Abstract

Biomass, such as wood, binds CO₂ as it grows, and is thus considered an environmentally friendly alternative fuel to replace coal. In Finland, biomass is typically co-combusted with peat, and also municipal waste is becoming more common as a fuel for power plants. Wood, peat and waste-based fuels are typically burned in fluidized bed combustion (FBC) boilers.

Ash is the inorganic, incombustible residue resulting from combustion. The annual production of biomass and peat ash in Finland is 600 000 tonnes, and this amount is likely to increase in the future, since the use of coal for energy production will be discontinued during the 2020s. Unfortunately, FBC ash is still largely unutilized at the moment and is mainly dumped in landfills.

The general aim of this thesis was to generate information which could potentially improve the utilization of FBC ash by alkali activation. The specific objective was to produce geopolymer aggregates by means of a simultaneous alkali activation-granulation process.

It was shown that geopolymer aggregates with physical properties comparable to commercial lightweight expanded clay aggregates (LECAs) can be produced from FBC fly ash containing heavy metals. Although the ashes were largely unreactive and no new crystalline phases were formed by alkali activation, a new amorphous phase was observed in the XRD patterns, possibly representing micron-sized calcium aluminate silicate hydrate-type gels.

The heavy metal immobilization efficiency of alkali activation varied with the type of fly ash. Good stabilization was generally obtained for cationic metals such as Ba, Pb and Zn, but in common with the results obtained with alkali activation of coal fly ash, anionic metals became leachable after alkali activation. The efficiency of immobilization depended on the physical and chemical properties of the fly ash and was not related to the total content of the element.

All the geopolymer aggregates met the criteria for a lightweight aggregate (LWA) as defined by EN standard 13055-1. Their strength depended on the reactivity and particle size distribution of the fly ash. Mortars and concretes prepared with such geopolymer aggregates had higher mechanical strength, higher dynamic modulus of elasticity and higher density than concrete produced with commercial LECA, while exhibiting similar rheology and workability.

Tiivistelmä

Biopolttoaineet, esimerkiksi puu, ovat ympäristöystävällinen vaihtoehto kivihiilelle, koska ne sitovat hiilidioksidia kasvaessaan. Suomessa biopolttoaineita poltetaan tyypillisesti turpeen kanssa, ja nykyään myös jätteen hyödyntäminen polttoaineena on yleistynyt. Puu, turve ja jätepolttoaineet poltetaan tyypillisesti leijupetipoltto-tekniikalla.

Tuhka on polton epäorgaaninen, palamaton jäännös. Puun ja turpeen tuhkaa tuotetaan Suomessa 600 000 tonnia vuodessa ja määrän odotetaan kasvavan, sillä kivihiilen poltto lopetetaan 2020-luvulla. Leijupetipolton tuhkaa ei tällä hetkellä juurikaan hyödynnetä ja tuhka päätyykin pääasiassa kaatopaikoille.

Tämän tutkielman päämääränä oli tuottaa tietoa, joka parantaisi leijupetipolton tuhkien hyödyntämistä alkali-aktivaatiolla. Erityisesti tavoitteena oli valmistaa geopolymeeriaggregaatteja yhtäaikaisella alkali-aktivaatiolla ja rakeistuksella.

Tutkielmassa osoitettiin, että raskasmetalleja sisältävistä tuhkista valmistettujen geopolymeeriaggregaattien fysikaaliset ominaisuudet ovat vertailukelpoiset kaupallisten kevytsora-aggregaattien (LECA) kanssa. Vaikka tuhkien reaktiivisuus oli matala, ja uusia kidefaaseja ei muodostunut alkaliaktivaatiolla, uusi amorfinen faasi havaittiin XRD-mittauksissa. Uusi amorfinen faasi oli mahdollisesti mikrometrikokoluokan kalsium-aluminaatti-silikaatti-hydraatti-tyyppinen rakenne.

Raskasmetallien stabiloinnin tehokkuus vaihteli tuhkien välillä. Kationiset metallit, kuten barium, lyijy ja sinkki, stabiloituivat pääasiassa hyvin, mutta anionisten metallin liukoisuus kasvoi alkali-aktivoinnin myötä. Stabiloinnin tehokkuus riippui tuhkien fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista, mutta raskasmetallin kokonaispitoisuudella ei ollu vaikutusta.

Kaikki geopolymeeriaggregaatit olivat kevytsora-aggregaatteja standardin EN 13055-1 mukaisesti. Aggregaattien lujuus riippui tuhkan reaktiivisuudesta ja partikkelikokojakaumasta. Geopolymeeriaggregaateilla valmistettujen laastien ja betonien mekaaninen lujuus, Youngin moduuli ja tiheys olivat korkeampia kuin kaupallisella kevytsora-aggregaateilla valmistetut, vaikka niiden reologia ja työstettävyys olivat samanlaisia.