Энергопредприятия Красноярского края и Республики Хакасия, входящие в группу «Сибирская генерирующая компания», в 2013 году реализовали и вовлекли в хозяйственный оборот 662,023 тысячи тонн золошлаковых отходов (ЗШО).

За год Красноярский филиал СГК увеличил объемы вовлечения ЗШО в хозяйственный оборот на 4% - с 637,848 тысяч тонн в 2012 году до 662,023 тысячи тонн в 2013 году.

Рекультивация золоотвалов

Рост хозяйственного оборота золошлаковых отходов (побочного продукта сжигания угля на теплоэлектростанциях) позволяет снижать нагрузку на окружающую среду в городах присутствия компании. Стоит отметить, что основной объем золошлаковых отходов (625,5 тысяч тонн) в минувшем году был направлен на реализацию крупного экологического проекта по рекультивации золоотвала №2 Назаровской ГРЭС. Рекультивация отработанного золоотвала площадью 160 гектаров, расположенного в районе реки Чулым, позволит вернуть эти земли в хозяйственный оборот. Например, через несколько там могут появиться зеленые насаждения.

Кроме того, Красноярский филиал СГК продолжает реализовывать золошлаковые отходы предприятиям строительной отрасли. Впервые продажу сухой золы и шлаков компания начала в 2007 году. Тогда было реализовано всего 7 тысяч тонн отходов. В 2013 году объемы реализации составили 36,525 тысяч тонн золошлаковых отходов. Таким образом, среднегодовые объемы реализации золошлаковых отходов за 6 лет работы на этом рынке выросли более чем в пять раз. Т акой рост спроса свидетельствует о том, что строители высоко оценили этот вид сырья. При этом золошлаковые отходы покупают не только предприятия из Красноярского края, но и из других регионов России.

Благодаря активной работе СГК в этом направлении, в минувшем году объем реализованной и вовлеченной в хозяйственный оборот ЗШО (662,023 тысяч тонн) оказался выше на 34% количества образованных энергопредприятиями филиала золошлаковых отходов (495 тысяч тонн).

В 2014 году Красноярский филиал СГК продолжит работу по вовлечению золошлаковых отходов в хозяйственный оборот, тем самым сокращая их накопление и снижая нагрузку на окружающую среду. Продолжатся работы по рекультивации золоотвала №2 Назаровской ГРЭС. Кроме того, компания рассматривает возможности и расширения рынков сбыта сухой золы и шлаков и для нужд не только строительной индустрии, но и других отраслей промышленности.

Использование золошлаковых отходов ТЭЦ в строительстве

В процессе деятельности предприятий электроэнергетики образуется много золошлаковых отходов. Годовое поступление золы в золоотвалы составляет по Приморскому краю от 2,5 до 3,0 млн. т в год, Хабаровскому – до 1,0 млн. т (рис.1). Только в пределах г. Хабаровска в золоотвалах хранится более 16 млн. т золы.

Золошлаковые отходы (ЗШО) можно использовать в производстве различных бетонов, строительных растворов [2-7], kерамики, теплогидроизоляционных материалов, дорожном строительстве, где они могут быть использованы взамен песка и цемента.
Большее применение находит сухая зола уноса с электрофильтров ТЭЦ-3. Но использование таких отходов в хозяйственных целях пока ограничено, в том числе и в связи с их токсичностью. В них  накапливается значительное количество опасных элементов.
Отвалы постоянно пылят, подвижные формы элементов активно вымываются осадками, загрязняя воздух, воды и  почвы.
Использование таких отходов – одна  из наиболее актуальных проблем. Это возможно путем удаления или извлечения из золы вредных и ценных компонентов и использование оставшейся массы золы в строительной индустрии и производстве удобрений.

Краткая характеристика золошлаковых отходов

На обследованных ТЭЦ сжигание углей происходит при температуре 1100-1600o С.
При сгорании органической части углей образуются летучие соединения в виде дыма и пара, а негорючая минеральная часть топлива выделяется в виде твердых очаговых остатков, образуя пылевидную массу (зола), а также кусковые шлаки.
Количество твердых остатков для каменных и бурых углей колеблется от 15 до 40%.

Уголь перед сжиганием измельчается и в него, для лучшего сгорания, часто добавляют в небольшом 0,1-2% количестве мазут.
При сгорании измельченного топлива мелкие и легкие частицы золы уносятся дымовыми газами, и они носят название золы уноса. Размер частиц золы уноса колеблется от 3-5 до 100-150 мкм. Количество более крупных частиц обычно не превышает 10-15%.

Улавливается зола уноса золоуловителями.
На ТЭЦ-1 г. Хабаровска и Биробиджанской ТЭЦ золоулавливание мокрое на скруберах с трубами Вентури, на ТЭЦ-3 и ТЭЦ-2 г. Владивостока сухое на электрофильтрах.
Более тяжелые частицы золы оседают на подтопки и сплавляются в кусковые шлаки, представляющие собой агрегированные и сплавившиеся частицы золы размером от 0,15 до 30 мм.
Шлаки размельчаются и удаляются водой. Зола уноса и размельченный шлак удаляются вначале раздельно, потом смешиваются, образуя золошлаковую смесь.

В составе золошлаковой смеси кроме золы и шлака постоянно присутствуют частицы несгоревшего топлива (недожог), количество которого составляет 10-25%. Количество золы уноса, в зависимости от типа котлов, вида топлива и режима его сжигания может составлять 70-85% от массы смеси, шлака 10-20%.
Золошлаковая пульпа удаляется на золоотвал по трубопроводам.
Зола и шлак при гидротранспорте и на золошлакоотвале взаимодействуют с водой и углекислотой воздуха.
В них происходят процессы, сходные с диагенезом и литификацией. Они быстро поддаются выветриванию и при осушении при скорости ветра 3 м/сек начинают пылить.
Цвет ЗШО темносерый, в разрезе слоистый, обусловленный чередованием разнозернистых слойков, а также осаждением белой пены, состоящей из алюмосиликатных полых микросфер.
Усредненный химический состав ЗШО обследованных ТЭЦ приведен в нижеследующей таблице 1.

Таблица 1. Пределы среднего содержания основных компонентов ЗШО

Содержание Ni, Co, V, Cr, Cu, Zn не более 0.05% каждого элемента.
Благодаря правильной сферической форме и низкой плотности, микросферы обладают свойствами прекрасного наполнителя в самых разнообразных изделиях. Перспективными направлениями промышленного использования алюмосиликатных микросфер являются производство сферопластиков, дорожно-разметочных термопластиков, тампонажных и буровых растворов, теплоизоляционных радиопрозрачных и облегченных строительных керамик, теплоизоляционных безобжиговых материалов и жаростойких бетонов [3].

За рубежом микросферы находят широкое применение в различных отраслях промышленности. В нашей стране использование полых микросфер крайне ограничено и они вместе с золой сбрасываются в золоотвалы.
Для ТЭЦ микросферы являются «вредным материалом», забивающим трубы оборотного водоснабжения. Из-за этого приходится в 3-4 года полностью производить замену труб или проводить сложные и дорогостоящие работы по их очистке.

Инертная масса алюмосиликатного состава, составляющая 60-70% массы ЗШО, получается после удаления (извлечения) из золы всех выше перечисленных концентратов и полезных компонентов и тяжелой фракции. По составу она близка к общему составу золы, но будет на порядок меньше содержать желез, а так же вредные и токсичные.
Состав ее в основном алюмосиликатный. В отличии от золы она будет иметь более мелкий равномерный гранулометрический состав за счет до измельчения при извлечении тяжелой фракции.
По экологическим и физико-химическим свойствам может широко использоваться в производстве строительных материалов, строительстве и в качестве удобрения – заменителя известковой муки (мелиорант).

Сжигаемые на ТЭЦ угли, являясь природными сорбентами, содержат примеси многих ценных элементов (табл.2), включая редкие земли и драгметаллы. При сжигании их содержание в золе возрастает в 5-6 раз и может представлять промышленный интерес.
Тяжелая фракция, извлекаемая методом гравитации с помощью усовершенствованных обогатительных установок, содержит тяжелые металлы, включая драгметаллы. Путем доводки из тяжелой фракции извлекаются драгметаллы и, по мере накопления, другие ценные компоненты (Cu, редкие и др.).
Выход золота из отдельных изученных золоотвалов составляет 200-600 мг из одной тонны ЗШО.
Золото тонкое, обычными методами неизвлекаемое. Используется технология его извлечения типа ноу-хау.

Утилизацией ЗШО занимаются многие. Известно более 300 технологий их переработки и использования, но они в основыной своей массе посвящены использованию золы в строительстве и производстве строительных материалов, не затрагивая при этом извлечения из них как токсичных и вредных компонентов, так и полезных и ценных.

Нами [1,10] разработана и опробована в лабораторных и полупромышленных условиях принципиальная схема переработки ЗШО и полной их утилизации.
При переработке 100 тыс. т ЗШО можно получить:
-    вторичный уголь – 10-12 тыс.т ;
-    железорудный концентрат – 1,5-2 тыс.т;
-    золото – 20-60 кг;
-    строительный материал (инертная масса) – 60-80 тыс.т.

Во Владивостоке и Новосибирске разработаны близкие по типу технологии переработки ЗШО, расчитаны возможные затраты и предусмотрено необходимое оборудование.
Извлечение полезных компонентов и полная утилизация золошлаковых отходов за счет использования их полезных свойств и производства строительных материалов позволит высвободить занимаемые площади и снизить негативное воздействие на окружающую среду. Прибыль при этом является желательным, но не решающим фактором.
Затраты на переработку техногенного сырья с получением продукции и одновременной нейтрализацией отходов могут быть выше стоимости продукции, но убыток в этом случае не должен превышать затраты на снижение негативного воздействия отходов на окружающую среду. А для энергетических предприятий утилизация золошлаковых отходов – снижение технологических расходов на основное производство.

Литература

1.    Бакулин Ю.И., Черепанов А.А. Золото и платина в золошлаковых отходах ТЭЦ  г. Хабаровска//Руды и металлы, 2002, №3, с.60-67.
2.    Борисенко Л.Ф., Делицын Л.М., Власов А.С. Перспективы использования золы угольных тепловых электростанции./ЗАО «Геоинформмарк», М.:2001, 68с.
3.  Кизильштейн Л.Я., Дубов И.В., Шпицгауз А.П., Парада С.Г. Компоненты зол и шлаков ТЭС. М.: Энергоатомиздат, 1995, 176 с.
4.  Компоненты зол и шлаков ТЭС. М.: Энергоатомиздат, 1995, 249 с.
5. Состав и свойства золы и шлаков ТЭС. Справочное пособие под ред. Мелентьева В.А.,Л.: Энергоатомиздат, 1985, 185 с.
6.   Целыковский Ю.К. Некоторые проблемы использования золошлаковых отходов ТЭС в России. Энергетик. 1998, №7,с.29-34.
7.  Целыковский Ю.К. Опыт промышленного использования золошлаковых отходов ТЭС// Новое в российской энергетике. Энергоиздат, 2000, № 2, с.22-31.
8.    Ценные и токсичные элементы в товарных углях России: Справочник. М.: Не-дра, 1996, 238 с.
9. Черепанов А.А. Золошлаковые материалы// Основные проблемы изучения и до-бычи минерального сырья Дальневосточного экономического района. Минерально-сырьевой комплекс ДВЭР на рубеже веков. Раздел 2.4.5. Хабаровск: Изд-во ДВИМ-Са, 1999, с.128-120.
10. Черепанов А.А. Благородные металлы в золошлаковых отходах дальневосточных ТЭЦ// Тихоокеанская геология, 2008. Т. 27, №2, с.16-28.

В.В. Саломатов, д.т.н. Институт теплофизики СО РАН, г. Новосибирск

Золошлаковые отходы ТЭЦ на кузнецких углях и пути их масштабной утилизации

Масштабы переработки твердых отходов угольных теплоэлектростанций на сегодня крайне низки, что вызывает скопление огромных количеств золошлаков в золоотвалах, требующих изъятия из оборота значительных площадей.

Между тем золошлаки кузнецких углей (КУ) содержат ценные компоненты, такие, как Al, Fe, редкие металлы, которые являются сырьем для других отраслей. Однако при традиционных методах сжигания этих углей не удается в широких масштабах использовать золошлаки КУ, так как за счет образования муллита они имеет высокую абразивность и химически инертны ко многим реагентам. Попытки использовать золошлаки такого минералогического состава в производстве строительных материалов приводят к интенсивному износу технологического оборудования и снижению производительности в связи с замедлением физико-химических процессов взаимодействия компонентов золы с реагентами.

Избежать муллитации золы кузнецких углей возможно при изменении температурных условий их сжигания. Так, использование кипящего слоя для сжигания угля при 800…900 оС позволяет получать золу менее абразивную, а основными минералогическими фазами ее будут метакаолинит, ?Al2O3; кварц, стеклофаза [1].

Утилизация золошлаковых отходов ТЭЦ при низкотемпературном сжигании КУ

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.

Химический состав золы кузнецкого угля:

SiO2 = 59 %; Al2O3 = 22 %; Fe2O3 = 8 %; CaO = 2,5 %; MgO = 0,8 %; K2O = 1,4 %; Na2O = 1,0 %; TiO2 = 0,8 %; CaSO4 = 3,5 %; C = 1,0 %.

Использование золы кузнецких углей эффективнее всего в производстве сульфата алюминия и глинозема по технологиям Казахского политехнического института. Исходя из вещественного состава золы КУ и ее количества, схема утилизации представлена на рисунке 1.

В России производится всего 6 спецвидов глинозема, в то время как только в Германии – около 80. Их спектр применения очень широк – от оборонной промышленности до производства катализаторов для химической, шинной, легкой и других отраслей. Потребности в глиноземе в нашей стране не покрываются собственными ресурсами, вследствие чего часть бокситов (сырья для производства глинозема) импортируется из Ямайки, Гвинеи, Югославии, Венгрии и других стран.

Использование золы кузнецкого угля позволит несколько выправить положение с дефицитом сульфата алюминия, являющимся средством для очистки сточных и питьевых вод, а также применяемых в больших количествах в целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей, легкой, химической и других секторах промышленности. Дефицит сульфата алюминия только в районе Западной Сибири составляет 77…78 тыс. т.

Кроме того, дисперсный состав глинозема, полученного после сернокислотной переработки, позволяет получать различные виды спецглинозема, потребность в которых будет в определенной степени удовлетворена при производстве их в количестве 240 тыс.т.

Отходы производств сульфата алюминия и глинозема являются сырьевым компонентом для производства жидкого стекла, белого цемента, вяжущих материалов для закладки выработанного горного пространства, тарного и оконного стекла.

Потребность в этих материалах возрастает, и спрос на них в настоящее время значительно превышает объемы их производства. Ориентировочные технико-экономические показатели данных производств представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные технико-экономические показатели по переработке золы кузнецких углей
Наименование
производств
Мощность,
тыс. т
Цена
дол./т
Себc-ть,
дол./т
Кап.
вложения,
млн. дол.
Эк
эффект,
млн. дол.
Срок
окупаем,
лет
Производство спецвидов
глинозема
240 33 16 20 4 5
Производство сульфата
алюминия
50 12 7 1 0,25 4
Производство
ферросплавов
100 27 16 5 1 5
Производство жидкого
стекла
500 11 8 6 2 3
Производство белого
цемента
1000 5 4 3 0.65 4,6
Производство вяжущих
материалов
600 3 2 3 0,6 5
Производство стекла 300 18 15 5 1 5
ИТОГО 42 9 4,7

Кроме того, целесообразно производство из золы КУ редких и рассеянных металлов, в первую очередь галлия, германия, ванадия и скандия.

Из-за того, что ТЭЦ по условиям своего графика работает с переменной нагрузкой в течение года, выход золы неравномерен. Заводы же по переработке золы должны работать ритмично. Хранение сухой золы представляет определенные трудности. В этой связи предлагается в зимнее время часть золы направлять на грануляцию при помощи окомкователей, выпускаемых «Уралмашем». После окомкования и сушки гранулы обжигаются в топке котла, а затем пневмотранспортом направляются на временное хранение в сухой склад. Золовые гранулы в дальнейшем могут быть сырьевой базой для стройиндустрии или применяться в дорожном строительстве.

Хранение гранул в открытом сухом складе не требует специальных защитных мероприятий и не создает опасности пыления. Емкость такого золоотвала составляет примерно 350…450 тыс. т., площадь около 300?300 м2. Следовательно, он может находиться в непосредственной близости от площадки ТЭЦ.

Наилучшие показатели по утилизации будут иметь золошлаковые отходы, получаемые после сжигания КУ в котельных агрегатах с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС), которые Россия пока не выпускает. Котлы с ЦКС обеспечивают не только резкое снижение выбросов окислов азота и серы, но и выдают золошлаковые отходы, которые успешно можно применять в промышленности для получения глинозема и строительных материалов. Это позволяет удешевить электростанцию за счет резкого сокращения территорий, необходимых для складирования золы, снизить загрязнение окружающей среды. Уменьшение пыления на ТЭЦ с котлами ЦКС происходит, во-первых, за счет уменьшения площади золоотвала, во-вторых, за счет того, что зола, полученная при сжигании кузнецкого угля в ЦКС, содержит гипс и обладает вяжущими свойствами. При некотором смачивании такой золы она будет твердеть, что устранит пыление даже в случае высыхания золоотвала.

Поскольку зола транспортируется на промышленные предприятия пневмотранспортом, потребление воды также несколько снижается. Кроме того, отсутствуют сточные воды с золоотвала, которые на ТЭЦ с традиционными пылеугольными котлами содержат соли тяжелых металлов и другие вредные вещества.

Производство сульфата алюминия и глинозема

Технология получения сульфата алюминия и глинозема на основе золы низкотемпературного сжигания представлена на рисунке 2.

Оптимальными условиями осуществления данной технологии являются следующие:

  • сжигание угля (температурный режим 800…900 оС);
  • измельчение (тонина помола – 0,4 мм (не менее 90 %);
  • сернокислотное вскрытие (температура 95…105 оС, продолжительность 1,5…2 ч, концентрация серной кислоты 16…20 %);
  • разделение жидкой и твердой фаз (фильтроткань артикул Л-136, разрежение 400…450 мм рт. ст., нутч-фильтр 0,37…0,42 м3/м2?ч);
  • промывка шлама двухстадийная;
  • гидролитическое разложение (температура 230 оС, время 2 ч.);
  • термическое разложение (температура 760…800 оС).

Полученный продукционный сульфат алюминия (50 тыс. т в год) после грануляции и фасовки в полиэтиленовые мешки отправляется потребителям. Выполненная технико-экономическая оценка показывает целесообразность производства сульфата алюминия на основе золы низкотемпературного сжигания.

Сульфат алюминия, полученный из золы, является хорошим коагулянтом для очистки промышленных сточных вод.

Сиштоф после сернокислотной обработки ввиду малого содержания окислов железа (менее 0,5…0,7 %) является заменителем песка в производстве белого цемента, а наличие в нем 4…6 % гипса позволит интенсифицировать сами процессы получения цемента.

Производство ферросплавов и строительных материалов

Получение ферросплавов на основе минеральной части углей разработано основательно. Проведено опробование промышленных технологий получения ферросиликоалюминия и ферросилиция из золошлакоотходов, близких по составу к золам кузнецких углей и их магнитной составляющей, которая может быть выделена методами магнитной сепарации. Полученные сплавы испытаны в промышленном масштабе на металлургических заводах страны для раскисления стали и дали положительные результаты.

Получение строительных материалов на основе сиштофа не требует изменения существующих технологий указанных производств. Сиштоф используется в качестве сырьевого компонента и заменяет кварц, а также другие кремнийсодержащие продукты, используемые в производстве строительных материалов. Кроме того, оксид кремния, содержание которого в сиштофе составляет 75…85 %, представлен в основном в виде аморфного кремнезема с высокой химической активностью, что позволяет прогнозировать улучшение показателей и качества цемента и вяжущих. Минимальное количество железистых и других окрашивающих соединений в сиштофе дает возможность получать на его основе белый цемент, потребность в котором очень велика.

Технологии получения цемента, вяжущих материалов, жидкого стекла также отработаны в промышленности.

Заключение

Золошлаковые отходы, получаемые при сжигании кузнецких углей в энергетических парогенераторах по новой для России технологии циркулирующего кипящего слоя, востребованы для масштабной утилизации. Экономически эффективно из них производить по уже освоенным в промышленности технологиям весьма дефицитные ферросплавы, сульфат алюминия, спецвиды глинозема, жидкое стекло, белый цемент, вяжущие материалы.

Библиографический список Саломатов В.В. Природоохранные технологии на тепловых и атомных электростанциях: монография / В.В. Саломатов. – Новосибирск: изд-во НГТУ, – 2006. – 853 с.

74rif.ru/zolo-kuznezk.html, energyland.info/117948