Введение

Современная энергетика наносит ощутимый вред окружающей среде, ухудшая условия жизни людей. Основа современной энергетики – различные типы электростанций. Технология производства электрической энергии на ТЭС связана с образованием большого количества отходов.

При сжигании топлива на ТЭС образуются продукты сгорания, в которых содержатся: летучая зола, частички несгоревшего пылевидного топлива, серный и сернистый ангидрид, оксид азота, газообразные продукты неполного сгорания. При сжигании мазута образуются соединения ванадия, кокс, соли натрия, частицы сажи. В золе некоторых видов топлива присутствует мышьяк, свободный диоксид кальция, свободный диоксид кремния.

Ещё одна злободневная проблема, связанная с угольными ТЭС – золоотвалы, мало того что для их обустройства требуются значительные территории, они ещё и являются источником загрязнения окружающей среды, очагами скопления тяжёлых металлов и обладают повышенной радиоактивностью. Одним из возможных путей решения данной проблемы является утилизация отходов, то есть возвращение их в материальный кругооборот, что имеет важное экологическое, экономическое и энергосберегающее значение.

1. Актуальность темы

Одной из основных экологических проблем при сжигании угля является образование значительного количества золошлаковых отходов. На тепловой электростанции Зуевская ТЭС ежегодно образуется от 400 до 800 тыс. тонн золошлаков, из которых используется на собственные нужды и передается сторонним потребителям в среднем до 5 %. На тепловой электростанции все золошлаковые отходы складируются на золошлакоотвале с применением гидравлической системы золошлакоудаления. Влажные золошлаки попадая в золошлакоотвал быстро слеживаются и в значительной степени теряют свои потребительские свойства.

Как показывает мировой, и отечественный опыт золошлаковые отходы являются ценным минеральным сырьем – золошлаковыми материалами (ЗШМ) для замены природного минерального сырья в строительном комплексе, цементной промышленности, дорожном строительстве.

Накопление огромной массы промышленных отходов является актуальной природоохранной проблемой, требующей срочного решения.

2. Цели, задачи и объект исследования

Цель работы: определение технической возможности реализации золы, шлака и золошлаков Зуевской ТЭС, поиск оптимальных путей утилизации золы и шлаковых отходов.

Задачи исследования:

1. Изучение состава и свойств отходов Зуевской ТЭС.

2. Показать влияние золошлаковых отходов на окружающую среду.

3. Проанализировать методы утилизации золошлаков, которые существуют в мировой практике и определить оптимальные методы утилизации золошлаков Зуевской ТЭС.

4. Выявить слабые места в процессе образования отходов и предложить возможные схемно-технологические решения ориентированные на решение данной проблемы.

5. Произвести эколого – экономическую оценку разработанных мероприятий.

Объект исследования – золошлаки (зола, шлак, золошлаковая смесь) Зуевской ТЭС.

3. Процесс образования золошлаковых отходов на ТЭС

При сжигании твердого топлива в топках тепловых электрических станций образуются многотоннажные твердые минеральные отходы, представленные шлаком и летучей золой.

На современных ТЭС уголь сжигают в пылевидном состоянии. Зола – несгорающий остаток с зернами мельче 0,16 мм, образующийся из минеральных примесей топлива при полном его сгорании и осажденный из дымовых газов золоулавливающими устройствами. Топливный шлак – это материал, скапливающийся в нижней части топочного пространства тепловых агрегатов и удаляемый в жидком или спекшемся состоянии. При совместном удалении золы и шлака гидротранспортом на тепловых электростанциях образуется золошлаковая смесь.

Одна ТЭС средней мощности ежегодно выбрасывает в отвалы до 1 млн. т. золы и шлака. Складирование и хранение такой массы материала требует значительных капиталовложений. Золоотвал, занимает очень большие земельные площади, является источником неблагоприятной экологической обстановки в районе [1].

4. Влияние золоотвала на окружающую среду

Накопление огромной массы промышленных отходов является актуальной природоохранной проблемой, требующей срочного решения. Отвалы золошлаковых материалов занимают большие площади, уход за ними требует значительных эксплуатационных расходов. Размещение золошлаков на золоотвале сопряжено с определенным воздействием на окружающую природную среду и значительными затратами. Срок службы золоотвала ограничен технической возможностью, условием надежности и экологической безопасностью.

Золошлакоотвалы являются объектами повышенной экологической опасности за счет:

– пыления пляжей, особенно в летнее время;

– фильтрации в подземные горизонты отвальной воды, обогащенной растворимыми зольными компонентами;

– неизбежного сброса избытков осветленной воды в поверхностные водоисточники;

– отчуждение земель;

– деформация поверхности, изменение рельефа;

– загрязнение токсичными элементами, тяжелыми металлами;

– снижение плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур;

– загрязнение дымовыми газами;

– пыление золоотвалов при транспортировке, складировании и ветровой эрозии;

– сокращение численности видов лесов, растительности, животных, биоты; изменение биоразнообразия;

– ухудшение эколого-эстетического состояния поверхностных водотоков [3].

Рисунок 1 – Принципиальная схема воздействия золошлакоотвалов ТЭС на окружающую природную среду

В процессе временного или постоянного складирования золошлакового материала формируется фильтрационный поток, содержащий находящиеся в золошлаковых материалах водорастворимые соединения, многие из которых являются токсичными (соединения мышьяка, селена, ванадия, фтора, хрома). Фильтрационный поток оказывает неблагоприятное воздействие как на золоотвал в целом, включая его основание, так и на окружающую среду.

Почвы испытывают воздействие золоотвала за счет осаждения пыли из атмосферного воздуха.

В связи с незначительными выбросами загрязняющих веществ в атмосферу при складировании золошлаков специальных мер по контролю над загрязнением атмосферного воздуха не предусмотрено. Предприятием осуществляется только визуальное наблюдение за степенью запыленности [2].

5. Химический и фазово-минералогический состав золошлаков

Основным нормативным документом для определения химического состава золы-унос является ДСТУ Б В.2.7–72–98 Щебень и гравий из плотных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы химического анализа [9]. Результаты определения химического состава золы-уноса, шлака и золошлаковой смеси приведены в таблице 5.1 (основные химические компоненты).

Таблица 5.1 – Химический состав золы–унос, шлака и золошлаковой смеси Зуевской ТЭС.

Продолжение таблицы 5.1

Производственные золы–уноса, относящиеся к кислым золам, образующиеся при сгорании каменного угля, отвечают всем требованиям ДСТУ Б В.2.7–205:2009 Золы уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия [10] по химическому составу, не превышают нормируемые показатели:

– по оксиду кальция (не более 10 %);

– по содержанию оксида магния (не более 5 %);

– содержанию серосодержащих соединений в пересчете на SО₃ (не более 3%);

– по содержанию щелочных оксидов в перерасчете на Na₂O (не более 3%);

– по потерям при прокаливании (не более 5 %).

Следовательно, по перечисленным показателям золы пригодны для изготовления всех видов бетона.

Для оценки качественности золы–унос, шлаков и золошлаковой смеси Зуевской ТЭС на основании данных химического анализа определены следующие показатели:

Результаты определений сведены в таблицу 5.2

Таблица 5.2 – Показатели качества химического состава.

Так как М_o < 1, то данные золы и золошлаки – кислые. Силикатный (кремнеземистый) модуль показывает отношение количества оксида кремния, вступающего в реакцию с другими оксидами, к суммарному содержанию оксидов алюминия и железа. Для данных проб силикатный модуль находится в диапазоне от 1,86 до 2,56. Значения его невысоки, и соответственно, необходимых для образования С₂S и С₃S компонентов мало. Гидравлическая активность оценивается коэффициентом качества. В числителе стоят оксиды, повышающие гидравлическую активность, в знаменателе – снижающие ее. Следовательно, чем выше коэффициент качества, тем выше гидравлическая активность. Для данных проб гидравлическая активность невелика, поэтому данные материалы практически не обладают вяжущими свойствами. Содержание свободного оксида кальция, являющегося активизатором процесса твердения, в данных пробах не превышает или немного выше 1 %.

Золы в данной работе исследуются как материал, пригодный для приготовления строительных материалов и, прежде всего, как добавка к цементу. С этой точки зрения важнейшими физическими свойствами зол являются: истинная, средняя, а также насыпная плотности, гранулометрический состав, удельная поверхность. Гранулометрический состав зол изучается методом ситового анализа с рассевом на фракции: + 0,2; –0,2 + 0,08; –0,08.

Результаты определений гранулометрического состава по каждой пробе сведены в таблице 5.3, в которой частично использованы данные физико–технических свойств золы.

Таблица 5.3 – Фракционный состав зол–уноса и усредненный размер частиц по каждой пробе.

По результатам определений средний размер частиц в золе–унос Зуевской ТЭС составляет 60,8 мкм с постепенным ростом среднего размера от 48 до 78 мкм.

Рисунок 2 – Общий вид золы–унос, увеличение 184×.

По сумме свойств золы обследуемой ТЭС и характеру варьирования состава дается заключение о пригодности золы ТЭС для использования ее в качестве строительного материала.

6. Рекомендации по переработке и разработка программы мероприятий по увеличению использования золы–унос, шлака и золошлаков Зуевской ТЭС

Применению зол, шлаков и золошлаковых смесей для производства строительных материалов и конструкций, а также расширению использования их в различных отраслях народного хозяйства уделяется большое внимание, т. к. эти так называемые отходы производства являются постоянным источником сырья для изготовления вышеуказанной продукции.

Бетон на заполнителе из золошлаковой смеси Зуевской ТЭС может применяться для изготовления следующих бетонных и железобетонных изделий: фундаментных блоков; блоков стен подвалов; сплошных и пустотелых стеновых блоков; внутренних стеновых панелей и перегородок; плит и панелей перекрытий и покрытий; перемычек, балок, колонн; лестничных маршей и площадок; тротуарных плит и бортовых камней и т. п. [5].

Тонкодисперсная зола Зуевской ТЭС может стать наиболее продуктивным и производительным ингредиентом ячеистых бетонов, которые являются наиболее эффективными по теплотехническим характеристикам, более экономичными и технологичными при изготовлении [6].

Стабильная однородность и прочность мелкозернистого шлакобетона достигается путем введения в бетонную смесь недостающего количества зерен размером < 1,25 мм. В качестве мелкого заполнителя используется золошлаковая смесь диаметром < 1,25 мм Зуевской ТЭС. Замена керамзитобетона на поризованный шлакозолобетон позволяет получить значительный экономический эффект за счет замены дефицитного керамзитового гравия шлаком и золой Зуевской ТЭС [4].

Также возможно применение золошлаковой смеси в качестве компонента жаростойких бетонов. Классическим образцом жаростойкого бетона является портландцементный бетон на шамотных материалах: тонкомолотой добавке, мелком и крупном заполнителях. Следует отметить, что эти материалы являются дорогими и дефицитными. Поэтому в качестве компонентов жаростойких бетонов применяют золошлаковую смесь и золу от сжигания антрацитовых и каменных углей, т. е. материалы, которые в процессе своего образования претерпели высокотемпературные воздействия.

Одним из наиболее перспективных направлений использования зол и золошлаковых смесей является применение их в качестве основного материала для изготовления сухих цементно–минеральных смесей для заполнения закладочного пространства в шахтных условиях и, возможно в некоторых случаях, для литых приштрековых полос. Достоинством разработки такой смеси является то, что основным заполнителем ее будет однокомпонентный материал – золошлаковая смесь, вполне подходящий для использования его в шахтных условиях.

Каменноугольные золы–уноса Зуевской ТЭС имеют в своем составе только связанную известь (не более 5–6%), поэтому при затворении водой они не схватываются и не могут быть использованы как самостоятельное вяжущее. Однако, в составе золы имеется достаточное количество стеклофазы и аморфизированных глинистых материалов. Поэтому при смешивании таких зол с известью и водой образуется тесто, которое имеет способность к медленному гидравлическому твердению. Установлено, что для укрепления этими вяжущими наиболее пригодны песчаные и супесчаные грунты. Наиболее рациональным направлением использования каменноугольных зол и шлаков в дорожном строительстве есть применение их совместно с известью (10–30%) для укрепления рыхлообломочных каменных материалов, а также как составного компонента для производства известково–зольных вяжущих.

Из других направлений использования зол, шлаков и золошлаковых смесей следует выделить следующие: строительные и отделочные работы; производство кирпича; производство искусственных пористых заполнителей: зольный гравий (прототип керамзита), аглопоритный гравий, поризованный песок, глинозольный керамзит; добыча и использование алюмосиликатных сфер [7].

На данный момент основными потребителями золошлаковых материалов являются физические лица в районе города Зугрэс и близлежащих поселков. В незначительных объемах потребляют золошлаки частные предприятия с целью их использования в строительной промышленности. В соответствии с техническими решениями, отраженными в проектной документации по наращиванию очередных ярусов золоотвала, золошлаки используются при устройстве дамб золоотвала. На Зуевской ТЭС практикуется отбор и реализация микросферы. Также организован крупнотоннажный отпуск золошлаков для его использования в качестве цементного клинкера.

Основными сдерживающими факторами использования золошлаков на Зуевской ТЭС является: гидравлическое удаление золошлака; техническая неподготовленность в части сухого удаления золы; отсутствие установок по отбору золошлака; отсутствие обязательных государственных законодательных документов и стимулов на применение зол предприятиями строительства и строительных материалов, цементной промышленности и других отраслей; сопротивление предприятий, работающих на природном сырье, и поставщиков природного сырья инновационным процессам, связанным с применением ЗШМ в традиционных технологиях.

Расширение использования золы–унос, золошлаков является одним из приоритетных направлений в области охраны окружающей среды. Эффективное решение всего комплекса вопросов, связанных с обращением с золошлаками возможно только с применением программного подхода.

Цель программы – увеличение объема использования золы–унос, шлака, золошлаков и тем самым продление срока службы золоотвалов и значительное уменьшение воздействия на окружающую среду, снижение затрат на размещение золошлаков и наращивание золошлакоотвала.

Программа предусматривает решение таких основных задач:

– масштабное использование золошлаков с ориентацией на крупнотоннажные направления: цементная промышленность, дорожное строительство, строительная индустрия.

– внедрение раздельного удаления золы и шлака;

– организация промышленного отбора золошлаков на золоотвалах, максимальная механизация и автоматизация технологических процессов.

Для обеспечения в перспективе поглощающей утилизации золошлаков предлагается, наряду с их отпуском посторонним потребителям, приступить к освоению собственных крупнотоннажных производств, в частности, заводов силикатного кирпича, легких бетонных заполнителей, сухих строительных смесей, бетонов, шлакоблоков и т.д.

Представляется весьма реалистичным освоение рынка этой продукции за счет удешевления ее энергетической составляющей (наличия на ТЭС воды и стоков, пара, тепла дымовых газов, избытков ночной электроэнергии и т.д.) [2].

Одним из основных направлений увеличения производства и реализации продуктов из ЗШО есть освоение региональных рынков сбыта строительных материалов. Очень важно изменить взгляд на отходы, то есть перестать рассматривать, их как загрязняющие вещества, которые требуют контроля, а считать их источниками сырья и материалов [8].

Вывод

В ходе работы рассмотрен состав золошлаков Зуевской ТЭС, показано влияние золоотвала на окружающую среду, проанализированы и определены оптимальные методы утилизации ЗШО, исходя из качественного состава отходов, разработана программа переработки и использования золошлаковых отходов, определены основные направления по увеличению использования золошлаковых отходов.

Товарные характеристики золошлаков ухудшаются при их совместном гидравлическом удалении и складировании на отвалах. То есть, в перспективе следует ориентироваться на раздельное удаление золы и шлака. Разделение потоков золы и шлака Зуевской ТЭС на первом этапе следует осуществлять за счет наиболее дешевого и эффективного мероприятия – внедрения систем пневмозолоудаления и отбора сухой золы.

Список источников

1. Классификация отходов ТЭС. – Глобальная сеть рефератов Олбест [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://otherreferats.allbest.ru/manufacture/00093796_0.html
2. Мелентьев В.А., Нагли Е.З. Гидрозолоудаление и золоотвалы. – Ленинград, Энергия, (Ленинградское отделение), 1968.
3. Малый Э.А., Дорфман М.Л. Справочник по утилизации отходов ТЭС. – М., 1995. – 158 с.
4. Карпенко И.С., Попов В.В. и др. Поризованный бетон из золошлаковых смесей. Сб. Современные проблемы строительства. Д., 2001, стр. 147–150.
5. Рекомендации по применению золы, шлака и золошлаковой смеси тепловых электростанций в тяжелых бетонах и строительных растворах. М., Стройиздат, 1977.
6. Рекомендации по применению в бетонах золы, шлака и золошлаковой смеси тепловых электростанций. – М., Стройиздат, 1986 – 80 с.
7. Рекомендации по комплексному укреплению грунтов золошлаковыми смесями ТЭС и известью. – Киев, Госдор НИИ, 1973 – 51 с.
8. Анализ технологий и методов утилизации твёрдых продуктов десульфуризации и частиц золы. – Украинский финансово-промышленный концерн УФПК [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.ufpk.com.ua/files/p3/analiz.html
9. ДСТУ Б В.2.7–72–98 Щебень и гравий из плотных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы химического анализа.
10. ДСТУ Б В.2.7–205:2009 Золы уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия

Важное замечание

    При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2018 г. Полный текст работы и материалы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.