Раздел 16. Утилизация и обезвреживание зол и шлаков от сжигания твердого топлива

Раздел 16 Утилизация и обезвреживание зол и шлаков от сжигания твердого топлива

16.1 Общая информация о деятельности по утилизации и обезвреживанию зол и шлаков от сжигания твердого топлива

К отходам от сжигания твердого топлива относятся золы, топливные шлаки и золошлаковая смесь.

Зола - несгорающий остаток, образующийся из минеральных примесей топлива при полном его сгорании и осажденный из дымовых газов золоулавливающими устройствами. В зависимости от вида топлива зола подразделяется на антрацитовую, каменноугольную, буроугольную, сланцевую, торфяную и др. Химико-минералогический состав золы отвечает составу минеральной части сжигаемого топлива.

Содержание золы при сгорании топлива различно: в каменных и бурых углях - от 1 до 45 %, в горючих сланцах - от 50 до 80 %, в топливном торфе - от 2 до 30 % [140]. По способу удаления различают золу сухого отбора (зола-уноса) и мокрого (зола гидроудаления). Важными показателями качества золы являются ее дисперсность и гранулометрический состав. По степени дисперсности зола-уноса различается на низкодисперсную с величиной удельной поверхности (по воздухопроницаемости) менее 150 м/кг, среднедисперсную - от 150 до 300 м/кг и высокодисперсную - более 300 м/кг. Гранулометрический состав золы колеблется в широких пределах: размеры зерен - 1-200 мкм [141, 142, 143]. Топливный шлак - это материал, скапливающийся в нижней части топочного пространства тепловых агрегатов и удаляемый в жидком или спекшемся состоянии. Гранулированные шлаки представляют собой механическую смесь зерен 0,14-20 мм [143].

При совместном удалении золы и шлака гидротранспортом на тепловых электростанциях образуется золошлаковая смесь [140]. Золошлаковые смеси в зависимости от зернового состава делятся на крупнозернистые, среднезернистые и мелкозернистые (рисунок 16.1). К шлаковой составляющей в золошлаковой смеси относят шлаковый щебень (частицы размером более 5 мм) и шлаковый песок (частицы размером от 0,315 до 5 мм) [143].

Рисунок 16.1 - Золошлаковый отход

Согласно "Энергетической стратегии до 2035 года", утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 09 июня 2020 года N 1523-р, к 2035 году объем полезного использования золошлаков тепловых электростанций должен составлять не менее 50 % [144, 145].

Доля утилизации золошлаковых отходов ТЭС от совокупной ежегодной выработки в период с 2019 по 2020 год по оценкам экспертов в среднем составляет более 15 % (рисунок 16.2).

Рисунок 16.2 - Доля утилизации золошлаков от совокупной ежегодной выработки [146]

В основном отходы золошлаков образуются при эксплуатации угольных ТЭС. Объем накопления зол и шлаков от сжигания твердого топлива оценивается от 1,1 до 1,7 млрд т. По данным Национальной ассоциации производителей и потребителей золошлаковых материалов, на конец 2014 года в Российской Федерации работало 135 угольных ТЭС, у которых в эксплуатации находились 238 секций золоотвалов (рисунок 16.3) [146]. В настоящее время значительно расширилась область применения золошлаковых отходов (рисунок 16.4) [141, 142]. Преимущество использования золошлаков заключается в значительной экономии первичного сырья и ресурсов. Кроме того, конечный продукт обладает улучшенными свойствами.

Рисунок 16.3 - Основные направления утилизации золошлаков ТЭС [147]

Основным направлением утилизации является применение золошлаков ТЭС в производстве строительных материалов, в дорожном строительстве, кроме того, из золошлаков можно извлекать благородные металлы, редкие и рассеянные элементы, получать вторичный уголь, алюмосиликатные полые микросферы, инертную массу алюмосиликатного состава и другие продукты [147, 148].

Золы сухого улавливания используются в качестве самостоятельного вяжущего, а также как активная добавка к неорганическим и органическим вяжущим веществам [141, 142].

Золошлаковые отходы применяются для упрочнения слабых грунтов, вертикальной планировки и исправления неудобий (осушение болот, засыпка оврагов), а также в качестве удобрений в сельском хозяйстве [141, 142].

Получило развитие направление использования золошлаковых отходов в металлургии с целью получения алюминия, извлечения редкоземельных металлов, извлечения галлия в качестве галлийсодержащего сырья.

В сельском хозяйстве высококальциевая зола находит применение в раскислении почв сельхозугодий.

Наряду со спросом на золошлаки для крупнотоннажных направлений переработки золошлаков имеется спрос и на отдельные фракции летучей золы для малотоннажных технологий производства высокотехнологичной продукции различными отраслями промышленности. К таким узким фракциям можно отнести легкую фракцию золы (ЛФЗ) [149].

В 2010 году создана "Национальная ассоциация производителей и потребителей золошлаковых материалов" (НАППЗШМ) [150, 151].

Основные данные по методам и технологиям утилизации зол и шлаков от сжигания твердого топлива

Предпочтительным с точки зрения дальнейшего превращения отходов в товарные продукты является раздельный отбор золы и шлаков непосредственно после сжигания. Размер частиц золы-уноса колеблется от 3-5 до 100-150 мкм. Количество более крупных частиц обычно не превышает 10-15 %.

Шлак удаляется из котла, попадая в шлаковые ванны и охлаждаясь, а зола-унос - из сборных бункеров очистного оборудования (циклонов и электрофильтров). Кусковые шлаки представляют собой агрегированные и сплавившиеся частицы золы размером от 0,15 до 30 мм [148].

Смешанные зола и шлаки образуют золошлаковую смесь.

Для использования золошлаковых отходов в производстве компонентный состав отхода должен соответствовать определенным техническим требованиям. Применение зол и шлаков как добавок при производстве строительных материалов и изделий включено в ряд действующих национальных стандартов (ГОСТ) и методических документов. Перечень ряда документов представлен в таблице 16.1.

Таблица 16.1 - Перечень нормативных документов по использованию золошлаковых отходов [142]

N п/п	Наименование документа	Область применения
1	ГОСТ 26644-85 "Щебень и песок из шлаков тепловых электростанций для бетона. Технические условия". Введ. 1 января 1987 г. М.: Изд-во стандартов, 1986	Распространяется на щебень и песок из шлаков, образующихся при сжигании углей на тепловых электростанциях в топках котлов с жидким и твердым шлакоудалением. Устанавливает требования к щебню и песку из шлаков (далее - щебню и песку), применяемым в качестве заполнителя для тяжелых и легких бетонов сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений
2	ГОСТ 25818-2017 "Золы-уноса тепловых электростанций для бетона. Технические условия". Введ. 01 марта 2018 г. М.: Стандартинформ, 2017	Распространяется на золы уноса сухого отбора, образующиеся на тепловых электростанциях в результате сжигания углей или смесей углей в пылевидном состоянии и применяемые в качестве компонента для изготовления тяжелых, легких, ячеистых бетонов и строительных растворов, сухих строительных смесей, а также в качестве тонкомолотой добавки для жаростойких бетонов и минеральных вяжущих для приготовления смесей и укрепленных грунтов в дорожном строительстве
3	ГОСТ Р 57789-2017 "Золы, шлаки и золошлаковые смеси ТЭС для производства искусственных пористых заполнителей". Введ. 01 марта 2018 г. М.: Стандартинформ, 2019	Распространяется на золы уноса (далее - золы), шлаки и золошлаковые смеси тепловых электростанций (ТЭС), применяемые в качестве сырья для производства искусственных пористых заполнителей: зольного и шлакозитового гравия, глинозольного и глиношлакового гравия и щебня, зольного аглопоритового гравия и щебня, глинозольного и глиношлакового песка, зольного аглопоритового песка, по ГОСТ 33928 применяемых при изготовлении легких бетонов по ГОСТ 25820 и силикатных бетонов по ГОСТ 25214
4	ГОСТ 25485-2019 "Бетоны ячеистые. Общие технические условия". Введ. 01 января 2020 г. М.: Стандартинформ, 2019	в качестве кремнеземистого компонента применяют вторичные продукты промышленности и энергетики, в том числе золы-уноса теплоэлектростанций
5	ГОСТ 530-2012 "Кирпич и камень керамические. Общие технические условия". Введ. 01 июля 2013 г. М.: Стандартинформ, 2013	В качестве кремнеземистого компонента применяют вторичные продукты промышленности и энергетики, в том числе золы-уноса теплоэлектростанций
6	ГОСТ 31108-2016 "Цементы общестроительные. Технические условия". Введ. 01 марта 2017 г. М.: Стандартинформ, 2019	В качестве минеральных добавок - основных компонентов цемента применяют гранулированный шлак по ГОСТ 3476, активные минеральные добавки - микрокремнезем, золы-уноса
7	ГОСТ 25592-2019 "Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов". Введ. 01 июня 2020 М.: Стандартинформ, 2019	Распространяется на золошлаковые смеси (далее - ЗШС), образующиеся на тепловых электростанциях при совместном гидроудалении золы и шлака или механическим способом (пневмотранспортом) в золоотвал в процессе сжигания углей в пылевидном состоянии и представляющие собой вторичные минеральные ресурсы (ВМР), применяемые в качестве компонентов для изготовления бетонов для всех видов строительства в соответствии с ГОСТ 25192, ГОСТ 26633, строительных растворов по ГОСТ 28013, сухих строительных смесей по ГОСТ 31357, минеральных вяжущих, смесей щебеночно-гравийно-песчаных для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов по ГОСТ 25607 и материалов, обработанных неорганическими вяжущими для дорожного и аэродромного строительства по ГОСТ 23558, а также для получения минерального порошка
8	ГОСТ 26644-85 "Щебень и песок из шлаков тепловых электростанций для бетона. Технические условия"	Распространяется на щебень и песок из шлаков, образующихся при сжигании углей на тепловых электростанциях в топках котлов с жидким и твердым шлакоудалением
9	ОДМ 218.2.031-2013 Методические рекомендации по применению золы-уноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях в дорожном строительстве	Методический документ содержит рекомендации по применению золы-уноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях при строительстве, реконструкции, ремонтах земляного полотна и дорожных одежд автомобильных дорог общего пользования

Утилизация золы-уноса, золошлаков и шлаков проводится путем их использования как добавок при производстве строительных материалов с различными потребительскими свойствами, таких как:

производство строительных изделий из тяжелого и ячеистого бетона;

производство гидротехнических бетонов;

производство цементов;

производство сухих строительных смесей;

Пригодность золы и шлака в качестве заполнителя или взамен части вяжущего материала при производстве строительных материалов и бетонов различного назначения определяется отсутствием или ограниченным содержанием в них вредных компонентов, ухудшающих физико-механические характеристики строительных материалов и бетонов или затрудняющих технологические процессы производства и ограничивающих область их применения.

Использование золошлаков вместо традиционных песчано-гравийных смесей, а также в качестве вяжущего компонента бетонной смеси потенциально имеет возможность снижения себестоимости строительной продукции на 10-20 % при условии нахождения источника золоотвала угольной ТЭС в пределах эффективного радиуса [142].

Утилизация легких фракций золы производится путем их переработки в полые зольные микросферы, которые используются для производства различных видов высокотехнологичной продукции.

Микросферы золы-уноса представляют собой полые силикатные шарики с гладкой поверхностью диаметром от 10 мм до нескольких сотен микрометров и могут использоваться для снижения плотности и повышения тепло-, электро- и звукоизоляционных свойств различных материалов [152].

Основными потребляющими микросферы отраслями являются:

- нефтедобывающие и нефтесервисные компании;

- производители сухих строительных смесей и стройматериалов;

- производители синтактных композитов;

- производители огнеупоров;

- производители продукции для автомобилестроения;

- производители лакокрасочных материалов;

- производители композиционных материалов для микроэлектроники;

- производители эмульсионных взрывчатых веществ.

Экологические проблемы при утилизации и обезвреживании зол и шлаков, утративших потребительские свойства, возникают при производстве строительных материалов, в которых применяются золы и шлаки: есть вероятность загрязнения атмосферного воздуха за счет пыления.

Для минимизации пыления золошлаковых отходов проводятся постоянные и временные оперативные мероприятия по предотвращению пыления (пылеподавление орошение водой или закрепляющими химикатами (коркообразование), защита от ветра, снижение высоты падения при перевалке и т.д.).

16.2 Технологические, технические решения и системы менеджмента, используемые в настоящее время в области утилизации и обезвреживания зол и шлаков от сжигания твердого топлива

16.2.1 Утилизация зол и шлаков в качестве добавок при строительстве автодорог и производстве строительных материалов

Отходы от сжигания твердого топлива на ТЭС широко используются при строительстве автомобильных дорог в России. Ниже приведены следующие области их применения [153]:

1) золы сухого отбора:

- медленно твердеющее, самостоятельное вяжущее для устройства оснований дорожных одежд;

- активная гидравлическая добавка в сочетании с цементом или известью для устройства оснований;

- активная гидравлическая добавка в сочетании с битумными или полимерно-битумными вяжущими;

- составная часть минерального порошка или для его замены при приготовлении асфальтобетонной смеси;

- добавка взамен части цемента и заполнителя при приготовлении тяжелого бетона и раствора;

2) отвальные золошлаковые смеси гидроудаления:

- техногенный грунт для сооружения дорожных насыпей;

- материал, укрепленный цементом или другими вяжущими,

- для устройства оснований и дополнительных слоев дорожных одежд;

- малоактивная гидравлическая добавка к извести при приготовлении золоизвестковых вяжущих для укрепления грунтов и каменных материалов;

- взамен минерального порошка и частично песка при приготовлении асфальтобетона;

- заполнитель при приготовлении тяжелого песчаного бетона.

Производство цемента: зола-унос используется в производстве цемента в качестве алюмосиликатного компонента сырьевой смеси портландцементного клинкера и активной минеральной добавки при его помоле. Требования к качеству золы-уноса, шлака и золошлаковой смеси, используемых в производстве цемента, указаны в ТУ 3470-10347-82 и ГОСТ 31108-2016 [153].

Производство бетонов и растворов: зола-унос и золошлаковая смесь, образующаяся на ТЭС при пылевидном сжигании твердого топлива, применяется в качестве минеральной добавки, частично заменяющей цемент, при производстве бетонных смесей и строительных растворов. Количество золы колеблется от 30 до 90 кг 1 м ³ бетонной смеси. Требования к качеству золы-уноса установлены в ГОСТ 25592-2019 "Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов" [153].

Производство ячеистых бетонов: при производстве ячеистого бетона золу-унос используют в качестве вяжущего вещества и кремнеземистого компонента бетонной смеси. Согласно ГОСТ 25485-2019, для производства ячеистого бетона может применяться зола-унос, содержащая общего CaO не менее 40 % , в том числе свободного CaO - не менее 16 % , SO ₃ - не более 6 % , сумму оксидов K ₂O и Na ₂O не более 3,5 %.

Производство фракционированного щебня: по "ГОСТ 26644-85 Щебень и песок из шлаков тепловых электростанций" шлаки сжигания твердого топлива используются для получения фракционированного щебня с размером зерен: 5-10; 10-20 и 5-20 мм и шлаковый песок с размером до 5 мм.

16.2.2 Утилизация легких фракций золы с получением полых зольных микросфер

Метод состоит из извлечения легких фракций летучей золы (ЛФЗ) и утилизации ЛФЗ физико-химическим методом с получением полых зольных микросфер (ПЗМ) [152, 154].

Описание метода. Требования к процессу извлечения из легких фракций золы полых зольных микросфер определяются условиями дальнейшего применения ПЗМ, требованиями к физико-химическим свойствам и гранулометрическому составу микросфер со стороны потребителей (рисунок 16.5).

Рисунок 16.5 - Классифицированные полые зольные микросферы и исходное сырье (фракции летучей золы)

Первым этапом является извлечение легких фракций золы с поверхности карт гидрозолошлакоотвалов как ручным, так и механизированным способом.

Легкие фракции золы возможно получить фракционированием отвальной золы золошлакохранилищ методом пенной флотации.

Качество добываемой ЛФЗ существенно влияет на стоимость дальнейшей переработки и потребительские свойства кондиционных полых зольных микросфер. В некоторых случаях выделение полых зольных микросфер из добытой ЛФЗ является неприемлемым по цене либо фракции не обладают требуемыми потребительскими свойствами.

Вторая стадия - получение полых зольных микросфер из летучей фракции золы.

Известно несколько технологических схем переработки ЛФЗ с получением полых зольных микросфер, основанных на разных технических подходах.

Полые зольные микросферы извлекаются из легкой фракции летучей золы путем ее поэтапного процессинга. Процессинг утилизации ЛФЗ с получением кондиционных ПЗМ включает в себя несколько стадий [154]:

- удаление органических примесей и недожога;

- неразрушающая сушка и отделение мусора;

- классификация материала по крупности частиц, по плотности, по прочности;

- магнитная сепарация продукта, удаление железосодержащих частиц;

- прокаливание материала (при необходимости);

- обезвоживание материала до влажности менее 0,25 % и обеспечение его свободной текучести;

- регулирование кислотно-щелочных свойств материала (уровень pH);

- стерилизация материала (при необходимости - для производителей ЛКМ).

Наиболее значимой частью процесса утилизации ЛФЗ является классификация промежуточного продукта с целью получения товарных ПЗМ различных сортов, соответствующих требованиям потребителей.

Микросферы широко используются как добавки для производства облегченных бетонов, тампонажных цементов, сухих строительных смесей, огнеупорных материалов, полимерных композиций. На основе модифицированных микросфер создан облегченный теплоизоляционный конструкционный материал - сферобетон, а также синтезированы сферосорбенты, которые могут использоваться для очистки жидких радиоактивных отходов различного происхождения [152].

Алюмосиликатные полые микросферы (АСПМ) - стеклокристаллические алюмосиликатные шарики, которые образуются при высокотемпературном факельном сжигании угля, являются ценными компонентами зольных отходов ТЭС. Высокая механическая прочность, термостабильность и химическая инертность АСПМ обеспечивают широкий спектр применения микросфер при производстве теплоизоляционных материалов, радиопрозрачных керамик, наполнителей композиционных материалов и специальных видов цемента [152].

Микросферы также являются перспективным сырьем для получения на их основе катализаторов, адсорбентов, способных функционировать в условиях воздействия агрессивных сред и высокой температуры.

16.3 Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссии в окружающую среду при утилизации и обезвреживании зол и шлаков от сжигания твердого топлива

Текущие уровни потребления золошлаковых отходов, а также водных ресурсов и электроэнергии зависят от применяемой технологии производства строительных материалов.