Использование отходов от ТЭС

 

                                                       

1 ОПИС ПРОЦЕСУ УТВОРЕННЯ ЗОЛИ ТА ШЛАКУ

 

Тепловою  електростанцією (ТЕС) називається  энергопідприємство, призначене для перетворення хімічної енергії органічного палива (кам'яного вугілля, мазуту, природного газу, сланців і ін.) в електричну енергію. Теплові електростанції у свою чергу підрозділяються на теплоелектроцентралі (ТЕЦ) і на державні районні електричні станції (ДРЕС). ТЭЦ є енергетичним підприємством, призначеним для вироблення й відпустки виробничим і комунально-побутовим споживачам двох видів енергії: тепловий - у вигляді гарячої води або водяної пари - і електричної. ДРЕС є енергетичним підприємством, призначеним для відпустки тільки одного виду енергії - електричної. Оскільки на ТЕЦ виробляється два види енергії, а на ДРЕС - один, технологічний процес і відповідно встаткування на ТЕЦ складніше, чим на ДРЕС. Промислові й опалювальні котельні призначені для теплопостачання відповідно промислових і комунально-побутових споживачів тепловою енергією, одержуваної за рахунок спалювання в котлоагрегатах органічного палива.

До складу ТЕЦ входять наступні підрозділи, які на конкретних ТЕЦ виділені в цехи, відділення або ділянки: паливно-транспортний, котельний, турбінний, хімічний, ремонтно-будівельний, ремонтно-механічний, электроцех, цех теплової автоматики й вимірів.

Процес  утвору відходів  відбувається в  котельному цеху.

При спалюванні твердого палива в топленнях при температурі близько 1700-1900 К теплових електричних станцій утворюються багатотоннажні тверді мінеральні відходи, представлені шлаками й летучою золою. Дрібні й легкі частки з питомою поверхнею 1500-3000 см²/г, що втримуються в кількості близько 90%, несуться з топлення газами, а більші осідають на під топлення й сплавляються в кускові шлаки. Деяка частина золи осідає на трубах котла, поді й стінках топлення.

На сучасних ТЕС вугілля спалюють у пилоподібному  стані. Шлаки утворюється в результаті злипання розм'якшених часток золи в об'ємі топлення й накопичується в шлаковому бункері під топленням. Розмір зерен шлаків 1-50 мм. Зола несеться з топлення з димовими газами (зола віднесення) і вловлюється при їхнім очищенні в циклонах і електрофільтрах. Розмір часток золи менш 1 мм. Більшість зол мають сферичну форму часток, гладку остекловатую фактуру поверхні. Розмір сферичних часток коливається від декількох мікронів до 50-60 мкм[1].

На більшості діючих ТЕС застосовують систему гідровидалення для транспортування золошлакових сумішей у відвали.

1-вакуум-насос; 2 - пневмовинтовой насос; 3 - електродвигун; 4 - бункер- накопичувач; 5 - водопровід вакуумний; 6 – камера осадження; 7 – димова труба; 8 - димосос; 9 - пневматичні засувки; 10 - електрофільтри; 11 -золосборники; 12 - казан ТЕС; 13 - шламопровод на відвал золи й шламу; 14 - силосний склад золи; 15 - відвантаження золи на залізничному й автотранспорті; 16 - трубопровід стисненого повітря; 17- водопровід напірний; 18 - компресорна

 

Рисунок 1.1 - Схема установки сухого відбору золи

Для застосування золи у виробництві  будівельних матеріалів переважніше  застосовувати систему пневмовидалення золи (рис. 1.1), яка дозволяє поставляти золу споживачам у сухому виді, з меншим змістом незгорілих часток і запобігати її змерзанню у відвалах узимку[3].

Найбільш ефективними золоуловлювачами є електрофільтри, КПД яких рівний 95-97%. У цей час установки для сухого золовидалення є на ряді теплових електростанцій, а кількість золи, що вловлюється, перевищує 10 млн т у рік.

Одна  ТЕС середньої потужності щорічно  викидає у відвали до 1 млн. т. золи й шлаків, а ТЕС, що спалює многозольное паливо, - до 5 млн. т. Складування й зберігання такої маси матеріалу вимагає значних капіталовкладень. Золоотвал, займає дуже більші земельні площі, є джерелом несприятливої екологічної обстановки в районі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ХАРАКТЕРИСТИКА  І КЛАСИФІКАЦІЯ ЗОЛИ ТА ШЛАКУ

 

Зола-унос являє собою тонкодисперсний матеріал, що полягає в основному із часток розміром 5-100 мкм. Її хіміко-мінералогічний склад відповідає сполуці мінеральної частини палива, що спалюється. Наприклад, при згорянні кам'яного вугілля зола являє собою обпалену глинисту речовину із включенням дисперсних часток кварцового піску, при згорянні сланців — мергелі з домішками гіпсу й піску. При випалі мінеральної частини палива дегидратуєтся глиниста речовина й утворюються низкоосновні алюмінати й силікати кальцію.

Основним  компонентом золи-уноса є склоподібна алюмосилікатна фаза, складова 40-65% усієї маси, що й має вид часток кулястої форми розміром до 100 мкм. Із кристалічних фаз у золах можуть бути присутнім а-кварц і муллит, а при підвищеному вмісті Fe₂0₃ також гематит. Кількісне співвідношення між а-кварцом і муллитом визначається співвідношенням Si0₂/А1₂0₃. Зі збільшенням останнього зміст а-кварцу в кристалічній фазі зростає, а муллита убуває. Відповідно трохи зростає активність зол по поглинанню вапна. Золи, збагачені оксидами заліза, більш легкоплавкі, у них утворюється більше скла.

Певною  гідравлічною активністю в золах, поряд зі склоподібною фазою, має дегидратирована й амортизована глиниста речовина. Активність залежить від мінералогічної складу глин, що входять у мінеральну частину палива, і підвищується при тепловій обробці. З підвищенням у золі змісту аморфизированої глинистої речовини збільшується її водопотребность.

 

Таблиця 2.1 - Результати петрографічного  дослідження фракцій золошлакових відходів золі Слав'янської ТЕС, %[5]

Мінерал, фаза	Фракції, мм
	<5	5-10	10-20
Склофаза	55-60	65-70	60-65
Вуглиста речовина	15	сліди	сліди
Муліт 3А1203 2Si02	5-15	15-20	20-25
Піроксени (силікати Са, Mg, Fe)	2-3	3-5	2-4
Магнетит Fe304	5-7	3-5	5-7
Гематит Fe203	до 1	до 1	до 1
Сульфіди Fe (FeS, FeS2)	до 1	до 1	до 1
Кальцит СаСО3	3-5	2-4	1-3
Кварц Si02	2-3	1-2	1-3
Кристобаліт, метакристобаліт Si02	до 1	до 1	до 1
Польові шпати	сліди	сліди	сліди
Акцесорні мінерали (рутил, циркон, турмалін)	1	до 1	до 1

 

Якщо  мінеральна частина палива містить  значну кількість карбонатів, то в золі утворюються низкоосновні силікати й феррити кальцію, здатні взаємодіяти з водою.

У невеликій  кількості в золи входять наступні домішки: оксиди кальцію й магнію, сульфати, сульфіди й ін.

У золах, як правило, утримується вуглець у вигляді різних модифікацій коксових залишків. Зміст його залежить від виду палива, що спалюється: для бурих вугіль і горючих сланців воно становить менш 4%, кам'яних вугіль – 3  - 12 %, антрациту – 15 – 25 %. Зміст незгорілих часток у тонкодисперсних фракціях золи менше, чим у грубодисперсних.

Хімічний  склад зол-уноса коливається залежно від родовищ вугіль. Зразковий зміст основних оксидів у золах різних ТЕС (%):Si0₂ - 37-63; А1₂0₃ - 9-37; Fe₂0₃ - 4-17; СаО - 1-32; MgO - 0,1-5; S0₃ - 0,05-2,5; Na₂0 + К₂0 - 0,5-5. Втрати при прожарюванні, що характеризують зміст у золі незгорілих вуглеродистих часток, становлять 0,5-30%.

 

Таблиця 2.2 - Результати хімічного  аналізу золошлаку Слав'янської TEC,  %[5]

Оксид, показник	Фракції, мм
	<5	5-10	10-20
SiO2	54,3	58,4	58,4
Al2О3	21,3	24,4	25,9
Fe2O3	11,3	11,5	9,36
CaO	2,79	2,79	3,86
MgO	1,33	1,20	0,82
Mo	0,054	0,048	0,055

 

Важливими показниками якості золи є її дисперсність і гранулометрический склад. Дисперсність золи-уноса виражається звичайно питомою поверхнею, визначеною методом повітропроникності, а також значеннями залишків на ситах при просіванні. Прямої залежності між цими двома показниками немає. Питома поверхня золи-уноса становить 1000-4000 см²/г. У багатьох випадках вона наближається до питомої поверхні цементу. Золи, що містять більшу кількість залишків незгорілого палива, мають більш високі значення питомої поверхні.

Гранулометрический сполука зол коливається в широких межах: розміри зерен 1-200 мкм. У золах зміст фракції більш 85 мкм звичайно не перевищує 20%. Близько 50% часток золи мають звичайно розміри 30-40 мкм. Більші золи утворюються при підвищеном змісті в мінеральній частині палива оксидів-плавнів СаО й Fe₂0₃.

Дисперсність  золи залежить від тонкості здрібнювання пилоподібного палива. Також на тонкість здрібнювання одержуваної золи суттєво  впливає режим спалювання палива. Важливим фактором є тип колектора  для збору золи. Найбільш дисперсна  зола вловлюється електрофільтрами, при цьому для різних полів  електрофільтрів гранулометрический склад золи міняється.

Для золи характерно значний зміст часток із дрібними замкненими порами, які  є результатом спучування розплавленої мінеральної маси газами, що виділяються  при дегідратації глинистих мінералів, дисоціації часток вапняку, гіпсу й  органічних речовин. Загальний об'єм пор може досягати 60% об'єму часток золи. Високий зміст мікропор у золі обумовлює високе значення її дійсної питомої поверхні. З високою дійсною поверхнею золи зв'язані такі її властивості, як адсорбційна здатність, гигроскопичность, гідравлічна активність.

Золи  підрозділяються на висококальцієві (СаО > 20%) і низкокальцієві (СаО < 20%). Для перших переважними є кристалічні фази, для других — скло й глиниста речовина. Висококальцієві золи у свою чергу ділять на низкосульфатні (S0₃ < 5%), одержувані при спалюванні вугілля й торфу, і сульфатні (S0₃ > 5%) — при спалюванні сланців.

Інтегральною  характеристикою хімічного складу зол служить модуль основності М₀, який перебуває по формулі:

Мо = (CaO+MgO):(SiO₂+Al₂O₃)     (2.1)

Для основних зол становить М₀ > 0,9; кислих — 0,6-0,9; сверхкислих — М₀ < 0,6. В основних золах сумарний зміст СаО + MgО досягає 50%, у сверхкислих — 12. Останні є більш розповсюдженими.

По величині питомої поверхні золи ділять на: тонкодисперсні (S > 4000 см²/г), среднедисперсні (2000-4000 см²/г) і грубо дисперсні (S < 2000 см²/г). При насипній щільності менш 800 кг/м3 золи вважаються легкими, 800-1000 — середньої щільності й більш 1000 — важкими.

На відміну  від зол, шлаки, утворені при більш високих температурах, практично не містять незгоріле паливо й характеризуються більшою однорідністю.

Шлаки видаляють  гідравлічним або сухим способом. При гідравлічному способі, що має  поки більше поширення, золи й шлаки  змішуються.

Гранульовані  шлаки являють собою механічну  суміш зерен розміром 0,14-20 мм. Хімічний склад шлаків, як і зол, може змінюватися в широкому діапазоні — від сверхкислих (М₀ < 0,1) до основних (М₀ > 1). Багато паливних шлаків характеризуються значною кількістю (20% і більш) оксидів заліза, що втримуються переважно в закисній формі. Зміст склоподібної фази становить 85-98%, в основних шлаків воно може бути значно нижче. У кристалічній фазі можлива наявність мулліта, геленита, псевдоволластонита, двухкальцієвого силікату й інших мінералів.

Залежно від змісту незгорілих вуглеродистих часток золи й шлаки ТЕС ділять на 6 категорій (%): 1 — до 5%; 2 — 6-10; 3- 11-15; 4- 16-20; 5-21-25; 6-більш 25%.

Згідно  із класифікатором відходів, золи й  шлаки, відносять до відходів виробництва  й розподілу енергії електричної, газу, пари й води гарячої (індекс - 4010), до відходів виробничо-технологічним, що утворюються під час функціонування енергетичних станцій і установок, що працюють за принципом згоряння(індекс - 2), відходам від процесів згоряння при функціонування енергетичних станцій (індекс - 8). Відходи мають наступні коди[6]:

- 4010.2.8.01 - шлаки паливний;

- 4010.2.8.02 - пил зольний вугільний;

- 4010.2.8.03 - пил зольний торф'яної.

Згідно з класифікатором відходів, додаткові характеристики мають наступний вигляд: