Отходы ТЭК. Общая характеристика

Общая характеристика отходов топливно-энергетического комплекса (ТЭК)

Существующие технологии производства и переработки угольной продукции объективно связаны с выходом большого количества твердых отходов. Техногенные месторождения в местах ликвидации угольных предприятий и твердые отходы при производстве угольной продукции занимают обширные площади земель, негативно воздействуют на состояние водных ресурсов, атмосферы. Предприятия угольной и топливно-энергетической отрасли расходуют значительные средства на транспортировку и складирование твердых отходов, платят за их размещение и загрязнение окружающей природной среды, возникающее вследствие вредных выбросов и сбросов в местах размещения терриконов и отвалов.

Золошлакоотвалы

Терриконы

К отходам топливно-энергетической промышленности относятся продукты, получаемые в виде отходов при добыче, обогащении и сжигании твердого топлива. Эту группу отходов разделяют по источнику образования, виду топлива, числу пластичности минеральной части отходов, содержанию горючей части, зерновому составу, химико-минералогическому составу, степени плавкости, интервалу размягчения, степени вспучиваемости.

Отходы добычи и обогащения угля. Основными видами твердого топлива являются каменные и бурые угли. При добыче и обогащении углей побочными продуктами служат шахтные и вскрышные породы, отходы углеобогащения.

Отходы добычи называют вскрышными или шахтными породами в зависимости от способа разработки. При подземном способе добычи извлекается меньше попутных пород, чем при открытом, но и они составляют значительные объемы. Так, например, на 1 т угля при открытой добыче образуется до 3-5 т вскрышных пород, при подземной – до 0,2-0,3 т шахтных.

Вскрышные и шахтные породы имеют неоднородный химический и минералогический состав и представляют осадочные породы – глины, суглинки, супеси, аргиллиты, песчаники, глинистые и песчаные сланцы, известняки. Больше всего в их составе аргиллитов (до 60%). Кроме того, они содержат в своем составе уголь до 20%, серу, содержание которой пропорционально содержанию угля, в небольших количествах цветные, редкие металлы.

Таблица – Гранулометрический состав отходов добычи угля (шахтных пород) Ростовской области

Таблица – Химический состав отходов добычи угля (шахтных пород) Ростовской области

Для применения в производстве строительных материалов наибольший интерес представляют отходы углеобогащения, характеризуемые наименьшими колебаниями состава и свойств. Содержание угля, не выделенного в процессе обогащения, может достигать 20%. Отходы углеобогащения представлены обычно в виде кусков крупностью 8-80 мм.

В соответствии с типовыми схемами технологического процесса обогащения уголь из шахт после измельчения подвергают гидравлической классификации по крупности, затем обогащают методом гравитации, выделяя концентрат, промышленный продукт и породу (отходы гравитационного обогащения углей). При обезвоживании концентрата выделяют шлам с размером зерен менее 1 мм, который направляют на флотацию. После флотационного обогащения получают концентрат и отходы флотации (хвосты).

В зависимости от способа получения отходов и их класса по крупности содержание угля, а соответственно химический состав и число пластичности изменяются в широких пределах. Наибольшее количество угля (15-40%) находится в отходах флотации. В отходах гравитационного обогащения класса 1-13 мм количество угля может достигать 15%, а в отходах класса 13-150 мм — 4-7%. В отходах угледобычи содержание угля колеблется от 0 до 10%. Весьма важным ограничивающим фактором применения отходов обогащения углей является наличие в них серы. Содержание ее, например, в породах центрального Донбасса достигает 3-4%.

Таблица – Химический состав отходов гравитационного обогащения углеобогатительных фабрик Ростовской области

Таблица — Химический состав отходов флотации (шлам) углеобогатительных фабрик Ростовской области

Влажность отходов зависит от способа их получения. Естественная влажность аргиллитов 4-5%. Отходы флотации углей, добываемые из шламонакопителей, имеют влажность 25-30%.

В отличие от отвальных пород угольных шахт отходы углеобогащения характеризуются более высоким содержанием угля, более стабильным вещественным составом, меньшим содержанием песчаников и большим содержанием аргиллитов, увеличением содержания серы и уменьшением механической прочности.

Продуктами обжига пустых пород, сопутствующих месторождениям каменных углей, являются горелые породы. Их разновидностями являются глиежи — глинистые и глинисто-песчаные породы, обожженные в недрах земли при подземных пожарах в угольных пластах, и отвальные перегоревшие шахтные породы.

Залежи природных горелых пород широко распространены в различных регионах. Истинная плотность их составляет 2,4-2,7 г/см³, средняя плотность — 1300-2500 кг/м³, прочность на сжатие — 20-60 МПа. По основным физическим и химическим свойствам они близки к глинам, обожженным при 800-1000 °С. Химико-минералогический состав горелых пород разнообразен, однако общим для них является наличие активного глинозема в виде радикалов дегидратированных глинистых минералов или в виде активных глинозема, кремнезема и железистых соединений. В отличие от зол и шлаков горелые породы почти не содержат стекловидных компонентов и характеризуются высокой сорбционной способностью. Содержание несгоревшего топлива в глиежах достигает 2—3%, в отвальных горелых породах оно может быть более значительным.

К горелым породам, наряду с природным сырьем, относятся и перегоревшие пустые шахтные породы, содержащие минимальное (менее 5%) количество углистых примесей и минеральную глинисто-песчаную часть, обожженную в той или иной степени. Породы смешаны с отходами угля, горючих сланцев, серой и др. Под действием кислорода воздуха уголь и сера окисляются и самовозгораются, а под влиянием высоких температур (до 1000 °С) порода подвергается естественному обжигу. Органические примеси при этом частично выгорают. Наиболее интенсивно горят породы в терриконах шахт с коксующимися или антрацитовыми углями. Степень обжига горелых пород зависит от многих причин. Неравномерное поступление влаги в горячий слой породы, неравномерное количество воздуха, соприкасающегося с поверхностью породы в терриконе, а также большое количество мелких фракций, затрудняющих доступ кислорода к очагам горения, приводит к тому, что обжиг происходит крайне неравномерно, несмотря на высокую температуру в терриконе. В результате образуется материал различной степени обжига (от спекшегося до слабообожженного) с неодинаковыми физико-механическими свойствами. Неоднородность материала в терриконе — один из его существенных недостатков. Размер частиц колеблется в пределах от 40 см до долей миллиметра. В терриконах встречаются плотные и пористые разновидности горелых пород.

Золошлаковые отходы. При сжигании твердых видов топлива в топках тепловых электростанций образуются зола в виде пылевидных остатков и кусковой шлак, а также золошлаковые смеси. Они являются продуктами высокотемпературной (1200—1700 °С) обработки минеральной части топлива.

В зависимости от температурных условий образование золы и топливных шлаков возможно без плавления, в присутствии расплава и при полном расплавлении исходных компонентов. В первом случае золы и шлаки образуются при сжигании низкокалорийных видов твердого топлива. Получение из расплава характерно для гранулированных топливных шлаков. Наиболее характерно получение топливных зол и шлаков в результате взаимодействия расплава с твердыми фазами.

Образование шлаков и зол первых двух групп происходит обычно в слабоокислительной среде, что способствует окислению органических соединений и сульфидов и присутствию соединений железа в трехвалентном виде. Образование отходов третьей группы происходит в восстановительной среде, что приводит к сохранению сульфидной серы и преобладанию двухвалентных соединений железа.

Зольная часть Донецкого, Печорского, Кузнецкого, Карагандинского и ряда других бассейнов содержит не более 8-10% СаО. Высококальциевой зольной частью с содержанием СаО 15-40% характеризуются каменные и бурые угли ряда бассейнов Средней Азии и Сибири, многие типы торфа и горючие сланцы. У последних содержание в зольной части СаО составляет 25-60%.

Топливо сжигают в слое над колосниковой решеткой в виде мелких кусков или при вдувании в пылевидном состоянии. Золы-уноса пылевидного сжигания проходят высокотемпературную обработку. Они имеют сравнительно однородный химический состав и незначительное содержание несгоревших частиц топлива. Некоторая часть золы оседает на трубах котла, поде и стенках топки, но основная ее масса (зола-унос) уносится с дымовыми газами, улавливается и скапливается в бункерах, откуда удаляется потоком воды или пневмотранспортом. На большинстве действующих ТЭС применяют систему гидроудаления для транспортирования золошлаковых смесей в отвалы.

Зола-унос представляет собой тонкодисперсный материал, состоящий в основном из частиц размером 5-100 мкм. Ее химико-минералогический состав соответствует составу минеральной части сжигаемого топлива. Например, при сгорании каменного угля зола представляет собой обожженное глинистое вещество с включением дисперсных частиц кварцевого песка, при сгорании сланцев — мергели с примесями гипса и песка. При обжиге минеральной части топлива дегидратируется глинистое вещество и образуются низкоосновные алюминаты и силикаты кальция.

Зола-уноса

Таблица — Химический состав зол-уноса электростанций Ростовской области

Таблица – Потребительские свойства зол-уноса электростанций Ростовской области

Золы-уноса подразделяются на высококальциевые (СаО > 20%) и низкокальциевые (СаО < 20%). Для первых преобладающими являются кристаллические фазы, для вторых — стекло и аморфизованное глинистое вещество. Высококальциевые золы в свою очередь делят на низкосульфатные (SО₃ < 5%), получаемые при сжигании угля и торфа, и сульфатные (SО₃ > 5%) — при сжигании сланцев.

Интегральной характеристикой химического состава зол служит модуль основности М_О, который для основных зол составляет М_О > 0,9; кислых — 0,6-0,9; сверхкислых — М0 < 0,6. В основных золах суммарное содержание СаО + MgO достигает 50%, в сверхкислых — 12. Последние являются более распространенными.

Шлаки — основной вид отходов при кусковом сжигании топлива. При пылевидном сжигании шлаки составляют 10—25% от массы образуемой золы. Шлаки образуются в результате спекания отдельных частиц на колосниковой решетке при температуре свыше 1000 °С или при охлаждении расплавленной минеральной части топлива при температуре более 1300 °С.

Шлак стекловидный

Таблица – Химический состав шлака электростанций Ростовской области

Таблица – Потребительские свойства шлака электростанций Ростовской области

В отличие от зол, шлаки, образуемые при более высоких температурах, практически не содержат несгоревшее топливо и характеризуются большей однородностью.

Шлак удаляют гидравлическим или сухим способом. При гидравлическом способе, имеющем пока большее распространение, золы и шлаки смешиваются.

Золошлаковая смесь – смесь золы и шлака с исходными свойствами, образующаяся при совместном удалении золы и шлака гидротранспортом на тепловых электростанциях.

Золошлаковая смесь

Таблица – Химический состав золошлаковых смесей электростанций Ростовской области

Таблица – Потребительские свойства золошлаковых смесей электростанций Ростовской области

Учитывая, что многие минеральные и органические отходы по своему химическому составу и техническим свойствам близки к природному сырью, а во многих случаях имеют и ряд преимуществ (предварительная термическая обработка, повышенная дисперсность и др.), применение в производстве строительных материалов промышленных отходов является одним из основных направлений снижения материалоемкости этого массового многотоннажного производства.

Использование промышленных отходов обеспечивает производство богатым источником дешевого и часто уже подготовленного сырья; приводит к экономии капитальных вложений, предназначенных для строительства предприятий, добывающих и перерабатывающих сырье, и повышению уровня их рентабельности; высвобождению значительных площадей земельных угодий и снижению степени загрязнение окружающей среды. Повышение уровня использования промышленных отходов является важнейшей задачей государственного значения.

На основе применения отходов промышленности возможно развитие производства не только традиционных, но и новых эффективных строительных материалов. Новые материалы обладают комплексом улучшенных технических свойств и в то же время характеризуются наименьшей ресурсоемкостью, как в процессе производства, так и при применении.

Рубрика: Полезная информация