Способы переработки золошлаковых отходов

Золошлаковые отходы: переработка, утилизация и проблемы, связанные с ними

О переработке золошлаковых отходов, неизбежного побочного продукта угольных ТЭС, дискутируют уже не один десяток лет.

Уникальный состав и низкая стоимость золошлаковых смесей должны произвести революцию на товарном рынке России.

Что же мешает развивать технологии, извлекать драгметаллы, производить стройматериалы? Производители не против избавиться от масштабных золоотвалов.

На пути предпринимателей – отсутствие поддержки государства и региональных властей, сомнение потребителей в качестве материалов из золы и шлака.

В статье мы рассмотрим, что понимается под термином золошлаковые отходы, каков опыт их утилизации в мире и поговорим о проблемах отходов, производимых ТЭС.

Определение

Золошлаковые отходы (ЗШО) образуются в топках тепловых электростанций (ТЭС), теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и котельных.

При горении угля, горючего сланца, торфа или жидкого топлива (мазута) химическая энергия органической массы преобразуется в электроэнергию и тепло.

В результате образуются летучие газообразные вещества, происходят потери угля за счет недожога, остается минеральная несгорающая часть — смесь золы, шлака, частиц закоксованного угля.

Класс опасности

Отходы сжигания твердого и жидкого топлива сгруппированы в 6 блоке ФККО. ЗШО разделены на 7 подтипов с учетом исходного сырья, агрегатного состояния, процесса образования.

В основном отходы относятся к 4 и 5 классам опасности для окружающей среды – малоопасному и практически неопасному соответственно. Исключение составляет единственный в этой группе отход 3 класса опасности – зола с высокой концентрацией ванадия, образовавшаяся при сжигании мазута.

Отходы неблагоприятны для окружающей среды из-за токсичных веществ и тяжелых металлов, входящих в их состав.

Золоотвалы формируют техногенно-трансформированные ландшафты, создают благоприятные условия для развития хемоземов – антропогенно-преобразованных почв.

Под золоотвалами России – тысячи гектаров отчужденной земли, выведенной из сельскохозяйственного оборота. И это самая большая проблема ЗШО – они требуют больших площадей для размещения.

В зонах влияния отвалов с ЗШО создается сложная экологическая ситуация. Высокое пылеобразование, вымывание компонентов золы с попаданием в почву и подземные воды отрицательно воздействуют на природную среду и здоровье человека.

Особую опасность представляют хранилища ЗШО, расположенные вблизи водных объектов, из-за возможного прорыва дамб.

Проблемы отходов ТЭС

Доля угольной генерации в установленной мощности ТЭС в РФ составляет около 22%, при этом доля в общем объеме выработки постепенно снижается и сегодня составляет около 13% (для сравнения, в 2000 году показатель составлял 20%).

По объемам выработки электричества Россия занимает 13 место, уступая Китаю, Индии и другим странам с энергосистемами, основанными на твердом топливе.

Для получения электроэнергии в России ежегодно сжигается около 125 млн тонн топлива, что означает свыше 20 млн тонн новых ЗШО каждый год впридачу к уже накопленным 1,5 млрд тонн, занимающим более 28 тыс. га.

По прогнозам экспертов, если уровень переработки останется прежним, уже к 2030 году объем накопленных ЗШО превысит 2 млрд тонн. Мрачная перспектива переполнения полигонов может спровоцировать решение о выводе угольных электростанций из энергобаланса РФ.

Проблема утилизации ЗШО волнует государство, в первую очередь, с точки зрения экологии. Но, например, для Сибири тема переработки золошлаковых отходов особенно актуальна: здесь находится крупнейший угольный бассейн страны и практически вся энергетика округа построена на угле.

Ежегодный прирост ЗШО составляет 13 млн тонн. На территории края накоплено более 500 млн тонн углеродных отходов, при этом площади под золоотвалами ежегодно прирастают на 100 га. Многие хранилища отходов расположены прямо в черте городов, в непосредственной близости к ТЭЦ.

Единственный путь избавления от масштабной проблемы с ЗШО – вовлечение в оборот не только новых, но и накопленных ЗШО, внедрение безотходных способов сжигания угля.

Однако уровень переработки ЗШО в РФ остается неизменным с 1990 года.

Сегодня существует более 300 способов утилизации золошлакового сырья, но лидеры отрасли северного региона сталкиваются с серьезными затруднениями. Большая сложность заключается в ограниченном периоде транспортировки отходов — примерно 5 месяцев в году. Манипуляции с ЗШО при отрицательных температурах требуют значительных финансовых вложений.

Но и в другое время перевозка чересчур капиталоемка. Именно этот факт мешает другим государствам довести утилизацию до 100%. Япония добилась максимального результата из-за удобного расположения ТЭЦ. Энергокомплексы, как правило, размещаются на берегу водоемов, что позволяет использовать выгодный водный транспорт.

ЗШО – ценный ресурс или проблема?

Для сжигания используется уголь разных месторождений, поэтому химический состав смеси ЗШО в отвалах неоднороден и сильно колеблется.

Если рассмотреть усредненный химический состав золошлаковой массы, то в основном это оксиды кремния и алюминия, кроме того, содержится железо, кальций, магний, триоксид серы и другие элементы.

В качестве примера сложного и уникального состава ЗШО можно оценить Приозерский золошлаковый отвал – карьер, расположенный на северо-западном берегу Ладожского озера.

Перед вами химический состав пробы слежавшейся золошлаковой массы:

Важная особенность золоотвалов – высокая концентрация редких металлов. К таким металлам относятся вещества с низким содержанием в породах.

Их ценность в плане использования в промышленности не вызывает сомнений:

• германий – оптическая и микро- электроника;
• галлий – самые мощные лазеры;
• стронций – высокотемпературные сверхпроводники;
• цирконий – атомная техника и конструкционная керамика;
• ванадий, бериллий, скандий – авиационные и космические материалы;
• литий – термоядерная энергетика.

Большой интерес представляет скандий – уникальное вещество, применяемое в авиационной, ракетной и лазерной технике, а также ниобий.

Добавленные при производстве стали ниобий и ванадий делают металл легче, снижают на 40% вес конструкций при возведении мостов, высотных зданий, газо- и нефтепроводов. При этом срок эксплуатации сооружений возрастает в 2-3 раза

В ЗШО аккумулируются стратегические металлы, в том числе, бериллий, германий, литий, цирконий.

Особенный «стратегический» статус у редких металлов обусловлен тем, что их запасов недостаточно – объемы не могут на 100% удовлетворить производство в военное время, может стать угрожающей или дорогостоящей зависимость от импортных поставок в периоды чрезвычайных положений.

Утилизация золошлаков не только решит экологические проблемы – переработка позволит вернуть в оборот техногенное сырье взамен природного.

Мировой опыт и перспективы использования в России

Мир знает много эффективных способов пустить отходы в дело. В европейских странах доля утилизированных ЗШО давно превышает 50%, а в островной Японии достигает 97-100%.

Другие лидеры переработки золы и шлака – Индия, США и Австралия. Китай – рекордсмен по объему образованных и утилизированных отходов (около 70%). Страна, потребляющая угля в 32 раза больше, чем Россия, сумела практически избавиться от проблемы ЗШО.

В Польше и Китае золошлаки используются для извлечения алюминия, в Канаде – как сырье для получения более дешевого урана. Небоскреб «Бурдж-Халифа» в ОАЭ построен с использованием материалов, содержащих ЗШО.

Переработка и утилизация ЗШО

Россия пока среди отстающих: перерабатывается не более 10-15% углеродных отходов, остальное размещается на полигонах.

При этом ЗШО, обладая уникальным химическим и минералогическим составом, могут активно использоваться в строительной индустрии, в дорожном строительстве. Материалы из ЗШО имеют низкую теплопроводность, отличаются высокой плотностью.

Зола-унос и золошлаковые отходы – дешевое сырье для керамических кирпича и камней, для производства пористых заполнителей для легких бетонов. Золошлаковые отходы эффективно используются в сельском хозяйстве – для улучшения структуры, состава почвы и ее раскисления, а также для производства минеральных удобрений.

Другие варианты эффективного применения ЗШО:

• рекультивация нарушенных земель и отработанных карьеров, ликвидация горных выработок;
• планирование территорий для производства сельхозпродукции и ландшафтного строительства;
• как изолирующий материал – на полигонах ТКО;
• при тушении скрытых очагов площадных пожаров;
• в качестве сорбента-мелиоранта для очистки почв от тяжелых металлов и пестицидов с одновременным улучшением водопроницаемости, повышением концентрации азота, кальция, других полезных веществ.

Из золы можно делать зольный кирпич: полнотелый и с пустотами. Этот кирпич выигрывает в сравнении с керамическим и силикатным, т.к. у него ниже теплопроводность и себестоимость. Кроме того, изделие из ЗШО прочнее популярного в строительстве ячеистого бетона.

Химический и минералогический составы золошлаков близки к компонентам, используемым в силикатной промышленности при производстве стекла, стеклопокрытия, керамики.

Поэтому сверхкислые ЗШО могут эффективно использоваться в производстве строительных и технических стекломатериалов, таких как:

• стеклокристаллические материалы (шлакоситаллы);
• коррозионностойкие стеклошлакоэмалевые покрытия для металлических изделий;
• тепло- и звукоизоляционные стеклошлакоматериалы;
• стеклошлаковые облицовочные плитки: марблит, цокольные и коврово-мозаичные изделия.

Планы России по развитию перерабатывающей отрасли

Энергетическая стратегия РФ поставила задачу: к 2035 году выйти на уровень переработки ЗШО не менее 50% ежегодного объема образования.

Был разработан комплексный план утилизации золы и шлака с потенциальным результатом в 100 млрд рублей.

Сейчас самые крупные потребители отходов сжигания топлива – производители стройматериалов, магнаты строительной индустрии.

Присутствие золошлаков в сырье для производства тротуарного камня, строительных смесей, бетона и цемента серьезно снижают их себестоимость.

ЗШО активно используются при устройстве земляного полотна автодорог, в монолитном домостроении. Другой опыт использования – извлечение глинозема для производства алюминия. Концентрация оксида алюминия в золе достигает 30%.

В Кузбассе применяется метод переработки золы и шлака в жидкое стекло, используемое при производстве негорючих стройматериалов.

Зола – в золото

Основной промышленный модуль – реактор (газогенератор), состоящий из двух печей: шахтной и электрошлаковой, системы очистки и охлаждения генераторного газа.

Отходы и топливо подвергаются высокотемпературной газификации с электротермической стабилизацией (ВТГЭС) при 1500-1650°С.

В результате применения технологии, разработанной Эко-Дон Стандарт для утилизации углеродсодержащего сырья и ТКО, получают максимум полезных компонентов:

• минеральные составляющие – для производства высококачественной теплоизоляции;
• углерод (недожог угля) – энергоноситель, отдающий при термообработке золото;
• концентраты редких металлов – для следующего этапа гидрометаллургического разделения;
• драгоценные металлы: платина, серебро, золото.

Утилизация отходов по методу ВТГЭС рентабельная, экологичная и безотходная. При этом редкие и благородные металлы «добываются» без дополнительных вложений, просто как побочный продукт.

Интересное видео

Видео о переработке золошлаковых отходов, образующихся на угольной тепловой станции:

Заключение

В большинстве государств предусмотрена серьезная поддержка переработки ЗШО на государственном уровне в виде субсидий и налоговых льгот.

Для решения проблемы золошлаковых полигонов в России пока не хватает подобных законодательных мер. Пока все ограничивается «планами», «стратегиями» и «заседаниями круглого стола».

Источник

Анализ способов утилизации золошлаковых отходов

Рубрика: 13. Экология

Дата публикации: 09.12.2019

Статья просмотрена: 1316 раз

Библиографическое описание:

Игуминова, В. А. Анализ способов утилизации золошлаковых отходов / В. А. Игуминова, А. Е. Карючина, А. С. Ровенских. — Текст : непосредственный // Исследования молодых ученых : материалы VI Междунар. науч. конф. (г. Казань, январь 2020 г.). — Казань : Молодой ученый, 2020. — С. 21-25. — URL: https://moluch.ru/conf/stud/archive/357/15509/ (дата обращения: 20.11.2021).

В статье рассмотрены возможные способы утилизации золошлаковых отходов (ЗШО) как на территории Российской Федерации, так и в европейских странах. Проанализирован химический состав и предложен наиболее перспективный способ переработки данного вида отхода  производство строительных материалов. Для данного применение отхода необходимо, чтобы его компонентный состав соответствовал определенным техническим требованиям. С этой целью следует провести ряд лабораторных исследований по выявлению физико-химических свойств ЗШО.

Ключевые слова: зола, золошлаковые отходы, компонентный состав, строительные материалы, переработка отходов.

Золошлаковые отходы (ЗШО) — вид отхода, образованный в процессе сжигания угля, имеющего большую зольность, в котле на тепловых электростанциях (ТЭЦ).

Классификация золошлаковых отходов [1], как правило, зависит от вида сжигаемого угля, способа сжигания, температуры факела, способа золоудаления, сбора и хранения золы на ТЭС. В связи с этим выделяют следующие виды:

− Зола-уноса при сухом золоудалении с осаждением частиц золы в циклонах и электрофильтрах и накоплением в силосах.

− Топливные шлаки при полном плавлении минеральной части топлива, осаждении расплава в нижней части топки котла и грануляции расплава водой аналогично придоменной грануляции доменных шлаков.

− Золошлаковая смесь при совместном мокром удалении уловленной обеспыливающими устройствами золы–уноса и топливных шлаков, образующихся в котле. Золошлаковая смесь в виде пульпы направляется в золоотвал.

По данным Минприроды России [2], ежегодно на российских угольных электростанциях образуется примерно 22 млн тонн золошлаковых отходов, из которых лишь 10–15 % находят своё дальнейшее применение, из-за чего общий объём накоплений ЗШО неуклонно растёт и сегодня составляет примерно 1,5 млрд. тонн. По словам заместителя председателя комитета Госдумы по энергетике Дмитрия Исламова, золоотвалы в России занимают примерно 30 тыс. га территории. По сравнению с зарубежными странами, утилизация ЗШО в России находится на сравнительно низком уровне.

Актуальность данной проблемы [3] непосредственно связана с отрицательным влиянием золошлаковых отходов на окружающую среду, выраженным:

− в образовании пылений;

− в выделении в атмосферу загрязняющих химических элементов и их соединений (в том числе CO, NO_X, SO_X);

− в использовании огромных площадей под золоотвалы.

На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что переработка данного вида отхода необходима, так как это позволит не только снизить негативное воздействие окружающей среды на население, но и приведёт к сокращению расходов природных ресурсов.

II. Постановка задачи

Целью настоящей работы является рассмотрение возможных способов использования золошлаковых отходов на территории Российской Федерации, а также проанализировать, как эту проблему решают зарубежные страны.

− Изучение компонентного состава золы;

− Рассмотрение всевозможных способов переработки ЗШО;

− Анализ мирового опыта по переработке золошлаковых отходов.

В настоящее время существуют два основных направления переработки золошлаковых отходов, первый из которых — извлечение металлов [4], другой — вторичная переработка отхода для его дальнейшего использования. Извлечение металлов является нерациональным способом обращения с отходом, поскольку проблема уменьшения площадей золоотвалов не решается, поэтому с эколого-экономической точки зрения разумно будет прибегнуть к вторичной переработке отхода.

На сегодняшний день активно развиваются следующие основные отрасли применения золошлаковых отходов, продукция которых должна соответствовать определенным техническим характеристикам, указанным в нормативных документах (рис. 1) [5–6]:

− строительные материалы (цемент, кирпич, блоки);

− дорожное строительство (наполнители для дорожного полотна);

− строительные проекты (стеновой материал);

− производство различных наполнителей;

− сельское хозяйство (стабилизаторы почвы).

Рис. 1. Отрасли применения ЗШО

Химический состав золы [7], в зависимости от месторождения сжигаемого угля, будет иметь следующий компонентный состав, как показано в таблице 1.

Усредненный компонентный состав

Компонентный состав золы,%

Именно из-за своего разнообразного химического состава наиболее масштабной областью применения золошлаковых отходов в России [1] является строительная индустрия:

1. ЗШО могут использоваться для производства строительных материалов и изделий, таких как шлакоблоки, кирпичи и строительные смеси;
2. ЗШО реализуются в дорожном строительстве (при сооружении земляного полотна, для устройства укрепленных оснований, для возведения насыпей, для устройства дорожных одежд).

На сегодняшний день в России существует ряд предприятий [2], деятельность которых направлена на производство строительных материалов из ЗШО. К их числу относятся «Сибирская генерирующая компания» (СГК) в Кемеровской области, Рефтинская ГРЭС «Энел Россия» в Свердловской области, «Основа Холдинг» в Омской области.

В зарубежных странах вопросу о переработке золошлаковых отходов уделяют значительно больше внимание, чем на территории Российской Федерации, этому свидетельствуют показатели уровня утилизации ЗШО. К примеру [8], в Германии и Франции этот показатель составляет 70 %, а в Финляндии — около 90 %, что позволяет большинству ТЭЦ обходится без золоотвалов.

Решением задач, связанных с переработкой и дальнейшим применением ЗШО, занимаются специальные ассоциации, такие как American Coil Council (США), Asian Coal Ash Association (Китай, Индонезия, Австралия), European Coal Combustion Products Association — Европейская ассоциация по утилизации продуктов горения угля (в нее входят 28 энергетических компаний из 15 стран).

В Европейских странах реализация золошлаковых отходов происходит по следующим направлениям [9], представленных на рис. 2.

Рис. 2. Отрасли применения ЗШО в Европе

IV. Результаты исследования

Для использования золошлаковых отходов в производстве строительных материалов, а именно бетона, компонентный состав отхода должен соответствовать определенным техническим требованиям, указанным в соответствующих ГОСТ [10]:

1. Содержание оксида кальция CaO в зольной составляющей золошлаковой смеси (ЗШС) и в мелкозернистой смеси должно быть не более 10 % по массе;
2. Содержание оксида магния MgO в зольной составляющей смеси и в мелкозернистой смеси должно быть не более 5 % по массе;
3. ЗШС будут классифицироваться на марки в зависимости от зернистого состава и морозостойкости.

Золошлаковая смесь, применяемая в дорожном строительстве, также должна соответствовать техническим требованиям, обозначенным в ГОСТ [12]:

1. ЗШС, величина относительной деформации морозного пучения которой не превышает 0,035, применяют для возведения насыпей земляного полотна без ограничений;
2. Содержание щелочных металлов в золошлаковой смеси должно быть не более 5 % по массе;
3. В ЗШС, предназначенной для укрепления цементом, содержание оксида кальция должно быть не более 10 % по массе.

По полученным результатам можно сделать следующие выводы:

1. Химическое разнообразие состава зол позволяет найти им применение во многих отраслях при дальнейшей переработке.
2. На сегодняшний день существует несколько способов переработки ЗШО, главным из которых является производство строительных материалов, но для утверждения о пригодности золошлаковых отходов в производстве необходимо провести ряд лабораторных исследований, с целью выявления физико-химических свойств.
3. Развитие отраслей по переработке золы на территории Российской Федерации еще не достигло высокого уровня, поэтому есть необходимость в их дальнейшей модернизации.

Источник