Электросепарация угольной золы — перспективный метод подготовки отходов угольной энергетики к вторичному использованию

Золошлаковые отходы (ЗШО), образующиеся при сжигании угля, ежегодно достигают в России 20–26 млн т, однако в хозяйственный оборот вовлекается по разным оценкам, от 10 до 27 % этого объёма1 [1]. За последние 15 лет площади золоотвалов превысили 20 тыс. га, что создает очаги вторичного пылегазового загрязнения и повышенный техногенный прессинг на прилегающие водоносные горизонты [1].

Проблема особенно остра для Забайкальского края, где доля угля в топливном балансе электростанций составляет 99,8 %2. Эксплуатация местных бурых углей марок В2–В3 с естественной зольностью на сухую массу 10–32 % приводит к формированию крупных золоотвалов3. Для котельных при этом характерен высокий процент недожога, до 50–60 % углеродистого вещества. В результате регион сталкивается одновременно с дефицитом свободных площадей для хранения ЗШО и ростом удельных выбросов CO₂.

При этом зола бурых углей обладает скрытым ресурсным потенциалом: минеральная фракция содержит до 25 % Al₂O₃ и повышенные концентрации редкоземельных элементов, тогда как углеродистая часть характеризуется теплотой сгорания 10–15 МДж/кг и может быть возвращена в топливный цикл. Эффективная переработка ЗШО тем самым превращается из экологической обязанности в экономически привлекательный источник вторичного сырья.

Государственная политика усиливает запрос на вовлечение золы в хозяйственный оборот. Согласно Энергетической стратегии необходимо увеличение доли утилизированных продуктов сжигания твердого топлива (золошлаков) с 27 % в 2023 г. до 40% в 2030 г., до 50 % в 2036 г. и до 90 % в 2050 г.4

Возможные пути сепарации ЗШО

Эффективное извлечение недожога и ценных минералов из золы начинается с выбора подходящей схемы разделения. В мировой и российской практике наибольшее распространение получили четыре принципиально разные группы процессов — гравитационно-вихревые, магнитные, флотационные и электростатические, — которые существенно различаются по требованию к ресурсоёмкости и по степени очистки золы от углеродистых частиц.

Гравитационные и аэродинамические классификаторы опираются на контраст плотности и размерный эффект; но при преобладании тонкодисперсной (<50 мкм) фракции, типичной для бурых углей Забайкалья, такая селекция нерезуль- тативна: величина потерь углерода остаётся на уровне 55–65% даже после двух стадий сепарации. Магнитная обработка избирательно удаляет ферромагнитные включения, улучшая радиационную обстановку, однако практически не влияет на показатель Loss-on-Ignition (LOI) и потому рассматривается лишь как вспомогательный приём [6] .

Флотация, несмотря на широкое распространение в Китае и Германии, в условиях Забайкалья сталкивается одновременно с дефицитом воды, высокими реагентными затратами и проблемой утилизации шламов. Опыты на золе Харанор-ской ГРЭС показали, что снижение LOI ниже 8% требует расхода реагентов-собирателей 2,5–3 кг·т⁻¹ при удельном водопотреблении >5 м³·т⁻¹, что экономически неконкурентно.

На этом фоне трибоэлектростатическая сепарация (ТС) демонстрирует принципиальные преимущества: процесс полностью сухой, энергопотребление не превышает 1 кВт·ч на тонну, а степень отделения недожога достигает 85–90 % за единственную стадию [6]. Электризация происходит при турбулентном контакте частиц, приводя к положительному заряду углеродистых агломератов и отрицательному заряду алюмосиликатной матрицы; последующее отклонение во внешнем поле 3-5 кВ·см⁻¹ обеспечивает высокую селективность [2, 3] .

В России пока отсутствуют серийные электростатические сепараторы аналогичного класса; поставки STET затруднены экспортными ограничениями, а отечественные разработки находятся на уровне MVP-прототипов. Тем не менее анализ показывает, что до 80% компонентов — высоковольтные источники, виброподачи, диэлектрические ленты из фторопласта — могут быть импортозамещены без критического падения ресурса. Ключевой патентный узел (плоская ременная щель) допускает вариант обхода через изменение геометрии камеры и расположения электродов, что снижает юридические риски и открывает путь к реверс-инжинирингу.

Оценка потенциала внедрения трибоэлектростатической сепарации на примере котельной силикатного завода

Котельная силикатного завода, относящаяся к децентрализованным источникам теплоснабжения Забайкальского края, характеризуется крайне высоким недожогом: обследование объекта показало пиковое содержание несгоревшего углерода в ЗШО до 62 % мас. Для рассматриваемой площадки накоплено около 10 000 т ЗШО, а лабораторные пробы подтверждают среднюю потерю при прокаливании (LOI) ≈ 50 %. Эти параметры указывают на значительный энергетический и сырьевой потенциал, который может быть реализован с помощью ТС.

Для локальной задачи достаточно модульного сепаратора производительностью 1 т·ч⁻¹: при фонде работы 6 000 ч·год⁻¹ годовой объём переработки составит 6 000 т, что позволит полностью рекультивировать накопленный золоотвал менее чем за два года.

Расчёт опирается на технико-экономические параметры опытного прототипа с энергопотреблением ~1 кВт·ч·т⁻¹ и эксплуатационными издержками 70–90 руб·т⁻¹.

При условии разделения 10 000 т золы с выходом минеральной фракции (≈ 50%), пригодной как пуццолановая добавка, 5 000 т с ценой 600 р.·т⁻¹ и углеродистого концентрата (≈ 35%) с теплотой сгорания 15 МДж·кг⁻¹ — 3 500 т с ценой 1 200 р.·т⁻¹, годовая выручка достигает ~7,2 млн р. при операционных затратах ≤ 0,8 млн р. Для компактного ленточного сепаратора с КАПЕКС ≈ 20 млн р. срок окупаемости составит 2–3 года.

15 % остатка уходит в технологически неизбежный отсев, не удовлетворяющий требованиям товарного продукта, который либо возвращается в процесс, либо требует отдельного решения по доочистке/утилизации.

Утилизация 10 000 т ЗШО устраняет локальный источник пылевого загрязнения и высвобождает несколько гектаров промышленной территории. Дополнительный экологический эффект связан с возвратом ~1 500 т эквивалента углерода в топливный цикл, что снижает валовый расход свежего угля и парниковые выбросы. Проект напрямую способствует достижению целевого показателя Правительства РФ об утилизации ≥ 50 % золы к 2035 г.

Заключение

Проведённый анализ подтвердил, что для энергетической инфраструктуры Забайкальского края, основанной почти полностью на сжигании высокозольных бурых углей, трибоэлектростатическая сепарация золы является технологически и экономически оптимальным решением. В условиях необходимости достижения нормативного уровня утилизации ЗШО ≥ 50 % к 2035 г. именно сухая электростатика обеспечивает максимальное извлечение недожога (85–90 %) при минимальных эксплуатационных затратах. Экономический расчёт на примере котельной силикатного завода показал срок окупаемости ≤ 3 лет при переработке 10 тыс. т накопленных ЗШО. Комплектующие высокого напряжения и ключевые конструктивные элементы могут быть импортонезависимо локализованы, что устраняет критический технологический риск. Таким образом, переход к опытнопромышленной эксплуатации трибоэлектростатических линий на малых и средних котельных региона представляется обоснованным шагом для выполнения экологических требований, повышения топливной эффективности и вовлечения золы в хозяйственный оборот.