О переработке золошлаковых отходов, неизбежного побочного продукта угольных ТЭС, дискутируют уже не один десяток лет.

Уникальный состав и низкая стоимость золошлаковых смесей должны произвести революцию на товарном рынке России.

Что же мешает развивать технологии, извлекать драгметаллы, производить стройматериалы? Производители не против избавиться от масштабных золоотвалов.

На пути предпринимателей – отсутствие поддержки государства и региональных властей, сомнение потребителей в качестве материалов из золы и шлака.

В статье мы рассмотрим, что понимается под термином золошлаковые отходы, каков опыт их утилизации в мире и поговорим о проблемах отходов, производимых ТЭС.

Определение

Золошлаковые отходы (ЗШО) образуются в топках тепловых электростанций (ТЭС), теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и котельных.

При горении угля, горючего сланца, торфа или жидкого топлива (мазута) химическая энергия органической массы преобразуется в электроэнергию и тепло.

В результате образуются летучие газообразные вещества, происходят потери угля за счет недожога, остается минеральная несгорающая часть — смесь золы, шлака, частиц закоксованного угля.

Класс опасности

Отходы сжигания твердого и жидкого топлива сгруппированы в 6 блоке ФККО. ЗШО разделены на 7 подтипов с учетом исходного сырья, агрегатного состояния, процесса образования.

В основном отходы относятся к 4 и 5 классам опасности для окружающей среды – малоопасному и практически неопасному соответственно. Исключение составляет единственный в этой группе отход 3 класса опасности – зола с высокой концентрацией ванадия, образовавшаяся при сжигании мазута.

Отходы неблагоприятны для окружающей среды из-за токсичных веществ и тяжелых металлов, входящих в их состав.

Золоотвалы формируют техногенно-трансформированные ландшафты, создают благоприятные условия для развития хемоземов – антропогенно-преобразованных почв.

Под золоотвалами России – тысячи гектаров отчужденной земли, выведенной из сельскохозяйственного оборота. И это самая большая проблема ЗШО – они требуют больших площадей для размещения.

В зонах влияния отвалов с ЗШО создается сложная экологическая ситуация. Высокое пылеобразование, вымывание компонентов золы с попаданием в почву и подземные воды отрицательно воздействуют на природную среду и здоровье человека.

Особую опасность представляют хранилища ЗШО, расположенные вблизи водных объектов, из-за возможного прорыва дамб.

Проблемы отходов ТЭС

Фото 3Доля угольной генерации в установленной мощности ТЭС в РФ составляет около 22%, при этом доля в общем объеме выработки постепенно снижается и сегодня составляет около 13% (для сравнения, в 2000 году показатель составлял 20%).

По объемам выработки электричества Россия занимает 13 место, уступая Китаю, Индии и другим странам с энергосистемами, основанными на твердом топливе.

Для получения электроэнергии в России ежегодно сжигается около 125 млн тонн топлива, что означает свыше 20 млн тонн новых ЗШО каждый год впридачу к уже накопленным 1,5 млрд тонн, занимающим более 28 тыс. га.

По прогнозам экспертов, если уровень переработки останется прежним, уже к 2030 году объем накопленных ЗШО превысит 2 млрд тонн. Мрачная перспектива переполнения полигонов может спровоцировать решение о выводе угольных электростанций из энергобаланса РФ.

Проблема утилизации ЗШО волнует государство, в первую очередь, с точки зрения экологии. Но, например, для Сибири тема переработки золошлаковых отходов особенно актуальна: здесь находится крупнейший угольный бассейн страны и практически вся энергетика округа построена на угле.

Ежегодный прирост ЗШО составляет 13 млн тонн. На территории края накоплено более 500 млн тонн углеродных отходов, при этом площади под золоотвалами ежегодно прирастают на 100 га. Многие хранилища отходов расположены прямо в черте городов, в непосредственной близости к ТЭЦ.

Единственный путь избавления от масштабной проблемы с ЗШО – вовлечение в оборот не только новых, но и накопленных ЗШО, внедрение безотходных способов сжигания угля.

Однако уровень переработки ЗШО в РФ остается неизменным с 1990 года.

Сегодня существует более 300 способов утилизации золошлакового сырья, но лидеры отрасли северного региона сталкиваются с серьезными затруднениями. Большая сложность заключается в ограниченном периоде транспортировки отходов — примерно 5 месяцев в году. Манипуляции с ЗШО при отрицательных температурах требуют значительных финансовых вложений.

Но и в другое время перевозка чересчур капиталоемка. Именно этот факт мешает другим государствам довести утилизацию до 100%. Япония добилась максимального результата из-за удобного расположения ТЭЦ. Энергокомплексы, как правило, размещаются на берегу водоемов, что позволяет использовать выгодный водный транспорт.

ЗШО – ценный ресурс или проблема?

Для сжигания используется уголь разных месторождений, поэтому химический состав смеси ЗШО в отвалах неоднороден и сильно колеблется.

Если рассмотреть усредненный химический состав золошлаковой массы, то в основном это оксиды кремния и алюминия, кроме того, содержится железо, кальций, магний, триоксид серы и другие элементы.

В качестве примера сложного и уникального состава ЗШО можно оценить Приозерский золошлаковый отвал – карьер, расположенный на северо-западном берегу Ладожского озера.

Перед вами химический состав пробы слежавшейся золошлаковой массы:

Фото 4

Важная особенность золоотвалов – высокая концентрация редких металлов. К таким металлам относятся вещества с низким содержанием в породах.

Их ценность в плане использования в промышленности не вызывает сомнений:

  • германий – оптическая и микро- электроника;
  • галлий – самые мощные лазеры;
  • стронций – высокотемпературные сверхпроводники;
  • цирконий – атомная техника и конструкционная керамика;
  • ванадий, бериллий, скандий – авиационные и космические материалы;
  • литий – термоядерная энергетика.

Большой интерес представляет скандий – уникальное вещество, применяемое в авиационной, ракетной и лазерной технике, а также ниобий.

Добавленные при производстве стали ниобий и ванадий делают металл легче, снижают на 40% вес конструкций при возведении мостов, высотных зданий, газо- и нефтепроводов. При этом срок эксплуатации сооружений возрастает в 2-3 раза

В ЗШО аккумулируются стратегические металлы, в том числе, бериллий, германий, литий, цирконий.

Особенный «стратегический» статус у редких металлов обусловлен тем, что их запасов недостаточно – объемы не могут на 100% удовлетворить производство в военное время, может стать угрожающей или дорогостоящей зависимость от импортных поставок в периоды чрезвычайных положений.

Утилизация золошлаков не только решит экологические проблемы – переработка позволит вернуть в оборот техногенное сырье взамен природного.

Мировой опыт и перспективы использования в России

Мир знает много эффективных способов пустить отходы в дело. В европейских странах доля утилизированных ЗШО давно превышает 50%, а в островной Японии достигает 97-100%.

Другие лидеры переработки золы и шлака – Индия, США и Австралия. Китай – рекордсмен по объему образованных и утилизированных отходов (около 70%). Страна, потребляющая угля в 32 раза больше, чем Россия, сумела практически избавиться от проблемы ЗШО.

В Польше и Китае золошлаки используются для извлечения алюминия, в Канаде – как сырье для получения более дешевого урана. Небоскреб «Бурдж-Халифа» в ОАЭ построен с использованием материалов, содержащих ЗШО.

Переработка и утилизация ЗШО

Россия пока среди отстающих: перерабатывается не более 10-15% углеродных отходов, остальное размещается на полигонах.

Фото 5

При этом ЗШО, обладая уникальным химическим и минералогическим составом, могут активно использоваться в строительной индустрии, в дорожном строительстве. Материалы из ЗШО имеют низкую теплопроводность, отличаются высокой плотностью.

Зола-унос и золошлаковые отходы – дешевое сырье для керамических кирпича и камней, для производства пористых заполнителей для легких бетонов. Золошлаковые отходы эффективно используются в сельском хозяйстве – для улучшения структуры, состава почвы и ее раскисления, а также для производства минеральных удобрений.

Другие варианты эффективного применения ЗШО:

  • рекультивация нарушенных земель и отработанных карьеров, ликвидация горных выработок;
  • планирование территорий для производства сельхозпродукции и ландшафтного строительства;
  • как изолирующий материал – на полигонах ТКО;
  • при тушении скрытых очагов площадных пожаров;
  • в качестве сорбента-мелиоранта для очистки почв от тяжелых металлов и пестицидов с одновременным улучшением водопроницаемости, повышением концентрации азота, кальция, других полезных веществ.

Из золы можно делать зольный кирпич: полнотелый и с пустотами. Этот кирпич выигрывает в сравнении с керамическим и силикатным, т.к. у него ниже теплопроводность и себестоимость. Кроме того, изделие из ЗШО прочнее популярного в строительстве ячеистого бетона.

Химический и минералогический составы золошлаков близки к компонентам, используемым в силикатной промышленности при производстве стекла, стеклопокрытия, керамики.

Поэтому сверхкислые ЗШО могут эффективно использоваться в производстве строительных и технических стекломатериалов, таких как:

  • стеклокристаллические материалы (шлакоситаллы);
  • коррозионностойкие стеклошлакоэмалевые покрытия для металлических изделий;
  • тепло- и звукоизоляционные стеклошлакоматериалы;
  • стеклошлаковые облицовочные плитки: марблит, цокольные и коврово-мозаичные изделия.

Планы России по развитию перерабатывающей отрасли

Фото 6Энергетическая стратегия РФ поставила задачу: к 2035 году выйти на уровень переработки ЗШО не менее 50% ежегодного объема образования.

Был разработан комплексный план утилизации золы и шлака с потенциальным результатом в 100 млрд рублей.

Сейчас самые крупные потребители отходов сжигания топлива – производители стройматериалов, магнаты строительной индустрии.

Присутствие золошлаков в сырье для производства тротуарного камня, строительных смесей, бетона и цемента серьезно снижают их себестоимость.

ЗШО активно используются при устройстве земляного полотна автодорог, в монолитном домостроении. Другой опыт использования – извлечение глинозема для производства алюминия. Концентрация оксида алюминия в золе достигает 30%.

В Кузбассе применяется метод переработки золы и шлака в жидкое стекло, используемое при производстве негорючих стройматериалов.

Зола – в золото

Основной промышленный модуль – реактор (газогенератор), состоящий из двух печей: шахтной и электрошлаковой, системы очистки и охлаждения генераторного газа.

Отходы и топливо подвергаются высокотемпературной газификации с электротермической стабилизацией (ВТГЭС) при 1500-1650°С.

В результате применения технологии, разработанной Эко-Дон Стандарт для утилизации углеродсодержащего сырья и ТКО, получают максимум полезных компонентов:

  • минеральные составляющие – для производства высококачественной теплоизоляции;
  • углерод (недожог угля) – энергоноситель, отдающий при термообработке золото;
  • концентраты редких металлов – для следующего этапа гидрометаллургического разделения;
  • драгоценные металлы: платина, серебро, золото.

Утилизация отходов по методу ВТГЭС рентабельная, экологичная и безотходная. При этом редкие и благородные металлы «добываются» без дополнительных вложений, просто как побочный продукт.

Интересное видео

Видео о переработке золошлаковых отходов, образующихся на угольной тепловой станции:

Заключение

В большинстве государств предусмотрена серьезная поддержка переработки ЗШО на государственном уровне в виде субсидий и налоговых льгот.

Для решения проблемы золошлаковых полигонов в России пока не хватает подобных законодательных мер. Пока все ограничивается «планами», «стратегиями» и «заседаниями круглого стола».