ORIGINAL PAPER
Fly ash – a valuable material for the circular economy
 
More details
Hide details
1
Silesian University of Technology
CORRESPONDING AUTHOR
Ewa Strzałkowska   

Silesian University of Technology
Submission date: 2021-04-23
Final revision date: 2021-05-07
Acceptance date: 2021-05-24
Publication date: 2021-06-22
 
Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 2021;37(2):49–62
 
KEYWORDS
TOPICS
ABSTRACT
Generation of coal-based electricity is always associated with the origination of large amount of combustion waste. The presented article is a review concerning the possibilities of innovative directions of management for one of the by-products of coal combustion: fly ash. The storage of these waste products is associated with their negative impact on the environment. This is why research has been undertaken worldwide on the implementation of the concept of a circular economy. This article includes the examination of basic physical, chemical, and mineralogical properties of the most valuable components of fly ash (microspheres, magnetic fraction, and glass). It contains the examination of methods of separating these components and indicates the prospective directions of their use, e.g. as light fillers for polymers, sorbents, catalysts, composite materials, light ceramics, lightweight concretes, thermal insulation materials, biomaterials, raw material for the synthesis of zeolites or geopolymers. The paper also presents the components of fly ash, which can be treated as an alternative source of valuable elements, including critical elements. Moreover, it points to the necessity of capturing flammable substances from combustion by-products in order to obtain raw material characterised by a high degree of purity. It has been demonstrated that this way of ash management can lead to high recycling rates and bring valuable materials back to the economy. Such actions fit perfectly into global efforts for sustainable development and the circular economy.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Popiół lotny – cenny materiał dla gospodarki o obiegu zamkniętym
mikrosfery, frakcja magnetyczna, szkliwo, niespalony węgiel
Wytwarzanie energii elektrycznej opartej na węglu wiąże się zawsze z powstawaniem dużej ilości odpadów paleniskowych. Prezentowany artykuł ma charakter przeglądowy i dotyczy możliwości innowacyjnych kierunków zagospodarowania jednego z ubocznych produktów spalania węgla – popiołu lotnego. Składowanie tych odpadów wiąże się z ich negatywnym oddziaływaniem na środowisko, dlatego na całym świecie podjęto badania nad wdrażaniem koncepcji gospodarki obiegu zamkniętego. W artykule omówiono podstawowe, istotne dla oceny przemysłowej właściwości fizyczne, chemiczne i mineralogiczne najbardziej cennych składników popiołów lotnych (mikrosfer, frakcji magnetycznej i szkliwa). Omówiono sposoby wydzielenia tych składników oraz wskazano na perspektywiczne kierunki ich zastosowania np. jako lekkich wypełniaczy polimerów, sorbentów, katalizatorów, materiałów kompozytowych, lekkiej ceramiki, betonów lekkich, materiałów termoizolacyjnych, biomateriałów, surowca do syntezy zeolitów czy geopolimerów. Wskazano składniki popiołów lotnych, które mogą być traktowane jako alternatywne źródło cennych pierwiastków, w tym pierwiastków krytycznych. W celu uzyskania surowca o wysokim stopniu czystości zwrócono uwagę na konieczność wychwycenia substancji palnych z ubocznych produktów spalania. Wykazano, że taki sposób gospodarowania popiołami może prowadzić do wysokich wskaźników recyklingu i sprawić, że cenne materiały będą trafiały z powrotem do gospodarki. Takie działania doskonale wpisują się w globalne wysiłki na rzecz zrównoważonego rozwoju i gospodarki o obiegu zamkniętym.
 
REFERENCES (50)
1.
Adamczyk et al. 2005 – Adamczyk, Z., Białecka, B. and Halski, M. 2005. Hydrothermal synthesis of zeolites from furnace waste material of Łaziska Power Station (Hydrotermalna synteza zeolitów z odpadów paleniskowych Elektrowni Łaziska). Prace naukowe GIG Górnictwo i środowisko 1, pp. 49‒56 (in Polish).
 
2.
Adamczyk et al. 2020 – Adamczyk, Z., Komorek, J., Białecka, B., Nowak, J. and Klupa, A. 2020. Assessment of the potential of polish fly ashes as a source of rare earth elements. Ore Geology Reviews 124, 103638, pp. 1–17. DOI: 10.1016/j.oregeorev.2020.103638.
 
3.
Aughenbaugh et al. 2013 – Aughenbaugh, K.L., Chancey, R.T., Stutzman, P., Juenger, M.C. and Fowler, D.W. 2013. An examination of the reactivity of fly ash in cementitious pore solutions. Materials and Structures 46, pp. 869–880. DOI: 10.1617/s11527-012-9939-6.
 
4.
Bandura et al. 2015 – Bandura, L., Franus, M., Panek, R., Woszuk, A. and Franus, W. 2015. Characterization of zeolites and their use as adsorbents of petroleum substances (Charakterystyka zeolitów i ich zastosowanie jako adsorbentów substancji ropopochodnych). Przemysł Chemiczny 94(3), pp. 323‒327 (in Polish).
 
5.
Batra et al. 2011– Batra, V.S., Varghese, A.R., Vashisht, P. and Balakrishnan, M. 2011. Value-added products from unburned carbon in bagasse fly ash. Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering 6, pp. 787–793.
 
6.
Bielecka, A. 2017. Circular business models in energy sector. Humanitas University’s Research Papers Management 18(2) pp. 99–108. DOI: 10.5604/01.3001.0010.2932.
 
7.
Bielecka, A. and Kulczycka, J. 2020. Coal Combustion Products Management toward a Circular Economy – A Case Study of the Coal Power Plant Sector in Poland. Energies 13(14), 3603. DOI: 10.3390/en13143603.
 
8.
Bielowicz et al. 2018 ‒ Bielowicz, B., Botor, D., Misiak, J. and Wagner, M. 2018. Critical Elements in Fly Ash from the Combustion of Bituminous Coal in Major Polish Power Plants. E3S Web Conf. 35. DOI: 10.1051/e3sconf/20183502003.
 
9.
Blanco et al. 2000 ‒ Blanco, F., García, P., Mateos, P. and Ayala, J. 2000. Characteristics and properties of lightweight concrete manufactured with cenospheres. Cement and Concrete Research 30(11), p. 1715–1722.
 
10.
Fomenko et al. 2011 ‒ Fomenko, E.V., Anshits, N.N., Pankowa, M.V., Solovyov, L.A. and Anshits, A.G. 2011. Fly Ash Cenospheres: Composition, Morphology, Structure and Helium Permeability. World of Coal Ash (WOCA) Conference, Denver, CO, USA, May 9–12.
 
11.
Franus, W. 2012. Characterization of X-type Zeolite Prepared from Coal Fly Ash. Characterization of X-type Zeolite Prepared from Coal Fly Ash. Polish Journal of Environmental Studies 21(2), p. 337‒343.
 
12.
Giergiczny, Z. 2013. Fly ash in the composition of cement and concrete (Popiół lotny w składzie cementu i betonu). Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej (in Polish).
 
13.
Haustein, E. and Quant, B. 2011. The characteristics of selected properties of the cenospheres – fraction of fly ash – by-product of coal combustion (Charakterystyka wybranych właściwości mikrosfer – frakcji popiołu lotnego – ubocznego produktu spalania węgla kamiennego). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 27(3), pp. 95–111 (in Polish).
 
14.
Haustein, E. and Kuryłowicz-Cudowska, A. 2020. The Effect of Fly Ash Microspheres on the Pore Structure of Concrete. Minerals 10(1) p. 58. DOI: 10.3390/min10010058.
 
15.
Hower et al. 2017 – Hower, J.C., Groppo, J.G., Graham, U.M., Ward, C.R., Kostova, I.J., Maroto-Valer, M.M. and Dai, S. 2017. Coal-derived unburned carbons in fly ash: A review. International Journal of Coal Geology 179, p. 11–27. DOI: 10.1016/j.coal.2017.05.007.
 
16.
Hycnar, J.J. 2009. Eurocoalash conference – coal combustion ash verification (Eurocoalash ‒ weryfikacja popiołów ze spalania węgla). Energetyka, Nauka, Przemysł, pp. 48‒53 (in Polish).
 
17.
Hycnar et al. 2015 ‒ Hycnar, J.J., Tora, B., Szczygielski, T. and Kadlec, D. 2015. Discussion on the possibility and usefulness of rare-earth and trace-metals concentrates’ recovery from combustion side products (Dyskusja nad możliwością i celowością odzysku koncentratów metali ziem rzadkich i śladowych z ubocznych produktów spalania węgli). XXII Międzynarodowa Konferencja „Popioły z Energetyki” (in Polish).
 
18.
Hycnar et al. 2017 – Hycnar, J.J., Szczygielski, T. and Kadlec, D. 2017. Technological models of circular economy for coal combustion products (Technologiczne modele gospodarki o obiegu zamkniętym ubocznych produktów spalania węgli). XXIV Międzynarodowa Konferencja „Popioły z Energetyki” pp. 1‒10 (in Polish).
 
19.
Jończy et al. 2012 ‒ Jończy, I., Nowak, J., Porszke, A. and Strzałkowska, E. 2012. Phase components of selected mineral waste materials in microscope images (Składniki fazowe wybranych mineralnych surowców odpadowych w obrazach mikroskopowych). Gliwice: Wydawnistwo Politechniki Śląskiej (in Polish).
 
20.
Kolker et al. 2017 ‒ Kolker, A., Scott, C., Hower, J.C., Vazquez, J.A., Lopano, C.L. and Dai, S. 2017. Distribution of rare earth elements in coal combustion fly ash, determined by SHRIMP-RG ion microprobe. Internat J Coal Geol 184(1) p. 1–10. DOI: 10.1016/j.coal.2017.10.002.
 
21.
Kunecki et al. 2018 ‒ Kunecki, P., Panek, R., Koteja, A. and Franus, W. 2018. Influence of the reaction time on the crystal structure of Na-P1 zeolite obtained from coal fly ash microspheres. Microporous and Mesoporous Materials 266, p. 102–108.
 
22.
Lester et al. 2010 – Lester, E., Alvarez, D., Borrego, A.G., Valentim, B., Flores, D., Clift, D.A., Rosenberg, P., Kwiecinska, B., Barranco, R., Petersen, H.I., Mastalerz, M., Milenkova, K.S., Panaitescu, C., Marques, M.M., Thompson, A., Watts, D., Hanson, S., Predeanu, G., Misz, M. and Wu, T. 2010. The procedure used to develop a coal char classification – Commission III CombustionWorking Group of the International Committee for Coal and Organic Petrology. International Journal of Coal Geology 81, pp. 333–342.
 
23.
Łączny, M.J. and Wałek, T. 2011. Modeling of the formation of cenospheres in pulverized coal boilers (Modelowanie procesu powstawania cenosfer w kotłach pyłowych). Międzynarodowa Konferencja „Popioły z energetyki” Zakopane, pp. 191–203 (in Polish).
 
24.
Mayfield, D.B. and Lewis, A.S. 2013. Environmental Review of Coal Ash as a Resource for Rare Earth and Strategic Elements, WOCA Lexington, April 22‒25.
 
25.
Mikuła, J. and Łach, M. 2015. Analysis of fly ash for manufacturing of modern materials Mechanik 2. DOI: 10.17814/mechanik.2015.2.81.
 
26.
Misiak, J. 2015. Coal particles in the fly ashes from Polish coal combustion (Cząstki węglowe w popiołach lotnych ze spalania węgla z polskich złóż). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 31(3) p. 111–120 (in Polish).
 
27.
Misz, M. 1999. Organic matter in slags and fly ashes generated in the processes of coal combustion in Elektrociepłownia “Będzin” S.A. (Materia organiczna w żużlach i popiołach lotnych powstałych w procesach spalania węgla w Elektrociepłowni “Będzin” S.A.). Katowice: Uniwersytet Śląski (in Polish).
 
28.
Misz, M. 2002. Comparison of chars in slag and fly ash as formed in pf boilers from Będzin Power Station (Poland). Fuel 81, pp. 1351–1358.
 
29.
Nowak et al. 2018 ‒ Nowak, J., Uruski, Ł., Nabagło, D. and Franaszczuk, S. 2018. Mechanical valorization of fly ash (Waloryzacja mechaniczna popiołów lotnych). XXV Międzynarodowa Konferencja „Popioły z Energetyki” 16–18.10.2018, Krynica Zdrój (in Polish).
 
30.
Olszewski et al. 2012 ‒ Olszewski, P., Świnder, H., Klupa, A. and Ciszek, K. 2012. Possibilities of management of selected wastes from the processes of clean coal technologies (Możliwość zagospodarowania wybranych odpadów z procesów czystych technologii węglowych). Prace Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko/Główny Instytut Górnictwa 4, pp. 123‒136 (in Polish).
 
31.
Pichór, W. 2005. The directions of possible applications of the cenospheres from coal ash in civil engineering (Kie- runki wykorzystania w budownictwie mikrosfer powstających jako uboczny produkt spalania węgla kamiennego). Materiały ceramiczne 4, pp. 160–165 (in Polish).
 
32.
Pichór, W. and Petri, M. 2003. Properties of microspheres obtained as a by-product of hard coal combustion (Właściwości mikrosfer pozyskiwanych jako uboczny produkt spalania węgla kamiennego). Ceramika 80, pp. 705–710 (in Polish).
 
33.
Ramme et al. 2013 ‒ Ramme, B.W., Noegel, J.J. and Rohatgi, P.K. 2013. Separation of cenospheres from fly ash. United States Patent, No.: US 8,520,210 B2.
 
34.
Ranjbar, N. and Kuenzel, C. 2017. Cenospheres: A review. Fuel 207(1), pp. 1–12.
 
35.
Sokol et al. 2002 ‒ Sokol, E.F., Kalugin, V.M., Nigmatulina, E.N., Volkova, N.I., Frenkel, A.E. and Maksimowa, N.V. 2002. Ferrospheres from fly ashes of Chelyabinsk coals: Chemical composition, morphology and formation conditions. Fuel 81, pp. 867−876. DOI: 10.1016/S0016-2361(02)00005-4.
 
36.
Spears, D.A. 2000. Role of clay minerals in UK coal combustion. Applied Clay Science 16, pp. 87–95.
 
37.
Strzałkowska, E. 2017. Selected properties of cenospheres from fly ashes (Wybrane właściwości mikrosfer z popiołów lotnych). Przegląd Górniczy 73(11), pp. 37–43 (in Polish).
 
38.
Strzałkowska, E. 2021. Morphology, chemical and mineralogical composition of magnetic fraction of coal fly ash. International Journal of Coal Geology 240, 103746. DOI: 10.1016/j.coal.2021.103746.
 
39.
Strzałkowska, E. and Stanienda-Pilecki, K. 2018. Morphology, size and density of cenospheres from Polish and foreign power plants (Morfologia, wielkość i gęstość mikrosfer z polskich i zagranicznych elektrowni). Przegląd Górniczy 74(12), pp. 44‒53 (in Polish).
 
40.
Strzałkowska, E. and Adamczyk, Z. 2019. Influence of chemical composition of fly-ash cenospheres on their grains size. International Journal of Environmental Science and Technology 17(2) pp. 809‒818. DOI: 10.1007/s13762-019-02512-2.
 
41.
Szczygielski, T. 2019. Closing the circulation of matter through the symbiosis of infrastructure, energy and mining (Zamykanie obiegów materii przez symbiozę infrastruktury z energetyką i górnictwem). Polski Kongres Drogowy (in Polish).
 
42.
Tora, B. 2019. Technologies of energy waste recovery (Technologie odzysku odpadów energetycznych). XXVI Międzynarodowa Konferencja „Popioły z Energetyki” Sopot, 08–10.10.2019 (in Polish).
 
43.
Uliasz-Bocheńczyk et al. 2015 ‒ Uliasz-Bocheńczyk, A., Mazurkiewicz, M. and Mokrzycki, E. 2015. Fly ash from energy production ‒ a waste, byproduct and raw material. Gospodarka Surowcami Mineralnymi ‒ Mineral Resources Management 31(4), pp. 139−150. DOI: 10.1515/gospo-2015-0042.
 
44.
Vassilev, S.V. and Vassileva, C.G. 1997. Geochemistry of coals, coal ashes and combustion wastes from coal-fired power stations. Fuel Processing Technology 51(1–2), pp. 19–45. DOI: 10.1016/S0378-3820(96)01082-X.
 
45.
Vassilev et al. 2004a ‒ Vassilev, S.V., Menendez, R., Diaz-Somoano, M. and Martinez-Tarazona, M.R. 2004. Phase-mineral and chemical composition of coal fly ashes as a basis for their multicomponent utilization. 2. Characterization of ceramic cenosphere and salt concentrates. Fuel 83(4–5), pp. 585–603. DOI: 10.1016/j.fuel.2003.10.003.
 
46.
Vassilev et al. 2004b ‒ Vassilev, S.V., Menendez, R., Borrego, A.G., Diaz-Somoano, M. and Martinez-Tarazona, M.R., 2004. Phase-mineral and chemical composition of coal fly ashes as a basis for their multicomponent utilization. 3. Characterization of magnetic and char concentrates. Fuel 83(11–12), pp. 1563−1583. DOI: 10.1016/j.fuel.2004.01.010.
 
47.
Wajda, A. and Kozioł, M. 2015. Microspheres: acquisition, properties, applications (Mikrosfery – pozyskiwanie, właściwości, zastosowania). Inżynieria Środowiska 1, pp. 15‒19 (in Polish).
 
48.
Ward, C.R. and French, D. 2006. Determination of glass content and estimation of glass composition in fly ash using quantitative X-ray diffractometry. Fuel 85, pp. 2268–2277. DOI: 10.1016/j.fuel.2005.12.026.
 
49.
Zyryanov et al. 2011 ‒ Zyryanov, V.V., Petrov, S.A. and Matvienko, A.A. Characterization of spinel and magnetospheres of coal fly ashes collected in power plants in the former USSR. Fuel 90, pp. 486‒492.
 
50.
Żyrkowski et al. 2016 ‒ Żyrkowski, M., Rui Costa, N., Santos, F.L. and Witkowski, K. 2016. Characterization of fly-ash cenospheres from coal-fired power plant unit. Fuel 174, pp. 49–53.
 
eISSN:2299-2324
ISSN:0860-0953