Современный подход к золошлаковым отвалам

Ископаемый уголь является одним из важнейших сырьевых элементов мирового топливно-энергетического комплекса (ТЭК).  По данным Аналитического центра при Правительстве РФ 104,8 млн. тонн добытого в России угля было использовано на электростанциях. В процессах слоевого или факельного сжигания углей на теплоэлектростанциях (ТЭС) образуются газообразные продукты и твердые золошлаковые отходы (ЗШО) – золы уноса и шлаки. Годовой объем ЗШО в России составляет около 30,4 млн. тонн, при этом потребителям по самым оптимистичным прогнозам было отгружено около 4,2 млн. тонн ЗШО. Остальная масса золошлаковых отходов складируется в золоотвалах и на полигонах.

Отчуждение земель под золоотвалы и полигоны, а также негативное влияние ЗШО на окружающую среду, связанных с постепенным сокращением доли складируемых отходов за счет их вовлечения в различные отрасли промышленного производства. Перспективными направлениями снижения объемов, складируемых золошлаковых отходов является использование их для дорожного строительства, при производстве строительных материалов, в сельском хозяйстве, для заполнения выработанного пространства шахт и угольных разрезов, а также для целей технической и биологической рекультивации нарушенных земель.

На сегодняшний день остро встала проблема с уже образовавшимися и накопившимися промышленными и бытовыми отходами, среди которых одно из первых мест по объему занимают зола и шлаки. Их опасные свойства усугубляются в процессе длительного хранения, так как токсичные компоненты концентрируются. В отвалах теплоэлектростанций на территории РФ к настоящему времени накоплено более 2 млрд т золошлаковых отходов. Под золоотвалами крупнейших теплоэлектростанций находятся тысячи гектаров земли, выведенной из сельскохозяйственного оборота.

На ТЭЦ сжигание углей происходит при температуре 1100–1600 °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. Объем твердых остатков для каменных и бурых углей колеблется от 15 до 40%. Уголь перед сжиганием измельчается.

Золы ТЭЦ, использующих каменный уголь, по сравнению с золами ТЭЦ, сжигающих бурые угли, отличаются повышенным содержанием SОз, пониженным – оксидов кремния, титана, железа, магния, натрия, а шлаки – повышенным содержанием оксидов кремния, железа, магния, натрия и пониженным – окислов серы, фосфора.

Химический анализ золошлаковых отходов показывает, что большая часть состоит из оксидов железа, кремния и алюминия и представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Содержание элементов в золошлаковых отходах

Промышленную ценность представляют золото и платина. Содержание вредных и токсичных элементов не превышает допустимых значений, хотя максимальные содержания Mn, Ni, V, Сr приближаются к «порогу» токсичности. В то же время содержание золота и платины достигают не только промышленных значений, но иногда становятся «огромным».

В составе ЗШО различаются кристаллическая, стекловидная и органическая составляющие. Кристаллическое вещество представлено как первичными минералами топлива, так и новообразованиями, полученными в процессе сжигания, а также и при гидратации и выветривании в золоотвале.

Всего в кристаллической составляющей ЗШО устанавливается до 150 минералов. Преобладающие минералы – алюминаты, ферриты, алюмоферриты, шпинели, дендритовидные глинистые минералы, оксиды, в т.ч. кварц, тридимит, кристобалит, корунд, углинозем, окиси кальция, магния и др. Часто отмечаются в небольших количествах рудные минералы – касситерит, вольфрамит, станин и др., присутствуют сульфиды – пирит, пирротин, арсенопирит и др.; сульфаты, хлориды и очень редко – фториды. В результате гидрохимических процессов и выветривания в золоотвалах появляются вторичные минералы – кальцит, портландит, гидроокислы железа, цеолиты и др.

Большой интерес представляют самородные элементы и интерметаллиды, среди которых установлены: свинец, серебро, золото, платина, алюминий, медь, ртуть, железо, никелистое железо, хромферриды, медистое золото, различные сплавы меди, никеля, хрома (с кремнием) и др. Их размеры от первых до десятков микрон. В свежих золах они несут следы термической обработки (частичное оплавление, сплавление с другими минералами и агрегатами). В старых золах нередко происходит их самоочищение.

Нахождение капельно-жидкой ртути, несмотря на высокую температуру сгорания угля – это довольно частое явление, особенно в составе тяжелой фракции продуктов обогащения. Вероятно, этим объясняется ртутное заражение почв при использовании ЗШО без специальной очистки.

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

Основными причинами того, что в нашей стране ЗШО практически не используются в хозяйственных целях, являются: отсутствие до последнего момента целенаправленной государственной политики в области использования золошлаковых отходов и недостаток финансирования работ по переработке ЗШО в большинстве энергокомпаний, которым в условиях ограниченного роста тарифов сложно обосновать инвестиции в данные проекты.

Проанализировав данные по переработке золошлаков, можно отметить, что возможности использования ЗШО ТЭЦ весьма широки. ЗШО являются перспективной сферой для инноваций и инвестиций, имеющих многоцелевую направленность, и их переработка позволяет оказать существенное влияние на эколого-социально-экономическое развитие любого региона. В настоящее время в мировой практике наметились разнообразные направления использования ЗШО, а именно:

1) Использование золы для производства концентратов металлов (германия, титана, железа, алюминия, галлия, ванадия и др.) и для извлечения цветных, ценных и редких элементов.

2) Производство строительных материалов: цемента; силикатных (известково-песчаных) изделий - силикатного кирпича, силикатных стеновых блоков, изделий из силикатных ячеистых бетонов; керамических изделий; искусственных заполнителей; ячеистого, обычного и специальных видов бетонов (гидротехнический и жароупорный бетоны, пенозолобетон, газозолобетон, керамзитозолобетон, керамзитозолопенобетон и др.).

3) Производство термо- и гидроизоляционных материалов: шлаковой ваты; микросферы; гидрофобных порошков.

4) Производство литейных материалов: теплоизоляционных; самосмазывающихся и изоляционных задвижек; термоизоляционных плит.

5) Производство химических изделий: средств защиты растений; заполнителей для пластмасс и резин; носителей катализаторов; катализаторов; сорбентов.

6) Очистка вод и водостоков: удаление фосфатов и ионов тяжелых металлов; ускорение седиментации; улучшение фильтрации.

7) Удобрение и мелиорация почвы: нейтрализация почвы; ввод микроэлементов; разрыхление или уплотнение структуры грунтов.

8) Закладка горных выработок

9) Строительство дорог, автострад, аэродромов, дамб: нивелировка; насыпи; стабилизация оснований; добавка к бетонам и асфальтам.

10) Тушение пожаров: в шахтах, лесах и др.

11) В качестве сырья для химической промышленности.

12) Использование ЗШО для изоляции муниципальных свалок.

Переработка ЗШО представляет огромный интерес сточки зрения утилизации промышленных отходов так и извлечения полезных и необходимых материалов для улучшения экологической ситуации.