Põlevkivituhk

Põlevkivituhk ehk põletatud põlevkivi on põlevkivi põletamisel tekkiv mineraalne materjal. Eesti põlevkivis on orgaanilise aine sisaldus küllaltki väike, keskmiselt 33%. Ahju jääb pärast põletamist 45% kuivast massist alles – mineraalne osa.

Põlevkivituhka ladestatakse tuhaväljadele, seda peamiselt Ida-Virumaal Balti ja Eesti soojuselektrijaamade lähedal. 2010. aastatel toodetakse Eestis umbes 5–7 miljonit tonni põlevkivituhka aastas.

Tuhastamise tehnoloogiad 

PF (pulverized fuel) ehk tolmpõletamine on levinuim põletustehnoloogia. Temperatuur koldes on 1400–1450 °C. Tolmpõletamisel kütus eelnevalt jahvatatakse, misjärel suunatakse see aeroseguna põletite kaudu koldesse. Tolmküttekolle on põletitega varustatud ekraan – soojusvahetuspindadega ümbritsetud kamber, kus põlevkivi kõrgetemperatuurilisel põlemisel antakse soojust põlemisgaasilt üle koldeekraanidele. Seal leiavad aset muundumisprotsessid põlevkivi mineraalosas ja tekib tuhk. Tahkosakesed, mille hõljumiskiirus on väiksem kui gaasi kiirus, kanduvad koos põlemisgaasiga koldest välja, suuremad aga langevad kas raskusjõu või tsentrifugaaljõu toimel kolde põhja. Koos põlemisgaasiga koldest väljuvat tuhka nimetatakse lendtuhaks. Lendtuhast 80% moodustavad tuhaosakesed, mis on suuremad kui 4–6 µm, ülejäänud 20% on väiksemad. Selle meetodi puhul on probleemiks vääveldioksiidi kontsentratsioon põlemisgaasis ja suur tahkete osakeste sisaldus heitgaasis.

CFBS (circulating fluidized bed combustion) ehk tsirkuleeriva keevkihi tehnoloogia omapäraks on koldest lahkuva põlemisgaasi ja tuhaosakeste siirdumine separaatorisse, kus mõõtmetelt ja massilt suuremad tuhaosakesed välja separeeritakse ja koldesse tagasi suunatakse. Koldes on temperatuurid umbes 800–850 °C juures. Luuakse tasakaal koldesse antava kütuse ja ringleva tuha vahel, osakesed väljuvad pidevalt separaatorist ja põhjatuhana koldest. CFBC tehnoloogia on keskkonnasõbralikum, väävel saadakse peaaegu täielikult kätte ehk seotakse tuhaga kaltsiumi poolt (põlevkivis on kaltsiumi ja väävli suhe vahemikus 8–10, mis on küllaltki suur). Lämmastikdioksiidi tekib väikestes kogustes ja süsinikdioksiidi tekib 4–8% vähem kui PF tehnoloogiaga. Samuti on ka tuha keemiline koostis erinev. CFBS tuhas on vähem reaktiivset kaltsiumoksiidi võrreldes PF-iga, samuti on seal vähem kaltsiumsilikaate ja rohkem anhüdriiti. Üheks miinuseks on see, et keevkihi tehnoloogiaga tekib vähem klinkrimineraale, mis on sideaine omadustega – see mõjutab põlevkivituha kasutusvõimalusi ehitusmaterjalina.

Keemiline koostis  

Põlevkivituha keemiline koostis varieerub vastavalt leiukohale, kuid 1997. aasta andmetel domineeris põlevkivituhas kaltsiumoksiid – umbes 41,5%, sellele järgnes kvarts 30 protsendiga, ning alumiiniumoksiidi, raud (III) oksiidi, kaalimoksiidi, vääveltrioksiidi ja magneesiumoksiidi leidus tuhas juba alla 10%. Seega koosneb põlevkivituhk põhiosas oksiididest. Tuha keemiline koostis sõltub kasutatud meetodist. Näiteks tolmpõletamisel juhitakse põlevkivi koldesse peenestatud kujul ja paljud ühendid aurustuvad (elavhõbe), samas mõned ei aurustu üldse (kaltsium, mangaan, magneesium). Põlevkivi lendtuhk on kompleksne segu erinevatest osakestest ja see sisaldab peaaegu kõiki perioodilisustabeli elemente kaasa arvatud raskmetalle. Mineraalsed ühendid põlevkivituhas võivad käituda PAH-ide suhtes adsorbentidena. 

Põlevkivituhk iseenesest pole loodusele kahjulik – seda võib kasutada väetistena ja pinna happesuse vähendamiseks. Balti soojuselektrijaama tuhaväljal, mida ei kasutatud pikka aega, kasvasid kased ja paljud vees lahustuvad komponendid olid vihmaveega minema viidud – see tõestab, et tuhk ise pole kahjulik. Loodusele ohtlikuks muutub põlevkivituhk seda transportiva vee tõttu, mis on väga aluseline. Kuigi tuhavees leitud ioonid on peamiselt samad, mis looduses, muudab kõrge pH vee keskkonnakahjulikuks. Tavaliselt vesi ringleb ja ei pääse süsteemist välja, kuid alati jääb võimalus lekkeks.

Keskkonnamõjud 
Põlevkivituha keskkonnamõjud on aastakümnetega suurenenud. Poolkoksimäed Kohtla-Järvel ja Kiviõlis ohustavad keskkonda mitmel eri moel.  Põlevkivi kasutamisel tekib rohkes koguses jääkprodukte – tuhka ja poolkoksi. Näiteks Eestis lisandub praeguse tempo juures umbes 5–7 miljonit tonni tuhka ja miljon tonni poolkoksi aastas, millest taaskasutatakse ainult väga väikest osa  Kõige olulisem on veereostus, eriti Kohtla-Järvel, kus ladestute nõrgvesi seguneb linna ja tööstusterritooriumi sademeveega, mis reostatud vee koguse suureks paisutab. Vaid osa sellest käideldakse ja suunatakse puhastamisele.

Tuhaväljad 
Põlevkivituhka ladestatakse vee abil tuhaväljadele. Suurtes kogustes hakkas põlevkivituhka tekkima 1959. aastal, kui tööd alustas Balti soojuselektrijaam.  Näiteks Narva lähistel tuhaväljadel katab tänapäevaks tuhk Õismäe suuruse pindala ehk ligikaudu 18 ruutkilomeetrit ja tuhakihi paksus on 40–45 m . Kokku on alates 1950. aastatest, kui põlevkivist massiline energia tootmine algas, ladestatud praeguseks üle 300 miljoni tonni tuhka. Võrdluseks, sama võimsusega kivisöeelektrijaamades tekib 5–8 korda vähem tuhka. 90% Eestis toodetavast põlevkivituhast ladestatakse veega Balti ja Eesti elektrijaamade tuhaväljadele. 
Põlevkivituha ladestamisel kasutatava vee ringlus on kinnine ja läbib uuesti soojuselektrijaama (mittepõleva lubja saab ahjust kätte ainult vee abil). Transportimisel on tuha ja vee suhe 1:20. Tuhaväljade kasutamise käigus on selgunud, et tuhk seob vett umbes 0,6–0,7 kuupmeetrit/tonni tuha kohta.

Poolkoksimäed

Õlitööstuse tahked jäätmed võib keskkonnaohtlikkuse järgi rühmitada utmis- ja ladestustehnoloogiast olenevalt kolme kategooriasse:
 Generaatorite poolkoksi (orgaanilise aine sisaldus 10–14%) märgladestustehnoloogia (Kiviõlis kuni 2001. a, Kohtla-Järvel kuni 2002. a).
 Praegusel ajal kasutuses olev generaatorite jäätmete kuivladestustehnoloogia, poolkoks (orgaanilise aine sisaldus 10–14%) transporditakse autodega jäätmemäele.
 Tahke soojuskandjaga utteseadme must tuhk (orgaanilise aine sisaldus alla 1%), ladestatakse hüdrotranspordiga (Narva õlitehas).

Poolkoksi koostis vastab pärast generaatorist väljumist ohtlike orgaaniliste ainete (polüaromaatsed ühendid, fenoolid, benso(a)püreen, naftaleen) sisalduse järgi ligilähedaselt tööstusterritooriumi pinnase jaoks kehtestatud piirnormidele, üle 10 aasta seisnud poolkoksi saaks liigitada tavajäätmeks. Märgladestustehnoloogia kasutamisel on suur osa tekkinud keskkonnakahjust põhjustatud poolkoksi juurde kuuluva fuussi jäätmetest. Jäätmemäele satub vähem ohtlikke aineid kuivladestamisel ja emissioon nõrgveega on piiratud. Kui leiti, et poolkoksimäed, kus on kasutatud kuivladestust, on oluliselt keskkonnaohutumad, siis hakati poolkoksi ladestama Kiviõlis ja Kohtla-Järvel kuivladestustehnoloogiaga.

Vähendamaks orgaaniliste ühendite sisaldust poolkoksis ja sealjuures ka ohtlikkust on tehtud mõned utmisagregaatide tehnoloogilised uuendused. Gasifitseerimisrežiimi parandamisega vähendatakse orgaanilise aine sisaldust poolkoksis 12-lt 8 protsendini. Kuid vaid see ei lahenda probleemi.

Poolkoksi põletamist restküttekolletes ja tolmküttekolletes peetakse tehniliselt ja majanduslikult ebaefektiivseks. Võrreldes nendega on keevkihikolletes põletamise eeliseks see, et saab kasutada väga erinevate füüsikalis-mehaaniliste omaduste ja terasuurusega väga väikse kütteväärtusega kütuseid ja saasteainete sisaldus tekkivas tuhas on väiksem. Uuriti nii puhta poolkoksi kui ka poolkoksi ja põlevkivisegude (10:1 ja 5:1) põletamise võimalusi. Katsetatud materjali väikseim kütteväärtus oli 4,4–6,1 MJ/kg, niiskus 6,2–11,3%.

 Põletamine keevkihi tehnoloogiaga on stabiilne temperatuurivahemikus 780–860 °C;
 Põlemistemperatuuri mõju karbonaatide lagunemisastmele on selgesti nähtav (temperatuuril 787 °C laguneb 44% karbonaate; 855 °C – 84%);
 Sulfiidse väävli sisaldus tuhas on väike – 0–0,05%;
 Pookoksi põletamisel tekkinud tuha kui sideaine aktiivsus on väiksem kui tolmküttekolletes temperatuuril 1300–1400 °C saadud tuhal;
 Poolkoksi ja segude süsiniku väljapõlemisaste oli 89–98%; kütuseosakeste täielik põlemine vajab pikemat viibimist koldes.

Poolkoksi põletamisel saastamist lendavate väävliühenditega praktiliselt ei toimu, kuna tekkiv SO2 seostub praktiliselt täielikult tahkesse faasi. Kõik meetmed ei lahenda täielikult poolkoksijäätmete küsimust ja võivad vaid leevendada nende keskkonnaohtlikkust. Poolkoksi põletamisel tekib suur hulk CO2. Keevkihi tehnoloogiaga seadmete ehitamine olemasolevate õlitehaste juurde pakub uut poolkoksi keskkonnaohtlikkuse vähendamise võimalust.

Tahke soojuskandjaga utteseadme must tuhk sarnaneb elektrijaamade tuhaga ning on leeliselisem kui generaatorite poolkoks. Orgaanilise aine sisaldus on erinevatel andmetel 0,7–3% ning ei sisalda põhilisi reostusaineid – fenoole, aromaatseid süsivesinikke.

Fuussi on suure kütteväärtuse (7–14 MJ/kg) tõttu võimalik põletada nii hävitamise eesmärgil kui ka lisakütusena. Fuussi ladestamine lõpetatigi 2002. aastal ja see põletatakse Kiviõli jõujaamas ja Kundas tsemendi põletamise tunnelahjudes.

Mõju pinnaveele  

Põlevkivituhaväljadel on tänu kaltsiumi reaktsioonile veega väga palju kaltsiumhüdroksiidi, selle reaktsiooni tulemusena on tuhaväljade vesi väga aluseline, vee pH on 12–13. Balti soojuselektrijaama settetiikides (kus vesi koguneb seal enne taaskasutust) võib olla kuni miljon kuupmeetrit vett. Vee kogus sõltub tugevalt ilmastikutingimustest (lumi, vihm). Balti elektrijaam laseb olenevalt ilmastikutingimustest settetiikidest Narva jõkke aastas kuni 2 miljonit kuupmeetrit vett. Balti elektrijaamas on liigse veega suured probleemid, sest tuhk ei seo nii palju vett kui näiteks Eesti soojuselektrijaamas. 

Kohtla-Järve ja Kiviõli õlitööstuse reostunud vee puhastus toimub biopuhastusseadmetes Kohtla-Järvel, pärast juhitakse heitvesi kollektori kaudu merre. Kohtla-Järve poolkoksimäe nõrgvesi läheb Kohtla jõkke ja sealt edasi Purtse jõe kaudu merre. Nõrgvee seiret teostab VKG keskkonna- ja tehnoloogiaosakond. Purtse jõel toimuvad äravooluvaatlused Lüganuse vaatluspostil ja 1 km kaugusel jõesuudmest, kus igakuiselt võetakse veeproove ja määratakse keemiliste komponentide sisaldused, sh raskmetallid, fenoolid ja naftasaadused.

Seire andmetel on jõgedes aastaringselt fenoolireostus; kõige tugevam on see kevadel ja sügisel, kui vihmaveega uhutakse jäätmemäelt rohkem reoaineid. Poolkoksimäele suunatakse ka puhastusseadmete muda, mis samuti võib anda osa orgaaniliste ühendite ja lämmastikreostusest pinnavees.

Purtse jõe olukord raskmetallide suhtes on paranenud, iseloomulikult saab
mainida suurenenud pliisisaldust 2,0 µg/l. Purtse jõesuudmesse enam suures koguses fenoolid ei jõua, kuid naftasaadused jõuavad endiselt.

Mõju põhjaveele 

1989–1992 loodi vaatluspuuraukude võrk põhjaveereostuse seireks Kohtla-Järve elektrijaama tuhavälja ja põlevkivikombinaadi poolkoksimäe ümbruses.

Aastatel 1996–2002 Kohtla-Järve poolkoksi ladestusala ümbruses läbi viidud põhjavee seire võimaldas jälgida reostuse levikut Lasnamäe-Kunda ja ordoviitsiumi-kambriumi põhjaveekihtides. Leiti, et saastatud on Lasnamäe-Kunda veekiht tööstusterritooriumil ja jäätmevälja ümbritseval alal kuni 300–500 meetri kaugusel. Naftasaaduste, fenoolide, arseeni ja aromaatsete süsivesinike, eelkõige benseeni sisaldus on suurem kui põhjaveele kehtestatud piirarvud. Vee pH on liiga suur ja väärtused on – 6,9–11,3, mis on tingitud tuha ja poolkoksi karbonaatse osise mõjust. Jäätmemäest 300–5000 m paiknevates puuraukudes on olnud fenoolide ja arseeni sisaldus alla piirarvu, muude orgaaniliste ühendite sisaldus jääb allapoole labori määramistäpsust.

Ordoviitsiumi-kambriumi veekihis ei nähtud 2002. aastal terves vaadeldavas piirkonnas naftasaaduste ja aromaatsete süsivesinike sisaldust. Eelmistel aastatel on selles veekihis piirkonniti ja episoodiliselt täheldatud suurenenud fenoolide ja naftasaaduste sisaldust ning benseenireostust, seepärast ei pakuta veekihti joogiveeallikaks.

Ordoviitsiumi-kambriumi veekihi vesi oli 2004. aasta seire andmetel endiselt reostunud fenoolidega. Naftasaadusi leiti kahes puuraugus ajuti üle sihtarvu, samuti leiti ühest puuraugust ka ksüleeni. Teisi siluri-ordoviitsiumi veeladestiku Lasnamäe-Kunda veekihis esinevaid reoaineid ordoviitsiumi-kambriumi põhjavees ei leitud.

Veekeskkonna (pinna- ja põhjavee) reostuses võisid arvatavasti osaleda jäätmemägede nõrgvesi ja fuuss, ka poolkoksi kustutamiseks ja laialiuhtmiseks kasutatud tööstusheitvesi ja puhastusseadmete jäätmed. Veekeskkonna reostuse vähendamiseks on lõpetatud vee kasutamine poolkoksi jahutamiseks ja väljauhtmiseks ning fuussi paigutamine poolkoksi ladestusaladele.

Mõju õhule  

Õhku reostavad enim fuusside ladestuskohtadest lenduvad fenoolid, aga ka kuumenemiskolletest eralduvad emissioonid,  nagu süsinikdioksiid, vääveldioksiid ja lendub orgaanilisi ühendeid ning raskmetalle. 

Üldiselt peetakse Ida-Virumaad problemaatilise õhukvaliteediga piirkonnaks. Statsionaarsetest allikatest õhku paisatavate saasteainete aastase koguhulga poolest juhib (85–88%) energiatööstus. Õlitööstuse ning seejuures ka jäätmeväljade osa õhu saastamises on oluliselt väiksem (6–8%) ning sellele on pööratud vähem tähelepanu. Põlevkivi utmisel läbivad õliaurud ja gaas kontaktita väliskeskkonnaga ja õhusaastet ei toimu. 

Põhilisteks Kohtla-Järve välisõhu kvaliteeti mõjutavateks saasteaineks on fenool
(hüdroksübenseen – C6H5OH), vesiniksulfiid (H2S) ja formaldehüüd (CH2O). Senise prügila 
mõju õhule 2005. aastaks eraldi uuritud ei olnud.

Kohtla-Järve piirkonnas on saasteainete sisaldus õhus keskmiselt alla lubatud piirnormide, on esinenud ka normatiivide ületamisi formaldehüüdi, fenoolide ja väävelvesinikuga. Kergelt lenduvate kahjulike orgaaniliste ühendite emissioon võib toimuda poolkoksimägede nõrgveest, utmise vedelproduktide lahtistest mahutitest või fuussist. Kuival ajal tugeva tuulega poolkoksimägedest tõusev tolm reostab õhku. Lenduvate ohtlike ainete ja tolmu leviku piiramiseks tuleks mäed haljastada ning fuussijärved likvideerida või katta.

Põlevkivituha ehk põletatud põlevkivi kasutamine  

Põlevkivituhal on mitu fraktsiooni. Kõige peenem püütakse kinni elektrifiltritega ja kõige jämedam tuleb eemaldada kolletest. Koldetuhka ei osata praegusel ajal ära kasutada, samas elektrifiltritega kinnipüütud tuhale on kasutus leitud. Peent põlevkivituhka kasutati happeliste põldude lupjamiseks. Sellest saab toota ka tuhaplokke. Kõige peenemat fraktsiooni kasutatakse tsemendi lisaainena, 15 protsenti tuhka parandab tsemendi omadusi ega pea lisama kipsi, mistõttu tsement muutub odavamaks. Probleemiks on see, et ükski tootmisharu Eestis pole võimeline nii suuri tuhakoguseid ära kasutama.

Praegu suudetakse taaskasutada kuni 5% tuhka, näiteks ehitusmaterjalides – tuhk on üks tsemendi komponente, põlevkivituhk-portlandtsement on väga hea betoonikomponent. Lisaks toodetakse põlevkivituhast ka poorbetoon müüriplokke, mis säästab loodust ja jätab loodusele pärandiks “väiksema jalajälje”. Poorbetoonist müüriplokke valmistatakse aastast 1961 Ahtmes ajaloolises poorbetoontoodete tootmispiirkonnas. 
	
Ehitusmaterjalide tootmiseks sisaldab põlevkivituhk liiga palju kaltsiumoksiidi, mistõttu on seda sideainena kasutamiseks vaja töödelda. Kundas toodetud põlevkivituhka sisaldavast tsemendist on ehitatud Tallinna teletorn ja ka Sosnovõi Bori tuumaelektrijaam. Teine kasutusvõimalus on põllumajanduses happeliste muldade puhul, kuigi ajas on selle osatähtsus oluliselt vähenenud, nimelt Eestis on aluselised mullad ja varem transporditi tuhka Venemaale. 

Üks võimalus põlevkivituha kasutamiseks on kaevanduskäikude taastäitmine. Ammendatud kaevanduskäikudesse pumbatakse põlevkivituhka, mis maa all kivistub ja välistab hilisemad maapinnalangatused – kaevanduse lagi jääb kindlalt püsima. Praegu välditakse kaevanduse lagede langatusi arvukate tervikutega – kaevandusse jäetakse sambad, mis hoiavad lage üleval. Seetõttu läheb hulk (kuni 30 protsenti) väärtuslikku maavara kaotsi, samuti ei välista selline sammastik kaevanduse varisemist mitukümmend aastat pärast kaevetööde lõppu. Kaevanduskäikude täitmine põlevkivituhast toodetud betooniga on siiski kulukas, kuna tuha transport kaevandustesse ja betooni maa alla pumpamine on kallis. 								
Põlevkivituhka saab kasutada teede asfaltkatte alumiste kihtide või turbapinnaste tugevdamiseks. Põlevkivituha ja liiva segu lisamine turbapinnasele tõstab pinnase kandevõimet ja vähendab külmakergete tekkimist. Selle võimaluse juures on miinuseks, et Narvast on kauge ja kallis tuhka näiteks Edela-Eestisse vedada, seda võimalust saab kasutada Põhja-Eestis. 							

Tulevikus loodetakse sadamate juures põlevkivituhaga vabaneda reostunud põhjamudast. Seda stabiliseeritakse praegu tsemendiga, aga oleks võimalik osa tsemendist asendada põlevkivituhaga.

Põletatud põlevkivil on head omadused polümeerkomposiitide tootmisel side- ja täiteainena. Esimesed katsetootmised on näidanud suurepäraseid tulemusi võrreldes teiste polümeerkomposiitides kasutatavate materjalidega. Lisandväärtus põletatud põlevkivi kasutamisel polümeerkomposiitides on kordades suurem kui põlevkivi põletamisel saadav elektri- ja soojusenergia.

Vaata ka
Põlevkivijäätmed

Viited

Välislingid 
 "Põlevkivituhk sai ohtliku jäätme staatusest priiks" ERR, 10. detsember 2019

Põlevkivi
Eesti põlevkivitööstus