СЛІДИ ВУГІЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

Вугілля - один з найдавніших видів палива, аж до середини XX століття був основним джерелом енергії.І зараз, незважаючи на активне використання нафти, газу, урану, частка вугілля в світовому виробництві електроенергії становить близько 40% (в Китаї - 78%, в США - 50%, в Росії - 19%).Однак вугілля не згорає безслідно.У процесі його спалювання утворюється не тільки енергія, але і відходи.

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

<

>

Внесемо ясність: мова піде про те, що залишається на землі після того, як вугілля використаний по своєму головному призначенню - для генерації теплової та електричної енергії. Вугільна енергетика залишає дуже помітний слід і в атмосфері, але це окрема тема.

Вугілля складається з органічного і мінерального речовини. Багата вуглецем органічна складова - носій тих корисних властивостей, завдяки яким вугілля відноситься до корисних копалин. А ось мінеральні компоненти тільки погіршують якість вугілля як палива. Адже чим більше мінеральної речовини, тим, природно, менше органічного і, отже, тим менше теплотворна здатність. Якщо зольність - маса мінерального залишку після спалювання вугілля, виражена у відсотках до маси спаленого, - більше певної межі, вугілля стає вже «марним копалин», непридатним для промислового використання. Межі зольності для різних напрямків використання вугілля і для вугілля різних вугільних родовищ різні. Для енергетики це зазвичай не більше 40-45%.

Деякі мінеральні компоненти знижують якість вугілля навіть при допустимій зольності. Прикладів можна навести багато. Що міститься в вугіллі мінерал пірит (FeS2), розкладаючись при високих температурах, утворює газоподібний оксид сірки, при взаємодії якого з парами води виникає сірчиста кислота, разрушаю2щая обладнання теплових електростанцій. Та частина оксидів сірки, яка з димовими газами викидається в атмосферу, стає одним з найсерйозніших забруднювачів природного середовища. Карбонати кальцію впливають на температуру плавлення золи та шлаку, що доводиться враховувати при конструюванні котлів. Все це далеко не повний перелік «негативних» властивостей мінеральних компонентів вугілля. Зупинимося на одному з них.

При спалюванні вугілля мінеральні компоненти перетворюються в золу і шлак, які складуються як відходи енергетичного виробництва в золовідвалах. Накопичена до теперішнього часу маса золоотвалов величезна. За оцінками на кінець 1990-х років, на золовідвалах вугільних теплоелектростанцій країни було складовано понад 1,5 млрд т золи та шлаку, а загальна площа земель, зайнятих золовідвалах, становила багато десятків тисяч гектарів. За приблизними підрахунками, на російських теплоелектростанціях щорічно утворюється близько 30 млн т золи та шлаку. Якщо подивитися на ці рукотворні гори мінерального матеріалу з позицій екології, то картина представиться вельми тривожна. Незважаючи на зазвичай вжиті заходи, золовідвали порошать з усіма витікаючими з цього наслідками для населення і природного середовища. Просочуються крізь них атмосферні опади і технічні води розчиняють мінеральні сполуки, забруднюючи підземні води.

Золовідвали вугільних теплоелектростанцій - класичний приклад того, що геологи називають техногенним родовищем. Це скупчення мінеральної речовини на поверхні землі, що утворилися в результаті переробки корисних копалин (в нашому випадку - спалювання вугілля) і придатні за кількістю та якістю для економічно ефективного промислового застосування. Життя зробило необхідним використання викопного вугілля як джерела енергії, в результаті утворилися техногенні родовища на основі відходів. Подивимося тепер, як наука рекомендує використовувати ці відходи.

Процес спалювання вугілля на теплоелектростанціях йде при високих температурах - від 1500 до 1800 ° С в залежності від якості вугілля і способу спалювання. При цих температурах мінеральні компоненти вугілля розпадаються або плавляться. До складу золи та шлаку входять зерна кварцу і глинистих мінералів, частки склоподібного матеріалу, схожого з вулканічним склом, частки новоутворених мінералів - муллита, магнетиту, феросиліцію та інших. Присутні й частки незгорілого вугілля; їх особливо багато при спалюванні антрациту.

З точки зору хімічного складу головний компонент золи та шлаку - оксид кремнію SiO (45-60%), далі йдуть оксид алюмінію Al2O3 (15-25%), оксиди заліза Fe2O3 (5-15%), оксид кальцію СаО (1,5 -4,5%), оксид калію К2О (2,0-4,5%) і деякі інші оксиди, зміст яких зазвичай не перевищує одного відсотка.

Зола - дрібнозернистий матеріал. Приблизно третина зерен має розміри від 1 до 5 мм, решта - десяті частки міліметра, в тому числі приблизно 20% - соті частки. Значна частина зерен має форму кульок, які утворюються при охолодженні крапель розплаву в підвішеному стані в димових газах. Характеристики золи різні на різних теплоелектростанціях, оскільки залежать від особливостей складу мінеральних компонентів вугілля, способу підготовки палива до спалювання, технології спалювання, системи очищення димових газів від золи і способу транспортування золи в золовідвали.

Золовідвали вугільних теплоелектростанцій можуть вважатися родовищами в тому випадку, якщо вони або містяться в них компоненти придатні для економічно доцільного і екологічно безпечного промислового використання. Матеріал золоотвалов ( «корисна копалина») по всім цим характеристикам повинен не поступатися традиційно використовуваного сировини, а його розробка - виправдовувати капіталовкладення на організацію видобутку. Для виготовлення яких матеріалів і виробів може, при виконанні зазначених умов, використовуватися золошлакової матеріал?

Перш за все, попелошлакові матеріали служать заміною піску, застосовуваного як заповнювач бетонів і будівельних розчинів. При досить високому вмісті вапна їх можна використовувати замість цементу. За масштабами можливого застосування бетони - головний напрямок, який може вирішити проблему ліквідації золовідвалів шляхом їх повної утилізації. Це підтверджує зарубіжний досвід.

Золу і шлак можна використовувати як мінеральні добавки до глини при виробництві цегли, керамічної плитки, черепиці, дренажних труб.

З шлаку можна отримувати пористі наповнювачі. Для цього шлаковий матеріал піддають випалу при температурах 1050-1250 ° С, при яких гранули шлаку спучуються. Пористі заповнювачі є обов'язковими компонентами при виробництві «легких» бетонів (тобто володіють меншою щільністю), а також використовуються для тепло- і звукоізоляції.

Будівельні матеріали - найбільш очевидне, але далеко не єдиний напрямок в утилізації золоотвалов. Зола і шлак можуть стати цінним джерелом металів. Метали знаходяться у вугіллі в складі різних мінералів і металоорганічних сполук. При спалюванні вугілля значна їх частина переходить в золу. Розроблено технології вилучення з золошлакових матеріалів оксидів алюмінію як сировини для подальшого отримання металевого алюмінію.

Залізо в вугіллі міститься головним чином в складі мінералів піриту (FeS2) і сідеріта (FeCO3). Значна його кількість знаходиться в формі железоорганіческіх з'єднань. При спалюванні вугілля відбувається термохімічне перетворення всіх цих сполук в мінерал магнетит (Fe3O4). Перебуваючи в розплавленому, розпорошеному і зваженому в струмені димових газів стані, краплі магнетиту набувають форму кульок. Розміри магнетитових кульок коливаються від 20 до 100 мкм. Вони магнітні (магнетит - феромагнетик). Їх зміст в золі від 3 до 16%, а щорічне «виробництво», за орієнтовними підрахунками, для теплоелектростанцій Російської Федерації становить десятки тисяч тонн. На технології вилучення магнетитових мікрокульок з золи вугільних електростанцій видані патенти. Можливі напрямки використання магнетитових мікрокульок - так зване тяжёлосредное збагачення корисних копалин, виробництво барвників, наповнювач «важких» бетонів, здатних екранувати електромагнітні випромінювання, порошкова металургія, природно-леговані концентрати залізної руди.

При дефіциті повітря і наявності незгорілих частинок вугілля в розплавленому шлаку утворюється феросиліцій - сплав заліза з кремнієм. Співвідношення між Fe і Si мінливо, і тому хімічна формула сполуки записується зазвичай FenSim. Гранули феросиліцію мають округлу оплавлену неправильну форму; розміри - від одиниць до десятків міліметрів. У заnmвісімості від співвідношення заліза і кремнію щільність феросиліцію коливається від 5500 до 7000 кг / м3 (в два рази вище, ніж у магнетиту). Це сильний ферромагнетик. «Виробництво» феросиліцію в складі золошлакових матеріалів, наприклад, на Новочеркаської ГРЕС становить понад 2 тис. Т / рік.

Феросиліцій застосовують при виплавці чавуну і сталі. Його спеціально виробляють для цих цілей, проте технологічний процес (електротермічна плавка заліза і кремнію) вельми енергоёмок. Тому розроблені технології, що дозволяють замінити промисловий феросиліцій вилученими з золошлакових матеріалів. Феросиліцій має дуже високу корозійну стійкість в середовищі кислот і лугів, тому застосовується при виготовленні деталей апаратури, що працює в агресивних середовищах. Володіючи високою щільністю, феросиліцій, як і магнетит, може використовуватися при збагаченні корисних копалин, у складі «важких» бетонів, що захищають від електромагнітного і радіоактивного випромінювання, а також в порошкової металургії.

Із золи вугілля в промислових масштабах витягуються германій і уран. Вважається перспективним витяг галію, свинцю, цинку, молібдену, селену, золота, срібла, ренію, рідкісних земель.

Найоригінальніші і, мабуть, найцінніші компоненти золи - алюмосилікатні порожнисті мікросфери (АСПМ). Являють собою порожнисті, майже ідеальної форми силікатні кульки з гладкою поверхнею, діаметром від 10 до кількох сотень мікрометрів, в середньому близько 100 мкм. Товщина стінок від 2 до 10 мкм, температура плавлення 1400-1500 ° С, щільність 580 690 кг / м3.

Освіта мікросфер відбувається наступним чином. При високих температурах силікатна мінеральний матеріал вугілля плавиться і в газовому потоці продуктів згоряння дробиться на дрібні краплі. Газові включення в мінеральних частинках при нагріванні розширюються і роздмухують окремі краплі розплаву. Ті краплі, в яких внутрішній тиск газу врівноважується силами поверхневого натягу, утворюють порожнисті кульки. В інших відбувається розрив крапель (внутрішній тиск більше сил поверхневого натягу), або вони залишаються просто силікатними кульками, суцільними або пористими (поверхневий натяг більше внутрішнього тиску). Зміст АСПМ в золошлакових матеріалах становить зазвичай десяті частки відсотка, проте їх «виробництво» на великих теплоелектростанціях Россиии може досягати декількох тисяч тонн в рік.

Цінність АСПМ визначається тим, що вони - ідеальні наповнювачі. Пояснимо: для додання багатьом виробам з пластмас і кераміки необхідних властивостей, наприклад для зниження щільності (ваги) виробів, підвищення тепло-, електро- і звукоізоляційних характеристик, в їх склад вводяться виготовляються промисловими способами скляні мікросфери. Це досить складний процес. Так чому б не використати для цих цілей вже готові мікросфери - АСПМ з золи вугільних теплоелектростанцій? За приблизними підрахунками, вартість таких мікросфер в десять і більше разів нижче, ніж мікросфер, одержуваних промисловими методами.

Полімерні матеріали з микросферами (так звані сферопластікі) використовуються при виготовленні різних плавзасобів (човнів, сигнальних буїв, блоків плавучості, рятувальних жилетів і ін.), Меблів, радіопрозорих теплоізоляційних екранів для радіотехнічної апаратури, ізоляції теплотрас, дорожньо-розмічальних термопластиків тощо. АСПМ успішно застосовують в складі цементних розчинів при виготовленні «легких» бетонів і теплоізоляційних жаростійких бетонів. Отримано патенти на використання АСПМ при бурінні геологорозвідувальних і експлуатаційних свердловин. Це далеко не повний перелік можливостей застосування АСПМ.

Важливо відзначити, що на відміну від інших компонентів порожнисті мікросфери порівняно просто виділяються з золи. Завдяки низькій щільності вони спливають на поверхню води гідротехнічних споруд (ставків-відстійників, каналів оборотної води) і можуть бути зібрані будь-якими, в тому числі найпростішими, засобами.

АСПМ користуються великим попитом за кордоном. Однак готові купувати їх фірми вимагають високого ступеня очищення матеріалу від сторонніх домішок. Крім того, у багатьох технологіях використовуються тільки мікросфери певного розміру (діаметра). Все це вимагає відповідної виробничої бази. Висока вартість підготовлених подібним чином АСПМ на світових ринках мінеральної сировини гарантує економічну ефективність підприємств по їх «виробництва».

Повернемося, однак, до проблеми золовідвалів в цілому. Зрозуміло, що проблема, особливо в екологічному аспекті, може вважатися вирішеною лише за умови повної утилізації всього золовідвалу теплоелектростанції. Здається, цього немає ніяких перешкод. Величезна маса подрібненого, близького за складом до природного піску, що знаходиться на поверхні землі матеріалу в умовах обмежень і заборон на розробку природних родовищ повинна залучати інтерес принаймні будівельних підприємств. А в цій галузі промисловості потреба в сировині порівнянна з «запасами» золоотвалов. Використання золи не тільки розширює мінерально-сировинну базу будівельної індустрії, а й дозволяє зберегти дефіцитне природна сировина і поліпшити екологічну обстановку в районах розміщення підприємств вугільної енергетики. Якщо додати до цього вилучення цінних компонентів: магнетитових мікрокульок, феросиліцію, АСПМ, - тобто комплексне їх освоєння, то перспективи здаються такими привабливими, що заперечувати важко.

Насправді використання золошлакових матеріалів в промисловості пов'язане зі значними організаційними та технічними труднощами. Представити справу так, що досить поставити екскаватор і підганяти самоскиди, було б великим спрощенням. Зола неоднорідна за складом і розміром частинок. Тим часом промисловість, навіть будівельна, пред'являє жорсткі вимоги до того й іншого. Далі: в складі золи завжди присутні компоненти, небажані для тих чи інших технологій. Вітчизняний і зарубіжний виробничий досвід показує, наприклад, що використання золошлакових матеріалів для виробництва пористих заповнювачів обмежується вмістом сірки, вуглецю, а також оксидів заліза, кальцію і магнію. У виробництві цегли лімітують оксиди кальцію, сірки, алюмінію і ін. І це лише деякі нормативні показники. У багатьох випадках промисловість вимагає, щоб матеріал був сухим, а в золовідвалі він завжди вологий. Додамо до цього принципово важливе зауваження: золошлаки, що утворюються при спалюванні вугілля різних родовищ, мають істотно різний мінералогічний і хімічний склад і, отже, вимагають індивідуального вибору раціональних напрямків використання і технологій переробки. Це досягається в трудомістких лабораторних і заводських випробуваннях. Що ж стосується окремих компонентів, то тут вимоги споживачів ще більш специфічні і індивідуальні. Мета, однак, виправдовує засоби. Переконливий приклад являє Німеччина, країна, як відомо, небагата природним сировиною, у якій довгий час основою енергетики був кам'яне вугілля, але на території якої немає золоотвалов.

Багато десятиліть потреби в електроенергії і теплі були такі великі і в настільки не задовольнялися, що думати про екологію, невгамовна зростанні золоотвалов, втрати займаних ними земель здавалося неактуальним і несвоєчасним. Крім того, геологи подбали про те, щоб родовищ природного сировини було в достатку, потрібної якості і там, де треба. І тільки порівняно недавно стали помічати, що розробка родовищ піску, глини, вапняку, спотворює ландшафт.

В останні роки з'являються ознака Зміни ситуации на краще. Автор много років займається Вивчення якості вугілля и золошлакових матеріалів на одній Великій теплоелектростанції. Станція Почаїв працювати на качана 1960-х років. За цею годину утворіліся два гігантськіх золовідвалу, причому Останній Вже досяг критичного розміру, и потрібна площадка для следующего. Однак районна адміністрація категорично відмовляється виділити нові площі, оскільки це родючі землі, зайняті садами і городами. Так з'явився стимул до переробки золовідвалів! Кілька проектних інститутів отримали замовлення на розробку рецептур і технологій виготовлення з золошлаков будівельної цегли, і є підстави сподіватися, що цим справа не обмежиться.

література

Кізільштейн Л. Я. Екогеохімія елементів-домішок у вугіллі. - Ростов н / Д: Вид.-во Сев.-Кавказького. наук. центру вищ. школа, 2002..

Кізільштейн Л. Я., Дубов Н. В., Шпіцглуз А. Л. та ін. Компоненти зол і шлаків ТЕС. - М .: Енерго-Атомиздат, 1993.

Шпірт М. Я. Безвідхідна технологія. Утилізація відходів видобутку і переробки твердих горючих копалин. - М .: Недра, 1986.

Склад і властивості золи та шлаку ТЕС: Довідковий посібник / В. Г. Пантелєєв, Е. А. Ларіна, В. А. Мелентьев і ін .; Під. ред. В. А. Мелентьєва. - Л .: Вища школа, 1985.

Юдовіч Я. Е., Кетріс М. П. Неорганічне речовина вугілля. - Єкатеринбург: Уро. РАН, 2002.

Для виготовлення яких матеріалів і виробів може, при виконанні зазначених умов, використовуватися золошлакової матеріал?
Так чому б не використати для цих цілей вже готові мікросфери - АСПМ з золи вугільних теплоелектростанцій?