Промышленная экология. Утилизация крупнотоннажных отходов производс

Возможно использование отходов углеобогащения как сырьевого глинистого компонента при производстве шлакопортландцемента с одновременным снижением расхода топлива на 10 %.

Другие направления утилизации – добавление высушенных отходов, прежде всего флотации, в тампонажные растворы при бурении газовых и нефтяных скважин, использование в сельском хозяйстве в качестве удобрений.

Контрольные вопросы

1.Как классифицируются отходы горнодобывающего производства?

2.Назовите основные нерудные материалы.

3.Охарактеризуйте нерудные материалы по химическому составу и видам отходов.

4.Какое направление для использования отходов горнодобывающей отрасли, на ваш взгляд, является наиболее оптимальным?

5.Какие строительные материалы можно получать из отходов горнодобывающих предприятий?

6.Назовите виды топливных отходов и направления их утили-

зации.

51

ГЛАВА 4. ОТХОДЫ ТЭС И КОТЕЛЬНЫХ

Другой вид крупнотоннажных отходов – золошлаковые отходы тепловых электростанций (ТЭС).

Одна ТЭС средней мощности ежегодно выбрасывает в отвалы до 1 млн т золы и шлака, а ТЭС, сжигающая многозольное топливо, – до 5 млн т. Складирование и хранение такой массы материала требует значительных капиталовложений. Золоотвал занимает очень большие земельные площади, является источником неблагоприятной экологической обстановки в районе.

Зола и топливный шлак – это твердые, в основном неорганические остатки сгорания угольного топлива, которые образуются

вкотельных и на ТЭС. Их содержание зависит от вида топлива, способа его сжигания и составляет: 10–35 % в буром угле, 5–30 %

вкаменном угле и антраците, 2–50 % в торфе, 50–80 % в горючих сланцах, 0,15–0,20 % в мазуте, 0,5–1,5 % в дровах. В золошлаках, помимо неорганической части, присутствуют также около 5–6 % несгоревшего топлива и остаются радиоактивные изотопы радиевого, уранового и ториевого рядов, которые содержались в исходном угле. По этой причине зола может иметь опасно повышенную радиоактивность.

4.1.Классификация отходов ТЭС

Взависимости от вида сжигаемого угля, способа сжигания, температуры факела, способа золоудаления, сбора и хранения золы на ТЭС различаются следующие виды золошлаковых отходов.

1. Зола-унос – образуется при сухом золоудалении с осаждением частиц золы в циклонах и электрофильтрах и накоплением

всилосах.

2. Топливные шлаки – образуются при полном плавлении минеральной части топлива, осаждении расплава в нижней части топки котла и грануляции расплава водой аналогично придоменной грануляции доменных шлаков.

52

3. Золошлаковая смесь – образуется при совместном мокром удалении уловленной обеспыливающими устройствами золы-уноса и топливных шлаков, образующихся в котле. Золошлаковая смесь

ввиде пульпы направляется в золоотвал.

Внормативно-методических документах и практических ре-

комендациях золу классифицируют: на кислую (богатую SiO2) или основную (богатую СаО); гидравлическую или пуццоланическую. Зола, проявляющая явные или латентные гидравлические свойства, относится к основной золе, проявляющая пуццоланические свойства – к кислой.

Поскольку гидравлическую активность способны проявлять только золы, содержащие повышенное количество СаО, в том числе в виде СаОсв, деление зол на основные и кислые часто связывают с содержанием в них СаО.

Например, согласно ГОСТ 25818–91 золу-унос, используемую при производстве бетона, относят к кислым при содержании СаО не более 10 % и к основным – при его большем содержании.

4.2. Количество, химический состав и свойства золошлаковых отходов

Выход золошлаковых отходов весьма значителен. В частности, только за одни сутки работы ТЭС мощностью 1 млн кВт сжигается около 10 тыс. т угля и образуется 1000 т шлака и золы. На ТЭС России ежегодно накапливается более 50 млн т отходов, из которых около 20 % составляет уловленная зола. Общий объем складирования отходов превышает 1 млрд т. При сжигании 1 т угля в золе в среднем содержится 2700 г металлов, в том числе 200 Zn, 700 Ni, 300 Со, 400 U, 200 Sn, 500 Ge, 100 Рb, 300 Be.

Золошлаковые материалы (ЗШМ) по химическому и мине- рально-фазовому составу, строению и свойствам зависят от состава минеральной части топлива, режима его сжигания, теплотворной способности, места отбора из отвалов, способа улавливания и удаления. При высоких температурах (1200–1600 °С) сжигания топлива минеральные примеси претерпевают физико-химические изме-

53

нения, поэтому зола и шлаки ТЭЦ имеют сложный минералогический и химический состав. Химический состав ЗШМ от сжигания углей в России и некоторых зарубежных странах представляют в основном SiO2 и Al2O3. Кроме того, в состав оксидов входят так-

же Fe2О3, СаО, MgO, Nа2O, К2О, TiO2, SO3 и др.

В настоящее время ГОСТ 25818–91 и ГОСТ 25592–91 определили требования к химическому составу ЗШМ, применяемых для производства различных видов бетонов и строительных растворов. Нормируется содержание оксидов – СаО, MgO, SO3, Nа2O и Ca2O:

оксида кальция СаО – 10 %, чтобы обеспечить равномерность изменения объема при твердении, свободного СаО – 5 %;

оксида магния MgO – не более 5 %;

1,5–3 % (в зависимости от вида сжигаемого топлива) во избежание деформаций при их реакции с заполнителями.

Минерально-фазовый состав включает неорганическую и органическую составляющие. Неорганическая фаза, в свою очередь, состоит из аморфной фазы, представленной стеклом и аморфизированным глинистым веществом. Другая составляющая – это кристаллическая фаза, которая включает кристаллические новообразования, возникающие от сжигания топлива (муллит, гематит, алюмосиликат кальция и др.) и преобразованные зерна минералов топлива (кварц, полевые шпаты и другие термически устойчивые минералы).

Состав стекла в золах характеризуется силикатным, алюмосиликатным и железисто-алюмосиликатным веществом. Форму, активность золы и поверхность зольных частиц можно определить по глинистым аморфизированным веществам – метакаолинитам и слабоспекшимся аморфизированным глинистым веществам, а также по спекшимся и частично остеклованным частицам. Сферическая форма и гладкая остеклованная фактура поверхности характерна для большинства частиц золы. Частицы различаются од-

54

нородностью. Частицы, состоящие полностью из стекла, более однородны. Размер частиц – от нескольких микрон до 50–60 микрон. В момент образования частицы встречаются полые шарики в результате вспучивания стекла, имеются частицы с внутренней нерасплавленной частью из мельчайших минеральных и коксовых зерен или большого количества кристаллических веществ, могут также образовываться стекловидные частицы неправильной формы. У некоторых частиц из-за различного количества пузырьков образуется губчатая поверхность.

Образуются золы, состоящие из аморфизированного глинистого вещества с пористыми частицами неправильной формы, которое образуется при недостаточно высокой температуре сгорания топлива и высокой тугоплавкости его зольной части.

Неоднородные агрегаты с низкой прочность содержатся

вкрупных фракциях золы, образовавшихся в результате спекания множества мелких зерен.

Основное различие между золами и топливными шлаками –

вих крупности. В настоящее время в топках топливо сжигается

тремя основными способами: в слое на колосниковой решетке в виде фракций размером от 3 до 150 мм; при вдувании в топку твердого топлива в пылевидном состоянии (факельный процесс); во взвешенном состоянии, когда часть мелко измельченного топлива сгорает в полете, а крупные зерна – на колосниковой решетке. При сжигании крупных кусков топлива развивается неодинаковая температура как по их сечению, так и в различных зонах топки. Это приводит к неравномерной термической обработке минеральных остатков топлива и вызывает неоднородность их физических свойств. При сжигании в пылевидном состоянии обеспечивается более равномерная термическая обработка. Во взвешенном состоянии часть топлива сгорает в слое, а часть – в условиях, аналогичных факельному процессу.

На большинстве ТЭС топливо сжигается в пылевидном состоянии при температуре в топочной камере 1200–1600 °С. При этом большая часть несгорающих минеральных соединений выделяется в виде пыли с удельной поверхностью 200–350 м2/кг и раз-

55

мером 5–100 мкм, выносимой из топок дымовыми газами (золаунос). Более крупные частицы оседают на пол топки и оплавляются в кусковые или стекловидные шлаки с размером частиц 0,2–30 мм.

При сжигании в слое на колосниковой решетке, которая характеризуется более низкими температурами, образуется собственно зола – рыхлая масса, состоящая из неоплавленных или оплавленных с поверхности мелких зерен. Шлак в этом случае представляет собой спекшуюся, пористую, достаточно прочную массу, состоящую из отдельных кусков неправильной формы размером 1–25 см.

В процессе сжигания приходится удалять значительные количества золошлаковых отходов. С этой целью применяют жидкое или твердое шлакоудаление из нижней части топочных камер и улавливание золы-уноса. При жидком шлакоудалении получают гранулированный материал.

Количественное соотношение между шлаками и золой-уно- сом зависит от конструкции топки и способа сжигания. В агрегатах с твердым шлакоудалением в шлак обычно переходит 10–20 % всей золы топлива, с жидким – 20–40 %, в циклонных топках – до 85–90 %.

Плотность золошлаковых отходов для разных видов топлива различна и составляет: для золы и шлака из бурых углей соответственно 2,0–2,3 г/см3 и 2,2–2,4 г/см3; из каменных углей 2,1– 2,4 г/см3и 2,4–2,6 г/см3.

Переработка зол и топливных шлаков имеет большое практическое значение с точки зрения защиты окружающей среды и в технико-экономическом плане, поскольку эти материалы могут найти широкое применение. В ряде стран (Германия, Франция, Бельгия и др.) их утилизация еще в начале 80-х гг. ХХ в. находилась на уровне 60–80 %. Однако в России используется лишь 6– 15 % золошлаковых отходов.

4.3.Нормы образования отходов ТЭС

Всоответствии со сборником удельных показателей образования отходов производства и потребления нормы образования отходов ТЭС представлены в табл. 4.1.

56

Охарактеризуем сложившиеся направления переработки рассмотренных выше золошлаковых крупнотоннажных отходов.

4.4. Основные пути утилизации отходов ТЭС

4.4.1. Вяжущие композиции

Попытки рационального использования летучей золы ТЭС сухого отбора в технологии бетона взамен части цемента известны с начала ХХ в. Многочисленные лабораторные исследования

ипрактика подтверждают, что такая замена, кроме экономии цемента, зачастую обеспечивает улучшение свойств бетонной смеси

ибетона.

Проблематичной является возможность эффективного применения золошлаковых отходов гидроудаления, характеризующихся нестабильными составом, свойствами и низкой пуццоланической активностью. Однако выполненные в последнее время научноисследовательские работы выявили новые перспективы в использовании золошлаковых отходов гидроудаления – на их основе могут быть созданы высокоэффективные композиции, сопоставимые по своим свойствам с цементами М300-400.

Основная масса разработок направлена на получение зольноизвестковых и зольно-щелочных вяжущих.

4.4.2. Производство строительных материалов и изделий

Помимо получения вяжущих, золошлаковые отходы пригодны для изготовления кирпича, пористых заполнителей, керамики, дорожных материалов, теплоизолирующей засыпки, зольного гравия, других строительных целей. При этом не менее 15–20 % всех утилизируемых отходов применяют для изготовления бетона и железобетона.

Бетон и железобетон

Зольные. Зола-унос добавляется при производстве тяжелых, легких, ячеистых бетонов.

58

Для тяжелых бетонов она используется взамен части цемента (10–30 %) или части песка (150–200 кг/м3), обеспечивая снижение расхода цемента на 30–100 кг/м3. Аналогичны условия утилизации золы-уноса для конструкционных легких бетонов. Для изготовления теплоизоляционных легких бетонов зола-унос вводится частично или полностью взамен песка, обеспечивая снижение на 100– 150 кг/м3 массы бетона и расхода цемента на 20–40 кг/м3. Практически нет экономии цемента и снижения плотности бетона для случаев использования пористого песка.

Таким образом, золы-унос сухого отбора могут широко применяться как активная минеральная добавка, позволяющая заменить часть цемента при изготовлении бетонных и растворных смесей без ухудшения их качества. Эти же золы как заполнители бетонных и растворных смесей повышают их пластичность и удобоукладываемость, увеличивают прочность изделий.

Летучую золу можно применять в качестве инертного наполнителя в асфальтах.

Важно отметить, что в ряде случаев зола-унос пригодна для утилизации в промышленности строительных материалов без дополнительной обработки (помола, просеивания и т.п.).

Низкокальциевые золы сухого отбора могут использоваться как кремнеземистый компонент в производстве автоклавных материалов (силикатный кирпич и газозолобетон). При замене 30–40 % песка золой каменных углей возрастают прочность автоклавных материалов, морозостойкость и атмосферостойкость, изделия имеют четкую геометрическую форму, более гладкую поверхность. За счет повышения прочности на 20–30 % может быть снижен расход известкового вяжущего, применяемого в производстве указанных материалов, сокращается время тепловлажностной обработки изделий, а следовательно, и расход пара.

Особое направление в утилизации зол ТЭС составляет изготовление на их основе изделий из неавтоклавного ячеистого бетона, широко используемых в жилищном и культурно-бытовом строительстве.

59

Значительный интерес как сырье для изготовления бетонных изделий представляют крупнотоннажные отходы прошлых лет.

С применением отвальных зол московских ТЭЦ в ППО «Мосстройматериалы» организовали производство однослойных керам- зито-бетонных панелей, блоков стен подвалов, дорожных плит. Однако уровень утилизации невысок, сложности возникли с организацией использования зол в связи с их высокой влажностью. Не дает существенного эффекта введение этих материалов для экономии цемента в бетонах кл. В20-30. Поэтому более эффективной представляется утилизация в производстве сборного железобетона (г. Москва) сухих зол от сжигания подмосковных бурых углей, обладающих меньшей водопотребностью, большей пуццолановой активностью и сокращающих расход цемента на 20 % и более.

Золы утилизируют не только в качестве достаточно активного заполнителя, снижающего расход вяжущего при производстве бетонов. В ряде случаев они позволяют получать бесцементные бетоны.

Золошлаковые. Золошлаковые отходы ТЭС и котельных по масштабам образования в целом превосходят зольные. Большая их часть гидроудалением складируется в отвалы.

Золошлаковые отходы на ряде заводов по производству бетонных изделий привлекают для изготовления различного вида продукции.

Для легких бетонов золошлаковая смесь (с малым содержанием шлака) применяется в качестве мелкого заполнителя и обеспечивает одновременно снижение плотности бетона и расхода цемента в тех же пределах, что и сухие золы. Для производства шлакоблоков она употребляется, как правило, без дополнительного введения обычных заполнителей.

Возможно приготовление тяжелых и мелкозернистых бетонов на одной ЗШС без использования обычных заполнителей. В этом случае снижение расхода цемента не достигается. Тем не менее за счет исключения затрат на добычу и подготовку природных заполнителей получают существенный экономический эффект.

60