Использование отходов энергетического комплекса

1.

ТЕМА 8. «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА»
8.1. Производство электроэнергии на электростанциях
Электрическая станция – энергетическая установка, служащая для преобразования природной энергии (рассеянной) в электрическую (концентрированную).
Наибольшее распространение получили тепловые электрические станции (ТЭС), на которых используется тепловая
энергия, выделяемая при сжигании органического ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и др.). На тепловых электростанциях вырабатывается около 76% электроэнергии, производимой на нашей планете.
Тепловые электрические станции предназначены для производства электроэнергии, но отработанный пар может использоваться и для теплоснабжения, тогда эту станцию называют теплоэлектроцентраль – ТЭЦ.

2.

Рис.1. Общие виды ТЭС и ГРЭС

3.

Рис. 2. Главный пульт управления ТЭС

4.

Основным агрегатом ТЭС является паровой котел, вода в
котором нагревается за счет сжигания топлива в топке котла.
Пар по паропроводу поступает на паровую турбину, назначение которой превращать тепловую и кинетическую энергию пара в механическую энергию ротора турбогенератора. В электрическом генераторе механическая энергия превращается в электрическую (рис. 3).
Энергия топлива
Механическая энергия
турбины
Электрическая
энергия
Внутренняя энергия
пара
Кинетическая энергия
пара
Тепловая энергия
отходящего пара
Рис. 3. Схема превращения энергии топлива в электрическую
и тепловую энергию

5.

8.2. Виды топлива в производстве электроэнергии
В мировом производстве электроэнергии активно развивается угольная энергетика с использованием современных технологий сжигания угля, обеспечивающих не только
высокую энергоэффективность, но и большую экологичность
выработки энергии. Около 40% всей электроэнергии в мире
вырабатывается на тепловых электростанциях за счет
сжигания угля.
На угольные ТЭС твердое топливо подают железнодорожными составами, разгружают и хранят необходимый запас для
бесперебойной работы.
Уголь дробят, подвергают тонкому помолу и готовят для
сжигания в пылевидном состоянии в топке котла.

6.

Рис. 4. Транспорт и хранение угля на складе ТЭС

7.

Угольный порошок
Кусковой уголь
Мелющие тела
Вертикальная дробилка
Шаровая мельница
Рис. 5. Подготовка угля к сжиганию
Угольная пыль
на фильтре

8.

Если же минеральная часть тугоплавка, то температуру факела можно увеличить и обеспечить почти полное выжигание
органической части топлива.
При пылеугольном сжигании угля образуются:
зола-унос, улавливаемая при очистке дымовых газов, с
размером частиц от 5 до 100 мкм (85-90%);
кусочки шлака размером от 1 до 50 мм (10-15%), крупные частицы оседают в топке и сплавляются.

9.

ЛЭП
Склад угля
Градирни
Вода
Дробление
угля
ПАРОВОЙ
КОТЕЛ
Пар
Конденсатор
Повышающий
трансформатор
ТУРБИНА
Генератор
ТЭЦ
Паровое
отопление
Помол
угля
Угольная пыль
Воздух
Золоотвал
Топка
котла
Золоуловители
Фильтры
--------------
Шлак
Зола-унос
Зола-унос
Система гидроудаления
Дымососы
Вода
Рис. 6. Принципиальная схема ТЭС на угле
Трубы

10.

8.3. Общая характеристика отходов теплоэнергетики
Топливно-энергетический комплекс дает разнообразные отходы, являющиеся вторичным минеральным сырьем:
• отходы добычи угля – представлены углесодержащими
шахтными и вскрышными горными породами, горелыми породами;
• отходы углеобогащения – углесодержащие горные породы;
• отходы топливосжигающих энергетических установок –
золошлаковые материалы (ЗШМ).
На каждую тонну угля, добываемого подземным способом,
на поверхность выдается в среднем 0,25 т породы, а при открытой добыче угля – 7,1 т. По разным оценкам объем образования
отходов угледобычи в России составляет 1-1,5 млрд. т в год.
Отходы угледобычи – пустые породы с частицами размером менее 100 мм, с преобладанием частиц фракции 0,5-10 мм.

11.

По составу отходы добычи угля подразделяются на три
группы:
• каменные материалы;
• глинистые породы;
• песок и гравий.
Количество отходов на стадии обогащения угля составляет
25 % от общего объема угля. В состав отходов обогащения угля
входят оксиды кремния (50-70%), алюминия, железа и других
оксидов, по содержанию которых отходы большинства обогатительных фабрик примерно аналогичны глинистому сырью.
В составе этих отходов присутствует остаточный уголь в среднем 9-12%.
Отходы угледобывающего и обогатительного передела представлены в основном горными породами (аргеллитами, алевролитами, песчаниками, карбонатами) с большим содержанием глинистых минералов (40-70%) и с некоторым содержанием углерода (4-20%).

12.

Такой состав вторичного сырья предопределяет его использование в производстве обжиговых керамических строительных материалов. При использовании этих пород для получения
аглопорита (пористого заполнителя для легких бетонов) и изделий стеновой керамики (кирпич и камни керамические) на
разных стадиях обжига происходит дегидратация и аморфизация глинистых минералов, удаление летучих, выгорание углерода коксового остатка и образование новых кристаллических
фаз, в значительной мере предопределяющих прочностные
свойства материалов и изделий.
На ТЭС, сжигающих твердое топливо, из его минеральной
части ежегодно образуются миллионы тонн золы и шлака, которые по системам гидроудаления направляются в золошлакоотвалы. Содержание минеральной части различно для
разных видов топлива, оно составляет:
• в бурых углях 10-15%;
• в каменных углях 3-40%;

13.

• в антраците 2-30%;
• в горючих сланцах 50-80%;
• в топливном торфе 2-30%.
Соответственно зольность топлива будет определять количество образующихся золошлаковых отходов (ЗШО) при его
сжигании.
В 2007 г. объем потребления угля на ТЭС России составил 120,6 млн.т, при средней зольности 21,1%, при этом образовалось 25,4 млн. т золы и шлаков, а площадь золоотвалов превышает 22 тыс. га. В отвалах накоплено более 1,5
млрд. т. ЗШМ, ежегодные расходы только на их хранение
по РАО «ЕС России» составляет более 14 млрд. руб. Эти
затраты идут на улавливание, транспортировку и складирование золы и шлака, на строительство и содержание золоотвалов,
строительство золопроводов, на подачу воды для транспортирования отходов, расходы электроэнергии при этом нередко
достигают 2-4% от выработанной электроэнергии ТЭС.

14.

Степень утилизации золы и шлака ТЭС в России по сравнению с другими странами остается относительно низкой
(рис. 7).
Степень утилизации ЗШО, %
80
70
60
50
40
76
62
30
20
38
10
14
0
Германия
Франция
США
Россия
Рис. 7. Степень утилизации золошлаковых отходов

15.

8.4. Золошлаковые отходы ТЭС и их характеристика
Топливные отходы удаляют совместно в отвал потоком
воды по системам гидрозолоудаления, при этом расходуется
до 50 м3 воды на 1 т отходов.
В случае совместного удаления золы и шлаки перемешиваются, их качество как техногенного сырья для промышленности строительных материалов резко ухудшается.
При сливе пульпы на золоотвале происходит разделение
материала по крупности и плотности. Близ места слива концентрируются более крупные и тяжелые частицы шлака почти без органических остатков, а на периферии отлагаются
более дисперсные и легкие частицы золы почти без шлака с
повышенным содержанием органических остатков. Все это
обусловливает неоднородность золошлаковых отходов в отвалах, а повышенная влажность затрудняет их разработку.

16.

Накопление и хранение золы
в золоотвалах ТЭС
Рис. 8. Золошлаковые отвалы ТЭС
Планировка золоотвала

17.

Более целесообразна организация раздельного отбора
более однородных по составу отходов:
сухой пылевидной золы из циклонов и электрофильтров
(пневматическая система удаления);
гранулированного топливного шлака из бассейна.
Основной недостаток зольного сырья – непостоянство
состава. Это затрудняет их классификацию и выбор оптимальных путей для использования.
Минерально-фазовый состав отходов, получаемых при сжигании различных видов твердого топлива, существенно различается, хотя минеральные компоненты исходного топлива могли быть довольно однообразны. Минеральная часть углей
обычно представлена глинистыми минералами (каолинитом, гидрослюдами и др.), слюдами, кварцем, полевыми
шпатами, сульфидами железа, оксидами и гидрооксидами
железа, карбонатами кальция и магния (кальцитом и доломитом), изредка гипсом и фосфоритом.

18.

Количественно перечисленные компоненты варьируются в
составе минеральной части топлива в очень широких пределах.
В процессе сжигания перечисленные минералы исходного твердого топлива претерпевают превращения, связанные с:
• дегидратацией;
• диссоциацией;
• окислением;
• полиморфными переходами в устойчивые высокотемпературные модификации;
• взаимодействием в твердой фазе;
• аморфизацией;
• переходом в расплав или взаимодействием с расплавом.

19.

Основными компонентами химического состава золы
бурых и каменных углей являются:
SiO2 (30-67%),
Al2O3 (1,3-40%),
Fe2O3 (4-23%) ,
CaO (2-35%),
MgO (0,5-6%).
Вещественный или минерально-фазовый состав зол
представлен, прежде всего, различными по свойствам и
составу аморфными фазами:
• неполностью дегидратированным и аморфизированным
глинистым веществом, сохраняющим искаженную кристаллическую решетку (например, для каолинитовых глин метакаолинит) и способное к регидратации; форма частиц неправильная, угловатая, они имеют высокую пористость, сообщающиеся поры, значительное водопоглощение, (в золах от сжигания топлива на крупных ТЭС наблюдается редко);

20.

• аморфизированным обжигом глинистым веществом, слабоспекшимся, характеризующимся весьма развитой поверхностью и состоящим из тонкой механической смеси аморфных
кремнезема и глинозема, форма частиц неправильная, угловатая, они также имеют высокую пористость, сообщающиеся
поры, значительное водопоглощение;
• спекшимся и частично (с поверхности агрегатов) остеклованным веществом, имеющим значительно меньшую
удельную поверхность и преимущественно замкнутые поры;
• стеклофазой алюмосиликатного состава в виде шариков,
иногда содержащих внутри кристаллические включения и
газовые пузырьки, частицы стекла либо бесцветны, либо темно-окрашены (от желтоватого до черного цвета), что свидетельствует о наличии в его составе железа.
Кристаллические компоненты пылевидной золы представлены зернами кварца, полевого шпата и других неизмененных термически устойчивых минералов минеральной части

21.

исходного топлива, а также новообразованиями, которые
возникли при высоких температурах сжигания – кристаллические оксиды кальция и магния, ангидрит, гематит,
магнетит, анортит, муллит и др.
Продукты термической обработки исходных органических
составляющих твердого топлива представлены частицами
метаморфизированного обжигом угля – в основном полукоксовыми и коксовыми остатками. Мелкие частицы органической фазы могут быть внутри агрегатов аморфизированной алюмосиликатной массы.
В количественном соотношении стеклофаза преобладает в
составе зол (60-90%), поэтому и предопределяет в основном
свойства этого вторичного сырья.
Строительно-технологические свойства этого техногенного сырья определены следующими характеристиками:
- оно находится в тонкодисперсном состоянии и обладает
значительной удельной поверхностью;

22.

- является продуктом кратковременного высокотемпературного обжига, имеет в минеральной части обожженые, остеклованные и частично закристаллизованные частицы, обладающие разной степенью химической и гидравлической
активности;
- содержит некоторое количество органических частиц,
подвергшихся процессам горения.
Галибина Е.А. предложила классификацию пылевидных зол,
в которой установлены связи между вещественным и фазовым составом зол и процессом их твердения. Главным критерием этой классификации является коэффициент основности, который применительно к шлакам и золам имеет следующий вид:
(СаО + 0,93 MgO + 0,6 R2O) - (0,55 Al2O3 + 0,35 Fe2O3 + 0,7 SO3 + 1,27 CO3)
Косн = ——————————————————————————————––
0,93 SiO2

23.

По величине коэффициента основности выделены четыре группы зол и шлаков:
- высококальциевые с Косн = 1,0-2,9;
- среднекальциевые с Косн = 0,4-1,0;
- низкокальциевые с Косн = 0,04-0,52;
- алюмосиликатные с Косн = 0,01-0,4.
Кроме того, в каждой группе выделены две подгруппы этих
материалов с различным соотношением Al2O3/SO3:
- сульфатные;
- низкосульфатные.

24.

Универсальность свойств ЗШМ позволяет получать из
них разные строительные материалы и изделия:
- искусственные пористые заполнители для легких бетонов: аглопоритовый и зольный гравий, глинозольный керамзит, безобжиговый зольный гравий;
- глинозольный керамический кирпич;
- вяжущие: золопортландцемент (25-40% золы), известково-зольный цемент (75-80%), портландцемент с минеральными добавками (до 20%), цементы для строительных растворов (до 40%), портландцементный клинкер с использованием зол и шлаков в качестве глинистого компонента;
- бетоны: обычные тяжелые и мелкозернистые, золошлаковые и золошлако-песчаные, гидротехнические и дорожные,
автоклавные плотные и ячеистые;
- строительные растворы: зола может заменить часть цементного вяжущего (до 40%), выполнять роль пластификатора смесей и активной минеральной добавки;

25.

- сухие строительные смеси: мелкозернистый компонент
и наполнитель;
- силикатный кирпич – зола выполняет роль кремнеземистого компонента смеси;
- минеральную вату;
- изделия из золоситаллов и др.
Кроме того, зола применяется как отощающая и выгорающая добавка в производстве керамического кирпича,
как дисперсный наполнитель в асфальтобетонах и в других технологиях.

26.

Зольный гравий
Керамзитовый гравий
Структура зерна
глинозольного керамзита
Аглопоритовый
гравий
Рис. 9. Искусственные пористые заполнители для легких бетонов

27.

Рис. 10. Изделия из минеральной ваты, полученной на основе золы

28.

Кирпич
золосиликатный
Кирпич зольный
керамический
Рис. 11. Использование золы в производстве стеновых материалов

29.

Газозолосиликатные блоки
Пенозолосиликатные блоки
Рис. 12. Использование золы в производстве ячеистых бетонов

30.

Выход золошлаковых отходов на Урале значительно превышает таковой в европейских регионах России и составляет
16,8 млн. т в год. Образуются отходы на 27 ТЭС, сосредоточенных, главным образом, в Свердловской и Челябинской областях (90% всего годового выхода).
Уровень утилизации зол и шлаков ТЭС на Урале составляет
всего 3,6%. Они используются для производства строительных
материалов в количестве 600 тыс. т в год. Из них для производства кирпича – 300 тыс. т, для производства бетона – 270
тыс. т.