Методы утилизации золошлаков ТЭС

Введение
На 172 угольных теплоэлектростанциях России в год сжигается более 123 млн т твёрдого топлива. При этом годовой выход золы и шлака от ТЭС, работающих на твёрдом угольном топливе, в среднем составляет около 25 млн т, а накопление золошлаков в золоотвалах − примерно 1,5 млрд т [6, с. 42].
Они являются источником загрязнения окружающей среды, представляют опасность для здоровья населения и угрозу растительному и животному миру близлежащих районов.
В энергетике многих стран уголь является одним из основных видов топлива и его доля в топливном балансе в последние годы имеет тенденцию к росту. В этой связи вопросы эффективного решения проблемы обращения с золошлаками энергетики становятся все более актуальными. Ситуация в России обостряется еще и тем обстоятельством, что гидрозолошлакоотвалы (ГЗО) подавляющего большинства угольных и других твердотопливных тепловых электростанций близки к проектному заполнению. Это ставит энергетиков России перед необходимостью срочного принятия эффективных мер по решению проблемы обращения с золошлаками, несмотря на то, что они не являются основной продукцией ТЭС.
В странах мирового сообщества проблема золошлаков ТЭС решается по-разному. Однако есть положительный мировой опыт эффективного решения проблемы обращения с золошлаками, применение которого было бы крайне полезным для России.
Цель данной работы: изучить методы утилизации золошлаков ТЭС.
1. Нормативно-правовые основы обращения с золошлаками
В соответствии с отраслевым руководящим документом «РД 34.27.109-96. Методические указания по проектированию систем пневмоудаления золы от котлоагрегатов, установок отпуска сухой золы потребителям и отгрузки ее на насыпные золоотвалы» для золошлаков ТЭС впервые были введены ниже указанные определения [9, с. 63].
Зола (зола-унос, летучая зола) − это частицы минерального остатка твердого топлива с включением некоторого количества недожога (несгоревшей органической части топлива), выносимые дымовыми газами из топки котлоагрегата.
Шлак представляет собой частицы минерального остатка твердого топлива с включением некоторого количества недожога, которые образуются в топке котлов с камерным сжиганием, выпадают из факела потока дымовых газов в топке котла и выходят из шлакоудалителя котла с крупностью до 40 мм или поступают из топки котлоагрегата с КС (ЦКС) через охладители шлака в шлакоудалители с крупностью до 10 мм.
Золошлаковые материалы – это шлак и зола с исходными свойствами, золошлаковая смесь и продукты их кондиционирования.
Подавляющее большинство энергетиков и других российских специалистов в области обращения с золошлаками используют термин «золошлаковые отходы», а не «золошлаковые материалы» [8, с. 13].
В.Я. Путилов считает, что «Золошлаки энергетики − это ценное минеральное сырье техногенного происхождения». Чем будут золошлаки в результате обращения с ними, зависит от намерений и действий. Если мы их перерабатываем, то они будут ценным минеральным сырьем техногенного происхождения. Если мы ими в большей или меньшей мере отравляем окружающую среду, размещая на ЗШХ, то золошлаки будут отходами.
Следует отметить, что определение золошлаков как отходов, влечет за собой и соответственное обращение с ними, как с отходами. Понятие «отходы» подразумевает, что золошлаки использовать в хозяйственных целях невозможно и их нужно размещать на полигонах для постоянного хранения. При ежегодном образовании в странах мирового сообщества золошлаков энергетических углей в количестве многих сотен млн т. требуются значительные площади для строительства золошлакохранилищ, расположенных вблизи крупных городов. Общеизвестно, что ЗШХ ТЭС даже при выполнении необходимого комплекса природоохранных мероприятий в той или иной мере оказывают угнетающее воздействие на окружающую среду не только в зоне их расположения, но и далеко за ее пределами вследствие пыления и загрязнения водного бассейна фильтратами токсичных и радиоактивных соединений. Следовательно, определяя на законодательном уровне золошлаки как отходы, мы препятствуем их переработке и способствуем их размещению на гидрозолошлакоотвалах, стимулируя отравление окружающей среды угольными электростанциями, и тем самым сознательно совершаем экологическое преступление против самих себя и человечества в целом.
Если мы придерживаемся второго определения, то золошлаки − это товарный продукт, а любой товар имеет свою цену. Следовательно, мы задумываемся о том, что нужно сделать для максимально выгодного применения золошлаков для производства различных видов продукции, как в качестве заместителей природного сырья, так и в качестве компонентов для производства иных видов продукции, аналогов которым в природной среде нет или имеется очень мало. В качестве примера можно привести микросферы или редкоземельные элементы [9, с. 64].
С 1996 г. научной группой Московского энергетического института совместно с ведущими специалистами организаций электроэнергетики по планам важнейших НИОКР РАО «ЕЭС России» были разработаны следующие руководящие и технические документы:
РД 34.27.109-96. Методические указания по проектированию систем пневмоудаления золы от котлоагрегатов, установок отпуска сухой золы потребителям и отгрузки ее на насыпные золоотвалы,
РД 34.02.103-98. Методика оценки технико-экономических показателей систем золошлакоудаления ТЭС с учетом экологических требований,
РД 153-34.1.-27.512-2001. Методические указания по расчету и рекомендации по снижению абразивного износа пневмотранспортных трубопроводов систем пылеприготовления и золошлакоудаления ТЭС,
Технические предложения по повышению надежности, экономичности и экологичности систем пневмозолоудаления от сухих золоуловите лей при раздельном или совместном факельном сжигании углей различных марок, 1996 г.
и откорректированы:
РД 153-34.1-10.341-2001. Нормы расхода материалов перегородок на ремонт аэрожелобов и пневмоаппаратов для транспорта золы.
РД 153-34.1-10.342-2001. Нормы расхода стальных труб на ремонт пневмозолопроводов пневмотранспортных установок систем золошлакоудаления ТЭС.
Характерной особенностью этих документов является то, что в практической деятельности сотрудников ТЭС и энергокомпаний их можно применять, не прибегая к другим источникам информации, кроме нормативов оплаты за использование природных ресурсов [9, с. 65].
Коллективом авторов (В.В. Сиротюк, Е.В. Иванов) Сибирской государственной автомобильно-дорожная академии разработаны методические рекомендации по применению золы-утноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях в дорожном строительстве [7].
В данном документы приводятся следующие определения терминов:
золоотвал: место для складирования золы-уноса и шлака в виде золошлаковой смеси,
зола-уноса: тонкодисперсный материал размером меньше 0,315 мм, который образуется из минеральной части твердого топлива, сжигаемого в пылевидном состоянии, и улавливаемый золоулавливающими устройствами из дымовых газов тепловых электростанций.
золоминеральная смесь: рационально подобранная смесь, которая пополучается смешением минеральных материалов (песка, щебня, грунта, отсева дробления, песчано-гравийных песчано-щебеночных смесей) с золой-уноса или золошлаковой смесью, строительной известью и (или) цементом (другими минеральными вяжущими), водой и специальными добавками (или без них).
золошлаки: продукты (шлак топливный, зола-уноса, золошлаковая смесь) комплексного термического преобразования горных пород и сжигания твердого топлива.
золошлаковая смесь: полидисперсная смесь из золы-уноса и шлака топливного, которая образуется при их совместном удалении на тепловых электростанциях.
Разработанный методический документ можно использовать при строительстве, ремонте и реконструкции городских дорог, автодорог промышленных и сельскохозяйственных предприятий [7].
Разработанный и введеный ГОСТ Р 57789-2017 распространяется на золы уноса, шлаки и золошлаковые смеси тепловых электростанций (ТЭС), которые используются в качестве сырья для производства искусственных пористых заполнителей: шлакозитового и зольного гравия, зольного аглопоритового гравия и щебня, глинозольного и глиношлакового гравия и щебня, зольного аглопоритового песка, глинозольного и глиношлакового песка, применяемых при изготовлении силикатных и легких бетонов [1].
Межгосударственный стандарт ГОСТ 25592-2019 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июня 2020 года

. [2]. Данный стандарт распространяется на золошлаковые смеси, которые образуются на тепловых электростанциях при совместном гидроудалении золы и шлака или механическим способом в золоотвал в процессе сжигания углей в пылевидном состоянии и представляют собой вторичные минеральные ресурсы, используемые в качестве компонентов для изготовления бетонов для всех видов строительства, сухих строительных смесей, минеральных вяжущих, строительных растворов, смесей щебеночно-гравийно-песчаных для покрытий и оснований автодорог и аэродромов и материалов, обработанных неорганическими вяжущими для аэродромного и дорожного строительства, а также для получения минерального порошка [2].
2. Характеристика золошлаков ТЭС
Золошлаки угольной теплоэнергетики представляют собой высокодисперсный песчано-пылеватый материал с большой величиной удельной поверхности, состоящий из частиц золы-уноса и шлаков, образуются при сжигании топлива [4, с. 15].
Состав и свойства золошлаков находятся в зависимости от состава минеральной части топлива, его теплотворной способности, способа улавливания и удаления, режима сжигания, места отбора золошлаков в улавливающих установках или золоотвале.
По виду сжигаемого угля Золошлаки подразделяют на:
буроугольные, которые образуются при сжигании бурого угля;
каменноугольные, которые получаются при сжигании каменного, кроме тощего угля;
антрацитовые, которые образуются при сжигании полуантрацита, антрацита и тощего каменного угля (АУ).
По химическому составу золошлаки делятся на низкокальциевые и высококальциевые.
По способу улавливания, удаления и месту отбора золошлаки делятся на шлак топливный, золу-уноса и золошлаковую смесь.
В зависимости от типа золоулавливающих устройств зола-уноса может улавливаться сухом или во влажном состоянии [10].
Шлак топливный может удаляться снизу котлоагрегатов в виде твердых пористых агрегатов или жидкого расплава, который гранулируется при охлаждении в воде. По средней плотности шлак разделяют на плотный со средней плотностью зерен свыше 2 г/см3, которые получается в топках котлоагрегатов с жидким шлакоудалением, пористый со средней плотностью зерен до 2 г/см3, который получается в топках котлоагрегатов с твердым шлакоудалением.
Золошлаковые смеси, образующиеся при совместном удалении золы-уноса и топливного шлака в виде пульпы в золоотвал, по виду шлаковой составляющей подразделяются на смеси с плотным и пористым шлаком.
Золошлаковые смеси в зависимости от зернового состава делятся на крупнозернистые, среднезернистые и мелкозернистые.
К шлаковой составляющей в ЗШС относят шлаковый песок (частицы размером от 0,315 до 5 мм) и шлаковый щебень (частицы размером более 5 мм) [10].
Состав золошлаковых отходов теплоэнеогетики представлен на рис. 1.
Рисунок 1 – Состав золошлаковых отходов теплоэнеогетики [4]
Угли – осадочные породы, в их составе находятся те же минералы, что и в осадочных породах. Осадочные породы – наиболее распространенные породы, которые являются средой обитания растительного и животного мира, в том числе человека. Глинистые минералы – одни из самых распространенных осадочных пород, они слагают более 50 % площади, занятой этими породами.
Золошлаки ТЭС на 83-98 % состоят из породообразующих компонентов, т.е. из тех же веществ, которые характерны для осадочных пород и потому не могут представлять существенной опасности ни для окружающей природной среды, ни для здоровья человека. Остальные 2-17 % приходятся на недогоревший углерод (Cc = 0,8-16,8 %), ангидрит СаSO4 (СS до 4 %) и оксид железа Fe2О3 (CFe до 5 %). Все эти вещества также являются безопасными. Потенциальную опасность для ОПС и человека могут представлять только малые элементы (CМЭ − V, Cd, Mn, Cu, As, Ni, Hg, Pb, Sr, Cr, Zn) суммарное содержание которых в золошлаках не превышает 0,3 %. И действительно, расчеты показывают, что несмотря на столь низкое их содержание в золошлаках, доля этих элементов в показателях степени опасности достигает 10 % при расчете класса опасности для ОПС и 40-50 % − при расчете класса опасности для человека. Учитывая незначительное превышение этих элементов над фоновым содержанием в осадочных породах, их, как правило, недостаточно для перевода золошлаков в более опасную категорию. Это подтверждается также биотестированием. Биотестирование водных вытяжек из золошлаков от сжигания углей с кислой золой практически всех месторождений подтвердило их принадлежность к 5 классу, т.е. к практически неопасным для ОПС отходам.
Таким образом, можно считать установленным, что золошлаки ТЭС от сжигания углей с кислым составом золы не представляют опасности для окружающей природной среды (5 класс) [5, с. 65].
Оценка степени токсичности золошлаков ТЭС проводилась рядом научных учреждений;
Медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья работников промпредприятий, г. Екатеринбург;
Региональный токсикологический центр в Кемеровской области;
Московский НИИ гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана;
Институт токсикологии, г. С-Петербург;
НИИ гигиены, профпатологии и экологии че-ловека, г. С-Петербург;
Кемеровская Государственная. Медицинская Академия, г. Кемерово.
Изучались золошлаки от сжигания экибастузских, кузнецких, свердловских, челябинских и других углей с кислым составом золы.
Исследовались: острая токсичность, отдаленные последствия (гонадотоксический и мутагенный эффекты), токсичность методами биотестирования по проращиванию семян, на дафниях, при однократном и повторных воздействиях на мышей и крыс, по влиянию на микроорганизмы, токсичность при однократном внутрижелудочном введении животным, при внутрибрюшинном введении