Эффективность работы отрасли промышленности

Введение
Эффективность работы любой отрасли промышленности необходимо оценивать с точки зрения баланса между массой основного продукта и объемом образуемых техногенных отходов. Наиболее неблагополучными в этом плане являются тепловые электрические станции (ТЭС), являющиеся источниками массированных атмосферных выбросов и крупнотоннажных мелкодисперсных твердых отходов [1]. Существующие отходы следует различать на торфяную, буроугольную, антрацитовую, каменноугольную, сланцевую и др.
В России утилизации подвергается 4-5 % от общего количества золоотвалов, в то время как в Германии и Франции – в среднем около 70 %, в Финляндии – в среднем около 90 %, в других зарубежных странах – около 50 %. В зарубежных странах, как правило, ведется государственная поддержка по привлечению к использованию несгораемых остатков. В качестве примеров можно привести Польшу, где устанавливаются высокие цены на территории под размещение золоотвалов, а в Китае данный вид отходов может быть предоставлен потребителю бесплатно. В Болгарии несгораемый остаток является полностью бесплатным продуктом, а в Великобритании существует около пяти приемных пунктов, реализующие сбыт зол [2].
В зависимости от технологического оборудования, условий подготовки топлива и принятых режимов сжигания на каждую тонну угля приходится от 140 до 250 кг твердого минерального остатка.
Доказано, что золы углей представляют собой сырье, богатое оксидами алюминия (15- 25%), железа (6-15%), кремния (40-60%) и содержащее в виде микродобавок около 50 элементов периодической системы. По сложности и многокомпонентности вещественного состава отходы ТЭС соответствуют техногенным месторождениям, которые возможно перерабатывать известными обогатительными методами с извлечением ценных компонентов и использованием полученных продуктов для нужд народного хозяйства.
Основная проблема освоения техногенных отвалов ТЭС в России – отсутствие перспективных технологий, позволяющих безотходно их перерабатывать.
Для решения данной проблемы необходимо проведение комплексных исследований системы «минеральное сырье – пылевидное топливо – зола-унос – шлак – золошлаковый материал – техногенная залежь» относительно углей и отходов конкретного региона РФ [1].
Классификация мелкодисперсной пыли на золоотвалахМелкодисперсная пыль проявляет вяжущие свойства в зависимости от содержания кальция в ней в любом виде. В настоящее время, исходя из нормативных документов и практики, известно существование двух классов пыли: класс богатый SiO2 – «кислый» и класс богатый СаО – «основной».
Кислая мелкодисперсная пыль состоит преимущественно из сферических пылевидных продуктов, напоминаемый пуццолан. Кислая пыль представлена преимущественно: диоксидом кремния SiO2, оксидом алюминия Al2O3 и в меньшей степени Fe2O3 и другими включениями. Реакционноспособный оксид кальция СаО присутствует в пыли в массовом количестве – менее 10 %, а свободный оксид кальция СаОсв присутствует в количестве не более 1 %.
Основная мелкодисперсная пыль также как и кислая пыль обладает гидравлическими и пуццоланическими характеристиками. Основная пыль включает в себя преимущественно: реакционноспособным оксидом кальция СаО, диоксидом кремния SiO2 (не менее 25 %), оксидом алюминия Al2O3 и в меньшей степени Fe2O3 и другими включениями. Реакционноспособный оксид кальция СаО присутствует в пыли в массовом количестве – от 10 % до 15 %, а свободный оксид кальция СаОсв [3,4].
Следует различать мелкодисперсную пыль сухого и мокрого отбора, при этом в случае сухого удаления пыли более крупные включения оседают в циклонах, а более мелкие на электрофильтрах.
Характеристики мелкодисперсной пыли
Зная качественный состав исходных топлив и температурные области основных минеральных и, соответственно, химических преобразований, происходящих с углем при сжигании, можно прогнозировать вещественный состав золошлаковых отходов.
Однако при этом необходимо учитывать физико-химические и механические изменения материала, происходящие в процессе гидротранспорта до мест постоянного складирования и при его длительном хранении на открытом воздухе. Измельчение частиц золошлакового материала при гидрозолоудалении вызывает изменение дисперсного состава золошлаковых отходов, что влияет на условия послоевого складирования. От формы, размера и агрегатной плотности частицы зависит, в какой зоне осаждения (зона выпуска, отстойный пруд) произойдет ее складирование. В разных зонах осаждения наблюдается разный химический и фазовый состав материала, что дает возможность организации селективной выемки.
Химико-минералогические характеристики золошлаковых отходов
Для получения требуемых химико-минералогических характеристик золошлаковых отходов материал предварительно подвергают сушке, затем измельчают в тонкомолотое состояние до удельной поверхности порядка 300 – 350 м2/кг.
Рентгенофазовый анализ (РФА) золошлаковых отходов проводился на примере помола с золоотстойника, расположенного в Тальцах. Как показал анализ РФА кристаллическая и аморфная фаза, входящие в состав золы, содержат кварц, полевые шпаты, муллит и другие вещества, а аморфная фаза представлена в основном стеклом.
Таблица 1 – Состав элементов в крупной фракции золошлаковых отходах
Спектр С О Mg Al Si S K Ca Ti Fe
Макс. 47,07 50,02 1,47 6,88 10,47 0,24 0,57 16,03 0,36 1,53
Мин. 28,27 34,45 0,33 1,90 1,95 0,12 0,48 0,48 0,34 0,24
Состав элементов в таблицах 1 и 2 указан в весовых процентах. Анализируя элементный состав отходов крупной фракции можно охарактеризовать их как отходы с меньшим содержанием или отсутствием алюмосиликата и кварца.
Таблица 2 – Состав элементов в мелкой фракции золошлаковых отходах
Спектр С О Mg Al Si S K Ca Ti Fe
Макс. 15,24 51,58 0,30 1,23 17,09 32,06 1,39 1,69 1,02 4,26
Мин. 15,24 47,60 0,22 0,57 9,64 19,05 0,42 0,60 0,20 1,04
Сравнивая элементный состав отходов мелкой фракции с отходами крупной фракции, наблюдается повышенное содержание кварца.
Переработка золоотходов в России
Необходимость вовлечения в эффективную переработку золошлаковых отходов теплоэлектростанций обосновывается: объемом накопленного золошлакового материала; перспективным, в плане возможного извлечения ценных компонентов, фазово-минералогическим составом золы и шлака ТЭС; необходимостью сохранения природно-ресурсного потенциала области за счет вовлечения в переработку техногенных отходов производств; снижением экологического риска для территорий, близких к золоотвалам.
Для разработки научно обоснованных технологических решений по хозяйственному использованию отходов ТЭС необходимо комплексное изучение качественного состава и свойств золошлаковых отходов, а также установление закономерностей изменения минеральной части угольного топлива в процессе пылевидного сжигания.
При сжигании твердого топлива на теплоэлектростанциях образуются твердые отходы в виде золы-уноса и шлака, отличающихся друг от друга гранулометрическим и минералогическим составами. Соотношение данных продуктов определяется видом топлива и технологией сжигания; в среднем массовое распределение между золой-уносом и шлаком можно оценить как 80 и 20% соответственно.
Одной из областей применения золоотвальной пыли является включение его в цементобетон, который применяется для создания качественного дорожного покрытия. Использование бетона совместно с золой отличается меньшей энергоемкости по сравнению с классическим сырьем, уменьшением продолжительности срока строительства дороги, а главное увеличение прочностных характеристик самого покрытия [5].
Другой областью применения золошлаковых отходов является технология производства пеностекол. В этом случае, помимо золошлакового отхода также применяется стеклобой и добавки различных горных пород, таких как, кварцитовый песчаник, перлиты, карбонатные породы – известняк, доломит. В качестве технологической добавки рассматриваются щелочной компонент – гидроксид натрия (NaOH кристаллический), сода каустическая. Гидроксид натрия вводится в виде водного раствора, вода при этом используется водопроводная.
Зола может применяться в случаях стабилизации грунтов, а именно укрепления песчанных либо торфянных участков. Зола в этом случае применяется как составляющий элемент вяжущего вещества. Целесообразность данного применения объясняется также своей экономичностью [6].
Сланцевая зола может применяться в следующих случаях: изготовления бетонов товарных марок В15 – В35; высокопрочных бетонов В40 – В80; строительного раствора марок М50 – М200; железобетонной монолитной продукции; продукции из ячеистого бетона; бетонов с повышенной коррозионной устойчивостью, пониженной водонепроницаемостью и практически безусадочностью [7].
Стоит отметить, что зола стала применяться в строительстве с 1930-х годов при производстве шлакоблоков и кирпича.
В качестве примера можно привести ответственные объекты, созданные с применением золы – Таллиннская телебашня и Ленинградская атомная электростанция. За рубежем это грузовой порт в Финляндии и порт в Норвегии [8].
Заключение
В настоящее время все больше внимания уделяется вопросам утилизации мелкодисперсной пыли золоотвалов, образовавшейся в основном в результате сжигания различными способами углей тепловых электростанций. Наличие больших объемов данных отходов приводит к различным видам издержек в государственном масштабе. С другой стороны мелкодисперсная пыль является уникальным продуктом, который можно эффективно использовать в народном хозяйстве с целью достижения социального, экономического и экологического эффектов.
В конечном итоге применение мелкодисперсной пыли золоотвалов позволит отказаться от применения различных дорогостоящих продуктов и при этом разрешить экологический вопрос утилизации золошлаковых материалов.
Литература:
1. Власова, В.В. Разработка технологии комплексного извлечения полезных компонентов из золошлаковых отходов ТЭС Иркутской области: автореф. дис. канд. техн. наук: 25.00.13 / Власова Вера Викторовна. – Иркутск, 2005. – 182 с.
2. Путилин Е.И., Цветков В.С. Обзорная информация отечественного и зарубежного опыта применения отходов от сжигания твердого топлива на ТЭС / Союздорнии. М., 2003. 60 с.
3. Межгосударственный стандарт ГОСТ 31108-2003. Цементы общестроительные.
4. Панибратов Ю. П., Староверов В. Д. К вопросу применения зол ТЭС в бетонах // Технологии бетонов. 2011. № 1-2. С. 43-47.
5. Применение зольных отходов в дорожном строительстве / В. Б. Балабанов, В. Л. Николаенко // Вестник Иркутского Государственного Технического Университета. - 2011. - N 6. - С. 37-41. - Библиогр.: с. 41.
6. Lahtinen P. Fly ash mixtures as flexible structural materials for low-volume roads: Dissertation for the degree of Doctor of Science in Technology. Helsinki, 2001. 102 pp.
7. Волженский А. В., Иванов И. А., Виноградов Б. Н. Применение зол и топливных шлаков в производстве строительных материалов. М.: Стройиздат, 1998. 238 с.
8. Некрасов А. С., Синяк Ю. В. Перспективы развития топливно-энергетического комплекса России на период до 2030 года // Проблемы прогнозирования. 2007. № 4. С. 21- 52.