Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние и уровень изученности проблемы загрязнения окружающей природной среды золошлаковыми отходами топливно-энергетического комплекса 12
1.1 Роль угля в обеспечении энергетической безопасности России 12
1.2 Оценка влияния золошлаковых отходов и объектов их размещения на загрязнения компонентов окружающей природной среды 15
1.3 Краткий анализ существующих критериев экологической оценки углей и продуктов их сжигания 20
1.4 Химический состав геосистемы «уголь - зола-унос - шлак -золошлак» 22
1.5 Анализ изученности токсичных микроэлементов в геосистеме «уголь - зола-унос - шлак - золошлак» 25
1.6 Краткий анализ экологических последствий, связанных с образованием и размещением ЗШО 27
1.6.1 Оценка способов сжигания углей на ТЭС 27
1.6.2 Экологическая оценка способов и систем золошлакоудаления 30
1.7 Цели задачи исследований 34
2 Комплексная характеристика энергетических углей и ТЭС восточного Забайкалья 35
2.1 Угольно-энергетическая база Восточной Сибири и Дальнего Востока 35
2.2 Ресурсы энергетических углей месторождений Восточного Забайкалья 36
2.3 Состав и свойства основных углей, сжигаемых на крупнейших ТЭС Восточного Забайкалья 39
2.4 Характеристика ТЭЦ 1, ТЭЦ 2 и ПТЭЦ как объектов исследования 44
2.5 Выводы по главе 55
3 Методология опробования геосистемы «уголь - зола-унос - шлак - золошлак» на ТЭС и методы исследования 56
3.1 Основные положения комплексной оценки состава и свойств ЗШО на объектах исследования 56
3.2 Методика опробования продуктов системы золоулавливания и гидрозолоудаления 58
3.2.1 Особенности отбора проб на объектах исследования с целью установления класса опасности 63
3.3 График отбора проб 65
3.4 Подготовка проб к анализу 66
3.5 Методы исследований и виды анализов 69
3.6 Выводы по главе 75
4 Эколого-технологическая оценка состава и свойств зшо, образующихся при сжигании углей на ТЭЦ 1, ТЭЦ 2 и ПТЭЦ 76
4.1 Обоснование критериев эколого-технологической оценки ЗШО 76
4.2 Технологическая характеристика исследуемых проб 77
4.3 Химический, микрокомпонентный, гранулометрический состав исходных углей и ЗШО 79
4.3.1 Химический состав минеральной части исходных углей и продуктов их сжигания 79
4.3.2 Гранулометрический состав продуктов сжигания углей 82
4.3.3 Гравитационное фракционирование и минеральный состав фракций ЗШО ТЭЦ 1 и ТЭЦ 2 85
4.3.4 Минеральный состав исследуемых проб 87
4.3.5 Минералого-петрографический состав золы-уноса ТЭЦ 2 95
4.3.6 Оценочные критерии содержания в углях и продуктах сжигания углей потенциально промышленно ценных и токсичных компонентов 97
4.3.7 Микрокомпонентый состав минеральной части исходных углей и продуктов их сжигания 98
4.4 Исследование магнитной восприимчивости проб Харанорских углей и продуктов их сжигания на ТЭС 117
4.5 Отнесение золошлаков от сжигания углей Харанорского, Уртуйского, Татауровского месторождений к классу опасности для окружающей природной среды 119
4.5.1 Общие положения методики отнесения отходов к классу опасности для ОПС 119
4.6 Оценка активности естественных радионуклидов используемых углей и продуктах их сжигания на ТЭЦ 1, ТЭЦ 2 и ПТЭЦ 126
4.7 Выводы по главе 134
5 Обоснование и выбор основных направлений использования ЗШО в хозяйственном комплексе 136
5.1 Оценка основных направлений промышленного использования ЗШО 136
5.2 Анализ существующих классификаций технологий утилизации ЗШО 140
5.3 Предлагаемая классификация ЗШО для обоснования выбора направления их использования на основе обобщения эколого-технологических показателей 142
5.4 Рекомендации по основным направлениям утилизации ЗШО ТЭЦ 1, ТЭЦ 2, ПТЭЦ 145
5.5 Эколого-экономическая оценка платы за размещение золошлаковых отходов ТЭК Восточного Забайкалья 150
5.6 Выводы по главе 152
Заключение 153
Список литературы 156
- Оценка влияния золошлаковых отходов и объектов их размещения на загрязнения компонентов окружающей природной среды
- Ресурсы энергетических углей месторождений Восточного Забайкалья
- Методика опробования продуктов системы золоулавливания и гидрозолоудаления
- Химический состав минеральной части исходных углей и продуктов их сжигания
Введение к работе
Актуальность работы. Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) Восточного Забайкалья занимает ведущее место в промышленности региона, обеспечивая в значительной степени установившуюся стабильность в развитии промышленности, строительства. Он вносит решающий вклад в формирование финансово-экономических показателей региона и, в конечном итоге, в обеспечение национальной безопасности Восточной Сибири.
ТЭК Читинской области объединяет шесть крупных теплоэлектростанций (ТЭС), в том числе электростанций крупных предприятий, а также значительное количество малых производственных котельных, работающих на бурых углях Восточного Забайкалья. Бурые угли Харанорского, Татауровского, Уртуйского месторождений по стратегии Сибирской угольно-экономической компании (СУ-ЭК) являются приоритетным топливом с перспективой роста объемов сжигания на ТЭС региона и реализацией в пограничные области.
В золошлаковых отходах ТЭС в несколько раз по сравнению с исходными углями может возрастать содержание токсичных (S, Be, Hg, As, F,), потенциально токсичных и тяжелых металлов (Mn, Pb, V, Ni, Со, Сг, Cd, Se), в том числе - потенциально промышленно значимых микро- и макроэлементов и их соединений. Золошлаки, накапливаясь в золоотвалах в значительных объемах, создают реальную угрозу загрязнения почв, водоемов, атмосферы, но, в то же время, могут представлять промышленный интерес как нетрадиционное техногенное сырье.
Изучение токсичных ценных компонентов и закономерности их распределения в углях и продуктах сжигания, по существу, является новым разделом в экологии тепловой энергетики. Формирование и развитие его как самостоятельного научного направления началось в 80-х годах благодаря работам Юдовича ЯЗ., Клера В.Р., Шпирта М.Я., Беляева В.К., Трунова Б.Д., Пантелеева В.Г., Кетри-саМ.П., Моисеенко В.Г., Путилова В.Я., Рубана В.А., Зильбершмидта М.Г., Наркелюна Л.Ф. и других известных ученых.
До настоящего времени комплексных исследований продуктов сжигания углей месторождений Восточного Забайкалья не проводилось.
Таким образом, актуальность работы обусловлена необходимостью комплексной оценки золошлаковых отходов от сжигания углей в свете современных требований, предъявляемых к отходам производства с точки зрения экологической опасности для окружающей природной среды (ОПС), а также возможности и направлений их утилизации.
Основная научная идея заключается в системном подходе к изучению свойств, качественного и количественного состава золообразующих элементов, токсичных, потенциально промышленно значимых компонентов в сложной геосистеме «уголь - зола-унос - шлак - золошлак».
Объекты исследования. Золошлаковые отходы (ЗШО), образующиеся при сжигании харанорских, уртуйских, татауровских углей на крупнейших ТЭС ОАО «Читаэнерго» - Читинских ТЭЦ 1, ТЭЦ 2, Приаргунской ТЭЦ.
Методы исследования. Направление работы формировалось на основе проведенных патентно-информационных исследований. В работе использован комплекс традиционных и новых методов исследований: физико-химический, химический, седиментационный, гравиметрический, минералогический, гранулометрический, спектральный полуколичественный, силикатный, масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS), сканирующая электронная микроскопия в сочетании с энерго-дисперсионным рентгеновским анализом, оптико-геометрический, рентгенофлуоресцентный (РФА), оптико-геометрический с автоматическим компьютерным анализом изображения, магнитометрический, атомно-адсорбционный, гамма-бета исследования, гамма-спектрометрический, токсикологический (биологическое тестирование), статистическая обработка данных.
Защищаемые научные положения
1. Золошлаковые отходы ТЭС оцениваются как сложная геосистема: «уголь - зола-унос - шлак - золошлак», позволяющая с использованием новейших методов исследований выделить в ней качественные и количественные значения по трем основным группам элементов:
золообразующим;
токсичным, потенциально токсичным;
потенциально промышленно значимым.
Комплексная оценка экологической безопасности ЗШО базируется на основе отнесения их к классу опасности для ОПС с использованием расчетного метода, подтвержденного биологическим тестированием и дополнительным контролем значения удельной эффективной активности природных радионуклидов (АЭфф, Бк/кг).
Частная классификация продуктов сжигания углей для обоснованного выбора направления их использования в народном хозяйстве базируется на основе учета основных параметров:
технологических свойств и компонентного состава;
относительной ценности сконцентрированных микроэлементов по сравнению с минимальным содержанием, определяющим возможную промышленную значимость;
классов опасности для окружающей природной среды;
радиационной безопасности;
показателя экологичности.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается представительностью и достаточным количеством изученных проб, сходимостью результатов, полученных сравнительной оценкой теоретических данных и данных экспериментальных исследований с использованием традиционных и новейших (высокоточных) методов, проведенных, в том числе, в независимых аккредитованных лабораториях Российской Федерации.
Научная новизна работы
Впервые проанализированы и обобщены данные по компонентному составу и содержанию токсичных, потенциально-токсичных, потенциально про-мышленно значимых компонентов (микроэлементов) в системе: «уголь - зола-унос - шлак - золошлак» объектов ТЭЦ 1, ТЭЦ 2, ПТЭЦ, позволившая дать сравнительную эколого-токсикологическую оценку и ранжирование по возможной товарной значимости продуктов сжигания углей с учетом новейших достижений геохимии неорганического вещества ископаемых углей.
Впервые выполнена сравнительная оценка образующихся золошлаковых отходов харанорских, татауровских и уртуйских углей, полученных различными
способами сжигания: факельным, слоевым, сжиганием в низкотемпературном кипящем слое.
3. Автором, на основании использования новейших и традиционных мето
дов исследования, установлены характеристические показатели, определяющие
экологическую безопасность золошлаковых отходов от сжигания харанорских,
уртуйских, татауровских углей, а именно - класс опасности для ОПС, показатель
радиационной безопасности (АЭфф), показатель экологичности.Установлено: золошлаки от сжигания харанорских, уртуйских углей относятся к V классу опасности, татауровских - к IV классу опасности для ОПС.
Выявлено повышенное содержание в золе-уносе потенциально значимых элементов Ag, Au, Ті, Mo, Sr, Y, Yb при различных способах сжигания углей на Читинских ТЭЦ 1, ТЭЦ 2 и Приаргунской ТЭЦ, позволяющее сделать заключение о том, что золоотвалы могут рассматриваться как техногенные образования, а текущие отходы ТЭС - как нетрадиционный источник минерального сырья для выделения ценных компонентов.
Установлено, что характер магнитной восприимчивости продуктов геосистемы «уголь - зола-унос - шлак - золошлак» при различных режимах сжигания угля подчиняются логнормальной зависимости (коэффициент корреляции 0,8-0,9). Таким образом, обоснована возможность магнитной сепарации золы-уноса для разделения на концентраты, различные по составу и свойствам.
Практическая значимость и реализация результатов работы На основании выполненного комплекса исследований продуктов сжигания харанорских, уртуйских, татауровских углей установлена закономерность распределения токсичных, потенциально токсичных, потенциально промышленно значимых компонентов в геосистеме «уголь - зола-унос - шлак - золошлак», позволяющая выявить направления и возможности дальнейшей утилизации отходов ТЭС.
Установленный класс опасности золошлаков от сжигания харанорских, татауровских, уртуйских углей позволяет упорядочить и привести в соответствие размеры платежей за загрязнение ОПС.
Выявленные значения магнитной восприимчивости (максимальные для золы-уноса) указывают на возможность выделения из золошлаков с помощью магнитной сепарации сконцентрированных железосодержащих минералов.
Основные положения диссертации, а именно - обоснование отнесения зо-лошлаковых отходов к классу опасности для ОПС, возможные направления их утилизации, реализованы в мероприятиях по снижению объемов образования ЗШО и их влияния на ОПС (Акт внедрения от 07.08.04.).
Изданное (в соавторстве) учебное пособие рекомендовано к использованию в учебном процессе при написании раздела «Охрана окружающей среды» в курсовых и дипломных проектах, магистерских диссертациях (Акт от 15.10.04).
Материалы по обоснованию класса опасности золошлаковых отходов от сжигания харанорских, уртуйских, татауровских углей на ТЭС ОАО «Читаэнер-го» прошли государственную экспертизу в ФГУ «ФЦАМ» МПР РФ и приняты к рассмотрению с целью включения в проект очередных Дополнений к ФККО (Письмо от 09 июля 2004 г., № 161/11).
Эколого-экономическая эффективность за счет снижения платы за размещение золошлаковых отходов составляет по ТЭС ОАО «Читаэнерго» 15 млн 300 тыс. рублей в год (Акт от 15.10.04).
Личный вклад автора
Соискатель является автором разработки программы исследований по геосистеме «уголь - зола-унос - шлак - золошлак», организатором и соисполнителем работ, связанных с отбором и обработкой проб, подготовкой их к анализам. Проведение исследований по представленным в лаборатории пробам отходов выполнялось при непосредственном участии автора.
Обработка полученных данных, выявление закономерностей, подготовка документации для практической реализации полученных результатов, разработка основных положений, выводов и рекомендаций по научным исследованиям выполнены непосредственно автором.
Соискатель является ответственным исполнителем и непосредственным исполнителем работ, связанных с расчетами и дальнейшим проведением биотестирования по установлению класса опасности золошлаков от сжигания углей на ТЭЦ 1, ТЭЦ 2 и ПТЭЦ, подготовке документации для государственной эксперти-
зы в ФГУ «ФЦАМ» МПР РФ. Автор являлся одним из исполнителей раздела региональной программы «Отходы».
Автором впервые в аккредитованных лабораториях России на примере проб ЗШО ТЭЦ 1, ТЭЦ 2 и ПТЭЦ использованы новые оригинальные методы исследования: сканирующей электронной микроскопии с автоматическим компьютерным анализатором изображения и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, ренгенофлуоресцентный метод (РФА), с чувствительностью измерений до 10"4, а также метод биологического тестирования.
Апробация работы. Основные положения и отдельные материалы по результатам работы представлялись, докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях, совещаниях (Москва, РУДН, 2002; Улан-Удэ, БИП СО РАН, 2000; Чита, ЧитГУ, 2002), межрегиональных, региональных, научно-технических конференциях (Чита, ЗабНИИ, 2001; Чита, ЧитГУ, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004), технических советах АООТ «ППГХО», АО «ПЗМЗ», Читинской ТЭЦ 1, ОАО «Читаэнерго».
Публикации
Материалы по диссертационной работе нашли отражение в 12-й публикациях, в 3-х рукописных работах, прошедших госрегистрацию во ВНТИЦентре и отражены в более 10-и проектных документах, прошедших государственную экологическую экспертизу.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 170 с, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемой литературы, 165 наименований, из 60 таблиц, 30 рисунков, 10 приложений.
Во введении отражена актуальность работы, идея, цели и задачи исследования, практическая реализация и значимость, личный вклад автора.
В первой главе дан анализ современного состояния и уровня изученности актуального направления экологии - загрязнения ОПС золошлаковыми отходами топливно-энергетического комплекса. Приведены данные по накоплению и использованию золошлаковых отходов в России, за рубежом и в Восточном Забайкалье. Дается характеристика Читинских ТЭЦ 1, ТЭЦ 2, ПТЭЦ как объектов исследования, сформулированы цели и задачи научных исследований.
Во второй главе показана роль угля в обеспечении энергетической безопасности России. Рассмотрено состояние угольно-энергетической базы Восточной Сибири и Забайкалья. Приводятся данные, сравнительные характеристики, состав и свойства углей, сжигаемых на ТЭС Восточного Забайкалья и на объектах исследований - ТЭЦ 1, ТЭЦ 2, ПТЭЦ.
В третьей главе дано обоснование методики опробования продуктов системы золоулавливания и гидрозолоудаления с учетом особенности способов сжигания углей на ТЭС. Приведена скорректированная, дополненная и адаптированная относительно целей и задач исследований методика опробования геосистемы «уголь - зола-унос - шлак - золошлак». Представлены данные по использованным методам исследований.
В четвертой главе дана сравнительная технолого-экологическая и токсикологическая оценка покомпонентного состава, свойств углей и образующихся продуктов при различных способах его сжигания на ТЭЦ 1, ТЭЦ 2 и ПТЭЦ. Дано описание фазово-минералогического состава ЗШО и магнитной восприимчивости минеральной фракции в системе «уголь - зола-унос - шлак - золошлак». Приведены данные исследований и расчетов класса опасности золошлаков для ОПС, их радиационной безопасности.
В пятой главе приводится обоснование и выбор основных направлений использования ЗШО в промышленном и строительном комплексе Читинской области. Представлена эколого-экономическая оценка результатов исследования, и рекомендованы мероприятия по снижению воздействия золошлаков на ОПС.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Шпирту М.Я (ФГУП ИГИ, Москва) за научные консультации, постоянную методическую помощь при постановке экспериментальной, теоретической части и в написании диссертации.
Искренняя признательность и благодарность автора д.г.-м.н., проф. Нарке-люну Л.Ф., д.т.н., проф. Мязину В.П., к.т.н., доц. Руденко С.С, к.т.н., доц. Кукли-ной Г.Л., к.б.н., доц. Горленко А.С. за научные консультации и методическую помощь, а также инженерам Башлыковой Т.В., Швединой Т.А., Михайлюти-ной СИ., Гончарову Д.С., Финогеевой Е.В. за оказанную помощь при выполнении работ над диссертацией.
Оценка влияния золошлаковых отходов и объектов их размещения на загрязнения компонентов окружающей природной среды
При сжигании угля на тепловых электростанциях (ТЭС) образуется большое количество золошлаковых отходов (ЗШО, золошлак), оказывающих негативное влияние на все компоненты ОПС. На первый план выступает острая проблема экологии угольной промышленности, тепловой энергетики - специальные направления по снижению загрязнения компонентов биосферы токсичными элементами, образующимися при сжигании углей [45, 53, 97, 107, 150]. Одним из центральных вопросов экологии промышленной энергетики, связанной с утилизацией отходов, является форма нахождения неорганических веществ (НОВ) в углях и продуктах их сжигания [155].
Для дальнейшего изложения материала в ЗШО, как в сложной геосистеме, выделены главные ее составляющие и приведены основные термины и определения.
В соответствии с принятыми терминами и определениями нормативных документов [101, 102]: зола - твердое вещество, оставшееся после сжигания углеродистых материалов; зола-унос ТЭС - зола, уносимая из топки котла отходящими газами. Шлак угля - минеральная часть топлива в жидком или твердом состоянии, выпадающая в нижнюю часть топки при сжигании угля. Золошлаковые отходы -механическая смесь золы-уноса и шлака. Термины и определения по обращению с отходами приняты по нормативным документам (ГОСТ 30772-2001) и литературным источникам [28, 34, 95, 96, 97,106, 112]. Из числа самых главных экологических проблем, возникающих при образовании и размещении ЗШО, выделяют следующие [7, 22, 47, 107, 121, 150] (Рисунок 5): - накопление токсичных элементов в продуктах сжигания угля; - расположение золошлакоотвалов (далее золоотвалов) вблизи больших городов (а нередко в черте города); - поступление (выброс) токсичных микроэлементов в атмосферный воздух, загрязнение окружающей среды прилегающего района; - загрязнение токсичными элементами, тяжелыми металлами поверхностных и подземных источников, земли, почвы при складировании и хранении зо-лошлаковых материалов на золоотвале (золошлакоотвале); - отчуждение больших территорий с целью строительства золоотвалов для размещения ЗШО; - использование в большинстве ТЭС технологического оборудования, не отвечающего требованиям экологической безопасности; - низкий процент утилизации ЗШО в качестве товарной продукции. По данным [7] при сжигании 5000 т угля в сутки ежедневно может выбрасываться в атмосферу до 20 т мышьяка, до 37 т ванадия, до 1 т бериллия, 21 т свинца, 10 т никеля в зависимости от состава исходных углей. Следует особо подчеркнуть, что защита подземных и поверхностных вод от загрязнения токсичными химическими элементами и их соединениями является одной из наиболее серьезных и сложных проблем [150]. Использование в энергетике твердых видов топлива приводит к образованию значительных объемов ЗШО, ежегодно их выход по странам СНГ составляет около 120 млн т [71]. По данным [7], суммарный годовой выход их при сжигании углей, сланцев и торфа на ТЭЦ и котельных РАО «ЕЭС России» в конце 90-х годов составлял около 30 млн т. Причем около 85 % золошлаков размещается на золошлакоотва-лах, суммарная площадь которых превышает 20 тыс. га [107] и только около 10-15 % используется в товарной продукции. К 2001 году в золоотвалах находилось около 1,5 млрд т золошлаков ТЭС, удаляемых в основном традиционной системой гидрозолоудаления, имеющей низкие экологические показатели - в виде пульпы низкой концентрации [85, 107]. Сравнением объемов полезного использования золошлаков ТЭС РАО ЕЭС России и некоторых зарубежных стран выявлено, что в странах с эффективными технологиями утилизации (Дания, Франция, Англия) потребление ЗШО в 15 раз выше, чем в России. Процент использования ЗШО несколько ниже в Германии, Китае, Польше, США, однако по сравнению с Россией он превышен в 5-6 раз. Причем использование ЗШО для получения товарной продукции экономически более выгодно (при отсутствии санитарно-гигиенических и технологических ограничений), чем применение замещаемых природных ресурсов [113] (Рисунок 5). Утилизация ЗШО ТЭС России является межотраслевой общегосударственной задачей долговременного характера, т.к. на перспективу доля угля в сырьевой базе ТЭКа будет только увеличиваться. Проблемы, связанные со сбором, размещением, хранением, утилизацией ЗШО в нашей стране обусловлены использованием часто некондиционных углей с высокой зольностью, а также эксплуатацией значительного процента (до 65 %) физически и морально устаревшего энергетического оборудования ТЭС. Анализ выполненных работ экологической направленности по созданию производств с минимальным вредным воздействием на ОПС показал [107, 113, 150], что экологические последствия при сжигании углей на ТЭС в основном определяются способами и режимами сжигания углей, системами золоудаления -гидро- или пневмоудаления, раздельного и совместного удаления золы и шлака, системами складирования, хранения и захоронения золошлаков.
Ресурсы энергетических углей месторождений Восточного Забайкалья
Система золошлакоудаления (СЗУ) - это совокупность различного механического оборудования, каналов ГЗУ пульпо-, шлако- и золопроводов, предназначенных для удаления золы из золоуловителей, а шлака - от котлов и транспортировки их до золоотвала или до места их разгрузки [85, 151].
Анализ базы данных России [70, 107, 115, 150] с учетом особенностей применяемого оборудования и его экологической безопасности показал, что на предприятиях ТЭК, в основном, находят применение системы жидкого и твердого шлакоудаления. В зависимости от типа топочной камеры, температурных режимов с твердым или жидким шлакоудалением сжигания топлива образуются две разновидности шлака - твердый или жидкий. Сравнение используемых систем шлакоудаления на ТЭС с позиции выброса золовых частиц в окружающую природную среду показал, что при жидком шлакоудалении часть золы расплавляется в топке и оседает в шлаковую ванну. В этом случае объем выбросов значительно меньше, чем при твердом шлакоудалении [107]. При жидком шлакоудалении практически весь объем шлаков представляет собой стекло, при твердом шлакоудалении - в основном стекло, а кристаллическая часть образована преимущественно кварцем, магнетитом, гематитом, муллитом.
На ТЭС России находят применение как смешанное, так и наиболее современное раздельное удаление золы и шлака. Изученная классификация способов удаления шлака [85] показала, что на ТЭС применяется в основном механические способы золоудаления: пневматический, гидравлический, пневмогидравлический, механогидравлический и способ сухого удаления. Наибольший процент практи ческого использования на ТЭС приходится на гидравлические системы золошла-коудаления (ГЗУ). Для анализа экологической безопасности ГЗУ в ней выделяют главный элемент загрязнения — золоотвал. Однако, ГЗУ имеют ряд существенных недостатков с точки зрения экологической безопасности и негативного влияния практически на все компоненты биосферы, отраженные на (Рисунок 5). Вид золо-отвала с системой гидрозолоудаления представлен на рисунке 12.
В том случае, когда применение ГЗУ технологически невозможно, наиболее распространенным вариантом является пневматический способ удаления и транспортировки золы и шлака. Как правило, применение последнего чаще всего обусловлено [85]: - для районов с продолжительной и холодной зимой; - для районов с дефицитом воды или удаленностью от ТЭС природного водного объекта; - при отсутствии территорий для размещения золоотвала; - при значительных объемах промышленного использования золы и шлака. Применение систем пневматического золошлакоудаления значительно снижает остроту экологических проблем золошлакоудаления (ЗШУ). И позволяет расширить области утилизации ЗШО. Однако, ее применение ограничено из-за возможности перемещения продуктов только на сравнительно короткие расстояния [107]. Анализ данных, полученных на практике [6, 85, 107, 113, 150] позволил сделать обобщающий вывод и выделить с позиции минимизации ущерба окружающей среде следующие требования [73, 74, 79, 87, 88, 107, 116, 118, 149] к системам ЗШУ, объектам складирования и хранения золошлаков: - уменьшение утечек фильтрационной воды за счет экранирования ложа золоотвала; - максимальное использование техногенного сырья, накопленного в золоот-вале для получения готовой продукции; - технологическая возможность размещения невостребованной части ЗШО; - закрепление пылящих поверхностей золоотвала и своевременная их рекультивация; - технико-экономическая оценка всей системы золоудаления с учетом экологических требований; - изыскание возможностей, реконструкция ЗШУ для раздельного удаления золы и шлака; - максимальная возможность организованного сбора и отгрузки золошла-ков; - повышение экологической надежности оборудования и гидротехнических систем. Еще в большей степени осложняется решение экологической проблемы утилизации ЗШО ТЭЦ из-за существенного изменения состава и свойств золош-лаков при сжигании углей. В выполненных работах [103, 124] подчеркивается, что ЗШО конкретных ТЭС существенно могут отличаться друг от друга по химическому составу и свойствам, даже если на них сжигаются угли одного месторождения или даже различных пластов того же месторождения. Многообразие сжигаемых замещаемых углей на различных ТЭС ТЭК России приводит к образованию золы самого разнообразного состава и требует дифференцированного подхода к изучению их свойств и состава [124, 141, 143, 144]. Разработанной программой «Экологически чистая энергетика» планируется довести использование ЗШО до 80 % [107], что является сложной экологической задачей и связано с перспективой глубоких исследований с точки зрения выявления в них сопутствующих ценных и вредных (токсичных) микроэлементов. Для достижения этой цели требуется разработка и использование новых методик изучения ЗШО, учитывающих наряду с технологическими, экономическими и экологические аспекты. До настоящего времени не разработана достаточно четкая классификация технологий утилизации ЗШО с учетом экологических требований, позволяющих комплексно оценивать технологические свойства, состав, класс опасности золош-лаков, их радиационную безопасность. Классификацию ЗШО промышленного сжигания для выбора технологии утилизации предложено базировать на параметрах [145, 146, 147], описывающих, в первую очередь, технологические (содержание топливных составляющих крупных минеральных фракций, состав золообразующих, токсичных элементов) и те-плофизические (плавкостные) свойства, класс опасности золошлаков для ОПС, и дополнить важным экологическим показателем, отражающим радиоактивность отходов [122].
Методика опробования продуктов системы золоулавливания и гидрозолоудаления
Читинская ТЭЦ 1 введена в эксплуатацию в 1965 г. и является крупнейшей электростанцией Читинской энергосистемы. ОАО «Читаэнерго» - источник централизованного тепло- и электроснабжения жилищно-коммунального сектора и промышленных предприятий г. Читы. Площадка ТЭЦ расположена на акватории озера Малый Кенон в 8 км западнее г. Читы на днище вытянутой с юго-запада на северо-восток Читино-ингодинской котловины в пойме р. Ингоды. С юго-востока площадка ограничена оз. Кенон, которое используется для забора и сброса циркуляционной воды стационарных турбогенераторов. С северной стороны на расстоянии 1200-1400 м расположена жилая зона. В качестве основного топлива на ТЭЦ 1 используется смесь бурых углей Харанорского, Татауровского, Уртуй-ского месторождений. Расчетный годовой выход ЗШО составляет 215,0 тыс. т. Улавливание золы - батарейными циклонами. Золошлакоотвал № 2 Читинской ТЭЦ 1, эксплуатируемый с 1973 г., расположен в естественной котловине в 4 км к северо-западу от промплощадки ТЭЦ 1 [110].
По данным ЗабайкалТИСИЗа, участок золоотвала до 30 м сложен алюви-альными отложениями тургинской серии, выветрелыми до полускального и представлен суглинками, супесями и песками от пылеватых до средней крупности с маломощными прослоями полускальных и скальных песчаников. С поверхности повсеместно залегают четвертичные аллювиальные и аллювиально-делювиальные суглинки, обладающие низкими фильтрационными свойствами. Коэффициент фильтрации не превышает 0,02 м/сут.
На участке золоотвала расположена островная многолетняя мерзлота. Нижняя граница многолетнемерзлотных пород проходит на глубине до 50 м. Под водоемом все грунты талые. Грунтовые воды в зависимости от положения на рельефе залегают на разных глубинах - от 2-10 м в долине лога до 20 м и более - на склонах. Абсолютные отметки поверхности рельефа 697-710 м. Золоотвал разделен на две секции: - секция 1: площадь 63,0 га; проектный объем заполнения - 10,0 млн м3; остаточный объем заполнения - 0,8 млн м3 (на 01.01.04); - секция 2: площадь 52,0 га; объем заполнения по воде - 1,2-1,5 млн м3; ис пользуется как пруд-отстойник для осветления воды в системе ГЗУ. На настоящее время утвержден Рабочий проект «Расширения и реконструкции существующего золоотвала № 2 Читинской ТЭЦ 1» (Забайкалцветметнии-проект). Проектом предусмотрено увеличение емкости существующего золоотвала на последующие 17-18 лет работы ТЭЦ 1. Площадка реконструируемого золоотвала (секция № 3) находится на территории, прилегающей к эксплуатируемому золоотвалу с западной стороны вблизи водораздела р. Кадалинки и рч. Застепен-ского в 5 км от оз. Кенон. Основные проектные характеристики реконструируемого золоотвала (секция № 3) (данные рабочего проекта): - среднегодовой выход золошалковых отходов - 400 тыс. т; - расчетный общий расход золошлаковой пульпы - 1220 м / ч; - расчетный расход осветленной воды, возвращаемый на ТЭЦ - 800 м3/ч; - противофильтрационная защита - гидроизоляция днища и откосов дамб (суглинистый экран толщиной 1 м); - расчетная сейсмоустойчивость 7 баллов (шк. R). Читинская ТЭЦ 2 эксплуатируется с 1936 г. Площадка ТЭЦ 2 расположена в черте города на юго-восточной его окраине в районе впадения р. Читинки в р. Ингоду к северо-западу на расстоянии 400-600 м. ТЭЦ 2 является источником электроснабжения и теплоснабжения в виде горячей воды и пара жилищно-коммунального сектора и промышленных предприятий, прилегающих к ней районов города. Источником циркуляционной воды для стационарных турбогенераторов является р. Ингода. В качестве основного топлива на ТЭЦ 2 используется бурый уголь Хара-норского месторождения. Расчетный годовой выход ЗШО составляет 42,0 тыс. т. Улавливание золы - батарейными циклонами [109]. Золошлакоотвал Читинской ТЭЦ 2 (2-я очередь) введен в эксплуатацию в 1988 г. Расположен на юго-восточной окраине г. Читы вблизи слияния рек Читин-ка и Ингода. Состоит из одной секции, ограниченной с одной стороны естественной возвышенностью и с трех сторон искусственными насыпными дамбами высотой 7,0 м и шириной 8,0 м, по верхней части длина 400 м, ширина 150 м., площадь 59,0 га. Проектная емкость 366,7 тыс. м3. Противофильтрационная защита - суглинистый экран толщиной 1 м. По данным ЗабайкалТИСИЗа, участок до глубины 25 м сложен аллювиальными отложениями тургинской серии, выветрелыми до нескального облика, представлены суглинками, супесями и песками от мелкой до средней крупности с маломощными прослоями полускальных и скальных песчаников. На участке распространена островная многолетняя мерзлота. Нижняя граница многолетнемерз-лотных пород проходит на глубине до 40 м. Под водоемом все грунты талые. Абсолютные отметки поверхности рельефа 630-670 м. Проектная емкость золоотвала № 2 была рассчитана на 12 лет эксплуатации. Объем заполнения на 01.01.04 составляет 348,5 тыс. тонн. Для продления срока эксплуатации существующего золотвала ежегодно проводится передвижение обезвоженного шлака за пределы карты. Например, в 2001 г. из золоотвала убрано таким образом 65 тыс. м3 ЗШО. Проводимые работы согласованы с компетентными органами надзора и контроля. В настоящее время находится на стадии согласования Рабочий проект строительства сухого складирования золошлаков на зо л отвале Читинской ТЭЦ 2.
Согласно рабочему проекту, проектируемая площадка золоотвала прилегает с восточной стороны к существующему, с северной стороны граничит с заливными лугами, с восточной - примыкает к руслу р. Ингода. Рассчитанный период заполнения в течение 10 лет, с учетом наращивания дамбы. Предотвращение пыле-ния золоотвала сухого складирования предусматривается распылительной установкой увлажнения ЗШО или поливальной машиной.
Приаргунекая ТЭЦ эксплуатируется с 1961 года и служит для удовлетворения потребностей в тепловой и электрической энергии жилого сектора, предприятий и объектов соцкультбыта п. Приаргунск. Система выработки электрической и тепловой энергии - комбинированная по тепловому графику. В летнее время ТЭЦ не работает. Схема горячего водоснабжения - закрытая [111].
Химический состав минеральной части исходных углей и продуктов их сжигания
По данным зарубежных источников [104, 120, 153] промышленное потребление побочных продуктов электростанций в Евросоюзе (ЕС) только в 1999 г. составило 55 млн т. Направление распределения полученных побочных продуктов электростанций (в %) показано на рисунках 31, 32. Анализ приведенных данных позволяет заключить, что наибольший процент использования 68,5 % приходится на ЗУ (летучая зола ТЭС). При этом направленное промышленное использование ЗУ в странах ЕС в качестве побочных продуктов позволят сохранять натуральные ресурсы и уменьшать расход энергии и выбросы вредных веществ при производстве продуктов, которые они заменяют.
Это перспективное направление утилизации летучей золы в настоящее время реализовано в Китае [104]. Показана высокая эффективность использования золы для производства бетона, конструкционных и строительных материалов, использования в сельском хозяйстве, а также для извлечения ряда полезных компонентов. Утверждается, что коэффициент использования золы возрастет в ближайшем будущем с 26 % до 50 %.
Установлено [171], что зола обладает большей удельной поверхностью и специфической структурой, способствующей абсорбции и связыванию ионов Са2+, Na+, ON , СГ и Сг3+ поэтому ее рекомендуется использовать в строительстве и в качестве связующего материала при захоронении различных отходов [39, 40, 42,57,11,128,129].
Концепцией создания безотходных технологий академиком Ласкори-ным Б.Н. с соавторами показано, что если экономическая эффективность извлечения ценных компонентов оправдана, то они должны выделяться в голове технологического процесса в качестве промежуточных продуктов концентратов минеральной продукции. По данным результатов патентных исследований из золош-лаков могут извлекаться: ванадий, германий, редкоземельные и радиоактивные элементы, иттрий, церий. Из числа ведущих стран патентообладателей можно выделить Японию, Россию, Украину. Анализ патентной и информационной документации показал, что все традиционные технологии извлечения редких и редкоземельных элементов включают, как правило, две стадии: 1 - извлечение редких и редкоземельных элементов из техногенного сырья ЗШО; 2 - непродуктивные фракции (хвосты) направляются на дальнейшее использование, в основном, в строительной индустрии.
Однако, практическое применение технологий утилизации ЗШО из известных на сегодняшний день (более 300) получили только порядка 10%. Сдерживающим фактором является слабая изученность состава и свойств ЗШО при сжигании твердого топлива различных месторождений, пугающая радиофобия, поэтому предприятия, как правило, должны иметь научно обоснованные данные о радиоактивности ЗШО.
Анализ предложенных классификаций промышленного использования ЗШО показал, что общей методической основой в них является системное рассмотрение отходов путем выделения общего и частного. При этом основные отрасли и направления использования ЗШО рассматриваются в виде общего (класс), а производство получение готовой продукции - как подкласса и группы. Основной недостаток этих классификаций заключается в том, что они основываются только на косвенных критериях оценки технологических свойств ЗШО. Для устранения вышеуказанного недостатка профессором Шпиртом М.Я. предложена классификация комплексного учета состава и свойств ЗШО [141, 143, 144]. Она основывается на выделении характерных показателей ЗШО. К ним отнесены: - первичная геосистемная оценка отходов; - содержание углерода (органического); - степени углефикации органической массы; - содержание соединений железа в золе; - содержание общей серы; - содержание соединенного алюминия в золе; - суммарное содержание соединений кальция и магния в золе; - пластичность. Перечень параметров, используемых для характеристики состава и свойств ЗШО, связан с системой индексного обозначения групп, по которой после проведения комплексных технологических исследований, можно выбрать основные направления использования отходов. В результате анализа известных классификаций не установлено, какие экологически безопасные критерии могут ограничивать области вторичной использования ЗШО в народном хозяйстве. В то же время в ряде источников отмечается [66, 80, 83, 88, 139, 150], что сжигаемые угли, а, следовательно, и продукты их сжигания, могут обладать повышенной радиоактивностью. Однако, системной оценки активности радионуклидов (ЕРН) в ЗШО не проводилось, а в литературных источниках приводятся лишь отдельные выборочные данные. Следовательно, для оценки возможности промышленного использования ЗШО они должны подлежать обязательному радиометрическому обследованию. В этой связи при проведении исследований направлений промышленного использования ЗШО должен дополнительно вводиться показатель, учитывающий их радиационную безопасность. Одним из таких показателей в качестве дополнительного критерия, кроме класса опасности, ограничивающего промышленное применение ЗШО, рекомендуется принять эффективную удельную активность природных радионуклидов (Аэфф). Значение эффективной удельной активности природных радионуклидов для промышленного использования ЗШО по направлениям использования в строительстве не должна превышать максимальных значений по нормативным документам [29]. Использование материалов должно согласовываться и контролироваться Федеральными и территориальными органами Госсанэпиднадзора. Анализ выполненных работ по классификации ЗШО от сжигания углей с целью выбора технологий их утилизации отходов показал [66, 100, 107, 108, 113, 119], что, кроме АЭфф, на направление их вторичного промышленного использования существенное влияние оказывает концентрация тяжелых металлов, токсичных, потенциально токсичных микрокомпонентов, в том числе, ценных, потенциально промышленно значимых. В этом случае важное значение принадлежит характеристическому признаку элемента - ПТ и ППЦ. Однако, использование оценочного показателя ПТ элементов не отражает полную картину с позиции экологической опасности сконцентрированных термическими превращениями микроэлементов. Этот недостаток учтен нормативными документами [29], где в качестве основного (интегрального) критерия опасности отходов предложено использовать их класс опасности. При этом класс опасности отходов предлагается устанавливать самому природопользователю [60]. Таким образом, проведенных анализ действующих классификаций ЗШО с целью выбора направлений использования их в народном хозяйстве показал, что они основаны, на характерных технологических показателях, на которые накладываются такие ограничения, как класс опасности отхода и содержание ЕРН.
Похожие диссертации на Эколого-технологическая оценка золошлаковых отходов тепловых электростанций Восточного Забайкалья
