Зола и шлаки тепловых электростанций
Известно, что минеральная (неорганическая) часть твердого органического топлива превращается при сжигании в золу и шлак. Содержание такой обожженной минеральной части топлива определяется составом применяемых топлив (в %): в бурых углях – 10-15; в каменных углях – 3-40; в антраците – 2-30; в горючих сланцах – 50-80; в топливном торфе – 2-30; в дровах – 0,5-1,5; в мазуте – 0,15-0,2. Если учесть огромные количества сжигаемого топлива для производства тепла и энергии, то становится очевидной проблема золы и шлаков.
На подавляющем большинстве тепловых электростанций топливо сжигается в пылевидном состоянии при температуре в топочной камере 1200-1600 °С. Конгломераты различных соединений образуются из минеральной части топлива в виде пылевидной массы. Мелкие и легкие частицы (размером от 5 до 100 мкм), содержащиеся в золе в количестве до 80-85 %, уносятся из топок котлоагрегатов с дымовыми газами, образуя так называемую золу-унос. Более крупные частицы оседают на дне топки, сплавляются в кусковые шлаки или в стекловидную шлаковую массу, которая подвергается затем грануляции. Количественное соотношение между шлаками и золой-уносом различно в зависимости от конструкции топки. Так, в топках с твердым шлакоудалением в шлак обычно переходит от 10 до 20 % всей золы топлива, в топках с жидким шлакоудалением от 20 до 40 %, а в циклонных топках – даже от 85 до 90 % всей золы топлива.
Состав шлаков и золы-уноса определяется исходным топливом и способом сжигания. Они содержат до 53 % SiO2; 24-34 % Аl2О3; 10-27 % Fe2 О3+FеО; 2-3,5 % СаО; 0,6-2,4 % МgО; до 4 % оксидов щелочных металлов и другие вещества (соединения титана, ванадия, германия, галлия, серы и урана).
Зола-унос представляет собой тонкодисперсный материал с весьма малым размером частиц, пригодный для использования в различных целях без дополнительного помола. Зола углей и нефтей содержит практически все металлы. Среднее содержание в золе углей некоторых ценных металлов иллюстрируется следующими данными:
Металл . . . . . . . . . . . . . . Zn Ga Co Ni Ge V Sn
Содержание, г/т . . . . . .. 200 100 300 700 500 400 200
В ряде случаев концентрации металлов в золе таковы, что становится экономически выгодным их извлечение. Концентрация Sr, Zn, V, Ge достигает 10 кг на 1 т золы. Содержание урана в золе бурых углей некоторых месторождений может достигать 1 кг/т. Зола торфа содержит значительные количества ванадия, кобальта, меди, никеля, цинка, свинца и урана.
Характерная особенность золы – присутствие в ней около 5-6 % несгоревшего топлива. Топливные шлаки, напротив, отличаются почти полным выгоранием углерода топлива и присутствием железа преимущественно в закисной форме. Частицы шлака имеют размер от 0,2 до 20-30 мм. В топках с жидким шлакоудалением шлак получается в гранулированном виде.
Решение проблемы утилизации зол и шлаков тепловых электростанций с учетом развития тепловой энергетики в стране приобретает все большее значение. Удаление зол и шлаков в отвалы и содержание последних требует затраты колоссальных средств. Достаточно сказать, что только за одни сутки работы на угле ТЭС мощностью 1 млн. кВт (по нынешним масштабам средняя электростанция) сжигает около 10 000 т угля и при этом образуется свыше 1000 т шлака и золы, под отвал которых (высотой 8 м) требуется площадь более одного гектара в год. Кроме того, распыление золы ТЭС при выбросе в атмосферу и ее хранение в отвалах представляет опасность для водного и особенно для воздушного бассейнов, поскольку в золе остаются радионуклиды урано-радиевого и ториевого рядов, не разбавленные массой углеродов топлива, то есть находящиеся в концентрированном, а следовательно, наиболее опасном виде.
Между тем, золы и шлаки ТЭС при правильном и эффективном использовании представляют собой огромное богатство и источник расширения сырьевых ресурсов различных отраслей народного хозяйства, в первую очередь промышленности строительных материалов. Например, кусковой шлак используют как заполнитель бетона в дорожном строительстве. Топливный шлак используют самостоятельно как теплоизолирующую засыпку и как компонент для производства цемента, силикатного кирпича.
Жидкие топливные шлаки можно использовать в производстве отделочной керамической плитки: при содержании в смеси до 30 % шлаков плитка имеет отличные физико-механические свойства и хороший внешний вид.
В связи с тем, что шлаки содержат соединения фосфора, кальция, магния, различные микроэлементы, их используют для производства минеральных удобрений в виде муки.
Золу-унос применяют в качестве добавки к цементу (10-15 %); компонента цементной сырьевой смеси (основные золы); кремнеземистого компонента при производстве автоклавного и безавтоклавного газобетона; легких, плотных и пористых керамзитобетонов; силикатного кирпича, компонента при производстве искусственных пористых заполнителей (аглопоритового зольного гравия, золокерамзита); выгорающей добавки при производстве глиняного кирпича; минераловатных изделий.
Зола-унос сухого улавливания может использоваться при строительстве автомобильных дорог для укрепления грунтов, в качестве самостоятельного медленно твердеющего связующего, а также в сочетании с цементом и известью. Возможно также использование такой золы и при выполнении гидротехнических работ: для производства сборного железобетона, изготовления бетонных растворов при строительстве плотин, дамб и других гидротехнических сооружений.
Высокое содержание СаО в золе сланцев и торфа позволяет использовать ее для снижения кислотности – известкования почвы. Растительная зола широко используется в сельском хозяйстве в качестве удобрения ввиду значительного содержания калия и фосфора, а также других необходимых растениям макро- и микроэлементов.
Большие возможности утилизации золы связаны с ее сорбционными свойствами. По составу зола близка к неорганическим катионообменникам – цеолитам, имеющим формулу nNa2О∙mSiO2∙kAl2О3. Несгоревшие частицы угля, присутствующие в золе, также являются активным адсорбентом по отношению к органическим малодиссоциирующим веществам. Благодаря этим свойствам золу можно применять для очистки слабо загрязненных сточных вод.
Несмотря на очевидные выгоды и перспективы широкого использования золы и шлака тепловых электростанций, на практике встречаются определенные трудности, связанные с необходимостью решения ряда вопросов транспортирования золы и шлаков, созданием золопогрузочных устройств и установок для раздельного отбора золы и шлаков непосредственно на ТЭС, а также с разработкой технических условий на их применение (с учетом химического состава, неоднородности и т.д.).