Переработка золошлаковых отходов ТЭС

     В Узбекистане одним из энергоносителей является уголь. Учитывая устойчивую тенденцию к повышению стоимости природного газа, вопросы утилизации отходов угольной теплоэнергетики с каждым годом будут становиться все острее. Важным резервом повышения эффективности производства энергии на угольных ТЭС является утилизация отходов сжигания углей. Уголь следует рассматривать не только как топливо, но и как сложное комплексное ископаемое, которое в процессе сжигания образует весьма ценное вторичное многоплановое минеральное сырье.

     К примеру при сжигании углей на Новоангренской ТЭС, ежегодно образуется 0,5 млн.тонн золы (к уже накопленным 30 млн.тонн). Использование и утилизация зол-уноса является весьма острой задачей и в связи с тем, что имеющиеся золохранилища занимают значительную территорию (более 200га), служат постоянным источником загрязнения почвы, воздушного и водного бассейнов. Применение золы в различных областях промышленности весьма ограничено в связи с неоднородностью ее состава и большим содержанием несгоревшего угля (до 25%).

               В Узбекистане золу унос и золошлаки официально называются отходами, и электростанции предлагают потребителям именно отходы, а не технологически доработанный продукт с соответствием его характеристик требованиям строительных нормативных документов.

     Зарубежные  данные свидетельствуют об использовании  зол ТЭС: в 80-х годах в Германии около 80%, во Франции 65%, в Великобритании 54%, в Финляндии 52% минеральных отходов  твердого топлива перерабатывались в различные строительные материалы и изделия. В США 38% золы, вырабатываемой электростанциями, используется только при изготовлении растворов и бетонов, в Чехии и Словакии 75% изделий из ячеистого бетона изготовляют на золе, в Польше - более 50%. Золы тепловых электростанций широко используются за рубежом при производстве обжигового керамического кирпича и искусственных пористых заполнителей.

     Для отработки экономически эффективных  организационно-технических решений  был изучен зарубежный опыт развитых стран по проблеме использования зол ТЭС.

     Принципиальная  идеологическая разница: в развитых странах золошлаки называются побочным продуктом ТЭС и электростанции осуществляют предпродажную подготовку продукта, доводя её характеристики до требований официальных строительных нормативных документов.

     В Западной Европе и Японии при ТЭС  практически ликвидированы золоотвалы. Сухая зола поступает в силосы, построенные рядом с главными корпусами ТЭС. Например, в Германии на многих электростанциях ёмкость  силосов составляет 40-60 тыс. т, и обязательно строятся небольшие силосы с суточной и двухсуточной ёмкостью, из которых отбираются пробы для лабораторного анализа золы, и в которых она технологическими методами перемешивания и объёмного дозирования по фракционному составу доводится до соответствия нормативным требованиям, после чего зола перегружается в силосы-хранилища.

     В Германии функционирует крупнейшая на Европейском континенте фирма  по использованию зол ТЭС –  Bau Mineral (ВМ) — дочерняя фирма энергосистемы. Эта компания – связующее звено между ТЭС и строительной индустрией. ВМ города Хертен была образована в 1989г. путём слияния двух компаний, которые к 1989г. уже обладали 30-летним опытом в использовании побочных продуктов электростанций.

     ВМ  – надёжный партнёр ТЭС и стройиндустрии. Компания гарантирует приобретение побочных продуктов ТЭС при помощи операторов самих ТЭС.

     ВМ  имеет собственную систему перевозок  и хранения побочных продуктов ТЭС. Транспорт осуществляется грузовиками, железной дорогой и морскими судами. Сильная сторона компании – своевременная транспортировка.

     ВМ  – это более 100 служащих в 8 регионах, совокупная ёмкость хранилищ – 200 тыс. т, более 50 спецтранспортных средств, обладающих ёмкостью переноса 600 тыс. т. Ежегодно ВМ реализует более 3 млн. т золошлаков ТЭС.

     Продукция ВМ соответствует стандартам и инструкциям DIN, подвергаясь внешнему контролю со стороны институтов тестирования стройматериалов.

     Основа  гарантии качества – непрерывный  контроль продукции в собственных  прекрасно оборудованных лабораториях тестирования стройматериалов.

     ВМ  работает без посредников, между  ТЭС и строителями посредников  нет, кроме ВМ.

     Техническая компетентность, экономическая мощь, новаторские и творческие идеи по отношению к использованию побочного  продукта ТЭС – основа процветания  ВМ.

     В Германии создан и действует Технический Союз пользователей побочного продукта ТЭС (ТСПППТЭС).

     По  данным ТСПППТЭС в 2001 году в Германии произведено 25 млн. т побочного продукта ТЭС:

     15 млн. т на ТЭС, работающих  на бурых углях, 

     10 млн. т на ТЭС, работающих  на каменных углях.

     ТЭС на бурых углях  производят:

     7,9 млн. т - летучая зола,

     1,8 млн. т - топочный песок, 

     5,3 млн. т - гипс и прочие продукты.

     ТЭС на каменных углях  производят:

     4,3 млн. т - летучая зола,

     0,53 млн. т - топочный песок,

     0,20 млн. т - гипс,

     4,97 млн. т - граншлаки.

     Из 4,3 млн. т летучей золы 3,5 млн. т  соответствует Европейскому стандарту  на летучую золу для материалов из летучей золы.

     Топочный  песок и граншлаки утилизируются  полностью. Граншлаки – заменитель песка при пескоструйной очистке. Главное требование – однородность свойств золы.

     Использование летучей золы – важнейший показатель уровня технического развития энергетики и строительства.

     Поэтому можно выделить следующие направления  использования зол-уноса: 

1. Актуальным  является получение из золы  вторичного угля.  После добавки мазута его можно сжигать на ТЭС, либо продавать населению в виде брикетов как топливо. Определение теплотворной способности топливосодержащих зол ТЭС показало, что она превышает подчас теплотворную способность горючих сланцев и отдельных видов бурого угля, на которых работают многие отечественные и зарубежные электростанции.  

2. Использование  угольной золы ТЭС в качестве  связующего при производстве  железорудных окатышей одновременно  сохраняет запасы бентонитовых  глин (применяемых, как связующее), и экономит огромные средства, расходуемые на их добычу и транспортировку. 

3. Выделяемые  магнетиты и карбиды железа  являются высококачественным сырьем  для сталелитейной промышленности, а высокоглиноземистые минералы  найдут свое применение в производстве огнеупоров. 

4. Весьма перспективным  является новый материал –  микросферы зол-уноса. Уникальное  сочетание таких качеств этого  техногенного продукта, как микросферический  дизайн, низкая плотность, высокая  механическая прочность, термостабильность и химическая инертность, обеспечили широкий спектр применения микросфер за рубежом в качестве теплоизоляционных материалов, сорбентов, радиопрозрачных керамик, наполнителей композиционных материалов и специальных видов цемента. Наряду с этим, микросферы являются также перспективным сырьем для получения на их основе катализаторов, адсорбентов и капсулирующих материалов, способных функционировать в условиях воздействия агрессивных сред и высокой температуры. 

5. Оставшуюся  массу можно использовать для производства различных стройматериалов. Строительная индустрия является наиболее емким и перспективным потребителем теплоэнергетических отходов. Опыт ряда зарубежных предприятий показывает высокую эффективность использования зольных отходов в строительстве и промышленности строительных материалов и конструкций. Следовательно, дефицит традиционного минерального сырья в определенной мере могут восполнить зольные отходы. 

6. Применение  зол ТЭС в дорожном строительстве  является одним из наиболее  доступных, простых и экономически эффективных. Они могут быть использованы для устройства укрепленных оснований дорожных одежд и при сооружении земляного полотна. В этом случае смесь золы, извести и грунта обеспечивает дорожному полотну длительное сопротивление деформации при действии частой и продолжительной нагрузки. 

7. Зола из  отвалов может быть широко  и успешно использована для  отсыпки автомобильных дорог,  проездов, для балластировки железнодорожных  путей и других целей. 

8. Применение  зол ТЭС в производстве бетонных и железобетонных изделий возможно и экономически целесообразно. В зарубежных странах довольно широкое распространение получило производство на основе зол искусственных пористых заполнителей (аглопорита) для последующего их использования при изготовлении изделий из легких бетонов. 

9. Применение  зол в производстве керамического  кирпича имеет большие перспективы  как в качестве добавки к  глиняному сырью, так и в  качестве основного компонента. Применение топливосодержащих зол  ТЭС в качестве добавки при  производстве керамического кирпича пластического формования показывает, что введение в исходную шихту добавки золы до 30% существенно улучшает сушильные свойства масс, физико-механические показатели готовых изделий (снижается усадка, повышается прочность) и в конечном итоге снижается расход технологического топлива. 

Из приведенных  выше сведений следует, что золы теплоэлектростанций  являются ценными материалами, которые  могут и должны быть использованы в естественном виде или в качестве исходного основного компонента для изготовления растворов и бетонов, в производстве вяжущих материалов, особо легких пористых заполнителей и пр. 

Работы по классификации  зол-уноса могут производиться  по двум основным направлениям: 

- гидроразделение  с использованием исходного продукта из золоотвала; 

- пневморазделение  с использованием сухой золы  с электрофильтров (в данном  случае не рассматривается). 

     В Германии нет ТЭС без силосов  для золы. Например, на ТЭС "Мольке" общий объём силосов 60 тыс. т, выход  золы - 600 тыс. т/год. При ТЭС нет никаких отвалов золы.

     Побочные  продукты ТЭС экспортируются в соседние страны. Для летучей золы обязательно  наличие сертификата, если она идёт в строительство и стройиндустрию.

     Диапазон  цен на цемент и золу – основа интереса потребителя. Ни один производитель бетона в Германии не обходится без золы.

     В Германии 3,1 млн. т цемента заменяется золой. Зола утилизируется экологически чистым методом. Экономятся ресурсы, энергия, необходимая для производства цемента, сокращён выброс СО₂ на 3,1 млн. т (при производстве 1 т цемента происходит выброс 1 т СО₂), что очень существенно в свете требований Киотского протокола по снижению выбросов СО₂. Окупаются затраты на силосы, транспорт, зарплату.

     Электростанция (ТЭС) – производитель продуктов, а не отходов. Однородность – главное для золы.

     В США строители законодательно обязаны  применять золу ТЭС в бетонах  и растворах. Нарушители подвергаются экономическим санкциям со стороны  государства. Зачастую ТЭС доплачивает  потребителю за забор золы.

     В Китае золошлаки ТЭС отпускаются потребителям бесплатно.

     В Польше применяются мощные экономические  рычаги, стимулирующие использование  золошлаков.

     Ниже (см. диаграмму) показана утилизация золы, произведенной на европейских энергетических предприятиях. 

Диаграмма 

     Относительная утилизация угольной золы в разных странах значительно отличается. В Нидерландах, например, уровень утилизации - 100%. В Германии 75% каменноугольной летучей золы используется в производстве бетона. В зависимости от спроса, страны торгуют золой между собой.

     Если  основное количество золы зарубежных электростанций, уловленной в электрофильтрах, используется в сухом, более активном, виде (зола-унос), то до 100% сухой золы, уловленной в электрофильтрах отечественных  электростанций, удаляется в золонакопители гидроспособом.

Из приведенных  выше данных следуют основные выводы: 

     1. Золы ТЭС представляют собой  ценные сырьевые источники, полуфабрикаты  или готовые продукты, которые  могут и должны быть с огромным  технико-экономическим эффектом  использованы в строительстве, производстве строительных материалов, изделий и многих других областях. 

     2. Основными  причинами  крайне  неудовлетворительного состояния  использования этих материалов  до недавнего времени были  следующие: 

-  нестабильные  во времени качественные показатели и особенно чрезмерно высокое содержание в них несгоревшего или недоизвлеченного топлива; 

-  затратный   характер производства стройматериалов  и выработки электроэнергии, а  также отсутствие заинтересованности  в кондиционировании этих ценных  источников сырья; 

-      попустительство    ведомственных    органов,    узаконивших сброс  в отвалы отходов с содержанием остаточного топлива, в несколько раз превышающего нормативы развитых стран.  

       Мировой опыт свидетельствует о том, что затраты на внедрение энергосберегающих мероприятий в 3…5 раз меньше затрат на добычу и производство первичных энергоисточников, эквивалентных по объему сбереженным. Удельная энергоемкость внутреннего валового продукта в стране в среднем в 4 раза выше, чем в развитых промышленных странах. Одним из направлений снижения этого показателя является использование техногенных отходов. 

      Техногенные отходы (зольные отходы ТЭС) это энергетические «консервы». В них «законсервированы» химическая пуццолановая (вяжущая) гидратационная энергия активных зол, энергия, затраченная на вскрышные и горнодобывающие работы, энергия сушки и обезвоживание зол-уноса в электрофильтрах ТЭС. Перечисленные законсервированные энергозатраты используются на возвратной основе при замене минеральных природных ресурсов и цемента в технологиях производства стройматериалов. 

Недостающий прирост потребности национального хозяйства (60%) возможно восполнить лишь за счет энергосберегающих технологий. Повторное использование отходов в переработку очень перспективно. Так, вовлечение в переработку всего 1% отходов сокращает капитальные вложения в минерально-сырьевой комплекс примерно на 2%.  

В Украине  использование золы ТЭС в строительстве  и других отраслях сдерживается целым  рядом негативных факторов: 

- энергетики  не перерабатывают золы-уноса  в стабилизированный продукт,  соответствующий строительным СНиП, ГОСТам; 

-  на  Российских  ТЭС отсутствуют,  как,  например, в Германии, силосы на двух- трехсуточную емкость для усреднения в них физико-химических характеристик золы и накопительные силосы для хранения и отгрузки золы; 

-   отсутствуют, как правило, у  потребителей устройства для приемки и хранения золы; 

-   не развита инфраструктура Украины  и, как следствие, - большие транспортные  затраты на перевозку (80…200% к  цене зол-уноса, франко-ТЭС); 

- отсутствуют  обязательные государственные технико-экономических законодательные документы и стимулы на применение зол предприятиями строительства и строительных материалов, сельского хозяйства и других отраслей. 

В прежние  годы в СССР вопросами утилизации зольных материалов занимались свыше 400 научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций. Было разработано около 300 различных технологий переработки зол по 23 направлениям, соответствующим мировому уровню. Например, технология введения 100…200кг активной золы на 1м3 бетона дает возможность экономить до 100кг цемента.  

Применение  зол улучшает формовочные свойства бетонных и растворных смесей и качество поверхности изделий, снижает плотность  и теплопроводность бетона, что особенно важно для легких и ячеистых бетонов. Возможно изготовление золоемких бетонов с полным отказом от применения природных заполнителей. Однако основной целью применения зол в бетоне является экономия цемента. 

Исходные  позиции предлагаемой системы резкого  увеличения объемов использования  зол ТЭС основаны на следующем: 

- на  площадках  или  вблизи  ТЭС  должны производиться многопередельные сухие продукты на основе золошлаков (бесклинкерные и малоклинкерные вяжущие, шлаковый песок, щебень, сухие строительные смеси и т.д.) с высококонкурентной рыночной ценой; 

- рентабельность  предлагаемых  технологий  производства многопередельных продуктов из зол ТЭС значительно превышает рентабельность производства самой электроэнергии; 

- многопередельные  продукты  на  основе  зол   по  своей конкурентоспособности  позволяют ориентироваться на  рынки стран СНГ и дальнего зарубежья, а не быть привязанными традиционно только к потребителю в радиусе максимум 100км; 

- расфасованные   многопередельные  продукты на  основе зол доступны длительному  хранению в складских помещениях  на ТЭС без снижения своих  потребительских свойств.  

Потребности рынка: 

- конкурентоспособное  сырье для нужд энергетической, металлургической, химической и  строительной промышленности;      

- возврат  площадей золоотвалов в  землепользование. 

Потенциальный рынок оценивается в 4 млн. тонн переработанных зол-уноса в год.  

Потенциальными  потребителями вырабатываемых промпродуктов  являются предприятия металлургической, энергетической, химической и строительной промышленности. 

Учитывая  общий объем подлежащего переработке  сырья (>28млн. т), потребности регионального индустриального рынка, а также предполагаемую отпускную цену промпродуктов, можно принять рынок сбыта как неограниченный. 

В качестве рекламно-маркетинговых мероприятий  предусмотрено: 

- участие  в специализированных выставках с целью поиска партнеров для дальнейшего расширения производства; 

- участие  в специализированных выставках  с целью популяризации результатов  работы участка; 

- выпуск  рекламных буклетов; 

- печать  в специализированных изданиях; 

- прочее.  

В мире накоплен положительный опыт использования различных отходов и побочных продуктов, например применение сухой золы-уноса ТЭС в производстве ячеистобетонных и других бетонных изделий, производстве цемента, при производстве керамического кирпича и др. Однако удельный вес утилизации этих ценных продуктов не превышает 8-10% объема их выхода.

Новейшие  технологии утилизации золы

Летучая зола в асфальте

     Горячий укатанный асфальт широко применяется для покрытия автомобильных дорог и особенно дорог с большой нагрузкой. Асфальт производят путем нагревания смеси минеральных компонентов наполнителей и битума до высокой температуры. Потом смесь укладывают и укатывают. Как правило, в качестве заполнителя используется известняковая пыль. Замена её летучей золой улучшает свойства уложенной смеси в сравнении с обычным асфальтом: уменьшает плотность и повышает долговечность. Также стоит учитывать экономию энергии. Летучая зола (ЛЗ) также используется в пенобитумных продуктах, где за счет сферичности частиц золы можно снизить расход битума.

Ксеносферы

     При заполнении отстойника небольшая часть  золы (1-2%) остается на поверхности. Это  ксеносферы - полые частицы силикатного  стекла, которые расширились. Основные хараткеристики - размер от микрон до миллиметров, сверхнизкой плотности, низкой теплопроводимости, высокой прочности, стойкость к кислотам и низкое влагозамещение. Основное применение этого материала - инертный заполнитель, который улучшает реологию заполнителей, как в сухом, так и в мокром способах применения. Таким образом, они применяются в обычных пластмассах, стеклопластиках, огнестойкой облицовке и почти во всех областях, где применяются традиционные заполнители. Важными областями применения также является аэрокосмическая промышленность, садоводство; производство дорожного покрытия, шпаклевки, материалов для ремонта бетона, а также добавок в изолирующие материалы и огнеупорную глину.

Заполнители

     Основной  областью применения золы являются строительная промышленность, где потребности  рынка удовлетворяют большими объемами производства. Зола в большом количестве используется в качестве заполнителей, а также в сельском хозяйстве. ЛЗ используется в качестве добавки в заполнителях и изоляционных материалах с целью минимизации усадки. В некоторых ситуациях ЛЗ используется в качестве наполнителя в составе лакокрасочных материалов.

Сельское  хозяйство

     Кроме органического углерода и азота  в состав золы входят большинство  элементов, которые входят в состав почвы, что и обусловливает использование  ЛЗ в сельском хозяйстве. Зола повышает качество почвы и урожая, особенно на плохих землях. Таким образом, свойства почвы могут быть улучшены за счет улучшения текстуры, изменения плотности, увеличения влажного замещения, нейтрализации кислотности и снижения неравностей поверхности.

     ЛЗ  положительно влияет на рост и урожайность. Удобрения на основе золы продаются во многих странах, включая США. Удобрения на основе ЛЗ и отходов систем десульфуризации дымовых газов особенно ценны из-за наличия важных питательных веществ и для нейтрализации кислых почв. Несколько видов таких удобрений доступны на рынке.

Аэрированная  керамика

     Экспериментальные разработки в США и Великобритании показали, что зола может использоваться при производстве аэрированной керамики путем добавления небольших количеств  пенного агента и других материалов. В США изготовляются изделия размером до 1,2 м х 0.6 м х 0,1 м.

Использование существующих золоотвалов  для развития земель

     В Великобритании прежние золоотвалы переводятся в промышленные земли  и земли для производств и  офисов, при этом, несмотря на все преимущества, жилищное строительство на этих территориях идет меньшими темпами. Там где золоотвалы были возвращены в земельный оборот, земля используется в сельскохозяйственных и рекреационных целях (футбольные поля и так далее). В настоящее время осуществляется несколько крупных подобных проектов.

Выводы  и рекомендации

     Внедрение экологически чистых угольных технологий в Узбекистане позволит углю занять достойное место в оптимальной структуре энергетического баланса, способствуя при этом повышению энергетической безопасности и решению проблем охраны качества атмосферного воздуха на локальном, региональном и глобальном уровнях.

     Использование заложенного в Киотском Протоколе  Механизма Чистого Развития и  Совместного Осуществления открывает  новые возможности финансирования инвестиций в строительство высокоэффективных и высокоэкологичных чистых угольных технологий в Узбекистане.

     Рекомендации  по повышению эффективности обращения  с отходами ТЭС:

     1. Тщательнее изучить потенциал  использования британских и других технологий в Узбекистане через представительства на местах (отделы торговли посольств). Может быть одобрена торговая миссия.

     2. Решить проблемы, которые возникают  в связи с классификацией золы  как отхода, путем согласованных  действий участников рынка, как на национальном уровне, так и на международном.

     3. Доработать варианты организации  программы, которая финансируется  правительством, для стимулирования  утилизации золы при участии  игроков рынка, регулирующих органов,  представителей национальных и  региональных властей.

     4. Продолжить изучение и анализ  использования законодательных  инструментов для стимулирования  утилизации золы и достижения  целей устойчивого развития.

     5. Продолжить разработку использования  золы в больших объемах для  сельскохозяйственных, строительных и других целей.

     6. Провести дополнительные исследования  по сбору достоверной информации  о производстве и использовании  отходов ТЭС.