Коваль О.Н., Генеральный директор Украинского финансово-промышленного концерна "УФПК";

Ерошенко В.Г., заместитель Генерального директора Концерна "УФПК" по научным вопросам, к.т.н.

Вступление. Экологические проблемы, сопровождающие
использование сернистого угля на ТЭС

С точки зрения экологии, уголь является наиболее загрязняющим окружающую среду ископаемым топливом. Он содержит разные примеси, минеральные компоненты, серу, азот, тяжелые металлы, и это ограничивает его полезность, как топлива.

В украинском угле находится колчеданная (пиритная), органическая, сульфатная и элементарная сера. Колчеданная (пиритная) сера - основной вид сернистых соединений в угле, на ее долю в среднем приходится 62% общего содержимого серы. Формы включений серного колчедана в угольные слои разные. Он представляет включение в виде примесей, доступных выделению механическим способом. Органическая сера равномерно распределена по всему угольному веществу, ее невозможно выделить. Сульфатная сера в украинском угле есть в небольшом количестве (до 0,1%), чаще встречается в угле, который долго сохраняется на поверхности. В балансе серности угля существенную роль играют колчеданная и органическая сера и незначительную - сульфатная и элементарная.

При сгорании угля выделяется много серных и азотистых оксидов, разных летучих составляющих (зола и пыль), и наконец, больше всего, по сравнению с другими видами топлива, количество СО₂ на единицу выработанной энергии. Например, при получении 1 ГДж теплоты из угля образуется 90кг СО₂, а из нефти и природного газа - 73 и 55 кг соответственно.

С негативными последствиями использования угля человечество сталкивалось издавна. Кроме некоторых бытовых неудобств, таких, как проникновение копоти и золы в жилье, присутствие в воздухе твердых загрязнителей вызывало множество болезней дыхательных путей. Оксиды серы и азота, которые попадают в окружающий воздух, быстро окисляются в атмосфере до своих высших оксидов, которые, взаимодействуя с водяным паром, образуют мелкие капли серной (H₂SO₄) и азотной (HNO₃) кислот. Это приводит к выпадению кислотных дождей, которые наносят огромный вред растениям и животным, домам, памятникам культуры и архитектуры,однако главной проблемой является угроза здоровью человечества.

Оксиды азота, преимущественно NO и NO₂, а также частично и N₂О вносят максимальный вклад в возникновение фотохимического смога. NO₂, что относительно нейтрален в тропосфере, становится при выходе в стратосферу активным катализатором, который вызывает разрушение озонового слоя.

Наконец, сжигание угля приводит к образованию исключительно вредных полиароматических углеводов, включая опаснейший бенз(а)пирен.

Тепловая электроэнергетика является основным "производителем" вредных выбросов в атмосферу. Например, ТЭС мощностью 2400 МВт, которая работает на угле, выбрасывает в атмосферу углекислого газа - 2300 т/год, оксидов азота - 9 т/год, золы - 192 т/год, твердых отходов - 35 т/год. К этому следует прибавить большое количество выбросов сложных органических соединений и микроэлементов, очень вредных для здоровья людей. Экологическая угроза при выбросах в атмосферу этих соединений не адекватна их абсолютному количеству. Способные мигрировать и накапливаться, они приводят к необратимым изменениям в структуре биологических тканей (в том числе, и на генетическом уровне). Выбросы большинства соединений из этого перечня на предприятиях энергетики Украины не контролируются. В то же время, опасность для здоровья человека представляет такое вещество, как, скажем, бенз-а-пирен, даже в количестве, которое вычисляется десятками молекул.

Кроме того, при сжигании угля в атмосферу ежегодно выделяется большое количество тяжелых опаснейших элементов, которые содержатся в летучей золе, в том числе: 60000 т свинца, 50000 т никеля, 30000 т мышьяка, 300 т ртути, 60 т кадмия.

На территории Украины сосредоточен наиболее энергоемкий сегмент промышленности прежнего СССР. Это, а также значительный удельный вес ТЭС в структуре производства электроэнергии (более чем 40%), привело к тому, что в Украине в атмосферу выбрасывается значительное количество веществ, вредных для здоровья человека (Табл. 1).

Таблица 1

Количество вредных веществ, которые поступают в атмосферу при работе ТЭС в Украине

Компонента в выбросах ТЭС	Суммарное количество в выбросах ТЭС за год
Соединения серы (в основном SO2)	1,7 млн. т
Окиси азота (NOx)	0,4 млн. т
Марганец	45 т
Мышьяк	12 т
Фтор	7 т
Кобальт	3,5 т
Бериллий	3 т
Никель	1,5 т
Бенз-а-пирен	72 кг

Приведенные цифры соответствуют случаю отсутствия искусственного сокращения загрязнителей, когда они полностью поступают в атмосферу. В действительности же технологии использования угля находятся в постоянном развитии. Создано большое число высокоэффективных технологий, которые заслуживают внимания, поскольку в той или иной степени считаются экологически чистыми. Описания принципиальных особенностей и характеристик таких технологий будут рассмотрены дальше.

Возможные способы утилизации продуктов пылесероочистки угольных теплоэлектростанций

В Таблице 2 приведены сводные данные о возможных способах повторного использования отходов и побочных продуктов угольных теплоэлектростанций.

Таблица 2

Возможные способы повторного использования отходов и побочных продуктов угольных теплоэлектростанций

Технология	Летучая зола		Шлак		Продукты сорбционных процессов	Гипс
	Бурого угля	Каменного угля	Бурого угля	Каменного угля
Строительство
Добавки в бетон	+	+
Облегчающие добавки в бетон	+	+	+	+
Изделия из пенобетона	+	+			+
Высокопрочный бетон	+	+
Производство "Flual"	+
Добавка при производстве цемента	+	+
Сырьевой компонент при производстве цемента	+	+
Добавка в цемент для замедления схватывания					+	+
Изоляционные стенки	+	+			+
Строительный гипс						+
Производство керамики	+	+	+	+	+
Дорожное и ландшафтное строительство	+	+	+	+
Строительство дамб	+	+	+	+
Наполнитель для асфальтобетона	+	+
Стабилизация грунтов, материал для строительства земляных сооружений и оснований дорог	+	+	+	+
Звукоизоляция		+		+	+
Захоронения	+	+	+	+	+	+
Захоронения опасных отходов	+	+
Выравнивающий материал для оснований мест захоронения отходов	+	+				+
Фильтрующий слой для герметических захоронений			+	+
Кондиционирование илов очистных сооружений					+
Основной материал очистки бытовых сточных вод			+	+
Сельское хозяйство
Удобрения	+	+			+	+
Мелиорант, субстрат	+	+	+	+
Стабилизация цементных смесей	+	+			+
Заполнение канав	+	+			+
Другие методы использования
Материал для рекультивации шахт	+	+	+		+
Производство цеолита	+	+
Альфа- и бетакомпоненты при производстве гидратов						+
Наполнитель при производстве бумаги					+	+
Производство ангидрита					+
Процесс "Muller-Kuhne" (разложение гипса на известь и серистый ангидрид)	+	+	+	+	+
Регенерация тепла			+	+
Десульфуризация дымовых газов					+

Анализ существующих технологий использования летучей золы
в зависимости от химического состава твердых отходов, приспособление этих технологий к условиям теплоэнергетических станций Украины

Эффективная утилизация золы энергетических предприятий, работающих на угле, может помочь значительно снизить негативное влияние на окружающую среду и улучшить экономические показатели предприятия. Вцелом, зола широко используется в разных производствах и имеет хорошие рыночные перспективы. Существуют доступные технологии утилизации золы, некоторые из которых широко применяются коммерчески. В то же время, во всем мире осуществляются интересные разработки, и очевидно, что некоторые технологии обладают огромным потенциалом.

Прогрессивные украинские технологии утилизации зольных остатков

Введения 12.15% молотых золошлакових отходов Приднепровской ГРЭС, 3.5% пиритных огарков и 0,75-1,25% электролитов способствует улучшению физико-механических характеристик и рекомендуется при производстве глиняного кирпича.

Введение в состав шихты золы ТЭС от сжигания донецкого угля увеличивает влагоотдачу и снижает перепад влагосодержания по пересечению изделий, сокращает срок сушки на 20-25%. Установлено также, что оптимальное количество золы составляет 20-30%.

Для улучшения качества кирпича при использовании высокочувствительной к сушке глины в состав шихты вместо 15% опилок, добавляется 30% летучей золы. В результате обеспечивается стабильный выпуск кирпича марок "125"..."150", повышается морозоустойчивость. Снижается себестоимость единицы продукции.

Технико-экономические расчеты показывают, что использование золошлакових отходов ТЭС в производстве бетонных и железобетонных изделий позволяет сократить расход цемента на 10.20%; улучшить физико-механические свойства бетонов; сократить расходы на создание и эксплуатацию отвалов; высвободить земли, занятые под отвалы; исключить загрязнение воздушного и водного бассейнов.

Использование процессов гидратации портландцемента с добавкой 40% летучей золы ТЭС доказало целесообразность замены в бетонах значительной части клинкерного компонента золой.

Повышенное содержание золы ТЭС в тяжелых бетонах (в количестве 200 кг/м³), как показали исследования и заводской опыт, позволяет сократить затрату портландцемента до 100 кг на 1 м³ бетона (до 25%), повысить удобство вложения смеси и качество изделий.

Пористые заполнители из отходов ТЭС

Исходным сырьем для производства зольного гравия служат золи ТЭС, которые удаляются не только сухим золоотбором, но и системой гидроудаления, в частности отвальные золошлаковые смеси (ЗШС). Содержание в золе незгорелых частиц должно быть, как правило, не больше 10%. Если их больше, технология усложняется. Содержание в золе трехвалентного железа Fe₂O₃ должно быть не меньше 7%, а оксидов кальция и магния - не больше 8%.

Технология получения зольного гравия разработана ВНИИтеплопроектом. Она предусматривает такие технологические переделы (при содержании в золе несгорелых частиц больше 10%): золошлаковую смесь подсушивают в сушильном барабане и направляют в шаровую мельницу для помола. Сюда же, при необходимости, подают в строго дозированном количестве связывающие добавки (например, глину и др.). Размолотую массу подают в смеситель и на тарельчатый гранулятор, где проводится окомковка зольных гранул. Серные гранулы направляют в сушило, а затем в печь для прожаривания и уменьшения количества несгорелого угля. Первичный обжиг проводят при температуре 800...1000 оС. Прожаренные гранулы охлаждают и снова направляют в шаровую мельницу, где размалывают вместе с корректирующими добавками. Измельченная масса опять поступает на тарельчатый гранулятор и увлажняется раствором сульфитно-спиртной барды (ССБ) или сульфитно-дрожжевой браги (СДБ).

Окомкованные гранулы снова подвергаются сушке и вторичному обжигу при температуре 1150.125 оС в короткой вращающейся печи прямого действия. После охлаждения зольный гравий фракционируют. Если в сырье несгорелого топлива меньше 10%, первичный обжиг гранул из технологического процесса исключается и производство зольного гравия немного упрощается. Технологическая схема, в этом случае, включает следующие этапы: подготовку шихты (подсушка и помол с добавками), грануляцию, подсушивание, обжиг и рассеивание по фракциям.

Строительные растворы с применением золы ТЭС

В "Указаниях по приготовлению и применению строительных растворов" СН290-64 предусматривается возможность введения в состав строительных растворов от 20% тонкодисперсной летучей золы ТЭС с целью экономии портландцемента высоких марок. В данном случае золе отводится роль минерального микронаполнителя цемента, который способствует увеличению пластичности растворов. Исследована возможность применения в растворах кладок ЗШС одновременно и как тонкодисперсной добавки, и как мелкозернистого заполнителя. Для этой цели была выбрана ЗШС Кировоградской ТЭЦ, которая по своему гранулометрическому составу как раз отвечает принятому назначению. В частности полный остаток на сите 2,5 мм составляет 1,25%, зерна величиной больше 5 мм отсутствуют, модуль крупности равен 1,12, содержимое пылевидных частиц (зерен мельче 0,14 мм) - 38%. Как известно, в песке содержание таких частиц допускается до 20%. Однако там они представляют инертную составляющую. В ЗШС тонкодисперсные частицы исполняют роль активной минеральной добавки и потому их общее содержимое может быть выше 20%.

Вяжущее на основе золы и шлаков ТЭС

К высокоэффективным строительным материалам, при производстве которых возможно использовать многотоннажные отходы промышленности, как известно, относится шлакощелочное вяжущее (ШЩВ). Основным сырьем для производства этих вяжущих являются металлургические шлаки. Топливные шлаки и золы в этом качестве используются мало. Это объясняется, прежде всего, их низкой основностью и замедленной скоростью набора прочности.

Важное значение с точки зрения использования топливных шлаков и зол при производстве строительных материалов имеет и способ удаления этих отходов с территории ТЭС. В настоящее время на большинстве действующих ТЭС золу и шлак удаляют совместно - гидротранспортированием. Применение получаемых при этом полидисперсных систем - ЗШС - в производстве строительных материалов затруднительно. Однако если учесть, что ЗШС есть во всех районах страны и накопления их в отвалах год от года растет, то необходимость использования этих отходов для производства местных вяжущих становится очевидной. Кроме этого, разработка составов и технологий получения ШЩВ на ЗШС внесет определенный взнос и в решение проблемы предотвращения загрязнения окружающей среды.

Бетоны на основе золы

Опыт работы заводов ряда стран показал, что экономически целесообразно вводить золу в состав обычного бетона. Исследователям давно известно, что при замене части цемента золой улучшается удобство вложения бетонной смеси. Это происходит, главным образом, за счет гладкой поверхности и сферической формы зольных частиц, количество которых тем больше, чем тоньше зола. В соответствии с этим уменьшается и количество воды для получения необходимой консистенции бетонной смеси и улучшаются ее показатели: повышается пластичность, однородность и плотность бетонной смеси. Зола позволяет улучшить гранулометрию песка, в котором отсутствуют мелкие фракции. Особенно целесообразно ее добавлять в труднообрабатываемые бетонные смеси с малым количеством цемента.

Например, использование летучей золы и золошлаковых отходов ТЭС в керамзитобетоне вместо кварцевого песка, снижает его плотность на 40 - 80кг/м³ и позволяет сократить затраты цемента при производстве бетона на 15-50 кг в расчете на 1 м³ бетона. При этом повышается коррозийная стойкость и теплофизические показатели бетона.

Применение летучей золы при производстве бетона обеспечивает максимальную экономию цемента (10-25% в зависимости от вида, качества заполнителей и типа конструкций).

Определение народнохозяйственной целесообразности при создании новых материалов и изделий на базе отходов и выбор вариантов взаимозаменяемости материалов проводятся обычно расчетом эффективности капитальных вложений по минимуму приведенных расходов. В связи с тем, что большинство тепловых электростанций Европейской части оборудовано системами гидрозолоудаления, полученная в них зола и ЗШС используются в основном как мелкий заполнитель для производства бетонов в производстве керамзито- и гипсобетона, низкомарочних растворов и производства бетонов, в дорожном строительстве. Для более эффективного использования золы ТЭС как активной добавки в производстве бетонных строительных деталей и конструкций в последние годы построенны установки сухого золоотбора.

Анализ литературных источников показывает, что основными факторами, которые влияют на коррозию арматуры и бетона с использованием золы и ЗШС, являются следующие:

- соотношение золы и цемента в золобетоне;

- содержание в золе несгоревших углистых остатков, стеклофазы, серных соединений;

- гидравлическая активность золы.

Исследования показывают, что правильный подбор состава при производстве бетона позволит обеспечить первичную пассивность арматуры в бетоне.

Последующее ее сохранение будет определяться проницаемостью бетона, толщиной защитного слоя к арматуре и условиями эксплуатации конструкций. В настоящее время проблема снижения потребления цемента и энергетических ресурсов в строительной индустрии, а также интенсификация производства бетона и сборного железобетона при сохранении или улучшении проектных свойств в изделиях и конструкциях связанных с использованием некоторых минеральных добавок в чистом виде или в комплексе с химическими. Как минеральная добавка и вяжущее вещество для производства бетона наиболее эффективны доменные гранулированные шлаки, которые имеют способность к самостоятельному гидратацийному затвердению.

Анализ состояния проблемы использования минеральных добавок к вяжущим веществам для производства бетона показал, что этот класс добавок, являющийся в основном вторичным сырьем (доменные гранулированные шлаки, золы и золошлаковые смеси ТЭС), позволяет получать многокомпонентные системы с определенными эксплуатационными характеристиками, а также способствует созданию безотходных технологий и улучшению экологического состояния окружающей среды. Однако многокомпонентный цемент характеризуется в основном сниженной прочностью (на 1-2 марки), которая сдерживает широкое использование минеральных добавок в производстве бетона и сборного железобетона.

Важным резервом повышения эффективности использования тонкомолотих гранулированных шлаков в производстве бетона и железобетона является применение шлаков с оптимальной дисперсностью, которая имеет функциональную зависимость от дисперсности цемента. Введение при производстве бетона тонкомолотого шлака в количестве 40-60% вместо эквивалентной части цемента позволяет получать бетоны, прочность которых в 1,5-2 раза выше прочности бетонов на промышленно изготовленном цементе. Бетоны с добавкой шлака характеризуются повышенной сульфатостойкостью, удовлетворительной морозоустойчивостью и другими позитивными свойствами.

Высшая эффективность использования тонкомолотых гранулированных шлаков при производстве бетона достигается при их комплексном применении с химическими добавками (суперпластификаторами, пластификаторами и ускорителями отвердевания). Такая технология использования тонкомолотого шлака для производства бетона позволяет получать плотные бетоны марки 500-800 с затратой клинкерного компонента в пределах 200 кг/м³, что обусловлено проявлением эффекта упорядочения структуры при отвердевании многокомпонентных систем с низким содержанием воды.

Мелкозернистые бетоны на основе минеральных топливных отходов тепловых электростанций Донбасса

К мелкозернистым бетонам относятся бетоны плотной структуры на цементном вяжущем и мелких плотных заполнителях. Эта группа бетонов включает песчаные бетоны с предельной величиной зерен заполнителя 5 мм и бетоны на мелкодробленом щебне или минеральных отходах промышленности с предельной величиной зерен наполнителя 10 мм.

В Донецком ПромстройНИИпроекте выполнен комплекс исследований по получению двух видов мелкозернистого бетона - песчаного, с добавкой летучей золы, и бетона на однокомпонентном заполнителе из золошлаковой смеси. Прямая замена цемента золой, как правило, не дает позитивный результат и приводит к снижению прочности бетона. В связи с этим в наших исследованиях золу вводили в бетонную смесь вместо части цемента и части песка.

В исследованиях с получением песчаного бетона с добавкой летучей золы применялась зола Кураховской ТЭС и Углегорской ТЭС. Зола для проведения исследований отбиралась из силосного состава установки. Химический состав золы представлен следующими окислами (%): SiO₂ - 54,85; Аl₂О₃ - 24,37; Fe₂O₃ - 11,68; СаO - 4,16; МgO - 2,14; SO₃ - 1,41; Na₂O + K₂O - 1,29.

Содержание несгоревших углистых остатков, что определяется потерей при прожаривании, составило 8,1%. Зола имела насыпную плотность в сухом состоянии 730 кг/м³, остаток на сите №008-15,3%, потребность воды при нормальной плотности цементного теста состава 1:3 - 20%. Химический состав золы Углегорской ТЭС близка к химическому составу летучей золы Кураховской ТЭС, но по сравнению с последней она содержит меньшее количество несгоревших углистых остатков - всего 0,65%.

Насыпная плотность летучей золы равнялась 885 кг/м³, остаток на сите №008 - 2,1%, потребность воды при нормальной плотности цементно-зольного теста, состава 1:3 - 19%. Как вяжущее в опытах использовался портландцемент М 500 завода г. Краматорска. Заполнителем был кварцевый песок с Мк =2,68 Просяновского каолинового комбината.

Установлено, что эффективность введения летучей золы в бетоны, которые отвердевают в нормальных условиях, меньше, чем в бетоны, которые поддаются тепловлажной обработке, что объясняется повышением активности золы при тепловой обработке и более полным взаимодействием ее с цементом. Опытами установлено, что применение летучей золы Кураховской ТЭС в пропариваемых бетонах снижает затрату цемента на 35...160 кг/м³, а в бетонах нормального отвердевания на 20...50 кг/м³.

На основе золошлаковой смеси могут быть получены бетоны классов В3.5-В50 по прочности, марки F25-F300 по морозостойкости и W2-W12 по водонепроницаемости. Применение бетонов на однокомпонентном заполнителе из золошлаковой смеси позволяет использовать до 30-35% топливных отходов без их переработки.

Комплексное исследование летучей золы и золошлакових смесей позволяет решить целый ряд заданий, связанных с охраной окружающей среды и с устранением дефицита естественных микронаполнителей и наполнителей бетона.

Сдерживающие факторы использования ЗШО на украинских ТЭС

Использования золы ТЭС в строительстве и других отраслях сдерживается целым рядом негативных факторов:

•   энергетики не переделывают золо-шлаковые отходы (ЗШО) в стабилизированный продукт, соответствующий строительным СНиПам, ГОСТам, а традиционно предлагают рынку ЗШО с очень нестабильными физико-химическими характеристиками;

•   на ТЭС отсутствуют силосы на двух- трехсуточную емкость для усреднения в них физико-химических характеристик золы и накопительные силосы для хранения и отгрузки золы;

•   у потребителей нет устройств для принятия и хранения золы;

•   неразвитость инфраструктуры Украины и, как следствие, большие транспортные расходы на перевоз ЗШО (80 - 200% к цене франко-ТЭС);

•   отсутствие обязательных государственных технико-экономических законодательных документов и стимулов на применение золы предприятиями строительства и строительных материалов, сельского хозяйства и других отраслей;

•   отсутствие в Украине комплексной программы использования золошлаков ТЭС.

Исходные позиции предложенной системы утилизации:

•   многопередельные продукты на основе золошлаков должны стать источником инвестиций на техническое перевооружение ТЭС;

•   продукты на основе золошлаков должны стать финансовым источником покрытия экологических платежей ТЭС;

•   на площадках или поблизости ТЭС должны производиться многопередельные сухие продукты на основе золошлаков с использованием технологий перемешивания, дробления, помола и расфасовки с высококонкурентной рыночной ценой, которая превышает в 20 - 40 раз отпускную цену ЗШО франко-золоотвал;

•   соответственно часть транспортной составляющей в рыночной цене многопередельного золошлакового продукта должна снизить в 20 - 40 раз по сравнению с частью транспортных расходов в цене ЗШО франко-потребителя;

•   упростить оформление документов на отгрузку продукта по сравнению с вагонами, поскольку расфасованный продукт будет отгружаться в стандартных морских контейнерах;

•   рентабельность производства многопередельных продуктов из золошлаков на ТЭС превышает рентабельность производства электроэнергии;

•   многопередельные продукты по своей конкурентоспособности позволяют ориентироваться на рынки Украины, стран СНГ и Дальнего Зарубежья, а не быть привязанными традиционно только к потребителю в радиусе максимум 100 км.;

•   ЗШО, как товарный продукт и сырье для многопередельных золошлаковых продуктов, сами по себе ничего не стоят, поскольку расходы на изготовление ЗШО, их транспортировка и хранение на золоотвалах входят в себестоимость электроэнергии ТЭС и оплачены ее потребителями;

•   расфасованные многопередельные продукты на основе золошлаков, доступны длительному хранению в складских помещениях, не снижая своих потребительских свойств.

Перечень сухих золошлакопродуктов высокой потребительской стоимости, которые возможно производить из ЗШО на многопередельных модульных заводах, установленных вблизи труб ТЕС:

1-й продукт - сухие золоклинкерные вяжущие на основе кислых, ультракислых и высокоосновных зол ТЭС;

2-й продукт - сухие безклинкерные вяжущие на основе высокоосновных зол;

3-й продукт - мелкодисперсный песок на основе рассеивания золы из форкамер;

4-й продукт - мелко-, средне- и грубозернистый песок на основе дробленного шлака;

5-й продукт - многофракционный щебень на основе дробленного шлака;

6-й продукт - сухие строительные смеси для растворов разного назначения (кладки, штукатурные, шпаклевательные, клеевые, гидрофобные, наливные и так далее) на основе 1-4 продуктов;

7-й продукт - сухие бетонные смеси разного назначения на основе 1-5 продуктов;

8-й продукт - удобрения для сельского хозяйства;

9-й продукт - раскислители кислых почв, особенно Нечерноземья, на основе высококальциевых зол угля;

10-й продукт - под покрытие автомобильных дорог из монолитного бетона подстилающие сухие подсыпают из высококальциевых зол, обладающих могучей гидротационной теплоемкостью из t = 80-90^oC, высокоэффективных при строительстве дорог в условиях относительно низких позитивных температур;

11-й продукт - на принципах 10-го продукта изготовление одноразовых нагревателей разного назначения для бытовых, производственных и потребностей МЧС;

12-й продукт - зольная микросфера многоцелевого использования;

13-й продукт - усредненная по физико-химическим характеристикам за счет смешивания сухой золы для добавки в бетоны, растворы, для производства шлакопортландцемента на цементных заводах.

Предложенная организационная структура утилизации отходов ТЭС Украины

Специалисты Украинского финансово-промислового концерна "УФПК" имеют богатый опыт по коммерциализации инновационных проектов и готовы внедрять проекты по утилизации продуктов пылесероочистки теплоэлектростанций с обеспечением высоких экономических показателей.

Исходя из опыта Германии Концерн "УФПК" предлагает создать ОАО "ТЭС-золопродукт", участниками которого могут выступить крупные ТЭС, энергосистемы, Минтопэнерго; предприятия, которые изготавливают золошлакоперерабатывающее оборудование, потребители золошлакопродуктов.

Задание и функции ОАО "ТЭС-золопродукт":

•   производство золопродуктив на ТЭС, их доставка потребителям;

•   организация проведения НИР, проектных и конструкторских работ;

•   маркетинг на рынке Украины, СНГ, дальнем зарубежье, формирование региональных и межрегиональных рынков;

•   формирование могучей лизинговой системы на многопередельные установки;

•   развитие сервисных услуг: монтаж и наладка оборудования, запчастей, разработка технологических регламентов, обучение кадров;

•   организация совместной работы с Минприроды, Минтопэнерго, Миннауки, Минагро Украины, лоббирование через правительство и парламент законодательных документов по стимулированию использования в стране золошлаковых продуктов ТЭС;

•   пропаганда через средства массовой информации преимуществ золошлакопродуктов в сравнении с изделиями из традиционного сырья.

Техническая структура

Как основа для производства перечисленных продуктов предлагается модульный завод сухих строительных смесей. Завод необходимо доработать в отношении золы ТЭС; построить помольное, дробильное и сушильное отделение с использованием тепла дымовых газов ТЭС, которые выбрасываются.

Особенностью модульного завода является возможность устанавливать поблизости или на площадках ТЭС "батарею" из модульных заводов и неограниченно наращивать их производительность.

Опыт утилизации золошлакових отходов в России и рекомендации для ТЭС Украины

Золошлаковые отходы - новое минеральное сырье определенного (в зависимости от начального топлива и топочного режима сжигания) химического, минералогического и гранулометрического состава, которое может стать товарным продуктом. Негативное влияние золошлаков на окружающую естественную среду обусловлено исключением больших площадей из хозяйственного оборота под золоотвалы. Одним из основных направлений природоохранной деятельности электроэнергетической отрасли по решению проблемы ЗШО ТЭС было определено строительство установок по отбору, отгрузке потребителям и переработке сухой золы в товарную продукцию, а также создание узлов отгрузки шлака и золошлаковой смеси из золохранилищ.

Ежегодные расходы только на хранение ЗШО (плата за размещение и аренду земли) в целом по стране по экспертной оценке составляют больше 14 млрд. руб. (здесь и дальше цены 2001 г.). Золоотвалы занимают большие площади (больше 22 тыс. га), являются источником загрязнения окружающей среды и требуют значительных эксплуатационных расходов. Ежегодно увеличивается стоимость транспортировки золы и шлаков ТЭС в отвалы, стоимость строительства золоотвалов и их реконструкции (около 1 млрд. руб.). Часть золоотвалов по мере урбанизации территорий оказывается в районах жилищной застройки.

Рост части угля в топливном балансе ТЭС, а, следовательно, увеличение выхода ЗШО приведет к заострению ситуации в области их складирования и хранения, и, как результат, к ухудшению экологической обстановки в районе действия ТЭС. Золы угля разных месторождений существенно отличаются составом минеральной части, содержимым и соотношением основных золообразующих элементов, а также набором и количеством микрокомпонентов, что и определяет наиболее целесообразные направления промышленного использования ЗШО.

По химическому, гранулометрическому и фазово-минералогическому составах ЗШО во многом идентичны естественному минеральному сырью, что позволяет использовать их для производства строительных материалов и изделий самой широкой номенклатуры. В то же время, уровень утилизации (переработки и использования) ЗШО за последние 10 лет, начиная с 1990 г., колебался от 3 к 13% их годового выхода. При этом используются традиционные технологии (обвалование дамб, планировка территории, производство мелкоштучних строительных изделий и так далее). Часть использования ЗШО в США составляет 22 %, в Китае - 25 %, в странах ЕС - 90 %.

Сопоставление основных требований к качеству летучей золы России и Европейского комитета по стандартизации показывает, что:

- стандартом ЕN450 установлены единые требования к любым видам летучих зол, - разных марок углей, - которые образуются при сжигании;

- практически все показатели стандарта ЕN450 являются более жесткими.

Сложность использования ЗШО из отвалов

ЗШО из отвалов обладают повышенной влажностью и не классифицированы по химическому и гранулометрическому составам. При этом достаточно эффективное оборудование для их классификации и предварительной сушки отсутствует как у нас в стране, так и за рубежом.

Причины, определяющие низкий уровень использования ЗШО:

- отсутствие экономической заинтересованности отраслей народного хозяйства в увеличении объемов использования отходов ТЭС;

- неподготовленность предприятий отраслей народного хозяйства к приему и переработке отходов ТЭС;

- снижение рентабельности использования дешевого сырья (ЗШО) тепловых электростанций цементной промышленностью и промышленностью строительных материалов из-за резкого увеличения стоимости железнодорожных и автомобильных перевозок;

- необоснованное повышение цен на золу и золошлаковые отходы рядом тепловых электростанций, что разрушает годами налаженные связи "поставщик - потребитель золы";

- отсутствие законодательной и нормативно-правовой базы, достаточной для экономического стимулирования увеличения использования ЗШО.

Основные направления по увеличению использования ЗШО

Основная цель энергетиков не переработка всего объема ЗШО, а создание объективных условий для их максимального использования в процессе производства товарной продукции, в том числе и на собственных производствах.

Для успешного решения проблемы утилизации золошлаков и нанесения минимального экологического убытка окружающей среде при создании и модернизации систем ЗШО прежде всего необходимо соблюдать следующие основные принципы:

- раздельное удаление золы и шлака;

- возможность 100%-го сбора и отгрузки сухой золы;

- экологически приемлемые способы размещения незатребованной части сухой золы и шлаков (грануляция, заполнение горных выработок и карьеров и др.);

- совершенствование оборудования и схемных решений отдельных узлов, установок и системы ЗШО;

- максимальная механизация и автоматизация технологических процессов.

Наиболее приемлемой для практического применения является система летучей золы сухого отбора, поскольку она всегда классифицирована в соответствии с полями электрофильтров по фракционному составу. Такая зола может сохраняться в силосах в сухом виде и применяться в производстве без дополнительной подготовки. Система подачи летучей золы в бетоносмесительные узлы аналогична трактам подачи цемента. Основным заданием ТЭС, оснащенных электрофильтрами и циклонами, является оснащение их установками для сухого отбора золы. На ТЭС, оснащенных мокрыми золоуловителями (скруббер, трубы Вентури и др.), - установками по сгущению и обезвоживанию золовой пульпы до 10-15% влажности.

В настоящее время для удаления золы и шлака на отвал применяется напорный гидравлический транспорт. Пневматические системы удаления применяются крайне редко. Однако если установки сухого золоулавливания эксплуатируются на 60% ТЭС, то механизмами для отбора сухой золы оборудованны меньше 4%.

Использование ЗШО можно считать бизнес направлением. Для достижения этой цели целесообразно разработать предложения по экономическому стимулированию использования ЗШО с включением соответствующих положений в проект закона "О вторичных материальных ресурсах". Одновременно подготовить проект программы совместно с привлечением заинтересованных отраслей экономики.

Одним из основных направлений увеличения производства и реализации продуктов из ЗШО есть освоение региональных рынков сбыта строительных материалов. Первый Международный Форум "Рациональное природопользование 2005", который состоялся 6-8 сентября 2005 года в г.Москве, в разделе констатации итогового документа отметил, что в системе рационального природопользования очень важно изменить взгляд на отходы, то есть перестать рассматривать, их как загрязняющие вещества, которые требуют контроля, а считать их источниками сырья и материалов.

Таблица 3

Перечень изделий, которые изготовляются в настоящее время из отходов теплоэлектростанций в России

№ продукта	Наименование продукта
1	Сухие золоклинкерные вяжущие на основе кислых, ультракислых и высокоосновных зол ТЭС
2	Сухие безклинкерные вяжущие на основе высокоосновных зол
3	Мелкодисперсный песок на основе рассеивания золы из форкамер
4	Мелко-, средне- и грубозернистый песок на основе дробленного шлака
5	Многофракционный щебень на основе дробленного шлака
6	Сухие строительные смеси для растворов разного назначения (кладки, штукатурные, шпаклевочные, клеевые, гидрофобные, наливные и так далее) на основе 1-4 продуктов
7	Сухие бетонные смеси разного назначения на основе 1-5 продуктов
8	Удобрения для сельского хозяйства
9	Раскислители кислых почв, особенно Нечерноземья, на основе высококальциевых зол угля
10	Под покрытие автомобильных дорог из монолитного бетона - подстилающие сухие подсыпки из высококальциевых зол, обладающих могучей гидротационной теплоемкостью с t = 80-90oC, высокоэффективных при строительстве дорог в условиях относительно низких позитивных температур
11	На принципах 10-го продукта - изготовление одноразовых нагревателей разного назначения для бытовых, производственных и потребностей МЧС, использующих гидротационную энергию
12	Зольная микросфера многоцелевого использования
13	Сухая зола, усредненная по физико-химическим характеристикам за счет смешивания, для добавки в бетоны, растворы, для производства шлакопортландцемента на цементных заводах

Зарубежный опыт использования золошлаков ТЭС

Для обработки экономически эффективных организацийно-техничних решений был изучен зарубежный опыт развитых стран по проблеме использования золь ТЭС.

Принципиальная идеологическая разница: в развитых странах золошлаки называются побочным продуктом ТЭС и электростанции осуществляют предпродажную подготовку продукта, доводя ее характеристики до требований официальных строительных нормативных документов.

В Украине и России золошлаки официально называют отходами, и электростанции предлагают потребителям именно отходы, а не технологически доработанный продукт с соответствием его характеристик требованиям строительных нормативных документов.

В Западной Европе и Японии при ТЭС практически ликвидированы золоотвалы. Сухая зола поступает в силосы, построенные рядом с главными корпусами ТЭС. Например, в Германии на многих электростанциях емкость силосов составляет 40-60 тыс. т, и обязательно строятся небольшие силосы с суточной и двухсуточной емкостью, из которых отбираются пробы для лабораторного анализа золы, и в которых она технологическими методами перемешивания и объемного дозирования по фракционному составу доводится до соответствия нормативным требованиям, после чего зола перегружается в силосы-хранилища.

В Германии функционирует наибольшая на Европейском континенте фирма по использованию зол ТЭС - Bau Mineral (ВМ) - дочерняя фирма энергосистемы. Эта компания - связующее звено между ТЭС и строительной индустрией. ВМ города Хертен была образована в 1989 г. путем слияния двух компаний, которые до 1989 г. уже обладали 30-летним опытом в использовании побочных продуктов электростанций.

ВМ - надежный партнер ТЭС и индустрии строительства. Компания гарантирует приобретение побочных продуктов ТЭС с помощью операторов самих ТЭС.

ВМ имеет собственную систему перевозки и хранения побочных продуктов ТЭС. Транспортировка осуществляется грузовиками, железной дорогой и морскими судами. Сильная сторона компании - своевременная транспортировка.

ВМ - это больше 100 служащих в 8 регионах, совокупная емкость хранилищ - 200 тыс. т, больше 50 спецтранспортных средств, с емкостью перевоза 600 тыс. т. Ежегодно ВМ реализует больше 3 млн. т золошлаков ТЭС.

Продукция ВМ отвечает стандартам и инструкциям DIN, которые подвержены внешнему контролю со стороны институтов тестирования стройматериалов. Основа гарантии качества - непрерывный контроль продукции в собственных прекрасно оборудованных лабораториях тестирования стройматериалов.

ВМ работает без посредников. Между ТЭС и строителями нет посредников, кроме ВМ.

Техническая компетентность, экономическая мощность, новаторские и творческие идеи касательно использования побочного продукта ТЭС - основа процвітання ВМ.

В Германии создан и действует Технический Союз потребителей побочного продукта ТЭС (ТСПППТЭС).

По данным ТСПППТЭС в 2001 году в Германии произведено 25 млн. т побочного продукта ТЭС:

15 млн. т - на ТЭС, работающих на буром угле;

10 млн. т - на ТЭС, работающих на каменном угле.

ТЭС на буром угле выработали:

7,9 млн. т - летучей золы,

1,8 млн. т - топочного песка,

5,3 млн. т - гипса и других продуктов.

ТЭС на каменном угле выработали:

4,3 млн. т - летучей золы,

0,53 млн. т - топочного песка,

0,20 млн. т - гипса,

4,97 млн. т - граншлаков.

Из 4,3 млн. т летучей золы 3,5 млн. т соответствуют Европейскому стандарту летучей золы для материалов из летучей золы.

Топочный песок и граншлаки утилизировались полностью. Граншлаки - заменитель песка при пескоструйной очистке. Главное требование - однородность свойств золы.

Использование летучей золы - важнейший показатель уровня технического развития энергетики и строительства.

Области использования: добавки в бетон, раствор, цемент, силикатные изделия, производство кирпича, подземное и дорожное строительство.

Основное направление - замена цемента.

В Германии нет ТЭС без силосов для золы. Например, на ТЭС "Мольке" общий объем силосов - 60 тыс. т, выход золы - 600 тыс. т/час. При ТЭС нет никаких отвалов золы.

Побочные продукты ТЕС экспортируются в соседние страны. Для летучей золы обязательно наличие сертификата, если она идет в строительство и индустрию строительства.

Диапазон цен на цемент и золу - основа интереса потребителя. Ни один производитель бетона в Германии не обходится без золы.

В Германии 3,1 млн. т цемента заменяется золой. Зола утилизировалась экологически чистым методом. Экономятся ресурсы, энергия, необходимая для производства цемента; сокращены выбросы СО₂ на 3,1 млн. т (при производстве 1 т цемента происходят выбросы 1 т СО₂), что существенно в свете требований Киотского протокола по снижению выбросов СО₂. Окупаются расходы на силосы, транспорт, заработную плату.

Электростанция (ТЭС) - производитель продуктов, а не отходов. Однородность - главное для золы.

В США строители законодательно обязаны применять золу ТЭС в бетонах и растворах. Нарушители поддаются экономическим санкциям со стороны государства. Часто ТЭС доплачивает потребителю за отбор золы.

В Китае золошлаки ТЭС отпускаются потребителям бесплатно.

В Польше применяются мощные экономические рычаги, стимулирующие использования золошлаков.

Новейшие технологии утилизации золы

Летучая зола в асфальте

Горячий укатанний асфальт широко применяется для покрытия автомобильных дорог и особенно дорог с большой нагрузкой. Асфальт производят путем нагревания смеси минеральных компонентов наполнителей и битума до высокой температуры. Потом смесь укладывают и укатывают. Как правило, в качестве заполнителя используется известняковая пыль. Замена её летучей золой улучшает свойства уложенной смеси в сравнении с обычным асфальтом: уменьшает плотность и повышает долговечность. Также стоит учитывать экономию энергии. Летучая зола (ЛЗ) также используется в пенобитумных продуктах, где за счет сферичности частиц золы можно снизить расход битума.

Ксеносферы

При заполнении отстойника небольшая часть золы (1-2%) остается на поверхности. Это ксеносферы - полые частицы силикатного стекла, которые расширились. Основные хараткеристики - размер от микрон до миллиметров, сверхнизкой плотности, низкой теплопроводимости, высокой прочности, стойкость к кислотам и низкое влагозамещение. Основное применение этого материала - инертный заполнитель, который улучшает реологию заполнителей, как в сухом, так и в мокром способах применения. Таким образом, они применяются в обычных пластмассах, стеклопластиках, огнестойкой облицовке и почти во всех областях, где применяются традиционные заполнители. Важными областями применения также является аэрокосмическая промышленность, садоводство; производство дорожного покрытия, шпаклевки, материалов для ремонта бетона, а также добавок в изолирующие материалы и огнеупорную глину.

Заполнители

Основной областью применения золы являются строительная промышленность, где потребности рынка удовлетворяют большими объемами производства. Зола в большом количестве используется в качестве заполнителей, а также в сельском хозяйстве. ЛЗ используется в качестве добавки в заполнителях и изоляционных материалах с целью минимизации усадки. В некоторых ситуациях ЛЗ используется в качестве наполнителя в составе лакокрасочных материалов.

Сельское хозяйство

Кроме органического углерода и азота в состав золы входят большинство элементов, которые входят в состав почвы, что и обусловливает использование ЛЗ в сельском хозяйстве. Зола повышает качество почвы и урожая, особенно на плохих землях. Таким образом, свойства почвы могут быть улучшены за счет улучшения текстуры, изменения плотности, увеличения влажного замещения, нейтрализации кислотности и снижения неравностей поверхности.

ЛЗ положительно влияет на рост и урожайность. Удобрения на основе золы продаются во многих странах, включая США. Удобрения на основе ЛЗ и отходов систем десульфуризации дымовых газов особенно ценны из-за наличия важных питательных веществ и для нейтрализации кислых почв. Несколько видов таких удобрений доступны на рынке.

Аэрированная керамика

Экспериментальные разработки в США и Великобритании показали, что зола может использоваться при производстве аэрированной керамики путем добавления небольших количеств пенного агента и других материалов. В США изготовляются изделия размером до 1,2 м х 0.6 м х 0,1 м.

Использование существующих золоотвалов для развития земель

В Великобритании прежние золоотвалы переводятся в промышленные земли и земли для производств и офисов, при этом, несмотря на все преимущества, жилищное строительство на этих территориях идет меньшими темпами. Там где золоотвалы были возвращены в земельный оборот, земля используется в сельскохозяйственных и рекреационных целях (футбольные поля и так далее). В настоящее время осуществляется несколько крупных подобных проектов.

Выводы и рекомендации

Внедрение экологически чистых угольных технологий в Украине позволит углю занять достойное место в оптимальной структуре энергетического баланса, способствуя при этом повышению энергетической безопасности и решению проблем охраны качества атмосферного воздуха на локальном, региональном и глобальном уровнях.

Использование заложенного в Киотском Протоколе Механизма Чистого Развития и Совместного Осуществления открывает новые возможности финансирования инвестиций в строительство высокоэффективных и высокоэкологичных чистых угольных технологий в Украине.

Рекомендации по повышению эффективности обращения с отходами ТЭС:

1. Тщательнее изучить потенциал использования британских технологий в Украине через представительства на местах (отделы торговли посольств). Может быть одобрена торговая миссия.

2. Решить проблемы, которые возникают в связи с классификацией золы как отхода, путем согласованных действий участников рынка, как на национальном уровне, так и на международном.

3. Доработать варианты организации программы, которая финансируется правительством, для стимулирования утилизации золы при участии игроков рынка, регулирующих органов, представителей национальных и региональных властей.

4. Продолжить изучение и анализ использования законодательных инструментов для стимулирования утилизации золы и достижения целей устойчивого развития.

5. Продолжить разработку использования золы в больших объемах для сельскохозяйственных, строительных и других целей.

6. Провести дополнительные исследования по сбору достоверной информации о производстве и использовании отходов ТЭС.

7. Активно внедрять "ноу-хау" в области развивающегося рынка товаров народного потребления, с использованием отходов ТЭС.

8. Организовать и объединить ведущих игроков рынка золы, регулирующих органов, экологических служб и представителей национальной и региональной власти для совместной работы над увеличением объемов использования отходов ТЭС.

9. Обеспечить переход от "рецептурных" спецификаций (которые включают отходы ТЭС) к стандартам конечного качества продукции, что значительно увеличит объемы утилизации.

10. Определить граничные условия устойчивого рынка изделий изготовленных из отходов ТЭС.

11. Для международных и украинских организаций будет чрезвычайно полезно начать сотрудничество в сфере лоббирования интересов по утилизации отходов ТЭС.

12. Учитывая потенциальную важность рынка, необходимо получить объективную информацию об утилизации отходов ТЭС в Украине и принять все меры для интенсификации данного процесса.

Предложенная организационная структура для Украины обеспечит привлечение необходимых средств и успешную утилизацию отходов ТЭС, а все участники получат весомую прибыль в свой бюджет.