ПРИМЕНЕНИЕ ЗОЛОШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В КОНСТРУКЦИЯХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются объёмы образования, накопления и утилизации ЗШО в мире, классификация золошлака и все сферы применения в дорожном строительстве разных видов золошлаков. Так же сравнили опыт применения ЗШМ в отечественном строительстве. Разработаны практические предложения по применению золошлаковых материалов в строительстве автомобильных дорог.

ABSTRACT

The article discusses the volume of formation, accumulation and utilization of ash in the world, the classification of ash slag and all areas of application in road construction of different types of ash slag. We also compared the experience of using ASM in domestic construction. Practical proposals on the use of ash and slag materials in the construction of highways have been developed.

Ключевые слова: золошлаковые отходы, объёмы накопления, утилизации и накопления, мировой и отечественный опыт использования зшо, практические предложения.

Keywords: ash and slag waste, volumes of accumulation, utilization and accumulation, world and domestic experience in the use of ash and slag, practical suggestions.

Введение.

Актуальность исследования обусловлена увеличивающимися объемами строительства автомобильных дорог и необходимостью увеличения объемов повторного использования золошлаковых материалов ТЭЦ. Ниже представлены объемы образования ЗШО и их использование в строительной индустрии стран лидеров.

Рисунок 1. Страны лидеры по объему и утилизации ЗШО

Рисунок 2. Мировой опыт применения золошлаковых смесей ТЭС

Индия. Индия входит в топ 3 крупнейших потребителей электроэнергии в мире. Несмотря на рост популярности возобновляемых источников энергии, основным источником энергии остаётся уголь: более 70% электричества в стране производится на угольных теплоэлектростанциях. Производство летучей золы увеличилось примерно с 84 млн тонн в 2000-01 годах до 191 млн тонн в 2014-15 годах, что означает рост почти в 2,3 раза. Использование, соответственно, увеличилось с менее 18 млн тонн в 2000-01 годах до немногим более 100 млн тонн в 2014-15 годах, показав рост примерно в 5,5 раз за тот же период. При запасе угля в 300 млрд т. текущий годовой объем образования ЗШО в Индии составляет более 200 млн т, и, согласно прогнозам, к 2031−2032 гг. значение ежегодного выхода золы может возрасти до 1 млрд т.

Согласно официальному сайту [4] по золошлаковым отходам правительство уделяет большое внимание увеличению мощностей по производству электроэнергии в стране для достижения цели «ЭНЕРГИЯ ДЛЯ ВСЕХ». Ожидается, что в обозримом будущем производство электроэнергии по-прежнему будет в значительной степени зависеть от угля. Предварительный прогноз производства угля до 2032 года представлен на графике рядом.

Рисунок 3. График прогноза производства угля

Исходя из информации предоставленной на графике сайта Института угольной золы Индии можем сделать вывод, что объёмы накопления и образования золошлаковых отходов будут сильно расти следующие 7 лет. Существует необходимость в утилизации этих отходов. Нынешняя схема использования золы-уноса представлена на прилагаемой круговой диаграмме.

Рисунок 4. Круговая диаграмма использования золы-уноса. Индия

Цемент 42,26%; Бетон 0,74%; Другое 32,58%; Сельское хозяйство 1,93%; Кирпичи и черепица 11,72%; Рекультивация низменных территорий 10,77%;

С 1999 г. в стране законодательно регламентировано обязательное использование золы в качестве основного материала при выполнении различных строительных работ, в т.ч. в дорожном строительстве. Так, в 2023 г. уровень утилизации вторсырья в Индии достиг показателя в 55%. Применение вторсырья в дорожном строительстве является одним из наиболее перспективных направлений утилизации: общая дорожная сеть Индии составляет 6,37 млн км, что делает её второй по величине в мире. В стране наблюдается постоянный рост строительства национальных автомагистралей: 13.327 км в 2020–2021 гг. по сравнению с 4 410 км в 2014–2015 гг. Такая тенденция связана с быстрыми темпами экономического роста Индии, повлекшего увеличение числа владельцев транспортных средств. [4]

В 2018 г. с целью организации удобной и быстрой связи между столицей и пятью штатами Правительством Индии был запущен масштабный проект строительства автомагистрали Дели-Мумбай. После завершения работ ее протяженность составит 1,4 тыс. км. Эта магистраль станет самой длинной в стране. Для реализации этого проекта было решено использовать золу-уноса с целью частично заменить портландцемент.

Китай. China Association of Circular Economy [4] проводит фундаментальную государственную политику по сохранению ресурсов и защите окружающей среды, а также реализует закон о развитии экономики замкнутого цикла. Опираясь на членов и взаимодействуя со всеми сторонами, CACE играет роль моста и вносит активный вклад в создание системы переработки ресурсов, охватывающей все общество, повышение эффективности использования ресурсов, предотвращение загрязнения у источника, продвижение экологически чистых, замкнутых и низкоуглеродных технологий. В 2010 году в Китае были утверждены руководящие принципы по утилизации золы-уноса и введен ряд сопутствующих мер, таких как финансирование или налоговые льготы для проектов, использующих золу-уноса

Использование золошлаков генераций КНР

Технология извлечения глинозема из золошлаков:

- В Китае работает более 10 зольно-глиноземных заводов

- Производство цементных, бетонных и прочих строительных материалов

- Производство газобетонных изделий

- Строительство инфраструктурных объектов с применением золы-уноса

В частности, золошлаки используются в производстве цементных, бетонных и прочих строительных материалов. Применение ЗШО в качестве добавки в цемент и бетон в Китае практикуется с 1950-х годов с целью замещения некоторых глинистых материалов, кремнезема или глиноземсодержащих материалов.

США. США является второй страной в мире (после Китая) по объёмам потребления энергетического угля. В связи с этим в США образовывается значительное количество ЗШО. С 1968 года Американская золошлаковая ассоциация (ACAA) осуществляет мониторинг объемов образования и практик утилизации всех видов ЗШО. В 2018 году в США наблюдалось ухудшение ситуации в части использования золошлаков (как в абсолютных, так и относительных показателях): так в 2018 году было утилизировано 57% от годового объема образования ЗШО, что ниже на 7 п.п. соответствующего показателя за 2017 год. В то же время на протяжении последних лет в США перерабатывается свыше 50% образованных золошлаков.

Агентство по охране окружающей среды США тщательно изучает риск, который угольная зола представляет для окружающей среды. Во-первых, Агентство пришло к выводу, что зола, образующаяся в результате сгорания ископаемого топлива, не является опасной и не требует регулирования как опасные отходы в соответствии с законом о сохранении и восстановлении ресурсов (RCRA). В марте 1999 года Агентство по охране окружающей среды еще раз подтвердило, что угольная зола не требует регулирования как опасные отходы, и призвало к полезному использованию побочных продуктов сгорания угля. 22 мая 2000 г. Федеральный реестр опубликовал окончательное решение Агентства по охране окружающей среды «Уведомление о нормативном определении в отношении отходов от сжигания ископаемого топлива»

Довольно широкое применение золошлаков в США получило использование золы-уноса в строительстве автомобильных дорог и мостов. Крупнофракционная зола часто используется в качестве наполнителя в строительной отрасли, заменяя гравий и песок.

Из популярных и масштабных построек с использованием золы-уноса - устройство стабилизированных основания на ВПП Аэропорта Лэнглейд

Российская Федерация. Нормативные документы.

На сегодняшний день [1] в Российской Федерации действуют 172 твердотопливные ТЭС, 148 из них являются крупными установками сжигания. По разным оценкам, годовая выработка золошлаков российскими ТЭЦ, сжигающими уголь, торф и сланцы, составляет от 25 до 30 миллионов тонн, причем используется лишь от 10 до 12% этого объема. Остальные 88–90% хранятся в золоотвалах, являющихся одним из основных источников загрязнения окружающей среды при производстве электрической и тепловой энергии и наносящих значительный экологический ущерб в районе своего расположения.

С целью снятия административных барьеров и формирования стимулов сбыта продукции Правительством был утвержден комплексный план по повышению объёмов утилизации золошлаков угольных электростанций, а также принят Федеральный закон № 343-ФЗ, положения которого предусматривают возможность использования для ликвидации горных выработок и рекультивации земель ЗШО. При этом, с целью реализации проектов по повышению объёмов утилизации ЗШО разработана интерактивная карта, на которой представлена информация о местоположении золоотвалов. К сожалению, на данной карте не указаны многие золоотвалы Иркутской области.

Распоряжением Росавтодора [2] от 23.01.2023 № 62-р утвержден план мероприятий по использованию золошлаков в дорожном строительстве. Принято в целях реализации комплексного плана по повышению объемов утилизации золошлаковых отходов V класса опасности (утв. распоряжением Правительства от 15.06.2022 № 1557-р).

Распоряжение Правительства [3] РФ от 15 июня 2022 г. N 1557-р «Об утверждении комплексного плана по повышению объемов утилизации золошлаковых отходов V класса опасности»

Рисунок 5. Комплексный план по повышению объемов утилизации золошлаковых отходов V класса опасности

Цель – повышение эффективности строительства автомобильных дорог на основе использования золошлаковых материалов.

В мировой практике существуют различные классификации золошлаковых отходов, например:

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

Классификация золошлаковых отходов зависит, как правило, 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. Представляет из себя тонкодисперсный материал с весьма малым размером частиц, что позволяет использовать ее для ряда производств без дополнительного помола.

−Топливные шлаки, это материал, образующийся в топках тепловых агрегатов, скапливающийся в нижней части топочного пространства и удаляемый в жидком или спекшемся состоянии. 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. Приводит следующую классификацию [7]. Примеры использования и утилизации тех или иных видов золошлаковых отходов стран лидеров рассмотрены выше.

Методы

Разработаны следующие методы применения зол-уноса в дорожном строительстве:

1. Производство золошлакового бетона. Разработка и использование

бетонов на основе золы и шлака для устройства дорожных оснований и покрытий.

Преимущества: Повышенная прочность, сохранение устойчивости. Также снижение себестоимости материалов за счет утилизации отходов.

2. Использование ЗШМ в слоях дорожного покрытия. Внедрение технологий укладки с использованием золошлаковых материалов.

Преимущества: Увеличение срока службы, улучшение дренажных свойств и снижение общего дорожного покрытия.

3. Применение ЗШМ в производстве асфальтобетона. Введение золы уноса и шлака в состав асфальтобетонных смесей.

Преимущества: Повышение устойчивости к образованию трещин и колейностей, улучшение сцепных свойств и снижение затрат на производство асфальтобетона.

4. Реконструкция и ремонт дорог с использованием ЗШМ.  Использование золошлаковых материалов при ремонте и реконструкции существующих дорог.

Преимущества: Экономия на материалах и снижение нагрузки на полигоны ТБО за счет переработки промышленных отходов.

5. Создание технологий сохранения грунтов. Разработка технологий и восстановления грунтов под дорожными фундаментами с помощью ЗШМ.

Преимущества: Увеличение несущей способности, улучшение экологии за счет утилизации отходов.

Наиболее эффективными направлениями применения золошлаковых отходов строительстве являются и активно использовались и будут использовать в дорожном строительстве следующих проектов:

• Строительство дороги НОВ-1 НОВ-2 (Северный обход г.Омск, золоотвал ТЭЦ-5). Применение ЗШС в нижней части насыпей земляного полотна АД. Экономия встроительстве около 1,55 млрд. р.

• Автомобильная дорога «Шарап-Восточный». Замена рабочего слоя

из доменного шлака на всем протяжении трассы; замена части щебеночно-песчаной смеси С-5 на на всем протяжении трассы;

• Транспортная развязка на на автомобильной дороге «Северо-Западный обход города Кемерово». Применение ЗШС в основании земляного полотна в части

• Строительство транспортной развязки I категории в Ступинском районе Московской области; Строительство транспортной развязки в Люберецком районе Московской области (Лыткарино–Железнодорожный); и другие

Заключение. Проанализировав вышеупомянутую информации можно сделать следующие выводы:

Использование золошлаковых отходов (ЗШО) в строительстве дорог может улучшить экологическую обстановку и снизить затраты на строительство и ремонт дорог. Также стоит упомянуть про финансовую составляющую, а именно снижение стоимости строительства, что играет немаловажную роль в строительной индустрии страны.

Список литературы:

1. Путилова И.В. «Современное состояние проблемы обращения с угольной золой в России и за рубежом, аспекты применения угольной золы в водородной экономике» - Текст : электронный // - URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319923020359#baep-article-footnote-id6
2. Распоряжение Росавтодор от 23.01.2023 № 62-р «Об утверждении плана мероприятий («дорожной карты») по расширению применения золошлаковых материалов, а также дорожно-строительных технологий и материалов с их использованием в дорожной деятельности» - Текст : электронный // - URL: https://sumpro.ru/news/post?id=61941
3. Российская федерация. Законы. Распоряжение Правительства РФ от 15 июня 2022 г. N 1557-р «Об утверждении комплексного плана по повышению объемов утилизации золошлаковых отходов V класса опасности» – Текст : непосредственный.
4.  Официальный сайт. World Wide Coal Combustion Products Network (Всемирная сеть продуктов сжигания угля). URL: http://www.wwccpn.org
5. Нормативный документ. ОТРАСЛЕВОЙ ДОРОЖНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ ОДМ 218.2.031-2013 «МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ЗОЛЫ-УНОСА И ЗОЛОШЛАКОВЫХ СМЕСЕЙ ОТ СЖИГАНИЯ УГЛЯ НА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ»
6. Беседовала, О.М. Применение золошлаков сделают выгодным / О.М. Беседовала // Газета "Энергетика и промышленность России" - № 09 (173) май 2011 года.
7. 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: 29.05.2024).
8. Золотова, И.Ю. Бенчмаркинг зарубежного опыта утилизации продуктов сжигания твердого топлива угольных ТЭС, ФГОБУ ВО «Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации», «ИННОВАЦИИ И ИНВЕСТИЦИИ». № 7. 2020