Использования золошлаковых отходов ТЭС

Одним из основных источников получения электроэнергии в обозримом будущем остаются ТЭС, работающие на твердом топливе, так как запасы газа и мазута истощаются, а других альтернативных, надежных и эффективных производителей электроэнергии, нет. Необогащенный уголь, добываемый в настоящее время, содержит до 30 % и более минерального балласта, рассматриваемого как отходы энергопроизводства. В то же время минеральные золошлаковые отходы ТЭС богаты содержанием окислов кремния (до 60 %), алюминия (10…40 %), железа (до 15…20 %), кальция (до 40 %) и других химических элементов, в том числе и редких. Между тем, после термической обработки твердого топлива в котле, необходимой для технологии производства электроэнергии, современные ТЭС сбрасывают и накапливают в захоронениях миллионы тонн этих минералов. Например, электростанция мощностью в 1000 Мвт, использующая низкореакционный, высокозольный уголь, выбрасывает до 150…180 т/ч золошлаковых отходов, из которых выбраны только горючие составляющие (в основном углерод). Золошлакоотвалы занимают большие территории, которые увеличиваются в площади, и представляют экологическую опасность окружающей природной среде.

Экономичность и эффективность энергопроизводства в основном оценивается тепловыми, термодинамическими возможностями топлива, теплоносителей и материалов, из которых изготовлено оборудование ТЭС. Химические и термодинамические процессы превращений, происходящие в органической части топлива и минерального балласта, обычно не учитываются при определении экономичности установок.

На рис.2.3 представлена схема термического обезвреживания твердых отходов и возможные варианты дальнейшего их использования с целью повышения технико-экономических показателей тепловых электростанций.

Большие массы и богатый состав позволяют рассматривать золошлаковые отходы ТЭС как вторичное сырье для переработки и дальнейшего производства строительных, теплоизоляционных и других материалов, а также для нового обогащения и получения ценного сырья для вторичного производства. Совместив технологический процесс получения электроэнергии с этапами обезвреживания золошлаковых отходов, используя термическую обработку, создав условия для завершающих операций по производству изделий строительного и культурно-бытового назначения, можно исключить элементы технологической схемы, нарушающие экологическую чистоту окружающей среды.

На рис. 2.4 представлены технологические схемы обработки шлака и золы на ТЭС и приготовление натурального щебня в карьерах. Там же приведена схема производства шлакощебня из отходов ТЭС, в которой присутствуют элементы первой и второй технологических схем. Экологически и экономически последняя схема более целесообразна, поскольку при использовании первых двух схем природе наносится как бы двойной ущерб. С одной стороны, при ТЭС, работающей на твердом топливе, создаются золошлакоотвалы для захоронения отходов. С другой – при производстве натурального щебня происходит вскрытие грунта, дробление гранитных пород, а вместе с этими процессами пыление и, таким образом, загрязнение атмосферы.

Исследования [8-13] показали, что золошлаковые и шламовые отходы ТЭС могут быть использованы при производстве шлакощебня, шлакоситалов, керамической плитки, кирпича и других стройматериалов, а также фаянсовых изделий культурно-бытового назначения. Испытания опытных образцов шлакощебня, полученного из золошлаковых отходов электростанций, работающих на донецких антрацитовых штыбах, доказывают их высокие технические качества: прочность (130…350 МПа), плотность (2,8…2,96 т/м³), влагонепроницаемость, отсутствие пористости, высокую морозостойкость.

Для примера рассмотрим производство шлакощебня из золошлаковых отходов ТЭС, которое может быть осуществлено с соблюдением следующих особенностей технологической схемы, представленной на рис.2.5. Выбор состава и количественного соотношения шихтующих материалов проводится по результатам опытных плавок шлака. При этом оксиды железа (до 10…20 %) являются хорошими инициаторами процесса кристаллизации охлаждаемого шлака в системе SiO₂ -Al₂O₃ -FeO -CaO -MgO, а окислы кальция и магния ускоряют и улучшают варочные свойства массы шлака. Поэтому вводятся добавки доломита, извести или шлама (до 15…30%).

Шихта непрерывно подается в варочную печь, где она проходит последовательно стадии расплавления, осветления, гомогенизации и начального охлаждения. Термическая обработка золы и шлака начинается при температуре 1500…1600 ⁰ С в варочной части печи и заканчивается в студочной при 1100…1200 ⁰С. Формирование расплавленной шлаковой ленты происходит в прокатной машине, которая задает скорость перемещения ленты (30…50 м/ч). Лента шлакомассы при температуре 750…800 ⁰С поступает в кристаллизатор непрерывного действия с газовым обогревом и транспортирующим органом в виде рольганга. Кристаллизация материала ленты начинается выдержкой при температуре 900 ⁰ С с дальнейшим охлаждением закристаллизованной массы до 100…200 ⁰С. Завершается процесс изготовления шлакощебня дроблением до необходимых размеров остывшей ленты.

Рис. 2.3. Схема термического обезвреживания твердых отходов на тепловых электростанциях

Технологическая схема обработки шлака и золы на ТЭС     Технологическая схема приготовления натурального щебня   Технологическая схема приготовления шлакощебня из отходов ТЭС

Рис. 2.4. Технологические схемы производства щебня

Рис. 2.5. Технологическая схема установки производства шлакощебня:1 – бункер известняка (доломита); 2 – бункер золы (шлака);

3 – дробилки;4 – шнековые питатели; 5 – бункер смеситель; 6 – устройство загрузки; 7 – бункер загрузки; 8 – варочная печь;

9 – валки формирования ленты; 10 – дымосос; 11 – выход к дымовой трубе; 12 – кристаллизатор; 13 – вентилятор;

14 – воздух для охлаждения; 15 – запыленного воздуха; 16 – обламыватель; 17 – бункер накопления продукции; 18 – рольганг

Затраты на энергоснабжение установки по производству 1 т. шлакощебня при такой схеме приводятся в табл. 2.5

Производство шлакощебня из золошлаковых захоронений ТЭС дает хорошие экономические преимущества, если оно происходит в непосредственной близости от золоотвалов ТЭС и от потребителя этой продукции, поскольку уменьшаются транспортные расходы на перевозку, как сырья, так и готовой продукции. Так как данное предприятие выпускает продукцию, способствующую экологической чистоте производства и улучшению состояния окружающей среды, то по действующему законодательству оно освобождается от налогов на прибыль, что сулит ему дополнительные выгоды.

Таблица 2.5

Затраты на энергоснабжение при расплавлении 1 т шлакощебня

Величина	Формула	Значение
Теплоемкость шлака, кДж/(кг град)	С	0.9…1.2
Разность температур,		1500…1600
Количество тепла, необходимого для расплавления 1кг шлака, кДж/кг		22100…22200
Теплота сгорания топлива (Ставропольский газ), кДж/
Расход газа на расплавление 1 т шлака, тыс. / т		0.6

Себестоимость производимого шлакощебня можно уменьшить, если термическую обработку отходов ТЭС без дополнительных затрат проводить в котельных установках [14], совмещая этот процесс с технологией производства пара и электроэнергии. В этом случае ТЭС превращается в многопрофильное предприятие с одновременным выпуском нескольких видов различной продукции. Это потребует разработки и использования более сложных схем планирования и регулирования в снабжении потребителей электроэнергией, теплом и изделиями строительного и культурно-бытового назначения, особенно в маневренных режимах. Электроэнергия и тепло не могут аккумулироваться, поэтому ТЭС должны обеспечивать потребителя этими видами продукции без ограничений, а планирование выпуска строительных материалов и другой возможной продукции проводить с учетом среднегодового количества выбросов золы и шлака. Как известно [15], производство электроэнергии и пара в зимнее и осенне-весеннее время увеличивается, а значит, возрастает расход топлива и золошлаковых отходов. Потребление строительных материалов в это время наоборот снижается. Таким образом, на электростанциях необходимо предусматривать возможность сезонного накопления стройматериалов и другой продукции.

Технико-экономические показатели тепловых электростанций в основном оцениваются только по отпуску электроэнергии и тепла потребителям. Существующая система штрафов за выбросы и накопление отходов в настоящее время не стимулирует освоение безотходных технологий и развитие многоцелевого производства на ТЭС. В лучшем случае удается найти сбыт отходов за бесценок (например, цементным заводам). Однако этот процесс носит чаще случайный характер. Для электростанций должна существовать эффективная система экономических выгод? способствующих развитию побочных производств по разработке и использованию отходов.