Способ хранения золы-уноса бурых углей
METHOD FOR STORAGE OF FLY ASH OF BROWN COALS

Изобретение относится к области утилизации золошлаковых отходов (ЗОЩ) от сжигания углей на теплоэлектростанциях (ТЭЦ), в частности золы-уноса бурых углей после электрофильтров котлов больших ТЭЦ, в целях использования в сельском хозяйстве.
«В процессах слоевого или факельного сжигания углей на теплоэлектростанциях (ТЭС) образуются газообразные продукты и твердые золошлаковые отходы (ЗШО) – золы-уноса и шлаки. Годовой объем ЗШО в России составляет около 30,4 млн. тонн (данные 2015 года), при этом потребителям по самым оптимистичным прогнозам было отгружено около 4,2 млн. тонн ЗШО. Остальная масса золошлаковых отходов складируется в золоотвалах и на полигонах» (Дис. Фоменко Н.А. «Применение окисленных бурых углей для повышения экологической безопасности утилизации золошлаковых отходов», Москва, 2019).
В золе-уносе ТЭЦ присутствуют до 30 различных макро- и микроэлементов, многие из которых жизненно необходимы для растений, поэтому золу-унос углей используют в качестве микроудобрений. Такая подкормка обогащает бедные земли микроэлементами. Кроме того, зола-унос бурых углей может быть использована для раскисления почв (патент № 2757060 от 05.03.2021).
Золу-уноса углей, сжигаемых на ТЭЦ, в зимние время года в Сибири производят в большом количестве. В летнее - в 5-6 раз меньше. В то время как использование золы в сельском хозяйстве идет интенсивно в теплое время года, в связи с чем актуально создание хранилищ вблизи мест использования золы-уноса - селько-хозяйственных посевных площадей.
Зола-унос бурых углей Сибирского региона характеризуются высоким содержанием окиси кальция 24-45% (Дис. Фоменко Н.А. «Применение окисленных бурых углей для повышения экологической безопасности утилизации золошлаковых отходов», Москва, 2019).
В частности, зола-унос бурого угля Бородинского разреза, сжигаемого на ТЭЦ-5 г. Новосибирска, содержит около 30% окиси кальция (Паспорт качества на золу-унос от 27 09 2018).
На ТЭЦ лишнюю золу удаляют в пруды отстойники, часто путем мокрого переноса на 2 - 3 км. При этом ее полезные свойства, в первую очередь за счет растворения в воде ценнейшей составляющей окиси кальция (СаО), полностью теряются.
Задачей изобретения является создание способа хранения золы-уноса бурых углей более простого и доступного для использования в сельском хозяйстве и позволяющего сохранить ее полезные свойства.
,
Технический результат от использования способа - упрощение технологии хранения золы-уноса, осуществление своевременной доставки ее к местам использования, повышение качества золы-уноса как минеральной добавки к почвамвозможность хранить длительной время, как минимум до года.
Поставленная задача решена предлагаемым способом, состоящим в том, что зола-унос бурых углей загружается в любое время года в вырытые в земле ямы - хранилища, без дорогого бетонирования стенок и создания специальных крышек.
Этот способ базируется на наших трехлетних исследованиях поведения золы в летнее и зимнее время года, под снегом и в дождь, при отсыпке как в бетонные, так и в земляные ямы и просто на почву в разных режимах и температурах отсыпаемой золы.
Основное свойство золы-уноса бурых углей, позволяющее реализовать нашу идею, это наличие СаО в количестве 20-50%. Именно этот компонент придает золе свойства при взаимодействии с внешней, почвенной или снего-дождевой влагой производить процесс, который мы называем пленочное (корочковое) самобетонирование.
На фиг. 1 изображена схема ямы-хранилища, где 1-земля, 2- зола-унос, 3-самобетонирующая корочка.
Способ осуществляется следующим образом: В почве вырывается яма-хранилище, лучше прямоугольная, экскаватором. Размеры ямы - хранилища определяются объемом золы-уноса, подлежащим хранению. При размере средней ямы на один золовоз (20-25 тонн) это 10 метров длиной на 2-3 м шириной и метр глубиной. Численная модель нашей разработки позволяет варьировать эти параметры в больших пределах, например на 5 машин золовозов сразу.
Отметим важное свойство земляных хранилищ. Нижняя граница будет находиться в зоне положительных температур почти для всех районов Сибири. Значит, как показывают наши расчеты и известные многочисленные экспериментальные данные по переносу тепла в Сибирских почвах, основная масса золы не будет промерзать, что дополнительно позволит сохранить ее положительные качества - высокую дисперсность, малый размер частиц в конгломерате, не обводнение СаО до Са(ОН)2.
С другой стороны, если потребуется запустить другие реакции, можно в яму добавлять, например, несколько процентов воды для связывания пылевых частиц, что резко уменьшит запыленность при изъятии золы из ямы - хранилища.
Обычно, засыпание в яму одной машины - 20 тонн, происходит быстро, за 20-30 минут максимум, это позволяет считать (и экспериментально это подтверждается), что зола не успевает захватить атмосферную влагу в основном своем объеме.
Влага с поверхности может впитаться на глубину золы около 1,5 см. Но при этом запускаются процессы образования бетонирующего слоя (образуются связывающие производные от СаО, как и при изготовлении марочных бетонов). После связывания - до суток, слой перестает практически пропускать в золу воду и воздух.
Были проведены эксперименты по определению скорости проникновения влаги и роста самобетонирующей корочки на стадии просачивания влаги из почвы.
Зола около 1 кг насыпалась конусом и фотографировались изменения. При просачивании влаги зола меняла цвет на более темный, что позволяло измерять продвижение границы влажности в золе в программах фотометрирования снимков. Было показано, что на ранней стадии влага поднимается по боковым граням насыпки на 3 мм в час, потом на 1 мм, и за 12 часов полностью продвижение границы прекращается при достижении толщины в 9 -15 мм. При этом методом ударного звукового Фурье анализа была измерена звуковая частота внутри забетонировавшейся корочки, и по этой характеристике мы определяли протекание процесса и его окончание.
На Фиг 2, 3, 4, 5 представлены фотографии образца золы, засыпанной месяц назад в почву, лесной чернозем, и потом очищенной от почвы. Форма конуса засыпки сохраняется. Затем измерялась твердость самобетонирующей оболочки (Фиг 3, 4) методом конусной иглы и методом частотного анализа. Эти данные сопоставимы с корочками настоящего бетона толщиной 10 мм.
На Фиг. 5 приведено определение толщин стенок самобетонирующей оболочки. Нижняя часть очищена от почвы, верхняя от золы. По полевым измерениям рН и ионной проводимости зола внутри конуса не изменила кальцинирующих свойств.
Мы предлагаем использовать такой эксперимент перед выбором места, где будут организованы большие зольные ямы.
Измерения проводились в летнее время, когда почва достаточно прогретая и нормально увлажнена.
2
В зависимости от погодных условий, после загрузки золы-уноса в яму хранилище возможно использовать принудительное опрыскивание распылом водных мелкодисперсных струй по поверхности золы (2-4 л/м до достижения толщины увлажненного слоя около 10-15 мм), или поэтапно по мере наполнения ямы-хранилища.
Характерные времена - время разгрузки 20 тонн золы около 20 минут. Время затвердевания корочки при опрыскивании водой - 5-10 минут. Если без опрыскивания - 12-24 часа (за счет всасывания атмосферной влаги).
При содержании в золе-уносе окиси кальция менее 20%, для образования самобетонирующей корочки рекомендуется произвести опрыскивание водной дисперсной струей с добавками в нее жидкого стекла концентрацией 2-5% от объема разбрызгиваемой воды.
До загрузки золы-уноса в яму хранилище рекомендуется предварительно определить скорость проникновения влаги из земли в зольную массу. На практике это легко осуществляется насыпкой пробной кучки золы (0,5 кГ) на почву из ямы. Вода начинает всасываться в золу, с четко видимым более темным фронтом. Если скорость продвижения фронта воды из почвы в золу более 1-2 мм/час, то этого достаточно для процессов самобетонирования высококальцинированной золы.
2
Если скорость проникновения влаги из земли в зольную массу меньше указанной, то необходимо, произвести дополнительное смачивание дна и стенок ямы путем разбрызгивания дисперсной воды из расчета 2-4 л/м орошаемой поверхности для ускорения образования бетонирующей корочки.
Как правило, при засыпке золы-уноса в яму-хранилище, в летнее время, в ней достаточно влаги для отсасывания золой и образования корочки около 1 см толщиной.
В ямах, подвергшихся «вымораживанию», т.е. вырытых за 5 и более часов до засыпки золы-уноса возможны два варианта: если зола имеет температуру 30°С и более, яма-хранилище не требует никакой дополнительной обработки, т.к нагретый массив золы-уноса обеспечит оттаивание прилегающей почвы и проникновение влаги с образованием самобетонирующей корочки.
2
Если же зола-унос остыла после отгрузки из бункеров ТЭЦ, то перед загрузкой золы-уноса в яму-хранилище, производят смачивание дна и стенок ямы путем разбрызгивания дисперсной воды из расчета 2-4 л/м орошаемой поверхности, или посыпают снегом в количестве, эквивалентном необходимому количеству воды, в зимний период. Земля глубиной более пол-метра дает поток тепла в золу, и через 2- 3 суток температура выходит на плюс 5°С, почвенная вода оттаивает на границах стенок ямы, или тает снег, брошенный в яму, и процесс самобетонирования продолжается.
2
Для создания более плотных корочек, а также в случае содержания в золе-уносе окиси кальция менее 20% необходимо использовать для орошения дна и стенок ямы -хранилища 2-5% водный раствор жидкого стекла из расчета 2-4 л/м орошаемой поверхности.
Экспериментальные измерения толщины самобетонирующей корочки показали, что во всех режимах образуется корочка толщиной 0.5-1.5 см.
Корочка выполняет следующие функции:
не пропускает влагу и углекислый газ (СО2) атмосферный (около 400 ppm) и почвенный СО2 (5-10% от атмосферы может достигать концентрации почвенной СО2), что позволяет прекратить реакции образования мела (СаСО3) из гидрата окиси кальция (Са(ОН)2)
опыт показывает, что зола под корочкой остается практически без изменений в режиме полного самобетонирования как минимум год.
По мере «созреваний» некоторых свойств золы или при производственной необходимости на полях и буртах, яма может опустошаться экскаватором и вывозиться на поля, или на пометные гурты.
Зимой в поле может не быть свободной воды, в этом случае можно использовать снег, чтобы не подвозить воду в мороз. При температуре ниже 15-20°С распыл дисперсной воды приведет к ее быстрому замерзанию на стенах ямы, пока зола еще не загружена (за 10-15 минут). Поэтому лучше использовать снег. На дно снег насыпается сразу, на поверхность стен ямы по мере подъема уровня золы в яме. В конце желательно слой снега, для создания корочки, насыпать на поверхность золы в яме. Иначе придется ждать до 10 дней отсоса влаги из сухого атмосферного зимнего воздуха.
Нами были проведены зимние эксперименты в 2019- 2021 годах с массами в 2-3 кг золы-уноса разных отборов с ТЭЦ-5 (до 15 образцов). Испытывались два режима - без опрыскивание водой, и с опрыскиванием дисперсной водой.
С опрыскиванием водой положительной температуры и холодной золой образование корочки проходило за 10 минут максимум. После этого корочка приобретала нужные нам свойства непроницаемости по газам и воде.
Без опрыскивания водой влага поступала из холодного воздуха, сухого зимой, и процесс образования корочки мог занять до 2 суток. Но пары воды не проникали глубже 10-15 мм, что позволяло оставлять свойство золы внутри основного объема на прежней начальном уровне, и хранить, включая и весеннее таяние снегов на этой корочке. Вода от таяния просто стекала по сторонам, поэтому мы рекомендуем делать первичную насыпку золы с небольшой горкой (2-5 градуса уклона от центра к краям засыпки).