ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ

Титаева Евгения Дмитриевна

студент кафедры «Промышленного и гражданского строительства»
Северо-Восточного государственного университета

E-mail: masama@rambler.ru

Кадырманова Анна Александровна

студент кафедры «Промышленного и гражданского строительства»
Северо-Восточного государственного университета

E-mail: anchik@maglan.ru

Шаповалова Татьяна Александровна

Научный руководитель, доцент кафедры «Промышленного и гражданского строительства» Северо-Восточного государственного университета

E-mail: masama@rambler.ru

За последние годы в мире значительно ухудшилась экологическая ситуация. Это связано с тем, что люди в погоне за прибылью  совершенно забыли об окружающей среде. Рост потребления благ человеком привел к существенному увеличению объемов образования различных отходов.

В России ежегодно образуются около 355-400 миллионов тонн ТКО.  Механизированной переработке подвергается 3—4 % от общего объема производства ТКО в стране, а это значит, что около 96 % остаются на бесчисленных свалках и полигонах. Несомненно, это наносит огромный вред как атмосфере, так и почве и воде.

 Если уже сейчас не задуматься над решением этой проблемы, то в будущем количество и размеры мест складирования ТКО  и промышленных отходов будут возрастать с огромной скоростью. Подобные процессы рискуют стать необратимыми. К людям должно прийти осознание того, что данную проблему невозможно решить за короткий срок действиями отдельных ведомств. Каждый должен задумываться о состоянии окружающего мира. А власти всех уровней в свою очередь должны вплотную заняться разработкой законодательной базы, которая позволит регулировать выброс и утилизацию отходов.

Несмотря на то, что создание и регулирование системы управления отходами потребует больших временных и денежных затрат, она остро необходима, так как данные затраты будут в разы меньше тех, что, возможно, повлекут за собой последствия неконтролируемого выброса отходов. Кроме того, переработанные отходы могут быть вторично использованы в производстве, что позволит сэкономить средства на материалах и, возможно, улучшить качество продукции.

Все отходы по происхождению делятся на:

• отходы производства (промышленные),
• строительные отходы,
• отходы потребления (коммунально-бытовые).

Рис. 1 Классификация отходов

Промышленные отходы – это твердые отходы, полученные в результате жизнедеятельности производства, неиспользуемые остатки сырья, возникающие в ходе технологических процессов. Отходы, неиспользуемые в рамках данного производства, но применяемых в других производствах, являются вторичным сырьем.

Строительные отходы образуются в результате строительно-монтажных работ, работ по ремонту зданий, сооружений дорожной инфраструктуры, а также при их сносе.

Отходы потребления образуются в промышленности и в быту. Твердые бытовые отходы образуются в жилом секторе, предприятиях торговли, административных зданиях, учреждениях, конторах, дошкольных и учебных заведениях, культурно-спортивных учреждениях, железнодорожных и автовокзалах, аэропортах, речных портах. Кроме того,  к  ним  относятся крупногабаритные отходы, дорожный и дворовой мусор.

По агрегатному состоянию отходы бывают:

• Твердые
• Жидкие
• Газообразные

По классу опасности для окружающей природной среды:

• 1класс – чрезвычайно опасные
• 2й – высоко опасные
• 3й – умеренно опасные
• 4й – малоопасные
• 5й  - практически не опасные

Среди промышленных отходов одно из первых мест по объемам занимают золы и шлаки от сжигания твердых видов топлива (уголь разных видов, горючие сланцы, торф) на тепловых электрических станциях.

Золами  называют остатки от сжигания твердого топлива (угля, сланца, торфа). Размер частиц золы менее 0,14 мм. Более крупные зерна относят к шлаковому песку и щебню.  По виду сжигаемого топлива золы подразделяют на угольные, сланцевые и торфяные. В зависимости от модуля основности золы, как и шлаки, бывают кислые и основные.

Химический состав зол сильно колеблется в зависимости от вида топлива.

Активностью золы называют ее способность при смешивании в тонкоизмельченном виде с воздушной известью и водой твердеть в различных условиях. Активность повышается при нaличии в золе кремнеземистого компонента или обожженных глинистых материалов и при повышении се удельной поверхности. 

Плотность золы составляет 1,75 .. 2,4 г/см³, однако плотность отдельных фракции может значительно отличаться от средних значении. Плотность зависит от вида топлива и температуры сжигания, обычно увеличиваясь с повышением последней. Размеры частиц золы зависят от сырья, места отбора пробы и обычно колеблются в пределах 5... 100 мкм

Зола-унос имеет серый или светло-серый цвет, близкий к цвету цемента, и постоянный химический и фазовый состав. В основном ее химический состав представлен оксидами кремний, алюминия, железа и кальция, а также примесями в виде оксидов магния, серы, натрия и калия. Фазовый состав золы-уноса включает главным образом алюмосиликатное стекло, а также кварц, оксиды железа и незначительное количество несгоревшего углерода. Частицы золы-унос имеют в основном сферическую форму и размеры от одного до 150 мкм (средний размер частицы меньше 20 мкм). Истинная плотность 2,2 г/см³, насыпная плотность 700—750 кг/м³.

Зола-уноса (далее — зола) представляет собой тонкодисперсный материал, состоящий, как правило, из частичек размером от долей микрона до 0,14 мм. Зола образуются в результате сжигания твердого топлива на ТЭС, и улавливается электрофильтрами, после чего в сухом состоянии отбирается с помощью золоотборника на производственные нужды, либо вместе с водой и шлаком отправляется на золоотвал.

Строение и состав золы зависит от целого комплекса одновременно действующих факторов: вида и морфологических особенностей сжигаемого топлива, тонкости помола в процессе его подготовки, зольности топлива, химического состава минеральной части топлива, температуры в зоне горения, времени пребывания частиц в этой зоне и др. При значительном содержании карбонатов в минеральной части исходного топлива под воздействием высоких температур в процессе горения образуются силикаты, алюминаты и ферриты кальция – минералы, способные к гидратации. Такие золы при затворении водой способны к схватыванию и самостоятельному твердению. В них, как правило, содержатся окись кальция и окись магния в свободном состоянии [3].

В соответствии с ГОСТ 25818-91 все золы по виду сжигаемого угля подразделяют на:

• антрацитовые, образующиеся при сжигании антрацита, полуантрацита и тощего каменного угля (А);
• каменноугольные, образующиеся при сжигании каменного, кроме тощего, угля (КУ);
• буроугольные, образующиеся при сжигании бурого угля (Б).

В зависимости от химического состава золы подразделяют на типы:

• кислые (К) — антрацитовые, каменноугольные и буроугольные, содержащие оксид кальция до 10 %;
• основные (О) — буроугольные, содержащие оксид кальция более 10 % по массе.

     Золы в зависимости от качественных показателей подразделяют на 4 вида:

I — для железобетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого бетонов;

II — для бетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого бетонов, строительных растворов;

III — для изделий и конструкций из ячеистого бетона;

IV — для бетонных и железобетонных изделий и конструкций, работающих в особо тяжелых условиях (гидротехнические сооружения, дороги, аэродромы и др).

В России около 70 % всей электроэнергии вырабатывается при сжигании твердого топлива — углей, сланцев, торфа, в результате чего образуется около 50 млн. тонн в год отвалов золошлаковых смесей. К концу 2001 г. в отвалах ТЭС находилось свыше 1,2 млрд. тонн таких отходов, а уровень их утилизации составляет только около 10 %. использование отходов от сжигания твердого топлива — это не только проблема возрастающего загрязнения окружающей среды и, следовательно, здоровья нации, но и вопрос экономии материальных ресурсов.

Отвалы ТЭС в России занимают значительные территории (около 200 тыс. га), являются источником загрязнения воздушного и водного бассейнов и увеличивают минерализацию грунтовых вод. В ряде регионов эти отвалы значительно осложнили экологическую обстановку. Если учесть, что около 70% всей электроэнергии в стране вырабатывается при сжигании твердого топлива, то рост золошлаковых отходов будет продолжаться и, следовательно, возрастет их отрицательное воздействие на экологию. Таким образом, утилизация золошлаковых отходов становится уже не столько вопросом экономии материальных ресурсов, сколько проблемой безопасности населения страны. Научные исследования и практика дорожного строительства показали, что золы и шлаки от сжигания твердых видов топлива представляют собой материалы, пригодные для применения во многих отраслях народного хозяйства:

• в сельском хозяйстве — как удобрение;
• в металлургии — как материал для получения алюминия и концентрат для получения железа;
• в строительной индустрии золошлаковые смеси и золы сухого улавливания — как сырье для цементов и бесклинкерных вяжущих, бетонов (тяжелых, легких, ячеистых), пористых заполнителей, силикатных, керамических, теплоизоляционных и других материалов.

В настоящее время во многих странах, в том числе в России, накоплен достаточно большой опыт применения золошлаковых материалов во многих отраслях народного хозяйства.

Обзор отечественного и зарубежного опыта использования зол и золошлаковых материалов освещает вопросы их применения при строительстве земляного полотна и слоев дорожных одежд. Так, золы сухого улавливания и золошлаковые материалы можно использовать при укреплении грунтов различного состава, как в виде самостоятельного вяжущего материала, так и в составе комплексного вяжущего (в сочетании с органическими и неорганическими вяжущими, смолами). Накоплен опыт применения этих материалов в асфальто- и цементобетонах.

Экспериментальные исследования ЗШО Магаданской ТЭЦ

В России золы и золошлаковые смеси образуются на 200 ТЭС (ТЭЦ, ГРЭС), и только приблизительно на 20 из них имеются установки для сухого улавливания золы. Объем золошлаковых отходов после сжигания углей, сланцев и торфа, по данным Всероссийского теплотехнического научно-исследовательского института (ВТИ), составляет 40—50 млн. т в год.

Магаданская ТЭЦ для своей работы использует каменный уголь Кузнецкого бассейна. Физические свойства зол после сжигания углей различных месторождений представлены в таблице

Как в Российском, так и зарубежном опыте использования отходов известен опыт  применения золы-уноса ТЭС для улучшения свойств тяжелых бетонов. Золу-уноса ТЭС можно применять при изготовлении как монолитных так и сборных бетонных и железобетонных конструкций. Использование золы-уноса позволяет управлять процессами структурообразования, регулировать подвижность и жизнеспособность бетонной смеси (интервал времени до потери смесью подвижности) скорость твердения и прочность в заданном возрасте. Эффективность использования золы в одинаковой степени зависит как от характеристик исходных материалов (золы и цемента) как и от правильного подхода к выбору направления ее использования. [2, с. 33] Технология позволяет использовать золу уноса в бетонах в трех направлениях:

• зола как добавка взамен части цемента;
• зола взамен части песка;
• зола в качестве самостоятельного компонента (активного микронаполнителя).

Цель эксперимента — выявление оптимального по цене и свойствам состава бетона. [1, с. 51] В качестве ингредиентов  были использованы:

• Вяжущие вещество-цемент марки 400, плотность 3100 кг/м³
• Крупный заполнитель-щебень, крупностью 10-20мм, плотностью 2600кг/м³,
• Песок, крупностью 0,16-2,5мм
• ЗШО Магаданской ТЭЦ 0,05-2,5мм, плотностью 440кг/м³ 

По рекомендациям НИИ  целесообразно замещать золошлаками 10-20% заполнителя или использовать золошлаки в качестве самостоятельных минеральных добавок.

Для проведения эксперимента создавались контрольные образцы и образцы с добавлением золошлаков. Состав контрольного образца был следующим: 

• Цемент – 0,489 кг
• Песок – 0,489 кг
• Щебень – 0,978 кг
• Вода – 0,244 кг

Первоначально были созданы и испытаны образцы размером 15*15*15 см замещением крупного заполнителя (щебня). Образцы были выдержаны  в течение 28 дней, а по истечении этого срока проверены на прочность на сжатие.  Испытания показали, что  замещение крупного заполнителя золошлаками нецелесообразно, поскольку прочность в сравнении с контрольным образцом уменьшается в несколько раз.

Далее был проведен эксперимент  с замещением золошлаками вяжущего вещества. Для проведения эксперимента создавались кубики 10*10*10 см, среди которых  один являлся контрольным образцом, в три другие был добавлен золошлак фракции до 0,16 мм вместо 10 %, 15 %, 20 % цемента. Образцы выдерживались в течение 7 дней и  по истечении этого срока также были проверены на прочность.

Рис. 2 Результаты эксперимента с замещением вяжущего вещества

Самым эффективным оказалось замещение мелкого заполнителя (песка). Аналогично предыдущему эксперименту создавались кубики со стороной 10 см среди которых также был контрольный образец, а в других содержалось 10 % , 15 %, 20 % золошлаков вместо мелкого заполнителя. Образцы были выдержаны 7 дней. Проверка на прочность показала, что при замещении 20 %  мелкого заполнителя ЗШО, прочность бетонного кубика близка к прочности контрольного образца.

Рис. 3 Результаты эксперимента с замещением мелкого заполнителя

  На основании данных результатов было решено провести испытание образцов  с замещением 16—22 % песка золошлаками.

Рис. 4 Результаты эксперимента с замещением мелкого заполнителя

Потребление материальных ресурсов при строительстве автомобильных дорог чрезвычайно велико. На возведение 1 км автомобильной дороги в зависимости от ее категории и местных условий требуется:

• для сооружения земляного полотна — 6—60 тыс. м³ грунта;
• для создания дренирующих и морозозащитных слоев — 1,6—6 тыс. м³ песка;
• для строительства дорожного основания — 0,8—5,4 тыс. м^{3 -} щебня или грунта, укрепленного вяжущими материалами;
• для строительства дорожных покрытий — 1,1—4,7 тыс. т асфальтобетона (что требует 55—235 т битума) или 1,2—4,8 тыс. м³ цементобетона (480—1700 т цемента)

Уменьшение потребности в дорожно-строительных материалах и повышение эффективности их использования остается важнейшей проблемой. Многолетние научные исследования и практика дорожного строительства показали, что одним из путей ее решения является применение вторичных ресурсов — отходов промышленности, которые можно использовать или в качестве непосредственно дорожно-строительного материала или как исходный продукт для его получения.

К таким отходам относятся золы и шлаки — продукты сжигания на тепловых электростанциях (ТЭС) твердого топлива: угля, торфа, сланцев и других горючих материалов. Следует различать:

• золу уноса сухого улавливания, когда зола, поступающая с электрофильтров и из циклонов ТЭС в золосборники, направляется специальным пневмотранспортом в силосные склады либо непосредственно в транспортные средства потребителей;
• золошлаковую смесь гидроудаления, когда при очистке золосборников с помощью воды зола и шлак в виде золопульпы удаляется в отвалы.

В дорожном строительстве золы и золошлаковые смеси используются при сооружении земляного полотна, для устройства укрепленных оснований, в качестве заполнителя и минерального порошка в асфальтобетонах. Золы сухого улавливания можно применять в качестве самостоятельного вяжущего, а также как активную добавку к неорганическим и органическим вяжущим веществам.

Система управления отходами должна включать технологические, экономические, юридические и социальные аспекты управления отходами, учитывать особенности управления отходами, связанные с масштабом территории, учитывать ее географическое  положение, климатическими условиями, уровнем развития и специализацией производства товара и работ, оказанием услуг, связанных с образованием и движением отходов.

Особенностью финансирования системы управления отходами является комплексный подход к решению указанной проблемы, к ее инновационной и инвестиционной сторонам. В настоящее время в регионах остро необходима разработка программ финансирования систем управления отходами. Одним из приемлемых вариантов является экономическая модель решения проблемы, обеспечивающая увеличение объемов использования отходов в качестве вторичных материальных и энергетических ресурсов, уменьшение объемов размещения отходов на свалках, полигонах, хранилищах с 97 до 20 %, значительное уменьшение выбросов и сбросов загрязняющих веществ.

В качестве основных принципов управления отходами производства и потребления можно выделить следующее:

• Приоритет охраны окружающей среды, здоровья и жизни человека
• Научно обоснованное сочетания экологических и экономических интересов общества, обеспечение создания и внедрения малоотходных и безотходных производственных процессов, комплексная переработка материально-сырьевых ресурсов на основе замкнутых технологических циклов, экологически безопасное размещение отхода в окружающей природной среде, реализация мероприятий по замене первичного сырья вторичным.
• Необходимость экономии сырья и материалов за счет рационального их использования, предотвращения вредных последствий для окружающей среды в результате бесконтрольного накопления, использования и выброса отходов
• Более полное использование и вовлечение в производство вторичных материальных ресурсов, образующихся во всех сферах деятельности общества, путем разработки и реализации комплексных и целевых программ по их использованию.

В результате изученных теоретических данных о золошлаковых отходах, проведенного эксперимента и произведенных расчетов было доказано, что применение золошлаквых отходов в качестве заполнителей для бетонов является действительно технчески и экономически эффективным. Для того, чтобы данные технологии широкое распространение в производстве требуется более детальное изучение проблемы. Причем исследования должны проводиться в каждом регионе, поскольку состави характеристики ЗШО значительно отличаются в зависимости от используемого топлива, месторождения угля, технологии ведения работ на ТЭС.

В дальнейшем планируется изучение образцов тяжелого бетона, в которых ЗШО используется в качестве самостоятельного компонента, проведение большего количества испытаний с различным сроком затвердевания бетона для получения более точных сведений, изучить влияние других видов ТБО на качества бетонов.

Внедрение подобных технологий в производство позволит не только решить вопрос экономии природных материалов, но и благоприятно повлияет на состояние окружающей среды.

Список литературы:

1. Рекомендации по подбору составов тяжелых и мелкозернистых бетонов (к ГОСТ27006-86) Москва ЦИТП 1990, — 52 с
2. Рекомендации по применению в бетоназ золы, шлака и золошлаковой смеси тепловых электростанций// Стройиздат, 1986, — 34 с
3. http//www.zoloshlaki.ru  (дата обращения: 10.02.2012)