Утилизация отходов тепловых электростанций Украины, использующих пылеугольное и жидкое топливо

УДК 574, 504.55, 75, 501.75

УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ УКРАИНЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ПЫЛЕУГОЛЬНОЕ И ЖИДКОЕ ТОПЛИВО

А.М. Коваленко, доцент, к.п.н., Харьковский институт экологии и социальной защиты, А.М. Касимов, профессор, д.т.н., А.А. Ковалёв, аспирант, Украинский научно-исследовательский институт экологических проблем, г. Харьков

Аннотация. Рассмотрены основные свойства отходов тепловых электростанций (ТЭС) Украины и технологии их утилизации. Установлена возможность использования золошлаковых отвалов как источника ценных и дефицитных соединений тяжелых и редких металлов.

Ключевые слова: отходы ТЭС, утилизация, тяжёлые и редкие металлы, твёрдое и жидкое топливо.

УТИЛІЗАЦІЯ ВІДХОДІВ ТЕПЛОВИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ УКРАЇНИ,

ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬ ПИЛОВУГІЛЬНЕ ТА РІДКЕ ПАЛИВО

О.М. Коваленко, доцент, к.п.н., Харківський інститут екології і соціального захисту, О.М. Касімов, професор, д.т.н., О.О. Ковальов, аспірант, Український науково-дослідний інститут екологічних проблем, м. Харків

Анотація. Розглянуто основні властивості відходів теплових електростанцій (ТЕС) України і технології їх утилізації. Встановлено можливість використання попелошлакових відвалів як джерела цінних і дефіцитних сполук важких та рідких металів

Ключові слова: відходи ТЕС, утилізація, важкі та рідкі метали, тверде та рідке паливо.

UTILIZATION OF WASTE FROM UKRAINIAN POWER STATIONS USING

DUSTCOAL AND LIQUID FUEL

A. Kovalenko, Associate Professor, Candidate of Pedagogical Science, Kharkiv Institute of Ecology and Social Protection, A. Kasimov, Professor, Doctor of Technical Science, A. Kovalyov, postgraduate, Ukrainian National Research Institute of Ecological Problems, Kharkiv

Abstract. Main properties of Ukrainian power stations waste and the technology of their utilization are analyzed. The possibility of using the ash dump as a source of heavy and rare metals has been stated.

Key words: power station waste, utilization, heavy and rare metals, solid and liquid fuel.

Введение

Энергетика Украины включает крупные тепловые электростанции (ТЭС) - Запорожскую, Змиевскую, Бурштынскую, Углегорскую, Зуевскую и др. Для них характерен сравнительно низкий уровень эколого-экономи-ческих показателей.

Образующиеся при сжигании углей на ТЭС золошлаковые отвалы (ЗШО) являются крупнотоннажными. Для их транспортирования применяют, в основном, системы гидрозолоудаления. К настоящему времени в отвалах ТЭС Украины накоплено 358,8 млн т ЗШО на площади 3170 га. Среднегодовой выход золошлаков достиг 14 млн т и, в связи с ухудшением качества топлива, имеет тенденцию к росту.

Анализ публикаций

Змиевская ТЭС (г. Змиев) складирует более 800 тыс. т/год золошлаков и выделяет в атмосферу около 300 т/сут выбросов пыли. Золы транспортируют по системе гидрозолоудаления и складируют. На рис. 1 приведены общие виды ЗШО: а) Зуевской и б) Углегорской ТЭС.

Рис. 1. Общий вид золошлакоотвалов: а -Зуевской; б - Углегорской ТЭС

По мере выработки минерального сырья с высоким содержанием полезных компонентов промышленность все чаще переходит к использованию бедного, в т.ч. вторичного нетрадиционного сырья. Многие отходы могут являться достаточно ценным сырьём для других отраслей промышленности в качестве техногенных месторождений (ТеМ). Высокая эффективность использования побочных продуктов и промышленных отходов приведёт к значительному повышению их удельного веса в общем балансе сырьевых ресурсов.

Это, в свою очередь, будет способствовать сбережению природного сырья и решению проблем защиты окружающей природной среды (ОПС). В связи с этим эффективная утилизация вторичного сырья становится одной из наиболее важных проблем современности.

Техногенные месторождения (рис. 2) сформировались в ХХ в. в районах размещения предприятий горнометаллургического и

энергетического комплексов Украины. Особенностями ТеМ являются: географически они расположены только в промышленно развитых районах; находятся на поверхности и горная масса в них преимущественно дезинтегрирована; в них присутствует значительное количество минералов - более 30000, в то время как в обычных месторождениях их содержится около 3000. Среди элементов примесей особое внимание привлекают редкие элементы: 8е, 2г, V, N1 и др.

Последняя особенность определяет сложность технологий переработки техногенных ископаемых, т. к. из-за многообразия минеральных форм, требуются более сложные технологии, основанные на последних достижениях науки и техники, чем для обычных

руд.

До настоящего времени техногенные месторождения используются в незначительных масштабах. Основной причиной этого является то, что для широкого вовлечения их в переработку требуется строительство практически новых производств, реализующих новые технологические принципы. Отсюда -высокая капиталоёмкость нового строительства и реконструкции с последовательной заменой действующих технологических линий на новые производства.

Состав и строение ТеМ определяются рядом факторов, важнейшими среди которых являются: условия образования (добыча и обогащение руд и угля, переработка концентратов руд, сжигание угля и т.д.); состав первичного сырья (месторождения цветных и редких металлов, полиметаллические, железорудные и другие типы коренных месторождений); физико-химические и механические процессы климатического воздействия и выветривания отвалов [1-4].

Они интенсивно окисляются, выщелачиваются и разрушаются, что приводит к изменению минералогического и вещественного состава техногенных отложений, выносу элементов и образованию ореолов рассеяния вокруг отвалов.

В приповерхностной зоне техногенных отложений под воздействием кислорода, осадков, фильтрационных полей и др. факторов происходят интенсивное растворение и миграция ионов тяжелых и редких металлов

Рис. 2. Классификация техногенных месторождений

(ТРМ). При этом могут образовываться обеднённые и обогащённые металлами участки.

Главными видами воздействия объектов промышленной энергетики на ОПС являются поступление в атмосферу, водный бассейн, грунтовые воды и на земную поверхность токсичных компонентов сырья, полупродуктов, собственных отвалов и деятельности вспомогательных производств.

Основными источниками воздействия предприятия на ОПС являются организованные и неорганизованные пылегазовые выбросы, сбросы сточных вод и поверхностных стоков с территории шламонакопителей, шлакоотвалов.

Индикаторы загрязнения ОПС - химические соединения, отвечающие составу сырья, полупродуктов и собственных отходов с учётом фона в районе размещения данного предприятия.

Объекты ущерба - приземная атмосфера, земельные площади, водоёмы в пределах рассеяния индикаторов загрязнения в диапазоне установленных ПДК, антропогенные объек-

ты, ландшафты. В общем случае определяют потенциальный, предотвращаемый, компенсируемый, ликвидируемый и остаточный виды ущерба. Виды воздействия на ОПС со стороны золошлаконакопителя крупного предприятия приведены на рис. 3.

Цель и постановка задачи

Целью работы является совершенствование системы обращения с отходами ТЭС Украины. Создавшаяся экологическая ситуация создает технологические и эколого-эконо-мические проблемы, т. к. увеличиваются производственные затраты и стоимость природоохранных мероприятий [1-4].

Усредненный химический состав 4 золошлаковых отвалов (ЗШО) Луганской области приведен в табл. 1 [1-4].

Приведенные данные подтверждают возможность и перспективность оценки ЗШО Донбасса как источников снабжения украинской промышленности ценными и дефицитными соединениями тяжелых и редких металлов.

Гидродинамическое и гидр охимическо е В 03 -действие

Пылегазовое

воздействие

Механическое-

воздействие

1

Нарушение природного ландшафта

Вид грунтов под основанием щламонакопнгеля

ЕЛЛІ

Отчуждение, изъятие земель

]

Водоупорные

Фильтрационные

Подтопление, затопление, заболачивание, оползни, техногенные землетрясения

Расход водоносных горизонтов »фильтраинонных потерь Расход водоносных горизонтов;^ фильтрационным потерям

]

Пр оя вл ение фил ьтрационных Изменение структуры Формтцмваниекону-

потерь на поверхности земли потока незначительно СОЕ репрессии

Г ндрохнмические загрязнения

Поверхности земли и Водоносных горизонтов в Водоносных горизонтов в

водного бассейна форме ор еолов р ассеяния форме объемов растекания

Рис. 3. Факторы воздействия накопителя золошлаков на ОПС

Таблица 1 Содержание химических элементов Таблица 2 Состав зольных остатков, получаемых

в ЗШО при сжигании мазутов на ТЭС

Эле- мент Содержание, мг/кг Кларк в осадочных породах

не 0,28-1,32 0,04

РЬ 38,8-497,5 20

Си 21,3-63,7 57

Аб 12,8-57,2 6,6

V 133-241,7 130

Мп 371-987 650

Сг 112,1-159,2 100

Мо 2-4 2

Ы 53,9-109,4 6

са 1,55-2,3 0,3

2п 100-121,7 80

С 3,2-15,6% масс.) -

Результаты исследований

Для многих ТЭС Украины мазут служит резервным топливом. Химический состав зольных остатков (ЗО), образующихся при сжигании мазутов на ТЭС и отлагающихся на регенеративных поверхностях котлов, приведен в табл. 2.

Место отбора проб зольных остатков Содержание компонентов, % масс.

РЄобщ. бю2 СаО У2О5 Б проч.

Ново- Рязан- ская ТЭС, РФ 5,3 10,8 30,1 19,6 0,4 30,8

Литов- ская ТЭС 22,1 9,6 22,4 2,63 0,34 25,6

Три- польска ТЭС, Украина 24,3 6,3 6,3 5,02 2,6 46,48

Запо- рожская ТЭС, Украина 21,5 7,6 13,0 4,9 1,8 42,3

С целью утилизации ЗО, образующихся при сжигании высокосернистых мазутов, авторами разработана и испытана в промышленных условиях технология утилизации их для получения чугуна с содержанием ванадия >0,6 %.

Предлагаемый способ обеспечивает получение ванадиевого чугуна с повышенным и регулируемым содержанием V, позволяет утилизировать его из нетрадиционного вторичного сырья и снизить нагрузку на все сферы ОПС [1-4].

Достоинства технологии: получение продукции для замещения стратегического импорта Украины; крупный эколого-экономический и социальный эффект; снижение себестоимости товарной продукции металлургических заводов.

Разработана пиро-гидрометаллургическая

технология извлечения ванадия из шлаковых отходов Запорожского титано-магниевого комбината. Компоненты шихты измельчают, смешивают и гранулируют. Гранулы поступают на окислительный обжиг и выщелачивание водой и Н2804.

В процессе исследований получено уравнение, описывающее непрерывный процесс выщелачивания обожженной ванадиевой шихты растворами Н2804

а = 1 • [1 + 2 • 106 • е-370,т • 10-0,44 • pH • т]-0,71.

Для периодического процесса остаточная концентрация ванадия в твердой фазе

Ф

где Сост = 1 - а (Т; рН; т) = [1+2-106 -е~3870/Т х х 10-0,44-рН-т]-0,71

Кислотное выщелачивание обожженного с известняком ванадиевого сырья протекает с образованием растворимых декаванадатов Са, Ка, Бе, Мп и др. Реакция протекает в 2 стадии. Первая описывается реакцией образования декаванадатов:

(Н +) Н + /оч

Ме^^ - Ме2+ +

где Ме - Ка, Са, Мп, Бе и др.

Вторая стадия - это разложение образовавшихся декаванадатов ряда Ме с выделением малорастворимых соединений поливанада-тов. Изменение концентрации V в растворе зависит от скоростей протекания реакций (3) и (4).

НпУ100

Н+

где п - 0; 1; 2; А и В = 1-4 (экспериментальные коэффициенты).

Гидролитическое осаждение ванадия ведут с корректировкой рН среды в высокотемпературных газо-жидкостных струях. Этот метод может быть наиболее перспективным для

Л 7-5+

выделения V .

Выводы

1. Состояние редкометальной отрасли Украины требует радикальных решений в развитии и реструктуризации минеральносырьевой базы (переоценка запасов с выделением ТеМ, эксплуатация которых рентабельна в современных условиях) и реконструкции существующих производств, что связано с немалыми инвестициями.

2. Особую роль могут сыграть крупнотоннажные отходы энергетических предприятий, где сосредоточены значительные запасы ТРМ, представляющих стратегический интерес. В современных условиях обеспечение экономической безопасности Украины связано с долгосрочными проблемами развития собственных отраслей редкометальной промышленности с полным производственным циклом и решением неотложных задач обеспечения гражданских и оборонных отраслей промышленности ТРМ на основе кооперации и развития экономически выгодных и конкурентоспособных проектов.

3. Одной из задач является реконструкция и развитие собственных редкометальных предприятий на основе новых перспективных технологий.

Решение этих задач требует детальной технической, экономической, экологической и правовой проработки, которая может быть осуществлена в рамках новой комплексной программы «Редкие металлы», которую может разработать УкрНИИЭП совместно с ХИЭСЗ (с конкретными поэтапными региональными разделами), в виде техникоэкономических проектов «от источников минерального сырья, его добычи, переработки до конкретных потребителей товарной продукции» на внутреннем и внешних рынках.

Литература

1. Касимов А.М. Технология утилизации ва-

надийсодержащих отходов ЗТМК / А.М. Касимов // Сотрудничество для решения проблемы отходов : тезисы доклада Междунар. науч.-техн. конф. -Харьков, 2005. - С. 65-67.

2. Управление опасными промышленными

отходами. Современные проблемы и решения: монография / А.М. Касимов, Л.Л. Товажнянский, В.И. Тошинский, Д. В. Сталинский. - Харьков : Изд. Дом НТУ «ХПИ», 2009. - 512 с.

3. Касимов А.М. Технология извлечения со-

единений ванадия и никеля из зольных остатков сжигания высокосернистых

мазутов / А. М. Касимов // Редкие металлы - взгляд в будущее : сб. науч. тр. ИГН НАНУ. - К., 2001. - с. 59.

4. Касимов А.М. Отходы горно-металлургического комплекса - потенциальная сырьевая база развития производства редких и тяжёлых металлов / А.М. Касимов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2005. -

№4/2(16). - С. 147-150.

Рецензент: А.В. Гриценко, профессор,

д.геогр.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 15 ноября 2010 г.