Вступ

Сучасна енергетика завдає відчутної шкоди навколишньому середовищу, погіршуючи умови життя людей. Основа сучасної енергетики – різні типи електростанцій. Технологія виробництва електричної енергії на ТЕС пов'язана з утворенням великої кількості відходів.

При спалюванні палива на ТЕС утворюються продукти згоряння, в яких містяться: летюча зола, частинки незгорілого пиловидного палива, сірчаний і сірчистий ангідрид, оксид азоту, газоподібні продукти неповного згоряння. При спалюванні мазуту утворюються сполуки ванадію, кокс, солі натрію, частинки сажі. В золі деяких видів палива присутній миш'як, вільний діоксид кальцію, вільний діоксид кремнію.

Ще одна гостра проблема, пов'язана з вугільними ТЕС – золовідвали, мало того що для їх облаштування потрібні значні території, вони ще й є джерелом забруднення навколишнього середовища, вогнищами нагромадження важких металів і володіють підвищеною радіоактивністю. Одним з можливих шляхів вирішення даної проблеми є утилізація відходів, тобто повернення їх в матеріальний кругообіг, що має важливе екологічне, економічне та енергозберігаюче значення.

1. Актуальність теми

Однією з основних екологічних проблем при спалюванні вугілля є утворення значної кількості золошлакових відходів. На тепловий електростанції Зуївська ТЕС щорічно утворюється від 400 до 800 тис. тонн золошлаків, з яких використовується на власні потреби та передається стороннім споживачам у середньому до 5 %. На тепловій електростанції всі золошлакові відходи складуються на золошлаковідвалі із застосуванням гідравлічної системи золошлаковидалення. Вологі золошлаки потрапляючи в золошлаковідвал швидко злежуються і в значній мірі втрачають свої споживчі властивості.

Як показує світовий і вітчизняний досвід золошлакові відходи є цінною мінеральною сировиною – золошлаковими матеріалами (ЗШМ) для заміни природньої мінеральної сировини у будівельному комплексі, цементної промисловості, дорожньому будівництві.

Накопичення величезної маси промислових відходів є актуальною природоохоронною проблемою, яка потребує термінового вирішення.

2. Мета, задачі і об'єкт дослідження

Мета работи: визначення технічної можливості реалізації золи, шлаку та золошлаків Зуївської ТЕС, пошук оптимальних шляхів утилізації золи і шлакових відходів.

Задачі дослідження:

1. Изучение состава и свойств отходов Зуевской ТЭС.

2. Показати вплив золошлакових відходів на довкілля.

3. Проаналізувати методи утилізації золошлаків, які існують у світовій практиці та визначити оптимальні методи утилізації золошлаків Зуївської ТЕС.

4. Виявити слабкі місця в процесі утворення відходів та запропонувати можливі схемно–технологічні рішення орієнтовані на рішення даної проблеми.

5. Провести еколого–економічну оцінку розроблених заходів.

Об’єкт дослідження – золошлаки (зола, шлак, золошлакова суміш) Зуевскої ТЕС.

3. Процес утворення золи і шлаків на ТЕС

При спалюванні твердого палива в топках теплових електричних станцій утворюються великотоннажні тверді мінеральні відходи, представлені шлаком і летючої золою.

На сучасних ТЕС вугілля спалюють у пилоподібному стані. Зола – неспалений залишок з зернами дрібніше 0,16 мм, що утворюється з мінеральних домішок палива при повному його згоранні і осаджений з димових газів золоуловлювальними пристроями. Паливний шлак – це матеріал, що накопичується в нижній частині топкового простору теплових агрегатів і видаляється в рідкому або спеченому стані. При спільному видаленні золи та шлаку гідротранспортом на теплових електростанціях утворюється золошлакова суміш.

Одна ТЕС середньої потужності щорічно викидає в відвали до 1 млн. Т. Золи та шлаку. Складування і зберігання такої маси матеріалу вимагає значних капіталовкладень. Золовідвал, займає дуже великі земельні площі, є джерелом несприятливої екологічної обстановки в районі[1].

4. Вплив золовідвалів на довкілля

Накопичення величезної маси промислових відходів є актуальною природоохоронної проблемою, яка потребує термінового вирішення. Відвали золошлакових матеріалів займають великі площі, догляд за ними вимагає значних експлуатаційних витрат. Розміщення золошлаков на золовідвалі пов'язане з певним впливом на навколишнє природне середовище і значними витратами. Термін служби золовідвалу обмежений технічною можливістю, умовою надійності і екологічною безпекою.

Золошлаковідвали є об'єктами підвищеної екологічної небезпеки за рахунок:

– пилення пляжів, особливо в літній час;

– фільтрації в підземні горизонти відвальної води, збагаченої розчинними зольними компонентами;

– неминучого скидання надлишків освітленої води в поверхневі водні джерела;

– відчуження земель;

– деформація поверхні, зміна рельєфу;

– забруднення токсичними елементами, важкими металами;

– зниження родючості грунтів і врожайності сільськогосподарських культур;

– забруднення димовими газами;

– запилювання золовідвалів при транспортуванні, складуванні та вітрової ерозії;

– скорочення чисельності видів лісів, рослинності, тварин, біоти; зміна біорізноманіття;

– погіршення еколого-естетичного стану поверхневих водотоків [3].

Малюнок 1 – Принципова схема впливу золошлаковідвалів ТЕС на навколишнє природне середовище

В процесі тимчасового або постійного складування золошлакового матеріалу формується фільтраційний потік, що містить в золошлакових матеріалах водорозчинні сполуки, багато з яких є токсичними (сполуки миш'яку, селену, ванадію, фтору, хрому). Фільтраційний потік має негативний вплив як на золовідвал в цілому, включаючи його основу, так і на навколишнє середовище.

Грунти відчувають вплив золовідвалу за рахунок осадження пилу з атмосферного повітря.

У зв'язку з незначними викидами забруднюючих речовин в атмосферу при складуванні золошлаків спеціальних заходів з контролю над забрудненням атмосферного повітря не передбачено. Підприємством здійснюється тільки візуальне спостереження за ступенем запиленості[2].

5. Хімічний і фазовий-мінералогічний склад золошлаков

Основним нормативним документом для визначення хімічного складу золи-виносу є ДСТУ Б Ст. 2.7–72–98 Щебінь і гравій із щільних порід та відходів промислового виробництва для будівельних робіт. Методи хімічного аналізу [9]. Результати визначення хімічного складу золи–виносу, шлаку та золошлакової суміші наведено в таблиці 5.1 (основні хімічні компоненти).

Таблиця 5.1 – Хімічний склад золи-виносу, шлаку та золошлакової суміші Зуївської ТЕС.

Продовження таблиці 5.1

Виробничі золи-виносу, що відносяться до кислих зол, які утворюються при згорянні кам'яного вугілля, відповідають всім вимогам ДСТУ Б В.2.7–205:2009 Золи-виносу теплових електростанцій для бетонів. Технічні умови [10] за хімічним складом, не перевищують нормовані показники:

– по оксиду кальцію (не більше 10 %);

– за вмістом оксиду магнію (не більше 5 %);

– вмісту сірковмісних сполук в перерахунку на SО₃ (не більше 3%);

– за вмістом лужних оксидів у перерахункуна Na₂O (не більше 3%);

– щодо втрат при прожарюванні (не більше 5 %).

Отже, за перерахованими показниками золи придатні для виготовлення всіх видів бетону.

Для оцінки якості золи-виносу, шлаків та золошлакової суміші Зуївської ТЕС на підставі даних хімічного аналізу визначені наступні показники:

Результати визначень зведені в таблицю 5.2

Таблица 5.2 – Показники якості хімічного складу.

Так як М_o < 1, то дані золи і золошлаки – кислі. Силікатний (кремнеземний) модуль показує відношення кількості оксиду кремнію, що вступає в реакцію з іншими оксидами, до сумарного вмісту оксидів алюмінію і заліза. Для даних проб силікатний модуль знаходиться в діапазоні від 1,86 до 2,56. Значення його невисокі, і відповідно, необхідних для освіти С₂S і С₃S компонентів мало. Гідравлічна активність оцінюється коефіцієнтом якості. У чисельнику стоять оксиди, що підвищують гідравлічну активність, в знаменнику – знижують її. Отже, чим вище коефіцієнт якості, тим вище гідравлічна активність. Для даних проб гідравлічна активність невелика, тому ці матеріали практично не володіють терпкими властивостями. Зміст вільного оксиду кальцію, що є активізатором процесу твердіння, в даних пробах не перевищує або трохи вище 1 %.

Золи в даній роботі досліджуються як матеріал, придатний для приготування будівельних матеріалів і, перш за все, як добавка до цементу. З цієї точки зору найважливішими фізичними властивостями зол є: справжня, середня, а також насипна щільності, гранулометричний склад, питома поверхня. Гранулометричний склад зол вивчається методом ситового аналізу з рассевом на фракції: + 0,2; –0,2 + 0,08; –0,08.

Результати визначень гранулометричного складу по кожній пробі зведені в таблицю 5.3, в якій частково використані дані фізико-технічних властивостей золи.

Таблиця 5.3 – Фракційний склад зол–виносу та середній розмір часток по кожній пробі.

За результатами визначень середній розмір частинок в золі–виносу Зуївської ТЕС становить 60,8 мкм з поступовим зростанням середнього розміру від 48 до 78 мкм.

Малюнок 2 – Загальний вигляд золи–виносу, збільшення 184×.

За сумою властивостей золи обстежуваної ТЕС і характером варіювання складу дається висновок про придатність золи ТЕС для використання її в якості будівельного матеріалу.

6. Рекомендації по переробці та розробка програми заходів щодо збільшення використання золи-виносу, шлаку та золошлаків Зуївської ТЕС

Застосуванню зол, шлаків і золошлакових сумішей для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій, а також розширенню використання їх в різних галузях народного господарства приділяється велика увага, т. к. ці так звані відходи виробництва є постійним джерелом сировини для виготовлення вищевказаної продукції.

Бетон на заповнювачі з золошлакової суміші Зуївської ТЕС може застосовуватися для виготовлення наступних бетонних і залізобетонних виробів: фундаментних блоків; блоків стін підвалів; суцільних і порожніх стінових блоків; внутрішніх стінових панелей і перегородок; плит та панелей перекриттів і покриттів; перемичок, балок, колон; сходових маршів і майданчиків; тротуарних плит і бортових каменів і т. п. [5].

Тонкодисперсна зола Зуївської ТЕС може стати найбільш продуктивним інгредієнтом пористих бетонів, які є найбільш ефективними по теплотехнічним характеристикам, більш економічними і технологічними при виготовленні[6].

Стабільна однорідність і міцність дрібнозернистого шлакобетона досягається шляхом введення в бетонну суміш потрібної кількості зерен розміром < 1,25 мм. В якості дрібного заповнювача використовується золошлакова суміш діаметром < 1,25 мм Зуївської ТЕС. Заміна керамзитобетону на поризований шлакозолобетон дозволяє отримати значний економічний ефект за рахунок заміни дефіцитного керамзитового гравію шлаками і золою Зуївської ТЕС[4].

Також можливе застосування золошлакової суміші в якості компонента жаростійких бетонів. Класичним взірцем жаростійкого бетону є портландцементний бетон на шамотних матеріалах: тонкомолотої добавці, дрібному і великому заповнювачах. Слід зазначити, що ці матеріали є дорогими і дефіцитними. Тому в якості компонентів жаростійких бетонів застосовують золошлакову суміш і золу від спалювання антрацитового та кам'яного вугілля, тобто матеріали, які в процесі свого утворення зазнали високотемпературні впливу.

Одним з найбільш перспективних напрямків використання зол і золошлакових сумішей є застосування їх в якості основного матеріалу для виготовлення сухих цементно – мінеральних сумішей для заповнення закладного простору в шахтних умовах і, можливо в деяких випадках, для литих пріштрекових смуг. Перевагою розробки такої суміші є те, що основним заповнювачем її буде однокомпонентний матеріал & ndash; золошлакова суміш, цілком підходящий для використання його в шахтних умовах.

Кам'яновугільні золи & ndash; виносу Зуївської ТЕС мають в своєму складі тільки пов'язане вапно (не більше 5 – 6%), тому при замішуванні водою вони не схоплюються і не можуть бути використані в якості самостійного в'яжучого. Однак, в складі золи є достатня кількість стеклофази і аморфізованих глинистих матеріалів. Тому при змішуванні таких зол з вапном і водою утворюється тісто, яке має здатність до повільного гідравлічного твердіння. Встановлено, що для зміцнення цими в'яжучими найбільш придатні піщані і супіщані грунти. Найбільш раціональним напрямком використання кам'яновугільних зол і шлаків в дорожньому будівництві є застосування їх спільно з вапном (10 – 30%) для зміцнення рихлообломочних кам'яних матеріалів, а також як складового компонента для виробництва вапняно – зольних в'яжучих.

З інших напрямків використання зол, шлаків та золошлакових сумішей слід виділити наступні: будівельні та оздоблювальні роботи; виробництво цегли; виробництво штучних пористих заповнювачів: зольний гравій (прототип керамзиту), аглопорітний гравій, порізований пісок, глинозольний керамзит; видобуток і використання алюмосилікатних сфер [7].

На даний момент основними споживачами золошлакових матеріалів є фізичні особи в районі міста Зугрес та прилеглих селищ. В незначних обсягах споживають золошлаки приватні підприємства з метою їх використання в будівельній промисловості. Відповідно з технічними рішеннями, відображеними в проектній документації щодо нарощування чергових ярусів золовідвалу, золошлаки використовуються при влаштуванні дамб золовідвалу. На Зуєвській ТЕС практикується відбір і реалізація мікросфери. Також організована великотоннажна відпустка золошлаків для його використання в якості цементного клінкеру.

Основними стримуючими факторами використання золошлаків на Зуївської ТЕС є: гідравлічне видалення золошлаків; технічна непідготовленість в частині сухого видалення золи; відсутність установок по відбору золошлаків; відсутність обов'язкових державних законодавчих документів і стимулів на застосування зол підприємствами будівництва і будівельних матеріалів, цементної промисловості та інших галузей; опір підприємств, що працюють на природній сировині, і постачальників природної сировини інноваційним процесам, пов'язаним із застосуванням ЗШМ в традиційних технологіях.

Розширення використання золи–виносу, золошлаків є одним з пріоритетних напрямків в галузі охорони навколишнього середовища. Ефективне вирішення всього комплексу питань, пов'язаних з поводженням з золошлаками можливо тільки з застосуванням програмного підходу.

Мета програми – збільшення обсягу використання золи–виносу, шлаків, золошлаків і тим самим продовження терміну служби золовідвалів та значне зменшення впливу на навколишнє середовище, зниження витрат на розміщення золошлаків і нарощування золошлаковідвала.

Програма передбачає розв'язання таких основних завдань:

– масштабне використання золошлаків з орієнтацією на великотоннажні напрямки: цементна промисловість, дорожнє будівництво, будівельна індустрія;

– впровадження роздільного видалення золи і шлаку;

– організація промислового відбору золошлаків на золовідвалах, максимальна механізація та автоматизація технологічних процесів.

Для забезпечення в перспективі поглинаючої утилізації золошлаків пропонується, поряд з їх відпусткою стороннім споживачам, приступити до освоєння власних великотоннажних виробництв, зокрема, заводів силікатної цегли, легких бетонних заповнювачів, сухих будівельних сумішей, бетонів, шлакоблоків і т. д.

Представляється вельми реалістичним освоєння ринку цієї продукції за рахунок здешевлення її енергетичної складової (наявності на ТЕС води і стоків, пара, тепла димових газів, надлишків нічної електроенергії і т. д.) [2].

Одним з основних напрямків збільшення виробництва і реалізації продуктів з ЗШО є освоєння регіональних ринків збуту будівельних матеріалів. Дуже важливо змінити погляд на відходи, тобто перестати розглядати, їх як забруднюючі речовини, які вимагають контролю, а вважати їх джерелами сировини і матеріалів[8].

Висновок

В ході роботи розглянут склад золошлаків Зуївської ТЕС, показан вплив золовідвалу на навколишнє середовище, проаналізовані та визначені оптимальні методи утилізації ЗШО, виходячи з якісного складу відходів, розроблена програма переробки та використання золошлакових відходів, визначені основні напрямки збільшення використання золошлакових відходів.

Товарні характеристики золошлаків погіршуються при їх спільному гідравлічному видаленні і складуванні на відвалах. Тобто, в перспективі слід орієнтуватися на роздільне видалення золи та шлаку. Розділення потоків золи і шлаку Зуївської ТЕС на першому етапі слід здійснювати за рахунок найбільш дешевого та ефективного заходу – впровадження систем пневмозоловидалення і відбору сухої золи.

Перелік посилань

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