Экологические и экономические аспекты утилизации золошлаков ТЭС

Проблемы утилизации золошлаковых отходов ТЭЦ и возможные пути их решения

Автор: Н.Г. Андреева

Источник: Научный журнал "Ползуновский вестник" – 2011, № 4-2

Описание: Статья посвящена актуальным вопросам, связанным со снижением негативного воздействия отходов энергетики на компоненты окружающей среды. Рассмотрены возможные пути использования золы и шлаков в строительстве, способы отведения и складирования в виде гранулятов с целью снижения пыления.

Важной проблемой при работе топливно-энергетического комплекса является снижение отрицательного воздействия предприятий на окружающую среду, разработка ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий [1-4].

Например, при работе Барнаульской ТЭЦ-3 (БТЭЦ-3) происходит выброс в атмосферу большого количества твердых частиц [5]. Территория БТЭЦ-3 расположена с наветренной стороны относительно города, от выбросов страдает не только окружающая природная среда, но и непосредственно жители города. Поэтому проблема сокращения выбросов золы в атмосферу является крайне актуальной.

Количество золошлаковых отходов от наиболее типовой ТЭЦ электрической мощностью 1295/1540 МВт и тепловой мощностью 3500 Гкал/ч составляет порядка 1,6…1,7 млн. т. в год [6]. БТЭЦ-3 использует Канско-Ачинский уголь, главный плюс которого – малая зольность, поэтому количество шлака и золы на ней составляет 120 тыс.т в год. Удаление золы и шлака производится на золоотвал транспортированием в виде водяной пульпы.

Золошлакоотвал БТЭЦ-3 расположен в районе р. Обь и находится в эксплуатации с 1982 г. Проектная площадь зеркала золошлакоотвала более 100 га, ёмкость – более 3 млн.м3. Хотя золоотвал обеспечен инженерной защитой от фильтрации осветлённой воды в пойму реки, воздействие на состояние водного бассейна проявляется в виде загрязнения поверхностных вод р. Обь вредными веществами, содержащимися в составе сбрасываемых из золоотвала отстойных вод.

Гидравлическое удаление высококальциевых золошлаков Канско-Ачинских углей весьма проблематично в связи с интенсивным обрастанием оборудования и трубопроводов минеральными отложениями, низкой экономичностью систем ГЗУ с оборотным водоснабжением, отсутствием вблизи действующих ТЭЦ свободных площадей бросовых земель, пригодных для организации золоотвалов, загрязнением грунтовых вод щелочными высокоминерализованными фильтрационными водами отвалов и т.п. [7,8].

Комплексное исследование химического и фазового состава, физико-механических характеристик и гидравлической (химической) активности золы и шлака Барнаульской ТЭЦ-3 показало, что одно из наиболее эффективных направлений их использования является производство неавтоклавных золобетонных и золошлакосиликатных строительных материалов (без дополнительного введения в состав смеси природных материалов). Это потребует сухого удаления и складирования золошлаков для возможности их дальнейшей реализации.

Из-за того, что ТЭЦ по условиям своего графика работают с переменной нагрузкой в течение года, выход золы неравномерен. Заводы же по переработке золы должны работать ритмично. Хранение сухой золы весьма проблематично. При сухом удалении золы и шлака основное воздействие на окружающую среду заключается в пылении при их погрузке и транспортировке.

Гетерофазные загрязнения (пыли, взвеси, аэрозоли) относят к механическим загрязнениям сред. Для этих систем характерно образование в основной среде второй фазы, которая изменяет их физико-химические параметры и отрицательно влияющие на биоту. Токсичность этого типа воздействия обуславливается размером частиц и свойствами их поверхности, от которых зависит способность к преодолению защитных барьеров в биоте. Эффект от их воздействия может усугубляться сорбцией токсикантов на поверхности частиц. Мелкие частички даже мало токсичных веществ вызывают серьезные поражения легких человека, вызывая трудноизлечимые профессиональные заболевания [9].

Существуют альтернативные гидрозолоудалению способы удаления и складирования высоко кальциевых золошлаков: сухой с предварительной грануляцией; полусухой (удаление золошлаков с увлажнением от 18 % до25 %); полумокрый (удаление зо-лошлаков в виде высококонцентрированной пульпы с водозольным отношением 0,8-2,0 м3/т). Все указанные технологии [10] предусматривают раздельное удаление золы и шлака, пневмосбор сухой золы и возможность отгрузки ее потребителям, обезвоживание шлака при его гидравлическом удалении от топок котлов и возможность отгрузки обезвоженного шлака потребителям.

Гранулирование высоко кальциевых золошлаков является оптимальным вариантом золошлакоудаления на ТЭЦ, сжигающих Канско-Ачинские угли. Данный способ основан на естественной способности золы к твердению после увлажнения и отличается технологическими преимуществами гранулированной золы перед другими ее состояниями (в виде порошка или обводненной). Технология грануляции включает в себя пневмосбор золы и обезвоженного шлака, увлажнение золы водой или сточными водами химводоподготовительных установок (ХВПУ) в смесителях, грануляцию золошлаков в окомкователях, предварительное твердение гранул на конвейере, промежуточное складирование, отгрузку гранулята на гранулохранилище, отгрузку сухой золы, обезвоженного шлака, гранулята и строительных материалов потребителям. Весь технологический цикл в зависимости от свойств золы и сезонных условий составляет 1-7 суток. Гранулят представляет собой шаровые частицы фракции 10-20 мм с прочностью 0,5 МПа через один час, 1-2 МПа через сутки, 3,5-5,0 МПа и до 10 МПа(в зависимости от свойств исходной золы) через28 суток хранения, насыпной плотностью 800-900 кг/м, плотностью гранул 1330-1500 кг/м, пористостью от 15 до28%. Выщелачивание вредных компонентов из гранулированной золы снижается в 8-10 раз (и более) по сравнению с исходной золой. Высокая пустотность (до 46%) и пористость частиц (до28%), незавершенность процессов гидратации минералов золы, требующих длительное время дополнительного расхода воды, обеспечивают высокую влагоемкость уложенной в отвал гранулированной золы. Баланс влагообмена гранулированной золы при хранении на открытом воздухе в теплое время года близок к равновесному, то есть количество выпавших осадков и влаги испарившейся и химически связанной одинаково. Вышеизложенное позволяет утверждать, что при хранении гранулированной золы на отвалах загрязнение природных вод вредными веществами из золы, а так же пыление практически исключается.

Экологически безопасный избыток золы и шлака в виде гранулята или высококонцентрированной самотвердеющей водозоловой смеси могут быть использованы в производстве вяжущих строительных материалов, строительных материалов и стеновых камней длительного хранения.

Объем переработки шлаков – до 300 тыс.т. в год. Площадь, необходимая для размещения сооружений комплекса (без грану-лоотвала) – 4 га, площадь гранулоотвала – 5,8 га, все сооружения комплекса могут размещаться на промплощадке ТЭЦ.

Универсальность технологических, схемных и компоновочных решений, многопрофильность производства, модульность основных узлов комплекса позволяет рекомендовать применение метода, с соответствующей привязкой к местным условиям, для широкого круга ТЭЦ (в том числе и на БТЭЦ-3) на Канско-Ачинских углях.

Полусухой способ удаления высоко кальциевых золошлаков заключается в пневмосборе золы и обезвоживании шлака, увлажнении золы в смесителях до влажности 18-25% (обеспечивающей обеспыливание при загрузке транспортных средств, транспортировке и разгрузке), вывозе увлажненной золы и обезвоженного шлака на отвал самосвалами, разравнивании и укатке выгруженных золошлаков бульдозерами и гружеными самосвалами. Уложенные на отвал золошлаки через 8-24 часа затвердевают с образованием монолитного зольного массива.

По завершении твердения (в возрасте 28 суток) золошлаки имеют следующие характеристики: плотность 1,85-1,95 т/м3, прочность до 7 МПа, коэффициент фильтрации- не ниже 10 см/с Использование сточных вод ХВПУ для отвердевания золы и специальных пластификаторов повышает прочность золового камня до 9-10 МПа и снижает водопро-ницаемость до 10 -10 см/с Уложенный на отвале золовый массив представляет собой монолит, загрязнение природных вод вредными веществами из отвала и пыление также практически исключаются.

Полумокрый способ удаления золошлаков (удаление в виде твердеющей высококонцентрированной водозолошлаковой смеси (ТВС)) включает пневмосбор золы и обезво-живание шлака, смешение их с водой или сточными водами ХВПУ до состояния пульпы с водозольным соотношением 0,8-2,0 м3/т, перекачку ТВС центробежными грунтовыми насосами или перевозку в авто бетоновозах в отвал, где она намывается слоем 0,5 м и через 6-10 часов начинает твердеть. Схватывание пульпы завершается через 12-24 часа практически без отделения воды. Намытый слой ТВС после твердения в возрасте 28 суток представляет собой монолитную плиту с прочностью, соответствующей низкомарочному бетону и коэффициентом фильтрации не ниже 10 м/сутки, что позволяет при сооружении отвалов отказаться от дорогостоящих ограждающих дамб и специальных противофильтрационных экранов из различных при-родных и искусственных материалов.

Наличие в золах Канско-Ачинских углей трудно гидратируемых частиц свободного оксида кальция препятствует широкому использованию их в производстве строительных материалов. При контакте с водой проис-ходит гидратация свободного оксида кальция, которая сопровождается увеличением объема образующегося гидрата оксида кальция. Строительные материалы и изделия с использованием такой золы со временем деформируются и, в конечном счете, разруша-ются [2].

С целью расширения области применения зол можно использовать способ их активации(производство малоклинкерного вяжущего). Установка представляет собой сосуд, смонтированный в газоходе. Зола через верхнюю течку попадает в сосуд, в котором нагревается дымовыми газами до температуры около 130°С, после чего в её слой подаётся пар под давлением 0,4-1,2 МПа в течение 2-6 часов. При этом свободный оксид кальция переходит в гидроксид, клинкерные минералы остаются практически негидратированными. Активация золы позволяет перевести её из отхода теплоэнергетики в ценное техногенное сырьё, которое может быть использовано в производстве всех видов строительных материалов, частично или полностью заменить в них цемент и известь.

Использование зол Канско-Ачинских углей в производстве строительных материалов позволит снизить себестоимость изго-товляемых изделий, расширить сырьевую базу промышленности строительных материалов, улучшить экологическую обстановку в районе ТЭЦ и за ее пределами.

Литература:

1. Глухова М.В. Топливно-энергетический комплекс Российской Федерации и экологическая безопасность/М.В. Глухова-М.: Б.и., 2003. - 172 с.

2. Лялик Г.Н. Электроэнергетика и природа/ М. Энергоатомиздат 1995.

3. Клименко В.В. Энергия, природа и климат/ М. МЭИ 1997.

4. Кормилицин В.И. Основы экологии/ М. Интерстиль 1997.

5. Щепакин М.Б. Выбросы в атмосферу в электроэнергетике. Газообразные выбросы/ М.Б. Щепакин / Экология и промышленность России. Журнал.- 2002. - №11. – С.27-32.

6. Гаврилов В.И. Топливно-транспортное хозяйство и золошлакоудаление на ТЭС/В.И. Гаврилов- М.: Энергоиздат, 1987. - 168 с.

7. Состав и свойства золы и шлака ТЭС: Справочное пособие/ В. Г. Пантелеев, Э. А. Ларина, В. А. Мелентьев и др.; Под. ред. В. А. Мелентьева. — Л.: Энергоатомиздат, 1985.

8. Кузнецов П. М., Удаление шлака и золы на электростанциях, М., 1970.

9. Основы экологического нормирования: учебное пособие/ Ю.А.Лейкин- М.; РХТУ им. Д.И.Менделеева,2009.-396 с.

10. Технологии утилизации и экологически чистого складирования отходов ТЭС Б.Л. Вишня, ОАО«Ура-лОРГРЭС» Источник: http://www.ecoindustry.ru/.