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.