Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 187.

Комплексная технология переработки сухих зол уноса ТЭЦ

О возможной утилизации зол уноса, улавливаемых в циклонах и электрофильтрах при сжигании углей, написано огромное количество материалов. Проблему заметили полвека назад. За это время города, особенно мегаполисы в Сибири, оказались буквально засыпанными отходами, главную часть которых составляют золы. Однако значимых результатов достигнуто не было.

Одна из главных причин этого – неоднородность и нестабильность состава производимой золы, что не обеспечивает надежного полезного эффекта при ее утилизации в строительной отрасли – главном потенциальном потребителе. Переработка гигантских объемов производимой вокруг мегаполисов золы с помощью известной техники – классификаторов и мельниц, учитывая низкую потребительскую стоимость и сильное расхождение в сроках производства и потребления, гарантированно будет убыточным производством.



Зола – дефицитный товар

Неполное потребление производимой золы доставляет энергетикам одни лишь проблемы, т. к. в этом случае необходимо содержать две системы золоудаления. Удаление золы и содержание отвалов составляли раньше примерно 30% себестоимости энергии и тепла ТЭЦ. Однако если учесть рыночную стоимость потерянной земли вблизи мегаполисов, снижение стоимости земли и недвижимости на значительном расстоянии от станций и золоотвалов, прямой ущерб здоровью людей и природе, в частности загрязнение пылью воздушного бассейна и растворимыми солями и щелочью водоемов и подземных вод, то эта доля реально должна быть значительно выше.

Зола уноса в развитых странах является таким же товаром, причем дефицитным, как тепло и электроэнергия. Качественная зола уноса, удовлетворяющая стандартам и пригодная для использования в бетоне в качестве добавки, связывающей избыток извести и снижающей водопотребность, стоит, например, в США наравне с портландцементом ~60$/т.

Идея экспорта в США переработанной каменноугольной золы может оказаться разумной. Некачественная зола уноса, например с низкотемпературных «экологически чистых» котлов с кипящим слоем, в которых сжигается низкокачественный уголь с высоким содержанием серы (станция Жерань в Варшаве), предлагается по отрицательной стоимости порядка -5$ / т, но при условии, что потребитель забирает ее всю. Аналогичная ситуация в Австралии. Таким образом, переработка золы может быть рентабельной только в том случае, если благодаря технологии появится ряд более качественных продуктов, которые найдут потребителей в полном или почти полном объеме на ограниченной территории вблизи места производства. При стандартном использовании золы уноса в качестве добавки в бетон или строительную керамику проблема не может быть решена принципиально из-за ограниченной емкости местного рынка. К тому же добавка золы нестабильного состава в бетон возможна без потери качества лишь в очень ограниченном количестве, что делает бессмысленной всю эту затею.



Перспективы переработки

С химической точки зрения не использовать золы уноса – абсурд. Можно выделить как минимум 3 типа перспективных для переработки зол:
1) высокальциевые золы от сжигания бурых углей (БУЗ), например с Канско-Ачинского угольного бассейна, с высоким содержанием оксида и сульфата кальция, т. е. по составу близких к портландцементу и с высоким химическим потенциалом – запасенной энергией;
2) кислые золы от сжигания каменных углей (КУЗ), состоящих в основном из стекла, включая микросферы;
3) золы с высоким содержанием редкоземельных элементов.

Необходимо отметить, что в природе не бывает двух одинаковых углей, поэтому не бывает одинаковых зол. Речь всегда должна идти о локальной технологии переработки золы уноса в конкретном регионе, т. к. основные потребители должны располагаться вблизи источника золы. Любая самая замечательная технология состоится лишь в том случае, если местный рынок будет в состоянии «проглотить» всю или почти всю массу переработанной золы.

Для комплексной переработки золы уноса предлагается использовать возможности нового класса техники – так называемой электро-масс-классификаторов (ЭМК). Эта техника основана на обнаруженном относительно недавно новом явлении – образовании во вращающихся турбулентных газовых потоках плотных заряженных аэрозолей (газо-пылевой плазмы) и их разделении во внутренних электрических полях.

Явление трибозарядки частиц при трении или ударах известна человечеству с незапамятных времен, однако до сих пор наука не может предсказать даже знак заряда.



Преимущества ЭМК

Несмотря на предельную сложность явления, техника ЭМК внешне очень проста и имеет преимущества по всем параметрам относительно обычных воздушных сепараторов или струйных мельниц, дезинтеграторов.

Одно из главных преимуществ – полная экологическая чистота, т. к. процессы осуществляются в закрытом объеме, т. е. ЭМК не нуждается в каких-либо дополнительных устройствах типа компрессоров или систем пылеулавливания – циклонов или фильтров, даже при работе с нанопорошками. Тонкая фракция аэрозоля, заряженная одним знаком, удаляется из аэрозоля кулоновской силой через центр, против действия силы вязкости Стокса и центробежной силы. Частицы разряжаются на стенках в камере улавливания или через заряженные ионы в атмосфере, а заряд возвращается в камеру генерации аэрозоля.

Таким образом, в технике ЭМК осуществляется процесс сепарации порошков на неограниченное количество фракций с круговоротом заряда. При разделении неоднородных систем, включая золы, возможно разделение не только по размерам частиц, но и по другим физическим характеристикам.

Другое важное преимущество ЭМК – возможность реализовать одновременно несколько различных операций за один проход (например, сепарацию с механической активацией или измельчением), как в непрерывном, так и в дискретном исполнении. Огромные массы золы с высоким содержанием тонких частиц невозможно сепарировать на известной технике, т. к. неэффективно пылеулавливание именно тонких частиц, имеющих самую высокую ценность и одновременно представляющих наибольшую опасность для людей и окружающей среды.

Выделение из золы уноса тонкой фракции на ЭМК дает возможность эффективного непрерывного разделения крупной фракции по другим параметрам, например по размерам частиц, по магнитной восприимчивости, плотности, форме частиц, электрическим свойствам. Диапазон производительности техники ЭМК не имеет аналогов: от порции в 1 грамм до 10 тонн/час в непрерывном режиме при диаметре ротора не более 1,5 м. Диапазон дисперсности разделяемых материалов также широк: от сотен мкм до ~0,03 мкм – ЭМК также намного превышает все известные виды техники, приближаясь к мокрой сепарации с использованием центрифуг.



Технологии переработки золы

Возможности ЭМК позволяют реализовать гибкую «умную технологию» переработки золы с ориентацией на рыночный потенциал ее отдельных компонентов. Детальное изучение ряда зол уноса, включая ТЭЦ-3 и ТЭЦ-5 г. Новосибирска, позволило разработать оптимальные схемы их переработки, а также предложить технологии производства строительных материалов с утилизацией основной массы продуктов из золы.

БУЗ, получаемая в частности на ТЭЦ-3, состоит в основном из стеклянных сферических частиц с вариацией содержания кальция и железа. Эти частицы обладают вяжущими свойствами и при реакции с водой, медленнее, чем портландцемент, но образуют цементный камень. Однако наряду с ними есть частицы несгоревшего угля в виде кокса, содержание которого может доходить до 7%, зерна оксида кальция CaO (5-30%) и сульфата кальция CaSO4 (5-15%), покрытые стеклом, неактивные минералы – кварц и магнетит. Кокс оказывает однозначно негативное влияние на прочность камня, подобное макропорам.

Но наиболее негативную роль играют зерна CaO, особенно крупные. Эти зерна реагируют с водой со значительным увеличением объема и заметно медленнее основной массы золы, в т. ч. из-за капсулирования стеклом.

Действие крупных частиц CaO можно сравнить с миной замедленного действия. Прочность камня на основе золы обычно невысока и составляет в среднем около 10 МПа (100 кГ/см2), но из-за нестабильного состава варьирует от 0 до 30 МПа. Потребительская стоимость определяется нижней границей, т. е. равна нулю. Для отбора золы пригодного состава необходим экспрессный анализ, требующий дорогого спектрометра. Отбор для утилизации лишь части золы не представляет какого-либо интереса.

Механическая обработка золы на ЭМК в режиме механической активации поверхности частиц с одновременной сепарацией примерно 50% тонкой фракции меньше 60 мкм решает перечисленные проблемы.

Оптимальный срок хранения активированной тонкой фракции золы с дополнительным ростом прочности камня на ~5 МПа составляет 1-5 суток, после чего трещины закрываются с падением активности ниже исходной.

Эта особенность зольного вяжущего требует переработки золы в основном самими потребителями. Прочность камня при оптимальных условиях активации и хранения уже не опускается ниже 10 МПа, а при малых добавках цемента порядка 10%, и хлорида кальция CaCl2 примерно 1%, (т. н. зимняя добавка, активирующая реакцию с малыми зернами песка) зольное вяжущее становится полноценным, но дешевым материалом для приготовления безусадочного низкомарочного бетона М100-М300.

Марка бетона определяется прочностью после 28 суток выдержки, но бетон с зольным вяжущим набирает прочность и дальше, увеличивая ее в 2-3 раза (в обычном бетоне – лишь на 30%). Крупная фракция может быть легко переработана: разделение по размерам частиц или на трибоэлектрическом сепараторе дает крупную фракцию кокса, которую можно вернуть обратно в котел, на магнитном сепараторе отделяется фракция из сферических частиц магнетита, которую можно использовать, например, в качестве специального пигмента. Остаток после затворения водой на 1-2 недели представляет собой штукатурный или строительный раствор.



Бион из золы

На рисунке показана прочность камня при различном соотношении цемента и зольного вяжущего. Можно выделить 3 области: низкомарочный бетон на основе зольного вяжущего с малыми добавками цемента, обычный бетон с небольшими добавками 10-20% зольного вяжущего, и бетон максимальной прочности с добавкой зольного вяжущего 25-50%. Если использовать зольное вяжущее в качестве добавки, то весь рынок в мегаполисе сможет потребить лишь небольшую часть производимой золы.

Производство бетона с большой добавкой зольного вяжущего до 50%, несмотря на привлекательность, представляет собой зону повышенного риска. Это связано с тем, что доля сульфата кальция CaSO4 в золе варьирует в пределах 5, а его высокое содержание может привести к образованию эттрингита при реакции с глиноземистым компонентом цемента с большим увеличением объема уже после образования прочного камня. В связи с этим образование эттрингита называют чумой для бетона.

Относительно проще найти применение низкомарочному бетону. В этом случае максимальный объем зольного вяжущего, например, из золы ТЭЦ-3 составит 60 тыс. тонн в год, из которого можно приготовить 200 тыс. куб. м бетона. Его будет достаточно для строительства 3000 малоэтажных индивидуальных домов или для покрытия 200 км местных дорог шириной 8 м. Зола может храниться в сухих условиях сколь угодно долго, поэтому рассогласование в сроках производства и потребления никак не скажется на качестве при переработке золы на месте строительства.

Переработка кислых КУЗ, представляющих собой в основном стеклянные сферические частицы, включая полые микросферы, и остатки несгоревшего угля в виде кокса до 5% также легко реализуется с использованием техники ЭМК. У микросфер, составляющих около 5% золы, имеется множество специальных областей применения, вплоть до медицины.

Главными потребителями КУЗ, помимо производителей бетона, являются кирпичные заводы. К сожалению, глины в России, как правило, тощие, а добавки золы не являются необходимыми. Потенциальная емкость регионального рынка на продукты из КУЗ пока в несколько раз ниже объема производимой золы. Вариант экспорта в развитые страны продуктов из золы необходимо просчитывать.

В Великобритании низкокачественные отходы закладывают в основания дорог. До 10-20% вырабатываемой КУЗ можно утилизировать с пользой в качестве флоккулянта в производстве грунтоблоков при организованном строительстве в полуавтономных экопоселках индивидуального малоэтажного жилья. Целостная концепция строительства доступного комфортабельного жилья на основе местных ресурсов и отходов изложена в проекте «Новая малоэтажная Россия» и доступна в Интернете. В целом для КУЗ рынок необходимо формировать в течение нескольких лет при наличии инвестиций.



Для чего нужна утилизация?

К сожалению, как строительство дорог, так и индивидуальное строительство через земельные отношения полностью зависит от чиновников. Эти области традиционно наименее прозрачны, что способствует процветанию коррупции. Инновации в этих областях реально невозможны без политической воли властей.

Безотходное использование ископаемых углей особенно выгодно государству со стратегической точки зрения, поскольку без дополнительных затрат удвоится объем производства вяжущих материалов и кроме этого за счет угля значительно снизится потребление газа внутри страны, что позволит увеличить объемы его продаж за рубеж. Производство альтернативного вяжущего на основе золы обеспечит конкуренцию в секторе низкомарочного бетона региональным монополистам – производителям цемента.

Зырянов Владимир Васильевич, д. х. н., Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

В 188 выпуске читайте: Энергия из воды