Золошлаковые отходы ТЭС - ценный экологический ресурс

За годы работы энергосистемы на золоотвалах ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго» накоплено более 76 млн. тонн золошлаков. Суммарный годовой выход ЗШО около 1,7 млн. тонн. Территориально золоотвалы располагаются в рамках муниципальных образований: Иркутск, Ангарск, Братск, Усолье-Сибирское, Саянск, Зима, Шелехов, Усть-Илимск.

По своему физико-химическому и агрегатному состоянию золошлаки являются уникальным ресурсом (материалом) для полезного использования в различных отраслях с получением значительных экологических эффектов.

Золошлаковые материалы (ЗШМ) могут неограниченно использоваться как добавки и наполнители при производстве широкого спектра строительных материалов: цемента, бетонов, растворов, кирпича и т.д. Они хорошо себя зарекомендовали при укладке в земляное полотно автомобильных дорог. Определенную ценность ЗШМ имеют в сельском хозяйстве при производстве удобрений. Очень перспективной является глубокая (комплексная) переработка ЗШМ с получением глинозема, кремнезема, концентрата железа и целого ряда редкоземельных материалов. Известно около 300 технологий использования ЗШМ. ЗШМ предлагается в двух видах: сухая зола после золоуловителей и смоченная смесь с влажностью около 20%.

Основными углями, сжигаемыми на ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго» являются черемховский каменный уголь, азейский, мугунский, тулунский и ирша-бородинский бурые угли. В последние годы на ряде ТЭЦ начали сжигание жеронского угля.

            При использовании ЗШМ необходимо убедиться в их пригодности для строительства по требованиям радиационной безопасности согласно СП 2.6.1.758-99 “Нормы радиационной безопасности”. Проведение измерений описано в ГОСТ 30108-94 “Материалы и изделия строительные. Определение удельной  эффективной активности естественных радионуклидов ”. В случае положительного заключения, необходимо установит химические и технологические свойства ЗШМ.

            Химические свойства зависят только от месторождения, с которого используется уголь. Примерный состав шлака и золы уноса приведён ниже в таблицах. Технологические свойства ЗШМ зависят от способа сжигания, от метода шлакоудаления. Поэтому мы в основном будем изучать методы определения технологических свойств.

Состав золы и золошлаковых отходов азейского угля

Состав золы и золошлаковых отходов черемховского угля

Состав золошлаков от сжигания мугунского, азейского, черемховского углей

Состав золошлаков от сжигания ирша-бородинского угля

Примерный состав цементного клинкера.

CaO- 63-67%, SiO₂ – 20-24%, А1₂О₃ – 3,5 -5,5%,  Fe₂O₃ – 2-5%, MgO- 1-4%

            Из этих примеров видно насколько близки химические составы золы углей и цементного клинкера, но это означает, что и технологические свойства этих материалов имеют большое сходство. Конечно, большое различие имеют гранулометрические характеристики: так если частицы клинкера в основном меньше 0,071 мм, то гранулометрический состав шлака ближе к дроблёному щебню, то есть большая часть частиц крупнее 5 мм. Таким образом, если мы хотим использовать шлак в качестве заменителя щебня, то нет необходимости в его обработке. Но если мы хотим в полной мере использовать его вяжущие свойства, то желательно тщательное измельчение шлака или использование золы уноса (это пыль улавливаемая системами пылегазоочистки больших электростанций). Рассмотрим гидравлические вяжущие материалы, получаемые с использованием молотого шлака или золы уноса.

       Пуццолановый портландцемент  получают либо путем совместно­го помола портландцементного клинкера (79...60 %), активной ми­неральной добавки (21...40 %) и небольшого количества гипса, либо тщательным смешиванием этих же компонентов, но предваритель­но каждый из них измельчают. Свое название пуццолановый цемент получил от названия местечка у подножия вулкана Везувия (Ита-чия), где с давних пор ведется добыча вулканического пепла как до­бавки к цементу.

К активным минеральным добавкам относятся: вулканические туфы, пеплы и пемзы, диатомит, трепел, золы ТЭС и другие вещества. Активные добавки связывают выделяющийся при тверде­нии цемента Са(ОН)₂ в нерастворимые гидросиликаты, благодаря чему повышаются водостойкость и коррозионная стой­кость цементного камня. Пуццолановые цементы отличаются низ­ким тепловыделением при твердении и пониженной скоростью твердения. Морозо- и воздухостойкость пуццолановых цементов ниже, чем портландцемента. Пуццолановый портландцемент выпу­скают марок: 300 и 400.

Пуццолановый портландцемент применяют для гидротехниче­ского строительства, а также для подземных и подводных сооруже­ний. Пуццолановый портландцемент еще в большей степени, чем шлакопортландцемент, требует увлажнения во время твердения. При укладке больших объёмов бетона возникают большие температурные напряжения и возможно даже растрескивание монолита. Дело в том, что при твердении бетона выделяется значительное количество тепла (этим пользуются строители при зимнем бетонировании), а шлакопортландцемент твердеет в несколько раз более медленно и значит, выделяется меньше тепла в единицу времени.

Цементы для строительных растворов (кладочные цемен­ты) — это как бы, разбавленный портландцемент. Содержание клинкера в таких цементах 20...30 %, а остальная часть цемента со­стоит из молотых активных и инертных (известняк, песок) добавок. Марка кладочных цементов 200. Такие цементы применяют для кладочных и штукатурных растворов и неармированных бетонов классов В12,5 и ниже. Использование кладочных цементов дает экономию цементного клинкера — наиболее дорогой части цемента.

            В производстве золошлакового бетона все более широкое применение находят золы и шлаки взамен тяжелых заполнителей природного происхождения (песка, гра­вия и щебня), легких (пористых) заполнителей искусственного изготовления (керамзит, аглопорит и др.), природного проис­хождения (пемза, туф и др.) или в сочетании с ними. С применением золы, и шлака на цемент­ном вяжущем могут изготовляться бетоны марок по прочности М50...М500, по водонепроницаемости W2...W12 и по морозостой­кости F50...F300 следующих видов: тяжелый или легкий с добав­кой золы взамен части цемента, а также части заполнителей; мелкозернистый на золошлаковой смеси (плот­ностью 1800...2200 кг/м³) взамен мелкого природного песка; тяжелый с комбинированными заполнителями из золошлаковой смеси или плотного шлака в сочетании с природными запол­нителями; легкий с комбинированными заполнителями из золы, золошлаковой смеси или пористого шлака в сочетании с при­родными или искусственными пористыми заполнителями; жаро­стойкий с комбинированными заполнителями из золошлаковой смеси или плотного шлака в сочетании с природными запол­нителями; ячеистый.

Введение оптимального количества золы в бетоны улучшает удобоукладываемость, снижает усад­ку и водопроницаемость, обеспечивает требуемую прочность и высокую морозостойкость. Применение золы не оказывает от­рицательного действия на деформации ползучести, усадки и на модуль упругости бетона обычного состава, повышает коррозион­ную стойкость железобетона и сульфатостойкость бетона.

Золошлаковые бетоны применяют в различных областях строительства, за исключением сооружения верхнего слоя по­крытия автомобильных дорог и аэродромов, пролетных строений мостов, оболочек градирен и отводов вытяжных (дымовых) труб, гидротехнических сооружениях в частях, подвергающимся попеременному замораживанию и оттаиванию, а также конструкций армированных термически упрочнённой сталью.

В состав тяжелых бетонов на плотных заполнителях золу следует вводить в оптимальном количестве, равном усреднение 150 кг на 1 м³ пропариваемого бетона и 100 кг на 1 м³ бетона, твердеющего без тепловой обработки. При этом достигают эко­номии цемента в количестве 50...70 кг на 1 м³ пропариваемого бетона и 30...40 кг на 1 м³ бетона, твердеющего без тепловой обработки. Золу следует вводить в бетонную смесь взамен од­новременно части цемента, части щебня и песка без изменения принятого соотношения между ними. Замену природного щебня на шлак осуществляют в пределах от 20 до 50 %, при этом зерна шлакового щебня должны быть крупнее 3 мм.

При автоклавной обработке (большие температуры 150-200 С и давления 8-10 атм) возможно изготовлять бетон вообще без цемента: шлакощелочной бетон представляет собой искусственный ка­мень, получаемый после формования и последующего твердения смеси крупного и мелкого заполнителей, молотого шлака и раст­вора щелочного компонента (жидкого стекла). При этом происходит реакция примерный вид которой:

CaO+Na₂O*2SiO₂+H₂O = nCaO*Na₂O*SiO₂*mH₂O

В зависимости от назначения получают бетоны плотный, крупнопористой, поризованной и ячеистой структур. По зерново­му составу заполнителей их разделяют на мелко- и крупнозер­нистые, а по плотности — на тяжелые и легкие. Тяжелые бетоны на шлакощелочном вяжущем относят к конструкционным бето­нам, легкие бетоны разделяют на конструкционные, конструк­ционно-теплоизоляционные и теплоизоляционные.

Конструкционные легкие шлакощелочные бетоны классов В15...В50 (М200...М600) со средней плотностью 1500...1800 кг/м³ изготовляют на керамзите, гранулированном шлаке, аглопорите, известняке-ракушечнике, шлаковой пемзе, отходах древесины. Эти же заполнители применяют для конструкционно-теплоизоляционных бетонов со средней плотностью 500... 1400 кг/м³, которые характеризуются прочностью при сжатии 3,5...40 МПа и теплопроводностью 0,17...0,4 Вт/(м°С).

ЗШМ возможно использовать в качестве отощающей добавки при производстве керамических изделий, в том числе кирпича. Такие добавки уменьшают усадочные деформации и увеличивают скорость обжига кирпича, при этом повышается механическая прочность и морозостойкость изделий.

            Ниже приведён список научно-исследовательский и прикладных работ, которые финансировало в последние года ОАО “Иркутскэнерго”, а частная компания зря денег тратить не будет.