πέντε δείγματα που επιλέχθηκαν. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως το εργοστάσιο ΤΙΤΑΝ Θεσσαλονίκης μπορεί να έχει κέρδος από την εξοικονόμηση άμεσων εκπομπών CO 2, από 270 έως 400 χιλιάδες ευρώ, ανά 100.000 τόνους παραγόμενου κλίνκερ.

This study examines fly ash from Meliti’s power plant (Florina) and if it can be used as a raw material in cement production, in order to reduce CO 2 emissions. The study was completed with the help of Titan Cement Company SA, at the Thessaloniki factory. Climate change is a global phenomenon that has also affected the construction sector, setting carbon neutrality as the main goal of every industry. Thus, cement industries try to reduce to the minimum possible the CO2 emissions released during the production process, using various techniques. Incorporating alternative materials into the raw mix, such as fly ash, is one of them. For a better understanding of the subject of this study, the production process of fly ash from the combustion of lignite and its physicochemical properties are described. Then, the cement production line is analyzed, from the extraction of raw materials to the clinker formation stage. The processes involved are explained, as well as the quality characteristics that the raw mixture and the cement clinker should have. For the experimental part of the work, a total of 88 ash samples were collected from the disposal pile located next to Meliti’s power plant. Their chemical composition was determined by XRF method and 14 of them were selected for XRD analysis, in order to determine their mineralogical composition. The ash from the Meliti’s power plant resembles the ashes of the rest power plants in western Macedonia (mostly the Kardia and Agios Dimitrios power plants) as it is sulfur-calcareous. The samples show high percentages of CaO and SO 3 and the main mineralogical phases are gypsum and quartz. In a next step, the ash samples were divided into four groups according to their CaO content, and a sample from each group was prepared. The 4 samples were used in four different percentages (2, 3, 4, and 5%) to prepare 16 farinas (raw mixes) samples, with the remaining raw materials being limestone, fly ash, and iron oxides. The chemical composition of the farinas in main elements as well as their mineralogical composition was found. Both the chemical nature of the farinas and their properties (fineness, indicators, etc.) are similar to the factory farina of Titan Thessaloniki. The 16 farinas were then put into an incinerator to produce 16 clinker samples. Their mineralogical composition was examined and 5 samples that best meet the conditions and factory standards of clinker were selected. Those samples are suggested for industrial testing. Finally, the theoretical calculations of direct CO 2 emissions were made, for the annual clinker production without fly ash and for the clinker production with ash of each of the five selected samples. The results showed that the factory of Titan in Thessaloniki can save from 270 to 400 thousand euros per 100.000 tn clinker, from the reduction of direct CO2 emissions.