Анализ способов утилизации золошлаковых отходов



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.

I. Введение

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.

Задачи:

− Изучение компонентного состава золы;

− Рассмотрение всевозможных способов переработки ЗШО;

− Анализ мирового опыта по переработке золошлаковых отходов.

III. Теория

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.

Таблица 1

Усредненный компонентный состав

Компонентный состав золы,%
SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO2	K2O	Na2O	п.п.п.
22–62	6–30	5–15	6–45	0,5–6	0,2–7	0,2–5	0,1–2	0,2–7

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.

V. Заключение

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.

Литература:

1. Ватин, Н. И. Применение зол и золошлаковых отходов в строительстве / Н. И. Ватин, Д. В. Петросов [и др.] // Инженерно-строительный журнал. — № 4. — 2011. — с. 16–21.
2. Общероссийская общественная организация «Деловая Россия»: Золу вписывают в закон [Электронный ресурс], — Режим доступа: https://deloros.ru/zolu-vpisyvayut-v-zakon.html, свободный. — Загл. с экрана.
3. Фоменко Н. А. Применение окисленных бурых углей для повышения экологической безопасности утилизации золошлаковых отходов: дис, … канд. тех. наук: 25.00.36 / Наталья Александровна Фоменко; Нац. исслед. тех. ун-т. — М., 2019. — 110 с.
4. Салихов В. А. Экономическая оценка и комплексное использование попутных полезных компонентов углей и золошлаковых отходов углей (на примере Кемеровской области). Новосибирск: Наука, 2013. — 224 с.
5. Смоленский, О. В. Использование зол-уноса ТЭЦ в производстве строительных материалов и строительстве / О. В. Смоленский // Технологии бетонов. ‒ № 2. ‒ 2012. — с. 10–11.
6. Инженерный химико-технологический центр «Золошлаковые отходы. Часть 2: Экономическая выгода переработки [Электронный ресурс], — Режим доступа: http://ect-center.com/blog/zoloshlakovie-othody-2, свободный. — Загл. с экрана.
7. Рекомендации по применению в бетонах золы, шлака и золошлаковой смеси тепловых электростанций / НИИЖБ. — М.: Строй-издат, 1986. — 80 с.
8. Путилин Е. И. Обзорная информация отечественного и зарубежного опыта применения отходов от сжигания твердого топлива на ТЭС / Е. И. Путилин, В. С. Цветков. М.: В. С. Цветков. М.: НИИ Союздор, 2003. — 60 с.
9. European Coal Combustion Products Association e. V.: Utilization [Электронный ресурс], — Режим доступа: http://www.ecoba.com/ecobaccputil.html, свободный. — Загл. с экрана.
10. ГОСТ 25592–91. Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов. Технические условия. Введ. 01.07. 1991, М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2002.
11. Сайт инженера-проектировщика: Марка бетона по морозостойкости [Электронный ресурс], — Режим доступа: http://saitinpro.ru/glavnaya/spravochnik/beton/beton-f/, свободный. — Загл. с экрана.
12. ОДМ 218.2.031–2013. Методические рекомендации по применению золы-уноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях в дорожном строительстве.