Угольная генерация до середины прошлого века была основой мировой электроэнергетики. Она обеспечивала экономический рост и индустриальное развитие. И сегодня ее роль в ряде стран остается значительной: в мире на ТЭС (тепловых электростанциях) вырабатываются около 30 триллионов кВт/ч электроэнергии. Еще год назад уголь как топливо для ТЭС использовали 75 стран, а суммарная мощность угольных ТЭС составляла более 2,0 ТВт, что чуть меньше трети мощности всех электростанций Земли. По прогнозам Международного энергетического агентства (IEA), доля выработки электроэнергии на угольных электростанциях планеты к 2040 году увеличится на 3%.
Однако не обходится без вызовов: в большинстве стран ужесточаются экологические требования, идет сильное давление на угольную генерацию как на один из основных источников выбросов углекислого газа и загрязняющих веществ. Удешевление альтернативных источников энергии и введение в некоторых государствах углеродных платежей начинают делать эту отрасль проблемной экономически. В ряде развитых стран даже заявили о планируемом в среднесрочной перспективе полном отказе от угля как источника энергии.
В России около 170 действующих угольных ТЭС дают примерно 14% объема выработки электроэнергии. В Сибирском федеральном округе угольные ТЭС обеспечивают чуть менее половины мощностей региона, в Дальневосточном — 42%, в Уральском — пятую часть. Несмотря на постепенный перевод с угля на природный газ, эксплуатация ряда угольных электростанций продолжается и в густонаселенных районах европейской части России (Черепетская ГРЭС, Новочеркасская ГРЭС и др.). И везде, где используется уголь, из продуктов его сжигания образуются золошлаковые отвалы (ЗШО). В них — углерод, оксиды алюминия, кремния, железа, кальция, магния и другие элементы практически всей таблицы Менделеева. В зависимости от месторождения угля, температуры сжигания в котлах и способов удаления золы («сухой» или «мокрый») соотношение указанных компонентов может изменяться, что существенно влияет на возможности использования ЗШО. По данным Минприроды, ежегодно на российских угольных электростанциях возникают более 20 миллионов тонн ЗШО, а их накопленный объем по стране приближается к 2 миллиардам тонн.
Золоотвалы занимают площадь около 50 тысяч га и нередко расположены вблизи крупных населенных пунктов. Утилизируют их у нас мало, не более 10%. Россия по этому показателю существенно отстает от других стран. Так, например, в Дании утилизируются практически 100% золошлаков, и золоотвалы практически ликвидированы; в Польше — 90%, в Германии, Великобритании и Китае — около 70%, в США — 55%, в Австралии и ЮАР — около 40%, в Индии — 25%. В этих государствах золошлаковые отходы стали важным сырьем.
В России летом прошлого года принят ряд государственных решений, направленных на повышение объемов утилизации золошлаковых отходов. Однако пока что реализация крупномасштабных проектов утилизации золы и получения из нее востребованной промышленной продукции отсутствует, в то время как возрастающие объемы накоплений ЗШО приводят ко все большим экологическим и экономическим издержкам. Относящиеся, как правило, к 4-му или 5-му классам опасности, они загрязняют грунтовые воды и почвы, занимают большие площади земель, но, с другой стороны, представляют собой крупные источники техногенного сырья, которое может быть эффективно использовано.
Именно этой проблеме посвящен проект «Разработка научных основ технологии полной комплексной переработки золошлаковых отходов угольных электростанций с получением ценных продуктов, востребованных в различных отраслях промышленности», подержанный РНФ в 2021 году как победитель конкурса Президентской программы по поддержке лабораторий мирового уровня. Руководитель проекта — заведующий кафедрой биотехнологии, химии и стандартизации, доктор химических наук Михаил СУЛЬМАН. Работы выполняют сотрудники Тверского государственного технического университета совместно с коллегами из Объединенного института высоких температур РАН.
Как рассказал Михаил Геннадьевич, проект рассчитан на 4 года, важным является то, что его цель — разработка научных основ технологии полной переработки золошлаковых отходов, а не извлечения из них каких-то отдельных компонентов.
— Работа ведется с отходами электростанций, сжигающих угли Кузнецкого угольного бассейна. Большой интерес представляют золоотвалы крупных электростанций Уральского региона (Рефтинская ГРЭС, Экибастузский каменный уголь). Начаты исследования свойств золошлаков Березовской ГРЭС, работающей на углях Канско-Ачинского угольного бассейна. Первый этап — исследования состава и свойств золошлаков методами атомно-абсорбционной, рентген-фотоэлектронной, рентген-флуоресцентной спектроскопии. Все это современный физико-химический анализ, хорошо освоенный специалистами ТверГТУ.
Установлено, что ЗШО разных электростанций могут значительно отличаться друг от друга. Так, в отходах угольных электростанций, работающих на Кузнецком и Экибастузском углях, основную долю составляют оксиды алюминия и кремния (суммарно — до 70-80%). Содержание в них оксидов кальция и магния невелико (8-12%), и они относятся к так называемому «кислотному» классу отходов. В то же время ЗШО Канско-Ачинского угольного бассейна, наоборот, содержат значительную долю оксидов кальция и магния (суммарно до 50% и выше) и переводит в класс «оснóвных» продуктов. В широком диапазоне изменяется показатель недожога угля различных электростанций: до 15% и выше — на «старых» станциях и всего 2-3% — на относительно «новых» типа Березовской ГРЭС. Детальное знание состава и свойств ЗШО открывает пути поиска эффективных методов получения из ЗШО полезных продуктов.
— Какими они могут быть?
— Например, ЗШО кислотного типа с высоким содержанием алюминия и кремния, характерных для отходов Каширской и Черепетской ГРЭС, ТЭЦ-22, «грешат» недожогом, то есть избытком углерода. Проще всего извлечь его путем флотации. Это когда в зольной суспензии используется подъемная сила воздушных пузырьков, прилипающих к поверхности угольных частиц, гидрофибрированных так называемыми реагентами-собирателями. Пузырьки всплывают на границу раздела фаз «жидкость — газ» с образованием пенного слоя, в котором и скапливается извлеченный из ЗШО углерод. Последующие затем операции обезвоживания (сгущение, фильтрация, сушка) этого продукта позволяют получать углеродный концентрат, представляющий собой эффективное топливо. Его можно вернуть в топку ТЭС или задействовать в технологиях извлечения и переработки других продуктов, получаемых из ЗШО. В рамках проекта наша команда предложила усовершенствованные методы одностадийной и двухстадийной флотации с подбором эффективных поверхностно активных веществ (ПАВ), гарантирующих снижение расхода реагентов на 20%.
Из ЗШО с высоким содержанием железа мы предлагаем выделять концентрат этого металла (с содержанием до 55% и выше) методами магнитной сепарации. Он годен для использования на металлургических предприятиях при производстве чугуна и стали.
Наконец, после флотации и магнитной сепарации остается высококачественный алюмосиликатный порошок, который весьма ценят строители, он полезен для замещения части цемента при изготовлении высокопрочного бетона, при прокладке дорог и т. д. Из золы ТЭС, работающих на углях Экибастузского бассейна (Рефтинская, Троитская, Верхнетагильская), создан и в лабораторных условиях опробован способ получения глинозема металлургического качества и белитового шлама строительного назначения.
В разработку, лабораторную и опытно-промышленную апробацию перечисленных технологий внесли большой вклад специалисты Объединенного института высоких температур РАН во главе с доктором геолого-минералогических наук Леонидом Делицыным.
— Вы подчеркнули, что ЗШО содержат практически все элементы таблицы Менделеева. Но есть ли смысл какие-то извлекать?
— Принципиально все возможно. Но экономически… Мы ставим задачу 100% переработки ЗШО, чтобы обеспечить реальное сокращение объемов золохранилищ. Выковыривать же изюм из булки вряд ли в данном случае разумно. Наиболее крупномасштабным потребителем продуктов переработки ЗШО нам представляется строительная индустрия, современные технологии производства которой предъявляют все новые требования к качеству исходного сырья. Цель исследования — получение технологий переработки ЗШО в целевые продукты на полупромышленных аппаратах, отработка режимов и параметров всей производственной цепочки. Эту работу мы выполняем в контакте с рядом промышленных лабораторий и компаний. Ведь любая технология переработки ЗШО должна включать различные стадии подготовки сырья (прием, усреднение, сокращение исходного золошлака), промывку и грохочение золы с последующим флотационным обогащением, мокрой магнитной сепарацией хвостов флотации, доводкой магнитной фракции на концентрационном столе, а также сгущение, фильтрацию и сушку полученных товарных продуктов. А объемы промышленной переработки ЗШО должны составлять несколько сот тысяч тонн в год.
— Выходит, не скоро вы запустите ваши технологии в индустриальную практику?
— Проект по срокам только достиг «экватора», преждевременно считать выгоду от его реализации. Мы изучили основные свойства ЗШО ряда угольных электростанций, получили результаты опытно-промышленных испытаний флотационных и магнито-сепарациионных процессов. Они позволят нам определить базу данных для проведения опытно-конструкторских разработок и проектирования многотоннажной установки переработки ЗШО кислотного класса. В конце 2022 года был проведен предварительный технико-экономический анализ и получили укрупненную экономическую оценку предлагаемой технологии, включая базовые цифры капитальных и эксплуатационных затрат. Так вот, рассчитанный срок окупаемости капитальных вложений на примере переработки золошлаковых отходов Каширской ГРЭС в объеме до 350 тысяч тонн в год в зависимости от ценовой политики на получаемые продукты составил от 2 до 4 лет. То есть предлагаемую нами технологию можно считать инвестиционно-привлекательной. Но все надо проговаривать, уточнять с потенциальным инвестором, поиски которого продолжаются.
— Михаил Геннадьевич, на каком оборудовании работает ваша научная группа?
— Наш университет располагает современным оснащением для детального изучения химического, гранулометрического и фазового составов изучаемых материалов, а ОИВТ РАН предоставляет оборудование для исследований по флотации и магнитной сепарации. Мы также взаимодействуем с лабораториями ряда компаний, производящими строительные материалы или занимающимися созданием и изготовлением агрегатов, которые возможно применить для переработки золошлаковых отходов.
— Сегодня актуален вопрос о сложности поддержания и обновления научно-технической базы. У вас, судя по рассказу, используется импортное оборудование. Оно выдержит продолжение исследований?
— Проблема существует и несет в себе дополнительные риски. Какого-то единого подхода к ее решению у нас нет. В зависимости от характера возникающих неисправностей может быть либо замена прибора на отечественные аналоги или ремонт с применением комплектующих российского производства. Либо приобретение зарубежной техники и запчастей к ней по схеме параллельного импорта. Но нам хотелось бы надеяться на ситуацию, в которой замена и крупный ремонт основного оборудования не потребуются на протяжении всего срока нашего проекта.
— В декабре прошлого года РНФ был наделен дополнительными полномочиями. Глава Фонда Александр Хлунов говорил о необходимости появления «квалифицированного заказчика», увязывающего научные проекты с конкретной промышленной площадкой, где может начаться реализация новых технологий. Интерес к вашим разработкам со стороны реального сектора экономики уже есть?
— Мы в процессе перехода от лабораторных исследований к разработкам, ориентированным на создание промышленных технологий и тесному взаимодействию с потенциальными индустриальными партнерами. Ведем переговоры с рядом российских компаний, которые в перспективе могли бы заняться освоением наших технологий. Но пока конкретных соглашений о коммерциализации нет. Для поиска инвесторов требуется обосновать объемы возможных потребностей в конкретных продуктах переработки, разработать и утвердить технологические регламенты, выпустить проектную документацию с привязкой к определенным площадкам. Требуется доработка линейки продуктов, в которых, как нам представляется, могут быть заинтересованы прежде всего предприятия строительной индустрии (строительные смеси, товарные бетоны, ЖБИ и т. п.). Этим в сочетании с продолжающимися научными исследованиями мы планируем заниматься на следующих этапах реализации проекта.
Могу сказать, что по мере обнародования результатов исследований и разработок по проекту в научных и информационных изданиях к нам стали поступать обращения от ряда энергетических и строительных компаний, изучающих возможность использования достигнутых нами результатов. Недавно, например, к нам пришел запрос от одной из компаний по переработке золы от сжигания твердых бытовых отходов. И это свидетельствует о росте интереса к результатам нашей работы. Являясь принципиально новыми, они позволят создать научные основы процесса комплексной переработки ЗШО. А полученная из ЗШО продукция будет стимулировать интерес к дальнейшему научному поиску, повышению уровня производственной безопасности и уменьшению загрязненности окружающей среды.
Подготовил Андрей СУББОТИН
Нет комментариев