Тверді відходи ТЕС, їх компоненти

 

Як один із напрямів природоохоронних технологій є утилізація відходів ТЕС, а саме утворення золошлаків. Золошлакові відходи це відходи, що утворюються при спалюванні всіх видів вугілля і видаляються водою в шламонакопичувач. Застосовувати їх досить таки складно, але можна і навіть потрібно. Дрібні і легкі частинки з питомою поверхнею 1500-3000 см²/г, що містяться в кількості близько 90%, виносяться з топки газами, а більші осідають на дні топки і сплавляються в кускові шлаки.

Золошлакові відходи (ЗШВ) неоднорідні за місцем знаходження і навіть залежать від термінів зберігання. ЗШВ це найцінніший продукт, один з найбільш перспективних напрямків утилізації золошлакових відходів є виробництво з них пористих заповнювачів для легких бетонів. Кількість твердих залишків для кам'яного і бурого вугілля коливається від 15 до 40%. Вугілля перед спалюванням подрібнюється, і в нього для кращого згоряння часто добаляють в невеликому (0,1-2%) кількості мазут. При згорянні подрібненого палива дрібні і легкі частинки золи несуться димовими газами (золи виносу). Розмір частинок золи виносу коливається від 3-5 до 100-150 мкм. Кількість більших частинок зазвичай не перевищує 10-15%. Більш важкі частинки золи осідають на подтопці і сплавляються в кускові шлаки, що представляють собою агреговані і сплавів частки золи розміром від 0,15 до 30 мм. Шлаки подрібнюються і видаляються водою. Зола винесення та подрібнений шлак видаляється спочатку окремо, потім змішуються, утворюючи золошлакова суміш[12].

У складі золошлакової суміші крім золи та шлаку постійно присутні частинки незгорілого палива (недопал), кількість якого складає 10-25%. Кількість золи виносу в залежності від типу котлів, виду палива і режиму його спалювання може становити 70-85% від маси суміші, шлаку- 10-20%. Золошлакова пульпа віддаляється на золоотвал по трубопроводах.

Золи ТЕС, що використовують кам'яне вугілля, в порівнянні з золами ТЕЦ, що спалюють буре вугілля, відрізняються підвищеним вмістом SО₃, зниженим - оксидів кремнію, титану, заліза, магнію, натрію, а шлаки - підвищеним вмістом оксидів кремнію, заліза, магнію, натрію і зниженим - оксидів сірки, фосфору. У складі ЗШВ розрізняються кристалічна, склоподібна і органічна складові.

Тверді відходи теплових електростанцій - золи і шлаки - близькі до металургійних шлаків за складом. За хімічним складом ці відходи на 80-90% складаються з SiO₂, Аl₂O₃, FеО, Fе₂O₃, СаО, МgO зі значними коливаннями їх змісту. Крім того, до складу цих відходів входять залишки незгорілих часток палива (0,5-20%), сполуки титану, ванадію, германію, галію, сірки, урану.

Основна маса використовуваної частини шлаків і зол є сировиною для виробництва будівельних матеріалів, Так, золу ТЕС використовують для виробництва штучних пористих заповнювачів - зольного і аглопоритового гравію. При цьому для отримання аглопоритового гравію використовують золу, яка містить не більш 5-10% горючих, а для виробництва зольного гравію зміст в золі горючих не повинно перевищувати 3%. Випал серцевих гранул при виробництві аглопоритового гравію здійснюють на решітках агломераційних машин, а при отриманні зольного гравію - в обертових печах. Можливе використання зол ТЕС і для виробництва керамзитового гравію. Золи і шлаки від спалювання бурого і кам'яного вугілля, торфу і сланців, що містять не більше 5% часток незгорілого палива, можуть широко використовуватися для виробництва силікатної цегли в якості в'яжучого при утриманні в них не менше 20% СаО або в якості кремнеземистого заповнювача, якщо в них міститься не більше 5% СаО. Золи з високим вмістом частинок вугілля з успіхом використовуються для виробництва глиняної (червоної) цегли.

Кислі золошлакові відходи, а також основні з вмістом вільного вапна ≤10% використовують як активну мінеральну добавку при виробництві цементу. Зміст горючих речовин в таких добавках не повинно перевищувати 5%.

Ці ж відходи можна використовувати в якості гідравлічної добавки (10-15%) до цементу. Золу з вмістом вільної СаО не більше 2-3% використовують для заміни частини цементу в процесі приготування різних бетонів. При виробництві пористих бетонів автоклавного твердіння в якості в'яжучого компонента використовують сланцеву золу, яка містить 14% вільної СаО, а в якості кремнеземистого компонента - золу спалювання вугілля з вмістом грючіх 3-5%. Використання золошлакових відходів за вказаним напрямком є не тільки економічно вигідним (внаслідок скорочення споживання гіпсового каменю, піску, цементу, вапна, палива), але і дозволяє підвищити якість відповідних виробів [13].

Все золи характеризуються близьким хімічним складом мінеральної частини (табл.3.1), але різко відрізняються за гранулометричним складом і питомої поверхні, при цьому золи більшості ТЕС мають величину питомої поверхні від 3000 до 5000 см² / г. Незважаючи на високу питому поверхню всіх зол гідравлічно активні мінерали часто знаходяться всередині крапель скла або покриті склом, ускладнює контакт мінералів з водою. Тому при використанні золи виносу для отримання в'яжучих матеріалів необхідно руйнування скла для розтину активних мінералів, тобто потрібен помел золи. Мінералогічний склад золи всіх проб по кожній ТЕС представлений в основному аморфізованним глинистим речовиною, склом безбарвним і забарвленим, залишками вугілля і кристалічною фазою у вигляді кварцу, муллита, магнезиту і зрідка польового шпату.

Таблиця 3.1 – Склад золи-винос ТЕС,%

Компонент	Запорізька ТЕС	Придніпровська ТЕС	Луганська ТЕС	Криворізька ТЕС
SiO2	54,37	54,5	55,44	53,68
TiO2	1,16	0,82	0,90	0,26
Al2O3	21,81	22,80	18,96	25,89
Fe2O3	13,30	10,11	14,40	11,53
FeO	-	0,63	0,36	-
CaO	3,44	3,10	3,83	1,78
MgO	1,89	2,30	1,88	1,63
MnO	-	0,133	-	-
K2O	1,97	3,49	2,99	2,94
Na2O	0,80	1,35	0,80	0,95
P2O5	0,17	0,150	0,351	0,23
SO3	1,13	0,945	0,44	0,35

 

Для отримання в'яжучого матеріалу і виробів на його основі з високими фізико-механічними властивостями (без обмеження умов експлуатації) необхідне введення добавок-активаторів або застосування механо-хімічної активації золи. Зола ТЕЦ містить компоненти, що володіють унікальними технологічними властивостями, що дозволяють ефективно використовувати їх у багатьох сучасних технологіях.

Компоненти зол і шлаків:

v Немагнітна мінеральна фракція:

I. Мікросфери алюмосилікатні

II. Ценосфери

v Магнітна мінеральна фракція:

I. Мікросфери магнетитові

II. Гранули феросиліція

Зола і тверді викиди містять немагнітні та магнітні фракції. Поділ на такі фракції і їх дослідження виконуються, насамперед, з позицій впливу осадів золи на природу і для цілей визначення напрямів використання золи цих фракцій. Очевидно, що магнітні фракції збагачені залізом в кристалічній магнітній формі (мікросфери магнетитові).

Мінеральні включення, що утворюють шари і лінзи, паралельні площині нашарування пласта. До цієї групи відносять більшість мінеральних компонентів вугілля. Мінеральні включення в формі дрібних ізольованих зерен утворюють скупчення, витягнуті з паралельної площині нашарування. Така форма локалізації типова для хемогенних (аутигенних) мінералів, з яких найбільш поширені сульфіди заліза і карбонати.

У вугіллі найбільш розповсюджені сульфідні, карбонатні, кальцитові, крем'яні, кремністокарбонатні, фосфористо-карбонатні (останні рідко) конкреції. Розміри конкрецій коливаються від кількох міліметрів до десятків сантиметрів. Форма конкрецій зазвичай овальна або сферична. Найчастіше конкреції мають чіткі межі з навколишньою вугільною речовиною[14].

Вивчення факторів, що впливають на розподіл і концентрацію мінеральних компонентів в вугільній речовині, є об'єктом численних досліджень. Давно було виявлено, що накопичення більшості мінералів у вугіллі залежить від фаціальних умов древнього торфонакоплення.

З генетичних позицій мінеральні компоненти вугілля прийнято класифікувати наступним чином: алюмосилікатні і магнітні мікросфери, а також незгорілі вугільні частинки. Алюмосилікатні порожнисті мікросфери утворюються при пиловугільному спалюванні твердого палива в результаті специфічної грануляції розплаву мінеральної частини вугілля шляхом її дроблення на окремі дрібні краплі і роздування останніх через збільшення обсягу газових включень.

Алюмисилікатні полі мікросфери разміром от 10 до 500 мкм. Насипна густина матеріалу350–500 кг/м³, питома – 500–600 кг/м³. Основними компонентами фазово мінерального складу мікросфер є алюмосилікатна склофазой, муллит, кварц. У вигляді домішки присутній гематит, польовий шпат, магнетит, гідрослюда, оксид кальцію. Переважаючими компонентами їх хімічного складу є кремній, алюміній, залізо. Можливі мікроприміси різних компонентів в кількостях нижче порога токсичності або промислової значущості. Вміст природних радіонуклідів не перевищує допустимих меж. Максимальна питома ефективна активність становить 350-450 Вк / кг і відповідає будівельним матеріалам другого класу (до 740 Вк / кг).Пористий бетон є популярним будівельним матеріалом, який набув широкого поширення завдяки своїм властивостям. Його відрізняють низька щільність, висока теплоізоляція, невелику питому вагу. За кордоном використання мікросфер з золи ГЕС було розпочато в 60-хроках. У нашій країні також розроблені технології застосування мікросфер як наповнювачів композиційних матеріалів.У силікатних сферах переважають оксиди кремнію, алюмінію, калію. Температура плавлення силікатних мікросфер перевищує 1350°С. Силікатні мікросфери майже в 2 рази легший за воду, що є основою їх ефективного гравітаційного виділення.

Розроблено багато пристосувань для виділеннямікросфер (декантатор, згущувачі, гідроциклони і ін.).Метод виділення мікросфер заснований на їх низької порівняно з іншими компонентами золи-винесення та золешлакових сумішей щільності: в воді вони спливають і, таким чином, можуть бути виділені в необхідних для лабораторних досліджень кількостях [15].

Області застосування:

· Нафтова і газова промисловість: тампонажні полегшені цементи при облаштуванні свердловин.

· Будівництво: надлегкі бетони, теплоізолюючі штукатурні і кладочні суміші, інші види сухих будівельних сумішей, тепло- і звукоізоляційні покриття при влаштуванні покрівельних і фасадних конструкцій, міжповерхових перекриттів, а також теплоизолирующая підготовка для підлог.

· Керамічні вироби: легкі вогнетривкі стінові матеріали і покриття, полегшені матеріали авіаційно-космічного призначення.

· Лакофарбові матеріали: тонкошарові енергозберігаючі та вогнезахисні фарби.

· Полімерні матеріали: виготовлення різних плавзасобів (човнів, буїв, рятувальних жилетів, модулів плавучості підводних човнів і батискафів), радіопрозорих теплоізоляційних екранів радіотехнічної апаратури, ізоляція теплотрас, формувальні матеріали для стоматології.

· Хімічна промисловість: каталізатори знешкодження відходів стічних вод, сенсибілізатори емульсійних вибухових речовин, виробництво звукозахисних композитів в автомобілебудуванні, виробництво шин, шпаклівок і грунтовок, абразивного інструменту високої продуктивності, нековзних складів для підошов взуття, меблевих молдингів.