Способ золоудаления является наиболее эффективным

Метлина Наталья Александровна

Факультет экологии и химической технологии

Кафедра прикладной экологии и охраны окружающей природной среды

Специальность Экологическая безопасность

Исследование технологий по удалению и утилизации золошлаков на Зуевской ТЭС

Научный руководитель: к.х.н., доцент Ганнова Юлия Николаевна

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Современная энергетика наносит ощутимый вред окружающей среде, ухудшая условия жизни людей. Основа современной энергетики – различные типы электростанций. Технология производства электрической энергии на ТЭС связана с образованием большого количества отходов.

При сжигании топлива на ТЭС образуются продукты сгорания, в которых содержатся: летучая зола, частички несгоревшего пылевидного топлива, серный и сернистый ангидрид, оксид азота, газообразные продукты неполного сгорания. При сжигании мазута образуются соединения ванадия, кокс, соли натрия, частицы сажи. В золе некоторых видов топлива присутствует мышьяк, свободный диоксид кальция, свободный диоксид кремния.

Ещё одна злободневная проблема, связанная с угольными ТЭС – золоотвалы, мало того что для их обустройства требуются значительные территории, они ещё и являются источником загрязнения окружающей среды, очагами скопления тяжёлых металлов и обладают повышенной радиоактивностью. Одним из возможных путей решения данной проблемы является утилизация отходов, то есть возвращение их в материальный кругооборот, что имеет важное экологическое, экономическое и энергосберегающее значение.

1. Актуальность темы

Одной из основных экологических проблем при сжигании угля является образование значительного количества золошлаковых отходов. На тепловой электростанции Зуевская ТЭС ежегодно образуется от 400 до 800 тыс. тонн золошлаков, из которых используется на собственные нужды и передается сторонним потребителям в среднем до 5 %. На тепловой электростанции все золошлаковые отходы складируются на золошлакоотвале с применением гидравлической системы золошлакоудаления. Влажные золошлаки попадая в золошлакоотвал быстро слеживаются и в значительной степени теряют свои потребительские свойства.

Как показывает мировой, и отечественный опыт золошлаковые отходы являются ценным минеральным сырьем – золошлаковыми материалами (ЗШМ) для замены природного минерального сырья в строительном комплексе, цементной промышленности, дорожном строительстве.

Накопление огромной массы промышленных отходов является актуальной природоохранной проблемой, требующей срочного решения.

2. Цели, задачи и объект исследования

Цель работы: определение технической возможности реализации золы, шлака и золошлаков Зуевской ТЭС, поиск оптимальных путей утилизации золы и шлаковых отходов.

1. Изучение состава и свойств отходов Зуевской ТЭС.

2. Показать влияние золошлаковых отходов на окружающую среду.

3. Проанализировать методы утилизации золошлаков, которые существуют в мировой практике и определить оптимальные методы утилизации золошлаков Зуевской ТЭС.

4. Выявить слабые места в процессе образования отходов и предложить возможные схемно-технологические решения ориентированные на решение данной проблемы.

5. Произвести эколого – экономическую оценку разработанных мероприятий.

Объект исследования – золошлаки (зола, шлак, золошлаковая смесь) Зуевской ТЭС.

3. Процесс образования золошлаковых отходов на ТЭС

При сжигании твердого топлива в топках тепловых электрических станций образуются многотоннажные твердые минеральные отходы, представленные шлаком и летучей золой.

На современных ТЭС уголь сжигают в пылевидном состоянии. Зола – несгорающий остаток с зернами мельче 0,16 мм, образующийся из минеральных примесей топлива при полном его сгорании и осажденный из дымовых газов золоулавливающими устройствами. Топливный шлак – это материал, скапливающийся в нижней части топочного пространства тепловых агрегатов и удаляемый в жидком или спекшемся состоянии. При совместном удалении золы и шлака гидротранспортом на тепловых электростанциях образуется золошлаковая смесь.

Одна ТЭС средней мощности ежегодно выбрасывает в отвалы до 1 млн. т. золы и шлака. Складирование и хранение такой массы материала требует значительных капиталовложений. Золоотвал, занимает очень большие земельные площади, является источником неблагоприятной экологической обстановки в районе [1].

4. Влияние золоотвала на окружающую среду

Накопление огромной массы промышленных отходов является актуальной природоохранной проблемой, требующей срочного решения. Отвалы золошлаковых материалов занимают большие площади, уход за ними требует значительных эксплуатационных расходов. Размещение золошлаков на золоотвале сопряжено с определенным воздействием на окружающую природную среду и значительными затратами. Срок службы золоотвала ограничен технической возможностью, условием надежности и экологической безопасностью.

Золошлакоотвалы являются объектами повышенной экологической опасности за счет:

– пыления пляжей, особенно в летнее время;

– фильтрации в подземные горизонты отвальной воды, обогащенной растворимыми зольными компонентами;

– неизбежного сброса избытков осветленной воды в поверхностные водоисточники;

– деформация поверхности, изменение рельефа;

– загрязнение токсичными элементами, тяжелыми металлами;

– снижение плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур;

– загрязнение дымовыми газами;

– пыление золоотвалов при транспортировке, складировании и ветровой эрозии;

– сокращение численности видов лесов, растительности, животных, биоты; изменение биоразнообразия;

– ухудшение эколого-эстетического состояния поверхностных водотоков [3].

Рисунок 1 – Принципиальная схема воздействия золошлакоотвалов ТЭС на окружающую природную среду

В процессе временного или постоянного складирования золошлакового материала формируется фильтрационный поток, содержащий находящиеся в золошлаковых материалах водорастворимые соединения, многие из которых являются токсичными (соединения мышьяка, селена, ванадия, фтора, хрома). Фильтрационный поток оказывает неблагоприятное воздействие как на золоотвал в целом, включая его основание, так и на окружающую среду.

Почвы испытывают воздействие золоотвала за счет осаждения пыли из атмосферного воздуха.

В связи с незначительными выбросами загрязняющих веществ в атмосферу при складировании золошлаков специальных мер по контролю над загрязнением атмосферного воздуха не предусмотрено. Предприятием осуществляется только визуальное наблюдение за степенью запыленности [2].

5. Химический и фазово-минералогический состав золошлаков

Основным нормативным документом для определения химического состава золы-унос является ДСТУ Б В.2.7–72–98 Щебень и гравий из плотных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы химического анализа [9]. Результаты определения химического состава золы-уноса, шлака и золошлаковой смеси приведены в таблице 5.1 (основные химические компоненты).

Таблица 5.1 – Химический состав золы–унос, шлака и золошлаковой смеси Зуевской ТЭС.

Продолжение таблицы 5.1

Производственные золы–уноса, относящиеся к кислым золам, образующиеся при сгорании каменного угля, отвечают всем требованиям ДСТУ Б В.2.7–205:2009 Золы уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия [10] по химическому составу, не превышают нормируемые показатели:

– по оксиду кальция (не более 10 %);

– по содержанию оксида магния (не более 5 %);

– содержанию серосодержащих соединений в пересчете на SО₃ (не более 3%);

– по содержанию щелочных оксидов в перерасчете на Na₂O (не более 3%);

– по потерям при прокаливании (не более 5 %).

Следовательно, по перечисленным показателям золы пригодны для изготовления всех видов бетона.

Для оценки качественности золы–унос, шлаков и золошлаковой смеси Зуевской ТЭС на основании данных химического анализа определены следующие показатели:

Результаты определений сведены в таблицу 5.2

Таблица 5.2 – Показатели качества химического состава.

Так как М_o отходы производства являются постоянным источником сырья для изготовления вышеуказанной продукции.

Бетон на заполнителе из золошлаковой смеси Зуевской ТЭС может применяться для изготовления следующих бетонных и железобетонных изделий: фундаментных блоков; блоков стен подвалов; сплошных и пустотелых стеновых блоков; внутренних стеновых панелей и перегородок; плит и панелей перекрытий и покрытий; перемычек, балок, колонн; лестничных маршей и площадок; тротуарных плит и бортовых камней и т. п. [5].

Тонкодисперсная зола Зуевской ТЭС может стать наиболее продуктивным и производительным ингредиентом ячеистых бетонов, которые являются наиболее эффективными по теплотехническим характеристикам, более экономичными и технологичными при изготовлении [6].

Важное замечание

При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2018 г. Полный текст работы и материалы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Источник

Возможные технологии утилизации золы

Л. М. Делицын, доктор геолого-минерал. наук, заведующий лабораторией экологических проблем энергетики, Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)

Ю. В. Рябов, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, ОИВТ РАН

А. С. Власов, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, ОИВТ РАН

В России много действующих тепловых электростанций, работающих на угольном топливе, в результате сжигания которого, помимо прочего, образуется огромное количество золы. Складирование золошлаковых отходов занимает большие площади. Однако золу можно использовать в строительстве и других отраслях промышленности. Рассмотрим возможности утилизации золы на примере московской ТЭЦ-22, являющейся одной из крупнейших в Европе тепловых электростанций и единственной на территории столицы, использующей в качестве топлива уголь (см. справку).

Характеристика золы ТЭЦ 22

По химическому составу основными компонентами золы ТЭЦ 22 являются оксиды кремния, алюминия и железа. Помимо этого, в ней содержится большое количество углерода, так называемого недожога угля (табл. 1). Высокое содержание в золе углерода и оксидов железа снижает ее качество и препятствует широкому использованию в строительной и других отраслях промышленности.

Таблица 1 Химический состав золы уноса (% масс.)

Компоненты Содержание, % масс. Компоненты Содержание, % масс. SiO2 52,2 – 64,3 MgO 1,0 – 2,0 Al2O3 23,5 – 29,0 K2O 1,0 – 2,3 Fe2O3 (3+) 6,0 – 10,0 SO2 0,2 – 0,8 FeO (2+) 0,8 – 1,5 P2O5 0,2 – 1,0 TiO2 0,6 — 1,0 MnO 0,3 – 0,4 CaO 2,2 – 5,8 C (углерод) 12,0 -16,0

Рассчитанные по данным химического анализа золы значения модуля основности (гидросиликатный) М_о = 0,068, силикатного (кремнеземистый) модуля М_с = 1,744 и коэффициента качества К = 0,493 1 показали, что зольные отходы ТЭЦ 22 по этим показателям относятся к инертным материалам. Летучая зола – материал пылящий и характеризуется большим количеством (около 40 %) тонких классов, размер частиц которых меньше 10 мкм (табл. 2).

Таблица 2 Фракционный состав летучей золы ТЭЦ – 22 (по данным [2])

Размер частиц, мкм >100 40-100 20-40 10– 20 6-10 4-6 1-2 Содержание в пробе, % масс. 10 26 9 15 13 12 15

Утилизация золошлаковых отвалов

Вопросы об отработке золоотвалов и снижении водопотребления ТЭЦ 22 стоят как никогда актуально, если принять во внимание следующие факторы:

• близость золоотвалов к городским застройкам, местами не превышающая 1,5 км,
• ограниченность площадей для расширения золоотвалов,
• возрастающие нагрузки на окружающую среду (проникновение загрязненной твердыми частицами и нефтепродуктами жидкой фазы в грунтовые воды, загрязнение воздуха пылевыми выбросами и др.).

Дальше речь пойдет как об отработке заскладированных ЗШО, так и о возможностях отбора образующейся котельной и летучей золы для последующего обогащения и утилизации полученных при этом полезных продуктов.

В настоящее время часть золоотвалов уже используется для нужд дорожного строительства. Заявлено также и о строительстве двух накопительных силосов сухой золы из электрофильтров емкостью 6 000 м 3 . Однако в результате полной утилизации золы ТЭЦ 22 достигается несколько целей: экономия топливных и минеральных ресурсов, освобождение площадей, занимаемых золошлакоотвалами, и улучшение экологической ситуации в районе расположения электростанции.

Предлагаем пути полной утилизации котельной и летучей золы ТЭЦ 22, как заскладированной в золоотвалах, так и текущей.

Установленная тепловая мощность ТЭЦ 22 составляет 3 606 Гкал, а установленная электрическая мощность – 1 310 МВт. Для производства электроэнергии на ТЭЦ 22 используются газ и тощие каменные угли Кузнецкого бассейна.

На сегодняшний день площадь золоотвалов достигла 54 га, а объем заскладированных золошлаковых отходов (ЗШО) – около 7 млн м 3 .

Обогащение котельной золы

Установку для обогащения котельной золы ТЭЦ 22 из золоотвала или непосредственно после узла мокрого золоудаления предложила немецкая фирма Schauenburg MAB (далее – МАВ). Данная установка должна решать задачу получения различных фракций золы размером 16–32, 8–16, 3–8 и 0–3 мм. В Европе самая мелкая фракция 0–3 мм используется в проектах гражданского строительства, фракция 3–8 мм – в производстве полого кирпича, фракции 8–16 и 16–32 мм – для сооружения фундаментов 2 .

Содержание несгоревшего угля (недожога) в золе может достигать 25 % и более, что делает его извлечение экономически выгодным. По опыту специалистов МАВ недожог сосредотачивается в основном во фракции 0–3 мм.

Принцип работы установки

Погрузчик извлекает золу из золоотвала и направляет ее на установку (рис. 1). Ленточный конвейер поставляет ЗШО на виброгрохот 3, где выделяется фракция крупнее 75 мм, направляемая на склад. На следующем виброгрохоте 6а из подрешетной фракции 0–75 мм отсевается фракция 25–75 мм, которая затем направляется в дробилку 12. Дробленый материал вместе с подрешетным продуктом грохота 6а поступает на виброгрохот 6, где происходит деление фракции 0–25 мм на надрешетную фракцию 3–25 мм, которая, в свою очередь, подвергается доизмельчению в дробилке 13, и подрешетную фракцию 0–3 мм. Разгрузка дробилки и подрешетный продукт грохота 6 поступают в зумпф 1, откуда центробежным насосом 2 перекачиваются на батарейные гидроциклоны 14.

Схема промышленной установки для утилизации золошлаковых отходов ТЭЦ-22

Слив гидроциклонов, в значительной мере свободный от твердых частиц, поступает в водооборот и используется для нужд ТЭЦ и самой обогатительной установки.

Нижний продукт (пески) гидроциклонов служит питанием гидроклассификатора 4 (Гидросорт I). В данном аппарате происходит разделение частиц по плотности и по крупности за счет образования кипящего слоя в надрешетном пространстве с помощью потоков воды, подаваемой в нижнюю часть гидроклассификатора.

Наличие системы датчиков, отслеживающих высоту кипящего слоя, позволяет автоматически поддерживать крупность частиц, удаляемых в слив гидроклассификатора, и регулировать концентрацию и крупность частиц, разгружаемых с решетки через пневматически регулируемые задвижки. Слив гидроклассификатора, содержащий мелкие частицы угля и золы, из зумпфа подается насосом 2 на гидроциклон 15.

Нижний продукт гидроклассификатора (0–3 мм) представлен в основном зольными частицами. После удаления из него воды на вибро-обезвоживателе 6 и он направляется на склад. Сгущенный продукт гидроциклона, содержащий углерод (недожог) и мелкие частицы золы, после фильтрации на ленточном вакуум-фильтре 5 готов для использования в качестве топлива на действующей ТЭЦ.

Предполагается, что после полной отработки существующего золоотвала установка может быть размещена непосредственно на ТЭЦ, что позволило бы существенно сэкономить электроэнергию, затрачиваемую для перекачки золы на большое расстояние до золоотвала, и вернуть воду в замкнутый контур.

Обогащение летучей золы

С целью получения из золы угольных теплоэлектростанций полезной промышленной продукции и прекращения образования золошлакоотвалов в ОИВТ РАН была выдвинута концепция 100 %-ного использования золы уноса [1]. На основании результатов исследования процессов обогащения и переработки летучей золы ряда российских угольных ТЭС разработана технологическая схема, позволяющая в значительной мере извлечь несгоревший уголь и железосодержащие частицы и получить алюмосиликатный продукт для производства ряда стройматериалов.

Принцип работы установки

Согласно схеме цепи аппаратов, позволяющей получить из летучей золы магнитный (Fe-содержащий), углеродный и алюмосиликатный продукт (рис. 2), зольная суспензия поступает в приемный чан 1 с мешалкой, предназначенный для сглаживания колебаний потока. Из чана через пульподелитель 2 зола подается на два параллельно (или последовательно) стоящих ленточных электродинамических сепаратора (ЭДС) 3 и 4. В одном из вращающихся барабанов сепараторов размещен вращающийся ротор из постоянных магнитов. В токопроводящих частицах золы под воздействием вращающегося магнитного поля возникают вихревые токи, приводящие к образованию магнитных полей вокруг этих частиц. Взаимодействие индуцирующего и индуцируемых полей приводит к разделению железосодержащих частиц и частиц золы. Опыты обогащения золы показали, что в ЭДС более эффективно выделяются мелкие слабомагнитные частицы, чем в магнитных сепараторах известных конструкций. Магнитная фракция с сепараторов направляется на дренажный склад с дренажным насосом 7. Насос качает дренажные воды на сброс, а концентрат, содержащий 65–72 % Fe2O3, направляется потребителю, например для использования в качестве утяжелителя тяжелых суспензий при гравитационном обогащении минерального сырья, или может быть дополнительно обработан с получением специальных продуктов, например магнитных шариков [2].

Схема цепи аппаратов для технологии получения магнитного (Fe-содержащего), углеродного и алюмосиликатного продукта из золы уноса

Немагнитная фракция, содержащая алюмосиликаты и частицы углерода, направляется в контактный чан 5, где происходит обработка суспензии реагентами (собирателем и вспенивателем), подаваемыми через питатель 6. Из чана 5 пульпа поступает во флотационную машину 8, где в пену выделяется так называемый черновой углеродный концентрат, поступающий затем во флотационную машину 9, в которой осуществляется операция перечистки. Камерный продукт из флотомашины возвращается в голову основной флотации. Полученный углеродный концентрат, содержащий 68–80 % углерода (зольность 20–32 %), может быть использован в качестве дополнительного топлива к поступающему на ТЭЦ углю [3].

Камерный (алюмосиликатный) продукт флотомашины 8 насосом 11 перекачивается на обезвоживание, затем в хранилища и далее используется по разным направлениям. Содержание углерода в алюмосиликатном продукте в среднем составляет 2–4 %, а Fe2O3 – 3–4 %. В случае дополнительных требований к его качеству содержание углерода можно снизить до 0,5–0,6 %.

Применение полученных продуктов

Очищенный от примесей углерода и железа алюмосиликатный продукт может быть использован в качестве высококачественного компонента бетонных смесей, при производстве глинозольного кирпича и других строительных материалов и изделий.

Одним из новых перспективных направлений его использования является получение на его основе сверхлегкого пористого стеклокристаллического материала – пенозола. Кроме того, он может быть использован в качестве сырья для глубокой переработки на глинозем и белитовый шлам, при производстве керамических изделий и др.

Установка МАВ предназначена для обработки заскладированных на золоотвалах и текущих золошлаковых отходов, представленных частицами широкого диапазона крупности. При прохождении ЗШО через цепь аппаратов (рис. 1) могут быть получены следующие компоненты: крупная фракция (более 75 мм) для дорожного строительства; зольный продукт крупностью 0–3 мм для использования в гражданском строительстве; обезвоженный мелкий уголь с частично присутствующей мелкой золой, который может быть использован в качестве дополнительного топлива на ТЭЦ.

Предлагаемая технология позволяет существенно снизить расход воды и тем самым расход электроэнергии на перекачку зольной пульпы в золоотвал.

Установка ОИВТ РАН предназначена для обогащения мелких фракций золы (менее 250 мкм), которые в основном представлены летучей золой, поступающей вместе с котельной золой в золоотвал.

Технология позволяет эффективно извлечь несгоревший уголь с получением дополнительного топлива для ТЭЦ и железосодержащие минералы с получением магнитных продуктов, востребованных рынком. Эта установка может дополнить схему, предложенную фирмой MAB, с целью извлечения железосодержащих минералов, углерода из фракции 0–3 мм и получения чистого алюмосиликатного продукта для дальнейшего использования в производстве компонента строительных материалов либо использования в качестве сырья для термохимической переработки на белитовый шлам и глинозем.

Технология ОИВТ РАН может быть использована также для обогащения непосредственно летучей золы, поступающей из электрофильтров.

Очищенный от углерода и железосодержащих минералов алюмосиликатный продукт имеет высокое качество, удовлетворяет требованиям ГОСТ 25818–91 к золе-уноса и может применяться в следующих сферах: добавка минерального порошка: в асфальтобетон, битумные гидроизоляционные изделия, строительные растворы и бетоны; минеральная добавка в другие вяжущие: ГЦПВ, цуцолановые и др.; компонент высокоэффективных цементов типа ВНВ, сырья для легких эффективных поробетонных изделий: стеновых с плотностью 700–900 кг/м 3 , теплозвукоизоляционных; минеральная добавка в керамические материалы; наполнитель и добавки в шпаклевочные и грунтовочные смеси, красочные составы, гидроизоляционные и проклеивающие мастики и клеи, полимерные материалы, резинотехнические изделия.

Одним из перспективных новых направлений использования алюмосиликатного продукта может стать изготовление на его основе недавно полученного в ОИВТ РАН пористого (с замкнутыми порами) материала с плотностью 0,2–0,3 кг/м 3 .

Представленные в статье технологии и установки могут дополнять друг друга.

Внедрение ресурсосберегающей технологии полной утилизации золошлаковых отходов ТЭЦ 22 должно осуществляться в два этапа.

Первый этап – создание опытно-промышленной установки производительностью 1,2–1,5 т/ч (5–6 тыс. т в год) по сухому на входе в технологическую линию с целью отработки технологических параметров процесса.

На втором этапе должно быть создано промышленное пред-приятие, перерабатывающее 100 тыс. т золы в год. По экспертной оценке, из 100 тыс. т летучей золы может быть получено 18–19 тыс. т углеродного концентрата, 8–9 тыс. т магнитного (Fe) концентрата и 72–74 тыс. т высококачественного алюмосиликатного продукта.

В связи с существующей острой проблемой переполнения действующих золошлакоотвалов и дефицитом свободных земельных отводов для строительства новых золонакопителей предложенная технология может быть тиражирована на многих угольных ТЭС Центрального региона РФ: Каширской, Рязанской, Шатурской, Черепетской и др.

Литература:

1. Делицын Л. М., Власов А. С. Необходимость новых подходов к использованию золы угольных ТЭС // Теплоэнергетика. – 2010. – № 4.
2. Рябов Ю. В., Делицын Л. М., Власов А. С., Голубев Ю. Н. Получение магнитных продуктов из золы уноса Каширской ГРЭС // Обогащение руд. – 2013. – № 6.
3. Рябов Ю. В., Делицын Л. М., Власов А. С., Бородина Т. И. Флотация углерода из золы уноса Каширской ГРЭС // Обогащение руд. – 2013. – № 4.

1 Определялись по формулам:
М_о = (СаО + MgO + К2О + Na2O) / (SiO2 + Аl2О3);
М_с = SiO2 / (Al2O3 + Fe2O3);
К = (СаО + Аl2О3 + MgO) / (SiO2 + TiO2).

2 Что касается фракций, получаемых из золошлаковых отходов и используемых в строительстве и производстве стройматериалов, то в России они имеют значения, близкие к европейским, однако использование ЗШО у нас не превышает 10 %.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Источник