Тихонова Анастасия Игоревна

Факультет экологии и химической технологии
Кафедра прикладной экологии и охраны окружающей среды
Специальность: управление экологической безопасностью


Тема магистерской работы:

Усовершенствование системы обращения с отходами тепловых электростанций Донецкой области

Научный руководитель: профессор Панасенко Анатолий Иванович

Реферат по теме магистерской работы

Введение

     Значительную долю (67,5%) в энергетическом комплексе Украины составляют теплоэлектростанции. Они оказывают значительное негативное воздействие на состояние всех элементов окружающей природной среды [1]. Это, прежде всего, химическое загрязнение, связанное со значительными выбросами в атмосферу таких загрязнителей, как оксиды азота, углерода, диоксид серы, зола и др., загрязнение гидросферы органическими и взвешенными веществами, поступающими со сточными водами; различные виды физических воздействий, таких как тепловое и акустическое. Кроме того, деятельность теплоэлектростанций связана с образованием большого количества отходов различных классов опасности, значительную часть которых составляют золошлаковые отходы (ЗШМ).

Актуальность работы

     При сжигании угля на тепловых электростанциях (ТЭС) образуется большое количество золошлаковых отходов (ЗШО), оказывающих негативное влияние на все компоненты окружающей природной среды. Из числа самых главных экологических проблем, возникающих при образовании и размещении ЗШО, выделяют следующие [2]:

• накопление токсичных элементов в продуктах сжигания угля;
  
• расположение золошлакоотвалов (далее золоотвалов) вблизи больших городов (а нередко в черте города);
  
• поступление (выброс) токсичных микроэлементов в атмосферный воздух, загрязнение окружающей среды прилегающего района;
  
• загрязнение токсичными элементами, тяжелыми металлами поверхностных и подземных источников, земли, почвы при складировании и хранении золошлаковых материалов на золоотвале (золошлакоотвале);
  
• отчуждение больших территорий с целью строительства золоотвалов для размещения ЗШО;
  
• использование в большинстве ТЭС технологического оборудования, не отвечающего требованиям экологической безопасности;
  
• низкий процент утилизации ЗШО в качестве товарной продукции.
  

     Таким образом, можно констатировать, что проблема, связанная с образованием и накоплением ЗШО и необходимостью их дальнейшей утилизации, является одной из первостепенных и актуальных экологических проблем тепловой энергетики.
     В настоящее время на семи теплоэлектростанциях Донецкой области (Кураховской, Старобешевской, Углегорской, Мироновской, Славянской, Зуевской и Краматорской) накоплено более 146 млн. тонн золошлаковых отходов, под золошлакоотвалы занято около 1,5 тыс. га территории, при этом значительная их часть находится на грани исчерпания свободной емкости. В связи с этим, чрезвычайную актуальность приобретает проблема усовершенствования системы обращения с отходами ТЭС.

Цель работы

      Поиск оптимальных путей минимизации и утилизации золошлаковых отходов для тепловых электростанций Донецкой области, а также усовершенствование системы обращения с отходами.

Объект исследования

     Золошлаковые отходы (ЗШО), образующиеся при сжигании донецких углей на ТЭС Донецкой области, а также существующие в мировой практике методы и технологии утилизации золошлаковых материалов.

Методы исследования

     Направление работы формировалось на основе проведенных патентно-информационных исследований, а также анализа учетной документации ТЭС Донецкой области и Государственного управления охраны окружающей природной среды в Донецкой области.

Научная новизна работы

     Впервые проанализированы и обобщены данные по компонентному составу и содержанию токсичных, потенциально-токсичных, потенциально промышленно значимых компонентов (микроэлементов) в золошлаковых отходах ТЭС Донецкой области, что позволило оценить товарную значимость продуктов сжигания донецких углей и возможность их использования с учетом новейших достижений в качестве вторсырья в других отраслях народного хозяйства.

Характеристика золошлаковых отходов

     При сжигании твердых видов топлива в топках тепловых электростанций образуются зола в виде пылевидных остатков и кусковой шлак, а также золошлаковые смеси [4]. Они являются продуктами высокотемпературной (1200 – 1700°С) обработки минеральной части топлива.
     Топливо сжигают в слое над колосниковой решеткой в виде мелких кусков или при вдувании в пылевидном состоянии. Золы пылевидного сжигания проходят высокотемпературную обработку. Они имеют сравнительно однородный химический состав и незначительное содержание несгоревших частиц топлива. Некоторая часть золы оседает на трубах котла, поде и стенках топки, но основная ее масса (зола-унос) уносится с дымовыми газами, улавливается и скапливается в бункерах, откуда удаляется потоком воды или пневмотранспортом. На большинстве действующих ТЭС Донецкой области применяют систему гидроудаления для транспортирования золошлаковых смесей в отвалы.
     Зола-унос представляет собой тонкодисперсный материал, состоящий в основном из частиц размером 5 – 100 мкм. Ее химико-минералогический состав соответствует составу минеральной части сжигаемого топлива. При сгорании каменного угля зола представляет собой обожженное глинистое вещество с включением дисперсных частиц кварцевого песка. При обжиге минеральной части топлива дегидратируется глинистое вещество и образуются низкоосновные алюминаты и силикаты кальция.
     Основным компонентом золы-уноса является стекловидная алюмосиликатная фаза, составляющая 40 – 65% всей массы и имеющая вид частиц шарообразной формы размером до 100 мкм. Из кристаллических фаз в золах могут присутствовать а-кварц и муллит, а при повышенном содержании Fe2O3 также гематит. Если минеральная часть топлива содержит значительное количество карбонатов, то в золе образуются низкоосновные силикаты и ферриты кальция, способные взаимодействовать с водой. В небольшом количестве в золу входят следующие примеси: свободные оксиды кальция и магния, сульфаты, сульфиды и др.
     В золах, как правило, содержится углерод в виде различных модификаций коксовых остатков. Содержание их для каменных углей – 3 – 12%, причем несгоревших частиц в тонкодисперсных фракциях золы меньше, чем в грубодисперсных.
     Химический состав зол-уносов колеблется в зависимости от месторождений углей. Примерное содержание основных оксидов в золах различных ТЭС Донецкой области представлено в таблице 1.

     Таблица 1 – Состав золошлаковых отходов ТЭС Донецкой области

     Золы подразделяются на высококальциевые (содержание СаО > 20%) и низкокальциевые (содержание СаО < 20%). Для первых преобладающими являются кристаллические фазы, для вторых – стекло и аморфизованное глинистое вещество. Золы ТЭС Донецкой области относятся к низкокальциевым. Интегральной характеристикой химического состава зол служит модуль основности МО, который для основных зол составляет МО > 0,9; кислых – 0,6 – 0,9; сверхкислых – МО < 0,6. В основных золах суммарное содержание суммы оксидов кальция и магния достигает 50%, в сверхкислых – 12. Последние являются более распространенными, к ним относятся и золы ТЭС Донецкой области.
     Шлаки – основной вид отходов при кусковом сжигании топлива. При пылевидном сжигании шлаки составляют 10 – 25% от массы образуемой золы. Шлаки образуются в результате спекания отдельных частиц на колосниковой решетке при температуре свыше 1000°С или при охлаждении расплавленной минеральной части топлива при температуре более 1300°С. В связи с интенсификацией процессов сжигания твердого топлива и переходом к использованию в тепловой энергетике многозольных видов углей перспективно применение топок с жидким шлакоудалением. Продуктами жидкого шлакоудаления из энергетических топок являются топливные гранулированные шлаки, образуемые в результате быстрого охлаждения водой минерального расплава.
     Жидкое шлакоудаление обеспечивается подогревом воздуха до температуры около 700°С или снижением температуры плавления минеральной части топлива при добавке к ней флюса. В отличие от зол, шлаки, образуемые при более высоких температурах, практически не содержат несгоревшее топливо и характеризуются большей однородностью. Шлак удаляют гидравлическим или сухим способом. При гидравлическом способе, имеющем пока большее распространение, золы и шлаки смешиваются.
     Гранулированные шлаки представляют собой механическую смесь зерен размером 0,14 – 20 мм. Химический состав шлаков, как и зол, может изменяться в широком диапазоне – от сверхкислых (МО < 0,1) до основных (МО > 1). Многие топливные шлаки характеризуются значительным количеством (20% и более) оксидов железа, содержащихся преимущественно в закисной форме. Содержание стекловидной фазы составляет 85 – 98%, у основных шлаков оно может быть значительно ниже. В кристаллической фазе возможно наличие муллита, геленита, псевдоволластонита, двухкальциевого силиката и других минералов.

Существующие в мировой практике методы использования золошлаковых отходов ТЭС

     В настоящее время основное количество золы используется в строительной индустрии (производство цемента, кирпича, изделий из ячеистого бетона, шлакоблоков, легких заполнителей, рубероида, керамзита), в строительстве дамб золошлакоотвалов, строительстве и ремонте дорог [5]. За счет использования золошлаковых материалов (ЗШМ) экономится до 30% цемента и более половины природных заполнителей, снижается теплопроводность бетонов, снижается масса зданий и сооружений.
     Разработано более ста технологий изготовления различных бетонов с использованием золы и шлаков. В легких бетонах зола используется в виде заполнителя, взамен кварцевого песка и как добавка к вяжущей компоненте, применяется в ограждающих конструкциях и для снижения массы несущих конструкций. Одним из самых золоемких направлений в производстве строительных материалов является изготовление керамического кирпича, камней и блоков. Изготовление строительного кирпича из золы не требует разработки глиняных карьеров, перевозки, многомесячного выдерживания сырья в запасниках. Зола и шлаки используются как сырьевой компонент и в качестве добавки (5 – 20%) на многих кирпичных заводах. Характерно, что золошлаки системы гидрозолоудаления имеют при изготовлении керамического кирпича преимущество перед сухой золой благодаря равномерному распределению влаги в шихте. На кирпичных заводах за счет использования золы экономится до 20% топлива, повышается качество продукции [6].
     Зола, содержащая 25 – 30% оксида алюминия, является прекрасным и практически неисчерпаемым сырьем для получения коагулянта на основе оксихлорида алюминия, необходимого для очистки питьевых и сточных вод и глинозема. Шламы этого производства могут быть использованы для получения цемента и силикатного кирпича, то есть обеспечивается полное использование ЗШМ. Присутствие в золах комплексов ценных элементов позволяет рентабельно извлекать их при содержании даже более низком, чем в промышленных рудах, что в значительной степени снижает расходы на геологические поиски рудного сырья, разведку месторождений, добычу руды, ее дробление, обогащение, транспортировку [7]. При этом кроме существенного экономического эффекта решаются многие экологические проблемы.
     В золе образуется легкая фракция в виде микросфер, представляющих собой полые шарики размером от 10 до 500 мкм, наполненные углекислым газом. На их основе получены кирпичи, стоимость которых почти в два раза меньше стоимости шамотного кирпича. По своим основным характеристикам легкие огнеупорные теплоизоляционные изделия с использованием микросфер с успехом могут заменить традиционный шамотный легковес. Область их применения весьма широка: строительство зданий и сооружений, теплоизоляция в холодильной промышленности, теплозвукоизоляция в судостроении, самолетостроении и других отраслях, где требуется легкий, теплоизоляционный, негорючий материал.
     ЗШМ ТЭС находят применение в дорожном строительстве. Для экономии дефицитного цемента при устройстве оснований дорожных одежд применяются смеси с использованием отходов теплоэнергетики. Проведены исследования по использованию золы-уноса для формирования теплоизолирующих слоев дорожных одежд в условиях сурового климата. Высококальциевая зола находит применение в раскислении почв сельскохозяйственных угодий. В результате исследований, проведенных рядом НИИ и высших учебных заведений, установлено, что зола ТЭС, имеющая в своем составе значительно меньше кальция и марганца, чем известь, влияет на кислотные почвы в не меньшей степени.
     Наиболее качественной для практического применения является зола-унос сухого отбора. Она обладает наиболее стабильными свойствами, ценными для получения строительных материалов. Существует множество установок сухого золоудаления, позволяющих отгружать золу уноса непосредственно потребителю. Также интерес представляют установки грануляции золошлаковых материалов, которые позволяют складировать гранулированные золошлаки в золоотвалах до их использования, при этом они не слеживаются и не теряют своих потребительских свойств [8].

     Одним из наиболее перспективных путей утилизации золошлаковых отходов Старобешевской ТЭС является производство аглопоритового гравия [9]. Золошлаки этой ТЭС имеют состав, представленный в таблице 1, и соответствуют требованиям для производства аглопоритового гравия: SiO2 – 55 ± 10%; Al2O3 – 25 ± 10; Fe2O3 – 10 ± 8; СаО + MgO – до 12; Na2O + K2O – до 5; SO3 – до 3%.
     В мировой практике применяется технология производства аглопоритового гравия из золы ТЭС (рисунок 1), особенность которой состоит в том, что в результате агломерации сырья образуются обожженные гранулы. Сущность технологии производства аглопоритового гравия заключается в получении сырцовых зольных гранул крупностью 10 – 20 мм, укладке их на колосники толщиной 200 – 300 мм ленточной агломерационной машины и термической обработке [10]. Горн агломерационной машины состоит из двух секций – подсушки и зажигания. Слой гранул сначала подсушивается и подогревается, а затем производятся зажигание и обжиг. Благодаря высокой газопроницаемости шихты, сквозь слой просасывается большое количество воздуха, в результате чего создается окислительная среда, и гранулы между собой не спекаются. Аглопоритовый гравий рассеивают на фракции, образующиеся спеки дробят, а затем также рассеивают на фракции.

     1 – пневмотранспорт золы; 2 – пневмотранспорт возврата; 3 – расходный бункер золы; 4 – автоматический весовой дозатор; 5 – двухвальный шнековый смеситель; 6 – тарельчатый гранулятор; 7 – ленточный конвейер; 8 – лоток; 9 – роликовый укладчик; 10 – горн; 11 – ленточная обжиговая агломерационная машина; 12 – роторная дробилка; 13 – пластинчатый конвейер; 14 – инерционный грохот; 15 – двухвалковая зубчатая дробилка; 16 – приемный бункер; 17 – пылевой центробежный вентилятор; 18 – рукавный фильтр; 19 – инерционный грохот; 20 – бункер готовой продукции; 21 – сборный коллектор для охлаждающихся газов; 22 – ленточный конвейер для сбора просыпи; 23 – приемный бункер просыпи; 24 – вентилятор высокого давления
     Рисунок 1 – Схема производства аглопоритового гравия из золы ТЭС

     Разработанная технология предусматривает возможность использования сухой золы-уноса от котлоагрегата с циркулирующим слоем Старобешевской ТЭС, а также водозольной суспензии, образующейся при гидротранспорте золошлаков в отвалы.

Выводы

     Таким образом, результатом работы должен стать план мероприятий по усовершенствованию системы обращения с отходами для ТЭС Донецкой области, включающий пути минимизации образования золошлаков в ходе технологического процесса производства электроэнергии, оптимальные методы утилизации золошлаковых материалов, исходя из качественного состава образующихся отходов, оборудования ТЭС установками по сухому улавливанию золы (электрофильтрами, циклонами) и средствами сухого отбора золы. В перспективе целесообразно рассмотреть возможность перехода ТЭС Донецкой области на хранение ЗШМ на насыпных золоотвалах.

Источники литературы

1. Носков А.С., Савинкина М.А., Анищенко Л.Я – Воздействие ТЭС на окружающую среду и способы снижения наносимого ущерба / Ин-т катализа СО АН СССР, Ин-т химии твердого тела и переработки минерального сырья СО АН СССР, ГПНТБ СО АН СССР – Новосибирск: Изд. ГПНТБ СО АН СССР, 1990. – 177 с.
   
   
2. Пал М.Х. Энергия и защита окружающей среды. – Падеборн: Изд-во FIT-Verlag, 1996. – 449 с.
   
   
3. Малый Э.А., Дорфман М.Л. Справочник по утилизации отходов ТЭС. – М., 1995. – 158 с.
   
   
4. Бернацкий А.
   Золошлаковые отходы: опыт и перспективы использования
   http://expocem.ru/spravochniki/cement_articles/
   
   
5. Целыковский Ю.К.
   Экологические и экономические аспекты утилизации золошлаков ТЭС
   http://bibliofond.ru/
   
   
6. Усманов Н.В.
   Производство силикатного кирпича и других строительных материалов из золы-уноса шлаков энергогенерирующих компаний
   http://www.haiyuan-group.ru/content/view/37/
   
   
7. Шишелова, Т.И. Самусева М.Н.
   Рациональное недропользование - путь к процветанию
   http://www.rae.ru/
   
   
8. Вишня Б.Л.
   Технологии утилизации и экологически чистого складирования отходов ТЭС
   http://www.ecoindustry.ru/
   
   
9. Соловей В. В., Воробьева И. А., Воловина Т. В.
   Технология утилизации золошлаковых отходов твердотопливных теплоэлектростанций
   http://waste.com.ua/cooperation/2006/theses/solovey.html
   
   
10. Власова В.В., Никольская Н.И.
    Технология комплексной переработки золошлаковых отходов ТЭС Иркутской области
    http://www.minproc.ru/