Белорусский Национальный Технический Университет

Энергетический факультет

Кафедра «Электрические системы»

Реферат

по дисциплине «Экология энергетики»

Тема реферата :

«Утилизация отходов электростанций»

Выполнила: Дмитрук Т.А.

гр.106116

Руководитель: к.т.н., доцент Цыганков В.М.

Минск 2010

Содержание

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………3

1. УТИЛИЗАЦИЯ Отходов ядерной энергетики…………………4

2. Комплекс переработки ЖРО……………………………………….7

3. Золошлаковые отходы: опыт и перспективы использования……………………………………………………….10

4. ТЕХНОЛОГИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС……………………………………14

5. ТЕХНОГЕННЫЕ ОТХОДЫ ПРЕДПРИЯТИЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПУТИ ИХ ВТОРИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ………………………………………16

6. Способы уменьшения выбросов ТЭС в Окружающую среду Уменьшение выбросов сернистых соединений в органическим топливе для ТЭС……………………………20

ВВЕДЕНИЕ

Существует образное выражение, что мы живем в эпоху трех «Э»: экономика, энергетика, экология. Не зря говорят: «Энергетика – хлеб промышленности». Чем более развиты промышленность и техника, тем больше энергии нужно для них. Существует даже понятие – «опережающее развитие энергетики». Это значит, что ни одно промышленное предприятие, ни один новый город или просто дом нельзя построить до того, как будет определён или создан заново источник энергии, которую они станут потреблять. Вот почему по количеству добываемой и используемой энергии довольно точно можно судить о технической и экономической мощи, а проще говоря – о богатстве любого государства.

Экология как наука и образ мышления привлекает все более и более пристальное внимание человечества.

Экологию рассматривают как науку и учебную дисциплину, которая призвана изучать взаимоотношения организмов и среды во всем их разнообразии. При этом под средой понимается не только мир неживой природы, а и воздействие одних организмов или их сообществ на другие организмы и сообщества.

Термин «экология» был введен в употребление немецким естествоиспытателем Э. Геккелем в 1866 году и в дословном переводе с греческого обозначает науку о доме (ойкос – дом, жилище; логос – учение, наука).

Энергетика – это область хозяйства, охватывающая выработку преобразования, передачу и использование разных видов энергии.

Энергетика

Это совокупность отраслей топливной промышленности, электроэнергетики, а также средств доставки топлива и энергии. Это основа современного хозяйства, всех прогрессивных процессов в экономике.

Экология

Все энергетические предприятия при работе в той или иной мере оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду, на биосферу, на жизнь и здоровье человека. Объекты энергетики, как и многие предприятия других отраслей промышленности, представляют источники неизбежного, потенциального, до настоящего времени практически количественно не учитываемого риска для населения и окружающей среды. Острой проблемой стала утилизация отходов энергетики.

УТИЛИЗАЦИЯ Отходов ядерной энергетики

Ядерная энергия в силу уникальной ее концентрации оказалась предельно приспособленной для централизованного производства электроэнергии, которой человечеству для удовлетворения своих энергетических нужд требуется все больше и больше. Так, если при полном сгорании 1 кг газа можно получить всего 14,9 кВт·ч энергии, нефти – 12,6, угля – 8,2, то при делении 1 кг ядерного топлива (урана или плутония) выделяется 22,8 млн кВт·ч электрической энергии. Обеспеченность человечества природным ураном – основным сырьем для ядерного топлива – сопоставима с обеспеченностью нефтью и газом, но при этом учитываются лишь доступные и экономически рентабельные на сегодняшний день ресурсы. Уран находится на земле повсеместно. Это металл, приблизительно такой же распространенный, как олово или цинк, он является составляющим множества пород (концентрация в среднем 0,0002–0,0004% в горных породах и 0,00013% – в море и океане). Поэтому при разработке экономичных технологий извлечения урана из распространенных на Земле пород ресурсы топлива для АЭС будут практически неисчерпаемы. В настоящее время баланс ядерного топлива может быть восполнен и из вторичных источников, к которым относятся:

складские запасы;

уран и плутоний, регенерированные из отработанного ядерного топлива (смешанное оксидное топливо);

повторно обогащенные хвосты обедненного урана;

уран и плутоний класса оружия и т.д.

До сих пор нет технического решения, как наиболее полно использовать всю энергию ядерного топлива. К примеру, АЭС с блоком ВВЭР1000 (водоводяной энергетический реактор электрической мощностью 1000 МВт) потребляет за год примерно до 30 т ядерного топлива¹ – обогащенного урана в виде оксида урана UO₂ . Для этого необходимо подвергнуть переработке порядка 150–180 т природного урана, содержащегося в урановой руде и являющегося на сегодняшний день основным сырьем для ядерного топлива. Но в итоге лишь не более 1 т загружаемого в реактор ядерного топлива подвергается делению и, соответственно, участвует в энерговыработке. Тем не менее возможная выработка электрической энергии электростанциями на ядерном топливе в несколько сотен раз превышает выработку электроэнергии на органическом топливе, принимая равные расходы сырья. При этом топливная составляющая в себестоимости выработки электрической энергии на ядерном топливе значительно ниже, чем на органическом. Например, на мировых рынках стоимость урана на сегодняшний день составляет порядка 150–180 долл./кг. Затраты на добычу и производство урана, как правило, составляют не более 2/5 от затрат на производство ядерного топлива. АЭС при нормальной эксплуатации практически не загрязняют окружающую среду вредными выбросами. Ежегодная масса “ядерной золы” от них в мире не превышает 1% прироста токсичных химических отходов, равных более 1 млрд т моющих средств, которые со временем могут полностью отравить почву и водоемы всей планеты Земля. Кроме того, 99,5 % всех радиоактивных нуклидов, возникающих на АЭС, концентрируется в твэлах и подвергается последующей радиохимической переработке. Поэтому не удивительно, что радиоактивность дымовых шлейфов теп­ловых электростанций на угле многократно превышает радиационный фон в окрестностях АЭС⁴ . Выбросы вредных газовых составляющих – окиси азота, углекислого и сернистого газов на тепловых электростанциях в зависимости от используемого топлива выглядят следующим образом (табл. 2). С начала развития ядерной энергетики главное внимание уделялось контролю за возможной утечкой радиоактивности в окружающую среду. Поэтому к АЭС предъявлялись гораздо более жесткие требования, чем к любому другому источнику загрязнения. Вероятность радиактивного выброса очень мала – только при аварии.

Конечно, даже самое качественное оборудование не может обеспечить полной безопасности станции, однако мировая атомная энергетика шагнула далеко вперед. Как показывает практика производственной деятельности человека, риск аварий при производстве электроэнергии с использованием нефти, газа, угля и даже на гидростанциях в сотни и тысячи раз больше, чем при получении электроэнергии от АЭС.

К настоящему времени мировая практика выработала некоторый стабильный свод правил, положений, рекомендаций, обеспечивающих безопасность АЭС и сводящихся к допустимому минимуму их воздействия на человека и окружающую среду.

Выгружаемое из реактора АЭС отработанное ядерное топливо очень радиоактивно и выделяет высокую температуру. Поэтому первоначально оно помещается в “водоемы” или большие резервуары с водой на трехметровую глубину для охлаждения и замедления радиационной активности. Это можно делать как на самой территории АЭС, так и на заводе по переработке. В результате большинство типов топлива перерабатываются не сразу после выгрузки с реактора, а по истечении 5–25 лет.

Сегодня в большинстве стран используется открытый ядерный топливный цикл. В отличие от него замкнутый цикл вместо транспортирования ОЯТ к месту утилизации предполагает транспортирование его на радиохимические заводы, где происходит извлечение невыгоревшего урана. Годный для повторного применения уран составляет более 95 % от его первоначальной массы. Затем он проходит те же стадии обработки, что и добытый в рудниках.

Параллельно с этим происходит выделение и утилизация радиоактивных изотопов различных химических элементов. Радиоактивные отходы (их доля составляет менее 3% от имевшейся в свежем ядерном топливе массы урана) перерабатываются и размещаются в застывающую стеклянную массу, которая подвергается захоронению в специально оборудованных могильниках. Это заключительная стадия.

Надо сказать, что отработанное атомное топливо из действующих реакторов АЭС типа ВВЭР после дополнительной обработки может использоваться в реакторах на быстрых нейтронах типа БН800¹¹ , где радиоактивная часть его будет выжигаться полностью, не оставляя радиоактивных отходов.

Следует отметить, что мировой рынок обращения с отработанным ядерным топливом, имеющим остаточную радиоактивность, еще только начинает формироваться. В то же время многие страны уже оценили его значимость. В Великобритании и Франции созданы высокорентабельные радиохимические производства, разрабатывается технология сухого долговременного хранения, имеются предложения по международному хранению топлива, которые поддерживаются США, Великобританией, некоторыми странами ЮгоВосточной Азии, и проблема захоронения и использования ОЯТ в ближайшем будущем будет решена окончательно.

Комплекс переработки ЖРО

Научные концепции и проектные решения 60–70-х годов не предусматривали технологий по переработке и утилизации жидких радиоактивных отходов (ЖРО), которые неизбежно образуются в ходе эксплуатации атомных станций. Современная же научная мысль, наоборот, предлагает кондиционировать ЖРО — переводить их в более безопасные формы, которые будут удобны и для хранения, и для транспортировки, а также для окончательной утилизации. В настоящее время применяются разные методы переработки ЖРО. Проанализировав их, российские и германские специалисты определили оптимальную технологию переработки ЖРО для Кольской АЭС. На основании выбранной технологии был разработан проект комплекса переработки ЖРО.

В 2000 году на промплощадке станции начались интенсивные строительные работы. Именно тогда строительная организация «Апатитстрой» полномасштабно приступила к возведению здания КП. Строителям были заданы достаточно жёсткие сроки. К концу 2004 года основные работы по сооружению КП ЖРО были завершены. В настоящее время внутри этого огромного строения идут отделочные работы в помещениях и монтаж основного и вспомогательного оборудования. Масштаб работ впечатляет! Я провёл внутри здания всего полчаса и был заворожён гигантскими размерами помещений, переходами, толщиной стен и перекрытий.

На нулевой отметке комплекса расположится помещение для хранения отработанных фильтров-контейнеров, толщина стен которого более чем внушительная — 800 мм. Также здесь будет находиться установка ионно-селективной очистки, предназначенная для выделения из солевого раствора радионуклидов Cs-134, Cs-137 и других.

Комплекс уникален, подобных нет ни в России, ни за рубежом. Такого оборудования и технологий в промышленных масштабах современности просто не существует. Так что же включает в себя КП ЖРО Кольской АЭС?

Технический проект КП ЖРО был разработан специалистами С.-Петербургского института «Атомэнергопроект» при участии специалистов Кольской АЭС, «РАОТЕХ» и NUKEM GmbH (Германия) и включает в себя два направления переработки ЖРО. Прежде всего это изъятие ЖРО из баков хранения кубового остатка. Жидкая часть отходов будет попросту откачана и переработана, а вот кристаллизовавшаяся часть будет растворяться и также изыматься из бака. Каким же образом кристаллы будут размываться? Внутрь ёмкости с жидкими отходами будет помещён так называемый «кроллер» — механизм, напоминающий танк в миниатюре. Именно он через имеющиеся у него форсунки и будет размывать кристаллизовавшуюся часть, а через насос раствор солей отправится на установку очистки. Эта установка производства российской компании «РАОТЕХ», по словам начальника ЦОРО КоАЭС М. Р. Стахива, является сердцевиной комплекса, так как её основная задача — очистка растворов (кубового остатка) от радионуклидов.

На этой установке раствор будет озонироваться, после чего в нём должно произойти выпадение осадков, содержащих, в основном, органические соединения кобальта. С помощью узла фильтрации образовавшийся шлам будет отделяться от солевого раствора. Вместе со шламом будут удалены радионуклиды Со-60, Mn-54 и другие. Затем раствор поступит на узел ионно-селективной очистки. Использование новейших технологий, реализованных в данном узле, позволит сконцентрировать основные радионуклиды, содержащиеся в ЖРО в минимальном объёме, в специальном фильтре-контейнере, после прохождения которого получится нерадиоактивный раствор. Полученный «чистый» раствор поступит на установку концентрирования (установку глубокого упаривания), в результате работы которой будет получен солевой нерадиоактивный плав. Благодаря этой установке происходит концентрирование очищенных от радионуклидов растворов, которые в дальнейшем размещаются в 200-литровые бочки. Исходный материал после расфасовки будет направляться на хранение в хранилище отверждённых радиоактивных отходов (ХОРО КоАЭС), возводимое сейчас рядом с УТП–1.

Интерес вызывает и тот факт, что в недалёком будущем вероятно и промышленное использование полученного сырья. Солевой плав богат боратами (соли бора). Не исключено, что при появлении технологии извлечения этого химического элемента из солей возможно его дальнейшее применение для нужд Кольской АЭС. А значит, в итоге мы получим безотходное производство. На сегодняшний день можно уже похвастаться и тем, что переработка ЖРО организована таким образом, что позволяет минимизировать объём получаемых отходов.

Параллельно с комплексом переработки ЖРО возводится ХОРО, которое понадобится при реализации второго направления переработки отходов, когда в комплексе появится установка цементирования. Отработанные сорбенты и шламы, накопленные в баках хранения за годы эксплуатации, будут извлекаться с помощью установки изъятия. Затем будут смешиваться с цементом в установке цементирования, образуя при этом цементный компаунд, который будет заливаться в специальные железобетонные контейнеры, так называемые «невозвратные защитные контейнеры» (НЗК). После чего заполненный контейнер будет отправлен на хранение в ХОРО. Для того чтобы обеспечить радиационную безопасность при хранении контейнеров, в ХОРО будет проводиться радиационный контроль. Для защиты окружающей среды и персонала от воздействия гамма-излучения стены хранилища и комплекса имеют большую толщину. Само здание ХОРО и прилегающая к нему территория будут обеспечены надлежащей системой физической защиты. Как говорит Михаил Романович, хранилище может вместить не только переработанные отходы, оно рассчитано и на дальнейшую эксплуатацию КоАЭС. По проекту ХОРО рассчитано на 50 лет эксплуатации, то есть это временное хранилище. Во всяком случае, до тех пор, пока в России на федеральном уровне не будет создано долговременное хранилище, куда будут перевезены отходы.

Сейчас на КП ЖРО основные работы ведутся внутри здания. Полным ходом идёт монтаж оборудования, а по планам уже в сентябре начнутся первые пусконаладочные работы. На ноябрь-декабрь запланировано проведение комплексной пусконаладки с испытанием всех установок переработки. Этот этап будет хорошей школой для нового персонала КП ЖРО, численность которого составит 57 человек.

В основном это будут специалисты из ЦОРО, РЦ, ТЦ, ЭЦ, ЦТАИ, ХЦ, ЦЭОО, других цехов Кольской АЭС, а также специалисты извне. К персоналу предъявляется целый ряд требований, среди которых наличие опыта работы с оборудованием в РЦ или ТЦ АЭС, техническое образование. По словам начальника ЦОРО КоАЭС, предпочтение будет отдано людям с высшим и среднетехническим образованием, ведь оператору придётся управлять уникальными установками, работать как на щите управления, так и непосредственно на оборудовании. В скором будущем в ЦОРО появятся и молодые специалисты, выпускники технических вузов по специальности «атомные электрические станции».

Сейчас все усилия персонала ЦОРО, других цехов Кольской АЭС и подрядных организаций направлены на то, чтобы к концу 2005 года, как этого требуют условия действия лицензии на эксплуатацию энергоблока № 1 Кольской АЭС, КП ЖРО был введён в эксплуатацию в рамках пускового комплекса. С вводом нового комплекса существенно повысится уровень безопасности КоАЭС. Результатом работы КП ЖРО в ближайшие годы должны быть освобождённые от ЖРО ёмкости кубового остатка, сорбентов и шламов. Главное, что с использованием новейших и уникальных технологий жидкие радиоактивные отходы будут переведены в твёрдое состояние, а хранение их в таком виде более надёжно и безопасно.

Золошлаковые отходы: опыт и перспективы использования

По решению I съезда сибирских энергетиков и при поддержке РАО «ЕЭС России» в июне этого года в Новосибирске состоится Всероссийское совещание по использованию золошлаковых отходов. Данная проблема вызывает большой интерес по ряду причин.

Среди промышленных отходов одно из первых мест по объемам занимают золы и шлаки от сжигания твердых видов топлива (уголь разных видов, горючие сланцы, торф) на тепловых электрических станциях. Огромные количества золы и шлака скопились в отвалах, занимающих ценные земельные угодья. Содержание золошлаковых отвалов требует значительных затрат. В то же время золы и шлаки тепловых электрических станций можно эффективно использовать в производстве различных строительных материалов, что подтверждается многочисленными научными исследованиями и практическим опытом.
Для нужд строительства
Из зол и шлаков возможно производство большого количества строительных материалов, изделий и конструкций, необходимых при возведении жилых и промышленных зданий, сельскохозяйственных объектов, дорожных и гидротехнических сооружений и т. п.
Необходимость использования зол и шлаков диктуется не только экономическими соображениями, но и требованиями по охране окружающей среды.
Золоотвалы способствуют загрязнению воздушного и водного бассейнов и изменению химико-минерального состава почв. Пыление золоотвалов загрязняет окружающую среду, отрицательно влияет на здоровье людей, а также на продуктивность сельскохозяйственных угодий. При сильном ветре превышение предельно допустимой концентрации золы в воздухе может иметь место на расстоянии до 4 километров от кромки отвала. В санитарно-гигиеническом отношении важен и фракционный состав золы, причем наиболее опасны частицы размером 1 микрометр и менее. Фильтрация воды в золоотвале изменяет естественный гидрохимический режим в зоне его расположения, что может приводить к подтоплению, засолению и заболачиванию территории, поступлению загрязняющих веществ в подземные воды, а с ними – в реки и водоемы. Особо значительный вред окружающей среде причиняется при авариях на золоотвалах.
Замена природного сырья золами и шлаками способствует охране недр. Ликвидация золоотвалов благоприятно сказывается и на экологической обстановке.
Использование золошлаковых отходов в строительстве, в производстве строительных материалов, в промышленности, в сельском хозяйстве в целом по России невелико, причем в последнее время наблюдается спад ранее достигнутых показателей. Так, годовое потребление ЗШО в последние годы составляет около 4 процентов от количества образующихся отходов, в то время как в развитых странах этот показатель достигает 50‑90 процентов.
Основные причины низкого уровня использования отходов тепловых электрических станций в России таковы:
• отсутствие целенаправленной государственной политики в области использования природных инертных и техногенных материалов с целью сохранения экологического равновесия;
• отсутствие финансирования работ по созданию производств по утилизации ЗШО ТЭС;
• недостаточное внедрение результатов научно-исследовательских работ, накопленных в отечественной и мировой практике;
• техническая неподготовленность теплоэнергетических предприятий по первичному разделению и сортировке золо-
шлаковых отходов, складированию их и выдаче потребителям;
• отсутствие отечественных производителей оборудования по производству товарной продукции с использованием золо-
шлаковых отходов.
Для дорог и полей
Зарубежной и отечественной практикой доказано, что золошлаковые отходы – ценный материал для строительной и дорожной отраслей.
По своему составу золошлаковые отходы – уникальный материал для полезного использования в различных отраслях экономики с дополнительным получением значительного экологического эффекта.
Золошлаковые отходы могут использоваться как добавки и наполнители при производстве широкого спектра строительных материалов: цемента, бетонов, растворов, кирпича и т. д. Они хорошо зарекомендовали себя при укладке в земляное полотно автомобильных дорог. Определенную ценность золошлаковые отходы имеют в сельском хозяйстве при производстве удобрений. Очень перспективной является глубокая (комплексная) переработка золошлаковых отходов с получением глинозема, кремнезема, концентрата железа и целого ряда редкоземельных материалов.
Наибольший интерес вызывают технологии применения золо-шлаковых отходов в следующих производствах:
• в производстве портландцемента (как активные кремнеземистые добавки) в количестве 10‑15 процентов, в производстве пуццолановых портландцементов марок 300‑400 – до 30‑40 процентов (золопортландцемент);
• при изготовлении строительных растворов – как активная добавка в количестве 10‑30 процентов от массы цемента, при использовании в строительных растворах портландцемента высоких марок (400‑500) применение пылевидной золы может сократить его расход до 30 процентов;
• в качестве активного микронаполнителя в тяжелых бетонах, что позволяет снизить расход цемента от 6‑10 процентов в бетонах нормального твердения до 12‑25 процентов в пропариваемых;
• в производстве силикатного кирпича;
•в жаростойких бетонах – в качестве наполнителя вместо шамотного порошка, что существенно снижает себестоимость таких бетонов;
• при изготовлении зольного и аглопоритового гравия;
• в производстве мелкозернистого аэрированного золобетона и изделий на его основе, в качестве мелкой фракции легких бетонов на пористых заполнителях плотной и поризованной структуры;
• в качестве сырьевых материалов для дорожной промышленности;
• использование золошлаковых отходов с повышенным содержанием частиц несгоревшего топлива в производстве глиняного кирпича, что не только улучшает его качество, но и снижает расход технологического топлива на обжиг.
Одни из главных утилизаторов топливных зол и шлаков – строители дорог. Наблюдения за опытными участками дорог, построенными в разное время в нашей стране и за рубежом, подтверждают возможность использования золы во всех слоях оснований дорожных одежд для любой транспортной нагрузки. Дорожные одежды с использованием зол и шлаков имеют достаточную прочность, морозостойкость, долговечность. Стабилизированные с помощью цемента и золы материалы продолжают увеличивать свою прочность с течением времени.
Мировой и отечественный опыт показывает перспективность использования золошлаковых смесей для вертикальной планировки городских территорий, осваиваемых для нового строительства. По санитарно-гигиеническим характеристикам и физико-химическим показателям в ряде случаев золошлаковые отходы могут служить полноценной заменой традиционному материалу отсыпки – речному песку.
Экономический эффект от использования в планировке ЗШО будет заключаться в экономии песка, отказе от строительства новых золоотвалов и, соответственно, в экономии капитальных вложений.
Комплексный подход
Одно из перспективных направлений крупномасштабного использования золы Канско-Ачинских углей – приготовление из них известкового гранулированного удобрения (мелиоранта) для повышения плодородия кислых почв. Обычно в качестве такого мелиоранта применяют карбонатные породы – известняк и доломит. При этом одна тонна известняковой муки за 5‑7 лет обеспечивает прибавку урожая, соответствующую в среднем полутонне зерна. Известкование почвы является природоохранным и энергосберегающим мероприятием, позволяющим на 15‑20 процентов снижать дозы азотных и фосфорных удобрений, уменьшая загрязнение почвы и растений.
Комплексный подход к переработке золошлаковых отходов способен дать большой экономический эффект. Для этого необходимо разработать промышленные технологии использования золошлаковых отходов, а также выработать комплекс маркетинговых мероприятий по продвижению продукции на основе ЗШО. Необходимо всестороннее изучение рынка строительных материалов (производителей, их возможности и желание использовать золо- шлаковые отходы в своем производстве), а также поиск и налаживание контактов с потенциальными потребителями нового продукта.

Д.т.н., профессор Александр БЕРНАЦКИЙ, Д.т.н., профессор Николай МАШКИН, Новосибирский архитектурно‑строительный университет

ТЕХНОЛОГИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС

Власова В.В., Никольская Н.И. (Иркутский Государственный технический университет)

При сжигании твердого топлива в топках тепловых электрических станций образуются многотоннажные твердые минеральные отходы, представленные шлаком и летучей золой. Складирование и хранение такой массы материала требует значительных капиталовложений, в частности на Усольской ТЭС-11 (ОАО «Иркутскэнерго») накоплено около 90 млн тонн золошлаковых отходов, с их ежегодным увеличением на 300-330 тыс. тонн, при этом в эффективную переработку вовлекается около 2%. Золоотвал, занимая 60 гектар земельной площади, является источником неблагоприятной экологической обстановки в районе.

В тоже время, золы являются сосредоточением окиси алюминия, кремния, железа, кальция, а так же цинка, никеля, свинца, бария, ванадия и т.д. Исходя из вещественного состава и физико-механических характеристик минеральной части сгоревшего топлива, отходы ТЭС можно рассматривать как сложное техногенное сырье, пригодное для переработки известными методами, с целью получения конечных продуктов, пригодных для народного хозяйства.

На кафедре ОПИиИЭ ИрГТУ проведено исследование золошлакового материала ТЭС-11 АОЭиЭ Иркутскэнерго с целью разработки технологической схемы комплексной переработки шлака и золы-уноса. Предметом извлечения по данной схеме являются окислы алюминия (содержание в сырье 11,6%), кремния (33,4%) и железа (10,7%)

Предлагаемая нами технологическая схема переработки золошлакового материала включает операцию мокрой магнитной сепарации для выделения концентрата железа с последующией флотацией алюмосиликатов на хвостах мокрой магнитной сепарации.

Поскольку суммарный выход класса –40+5 мм составляет всего 4,49 %, то переработка этого класса экономически не оправдана и в голове процесса предусмотрен вывод данного продукта, который по вещественному составу и физико-механическим характеристикам отвечает требованиям ГОСТ 9757-83 «Заполнители пористые неорганические для легких бетонов».

Присутствие в исходном продукте значительного количества шламов (21,27% класса -0,05 мм) требует проведения операции обесшламливания по классу –0,05 мм и раздельного обогащения полученных продуктов.

При оптимальных условиях ведения опыта для крупности –0,5+0,05 мм были получены следующие продукты: магнитный концентрат, с содержанием железа 67,04%; глиноземный концентрат, с содержанием оксида алюминия 62,41% и отвальные хвосты, с содержанием железа 0,62% и оксида алюминия 9,023%.

Переработка шламового материала позволила получить магнитный концентрат, с содержанием железа 68,9%; глиноземный концентрат, с содержанием оксида алюминия 45,3% и отвальные хвосты, с содержанием железа 1,92% и оксида алюминия 2,1%.

Поскольку полученные концентраты железа содержат хром, никель молибден, ванадий, то их можно использовать в качестве сырья для металлургической промышленности, получая при этом сплавы с определенными свойствами. Кроме этого данные концентраты могут служить добавкой к утяжелителям при обогащении в тяжелых суспензиях или в качестве наполнителя для железобетонов. Коллективный алюмосиликатный концентрат может служить сырьем при производстве глинозема или других кислородных соединений алюминия щелочным способом.

Хвосты флотации по своим физико-механическим свойствам соответствуют требованиям ГОСТа 16656-78 «Активные минеральные порошки» и могут служить добавкой при производстве асфальтобетонов.

Переработка золошлакового материала по предложенной схеме перспективна и может принести несомненный экономический эффект, а также позволит снизить антропогенную нагрузку в районах примыкающих к тепловым электрическим станциям.

ТЕХНОГЕННЫЕ ОТХОДЫ ПРЕДПРИЯТИЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПУТИ ИХ ВТОРИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ

Основными техногенными отходами ТЭС и ГРЭС являются золошлаки и дымовые газы. Для реализации летучей золы и шлаков в качестве сырья и материала, для безопасного складирования и использования золошлаков в народном хозяйстве, в различных отраслях промышленности необходимо иметь основную информацию по их свойствам и характеристике: химический состав, физические свойства, минералогический состав, физико-химические свойства, экологические характеристики, в том числе такие, как радиоактивность и токсичность. Использование залошлаковых отходов (ЗШО) ТЭС на 80% приближает технологию ТЭС к безотходной.

Сжигание органического топлива для получения электрической энергии и/или тепла, и в особенности электроэнергетика с её огромными централизованными электростанциями, является одной из основ функционирования современного общества и экономики. С другой стороны, топливосжигающие установки расходуют большое количество органического топлива различных видов и других природных ресурсов, преобразуя их в полезную энергию. Функционирование этих предприятий приводит к образованию разнообразных отходов и поступлению большого количества загрязняющих веществ во все природные среды.

Имеются данные, что тепловые электростанции в 2-4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности.

В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн. кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн. доз, железа-400 млн. доз, магния -1,5 млн. доз. Летальный эффект этих загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в незначительных количествах. Это, однако, не исключает их отрицательного влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем [1].

Угли содержат от 0,2 до десятков процентов серы в основном в виде пирита, сульфата, закисного железа и гипса. Для уменьшения концентрации серы в продуктах сгорания топлив возможны два пути: уменьшение содержания серы в топливе до его сжигания и очистка дымовых газов от окислов серы [2]. Имеющиеся способы улавливания серы при сжигании топлива далеко не всегда используются из-за сложности и дороговизны. Поэтому значительное количество ее поступает и, по-видимому, будет поступать в ближайшей перспективе в окружающую среду.

Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС - золой и шлаками. При сжигании углей в топках котлов органическая часть (углеводороды) сгорают, образуя дымовые газы, а неорганическая часть образует золошлаки. Большая часть примесей в процессе сжигания угля переходит в летучую золу, уносимую дымовыми газами и улавливаемую золоуловителями. В зависимости от способа улавливания зола может быть сухой и мокрой. Другая часть, в зависимости от конструкции топки и физических особенностей минеральной составляющей топлива, переходит в шлак. Зола и золошлаковые смеси представляют собой твердый несгоревший остаток твердого топлива, который в виде пульпы удаляется в золоотвалы. В зависимости от вида угля и условий его сжигания, золы и золошлаковые смеси характеризуются различным химическим составом и физическими свойствами.

Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн. т. мелкодисперсных аэрозолей. Последние способны заметно изменять баланс солнечной радиации у земной поверхности. Они же являются ядрами конденсации для паров воды и формирования осадков; а попадая в органы дыхания человека и других организмов, вызывают различные респираторные заболевания.

В отличие от других производств, например черной и цветной металлургии, дымовые выбросы современных ТЭС осуществляются через небольшое количество очень высоких труб, высотой более 180 м. Поэтому загрязнители рассеиваются в обширном пространстве нижней тропосферы. В сферах влияния различных ТЭС установлено, что в ближайшей зоне радиусом 12-15км, в зависимости от высоты трубы, выпадает от 35 до 60% выбрасываемой золы [1]. Остальная ее часть рассеивается на большее расстояние. Все природные ландшафты реагируют на выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, т.к. происходит их депонирование в растительном покрове, почвах, миграция и метаболизм веществ в геосистемах.

Содержание в атмосферных выбросах ТЭС диоксидов серы и азота способствует возникновению кислотных дождей, т.к. во влажной атмосфере происходит цепь фотохимических реакций, в результате которых образуется серная и азотная кислоты. При сжигании углей образуются также выбросы продуктов недожога, особенно токсичными среди них являются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), среди которых можно выделить бенз(а)пирен – вещество первого класса вредности, с его действием связано увеличение онкологических заболеваний. Содержание ПАУ определяется типом сжигаемого топлива, а также количеством и режимом выбросов дымовых газов и метеорологическими условиями.

Серьезную проблему вблизи ТЭС представляет складирование золы и шлаков. Для этого требуются значительные территории, которые долгое время не используются, а также являются очагами накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности. Угольные золоотвалы также оказывают значительное влияние на природно-территориальные комплексы (ПТК). Их воздействие осуществляется через рассеивание золы ветром, фильтрацию вод сквозь стенки и дно золоотвалов, а также в результате предусмотренных сбросов осветленных вод, частичный сброс которых происходит при мокром золоудалении. Кроме влияния на ПТК, пылящие золоотвалы ухудшают гигиеническую обстановку на прилегающих территориях, уменьшают производственный ресурс машин, механизмов, а иногда – и сельскохозяйственных угодий.

Таким образом, зола – продукт сжигания топлива, который выносится дымовыми газами из топки котла и улавливается золоуловителями. Шлак – материал, который скапливается по мере сгорания топлива в шлакосборниках. Зола в основном представлена фракцией 0,01 – 0,1мм при максимальном размере частиц не более 1–2мм. Шлак в основном представлен фракциями 0,1 – 20 мм при максимальном размере частиц 40 – 60 мм и минимальном 0,04 мм. Зола представляет собой мелкодисперсный минеральный порошок от светло-серого до темно-серого цвета, шлак имеет аналогичный цвет, но отличается от золы большей крупностью [2].

Золошлаковые отходы (ЗШО), образующиеся при сжигании угля в топках ТЭЦ и котельных, являются механической смесью золы и шлака. Усредненное состояние выхода золы и шлака составляет 4:1. По форме золошлаки представляют собой микроскопические сферические частицы оплавленных под воздействием высоких температур минералов, в основном кварца, и частицами неправильной формы (остальной материал).

Зола и шлаки представляют собой сложную систему, свойства которой зависят от вида топлива и режима его сжигания, конструкции котла и многих других факторов. Это определяет необходимость проведения комплексных исследований состава и свойств минеральной части различных углей, сжигаемых на электростанциях Казахстана, так как основной причиной недостаточного использования золошлаков в народном хозяйстве является неудовлетворительное состояние изученности золы и шлака как сырья.

Золошлаковые отходы включают золу уноса – порошкообразный пылевидный материал, улавливаемый из дымовых газов ТЭС. В зависимости от способа улавливания зола может быть мокрой и сухой. В настоящее время используется в основном мокрый способ удаления золы и шлака – гидрозолоудаление (ГЗУ) [3].

Использование залошлаковых отходов (ЗШО) ТЭС на 80% приближает технологию ТЭС к безотходной.

При сжигании углей Экибастузского месторождения образуется около 40-50% золы кремния. Из этой золы можно получить глинозем, а из отходов производства глинозема - цемент. Бетон на основе этого цемента обладает высоким показателями, он набирает марочную прочность всего за одни сутки. Отходы этого производства могут быть использованы для закладки угольных выработок с возможностью последующей рециркуляции. Один этот пример использования золошлаков от сжигания углей экиба­стузского месторождения показывает, что они не являются сырьем для одной отрасли. Их нужно использовать в сочетании нескольких отраслей, в т.ч. металлургии, химической отрасли и т.д.

Поэтому основная задача в развитии электро- и теплоэнергетики Казахстана, как и во всем мире, заключается в обеспечении в процессе выработки электрической и тепловой энергии высокой экономичности, надежности, полной экологической безопасности, т.е. минимальных затрат топливно-энергетических ресурсов, при оптимальных энергосберегающих технологиях.

Способы уменьшения выбросов ТЭС в ОС.

Уменьшение выбросов сернистых соединений в органи ческим топливе для ТЭС.

Уменьшение выбросов сернистых соединений в атмосферу может идти по трем направлениям:

1) очистка нефтяного топлива от серы на нефтеперерабатывающих заводах;

2) переработка топлива на ТЭС до его сжигания с целью получения малосернистого газа;

3) очистка дымовых газов от окислов серы.

Сера содержится в нефти в основном в виде сложных соединений. Эти соединения химически малоактивны и обладают высокой термостабильно­стью, в связи, с чем их трудно разрушить воздействием кислот или щело­чей. Поэтому для выделения серы из топлива до сжигания его либо под­вергают воздействию высоких температур, либо этот процесс сочетается с воздействием химических веществ.

При переработке нефти на нефтеперерабатывающих заводах в легкие фракции переходит небольшое количество серы, а подавляющая часть сернистых соединений (70 – 90 %) концентрируется в высококипящих фракциях и остаточных продуктах, входящих в состав мазута.

Удаление серы из нефтяных топлив можно осуществить гидроочист­кой. При этом происходит взаимодействие водорода с сераорганическими соединениями и образуется сероводород H₂ S, который затем улавли­вается и может использоваться для получения серы и ее соединений. Процесс протекает при температуре 300 – 450 °С и давлении до 10 МПа в при­сутствии катализаторов (окислов молибдена, кобальта и никеля).

Удаление серы из твердого топлива. Сера в твердом топливе содержится в трех формах: в виде включений колчедана FeS₂ ,серы, входящей в состав моле­кул органической массы топлива, и сульфатной (в сернокислых солях кальция и щелочных металлов).

В результате простейшего обогащения угля можно удалить только колчеданную серу, FeS₂ , используя большую ее плотность (около 5 т/м³ ) по сравне­нию с остальной массой угля (около 2 т/м³ ). Отделение колчедана дает ощути­мый эффект, если колчеданная сера составляет значительную величину от об­щей серы и вкрапления колчедана достаточно крупны. Так, для бурого подмос­ковного угля даже при сухом, методе обогащения из угля-дробленки удается уда­лить 25 – 30 % серы. Отсепарированный колчедан может быть использован для получения серной кислоты. Для отделения от угля колчеданной и органической серы может быть применено гидротермическое обессеривание углей, заключается в обработке измельченного топлива в автоклавах при давлении 1,75 МПа и температуре около 300 °С щелочными растворами, содержа­щими гидраты окисей натрия и калия. При этом получается уголь с весьма ма­лым содержанием серы, который отделяется от жидкости центрифугировани­ем и затем сушится. Жидкость, содержащая сульфиды натрия и калия, регене­рируется в результате обработки углекислотой, а из получающегося при этом сероводорода извлекается элементарная сера.

Связывание серы в кипящем слое. Топливо может сжигаться в кипящем слое частиц размолотого известняка, в которые погружены для интенсивно­го охлаждения поверхности нагрева котла. Подобный способ сжигания может использоваться для жидкого, твердого и газового топлив, содержащих серу. При температуре около 900 °С происходит диссоциация СаСО₃ на СО₂ и СаО, а в реакцию с серой вступает СаО, образуя в конечном итоге CaS – сульфат кальция. Очистка топлива от серы при этом может составлять около 90 %.

Часть кипящего слоя, поглотившего серу топлива, подается на регенера­цию. При температуре 1000 - 1500 °С под беспровальную решетку подаются про­дукты сгорания, поддерживающие температуру в слое на уровне 1000 – 1100 °С. При этом протекает реакция:

3CaSO₄ +CaS=4SO₂ +4CaO.

Газообразные продукты содержат до 10 % сернистого ангидрида, который может быть использован для производства серной кислоты. Регенерированная окись кальция возвращается в топочное устройство котла.

Удаление серы из жидкого топлива. Снижение сернистости сжигаемо­го топлива можно осуществить, подвергая его воздействию высоких темпера­тур с использованием окислителей (газификация) или без них (пиролиз).

Пиролиз нефтепродуктов. Один из методов получения бессернистого мазута - предварительный пиролиз нефтяного сырья.

Метод непостоянно действующей технологии относится к пассивным ме­роприятиям. Разработкой его занимаются в нескольких странах. Предусматри­вается сжигание высокосернистого топлива на ТЭС при благоприятных метео­рологических условиях. Продукты сгорания рассеиваются через высокие дымо­вые трубы, что обеспечивает допустимое содержание окислов серы в при­земном слое атмосферы. При неблагоприятных метеоусловиях ТЭС оператив­но переключается на сжигание малосернистого топлива из резервного запаса или снижает нагрузку.

Снижение выбросов окислов азота на ТЭС.

Концентрация окислов азота в дымовых газах определяется в основном режимом и организацией топочного процесса при сжигании органических топлив, а также концентрацией кислорода в зоне горения и температурой процесса. Воздействуя на эти параметры, можно регулировать уровни окислов азота, образующихся в топках и камерах сгорания.

Полученные результаты исследований по снижению выбросов окислов азота посредством режимно-конструктивных мероприятий можно обобщить следующим образом:

уменьшением коэффициента избытка воздуха, а до 1,3 (а - коэффици­ент избытка воздуха) концентрация окислов азота может быть снижена на 25 – 30 % от уровня их содержания в 900 – 1500 мг/м³ при а=1,15 - 1,20;

снижением температуры газов в зоне горения посредством рециркуляции дымовых газов через горелки (15%) уровень в газах может быть
уменьшен на 25 – 30 %;

существенное снижение может быть достигнуто при двухступенчатом
сжигании топлива (в первой ступени, а=0,81, во второй, а= 1,025);

Возможно удаление окислов азота и из дымовых газов, но оно не получило применения из-за трудностей, связанных с низкой концентрацией окислов азота в дымовых газах и их чрезмерно высокой химической устойчивости (особенно окиси азота).

Считается возможной очистка дымовых газов от окислов азота двумя способами:

1)улавливанием окислов с последующей переработкой их в товарную продукцию (азотная кислота, концентраты окислов азота и азотнокислые соли);

2) разрушением окислов азота до нетоксичных составляющих.

В первом способе используется процесс поглощения и непоглащения, например, щелочное поглощение окислов азота (поглотители Ка₂ СО₃ , Са(ОН)₂ или растворы аммиака).

Наиболее полно абсорбция происходит при использовании смеси серной и азотной кислоты.

Из абсорбционных способов считается наиболее перспективной абсорбция силикагелем. В схеме с силикагелем побочными продуктами могут быть азотная кислота и концентраты окислов азота. Исследуется метод каталитического разложения окислов азота, применяемый для очистки газов в производстве азотной кислоты.

Снижение выбросов твердых частиц на ТЭС.

На угольных ТЭС для улавливания твердых частиц из дымовых газов применяются золоуловители различных типов. На некоторых мазутных ТЭС также применяются золоуловители, очищающие газы от недожога и сажи, особенно в период обдувки котлоагрегатов.

Основные типы золоуловителей: инерционные сухие или мокрые; ткане­вые фильтры; электрофильтры; комбинированные устройства.

Мокрые золоуловители осаждают частицы благодаря орошению водой.

Тканевые фильтры пока не нашли широкого применения на мощных ТЭС. С появлением высокопрочных синтетических и минеральных волокон тканевые фильтры начинают более широко применяться в некоторых странах. В США имеется около 30 установок рукавных фильтров на блоках мощностью до 460 МВт. Эти фильтры выполняются из стекловолокна, полиэфира, стеклово­локна с графитом при температуре газов до 200 °С. Основной недостаток тканевых золоуловителей - большие габариты и малый срок службы.

Электрофильтры. В СНГ на ТЭС наиболее распространены электрофильт­ры. Параметры электрофильтров связаны с уровнем, в которое входят: коэффици­ент захвата (меньше единицы), площадь осудительного электрода, расход дымовых газов, скорость дрейфа частиц золы, удельная поверхность осаждения.

Зола удаляется в бункер периодическим встряхиванием электродов. Ды­мовые газы охлаждаются в электрофильтрах примерно на 8 °С, что снижает к.п.д. энергоблока на 0,4%. В случае большой зольности угля (у экибастузских углей > 45%) потери с физическим теплом золы могут достигать 1 %.

Снижение удельного электрического сопротивления достигается кондиционированием дымовых газов. В качестве кондиционитов в опытах применялась вода, а также сернистый ангидрид, аммиак и другие соединения.

Комбинированные золоуловители. При высокой зольности топлива или при неблагоприятных электрофизических свойствах золы применяют­ся комбинации электрофильтров с предвключенными батарейными циклонами или с мокрыми инерционными уловителями (скрубберами). В первой ступени улавливается часть золы. Снижение температуры газов и кондиционирование их водой повышает к.п.д. электрофильтра. Предвключенный золоуловитель уменьшает габариты электрофильтра, позволяя уменьшить высоту электродов или число камер (до 2 – 3).

Пыление золоотвалов ТЭС и его уменьшения. Кроме летучей золы, выбрасываемой из дымовых, труб, локальное загрязнение приземных слоев атмосферы твердыми частицами происходит от пыления золоотвалов ТЭС. Для устранения этого источника загрязнения заполненные золоотвалы покрываются грунтом с посевом трав и посадкой кустарников. В период эксплуатации золоотвалов, пылящие пляжи заполняются путем повышения уровня воды. Ведутся опыты по поливу пылящих пляжей водой или закрепляющим составом, распыляемым с вертолетов. Это создает защитный слой (долговечностью до двух лет), устойчивый к ветровой эрозии и осадкам. Закрепляющим материалом служит жидкое стекло, полимерные материалы (гидролизованный полиакрилонитрил).

Мероприятия, уменьшающие влияние ТЭС на ОС.

При выборе способов уменьшения загрязнения атмосферы выбросами действующих ТЭС и котельных должен быть рас­смотрен широкий круг мероприятий различного характера, в том числе:

1) изменение качества топлива - ограничение содержания серы, применение при особо неблагоприятных условиях малосернистого мазута или природного бессернистого газа;

2) изменение режима работы и состава основного оборудо­вания - перевод ТЭЦ в режим котельных, демонтаж устарев­ших котлов, работа городских ТЭЦ по тепловому графику, замена малоэффективных золоуловителей более совершенными установками, автоматизация процесса горения и т. д.;

3) реконструкция оборудования, например организация ре­циркуляции дымовых газов, двухступенчатого сжигания, впрыска воды в горелки для уменьшения образования оксидов азота;

4) обоснованное изменение параметров дымовых труб с целью улучшения рассеивания дымовых газов;

5) строительство установок по очистке дымовых газов от оксидов серы и азота;

6) внедрение автоматизированных систем контроля за вы­бросами и за состоянием атмосферного воздуха в районе максимального воздействия дымового факела ТЭС;

7) оснащение котлов системой подавления оксидов азота с использованием контактных теплообменников в «хвосте» кот­ла;

8 ) использование химически активных веществ (например, мочевины) для разложения оксидов азота на азот и кислород;

9) разработка и использование катализаторов для очистки дымовых газов от оксидов азота;

10) разработка новых способов сжигания топлива с утили­зацией углекислоты;

11) внедрение физико-химических технологий очистки дымовых газов, в том числе с помощью пучка электронов.