Автор:
Масленко Ю.В., Горбачева Е.Ю.
Источник: Статья сборника на VI Международную
научно-практическую
конференцию «Современные проблемы управления
производством» – Донецк, ДонНТУ – 2011,
с. 453-459.
Масленко Ю.В., Горбачева Е.Ю. Эколого-экономический анализ использования твердых отходов теплоэнергетики. Рассмотрены вопросы воздействия золошлаковых отходов на окружающую природную среду и использования этих отходов как минерального сырья.
Донецкая область является регионом, который характеризуется высокими темпами урбанизации, а, следовательно, развитым производственно-хозяйственным комплексом. Особое место в этом комплексе занимает теплоэнергетика. При этом в процессе сжигания твердого топлива образуется значительное количество золошлаковых отходов, которые оказывают влияние на водный и воздушный бассейны, земную поверхность, флору и фауну, т.е. на все элементы окружающей природной среды, нарушая экологическую безопасность населения. Накопление огромной массы промышленных отходов в Донецкой области является актуальной природоохранной проблемой, требующей срочного решения. Практически все действующие накопители отходов в области не соответствуют требованиям экологической безопасности. Они загрязняют почвы, подземные и поверхностные воды, атмосферный воздух, биологические ресурсы, обезображивают ландшафт и создают техногенную опасность. Поэтому проведенные исследования актуальны не только с научной, но и с практической точек зрения.
Целью данной работы является определение степени воздействия на окружающую среду предприятий теплоэнергетики и разработка подходов возможного использования золошлаков.
Проблеме размещения и использования отходов уделяется большое внимание со стороны как отечественных, так и зарубежных ученых. В своих работах они исследуют общетеоретические и научно-методологические положения экономической эффективности переработки отходов, основы организационно-экономического механизма управления вторичными ресурсами, различные аспекты мотивации субъектов хозяйствования, обеспечивающих максимально возможное извлечение полезных компонентов из отходов. Это прежде всего работы Анищенко Л.Я., Балацкого О.Ф., Бобылева С.Н., Семенченко П.М., Ходжаева А.Ш. и др. Однако на сегодняшний день недостаточно разработаны научные основы формирования управления отходами на основе долгосрочных приоритетов, а именно экологической безопасности и ресурсосбережения. Данная позиция выдвигает новые требования дальнейшего изучения направлений промышленного использования твердых отходов как сырья для производства строительных материалов и химической продукции с целью снижения отходности продукции и снижения нагрузки на окружающую природную среду.
Энергетическая промышленность Донецкой области представлена семью тепловыми электростанциями, работающими на местном топливе, которые дают 12 % электроэнергии, производимой в стране – Углегорская ТЭС мощностью 3,6 млн. кВт; Старобешевская ТЭС мощностью 2 млн. кВт; Славянская ТЭС мощностью 1,8 млн. кВт; Кураховская мощностью 1,5 млн. кВт.; Зуевская, Мироновская и Краматорская мощностью по 1 млн. кВт. В настоящее время на этих объектах накоплено 146 млн. тонн золошлаковых отходов, ежегодный объем образования золы и золошлаков составляет более 4 млн. т., которые занимают 1,5 тыс. га территории и выбрасывают в атмосферу около 29% от общего количества всех вредных отходов промышленности в виде дымовых газов. Рассеивание выбросов происходит на территории радиусом 20-50 км. Приведенные данные указывают на значительные объемы отходов и недаром по степени воздействия на биосферу теплоэнергетика входит в тройку «лидеров» после угольной и металлургической промышленностей.
Золоотвалы, на которых складируются твердые отходы энергетического производства, относятся к объектам повышенной экологической опасности, оказывающие прямое и опосредственное негативное влияние на литосферу, воздушный бассейн, водную среду, почвы, растительный и животный мир, социальную и техногенную среды. Негативное влияние золошлаковых отходов отражено на рисунке 1.
Виды непосредственного (прямого) воздействия золоотвалов проявляются в следующем:
Опасными являются и вторичные процессы загрязнения окружающей среды, которые могут проявляться в загрязнении почвенного слоя за счет оседания взвешенных частиц золы, что влияет на геохимию подземных вод, ухудшает условия произрастания растительности и уменьшает популяцию животных.
Рисунок 1 – Схема воздействия золоотвала на природную среду
Взаимодействие ТЭС с гидросферой характеризуется в основном потреблением воды системами технического водоснабжения. Основными потребителями воды на ТЭС являются конденсаторы турбин. Расход воды зависит от начальных и конечных параметров пара и от системы водоснабжения.
Ежегодный забор воды для производственных нужд из реки Лугань в объеме 11 млн. м3/год, для питьевого водоснабжения из канала Северский Донец-Донбасс – 30,3 млн. м3/год с последующим сбросом сточных вод в Углегорское – 2,2 млн. м3/год и Мироновское водохранилища – 4,3 млн. м3/год.
При сжигании углей в топках котлов органическая часть твердого топлива сгорает, образуя дымовые газы, а неорганическая часть образует золошлаки. Большая часть примесей от сжигания угля переходит в летучую золу и уносится дымовыми газами в улавливаемые золоуловители, которые могут быть сухие и мокрые, в зависимости от конструкции топки и физических особенностей минеральной составляющей топлива, другая часть переходит в шлак. Зола и золошлаковые смеси представляют собой твердый несгоревший остаток топлива, который удаляется в золоотвалы. В зависимости от вида угля и условий его сжигания, золы и золошлаковые смеси характеризуются различным физическими свойствами и химическим составом. В таблице 1 приведены усредненные показатели загрязнения атмосферы ТЭС.
| ТЭС | SiO2, % | Al2O3,% | Fe2O3, % | CaO + MgO2, % | Na2O + K2O,% | SO3, % |
| Старобешевская | 44-50 | 24-30 | 8-16 | 2,47-4,6 | – | 1,2 |
| Кураховская | 50-53 | 19-23 | – | – | – | – |
| Славянская | 49,4 | 22,5 | 17,1 | 10,05 | – | – |
| Зуевская | 52,3 | 21,4 | 13,1 | 4,8 | 2,0 | 1,2 |
| Углегорская | 16,7 | 40,6 | 23,0 | 8,4 | – | 0,02 |
| Мироновская | 67,8 | 19,8 | 10,9 | 5,05 | 2,8 | 2,17 |
| Крамоторская | 49,4 | 22,5 | 17,1 | 10,05 | – | – |
Одной из наиболее крупных теплоэлектростанций Донецкой области является Углегорская ТЭС, мощностью 3,6 млн кВт, которая оказывает влияние на загрязнение почв окружающей территории в основном через выбросы дымовых газов, а также через полигоны отходов, промышленной деятельности подразделений ТЭС (мазутное хозяйство, угольный склад, золошлакопроводы).
Для более полной оценки воздействия ТЭС на все природные экосистемы необходимо учесть качество твердого топлива, используемого на данном предприятии. Расход топлива и его характеристика приведена в таблице 2.
Одним из основных токсичных компонентов, которые содержатся в органическом топливе и оказывают влияние на окружающую среду является сера. Повышенное содержание серы в углях снижает их качество. При сжигании угля это приводит к значительному росту расхода топлива. Возникает опасность загрязнения среды токсичными окислами серы. В воздухе окислы реагируют с парами воды и образуются крошечные капельки сернистой и серной кислот. В свою очередь серная кислота взаимодействует с содержащимися в воздухе окислами кальция и железа, образуя сульфаты кальция и железа. Окислы металлов появляются в воздухе также в результате сжигания угля. Эти кислоты и частицы, которые также обладают кислыми свойствами, растворяют мрамор и известняк, вызывают коррозию металлов, разрушают ткани и губят растительность. Они также отрицательно влияют на здоровье людей и порождают кислотные дожди.
| Вид топлива | Расход, т | Качество | |||
| Калорийность, ккал/кг | Зольность, % | Влажность, % | Сера, % | ||
| Уголь, т | 1 885 304 | 5 118 | 20-52 | 11,0 | 2,3 |
| Газ, тыс. м3 | 330 641 | 7 988 | – | – | – |
| Мазут, т | 988 | 9 204 | – | 3,68 | 2,3 |
Однако помимо индикаторного загрязнителя к потенциально вредным веществам относятся Hg, As, Cl, Be, Co, V, Pb, Zn.
Основная продукция Углегорской ТЭС – электрическая и тепловая энергия. Показатели выработки и отпуска продукции, вырабатываемой теплоэлектростанцией приведены в таблице 3.
| Электроэнергия, тыс. кВт | Тепловая энергия, Гкал | ||
| выработано | отпущено | выработано | отпущено |
| 5 110 805 | 4 742 806 | 114 754 | 114 754 |
Из таблицы 3 видно, что около 368 тыс кВт электроэнергии теряется.
Эксплуатация тепловой электростанции, работающей на твердом топливе, дает значительное количество отходов в виде золы и шлака. Зола и золошлаковые смеси представляют собой твердый несгоревший остаток топлива, который в виде пульпы удаляется в золоотвалы. В зависимости от вида топлива и условий его сжигания, золы и золошлаковые смеси характеризуются различными физическими свойствами и химическим составом. Химический состав золошлаков Углегорской ТЭС: SO2 – 16,7%; Al2O3 – 40,6%; Fe2O3 – 23 %; CaO + MgO2 – 8,4 %; SO3 – 0,02% (табл. 1). Сжигание органического топлива сопровождается образованием оксидов азота: N2O, NO2, N2O3, NO3, N2O4, N2O5, при этом наиболее устойчивым из них является NO2.
Использование значительного количества твердого топлива приводит к образованию золошлаков на поверхности литосферы. Фактический выход за последние годы приведен в табл.4.
| Год | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 |
| Выход золошлаков, тонн | 637 922 | 515 068 | 480 672 | 457 820 | 398 422 | 383 812 | 374 683 |
Как видно из таблицы золошлаковые отходы только одной ТЭС выглядят внушительно. Большая часть отходов, образующихся в области, являются вторичными материальными ресурсами и используются неэффективно. Использование ресурсного потенциала отходов теплоэнергетики не превышает 7 % и составляет около 10,2 млн. т из общего объема накоплений.
Таким образом, твердые отходы теплоэнергетики выступают с одной стороны, как овеществленные предметы труда, а с другой – как источник загрязнения атмосферы, почвы, поверхностных и подземных вод.
Максимальное повышение уровня утилизации продуктов энергетического производства – чрезвычайно важная социальная и эколого-экономическая задача как средство эффективной защиты окружающей природной среды. Привлекательным с точки зрения маркетинга является и то, что овеществленные затраты труда на «производство» твердых отходов могут быть получены по более низкой цене либо с меньшими затратами.
Для целей ориентации о качестве, составе и свойствах этих отходов как объекта исследований необходима соответствующая информация. С целью более детального эколого-геолого-экономического исследования объекта, определение степени его воздействия и зоны влияния на почво-грунты прилегающей территории использовалась локальная наблюдательная сеть с последующей литогеохимической съемкой. Результаты анализа 570 рядовых и 119 объединенных проб приведены в таблице 5. На Углегорской ТЭС сжигаются бурые и каменные угли из разных месторождений, имеющие различный химический состав, поэтому и химический состав зол, как видно из таблицы, также различаются.
Для раскрытия потенциальных возможностей использования твердых отходов рассмотрим некоторые подходы к использованию отходов теплоэнергетики. Зола имеет разные характеристики в зависимости от вида и сорта топлива, способа их сжигания. Разработанные методы утилизации позволяют использовать любую золу, независимо от того, образовалась она только что или пролежала десятилетия.
| Ингредиент | Содержание, % | ||
| Минимальное | Максимальное | Среднее | |
| SiO2 | 10 | 58 | 34 |
| Al2O3 | 10 | 30 | 20 |
| Fe2O3 | 2 | 20 | 11 |
| CaO | 2 | 60 | 31 |
| MgO | 0 | 10 | 5 |
| R2O | 0 | 5 | 2,5 |
Использование золы позволяет с одной стороны сэкономить природные ресурсы от 10 до 30 % (клинкерного вяжущего вещества), с другой стороны, улучшает качество строительных материалов: повышает прочность, увеличивает морозостойкость, снижает вероятность образования трещин [1-2]. Исследования показывают, что отходы теплоэнергетики являются минеральным сырьем, пригодным для производства аглопорита, цемента и керамики [3].
В результате исследований был выявлен диапазон применения золы. Её можно применять в бетонах – от тяжелого гидротехнического до легкого шлакобетона и стеновых блоков. Отходы частично заменяют крупный и мелкий наполнитель в бетонах. Так, в тяжелом бетоне зола заменяет до 25 % цемента, в легких – позволяет сократить расход цемента на 10-15%, а керамзитового гравия – на 15-20 % [1]. Наиболее эффективно применение золы в производстве таких разновидностей этого материала, как пенобетон, газозолобетон, золошлакобетон.
Промышленными испытаниями установлено, что из 100% отходов можно получить отличный строительный кирпич с высокой морозостойкостью и не уступающего по качеству кирпичу изготовленному из глины. При этом снижается расход топлива (до 20-40%), повышается прочность кирпича и снижается процент брака после сушки и обжига, кроме того, экономится до 20% извести [4].
В настоящее время золошлаковые отходы Углегорской ТЭС используются для подсыпки дамб золоотвалов, насыпей при строительстве железнодорожных и автомобильных дорог.
Присутствие в золах комплексов ценных элементов позволяет рентабельно их извлекать, что в значительной степени снижает расходы на геологические поиски рудного сырья, разведку месторождения, добычу руды, ее дробление, обогащение, транспортировку. Себестоимость полученных редких металлов из золы ниже на 60%, чем извлечение их из промышленных руд. При этом решаются многие экологические проблемы.
Таким образом, использование золошлаковых отходов теплоэнергетики можно считать бизнес направлением. Государственная и региональная стратегия развития индустрии переработки и утилизации крупнотоннажных отходов теплоэнергетики, может быть реализована посредством создания и развития технологических парков. Однако широкомасштабное применение отходов в качестве минерального сырья зависит от решения комплекса вопросов, которые должны быть решены на государственном уровне.