Тихонова Анастасія Ігорівна

Факультет екології та хімічної технології
Кафедра прикладної екології та охорони навколишнього середовища
Спеціальність: управління екологічною безпекою


Тема магістерської роботы:

Вдосконалення системи поводження з відходами теплових електростанцій Донецької області

Науковий керівник: професор Панасенко Анатолій Іванович

Реферат за темою магістерської роботи

Вступ

     Значну частину (67,5%) в енергетичному комплексі України становлять теплові електростанції. Вони чинять істотний негативний вплив на навколишнє природне середовище [1]. Це, насамперед, хімічне забруднення, пов'язане зі значними викидами в атмосферу таких забруднювачів, як оксиди азоту, вуглецю, діоксид сірки, зола й ін., забруднення гідросфери органічними й завислими речовинами, що надходять зі стічними водами; різні види фізичних впливів, таких як тепловий і акустичний. Крім того, діяльність теплових електростанцій пов'язана з утворенням великої кількості відходів різних класів небезпеки, значну частину яких становлять золошлакові відходи.

Актуальність роботи

     При спалюванні вугілля на теплових електростанціях (ТЕС) утворюється велика кількість золошлакових відходів (ЗШВ), що чинять негативний вплив на всі компоненти навколишнього природного середовища. Серед головних екологічних проблем, що виникають при утворенні й розміщенні ЗШВ, виділяють наступні [2]:

• нагромадження токсичних елементів у продуктах спалювання вугілля;
  
• розташування золошлаковідвалів поблизу великих міст (а нерідко в межах міста);
  
• надходження токсичних мікроелементів в атмосферне повітря, забруднення навколишнього середовища прилеглого району;
  
• забруднення токсичними елементами, важкими металами поверхневих і підземних джерел, землі, ґрунту при складуванні й зберіганні золошлакових матеріалів на золовідвалі;
  
• відчуження великих територій з метою будівництва золовідвалів для розміщення ЗШВ;
  
• використання на більшості ТЕС технологічного устаткування, що не відповідає вимогам екологічної безпеки;
  
• низький відсоток утилізації ЗШВ.
  

     Таким чином, можна констатувати, що проблема, пов'язана з утворенням і нагромадженням ЗШВ й необхідністю їхньої подальшої утилізації, є однією з першорядних і актуальних екологічних проблем теплової енергетики.
     У наш час на семи теплових електростанціях Донецької області (Кураховській, Старобешевській, Углегорській, Миронівській, Слов'янській, Зуєвській і Краматорській) накопичено більше 146 млн. тонн золошлакових відходів, під золошлаковідвали зайнято близько 1,5 тис. га території, при цьому значна їхня частина перебуває на грані вичерпання вільної ємності. У зв'язку із цим, надзвичайну актуальність здобуває проблема вдосконалення системи поводження з відходами ТЕС.

Ціль роботи

     Пошук оптимальних шляхів мінімізації й утилізації золошлакових відходів для теплових електростанцій Донецької області, а також удосконалення системи поводження з відходами.

Об'єкт дослідження

     Золошлакові відходи, що утворюються при спалюванні донецьких вугіль на ТЕС Донецької області, а також існуючі у світовій практиці методи й технології утилізації золошлакових матеріалів.

Методи дослідження

     Напрямок роботи формувався на основі проведених патентно-інформаційних досліджень, а також аналізу облікової документації ТЕС Донецької області й Державного керування охорони навколишнього природного середовища в Донецькій області.

Наукова новизна роботи

     Вперше проаналізовані й узагальнені дані по компонентному складу й вмісту токсичних, потенційно-токсичних, потенційно промислово значимих компонентів (мікроелементів) у золошлакових відходах ТЕС Донецької області, що дозволило оцінити товарну значимість продуктів спалювання донецьких вугіль і можливість їхнього використання з урахуванням новітніх досягнень у якості вторинної сировини в інших галузях народного господарства.

Характеристика золошлакових відходів

     При спалюванні твердих видів палива в топках теплових електростанцій утворюється зола у вигляді пилоподібних залишків і грудковий шлак, а також золошлакові суміші [4]. Вони є продуктами високотемпературної (1200 – 1700°С) обробки мінеральної частини палива.
     Паливо спалюють у шарі над колосниковою решіткою у вигляді дрібних шматків або при вдмухуванні в пилоподібному стані. Золи пилоподібного спалювання проходять високотемпературну обробку. Вони мають порівняно однорідний хімічний склад і незначний вміст незгорілих часток палива. Деяка частина золи осідає на трубах казана, поді й стінках топки, але основна її маса (зола-унесення) несеться з димовими газами, уловлюється й накопичується в бункерах, звідки видаляється потоком води або пневмотранспортом. На більшості діючих ТЕС Донецьких областей застосовують систему гідровидалення для транспортування золошлакових сумішей у відвали.
     Зола-унесення являє собою тонкодисперсний матеріал, що складається в основному із часток розміром 5 – 100 мкм. Її хіміко-мінералогічний склад відповідає складу мінеральної частини палива, що спалюється. При згорянні кам'яного вугілля зола являє собою обпалену глинисту речовину із включенням дисперсних часток кварцового піску. При випалі мінеральної частини палива дегідратується глиниста речовина й утворюються низькоосновні алюмінати й силікати кальцію. Основним компонентом золи-унесення є склоподібна алюмосилікатна фаза, що складає 40 – 65% всієї маси й має вид часток кулястої форми розміром до 100 мкм. Із кристалічних фаз у золах можуть бути присутнім a-кварц і муліт, а при підвищеному вмісті Fe2O3 також гематит.
     Якщо мінеральна частина палива містить значну кількість карбонатів, то в золі утворюються низькоосновні силікати й фериты кальцію, здатні взаємодіяти з водою. У невеликій кількості в золу входять наступні домішки: вільні оксиди кальцію й магнію, сульфати, сульфіди й ін. У золах, як правило, міститься вуглець у вигляді різних модифікацій коксових залишків. Вміст їх для кам'яних вугіль – 3 – 12%, причому незгорілих часток у тонкодисперсних фракціях золи менше, ніж у грубодисперсних.
     Хімічний склад золи-унесення коливається залежно від родовищ вугіль. Наближенний вміст основних оксидів у золах різних ТЕС Донецької області наведений в таблиці 1.

     Таблиця 1 – Склад золошлакових відходів ТЕС Донецької області

     Золи підрозділяються на висококальцієві (вміст СаО > 20%) і низькокальцієві (вміст СаО < 20%). Для перших переважними є кристалічні фази, для других – скло й аморфізована глиниста речовина. Золи ТЕС Донецької області відносяться до низькокальцієвих. Інтегральною характеристикою хімічного складу зол є модуль основності МО, що для основних зол становить МО > 0,9; кислих – 0,6 – 0,9; надкислих – МО < 0,6. В основних золах сумарний вміст суми оксидів кальцію й магнію досягає 50%, у надкислих – 12. Останні є більш розповсюдженими, до них відносяться й золи ТЕС Донецької області.
     Шлаки – основний вид відходів при кусковому спалюванні палива. При пилоподібному спалюванні шлаки становлять 10 – 25% від маси утвореної золи. Шлаки утворюються в результаті спікання окремих часток на колосниковій решітці при температурі понад 1000°С або при охолодженні розплавленої мінеральної частини палива при температурі більше 1300°С. У зв'язку з інтенсифікацією процесів спалювання твердого палива й переходом до використання в тепловій енергетиці багатозольних видів вугіль перспективне застосування топок із рідким шлаковидаленням. Продуктами рідкого шлаковидалення з енергетичних топок є паливні гранульовані шлаки, утворені в результаті швидкого охолодження водою мінерального розплаву.
     Рідке шлаковидалення забезпечується підігрівом повітря до температури близько 700°С або зниженням температури плавлення мінеральної частини палива при добавці до неї флюсу. На відміну від зол, шлаки, утворені при більш високих температурах, практично не містять незгоріле паливо й характеризуються більшою однорідністю. Шлаки видаляють гідравлічним або сухим способом. При гідравлічному способі, що має поки більше поширення, золи й шлаки змішуються.
     Гранульовані шлаки являють собою механічну суміш зерен розміром 0,14 – 20 мм. Хімічний склад шлаків, як і зол, може змінюватися в широкому діапазоні – від надкислих (МО < 0,1) до основних (МО > 1). Багато паливних шлаків характеризуються значною кількістю (20% і більше) оксидів заліза, що містяться переважно в закисній формі. Вміст склоподібної фази становить 85 – 98%, в основних шлаків він може бути значно нижче. У кристалічній фазі можлива наявність муліту, гелениту, псевдоволастоніту, двохкальцієвого силікату й інших мінералів.

Існуючі у світовій практиці методи використання золошлакових відходів ТЕС

      У наш час основна кількість золи використовується в будівельній індустрії (виробництво цементу, цегли, виробів з ніздрюватого бетону, шлакоблоків, легких заповнювачів, руберойду, керамзиту), у будівництві дамб золошлаковідвалів, будівництві й ремонті доріг [5]. За рахунок використання золошлакових матеріалів (ЗШМ) заощаджується до 30% цементу й більше половини природних заповнювачів, знижується теплопровідність бетонів, знижується маса будинків і споруджень.
      Розроблено більше ста технологій виготовлення різних бетонів з використанням золи й шлаків. У легких бетонах зола використовується у вигляді заповнювача, замість кварцового піску і як добавка до в'язкого компонента, застосовується в конструкціях, що обгороджують, і для зниження маси несучих конструкцій. Одним із найзолоємніших напрямків у виробництві будівельних матеріалів є виготовлення керамічної цегли, каменів і блоків. Виготовлення будівельної цегли із золи не вимагає розробки глиняних кар'єрів, перевезення, багатомісячного витримування сировини в запасниках. Зола й шлаки використовуються як сировинний компонент і як добавка (5 – 20%) на багатьох цегельних заводах. Характерно, що золошлаки системи гідрозоловидалення мають при виготовленні керамічної цегли перевагу перед сухою золою завдяки рівномірному розподілу вологи в шихті. На цегельних заводах за рахунок використання золи заощаджується до 20% палива, підвищується якість продукції [6].
     Зола, що містить 25 – 30% оксиду алюмінію, є прекрасною і практично невичерпною сировиною для одержання коагулянту на основі оксихлориду алюмінію, необхідного для очищення питних і стічних вод і глинозему. Шлами цього виробництва можуть бути використані для одержання цементу й силікатної цегли, тобто забезпечується повне використання ЗШМ. Присутність у золах комплексів коштовних елементів дозволяє рентабельно витягати їх при вмісті навіть більш низькому, ніж у промислових рудах, що в значній мірі знижує витрати на геологічні пошуки рудної сировини, розвідку родовищ, видобуток руди, її дроблення, збагачення, транспортування [7]. При цьому крім істотного економічного ефекту вирішуються багато екологічних проблем.
     У золі утворюється легка фракція у вигляді мікросфер, що представляють собою порожні кульки розміром від 10 до 500 мкм, наповнені вуглекислим газом. На їхній основі отримані цегли, вартість яких майже у два рази менше вартості шамотної цегли. По своїх основних характеристиках легкі вогнетривкі теплоізоляційні вироби з використанням мікросфер з успіхом можуть замінити традиційну шамотну легковагу. Область їхнього застосування досить широка: будівництво будинків і споруджень, теплоізоляція в холодильній промисловості, теплозвукоізоляція в суднобудуванні, літакобудуванні й інших галузях, де потрібний легкий, теплоізоляційний, негорючий матеріал.
     ЗШМ ТЕС знаходять застосування в дорожнім будівництві. Для економії дефіцитного цементу при влаштуванні основ дорожніх одягів застосовуються суміші з використанням відходів теплоенергетики. Проведено дослідження з використання золи-унесення для формування теплоізолюючих шарів дорожніх одягів в умовах суворого клімату. Висококальцієва зола знаходить застосування в розкисленні ґрунтів сільськогосподарських угідь. У результаті досліджень, проведених поруч НДІ й вищих навчальних закладів, установлено, що зола ТЕС, що має у своєму складі значно менше кальцію й марганцю, ніж вапно, впливає на кислотні ґрунти в не меншому ступені.
     Найбільш якісною для практичного застосування є зола-унесення сухого відбору. Вона має найбільш стабільні властивості, цінні для одержання будівельних матеріалів. Існує безліч установок сухого золовидалення, що дозволяють відвантажувати золу унесення безпосередньо споживачеві. Також інтерес представляють установки грануляції золошлакових матеріалів, які дозволяють складувати гранульовані золошлаки в золовідвалах до їхнього використання, при цьому вони не злежуються й не втрачають своїх споживчих властивостей [8].

     Одним з найбільш перспективних шляхів утилізації золошлакових відходів Старобешівської ТЕС є виробництво аглопоритового гравію [9]. Золошлаки цієї ТЕС мають склад, представлений в таблиці 1, і відповідають вимогам для виробництва аглопоритового гравію: SiO2 – 55 ± 10%; Al2O3 – 25 ± 10; Fe2O3 – 10 ± 8; СаО + MgO – до 12; Na2O + K2O – до 5; SO3 – до 3%.
     У світовій практиці застосовується технологія виробництва аглопоритового гравію із золи ТЕС (рисунок 1), особливість якої полягає в тому, що в результаті агломерації сировини утворюються обпалені гранули. Сутність технології виробництва аглопоритового гравію полягає в одержанні сирцевих зольних гранул розміром 10 – 20 мм, укладанню їх на колосники товщиною 200 – 300 мм стрічкової агломераційної машини й термічній обробці [10]. Горн агломераційної машини складається із двох секцій – підсушування й запалювання. Шар гранул спочатку підсушується й підігрівається, а потім робиться запалювання й випал. Завдяки високій газопроникності шихти, крізь шар просмоктується велика кількість повітря, у результаті чого створюється окисне середовище, і гранули між собою не спікаються. Аглопоритовый гравій розсіюють на фракції, спеки, що утворюються, дроблять, а потім також розсіюють на фракції.

     1 – пневмотранспорт золи; 2 – пневмотранспорт повернення; 3 – видатковий бункер золи; 4 – автоматичний ваговий дозатор; 5 – двохвальний шнековий змішувач; 6 – тарілчастий гранулятор; 7 – стрічковий конвеєр; 8 – лоток; 9 – роликовий укладальник; 10 – горн; 11 – стрічкова випалювальна агломераційна машина; 12 – роторна дробарка; 13 – пластинчастий конвеєр; 14 – інерційний гуркіт; 15 – двохвалкова зубчаста дробарка; 16 – прийомний бункер; 17 – пиловий відцентровий вентилятор; 18 – рукавний фільтр; 19 – інерційний гуркіт; 20 – бункер готової продукції; 21 – збірний колектор для газів, що охолоджуються; 22 – стрічковий конвеєр для збору просипу; 23 – прийомний бункер просипу; 24 – вентилятор високого тиску
     Рисунок 1 – Схема виробництва аглопоритового гравію із золи ТЕС

     Розроблена технологія передбачає можливість використання сухої золи-унесення від котлоагрегату із циркулюючим шаром Старобешівської ТЕС, а також водозольної суспензії, що утвориться при гідротранспорті золошлаків у відвали.

Висновки

     Таким чином, результатом роботи повинен стати план заходів щодо вдосконалення системи поводження з відходами для ТЕС Донецької області, що включає шляхи мінімізації утворення золошлаків у ході технологічного процесу виробництва електроенергії, оптимальні методи утилізації золошлакових матеріалів, виходячи з якісного складу відходів, що утворюються, устаткування ТЕС установками по сухому вловлюванню золи (електрофільтрами, циклонами) і засобами сухого відбору золи. У перспективі доцільно розглянути можливість переходу ТЕС Донецької області на зберігання ЗШМ на насипних золовідвалах.

Джерела літератури

1. Носков О.С., Савинкіна М.А., Аніщенко Л.Я – Вплив ТЕС на навколишнє середовище / Ін-т каталізу СО АН СРСР, Ін-т хімії твердого тіла й переробки мінеральної сировини СО АН СРСР, ГПНТБ СО АН СРСР – Новосибірськ: Вид. ГПНТБ СО АН СРСР, 1990. – 177 с.
   
   
2. Пал М.Х. Енергія та захист навколишнього середовища. – Падеборн: Вид-во FIT-Verlag, 1996. – 449 с.
   
   
3. Малий Є.А., Дорфман М.Л. Довідник з утилізації відходів ТЕС. – М., 1995. – 158 с.
   
   
4. Бернацький А.
   Золошлакові відходи: досвід та перспективи використання
   http://expocem.ru/spravochniki/cement_articles/
   
   
5. Целиковський Ю.К.
   Екологічні та економічні аспекти утилізації золошлаків ТЕС
   http://bibliofond.ru/
   
   
6. Усманов Н.В.
   Виробництво силікатної цегли та інших будівельних матеріалів з золи-унесення та шлаків енергогенеруючих компаній
   http://www.haiyuan-group.ru/content/view/37/
   
   
7. Шишелова, Т.И. Самусева М.Н.
   Раціональне надрокористування - шлях до процвітання
   http://www.rae.ru/
   
   
8. Вишня Б.Л.
   Технології утилізації та екологічно чистого складування відходов ТЭС
   http://www.ecoindustry.ru/
   
   
9. Соловей В. В., Воробйова І. А., Воловіна Т. В.
   Технологія утилізації золошлакових відходів твердопаливних теплоелектростанцій
   http://waste.com.ua/cooperation/2006/theses/solovey.html
   
   
10. Власова В.В., Нікольська Н.І.
    Технологія комплексної перероботки золошлакових відходів ТЕС Іркутської області
    http://www.minproc.ru/