Золошлаковые отходы: проблемы влияния побочных продуктов ТЭС на окружающую среду, что понимается под термином ЗШО, утилизация и переработка, класс опасности

Определение

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

При сжигании угля, горючих сланцев, торфа или жидкого топлива (мазута) химическая энергия органической массы преобразуется в электрическую и тепловую.

В результате образуются летучие газообразные вещества, уголь теряется из-за недожога, а остается минеральная негорючая часть — смесь золы, шлака, частиц коксующегося угля.

Состав и преимущества угольной золы

В состав различных видов угля входит большое количество микроэлементов, но главным достоинством угольной золы является высокое содержание гуминовых кислот. Например, в бурых углях содержится в среднем около 32 % гуматов, около 25 % азотистых веществ, не считая кремния, серы, цинка, марганца и кальция.

Угольная зола для сада используется на песчаных почвах с бедным гумусом. Гуминовые кислоты – это вещества, которые не вымываются из воды, поэтому растения имеют возможность питаться в течение всего вегетационного периода.

По внешнему виду дробленый бурый уголь как удобрение представляет собой мелкую фракцию, которую смешивают с пахотным слоем почвы. Используется как в натуральном виде, так и после сжигания. Угольная зола рассыпчатая и легко дробится. Кусочки угля или пепла дольше остаются в земле и не вымываются до полного разложения.

На глинистых почвах угольные подкормки помогают восполнить недостаток воздуха у корней растения, увеличивают влагоемкость, так как глина почти не впитывает воду.

Использование угольной золы на основе бурого торфа снижает содержание нитратов. Овощи, выращенные на угольных добавках, намного безопаснее. В то же время крошка или пыль из-под антрацита и угля содержат канцерогенные и радиоактивные микроэлементы, повышенное содержание которых в почве может вызвать опасные заболевания человека или скота.

Это связано с особенностями формирования угольных пластов. Принято, что антрацитовую пыль вносят не более чем на 5 % от объема почвы.

Свойства вещества

Стоит уточнить, что название угольной золы не относится к таким веществам, как уголь и антрацит. Дело в том, что твердые отходы образуются при сгорании. Они называются шлаком и просто выбрасываются.

Это запекшиеся пригоревшие остатки, которые практически невозможно покрасить в домашних условиях. В этом плане более выгодна древесная зола, так как не требуется никаких усилий для приготовления вещества.

Уголь как удобрение для сада можно измельчить и разбросать по участку. Он мягкий и легко сминается.

Антрацит или его предшественник – уголь в качестве удобрения – лучше всего использовать в виде пыли, или, как ее еще называют, мелкой. Это вещество мелкое, не подвержено горению, поэтому содержит все необходимые питательные вещества и азот.

Макро и микроэлементы – их влияние на иммунитет растений и урожай

В состав угля входят следующие питательные компоненты, приносящие пользу растениям:

• фосфор в количестве 0,2%;

• калий 0,2%;

• кальций 3,5%.

Фосфор влияет на формирование корневой системы, обеспечивает усвоение других питательных веществ. Для растворения необходима слабокислая среда, иначе фосфаты соединяются с другими элементами и становятся недоступными для корней.

Калий является элементом плодородия. Отвечает за цветение и образование завязей. При недостатке калия растение может сбрасывать уже появившиеся цветки или плоды. Для подкормки растений в качестве удобрения можно добавить угольную пыль, крошку или угольную золу.

Медь содержится в природном веществе, которое не сжигается. Для растений это мощная защита от грибковой инфекции. Железо, молибден способствуют синтезу хлорофилла и предотвращают хлороз. Бор и кальций усиливают обмен веществ. Благодаря им растения быстрее набирают зеленую массу, а плоды созревают на 2 – 3 недели раньше.

Интересно! В угле также были обнаружены ионы урана, германия, галлия, серебра и золота. Скорее всего, их внедрение произошло на стадии образования торфяных и буроугольных пластов

Дело в том, что карбонаты долго растворяются. Поэтому их вносят в почву раз в 3 года — так же, как фосфориты, получаемые из полезных ископаемых. Кислая среда необходима для растворения карбоната кальция. В то же время на гуминовые кислоты это не оказывает негативного влияния – они являются кислотоустойчивыми соединениями.

Видео: Жители села об использовании угольной золы в саду

В щелочной почве угольное удобрение малоэффективно, так как имеет щелочную природу. Для раскисления почвы используют пыль или мелкую крошку. Важно, чтобы почва была постоянно влажной, так как почвенная микрофлора не сможет функционировать.

Как реагируют разные типы грунта на подкормки золой

На черноземах, где велико количество гуминовых кислот, особой необходимости в использовании золы или природного угля нет. Это удобрение дает больше пользы на песчанике, песчаной почве, глинистой почве и глинистой почве.

Подзолистая почва, где уровень кислотности высокий за счет применения комплексных минеральных удобрений, может быть улучшена и подготовлена ​​для выращивания культурных растений. Это займет около 2-3 лет. Параллельно с угольной золой можно использовать сидераты, компост, древесную золу.

Читайте также: Лицензия на сбор отходов: рассмотрим процедуру получения документа

Для каких растений применяют угольный или древесный пепел

Древесную и угольную золу используют для подкормки садовых растений, предпочитающих слабокислую или нейтральную реакцию почвы. Древесные остатки можно найти повсюду – их получают путем сжигания веток после весенней обрезки, а листья можно заготавливать ежегодно.

Другое дело найти камень или уголь. В магазинах продаются упакованные брикеты для гриля — можно их использовать. Это удобрение дешевое, поэтому доступно во всех количествах. После использования на природе остатки древесного угля можно собрать и разложить в саду.

При пересадке комнатных цветов на дно добавляют толченый древесный уголь или смешивают с грунтом для аэрации в горшке. Органика постепенно растворяется и питает цветы.

Из-за высокого содержания карбонатов подкормка влияет на обмен веществ овощных и ягодных культур. Кальций способствует образованию плотных клеточных оболочек, улучшает тургор листьев и стеблей. При недостатке верхушки растений белеют и отмирают, так как ионы не переносятся со старых частей на молодые побеги.

Как получить высокий урожай винограда на зольных подкормках

Для формирования крепкой лозы требуется большое количество питательных веществ — макро- и микро. Обрезку винограда проводят ежегодно, поэтому некоторые микроэлементы исчезают. Их необходимо вносить обратно в виде удобрения.

Для этого можно использовать древесину и буроугольную золу. Его наносят поливом, зола настаивается на воде около недели, либо заделывают сухую массу в область корневой системы, после чего обильно поливают. Процедуру проводят осенью или при посадке новых черенков. Азот также необходим, так как его нет в золе.

Томаты и картофель на золе

При недостатке калия клубни картофеля могут быть нормальных размеров, но при варке будут пениться. Одной золой добиться хорошего урожая картофеля не получится, так как он в первую очередь любит азот, затем фосфор и калий. Только на торфяной почве, где уровень влажности высокий, клубни нуждаются в калии в больших количествах, чтобы защитить себя от избыточной влаги. В этом случае может помочь зола.

Сочетание калия в листовой золе и кальция в угольных отходах дает хороший эффект при выращивании томатов. Дело в том, что кальция в листовых и травяных остатках очень мало для оптимального обмена веществ. Без него плоды долго созревают и будут не такими сладкими, стебли ослабеют и отомрут.

Весной можно использовать жидкую зольную подкормку, а осенью внести в почву сухую массу. Его необходимо поливать, чтобы стимулировать микроорганизмы к расщеплению органики.

Характеристика золошлаковых отходов

При сжигании угля на тепловых электростанциях вырабатывается электрическая и тепловая энергия. Зола и шлак являются побочными продуктами горения. Их можно использовать в качестве вторичного сырья. Обращение с золошлаковыми отходами (ЗШО) в России составляет менее 10 %, что значительно ниже этого показателя в экономически развитых странах мира.

Факторы, влияющие на химический и минеральный состав золошлаков:

• режим сжигания топлива;
• теплотворная способность топлива;
• метод сбора отходов;
• место для сбора золы и шлака.

Основными компонентами ЗШО являются оксиды кремния и алюминия.

Присутствие несгоревших органических частиц в золе колеблется от 0,5 до 20 %. Они являются вредными примесями и ухудшают технические свойства золошлаков.

По гранулометрическому составу золошлаковых отходов 60% частиц имеют размер 10-70 мкм. Насыпная плотность золы от 600 до 1300 кг/м3.

Особенности материала

Существует несколько видов сыпучего материала для утепления. Каждый из них имеет свои особенности. Список объемных утеплителей:

• керамзит;
• пенополистирол в гранулах;
• пенобетонная крошка;
• эковата;
• опилки и песок;
• котельный шлак;
• вермикулит.

Керамзит

Обычная форма этого материала – круглые или овальные гранулы. Гранулят или другой формованный материал пористый и очень легкий (некоторые виды могут плавать на воде). Керамзит образуется в результате обжига легколегированной глины. Он абсолютно негорюч, безопасен, экологичен по своему составу.

Материал может быть в трех формах:

• песок крупностью от 0,14 до 5 мм. Используется как наполнитель для легкого бетона и для утепления пола;
• керамзитобетонный щебень представляет собой гранулы фракцией 5–40 мм. Оптимальный вариант для теплоизоляции фундаментов и полов в жилых помещениях;
• керамзитовый гравий. Гранулы округлой формы 5–40 мм с расплавленной поверхностью, абсолютно устойчивые к огню. Внутри они имеют закрытые поры, что придает им прекрасную морозостойкость. Такой щебень рекомендуется для обогрева мансардных этажей: материал легкий, имеет низкую теплопроводность.

Маркировка материала обязательно содержит размер его фракции:

• 5–10 мм — пол и потолок;
• 10-20 мм – ванные комнаты и сауны, способные некоторое время поддерживать температуру и влажность в помещении;
• более 20 мм — для фундаментов и подвалов.

Пенополистирольные гранулы

Это самый противоречивый сыпучий материал. Представляет собой очень простые, воздушные гранулы белого цвета. Используется как засыпка для утепления крыш и стен, также используется как добавка в смеси для утепления бетона.

Недостатками являются токсичность и воспламеняемость, но свойства еще не до конца изучены. Вместо него рекомендуется использовать гранулированное пеностекло. Пенополистирол дешев, удобен для утепления в районе стен колодца.

Вермикулит

Это слоистый материал на основе слюды. В процессе производства не используются химические добавки или примеси. Это отличный вариант для обогрева лоджий, помещений. Применяется в качестве энергосберегающей облицовки домов внутри и снаружи. Для полов и стен рекомендуется слой не менее 10 см, для потолка – не менее 5 см. Засыпка этим материалом толщиной 5 см снижает теплопотери на 75%, 10 см – на 92%.

Свойства материала:

• высокая воздухопроницаемость утеплителя – материал пористый – что позволяет стенам «дышать», идеально подходит для естественной циркуляции, обновления воздуха и обеспечивает микроклимат в помещении;
• экологически чистый, без токсичных веществ;
• негорючий, тугоплавкий, относится к группе горючести Г1;
• такому утеплителю не страшны грибки, плесень, грызуны, насекомые;
• специальные навыки или опыт, специальные инструменты для его заполнения не требуются. Слой материала легко заполняется и уплотняется. Дополнительных креплений не требуется;
• срок службы — более 50 лет.

Для стен достаточно толщины 10 см с добавлением вермикулита, для чердаков, крыш, перекрытий полов – 5 см. При укладке рекомендуется использовать пароизоляционную пленку – это также защитит утеплитель от влаги.

Опилки и песок

Это традиционные теплоудерживающие материалы, которые веками использовались на чердаках и в подвалах. Недостатки: плохо изолируют от влаги, в них могут завестись вредители. Опилки — легко воспламеняются, подвержены плесени, грибку. По-прежнему рекомендуется использовать более современные материалы.

Для утепления используется не обычный песок, а перлит. Он легкий по весу, менее гигроскопичен и по своим свойствам близок к минеральной вате. Благодаря низкой насыпной плотности не создает нагрузки на стены, не прорывает их.

Эковата или целлюлоза

Компонентами этого утеплителя являются эковата (7%), измельченная бумага (81%), антисептики (12%) и антипирены (7%). Материал не горюч и не гниет благодаря специальным пропиткам. В мире используется более 80 лет, в СНГ известен последнее десятилетие.

В качестве антисептика в этом материале используется борная кислота, а в качестве антипирена – бура. Эти вещества экологически безопасны.

Материал достаточно практичен: волокна хорошо заполняют небольшие пустоты, поэтому рекомендуется для сложных конструкций.

Процесс засыпки и его особенности

Таблица толщины для температурных режимов:

Способы засыпки

Процесс заливки любого утеплителя одинаков: материал засыпается в полость и утрамбовывается. Вопрос утепления рекомендуется решать сразу при проектировании дома. При отсутствии внутренних полостей для заполнения утеплителя слои создаются с использованием ПВХ-панелей или штукатурки.

Хороший вариант, когда утеплитель заливается между лицевым и обычным кирпичом, между внутренней и внешней кладкой. Внутри могут быть ребра, чтобы он хорошо распределялся. Благодаря рыхлой теплоизоляции стены нельзя делать толстыми, что экономит затраты. В продаже есть готовые железобетонные изделия – плиты, внутри которых уже есть полости, заполненные керамзитом, они сохраняют тепло на 50% лучше, чем обычные.

Класс опасности

Отходы от сжигания твердого и жидкого топлива группируются в блоке 6 в ФККО. ЗШО подразделяют на 7 подвидов с учетом сырья, агрегатного состояния, процесса формирования.

В основном отходы относятся к 4 и 5 классу опасности для окружающей среды – малоопасные и практически безвредные соответственно. Исключение составляют только отходы 3 класса опасности этой группы – зола с высоким содержанием ванадия, образующаяся при сжигании мазута.

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

Золоотвалы формируют техногенно преобразованные ландшафты, создавая благоприятные условия для развития хемоземов — техногенно преобразованных почв.

Под золоотвалами в России находятся тысячи гектаров отчужденных земель, выведенных из сельскохозяйственного оборота. И это самая большая проблема с ЗШО — для их размещения требуются большие площади.

В зонах влияния свалок с ЗШО создается сложная экологическая ситуация. Высокое пылеобразование, вымывание зольных компонентов в почву и грунтовые воды негативно влияет на природную среду и здоровье человека.

Склады ЗШО, расположенные вблизи водоемов, представляют особую опасность из-за возможного прорыва плотины.

Проблемы отходов ТЭС

Доля добычи угля в установленной мощности тепловых электростанций России составляет около 22 %, при этом доля в общей добыче постепенно снижается и на сегодняшний день составляет около 13 % (для сравнения, в 2000 г этот показатель составлял 20%).

По объему производства электроэнергии Россия занимает 13-е место после Китая, Индии и других стран с энергосистемами на твердом топливе.

Для выработки электроэнергии в России ежегодно сжигается около 125 млн тонн топлива, а это более 20 млн тонн новых ЗШО ежегодно, в дополнение к уже накопленным 1,5 млрд тонн, что занимает более 28 тыс га.

По прогнозам экспертов, при сохранении уровня переработки объем накопленных ЗШО к 2030 году превысит 2 млрд тонн. Мрачная перспектива затопления полигонов может спровоцировать решение о выводе угольных электростанций из энергетического баланса РФ.

Проблема утилизации ЗШО волнует государство в первую очередь с экологической точки зрения. Но для Сибири, например, тема обращения с золошлаковыми отходами особенно актуальна: здесь находится крупнейший в стране угольный бассейн, и почти вся электроэнергетика региона построена на угле.

Ежегодный прирост ЗШО составляет 13 млн тонн. На территории области накоплено более 500 млн тонн углеродных отходов, а площадь под золоотвалами ежегодно увеличивается на 100 га. Многие мусорохранилища расположены прямо в черте города, в непосредственной близости от ТЭЦ.

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

Однако уровень переработки ЗШО в Российской Федерации остается неизменным с 1990 года.

На сегодняшний день существует более 300 способов избавления от золошлаков, но руководители отрасли северного региона сталкиваются с серьезными трудностями. Основная трудность заключается в ограниченном периоде перевозки отходов — около 5 месяцев в году. Манипуляции с ЗШО при отрицательных температурах требуют значительных финансовых вложений.

Но в другое время транспорт слишком капиталоемкий. Именно этот факт не позволяет другим государствам довести утилизацию до 100%. Япония добилась максимальных результатов за счет удобного расположения ТЭЦ. Энергетические комплексы обычно располагаются на берегах водоемов, что дает возможность рентабельно использовать водный транспорт.

ЗШО – ценный ресурс или проблема?

Для сжигания используется уголь разных месторождений, поэтому химический состав смеси ЗШО на полигонах неоднороден и колеблется в широких пределах.

Если рассматривать средний химический состав золошлаковой массы, то это в основном оксиды кремния и алюминия, кроме того, в ней присутствуют железо, кальций, магний, триоксид серы и другие элементы.

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

Вот химический состав образца уплотненной золы и шлака:

Важной особенностью золоотвалов является высокая концентрация редких металлов. К таким металлам относятся вещества с низким содержанием в горных породах.

Их ценность с точки зрения использования в промышленности не вызывает сомнений:

• германий — оптическая и микроэлектроника;
• галлий — самые мощные лазеры;
• стронций — высокотемпературные сверхпроводники;
• цирконий — ядерные технологии и конструкционная керамика;
• ванадий, бериллий, скандий — аэрокосмические и космические материалы;
• литий — термоядерная энергия.

Большой интерес представляет уникальное вещество скандий, используемое в авиации, ракетной и лазерной технике, а также ниобий.

Добавляемые при производстве стали ниобий и ванадий делают металл легче, снижая вес конструкций на 40% при строительстве мостов, высотных зданий, газо- и нефтепроводов. При этом срок службы конструкций увеличивается в 2-3 раза

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

Особый «стратегический» статус редких металлов обусловлен тем, что их запасов недостаточно – объемы не могут на 100% удовлетворить производство в военное время, зависимость от импортных поставок в условиях ЧП может стать угрожающей или дорогой.

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

Мировой опыт и перспективы использования в России

Мир знает множество эффективных способов выбрасывания отходов. В странах Европы доля захороненных ЗШО давно превышает 50%, а на острове Япония достигает 97-100%.

Другими лидерами по переработке золошлаков являются Индия, США и Австралия. Китай является рекордсменом по объему образующихся и перерабатываемых отходов (около 70%). Страна, которая потребляет угля в 32 раза больше, чем Россия, практически избавилась от проблемы ЗШО.

В Польше и Китае зола и шлак используются для извлечения алюминия, в Канаде – как сырье для получения более дешевого урана. Небоскреб Бурдж-Халифа в ОАЭ был построен из материалов, содержащих ЗШО.

Переработка и утилизация ЗШО

Россия по-прежнему в числе отстающих: перерабатывается не более 10-15% углеродных отходов, остальное захоранивается.

В то же время ЗШО, благодаря своему уникальному химико-минералогическому составу, может активно применяться в строительной отрасли, в дорожном строительстве. Материалы ASW обладают низкой теплопроводностью и высокой плотностью.

Зола-унос и золошлаковые отходы являются дешевым сырьем для керамических кирпичей 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 использования ПЛО:

• рекультивация нарушенных земель и истощенных карьеров, вывод из эксплуатации горных работ;
• планировка территорий для сельскохозяйственного производства и ландшафтного строительства;
• в качестве изоляционного материала — на полигонах ТКО;
• при тушении скрытых очагов в площадных пожарах;
• как сорбент-улучшитель для очистки почвы от тяжелых металлов и пестицидов с одновременным улучшением водопроницаемости, повышением концентрации азота, кальция и других полезных веществ.

Из ясеня можно делать зольные кирпичи: полнотелые и с пустотами. Этот кирпич выигрывает по сравнению с керамическим и силикатным, поскольку имеет меньшую теплопроводность и стоимость. Кроме того, изделие из ЗШО прочнее популярного в строительстве газобетона.

По химическому и минералогическому составу золы и шлаки близки к компонентам, используемым в силикатной промышленности при производстве стекла, стекольных покрытий и керамики.

Поэтому суперкислотные ЗШО могут быть эффективно использованы в производстве строительных и технических стекольных материалов, например:

• стеклокерамические материалы (шлаковая стеклокерамика);
• антикоррозионные стеклянные и шлакоэмалевые покрытия для металлических изделий;
• тепло- и звукоизоляционные стеклянные и шлаковые материалы;
• стеклошлаковая облицовочная плитка: мраморная, плинтусная и коврово-мозаичная продукция.

Планы России по развитию перерабатывающей отрасли

Энергетическая стратегия Российской Федерации поставила задачу: к 2035 г выйти на уровень обращения с ЗШО не менее 50 % годового объема образования.

Разработан комплексный план утилизации золошлаков с потенциальным результатом 100 млрд руб.

Сейчас крупнейшими потребителями отходов сжигания топлива являются производители стройматериалов, магнаты строительной индустрии.

Наличие золы и шлака в сырье для производства брусчатки, строительных смесей, бетона и цемента значительно снижает их себестоимость.

ЗШО активно применяется при строительстве подземных дорог, в монолитном домостроении. Еще одна область использования – извлечение оксида алюминия для производства алюминия. Концентрация оксида алюминия в золе достигает 30%.

В Кузбассе применяется метод переработки золошлаков в жидкое стекло, которое используется для производства негорючих строительных материалов.

Зола – в золото

Важнейшим промышленным модулем является реактор (газогенератор), который состоит из двух печей: шахтной и ударно-электрической, а также системы очистки и охлаждения генераторных газов.

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

В результате применения разработанной компанией «Эко-Дон Стандарт» технологии утилизации углеродсодержащего сырья и ТКО получается максимальное количество полезных компонентов:

• минеральные компоненты – для производства качественной теплоизоляции;
• углерод (несгоревший уголь) — энергоноситель, дающий золото при термообработке;
• концентраты редких металлов — для последующей стадии гидрометаллургического разделения;
• драгоценные металлы: платина, серебро, золото.

Управление отходами по методу ВТГЭС экономически выгодно, экологически безопасно и безотходно. При этом редкие и драгоценные металлы «добываются» без дополнительных вложений, просто как побочный продукт.