Ю.К. Целыковский (Всероссийский теплотехнический институт)
Отвалы золошлаковых материалов занимают большие площади, а их содержание требует значительных эксплуатационных затрат, которые влияют на повышение себестоимости производства энергоносителей. Они являются источником загрязнения окружающей среды, представляют опасность для здоровья населения и угрозу растительному и животному миру близлежащих районов. Особую опасность представляют золоотвалы, расположенные вблизи водных бассейнов (рек и озер), из-за возможного прорыва дамб.
По мере роста количества ЗШМ возрастает и площадь территорий, отводимых под золоотвалы, что приводит к изъятию их промышленного и сельскохозяйственного производства. В дискуссиях о приоритетах атомных или тепловых электростанций существенным аргументом против строительства новых ТЭС часто является именно необходимость создания около них золоотвалов.
Вместе с тем ЗШМ по химическому и минералогическому составу во многом идентичны природному минеральному сырью. Использование их в промышленности, строительной индустрии и сельском хозяйстве — один из стратегических путей решения экологической проблемы в зоне работы ТЭС. Шлаки и золы имеют хорошую перспективу для широкого их использования с целью ресурсосбережения, то есть решения экономических проблем, связанных с сохранением природных ресурсов цветных, редких металлов и других материалов. Утилизация ЗШМ представляет перспективное направление для развития малого и среднего бизнеса.
По зерновому составу ЗШМ принято делить на золу и шлаки. Условной границей между ними можно принять фракцию 0.25 мм: более мелкие отходы относят к золам, более крупные — к шлакам. При удалении мелкой и легкой фракций, которые уносятся дымовыми газами из топок и улавливаются фильтрами ТЭС, в золосборники получают золу сухого отбора. Она поступает либо непосредственно в транспортирующие средства, либо в хранилища потребителя. При очистке золосборников водой зола и шлак в виде пульпы удаляются в отвалы. На этих отвалах, имеющихся при каждой ТЭС, хранятся основные массы ЗШМ.
Состав и свойства ЗШМ ТЭС зависят от минерального состава топлива и способа его сжигания. Угли разных месторождений и, соответственно, золы, образующиеся при их сжигании, существенно различаются по составу минеральной части — содержанию и соотношению основных элементов. Они содержат окислы ряда таких элементов, как кремний, алюминий, кальций, железо, магний, натрий, калий,а также микрокомпоненты,содержание которых менее 0.1%. Это германий, галлий, ванадий, титан, стронций, скандий, литий, молибден,бериллий,кобальт, цирконий, хром, никель, золото, серебро, редкоземельные металлы (лантан, иттрий, иттербий). Присутствие в золах комплексов этих ценных элементов позволяет рентабельно извлекать их при содержании даже более низком, чем в промышленных рудах, что в значительной степени снижает расходы на геологические поиски рудного сырья, разведку месторождений, добычу руды, ее дробление, обогащение, транспортировку. В процессе фракционирования ЗШМ выделяются магнитные микросферы, применяемые в металлурги, приборостроении, радиотехнике и электронике. Себестоимость получения редких металлов из зол на 60% ниже, чем их извлечение из промышленных руд. При этом кроме существенного экономического эффекта решаются многие экологические проблемы.
В настоящее время основное количество золы используется в строительной индустрии (производство цемента, кирпича, изделий из ячеистого бетона, шлакоблоков, легких заполнителей, рубероида, керамзита), в строительстве дамб золошлакоотвалов, строительстве и ремонте дорог. Применение зол и шлаков ТЭС в качестве строительных материалов является наиболее масштабным направлением и может решить проблему дефицита стройматериалов в регионах Российской Федерации. За счет использования ЗШМ экономится до 30% цемента и более половины природных заполнителей, снижается теплопроводность бетонов, снижается масса зданий и сооружений.
По расчетам научно-исследовательских организаций, производство бетонов и растворов может в перспективе потреблять в год около 30 млн. т золы и золошлаков, а также весь выход шлаков ТЭС. Разработано более ста технологий изготовления различных бетонов с использованием золы и шлаков. Пока же в производстве легких бетонов используется менее 0.5 млн. т золы в год. В легких бетонах зола используется в виде заполнителя, взамен кварцевого песка и как добавка к вяжущей компоненте, применяется в ограждающих конструкциях и для снижения массы несущих конструкций. Наиболее выгодно комплексное использование легких бетонов. При уменьшении массы бетона на 10% стоимость конструкции снижается на 3%. В среднем снижение себестоимости при применении золы в легких бетонах составляет 5%, а в некоторых районах 30^0%. Разработано, внедрено или разрабатывается около 20 технологий изготовления легких бетонов с ЗШМ.
Одним из самых золоемких направлений в производстве строительных материалов является изготовление керамического кирпича, камней и блоков. Изготовление строительного кирпича из золы не требует разработки глиняных карьеров, перевозки, многомесячного выдерживания сырья в запасниках. И даже сейчас зола и шлаки используются как сырьевой компонент и в качестве добавки (5-20%) на многих кирпичных заводах. Характерно, что золошлаки системы гидрозолоудаления имеют при изготовлении керамического кирпича преимущество перед сухой золой благодаря равномерному распределению влаги в шихте. На кирпичных заводах за счет использования золы экономится до 20% топлива, повышается качество продукции.
Конкретные направления использования ЗШМ в строительной индустрии определяются в зависимости от фазово-химического состава и свойств золы. Так, зола, содержащая 25-30% окислов алюминия (зола подмосковных, экибастузских, азейских углей) является прекрасным и практически неисчерпаемым сырьем для получения коагулянта на основе оксихлорида алюминия, необходимого для очистки питьевых и сточных вод и глинозема. Шламы этого производства могут быть использованы для получения цемента и силикатного кирпича, то есть обеспечивается полное использование ЗШМ.
Технология сжигания угля на ТЭС построена так, что его минеральная часть, расплавляясь, образует золу, в составе которой, как правило, присутствует легкая фракция в виде микросфер, представляющих собой полые шарики размером от 10 до 500 мкм, наполненные углекислым газом. Этой фракции в золе сравнительно немного — около 2-5%, но свойствами они обладают замечательными: объемная насыпная масса — 100-150 кг/м3. На основе легкой фракции получены кирпичи, стоимость которых почти в два раза меньше стоимости шамотного кирпича. По своим основным характеристикам легкие огнеупорные теплоизоляционные изделия с использованием микросфер с успехом могут заменить традиционный шамотный легковес. Область их применения весьма широка: строительство зданий и сооружений, теплоизоляция в холодильной промышленности, теплозвукоизоляция в судостроении, самолетостроении и других отраслях, где требуется легкий, теплоизоляционный, негорючий материал.
ЗШМ ТЭС находят применение, как уже говорилось, в дорожном строительстве. Для экономии дефицитного цемента при устройстве оснований дорожных одежд применяются смеси с использованием отходов теплоэнергетики. Разработан технологический регламент и рекомендации производства работ по закреплению грунтов и строительству временных дорог из грунтозольных смесей в барханных песках. Проведены исследования по использованию золы-уноса для формирования теплоизолирующих слоев дорожных одежд в условиях сурового климата.
Высококальциевая зола находит применение в раскислении почв сельскохозяйственных угодий. В результате исследований, проведенных рядом НИИ и высших учебных заведений, установлено, что зола ТЭС, имеющая в своем составе значительно меньше кальция и марганца, чем известь, влияет на кислотные почвы в неменьшей степени. Мелиоративная способность золы ТЭС проверена практически для всех регионов страны.
Возможности использования золы и шлаков ТЭС в производстве сельскохозяйственных продуктов не ограничивается мелиорацией почв. Ведутся работы по использованию ЗШМ для очистки водоемов и выращивания питательной массы для корма рыбам.
Что же сдерживает широкое использование ЗШМ в промышленности, строительной индустрии и сельском хозяйстве? В числе главных причин, которые определяют низкий уровень утилизации ЗШМ и сдерживают дальнейшее повышение уровня их использования до среднеевропейского на всей территории России, является отсутствие в стране технической политики и системного подхода при решении указанной проблемы и, следовательно, отсутствие экономической заинтересованности отраслей народного хозяйства.
Определяющим параметром при поставке ЗШМ потребителю очень часто является механический недожог. Как правило, большинство отечественных ТЭС имеют ЗШМ с механическим недожогом топлива до 20-30%. Для поставок за рубеж такие ЗШМ не годятся. Согласно европейским нормам «Зола-уноса для бетона», потери при прокаливании не должны превышать 5% по массе ( на национальном уровне разрешается до 7%). Таким образом, в своем большинстве ЗШМ ТЭС могут использоваться без ограничения только на нашем внутреннем рынке. Наиболее качественной для практического применения является зола-уноса сухого отбора. Она обладает наиболее стабильными свойствами, ценными для получения строительных материалов. Поэтому необходимо все крупные ТЭС оборудовать установками по сухому улавливанию золы (электрофильтрами, циклонами) и средствами сухого отбора золы.
На ТЭС, оборудованных мокрыми золоулавливателями (скруббер, трубы Вентури и др.), необходимо осуществлять сгущение и обезвоживание золы до 10-15% влажности.
Установки по отбору сухой золы и шлака сосредоточены в районах Сибири и Урала. На ТЭС Центра России установки имеются лишь на Дорогобужской ГРЭС мощностью 20 тыс. т/год и на Рязанской ГРЭС проектной мощностью 465 тыс. т/год. Еще две установки на Европейской части России находятся на территории Республики Коми (Воркутинская ТЭЦ-2 — выход сухой золы 63 тыс. т/год) и в Ростовской области (Новочеркасская ГРЭС — выход сухой золы 134 тыс. т/год).