Геохимическая оценка экологической безопасности ТЭС и перспективы извлечения особо ценных и токсичных компонентов из отходов углесжигания

Г.Б.Мелентьев¹, Е.Н. Малинина², Л.М.Делицын¹, В.М.Короткий¹

1 - Объединенный институт высоких температур РАН

2 - Институт минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов

Накопленный геохимиками зарубежных стран, бывшего СССР и России обширный, хотя и разрозненный и во многом случайный материал по микрокомпонентному составу углей и шлакозольным остаткам позволил выявить устойчивые поликомпонентные ассоциации углей и их зольных уносов и, тем самым, определить их геохимическую специфику, характерную, прежде всего, для отдельных угольных бассейнов мира. Эта специфика определяется различиями в геологических условиях формирования бассейнов осадконакопления, метаморфизма вмещающих пород и геотермальных проявлений вулканизма. В пределах угольных бассейнов обнаруживаются существенные различия не только в теплоэнергетических характеристиках углей, но и в геохимической специализации представляющих их месторождений (периферия - центр бассейнов), а в пределах месторождений - угольных пластов, т.е. в вертикальных разрезах «подошва-кровля».

Принятая в угледобыче практика усреднения свойств и состава товарного угля исключительно по теплоэнергетическим параметрам и содержаниям основных макрокомпонентов не отражает специфику поликомпонентного состава угольных месторождений и пластов, служащих объектами эксплуатации в конкретных карьерах и шахтах, что не позволяет объективно оценивать из суммарную извлекаемую ценность как с экономических, так и техноэкологических позиций. Соответственно, пока в отходах обогащения и углесжигания ТЭС России и СНГ остаются не ясными уровни концентрации ценных и токсичных микроэлементов в их выбросах с тонкими фракциями зольных уносов и в газовой фазе, которые не задерживаются электрофильтрами.

И, тем более, за редким исключением, отсутствует необходимая аналитико-картографическая информация о поликомпонентном и избирательном загрязнении экологически опасными элементами территорий вокруг ТЭС, о допустимых уровнях их концентрации и распределении в биоценозных цепочках местных экосистем «производство - воздух - почвы - вода и донные осадки - биота - человек» и о технологических возможностях обезвреживания складируемых ШЗО и водных сбросов от элементов-токсикантов, в том числе - с извлечением промышленно-ценных компонентов в качестве высоколиквидной товарной продукции.

С учетом современного состояния и, вместе с тем, актуальности учета в составе углей и отходах их переработки содержаний промышленно-ценных и токсичных элементов-примесей, их суммарной и извлекаемой ценности и, следовательно, принципиальных технологических возможностей и перспектив извлечения автором разработана и рекомендуется к практическому использованию новая техноэкологическая классификация этих микрокомпонентов. Она включает следующие 3 группы с учетом установленных геохимических параметров и разработанных принципов оценки значения этих элементов-примесей для ТЭК: 1 - извлекаемые технологически радиоактивные, редкие и благородные металлы (U, V, Ge, Cd, Sc, Ga, Au); 2 - потенциально перспективные для попутного извлечения рассеянные редкие металлы и суперэкотоксиканты (Re, In, Tl, Cd, Be); 3 - суперэкотоксиканты и другие элементы-примеси с неясными перспективами извлечения и использования (Hg, As, Pb, Zn, Mo, W, Sn, Sb, V, Sr и др.).

В процессах углесжигания необходимо различать 3 группы микрокомпонентов: 1 - эмитирующие в атмосферу в составе газовой фазы Hg, As, Bi, Sb, Se, Re и др.; 2 - сорбируемые частицами зол-уносов Pb, Zn, Cu, Co, V, Ge, Sc и др.; 3 - термически инертные, осаждаемые в твердых фазах ШЗО Ti, Ni, Cr, Ga, Zr, Nb, TR и др.

Как правило, их содержания не указываются в паспортах товарного угля, поставляемого на ТЭС, не определяются в газо-пылевых и твердых отходах углесжигания и сточных водах шахт, обогатительных установок и систем дренажа различных подотвальных вод.

Таким образом, происходит не контролируемое загрязнение элементами-токсикантами поверхностных и подземных вод в районах ТЭС, включая источники водоснабжения, и растительного покрова, наиболее насыщенного этими элементами на поверхности и вокруг рекультивируемых хранилищ ШЗО. В то же время известно, что микроэлементозная заболеваемость населения за счет химического загрязнения водных систем преобладает среди других видов и причин экологически обусловленной заболеваемости и преждевременной смертности. Ориентировочно степень микроэлементозной опасности углей и, соответственно, отходов их переработки, а также почв может оцениваться с использованием данных о ПДК.

В информационно-аналитическом обзоре, посвященном проблеме особо ценных и токсичных компонентов в углях и отходах их переработки, приведены данные о современных технологических возможностях и опыте получения из них высоколиквидной металлопродукции. В частности, еще в 40-х годах прошлого столетия в Германии на Рюдерсдорфском заводе из угольной золы производился глинозем, а в Англии из магнитной фракции золы - чугун и сталь.

Германий как известно традиционно извлекался в СССР из коксующихся углей Дальневосточного, Донецкого (Украина) и Ангренского (Узбекистан) бассейнов, галлий - из углей и ШЗО Великобритании, уран - из лигнитов и зольных уносов США и т.д. Cпециалистами ВНИИХТа Росатома разработана, но не реализована технология извлечения из рассматриваемого сырья 3-х рассеянных редких металлов - Ga (от 10-40 г/т), Sc (от исходного содержания 40 г/т), Y (от 90-130 г/т). При этом затраты на извлечение этих рассеянных особо ценных металлов составили порядка 100 руб. (в старых «доперестроечных» ценах ) на 1 т ШЗО при минимальном расходе на галлий и максимальном - на скандий. В ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова разработана новая технология сжигания германийсодержащих бурых углей Тарбагатайского (Забайкалье) и Павловского (Приморье) месторождений в расплаве, что позволяет сократить вынос пыли и, тем самым, получать обогащенные германием золы.

В 2008-2012 гг. в ОИВТ РАН в лабораторных условиях разработана каскадная обогатительно-передельная технологическая схема глубокой 100%-й переработки зольных остатков от сжигания высокоглиноземистых углей Экибастуза (Казахстан) на Троицкой ГРЭС (Южный Урал). В качестве профилирующего товарного продукта получены глинозем и товарный глиноземный концентрат, углеродный концентрат («недожог»), ферромагнитный продукт и белитовые шламы 2-х сортов - «цементный» и «керамический». Расчетами установлена возможность получения из 100 тыс. т золы 15 тыс. т глиноземного продукта стоимостью в 135 млн руб. При этом переработка золы по схеме ОИВТ позволила достигнуть концентрации галлия, изоморфного с алюминием, в 60-90 г/т от исходного содержания галлия в традиционном глиноземном сырье - бокситах и нефелиновом, из которых этот редкий металл извлекается в промышленных масштабах.

Согласно нашим расчетам при получении из 100 тыс. т золы 15 тыс. т глинозема попутно может быть извлечено 1.5 тонны галлия. При цене 500 долл./кг стоимость попутного галлия составит 750 тыс. долл. или примерно 22.5 млн руб., т.е. порядка 20% от стоимости полученного глинозема. Возможности извлечения других редких и цветных металлов из золы экибастузского угля, согласно результатам изучения их распределения в промпродуктах технологической схемы, оцениваются как перспективные.

Модифицированные варианты разработанной в ОИВТ РАН технологии применительно к переработке золы малоглиноземистых углей Кузбасса с Каширской ГРЭС, в которой главный минерал-концентратор глинозема оказался кислотоупорным, обусловило получение в голове процесса не глиноземного, а углеродного концентрата, который может служить вторичным топливом и до 20% заменять использование исходного угольного сырья. Кроме того, получен ферромагнитный концентрат, представленный сферическими гранулами, что ориентирует на новые, в том числе - прецизионные сферы его использования в качестве дефицитного технического материала. Наконец, специфика состава золы малоглиноземистых углей и результаты технологических изысканий ориентируют на получение с ее использованием ряда новых строительных и технических материалов с особыми свойствами, которые в настоящее время изучаются.

Новые данные о повышенных содержаниях и минеральных формах концентрации наиболее ценных редких, редкоземельных и благородных металлов в углях Дальнего Востока и Западной Сибири свидетельствуют о их соответствии промышленным кондициям. Так, например, в зольных отходах от сжигания углей Яхлинского нефтяного месторождения концентрация скандия от исходной в 20 г/т достигает в среднем 612 г/т при максимальной в 1.3 кг/т, что позволяет рассматривать их в качестве нового техногенного ресурса этого рассеянного редкого металла наряду с красными шламами переработки бокситов на глинозем и пироксеновыми отходами обогащения титаномагнетитовых руд, которые до сих пор оцениваются в качестве наиболее реальных источников скандия. Не меньший интерес представляют высокие содержания в этих образованиях РЗМ - до 1.1-3.6 кг/т при доле наиболее дефицитного иттрия до 30-50% от их суммы.

Как правило, бурые угли, в отличие от энергетических каменных, богаче особо ценными и токсичными микрокомпонентами. Распределение последних между органической и неорганической составляющими углей неравномерное и достаточно контрастное, вплоть до обратных соотношений в зольных и малозольных углях. При их обогащении в топливно-энергетических целях в хвостах происходит накопление неорганических, алюмосиликатных и карбонатных минералов, т.е. угольного «балласта», а также минералов тяжелой фракции, преимущественно представленных сульфидами. Количество последних в отходах обогащения подмосковных углей оценивается в 40 млн т.

Очевидно, что с сульфидными фракциями связана преобладающая часть рассеянных редких металлов, содержащихся в углях.
В настоящее время отсутствует необходимая геохимическая информация по конкретным угольным и мазутным ТЭС. Эта информация может и должна быть использована для решения проблем повышения эффективности деятельности ТЭС за счет организации извлечения и реализации особо ценных компонентов, избирательно концентрирующихся в пылегазовых выбросах, складируемых ШЗО и различных сточных водах - промывочных, шлакозольных сбросовых и подотвальных. Основными задачами в решении этих проблем являются: 1) составление балансов распределения особо ценных и токсичных компонентов углей различного состава (бассейновой геохимической специализации) в материальных потоках ТЭС, использующих привозные и местные угли; 2) разработка системы геохимического мониторинга за составом всех отходов ТЭС (выбросов, складируемых отходов углесжигания и водных сбросов); 3) выбор и обоснование инновационных технологических способов экологизации и повышения эффективности деятельности угольных ТЭС.

Изучение геохимической специфики материальных потоков производства и среды обитания, в свою очередь, послужит стимулом для разработки и внедрения техноэкологических инноваций, обеспечивающих синергетический эффект от извлечения и использования особо ценных компонентов и устранения токсичных, как из технологических процессов, так и в качестве агентов негативного воздействия на среду обитания. В частности, следует иметь в виду, что тонкие классы зол-уносов с электрофильтров представляют собой не только более ценное сырье в качестве добавок в цементное производство сравнительно с зольными сбросами в хранилища ШЗО, но и являются концентраторами ряда особо ценных компонентов и суперэкотоксикантов (Hg, As, Cd, Be, Tl и др.), часть которых эмитирует в атмосферу.

Последнее обстоятельство может обусловливать негативное воздействие на среду обитания, превосходящее «кислотные дожди». Более того, в ряде случаев подобная заболеваемость может быть обусловлена трансграничными потоками как загрязненного атмосферного воздуха, так и водными сбросами ТЭС - например, от Троицкой ГРЭС на юге Урала, сбросы с которой пересекают границу с Казахстаном, где происходит их вторичное (после российской территории) накопление в котловине оз. Шабаркуль.

Как известно, основным агентом поступления в человеческий организм элементов-токсикантов является вода, которая обеспечивает их миграцию в «биоценозных цепочках» и усвоение живыми организмами. При этом в водных растениях и организмах обнаруживаются концентрации Hg, As, Sb, Se, превышающие исходные содержания в воде в 5-10 раз, цинка и хлора - в 30 раз, кадмия - в 100 раз и т.д. Такие концентрации элементов-токсикантов в биосфере в подвижных формах представляют большую степень опасности образования и усвоения живыми организмами, включая человека, токсичных соединений (например, металлоорганических), что обусловливает более жесткое нормирование санитарных ПДК сравнительно с почвенными.

Приведенные примеры отечественных техноэкологических инноваций, остающихся пока невостребованными энергетиками, создают основу регулирования техногенных нагрузок на среду обитания с использованием принципа наиболее эффективных технологий производственных процессов, установок и режимов их эксплуатации. Эта новая стратегия, используемая за рубежом как базовая в экологизации производств, получила известность и признание в Европе как Best Available Technology (Bat). В отличие от традиционно репрессивных способов регулирования экологической деятельности предприятий, оцениваемой «на конце трубы» с применением весьма условных ПДК, ПДВ и ПДС, современная экологическая идеология предусматривает предупреждение экологических нарушений, а не нейтрализацию их последствий.

Таким образом, эта идеология становится инструментом инновационного развития, которое по своей сути представляет собой непрерывный процесс самоорганизации и качественного совершенствования.

В ОИВТ РАН в развитие исследований, проведенных на Троицкой и Каширской ГРЭС, авторами подготовлены проекты конкретных НИР и НИОКР на ОГК и ТГК корпорации «Интер РАО ЕЭС», что создает основу корпоративного взаимодействия науки и бизнеса решении геоэкологических, техноэкологических и социально-экономических проблем твердотопливных.

Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренц-региона