|
Летучая зола Летучая зола (зола-уноса) — тонкодисперсный остаток сгорания топлива из его минеральных примесей, содержащийся в дымовом газе во взвешенном состоянии. Летучая зола истирает котельные трубы и дымососы, при удалении с дымовыми газами загрязняет атмосферу[1]. В США большая часть летучей золы обычно хранится на угольных электростанциях или размещается на полигонах, в то же время, по данным Американской ассоциации по проблемам угольной золы около 43 % отходов сжигания угля перерабатывается[2]. В Европе по оценке Европейской ассоциации по утилизации продуктов горения угля около 43 % летучей золы используется для производства строительных материалов[3]. В России перерабатывается лишь 4—5 % угольной золы[4]. Улавливание золы-уносаПри производстве электроэнергии на тепловых электростанциях в зависимости от применяемых топливных систем от сжигания угля образуются остатки в виде зол-уносов (летучих зол), мокрых зол и котельных шлаков. В процессе сжигания все твёрдые отходы ТЭЦ можно разделить на: шлак + тяжёлая фракция золы; летучая зола-унос, которую, в свою очередь, можно разделить на фракцию средней крупности, улавливаемую электрофильтрами (электростатическими фильтрами) и тонкодисперсную фракцию золы-унос, не улавливаемую фильтрами. Учитывая характеристики фильтров и реальную их эффективность, степень улавливания золы-унос составляет 95 %, то есть 5 % золы-унос ежегодно выбрасывается в атмосферу. Но и при максимальной очистке дымовых газов степень улавливания не превышает 99 %[5]. Эффективность работы газоочистных устройств во многом зависит от физико-химических свойств улавливаемой золы и поступающих в золоуловитель дымовых газов. Основными характеристиками летучей золы в процессе очистки дымовых газов являются плотность, дисперсный состав, электрическое сопротивление (для электрофильтров), слипаемость. Плотность частиц летучей золы для большинства углей лежит в пределах 1900—2500 кг/м3. Дисперсный состав летучей золы во многом зависит от дисперсионного состава сжигаемой угольной пыли, поступающей после размольного устройства в топку. Для инерционных золоуловителей существенное значение имеет слипаемость золы. При выборе и эксплуатации золоуловителей следует учитывать абразивность золы, которая зависит от твёрдости, размера, формы и плотности частиц. Из пылеуловителей зола-унос может удаляться сухим методом или путём смешивания с водой и дальнейшим удалением золошлаковой пульпы в отвал. Химический состав, свойства и классификацияВ зависимости от процесса горения, источника и состава сжигаемого угля компоненты летучей золы значительно различаются, но все летучие золы включают значительные количества диоксида кремния (SiO2) (как аморфного, так и кристаллического), оксида алюминия (Al2O3) и оксида кальция (CaO), а также несгоревший углерод[6]. Кроме того, летучая зола содержит тяжёлые металлы. Небольшие составляющие летучей золы зависят от конкретной композиции угольного пласта, но могут включать один или несколько из следующих элементов или соединений, обнаруженных в следовых концентрациях (до сотен ppm): мышьяк, бериллий, бор, кадмий, хром, шестивалентный хром, кобальт, свинец, марганец, ртуть, молибден, селен, стронций, таллий и ванадий наряду с очень малыми концентрациями диоксинов и соединений ПАУ[7][8].
Фазово-минералогические исследования состава золы различных видов твёрдого топлива показывают, что основной фазой всех видов золы является стекло. Кристаллическая фаза представлена различными количествами кварца, гематита, магнетита и различными силикатами кальция. Золы уноса подразделяют по виду сжигаемого угля: — антрацитовую (образующуюся при сгорании антрацита, полуантрацита и тощего каменного угля), — каменноугольную, — буроугольную; по химическому составу на низкокальциевую (кислую и сверхкислую) и высококальциевую (высокосульфатную и низкосульфатную)[10]; или кислую (с содержанием оксида кальция до 10 %) и основную (буроугольную, с содержание окиси кальция более 10 %)[11]; по степени дисперсности (по остатку на сите № 008) на низкодисперсную (до 30 %), среднедисперсную (до 20 %) и высокодисперсную (до 15 %)[10]; или на три класса (по остатку при мокром рассеивании на сите № 0045) — до 15 %, до 40 %, более 40 %[11]; в зависимости от потерь при прокаливании на 4 категории (до 2 %, до 5 %, до 9 %, более 9 %)[11]. РадиологияТвёрдые горючие ископаемые незначительно влияют на общий фон природной радиоактивности, но отдельные их месторождения, а также продукты переработки твёрдых горючих ископаемых, особенно золошлаковые, отличаются повышенной радиоактивностью и повышенным содержанием естественных радионуклидов (тория, радия, урана и изотопа 40K). Значительно увеличиваются содержания естественных радионуклидов в твёрдых продуктах, улавливаемых после термической переработки исходных углей. Так, специальные исследования, проведенные во многих странах мира, показали, что радиоактивность почв и воздуха на территориях, прилегающих к ТЭС, вероятно, вследствие осаждения продуктов сжигания иногда в десятки раз превышают не только фоновые, но даже предельно допустимые значения[12]. Многое зависит при этом от того, какой именно уголь использует конкретная ТЭС, к тому же очень многое определяется технологиями подготовки угля, его сжигания, улавливания и сбора золошлаковых продуктов[13]. При среднем содержании урана в земной коре 2,0 г/т среднее содержание урана в богатых золах уноса достигает 400 г/т.
Вследствие накопления естественных радионуклидов в высокодисперсных золах уноса, значительная часть которых не улавливается после сжигания углей, выбрасывается в атмосферу и затем оседает на земную поверхность, может происходить накопление естественных радионуклидов в почвах вокруг ТЭС[13]. Большая часть выпавшей на земную поверхность золы-уноса оседает на надземной части растений и в конечном итоге попадает в почву. Кроме того, значительный вклад в радиоактивное загрязнение окружающей среды может дать эффект удержания золы и аэрозолей кронами деревьев в лесных массивах (до 5 раз)[14]. Зола-унос, отгружаемая с ТЭЦ как сырьё для дальнейшего использования по суммарной удельной эффективной активности естественных радионуклидов должна соответствовать требованиям соответствующих норм и гигиенических нормативов. При суммарной удельной эффективной активности естественных радионуклидов до 370 Бк/кг по российским нормам строительные материалы допускаются до всех видов строительства[15]. Суммарная удельная эффективная активность естественных радионуклидов золы Рефтинской ГРЭС составляет 95,1 Бк/кг, а газозолобетона на её основе — 40,33 Бк/кг[16]. Направления использованияЗола уноса может обладать пуццолановыми свойствами и/или гидравлической активностью[11]. Летучая зола используется при производстве строительных материалов в качестве пуццолана для производства цемента, сухих строительных смесей, частичной замены портландцемента[3] в производстве бетона, бетонных и железобетонных изделий. Присутствие пуццолановых добавок обеспечивают бетон большей защитой от влажных условий и воздействия агрессивным химикатов[3]. Укрепление грунта в дорожном строительствеВведение высококальциевых зол уноса в грунты позволяет заменить часть цемента и извести, используемых для этого. Целесообразность применения зол уноса в качестве улучшающей добавки определяется способностью их вступать в реакцию химического взаимодействия с известью с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция, которые цементируют минеральные частицы и агрегаты грунта в единый структурный комплекс. В отличие от укрепления грунтов цементом, в этом случае вяжущее образуется непосредственно в самой смеси. Таким образом, совместное использование золы уноса и извести для укрепления грунтов базируется на принципе синтеза вяжущего вещества в системе грунт — зола — известь[17]. Грунты, обработанные активной золой-уносом или известково-зольными вяжущими характеризуются относительно медленным набором прочности и значительной деформативной способностью. При этом в грунтах на зольных вяжущих в первый год эксплуатации обычно не появляется усадочных или температурных трещин. В условиях северных и центральных областей России грунты укрепленные зольными вяжущими рекомендуется использовать преимущественно для устройства оснований под асфальтобетонные покрытия. Водонепроницаемое асфальтобетонное покрытие сохраняет влажность основания, необходимую для нормального протекания процессов гидратации, которые у зольных вяжущих протекают дольше по сравнению с цементными[18]. Гидравлические дорожные вяжущие (ГДВ) очень широко используются в Германии при укреплении грунтов, в первую очередь из-за их низкой стоимости по сравнению с традиционными вяжущими, например, известью или цементом. Состав и основные параметры ГДВ приведены в стандартах EN13282-1[19] и EN13282-2[20]. Исследования вяжущих с высоким содержанием золы-уноса начались в Чешской Республике задолго до создания стандартов EN. Вяжущее RSS5 из 80 % осно́вной золы-уноса, полученной при сжигании каменного угля в кипящем слое, и 20 % негашеной извести, используется с 2010 года как хорошая альтернатива извести для обработки глин и суглинков[21]. Зольный гравийПутем обжиговой или безобжиговой грануляции золы может быть получен зольный гравий. Гранулированием золы уноса с последующим спеканием гранул при высоких температурах в печах получают обжиговый зольный гравий. Холодным гранулированием золы уноса путем ее окатывания во вращающихся емкостях получают безобжиговый зольный гравий. Зольный гравий применяется в высококачественных бетонах (high performance concrete), в самоуплотняющихся бетонных смесях (self-compacting concrete) и в легких бетонах. Для высококачественных бетонов применение зольного гравия позволяет уменьшить стоимость бетона при сохранении его основных свойств. В самоуплотняющихся бетонах округлая форма зольного гравия и его относительно небольшой размер повышает подвижность бетона и его удобоукладываемость, особенно при густом армировании. Подобные смеси легче подаются бетононасосами. Использование зольного гравия в легких бетонах снижает его плотность и улучшает его теплотехнические характеристики[22][23]. Добавка в бетоны и растворыЗолу применяют как минеральную добавку или наполнитель при изготовлении тяжёлых, лёгких, ячеистых бетонов, сухих строительных смесей и строительных растворов в целях экономии цемента, заполнителей, улучшения технологических свойств бетонной и растворной смесей, а также показателей качества бетонов и растворов. При изготовлении ячеистых бетонов кислые золы применяют в качестве кремнеземистого компонента смеси, а также в целях экономии цемента в бетонах неавтоклавного твердения. В конструкционно-теплоизоляционных бетонах кислую золу применяют для частичной или полной замены пористых песков и снижения средней плотности бетона. Для конструкций подводных и внутренних зон гидротехнических сооружений используют кислую золу[24]. При использовании в бетонах естественного твердения взамен части цемента некоторых видов золы (в основном кислых) может наблюдаться снижение (на 20—30 %) прочности при сжатии в течение 28—60 суток и последующее выравнивание прочности в более поздние сроки 90—180 суток по сравнению с бетоном аналогичного состава без добавки золы[9]. Поэтому составы бетона и раствора с золой в основном актуальны при положительных температурах твердения. Золы-уноса могут быть включены в состав самоуплотняющихся бетонов для повышения стабильности бетонной смеси, повышения водоудерживающей способности; плотность и прочность бетона при этом увеличиваются[25]. Основные золы с содержанием оксида кальция CaO более 30 % применяют в качестве вяжущего для частичной замены извести или цемента в ячеистых бетонах автоклавного и неавтоклавного твердения, при изготовлении строительных растворов и бетонов для сборных и монолитных бетонных и железобетонных изделий и конструкций. Часть извести содержится в глубине частиц золы, и взаимодействует с водой уже позже формирования структуры цементного камня, что приводит к возникновению трещин и падению прочности цементного камня. Это сдерживает применение высокоосновных зол в бетонах и растворах. К 28 суткам нормального твердения свободная CaO золы-уноса успевает прореагировать с водой лишь на 50 %, но в условиях пропаривания гидратация проходит на 70—80 %. По-разному происходит и образование гидросульфоалюминатрных фаз, если в нормальных условиях сульфат кальция связывается в основном в эттрингит, то при пропаривании — в моносульфоалюминат кальция. Таким образом, пропаривание золосодержащих материалов снижает опасность возникновения деструктивных процессов в затвердевшем материале[26]. Для решения проблемы деструктивных процессов золу-уноса можно предварительно домалывать до более высокой степени дисперсности, обнажая частицы извести[27]. Этот технологический приём обеспечивает гашение извести до потери пластических свойств цементным камнем, устраняя угрозу снижения прочности и растрескивания материала. Применение домолотой совместно с гипсом золы-уноса с удельной поверхностью 410 м2/кг позволило получить самоуплотняющийся бетон без спада прочности после 6 месяцев твердения при степени замещения цемента до 50 %. Но повышение степени наполнения вяжущего золой значительно увеличивает усадочные деформации бетона[28]. Добавка в цементДисперсионный состав золы-уноса и её химические свойства позволяют использовать её в составе цементов. На основной золе-уноса Ошмянской ТЭЦ от сжигания торфа предложен состав добавочного портландцемента марки 500 при содержании золы-уноса до 20 %, марки 200 при содержании золы до 70 %[29]. СорбентыЗола-уноса может быть использована в качестве замены активированного угля для очистки сточных вод, содержащих, например, азокрасители метиленовый голубой и метиленовый красный[30]. В геологической летописиИз-за воспламенения угольных месторождений Сибирскими траппами во время пермско-триасового вымирания около 252 миллионов лет назад в океаны было выброшено большое количество полукокса, очень похожего на современную летучую золу, которая сохранилась в морских отложениях канадской Арктики. Было высказано предположение, что летучая зола могла привести к токсичным условиям окружающей среды[31]. Примечания
Ссылки
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
