НАПРАВЛЕНИЯ УТИЛИЗАЦИИ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ БАЛАХТИНСКОГО УГЛЯ ПРИ СЛОЕВОМ СЖИГАНИИ

DIRECTIONS FOR DISPOSAL OF ASH WASTE BALAKHTINSKY COAL DURING LAYER COMBUSTION

Irina Eremkina

student, School of Energy Engineering, National Research Tomsk Polytechnic University,

Russia, Tomsk

АННОТАЦИЯ

В современном мире остро стоит проблема нехватки природных ресурсов, а переработка золошлаковых отходов могла бы помочь в реализации политики ресурсосбережения. Данная проблема остается нерешенной и особенно актуальна для России. Данная статья посвящена анализу характеристик золошлаковых отходов Балахтинского угля и направлениям его утилизации.

ABSTRACT

In the modern world, there is an acute problem of lack of natural resources, and the processing of ash and slag waste could help in the implementation of resource conservation policy. This problem remains unresolved and is especially urgent for Russia. This article is devoted to the analysis of the characteristics of the ash and slag waste of Balakhta coal and the directions of its utilization.

Ключевые слова: утилизация, экология, уголь, зола, шлак.

Keywords: recycling, ecology, coal, ash, slag.

Независимо от технологии сжигания угля, в результате остается «балласт» или золошлаковые отходы (ЗШО) – негорючие элементы топлива, образующие твердые очаговые остатки в виде шлака и золы, в разных технологиях сжигания процент выхода данных составляющих разнится, но, не учитывая недожог, суммарно остается неизменным и определяется исходным составом топлива.

Уголь используется главным образом в энергетике, где, после сжигания в топках котлов, образующиеся ЗШО удаляются в специально организованные места – золошлакоотвалы, где хранятся до заполнения проектной емкости хранилища. Золошлакоотвал представляет собой гидротехническое сооружение с чашеобразным углублением и наращенными бортами по периметру – дамбой. Дно золошлакоотвала и дамба состоят обычно из смеси гравийного грунта с песчаным наполнителем [4, с. 8].

Хранение ЗШО в золошлакоотвалах сопровождается несколькими неблагоприятными с экологической точки зрения особенностями, такими как пыление в процессе высыхания золошлаков, что может произвести неблагоприятное воздействие на объекты, находящиеся вблизи санитарно-защитной зоны золошлакоотвала: жилые комплексы, водоемы и прочее, дренаж воды, переносящей золошлаки от тепловых электростанций (ТЭС) к чаше золошлакоотвала, через его основание и попадание ее в водные горизонты местности, наличие в ЗШО тяжелых металлов, возможное содержание радиоактивных элементов и пр. делает данное сооружение весьма опасным для окружающей среды [4, с. 12].

Данные проблемы усугубляются исчерпанием емкостей существующих золошлакоотвалов и наращиванием дамб сверх проектных мощностей или выделением земельных угодий под новые чаши золошлакоотвалов. Остро эту проблему ощутили некоторые города электростанции которых были построенны в свое время за городом, а теперь находятся в черте города (Томск, Кемерово, Белово, Новосибирск).

По данным ЗАО «АПБЭ» («Агентство по прогнозированию балансов в электроэнергетике»), ежегодная выработка золошлаковых отходов в России составляет около 30 млн тонн, к 2011 году было накоплено в общей сложности более 1,5 млрд тонн. И, по прогнозной оценке, к 2020 году объем накопленных ЗШО превысит 1,8 млрд. т. [2, с. 21].

Приведенные данные описывают утилизацию ЗШО на крупных ТЭС, где данная технология внедрена и опробована десятилетиями, разработаны соответствующие нормативные документы и, во многих случаях, налажена система контроля хранения ЗШО. Кроме того, с начала эксплуатации золоотвалов ведутся работы по возможному использованию находящегося в них сырья, что подтверждается наличием многочисленных нормативных документов и технических требований к технологиям его переработки либо вторичного использования.

Кроме сжигания угля на крупных ТЭС, также широко распространено его использование на локальных котельных, используемых для нужд местного отопления и горячего водоснабжения. Такие котельные характерны для малых населенных пунктов, не обеспеченных магистральным газоснабжением.

Как правило такие котельные оснащены котлами со слоевым сжиганием, по своему характеру существенно отличающемуся от вихревого сжигания в топках котлов ТЭС. При данном способе сжигания топливо поступает в топку в исходном, не размельченном виде и образуется главным образом шлак – слипшиеся в результате частичного или полного расплавления частицы балласта топлива, характеризующиеся существенной неоднородностью состава и свойств по объему и, кроме того, высоким содержанием недожога т.е. частичек не полностью прореагировавшей с кислородом органической части топлива. Данные обстоятельства делают ЗШО локальных котельных уникальным материалом, не похожим по своему составу и свойствам на аналогичный продукт работы ТЭС, характеризующийся высокой (по отношению к представленному случаю) однородностью вследствие размельчения до пылевидного состояния топлива перед сжиганием, и меньшим содержанием недожога ввиду большей совершенности и автоматизированности процесса сжигания.

В отличие от ТЭС, локальные котельные, как правило, не оснащены комплексом оборудования и сооружений для складирования ЗШО, а оставшийся после сжигания шлак складируется на отведенных, но специально гидротехнически- и технологически не подготовленных для размещения подобного рода отходов участки. ЗШО при таком складировании могут периодически вывозится автомобильным транспортом, либо находиться и накапливаться в непосредственной близости от котельной. В любом случае, при таком подходе к размещению ЗШО имеет место его разнос по прилегающей территории, насыщение входящими в его состав растворимыми компонентами дождевых и талых вод и прочие негативные для окружающей среды воздействия.

Между тем, как в случае с ЗШО ТЭС, шлаки локальных котельных также могут быть использованы, что, в свою очередь, также решит проблему с их размещением.

Начиная заниматься данной проблемой необходимо выделить основные направления использования данного вида сырья на основе имеющихся литературных источников и нормативных документов. Проанализировав данные источники можно выделить следующие её направления [3, с. 28]:

- выемка ЗШО из мест складирования с последующей перевозкой и рекультивацией различных промышленных объектов либо использование как заполняющего, способного к цементации материала, при отсыпке дорожных полотен при их строительстве;

- укрепление почв на склонах и оползне-опасных участках вследствие цементации ЗШО содержащимися в нем соединениями кальция;

- использование ЗШО в строительстве (добавки к бетонам, производство строительных материалов и пр.);

- использование ЗШО в сельском хозяйстве в качестве раскислителя почвы и др.;

- извлечение отдельных, ценных для промышленности, элементов.

Однако, большинство вариантов использования ЗШО предъявляет жесткие требования к различным параметрам исходного сырья. Способы, в которых используются свойства оксидов кальция (добавки при производстве цемента, бетонов, отсыпка дорожных полотен, укрепление склонов, раскисление почвы, извлечение отдельных элементов) предъявляют жесткие требования по однородности СаО, СаО_св, недожоге, интересующих химических элементов и прочих основных показателях.

В качестве примера можно привести ГОСТ 26644-85 «Щебень и песок из шлаков тепловых электростанций для бетона», который предъявляет к шлаковому песку и рядовому шлаку требования к зерновому составу, т.е. остаток на сите с сеткой N 0315, в % по массе, не более 10 для первого и не более 20 для второго. Насыпная плотность щебня из плотного шлака, применяемого для тяжелого бетона, должна быть не менее 1000 кг/м³, шлакового песка из плотного шлака – не менее 1100 кг/м³. Кроме того, химические показатели включает в себя такие, как потеря массы при прокаливании (для железобетонных и бетонных конструкций содержание не более 3%); cодержание сернистых и сернокислых соединений в пересчете на SO₃ (не более 3% по массе); содержание в щебне и песке свободного оксида кальция не должно превышать 1% [1, с. 4].

В любом случае, для определения вариантов использования ЗШО необходима информация о свойствах вещества (химических, физических, минералогических), конструктивных свойств материала (недожог, распределение частиц, плотность), специфические свойства (воздействия на свойства бетона: эффекты наполнения, несущие эффекты и т.д.).

Для решения поставленной задачи были исследованы пробы Балахтинского угля и шлака после его сжигания в слоевой топке водогрейного котла. Данный уголь выбран ввиду его большого распространения в коммунально-бытовой и промышленной среде Западной Сибири.

При рассмотрении исследуемого угля были выявлены характерные внешние признаки. Уголь имеет преимущественно коричнево-бурый цвет с черными матовыми вкраплениями между слоями, слоистую (полосчатую) структуру, характерный металлический блеск, среднюю твердость. Шлак имеет серо-черный цвет с белыми вкраплениями, пористую неоднородную структуру, состоит из спекшихся элементов с примесями мелких частиц золы, легко крошится. Зола представлена в мелкодисперсном, пылевидном состоянии, имеет черный цвет, слабую слипаемость.

Перед исследованием исходное топливо, шлак и зола были отобраны ситовым методом и измельчены в специальной мельнице. Затем пробы помещались в банки, подписывались и передавались на анализ. Сделано это для оценки объективности анализов шлака и косвенной оценки эффективности топочных процессов в котле. Сводные результаты исследования представлены в табл.1.

Таблица 1.

Результаты по химическому составу

В результате анализа химического состава золы и шлака можно заключить, что преобладающими компонентами являются оксиды кальция, алюминия и кремния. Общее содержание оксида кальция, который является основным показателем для производства строительных материалов, составляет 24-31%. Содержание свободного оксида кальция, являющегося активизатором процесса твердения, не превышает 5%. При этом наибольшее процентное содержание свободного оксида кальция составляет 4,59 % (при растирании недожога), что соответствует категории применения золы (I, II – для бетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого бетонов строительных растворов), согласно нормируемым значениям [1, с. 4]. Наименьшее значение – 1,09 % (без растирания шлака) – соответствует категории применения золы (IV – для бетонных и железобетонных изделий и конструкций, работающих в особо тяжелых условиях (гидротехнические сооружения, дороги, аэродромы и др.). В таблице 2 приведены технологии использования ЗШМ в строительной отрасли и экономические показатель при их внедрении.

Таблица 2.

Технологии использования ЗШО в строительной отрасли и экономические показатели при их внедрении

Без ограничений данное сырье можно использовать в качестве насыпного материала для формирования насыпей автомобильных дорог, регламентируемое документом ОДМ 218.2.031-2013. В настоящее время формирование насыпей производится песчано-гравийной смесью, преимущественно добываемой карьерным способом, что приводит к нарушению экологической обстановки в регионе в большинстве случаев с последующим образованием озер на месте карьеров. Как показано выше ЗШО идентичны природным силикатным соединениям.

Также, исследуемый шлак при размельчении может быть использован в конструкционно-теплоизоляционных бетонах для частичной и полной замены пористых песков и снижения средней плотности бетона, для конструкций подводных и внутренних зон гидротехнических сооружений.

В процессе анализа литературных источников установлено, что существует такой способ обработки золы, при котором из неё частично (на 50-60%) извлекается диоксид кремния, который может быть выделен из раствора в достаточно чистом виде и использован для нужд химической промышленности (изготовление катализаторов нефтехимического комплекса, жидкого стекла, лакокрасочных материалов и т.д.).

Также обращает внимание высокая концентрация оксидов алюминия, делающая исследованное ЗШО ценным сырьем для данной отрасли, однако, остается под вопросом рентабельность технологии извлечения данного элемента.

По результатам проведенных экспериментальных исследований можно заключить, что главным литофильным компонентом шлака является кремнезем, а зола, по ряду элементов и их совокупности представляет собой рудный концентрат. Основными свойствами ЗШО, способными быть использованными в схемах утилизации, можно считать: высокое содержание оксида кальция, позволяющий использовать ЗШО в производстве материалов, изделий и конструкций, применяемых для строительства и реконструкции жилых и общественных зданий.

Однако, учитывая относительно малый выход ЗШО на локальных котельных и их рассредоточенность, остается открытым вопрос экономической целесообразности транспортировки данного сырья к местам переработки, т.е. при анализе методов утилизации, естественно, должна учитываться экономическая целесообразность. Представляется, что данное замечание сведет на нет большинство попыток внедрения данных технологий.

Список литературы:

1. ГОСТ 25818-91. Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. – М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. – 12 с.
2. Кожуховский И.С., Целыковский Ю.К. Угольные ТЭС без золошлакоотвала: реальность и перспективы // Энергетик. 2011. №6. С. 20-32.
3. Козлов М.М., Ильин В.Д., Целыковский Ю.К. Использование золошлаковых отходов ТЭЦ-22 в народном хозяйстве. //Электрические станции. - 2005. -№11.
4. Пантелеев В.Т., Мелентьев В.А., Долбин Э.Л. и др. Золошлаковые материалы и золоотвалы. – М.: Энергия, 1988. – 200 с.