Утилизация отходов топливно-энергетического комплекса

Основными видами твердого топлива являются каменные и бурые угли. Преобладающая часть угля в Украине добывается подземным способом. От­ходы образуются при добыче, обогащении и сжигании угля.

Отходы добычи называют вскрышными или шахтными породами в зави­симости от способа разработки. При подземном способе добычи извлекается меньше попутных пород, чем при открытом, но и они составляют значитель­ные объемы. Так, например, на 1 т угля при открытой добыче образуется до 3—5 т вскрышных пород, при подземной — до 0,2—0,3 т шахтных.

Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов 349

Вскрышные и шахтные породы имеют неоднородный химический и ми­нералогический состав и представляют осадочные породы — глины, суглин­ки, супеси, аргилиты, алевролиты, песчаники, глинистые и песчанистые слан­цы, известняки. Больше всего в их составе аргилитов (до 60%). Кроме того, они содержат в своем составе уголь до 20%, серу, содержание которой про­порционально содержанию угля, в небольших количествах цветные, редкие металлы, в следовых количествах радионуклиды — уран, торий.

Отвалы занимают большие площади земель, подвергаются водной и вет­ровой эрозии, загрязняя прилегающую территорию. Значительный урон при­родной среде приносит самовозгорание терриконов. Основной причиной са­мовозгорания является окисление угля, сопровождающееся выделением боль­шого количества тепла, которое аккумулируется в порах пород и обеспечивает возгорание горючих материалов. В отдельных отвалах эти процессы проходят настолько интенсивно, что отвальные породы разогреваются до высоких тем­ператур и горят с выделением значительного количества углеводородов, сажи, оксидов азота, серы, углерода и др. Поэтому вокруг отвалов устраивают за­щитные зоны, что приводит к увеличению площади отчуждаемых земель. Основными мероприятиями по предупреждению самовозгорания породных отвалов является ограничение притока кислорода и уменьшение количества горючих компонентов в складируемой породе.

С этой целью в некоторых странах проводят дополнительное извлечение угля с помощью специальных установок на групповых отвалах. Для сниже­ния притока кислорода отвалы уплотняют. Этого можно достичь путем дроб­ления породы, уплотнением ее при складировании с помощью автотранспор­та, катков, вибраторов, затоплением водой, устройством глинистых экранов, обработкой пород суспензиями извести, известняка, глины. Такие отвалы рекомендуется устраивать плоскими. Породы в них уплотняют слоями тол­щиной 1,0—1,5 м, а по периметру устраивают дамбы из инертных материалов или перегоревших пород.

Твердые отходы угледобычи используют в качестве низкосортного топли­ва (при определенном содержании горючих составляющих), как компонен­ты, повышающие плодородие почв, и как сырье при производстве строитель­ных материалов. Однако из-за неоднородности состава утилизация их слож­на и не всегда экономически оправдана.

Перспективным направлением утилизации пород, содержащих углероди­стое вещество, является их газификация. Газификации целесообразно под­вергать свежую породу, содержащую 20% и более горючих веществ. При этом дополнительно получают энергетическое топливо, а зольный остаток можно использовать для производства строительных материалов.

В мировой практике отходы угледобычи используют для закладки выра­ботанных шахтных пространств. Разработаны технологии закладки без подъема породы наверх.

Особую группу отходов угледобычи представляют горелые породы, обож­женные в недрах земли при естественных подземных пожарах в угольных пластах и аналогичные им перегоревшие отвальные шахтные породы. По

350 Экология города

основным физико-химическим свойствам они близки к глинам, обожжен­ным при температуре 800—1000° С, истинная плотность их составляет 2400— 2700 кг/м³, плотность куска — 1300—2500 кг/м³. Содержание топлива в ес­тественных горелых породах достигает 2—3%, в отвальных горелых породах его может быть значительно больше. Горелые породы могут широко ис­пользоваться при производстве строительных материалов. Они, как и дру­гие обожженные глинистые материалы, обладают гидравлической актив­ностью и могут использоваться как активные минеральные добавки для бес­клинкерных известково-глинитных и сульфатно-глинитных вяжущих. Известково-глинитные вяжущие получают совместным тонким помолом го­релых пород и извести с небольшой добавкой гипса. Они содержат в своем составе 10—30% извести в зависимости от активности горелой породы, до 5% гипса, остальное — горелая порода.

Сульфатно-глинитные вяжущие получают совместным помолом двувод-ного гипса (50—65%), горелой породы (15—40%) и портландцементного клин­кера (10—20%). Такие вяжущие применяют для производства низкомарочных бетонов и растворов.

Горелые породы применяют как гидравлические добавки в количестве до 20% к портландцементу и 25—40% к пуццолановому портландцементу.

В бетонах и растворах горелые породы используют в качестве крупных и мелких заполнителей. Горелые породы также используют для производства щебня, пористых заполнителей (аглопорита и керамзита), асфальтобетона, для устройства дорожных оснований под покрытия, насыпей и т.д.

Аглопорит — искусственный пористый заполнитель, получаемый спека­нием глинистых пород или различных отходов на решетках агломерацион­ных машин и последующим дроблением спекшегося коржа. Получают агло­порит в виде щебня.

Керамзит — это искусственный пористый заполнитель, получаемый вспу­чиванием и спеканием гранул, сформованных из вспучивающихся глин или различных отходов, во вращающейся печи.

Широкое использование горелых пород затрудняется их неоднороднос­тью и содержанием несгоревшего топлива.

Отходы углеобогащения образуются при обогащении угля для коксова­ния, энергетических и других целей и представляют собой смесь осадочных пород, частиц угля и угольно-минеральных сростков. В их состав входят в различных соотношениях в зависимости от района добычи глины, аргилиты, сланцы, алевролиты, песчаники, известняки, кальциты. Содержание органи­ческой массы может достигать 15% и более. Кроме того, в отходах содержатся сера, микроэлементы — свинец, цинк, молибден, галлий, германий и др.

По зерновому составу отходы обогащения разделяют на породы обогаще­ния крупностью от 200 до 0,5 мм, образуемые при гравитационном обогаще­нии угля (преимущественное содержание фракций 5—40 мм), и хвосты фло­тации крупностью <0,5 мм, образуемые при флотационном обогащении. По­роды обогащения составляют основную массу отходов (до 90%). Складируют

Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов 351

их в гидроотвалы или механическим способом в отвалы, отходы (хвосты) флотации — в хвостохранилища.

Отходы углеобогащения используют как энергетическое сырье путем сжи­гания или газификации, направляют на переобогащение, получают серу и ее соединения, строительные материалы, сырье для цветной и черной металлур­гии, используют в сельском хозяйстве, производстве ферросплавов, для из­влечения редких рассеянных элементов, при устройстве насыпей, закладке подземных выработок, рекультивации земель.

Перспективным направлением является применение отходов углеобога­щения в качестве отощающеи и выгорающей добавки к сырью и в качестве основного сырья при производстве керамических изделий (кирпича, плитки, черепицы), пористых заполнителей.

Хвосты флотации в сравнении с породами обогащения, угледобычи бо­лее однородны по составу, содержат до 20% органического вещества, мик­роэлементы. Это дает возможность их использовать в качестве удобрений в сельском хозяйстве.

Несмотря на многолетние исследования, длительные эксперименты и экономические расчеты, подтверждающие целесообразность утилизации от­ходов углеобогащения, в нашей стране они используются незначительно.

Золошлаковые отходы образуются при сжигании твердого топлива в топ­ках тепловых электростанций при температуре в топочной камере 1200— 1700° С. Выход золошлаковых отходов зависит от вида топлива и составляет в бурых углях 10—15%, в каменных 3—40%, в горючих сланцах 50—80%, мазу­те 0,15—0,20%. Топливо сжигают в виде мелких кусков или в пылевидном состоянии, отходы образуются соответственно в виде шлака или золы. Золу улавливают с помощью воды в специальных бункерах и удаляют в виде пуль­пы гидротранспортом в золоотвалы. Шлаки гранулируют путем быстрого ох­лаждения водой и удаляют в отвалы сухим или гидравлическим способом. Зола представляет собой тонкодисперсный материал и состоит из частиц круп­ностью 0,1—0,005 мм. Крупность частиц шлака 20—30 мм.

Химический состав золошлаковых отходов зависит от минеральной со­ставляющей топлива и колеблется в зависимости от месторождений угля. При­мерное содержание основных оксидов в золошлаковых отходах: SiO₂ 37—63%, А1₂О₃ 9-37%, Fe₂O₃ 4-17%, СаО 1-32%, MgO 0,1-5%, SO₃ 0,05-2,5%. В золе присутствует несгоревшее топливо до 6—7% и более, в шлаках, как пра­вило, оно отсутствует. В золошлаковых отходах также концентрируются ра­дионуклиды. При использовании их для производства строительных матери­алов необходимо осуществлять контроль за их содержанием.

При оценке золошлаковых отходов как сырья для строительных матери­алов важной характеристикой их химического состава является соотношение основных и кислотных оксидов — модуль основности:

М_о = (СаО + MgO): (SiO₂ + А1₂О₃),

при М_о> 1 шлаки относятся к основным, при М_о< 1 — к кислым. Большинство золошлаков ТЭС — кислые.

352 Экология города

Истинная плотность золошлаков в зависимости от химико-минера­логического состава колеблется в пределах 1800—2400 кг/м³, насыпная 600-1100 кг/м³.

Зола и шлак являются крупнотоннажными отходами. Так, например, тепловая электростанция мощностью 1 млн кВт за сутки сжигает около 10 000 т угля, при этом образуется около 1000 т золы и шлака. Золошлако-вые отвалы занимают тысячи гектаров земель, пригодных для использова­ния в сельском хозяйстве. Ими загрязняются почвы, поверхностные, под­земные воды и особенно воздушный бассейн. Золошлаковые отходы явля­ются ценным вторичным минеральным сырьем. Зола и шлак обладают гидравлической активностью и могут использоваться для производства бес­клинкерных вяжущих, в качестве сырьевых компонентов для получения цементного клинкера и как добавки к цементам. Из бесклинкерных вяжу­щих наиболее известен известково-зольный цемент, получаемый совмест­ным помолом золы и извести. Состав известково-зольных цементов зависит от содержания в золе активного оксида кальция, оптимальное количество извести в этом цементе составляет 10—40%. Золы и шлаки используют как добавки при производстве портландцемента. Присутствие в составе золы несгоревшего топлива приводит к снижению его расхода при производстве цемента. В портландцемент добавляют до 15% золошлака, в пуццолановый до 25—40%. Введение золы в цемент снижает его прочность в начальные сроки твердения, а при длительных сроках твердения прочность цементов с золой становится более высокой.

Одним из наиболее перспективных направлений утилизации золошла-ковых отходов является производство из них пористых заполнителей для легких бетонов. Мелкий заполнитель может быть заменен золой. В качестве крупных заполнителей применяют щебень из топливных шлаков, аглопорит на основе золы, зольный обжиговый и безобжиговый гравий и глинозоль-ный керамзит.

Шлаки, используемые для производства щебня, должны быть устойчивы против распада. При медленном охлаждении шлаков наряду с образованием минералов могут происходить полиморфные превращения, что приводит к распаду и самопроизвольному превращению кусков шлака в порошок. Для предотвращения распада топливные шлаки рекомендуется применять после длительного (3—6 месяцев) вылеживания в отвалах, в результате чего в них гасится свободный оксид кальция, частично выщелачиваются соли и окисля­ются топливные остатки.

Топливные шлаки и зола являются сырьем для производства искусствен­ного пористого заполнителя — аглопорита. При обычной технологии его по­лучают в виде щебня. Разработаны также технологии производства аглопори-тового гравия из золы, глинозольного керамзита и зольного гравия. Глино-зольный керамзит получают вспучиванием и спеканием в печах гранул, сформованных из смеси глины и золы. Разработаны технологии производ­ства обжигового и безобжигового зольного гравия, позволяющие использо­вать практически любые золы, получаемые от сжигания различных видов углей. Установлена эффективность введения золы до 20—30% взамен цемен-

Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов 353

та при изготовлении бетонов и растворов. Особенно целесообразно введение золы в бетон гидротехнических сооружений. Например, зола использовалась при строительстве Днестровского гидроузла, Братской ГЭС.

Золошлаковые отходы используют для производства силикатного кирпи­ча, взамен извести и песка, при этом расход извести снижается на 10—50%, песка на 20—30%. Такой кирпич имеет более низкую плотность, чем обычный.

Топливные зола и шлак применяются в качестве отощающих и выгораю­щих добавок в производстве керамических изделий на основе глинистых ма­териалов, а также в качестве основного сырья для изготовления зольной ке­рамики. Так, на обычном оборудовании кирпичных заводов может быть из­готовлен зольный кирпич из массы, состоящей из золы, шлака, натриевого жидкого стекла в количестве 3% по объему. Зольная керамика характеризует­ся высокой кислотостойкостью, низкой истираемостью, высокой химичес­кой и термической стойкостью.

Из топливных золошлаков получают плавленые материалы: шлаковую пемзу и вату. Разработана технология производства высокотемпературной минеральной ваты методом плавки в электродуговой печи. Этот материал используется для изоляции поверхностей с температурой до 900—1000° С. Также возможно получение стекол, архитектурно-строительных изделий и облицовочных плиток.

Одним из основных потребителей золошлаковых отходов является до­рожное строительство, где их используют как засыпку при устройстве осно­ваний, для приготовления асфальтобетонных покрытий. Золу используют также в качестве наполнителей для производства мастик рулонных кро­вельных материалов.

Несмотря на очевидные выгоды и перспективы широкого применения золошлаковых отходов, объем их использования в нашей стране не превы­шает 10%. Утилизация зол и шлаков требует решения целого комплекса вопросов от разработки технических условий на их применение, технологи­ческих линий по их переработке, транспортных и погрузочно-разгрузочных средств до перестройки психологии хозяйственников в отношении вторич­ных минеральных ресурсов.