Утилизация отходов электростанций

Сейчас на КП ЖРО основные работы ведутся внутри здания. Полным ходом идёт монтаж оборудования, а по планам уже в сентябре начнутся первые пусконаладочные работы. На ноябрь-декабрь запланировано проведение комплексной пусконаладки с испытанием всех установок переработки. Этот этап будет хорошей школой для нового персонала КП ЖРО, численность которого составит 57 человек.

В основном это будут специалисты из ЦОРО, РЦ, ТЦ, ЭЦ, ЦТАИ, ХЦ, ЦЭОО, других цехов Кольской АЭС, а также специалисты извне. К персоналу предъявляется целый ряд требований, среди которых наличие опыта работы с оборудованием в РЦ или ТЦ АЭС, техническое образование. По словам начальника ЦОРО КоАЭС, предпочтение будет отдано людям с высшим и среднетехническим образованием, ведь оператору придётся управлять уникальными установками, работать как на щите управления, так и непосредственно на оборудовании. В скором будущем в ЦОРО появятся и молодые специалисты, выпускники технических вузов по специальности «атомные электрические станции».

Сейчас все усилия персонала ЦОРО, других цехов Кольской АЭС и подрядных организаций направлены на то, чтобы к концу 2005 года, как этого требуют условия действия лицензии на эксплуатацию энергоблока № 1 Кольской АЭС, КП ЖРО был введён в эксплуатацию в рамках пускового комплекса. С вводом нового комплекса существенно повысится уровень безопасности КоАЭС. Результатом работы КП ЖРО в ближайшие годы должны быть освобождённые от ЖРО ёмкости кубового остатка, сорбентов и шламов. Главное, что с использованием новейших и уникальных технологий жидкие радиоактивные отходы будут переведены в твёрдое состояние, а хранение их в таком виде более надёжно и безопасно.

Золошлаковые отходы: опыт и перспективы использования

По решению I съезда сибирских энергетиков и при поддержке РАО «ЕЭС России» в июне этого года в Новосибирске состоится Всероссийское совещание по использованию золошлаковых отходов. Данная проблема вызывает большой интерес по ряду причин.

Среди промышленных отходов одно из первых мест по объемам занимают золы и шлаки от сжигания твердых видов топлива (уголь разных видов, горючие сланцы, торф) на тепловых электрических станциях. Огромные количества золы и шлака скопились в отвалах, занимающих ценные земельные угодья. Содержание золошлаковых отвалов требует значительных затрат. В то же время золы и шлаки тепловых электрических станций можно эффективно использовать в производстве различных строительных материалов, что подтверждается многочисленными научными исследованиями и практическим опытом.  
Для нужд строительства 
Из зол и шлаков возможно производство большого количества строительных материалов, изделий и конструкций, необходимых при возведении жилых и промышленных зданий, сельскохозяйственных объектов, дорожных и гидротехнических сооружений и т. п.  
Необходимость использования зол и шлаков диктуется не только экономическими соображениями, но и требованиями по охране окружающей среды.  
Золоотвалы способствуют загрязнению воздушного и водного бассейнов и изменению химико-минерального состава почв. Пыление золоотвалов загрязняет окружающую среду, отрицательно влияет на здоровье людей, а также на продуктивность сельскохозяйственных угодий. При сильном ветре превышение предельно допустимой концентрации золы в воздухе может иметь место на расстоянии до 4 километров от кромки отвала. В санитарно-гигиеническом отношении важен и фракционный состав золы, причем наиболее опасны частицы размером 1 микрометр и менее. Фильтрация воды в золоотвале изменяет естественный гидрохимический режим в зоне его расположения, что может приводить к подтоплению, засолению и заболачиванию территории, поступлению загрязняющих веществ в подземные воды, а с ними – в реки и водоемы. Особо значительный вред окружающей среде причиняется при авариях на золоотвалах.  
Замена природного сырья золами и шлаками способствует охране недр. Ликвидация золоотвалов благоприятно сказывается и на экологической обстановке.  
Использование золошлаковых отходов в строительстве, в производстве строительных материалов, в промышленности, в сельском хозяйстве в целом по России невелико, причем в последнее время наблюдается спад ранее достигнутых показателей. Так, годовое потребление ЗШО в последние годы составляет около 4 процентов от количества образующихся отходов, в то время как в развитых странах этот показатель достигает 50-90 процентов.  
Основные причины низкого уровня использования отходов тепловых электрических станций в России таковы:  
• отсутствие целенаправленной государственной политики в области использования природных инертных и техногенных материалов с целью сохранения экологического равновесия;  
• отсутствие финансирования работ по созданию производств по утилизации ЗШО ТЭС;  
• недостаточное внедрение результатов научно-исследовательских работ, накопленных в отечественной и мировой практике;  
• техническая неподготовленность теплоэнергетических предприятий по первичному разделению и сортировке золо-  
шлаковых отходов, складированию их и выдаче потребителям;  
• отсутствие отечественных производителей оборудования по производству товарной продукции с использованием золо-  
шлаковых отходов.  
Для дорог и полей 
Зарубежной и отечественной практикой доказано, что золошлаковые отходы – ценный материал для строительной и дорожной отраслей.  
По своему составу золошлаковые отходы – уникальный материал для полезного использования в различных отраслях экономики с дополнительным получением значительного экологического эффекта.  
Золошлаковые отходы могут использоваться как добавки и наполнители при производстве широкого спектра строительных материалов: цемента, бетонов, растворов, кирпича и т. д. Они хорошо зарекомендовали себя при укладке в земляное полотно автомобильных дорог. Определенную ценность золошлаковые отходы имеют в сельском хозяйстве при производстве удобрений. Очень перспективной является глубокая (комплексная) переработка золошлаковых отходов с получением глинозема, кремнезема, концентрата железа и целого ряда редкоземельных материалов.  
Наибольший интерес вызывают технологии применения золо-шлаковых отходов в следующих производствах:  
• в производстве портландцемента (как активные кремнеземистые добавки) в количестве 10-15 процентов, в производстве пуццолановых портландцементов марок 300-400 – до 30-40 процентов (золопортландцемент);  
• при изготовлении строительных растворов – как активная добавка в количестве 10-30 процентов от массы цемента, при использовании в строительных растворах портландцемента высоких марок (400-500) применение пылевидной золы может сократить его расход до 30 процентов;  
• в качестве активного микронаполнителя в тяжелых бетонах, что позволяет снизить расход цемента от 6-10 процентов в бетонах нормального твердения до 12-25 процентов в пропариваемых;  
• в производстве силикатного кирпича;  
•в жаростойких бетонах – в качестве наполнителя вместо шамотного порошка, что существенно снижает себестоимость таких бетонов;  
• при изготовлении зольного и аглопоритового гравия;  
• в производстве мелкозернистого аэрированного золобетона и изделий на его основе, в качестве мелкой фракции легких бетонов на пористых заполнителях плотной и поризованной структуры;  
• в качестве сырьевых материалов для дорожной промышленности;  
• использование золошлаковых отходов с повышенным содержанием частиц несгоревшего топлива в производстве глиняного кирпича, что не только улучшает его качество, но и снижает расход технологического топлива на обжиг.  
Одни из главных утилизаторов топливных зол и шлаков – строители дорог. Наблюдения за опытными участками дорог, построенными в разное время в нашей стране и за рубежом, подтверждают возможность использования золы во всех слоях оснований дорожных одежд для любой транспортной нагрузки. Дорожные одежды с использованием зол и шлаков имеют достаточную прочность, морозостойкость, долговечность. Стабилизированные с помощью цемента и золы материалы продолжают увеличивать свою прочность с течением времени.  
Мировой и отечественный опыт показывает перспективность использования золошлаковых смесей для вертикальной планировки городских территорий, осваиваемых для нового строительства. По санитарно-гигиеническим характеристикам и физико-химическим показателям в ряде случаев золошлаковые отходы могут служить полноценной заменой традиционному материалу отсыпки – речному песку.  
Экономический эффект от использования в планировке ЗШО будет заключаться в экономии песка, отказе от строительства новых золоотвалов и, соответственно, в экономии капитальных вложений. 
Комплексный подход 
Одно из перспективных направлений крупномасштабного использования золы Канско-Ачинских углей – приготовление из них известкового гранулированного удобрения (мелиоранта) для повышения плодородия кислых почв. Обычно в качестве такого мелиоранта применяют карбонатные породы – известняк и доломит. При этом одна тонна известняковой муки за 5-7 лет обеспечивает прибавку урожая, соответствующую в среднем полутонне зерна. Известкование почвы является природоохранным и энергосберегающим мероприятием, позволяющим на 15-20 процентов снижать дозы азотных и фосфорных удобрений, уменьшая загрязнение почвы и растений.  
Комплексный подход к переработке золошлаковых отходов способен дать большой экономический эффект. Для этого необходимо разработать промышленные технологии использования золошлаковых отходов, а также выработать комплекс маркетинговых мероприятий по продвижению продукции на основе ЗШО. Необходимо всестороннее изучение рынка строительных материалов (производителей, их возможности и желание использовать золо- шлаковые отходы в своем производстве), а также поиск и налаживание контактов с потенциальными потребителями нового продукта.

Д.т.н., профессор Александр БЕРНАЦКИЙ, Д.т.н., профессор Николай МАШКИН, Новосибирский архитектурно-строительный университет

ТЕХНОЛОГИЯ  КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС

 
    Власова В.В., Никольская Н.И. (Иркутский Государственный технический университет)

При сжигании твердого топлива в топках тепловых электрических станций образуются многотоннажные твердые минеральные отходы, представленные шлаком и летучей золой.  Складирование и хранение такой массы материала требует значительных капиталовложений, в частности на Усольской ТЭС-11 (ОАО «Иркутскэнерго») накоплено около 90 млн тонн золошлаковых отходов, с их ежегодным увеличением на 300-330 тыс. тонн, при этом в эффективную переработку вовлекается около 2%. Золоотвал, занимая 60 гектар земельной площади,  является источником неблагоприятной экологической обстановки в районе.

В тоже время, золы являются сосредоточением окиси алюминия, кремния, железа, кальция, а так же цинка, никеля, свинца, бария, ванадия и т.д. Исходя из вещественного состава и физико-механических характеристик минеральной части сгоревшего топлива, отходы ТЭС можно рассматривать как сложное техногенное сырье, пригодное для переработки известными методами, с целью получения  конечных продуктов, пригодных для   народного хозяйства.

На кафедре ОПИиИЭ ИрГТУ проведено исследование золошлакового материала ТЭС-11 АОЭиЭ Иркутскэнерго с целью разработки  технологической схемы комплексной переработки шлака и золы-уноса. Предметом извлечения по данной схеме являются окислы алюминия (содержание в сырье 11,6%), кремния (33,4%) и железа (10,7%)

Предлагаемая нами технологическая схема переработки золошлакового материала включает операцию мокрой магнитной сепарации для выделения концентрата железа с последующией флотацией  алюмосиликатов на хвостах мокрой магнитной сепарации.

 Поскольку суммарный  выход класса –40+5 мм составляет  всего 4,49 %, то переработка этого  класса экономически не оправдана и в голове процесса предусмотрен вывод данного продукта, который по вещественному составу и физико-механическим характеристикам отвечает требованиям ГОСТ 9757-83 «Заполнители пористые неорганические для легких бетонов». 

Присутствие в исходном продукте значительного количества шламов (21,27% класса -0,05 мм) требует проведения операции  обесшламливания по классу –0,05 мм и раздельного обогащения полученных продуктов.

При оптимальных условиях ведения опыта  для крупности –0,5+0,05 мм были получены следующие продукты: магнитный концентрат, с содержанием железа 67,04%; глиноземный концентрат, с содержанием оксида алюминия 62,41% и отвальные хвосты, с содержанием железа 0,62% и оксида алюминия  9,023%.

Переработка шламового материала позволила получить магнитный концентрат, с содержанием железа 68,9%; глиноземный концентрат, с содержанием оксида алюминия 45,3%  и отвальные хвосты, с содержанием железа 1,92% и оксида алюминия 2,1%. 

Поскольку полученные концентраты железа содержат хром, никель молибден, ванадий, то их можно использовать в качестве сырья для металлургической промышленности, получая при этом сплавы с определенными свойствами. Кроме этого данные концентраты могут служить добавкой к утяжелителям при обогащении в тяжелых суспензиях или в качестве наполнителя для железобетонов. Коллективный алюмосиликатный концентрат может служить сырьем при производстве глинозема или других кислородных соединений алюминия щелочным способом.

Хвосты флотации по своим  физико-механическим свойствам соответствуют требованиям ГОСТа 16656-78 «Активные минеральные порошки» и могут служить добавкой при производстве асфальтобетонов.

Переработка  золошлакового материала  по предложенной схеме перспективна и может принести несомненный экономический эффект, а также позволит снизить антропогенную нагрузку в районах примыкающих к тепловым электрическим станциям.

ТЕХНОГЕННЫЕ ОТХОДЫ ПРЕДПРИЯТИЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПУТИ ИХ ВТОРИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ

Основными техногенными отходами ТЭС и ГРЭС являются золошлаки и дымовые газы. Для реализации летучей золы и шлаков в качестве сырья и материала, для безопасного складирования и использования золошлаков в народном хозяйстве, в различных отраслях промышленности необходимо иметь основную информацию по их свойствам и характеристике: химический состав, физические свойства, минералогический состав, физико-химические свойства, экологические характеристики, в том числе такие, как радиоактивность и токсичность. Использование залошлаковых отходов (ЗШО) ТЭС на 80% приближает технологию ТЭС к безотходной.

Сжигание органического топлива для получения электрической энергии и/или тепла, и в особенности электроэнергетика с её огромными централизованными электростанциями, является одной из основ функционирования современного общества и экономики. С другой стороны, топливосжигающие установки расходуют большое количество органического топлива различных видов и других природных ресурсов, преобразуя их в полезную энергию. Функционирование этих предприятий приводит к образованию разнообразных отходов и поступлению большого количества загрязняющих веществ во все природные среды.

Имеются данные, что тепловые электростанции в 2-4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности.

В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн. кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн. доз, железа-400 млн. доз, магния -1,5 млн. доз. Летальный эффект этих загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в незначительных количествах. Это, однако, не исключает их отрицательного влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем [1].

Угли содержат от 0,2 до десятков процентов серы в основном в виде пирита, сульфата, закисного железа и гипса. Для уменьшения концентрации серы в продуктах сгорания топлив возможны два пути: уменьшение содержания серы в топливе до его сжигания и очистка дымовых газов от окислов серы [2]. Имеющиеся способы улавливания серы при сжигании топлива далеко не всегда используются из-за сложности и дороговизны. Поэтому значительное количество ее поступает и, по-видимому, будет поступать в ближайшей перспективе в окружающую среду.

Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС - золой и шлаками. При сжигании углей в топках котлов органическая часть (углеводороды) сгорают, образуя дымовые газы, а неорганическая часть образует золошлаки. Большая часть примесей в процессе сжигания угля переходит в летучую золу, уносимую дымовыми газами и улавливаемую золоуловителями. В зависимости от способа улавливания зола может быть сухой и мокрой. Другая часть, в зависимости от конструкции топки и физических особенностей минеральной составляющей топлива, переходит в шлак. Зола и золошлаковые смеси представляют собой твердый несгоревший остаток твердого топлива, который в виде пульпы удаляется в золоотвалы. В зависимости от вида угля и условий его сжигания, золы и золошлаковые смеси характеризуются различным химическим составом и физическими свойствами.

Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн. т. мелкодисперсных аэрозолей. Последние способны заметно изменять баланс солнечной радиации у земной поверхности. Они же являются ядрами конденсации для паров воды и формирования осадков; а попадая в органы дыхания человека и других организмов, вызывают различные респираторные заболевания.

В отличие от других производств, например черной и цветной металлургии, дымовые выбросы современных ТЭС осуществляются через небольшое количество очень высоких труб, высотой  более 180 м. Поэтому загрязнители рассеиваются в обширном пространстве нижней тропосферы. В сферах влияния различных ТЭС установлено, что в ближайшей зоне радиусом 12-15км, в зависимости от высоты трубы, выпадает от 35 до 60% выбрасываемой золы [1]. Остальная ее часть рассеивается на большее расстояние. Все природные ландшафты реагируют на выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, т.к. происходит их депонирование в растительном покрове, почвах, миграция и метаболизм веществ в геосистемах.

Содержание в атмосферных выбросах ТЭС диоксидов серы и азота способствует возникновению кислотных дождей, т.к. во влажной атмосфере происходит цепь фотохимических реакций, в результате которых образуется серная и азотная кислоты. При сжигании углей образуются также выбросы продуктов недожога, особенно токсичными среди них являются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), среди которых можно выделить бенз(а)пирен – вещество первого класса вредности, с его действием связано увеличение онкологических заболеваний. Содержание ПАУ определяется типом сжигаемого топлива, а также количеством и режимом выбросов дымовых газов и метеорологическими условиями.

Серьезную проблему вблизи ТЭС представляет складирование золы и шлаков. Для этого требуются значительные территории, которые долгое время не используются, а также являются очагами накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности. Угольные золоотвалы также оказывают значительное влияние на природно-территориальные комплексы (ПТК). Их воздействие осуществляется через рассеивание золы ветром, фильтрацию вод сквозь стенки и дно золоотвалов, а  также  в  результате  предусмотренных  сбросов  осветленных  вод,  частичный  сброс  которых происходит при мокром золоудалении. Кроме влияния на ПТК, пылящие золоотвалы ухудшают гигиеническую обстановку на прилегающих территориях, уменьшают производственный ресурс машин, механизмов, а иногда – и сельскохозяйственных угодий.

Таким образом, зола – продукт сжигания топлива, который выносится дымовыми газами из топки котла и улавливается золоуловителями. Шлак – материал, который скапливается по мере сгорания топлива в шлакосборниках. Зола в основном представлена фракцией 0,01 – 0,1мм при максимальном размере частиц не более 1–2мм. Шлак в основном представлен фракциями 0,1 – 20 мм при максимальном размере частиц 40 – 60 мм и минимальном 0,04 мм. Зола представляет собой мелкодисперсный минеральный порошок от светло-серого до темно-серого цвета, шлак имеет аналогичный цвет, но отличается от золы большей крупностью [2].

Золошлаковые отходы (ЗШО), образующиеся при сжигании угля в топках ТЭЦ и котельных, являются механической смесью золы и шлака. Усредненное состояние выхода золы и шлака составляет 4:1. По форме золошлаки представляют собой микроскопические сферические частицы оплавленных под воздействием высоких температур минералов, в основном кварца, и частицами неправильной формы (остальной материал).

Зола и шлаки представляют собой сложную систему, свойства которой зависят от вида топлива и режима его сжигания, конструкции котла и многих других факторов. Это определяет необходимость проведения комплексных исследований состава и свойств минеральной части различных углей, сжигаемых на электростанциях Казахстана, так как основной причиной недостаточного использования золошлаков в народном хозяйстве является неудовлетворительное состояние изученности золы и шлака как сырья.

Золошлаковые отходы включают золу уноса – порошкообразный пылевидный материал, улавливаемый из дымовых газов ТЭС. В зависимости от способа улавливания зола может быть мокрой и сухой. В настоящее время используется в основном мокрый способ удаления золы и шлака – гидрозолоудаление (ГЗУ) [3].

Использование залошлаковых отходов (ЗШО) ТЭС на 80% приближает технологию ТЭС к безотходной.