Обоснование методов повышения экологической безопасности утилизации золошлакового материала на основе эколого-ориентированных технологий

Современное понимание экологической безопасности включает комплекс фундаментальных научных знаний, высокоэффективных технологий и технических средств, действенных эколого-ориентированных мероприятий и научно-обоснованных решений, направленных на снижение воздействия на природную окружающую среду.

Золошлаковые отходы (ЗШО) – один из самых распространенных отходов современной цивилизации. В г. Хабаровске ежегодно сжигается на ТЭС 5 млн. т угля и складируется около 600 тыс. т ЗШО. На территории Хабаровского края размещено около 19 шлакозолоотвалов, занимающих около 660 га. При этом негативному влиянию подвержены гораздо большие территории, чем непосредственно занятые отходами. Количество накопленных ЗШО составляет по краю 28*106 т, в том числе в г. Хабаровске 16,5*106 т.

Изучению воздействия ТЭС и их отходов посвящены многочисленные работы, чаще направленные на благоустройство золошлакоотвалов. Однако эффективным способом снижения техногенной нагрузки и сокращения отходов является их переработка с расширением номенклатуры товарной продукции. Приоритетное значение приобретает переработка ЗШО на основе современных методов экологоориентированных технологий обогащения. Известно более 300 технологий их переработки и использования, но они в основной своей массе посвящены использованию золы в строительстве и производстве строительных материалов, не затрагивая при этом извлечения из них полезных и ценных компонентов [6].

Предприятие (электроэнергетика в частности) выпускает одновременно продукцию и отходы. Поэтому уделять внимание продукции и не уделять внимание отходам, сегодня уже невозможно. К тому же рассматривать отходы любого производства нужно не только как опасный экологический фактор, но и как вторичное сырье, содержащее ценные компоненты. Сегодня экология подсказывает новые ориентиры и направления развития производства, она должна стать импульсом новых технологических решений и новых тенденций во взаимодействии производства и природы. Таким образом, исследования по утилизации ЗШО ТЭС и, следовательно, снижения воздействия на природную среду весьма актуальны и имеют научное и прикладное значение.

Объектом исследования явились золы Хабаровской ТЭЦ-3 и Лучегорской ГРЭС. Основным компонентом их состава является шлак черного, серого реже беловато-серого цвета, пористой, пемзовой ноздреватой и плотной текстуры; в виде обломков размером 0,01 – 3,00 мм (рис. 1).

ЮОмкт

Рис. 1. Электронное изображение ЗШМ

Целью исследования явилось оценка ЗШО как источника негативного воздействия на окружающую среду, а также источника ценных компонентов и возможности извлечения их из ЗШО ТЭС.

Исходя из цели, определены следующие задачи:

• 1.    Отбор и камеральная обработка проб на объектах Хабаровского и Приморского краев;

• 2.    Экспериментальная оценка объекта как источника ценных компонентов с применением современных методов анализа: рентгенофлуоресцентным; электронно-микроскопических и др.;

• 3.    Обоснование методов извлечения ценных компонентов;

• 4.    Оценка ЗШО с точки зрения токсичного источника загрязнения окружающей среды и промышленной значимости по содержанию полезных компонентов.

Силикатным анализом установлено, что золы являются сосредоточением окиси алюминия, кремния, железа, кальция, и т.д. Среднее содержание некоторых компонентов ЗШМ представлено в табл. 1.

Таблица 1

Силикатный анализ пробы

Компонент	Среднее содержание, %	Компонент	Среднее содержание, %
SiO 2	58,86	MgO	1,57
Al 2 O 3	22,20	K 2 O	1,79
Fe 2 O 3	9,21	Na 2 O	0,76
CaO	2,62	TiO 2	0,56

Оксид алюминия и железа могут являться предметом извлечения.

В работе были апробированы следующие схемы переработки ЗШО, направленных на извлечение полезных компонентов:

• 1.    Мокрая магнитная сепарация для выделения концентрата железа применяемого в металлургии;

• 2.    Кислотная экстракция алюминия, с получением сульфата алюминия, применяемые для производства глинозема и коагулянтов.

• 3.    Установление особенностей благородной минерализации хвостов этапов обогащения и гравитационно-флотационное извлечение золота.

Опытно-промышленная реализация разработанных методов позволила получить до 5% магнитного концентрата с содержанием железа представляющим промышленный интерес. С использованием полнофакторного эксперимента (ПФЭ) [1] по кислотной экстракции алюминия, установлены зависимости выхода от параметров и условий процесса экстракции. Реализация найденных условий позволяет достаточно эффективно извлекать алюминий содержащие компоненты применяемые в дальнейшем для получения коагулянтов. В выделенном концентрате флотации обнаружено содержание золота 0,2 г/т, в концентрате стола – 10-30 г/т, в хвостах стола – 0,4 г/т. Из концентратов выделены мелкие зерна золота.

Экспертную оценку возможного негативного влияния на окружающую среду проводят на основании данных о содержании компонентов, наличие которых регламентировано соответствующими инструкциями. Для этой цели целесообразно использовать бальную систему оценки, учитывающую содержание загрязняющих компонентов, класс опасности и объем скопления. Согласно статье 14 Федерального закона "Об отходах производства и потребления" [4] отходы подразделяются на классы опасности в соответствии с критериями основанные на расчетном и экспериментальном методах определения Отнесение отхода к классу опасности расчетным методом осуществляется на основании показателя его экологической опасности (К), рассчитанного по соотношению концентрации компонентов отхода с коэффициентами их экологической опасности (W) [3].

В ИГД ДВО РАН была разработана программа расчета класса опасности отходов [2]. В ходе исследования были проведены расчеты класса опасности исходной золы, а так же хвостов обогащения, которые при перескладировании на новое место будут негативно воздействовать на окружающую среду. ЗШО в основном представлены оксидами металлов расчет класса опасности производился расчетным способом по содержанию компонентов золы. Показатель степени опасности зол К отх в среднем составляет 210. Класс опасности = III (умеренно опасный). После обогащения и извлечения большинства тяжелых металлов в концентрат класс опасности хвостов обогащения снизился до IV (малоопасный).

С использованием значений порогов «токсичности» элементов справочника [5], проведен сравнительный анализ содержания токсичных элементов золы. Результаты анализа приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Порог «токсичности» содержаний малых элементов

	Be	V	Cd	Mn	As	Ni	Hg	Pb	Sb	Tl	Zn	Cr
Порог, г/т	50	100	1.2	1000	300	100	1	50	6	0.3	200	100
Новый отвал
Содержание в золе, г/т	4	100	15	600	300	20	следы	10	15	5	40	3000
в хвостах обогащения, г/т	нд	-	сле ды	720	следы	следы	следы	18	20	нд	1140	110
Старый отвал
Содержание в золе, г/т	6	40	15	2000	300	10	следы	30	15	5	100	1000
в хвостах обогащения, г/т	нд	-	сле ды	270	следы	40	следы	35	20	нд	1075	110

Анализ и сопоставление данных полученных элементным и др. анализами показал, что большинство элементов (V, Cd, Mn, As, Pb, Sb, Tl, Zn, Cr) определяющих токсические свойства отходов, превышают на локальных участках порог токсичности.

При определении промышленной ценности сырья учитывают современные научно-технические достижения в области их добычи, обогащения (концентрирования и разделения) и переработки до конечного продукта – металлов или химических соединений. С точки зрения экономической целесообразности переработки необходим допустимый минимум содержания металла в руде. С использованием значений минимального содержания, проведен анализ содержаний элементов представляющих промышленный интерес. Результаты приведены в табл. 3.

Таблица 3

Минимальные содержания малых элементов, определяющие возможную промышленную значимость

	Be	V	Hf	Au	In	Cd	Pt	Tl	Zr	Y
Минимальное содержание	20	150	25	0.1	1	5	0.025	5	600	75
Новый отвал
Содержание в золе, г/т	4	100	30	3	2	15	3	5	60	20
Содержание в хвостах обогащения, г/т	нд	-	-	3	нд	следы	следы	нд	74	следы
Старый отвал
Содержание в золе, г/т	6	40	30	3	2	15	3	5	100	10
Содержание в хвостах обогащения, г/т	нд	-	-	3	нд	следы	следы	нд	176	следы

По результатам анализа установлено, что зола является источником малых элементов, элементов-примесей (Hf, Au, In, Cd, Pt, Tl) содержания некоторых превышают порог ценности, содержания многих составляет 20 – 60% от порога ценности. Следовательно, остается актуальным разработка методов и схем более полной переработки ЗШО с применением более новых, менее энерго-затратных методов извлечения. К тому же извлечение как ценных, так и токсичных элементов может оказаться менее затратным, нежели последующая нейтрализация вредного воздействия таких элементов на окружающую среду в процессе их выщелачивания. [7].

Современное природопользование развивается с применением ресурсосберегающих технологий, позволяющих не только максимально извлекать все имеющееся в ресурсе компоненты, но и сводить к минимуму техногенную нагрузку на окружающую среду. Тем не менее, к настоящему времени накоплено огромное количество различных отходов, которые следует рассматривать как техногенное сырье. Приоритетной целью эколого-ориентированных технологий производства в аспекте охраны окружающей природной среды является достижение максимальной малоотходности предприятий, а способом ее достижения – разработка и внедрение малоотходных и безотходных, менее энергоемких технологий добычи и переработки сырья.