Etelä-Savon ELY-keskuksen EAKR-rahoituksella toteutetussa Kovettuvat kaivostäytöt (KOVE-PRO) -hankkeessa pureuduttiin kovettuvien kaivostäyttöjen valmistukseen pilot-kokoluokassa ja niiden testaamiseen pumpattavuuden, liukenemiseen liittyvien haasteiden, lujuuksien selvityksen ja röntgentomografiantutkimusten näkökulmasta. Koska koimme, että KOVE-PRO-hanke oli tuonut paljon lisätietoa erilaisten sekundääristen materiaalien käyttäytymisestä kaivostäyttöympäristössä, haettiin yhdessä (Geologian tutkimuskeskus GTK ja Savonia-ammattikorkeakoulu) jatkoa aiemmalle hankkeelle.

Pohjois-Savon liiton EAKR-osarahoitetun Sekundääristen teollisuusvirtojen arvonlisäys ja tuotteistus (SETELIT)- hankkeen tutkimukset lähestyvät aihetta käytettävyyden näkökulmasta, koska uusien materiaalien testaamisen yhtenä vaikuttavana tekijänä on pumpattavuuden vaikutus esimerkiksi betonin lujuuteen. Liian suurella vesimäärällä ei synny riittävän lujaa tuotetta. Kaivoksilla tarvittavalta täytebetonilta ei toki vaadita rakennuspuolen tasoista lujuutta, mutta mahdolliset liukenevat haitalliset aineet tulee ottaa huomioon pitkäkestoisen käytön vuoksi. Erilaisten voimalaitoslentotuhkien hyödyntäminen on erittäin haasteellista, ja niiden reaktiivisuus sekä käyttömahdollisuudet betonin valmistuksessa kiinnostaa useita toimijoita. Tuhkaa syntyy poltossa, ja tuhkan ominaisuuksiin vaikuttavat käytetyt polttoaineet, polttolämpötila, ilmojenvaiheistus sekä mahdollisesti polttoon syötettävät kemikaalit. SETELIT-hanke poikkeaa useista muista tutkimuksista edellä mainitun pumpattavuuden sekä kaivoksien rikastushiekan hyödynnettävyyden näkemyksessä.

Leijupeti- ja kiertopetikattilat

Lämpövoimaloilla syntyy jätteenä myös erilaisia pohjatuhkaa ja kuonaa, joiden määrä ja laatu vaihtelevat käytettävän polttoprosessin petimateriaalin ja polttoaineen mukaan. Petimateriaalina Suomessa yleisimmin käytetään luonnonhiekkaa, jonka ominaisuudet vaihtelevat soranottopaikan mukaan. Tyypillisesti maasälvän ja kvartsin osuudet luonnonhiekassa vaihtelevat, jolloin niiden kyky sietää erilaisia polttoaineista ja prosessista johtuvia agglomeraatioita, kuten kloridien liimaantumisia petimateriaalin pintaan, vaihtelee. Merkittävänä syynä agglomeraatiolle pidetään pedin korkeaa lämpötilaa sekä polttoaineen mukana tulleita haitallisia kemikaaleja sekä maa-aineksia.

Toisena petimateriaalina käytetään terästeollisuuden sivuvirtana saatavaa masuunikuonaa. Masuunikuona murskataan ja seulotaan sopivaan olomuotoon petimateriaaliksi riippuen siitä, onko voimalaitoksen toimintaperiaate kiertopetikattila vai kuplapetikattila. Masuunikuonalla tiedetään olevan kyky sietää korkeita polttolämpötiloja.

Lentotuhkaa ja syklonituhkaa kerätään polton virtauksien mukana poistuvasta virrasta erilaisilla suodatusmenetelmillä, joita ovat syklonit, sähkösuodatin, pussisuodattimet. Lisäksi polttolaitoksilta tulee savukaasupesuprosessien jätettä, joka yleisesti on märkää ja johdetaan käsittelyn jälkeen viemäriin.

Arinapoltto

Arinapoltossa syntyneet tuhkat ovat edellisestä poiketen useasti märkää tuhkaa niiden kulkeutuessa sammutusaltaan kautta, Lisäksi tuhka on koostumukseltaan isompirakeista ja nämä tuhkat kelpaavat yleisesti maanparannukseen sellaisenaan. Lentotuhkat arinapoltossa kerätään myös syklonien, sähkösuodattimien, letkusuodattimien sekä pesurien tai näiden yhdistelmien avulla.

SETELIT-hankkeessa tulemme tekemään yhteistyötä myös Savonian ja Itä-Suomen yliopiston kehitys- ja investointihankkeen Voimalaitoskattilat osana kiertotalouden ja uusiutuvan energian ratkaisuja (VOKUS)-hankkeen kanssa, jossa tullaan kehittämään tuhkien käsittelyä sekä mahdollisten haitallisten yhdisteiden ja raskasmetallien poistamista tuhkista. Käsittelyt tehdään Savonian Varkauden yksikköön hankitulla rumpu-uunilla, missä pystytään luomaan pelkän ilman lisäksi erilaisia kaasufaaseja, kuten typpi ja vety, sekä näiden yhdistelmiä. Lämpötilaa ja viipymäaikaa pystytään myös säätämään. Tehdyissä testeissä keskityttiin sinkin poistoon hapettavissa sekä pelkistävissä olosuhteissa. Lämpötilat olivat sopivia myös muiden raskasmetallien poistoon. Tulokset ovat parasta aikaa arvioitavana. VOKUS-hankkeen toiminta on jaettu neljään työpakettiin, missä työpaketissa 1. tutkitaan kattilakorroosion, likaantumisen ja leijupedin agglomeroitumisen hallintaa. Työpaketti 2. keskittyy tuhkien käsittelyyn ja hyödyntämiseen. Työpaketti 3. kohdennetaan teollisten sivuvirtojen (rejektien) mahdollisiin vaikutuksiin esimerkiksi päästöjen hallinnassa. Työpaketissa 4. hankitaan tutkimusympäristöön erilaisia mittauslaitteita polton hallintaan ja syntyvien ongelmien toteamiseen.

Hankkeen suunnitellut toimenpiteet

SETELIT-hankkeessa edistetään kaivosten rikastushiekkojen ja muiden teollisuuden alojen sivuvirtojen vähähiilistä hyödyntämistä kaivosalueella ja kaivosalueen ulkopuolella. Tavoitteena on edistää vähähiilisesti kovetettuihin kaivostäyttöihin liittyviä tutkimuspalveluja ja laadukkaan tutkimuksen toteuttamiseen tarvittavaa infrastruktuuria. Hanke edistää myös betonin kaltaisen vähähiilisen kovetun rikastushiekkapohjaisen tuotteen kehittämistä ja luo ohjeistuksen rikastushiekan jätestatuksen kumoamiseksi ja tuotteistamiseksi. Hankkeen aikana on myös tavoitteena muodostaa reseptikirjasto ja -työkalu, johon kootaan dataa rikastushiekoista, tuhkista, geopolymeereistä sekä kuonista. Hankkeessa on useita tehtäväpaketteja, joissa muun muassa suoritetaan XRD- ja SEM- analyysejä lähtömateriaaleista ja kovetetuista koekappaleista faasikoostumuksen selvittämiseksi, sekä tutkitaan pumpattavuutta (Flow Loop), näytteiden kovuutta (puristuslujuus) ja huokoisuutta (röntgentomografia).

Aikaisemmassa KOVE-PRO-hankkeessa totesimme GTK:n ja Savonian olevan hyvät kumppanit tutkimuksien toteutuksessa. Savonian betonitekniikan, 3D-tulostuksen ja vesitekniikan osaaminen yhdistyy GTK:n asiantuntemukseen geokemiassa, mineralogiassa, röntgentomografiassa, geomateriaalien 3D-tulostuksessa ja kaivosteollisuuden ympäristövaikutusten hallinnassa.

Lisätietoa SETELIT-hankkeesta neea.heino@gtk.fi, petri.juntunen@savonia.fi ja tuhkiin liittyen janne.ylonen@savonia.fi

Lisätietoa VOKUS-hankkeesta Olli.sippula@uef.fi petteri.heino@savonia.fi

Kirjoittajat:

Janne Ylönen Savonia Ammattikorkeakoulu Tutkimusinsinööri

Neea Heino Geologian tutkimuskeskus Tutkija

Hanke:

Pohjois-Savon liiton EAKR-osarahoitetun Sekundääristen teollisuusvirtojen arvonlisäys ja tuotteistus (SETELIT)