CC BY
19
А. А. Шайхутдинова, кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Менеджмент здоровьесберегающих технологий» Оренбургского государственного института менеджмента e-mail: [email protected]
А. Г. Мещеряков, доктор биологических наук, доцент кафедры «Менеджмент здоровьесберегающих технологий» Оренбургского государственного института менеджмента e-mail: [email protected]
О. Н. Немерешина, кандидат биологических наук, доцент кафедры «Менеджмент здоровьесберегающих технологий» Оренбургского государственного института менеджмента
E-mail: [email protected]
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ХРАНЕНИЯ ОТХОДОВ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ, РАБОТАЮЩИХ НА ТВЕРДОМ
ТОПЛИВЕ
В статье рассмотрено влияние предприятий топливно-энергетического комплекса, сжигающих твердое топливо, на качество окружающей среды. Представлена характеристика золоотвала, как источника мощного пылевыделения. Проведено исследование физико-химических свойств золы бурого угля, складирующейся на специализированных полигонах. Определен химический и дисперсный состав золы бурого угля.
Ключевые слова: зола бурого угля, тяжелые металлы, золоотвал, ситовой и микроскопический методы анализа, дисперсный состав золы бурого угля.
Промышленное производство - это один из наиболее существенных стационарных источников загрязнения окружающей среды. Стационарные источники обладают способностью распространять производимые ими загрязняющие вещества на большие территории, так как их выбросы в атмосферу происходят, как правило, на большой высоте. Стационарные источники выбрасывают в воздух, главным образом, оксиды серы, азота, углерода, пыль разнообразного химического состава, а также фенол, серную кислоту и другие загрязняющие вещества в зависимости от специфики производства.
Техногенное давление на природные комплексы приводит к необратимым изменениям, следовательно, необходимо учитывать возможность природы к усвоению и рассеиванию продуктов техногенеза.
Основой развития всех отраслей промышленности, сельского хозяйства, транспорта является энергетика. Она имеет наиболее высокие темпы роста и масштабы производства. Если в начале XX столетия потребление энергии в мире удваивалось приблизительно за 50 лет, то в настоящее время - за 10-15 лет. В связи с ростом производства, участие энергетических предприятий в загрязнении окружающей среды является весьма
значительным, при этом необходимо учитывать, что промышленные предприятия чаще всего располагаются вблизи жилых массивов [1, 2, 6].
Эксплуатация тепловых электростанций, работающих на твердом топливе, дает значительное количество отходов в виде золы и шлака. Одним из таких предприятий является ОАО «Башкирская генерирующая компания» Кумертауская ТЭЦ. Кумертауская ТЭЦ расположена в районе Южно-Уральского буроугольного бассейна на северо-восточной окраине г. Кумертау Республики Башкортостан и предназначена для производства тепловой и электрической энергии. Получение энергии производится за счет преобразования внутренней энергии топлива. Основным топливом служит бурый уголь Тюльганского месторождения Оренбургской области, резервным - газ.
В результате сжигания топлива в нижней части топочной камеры парового котла за год образуется 71345 тонн золы бурого угля. Количество золоотходов с каждым годом увеличивается. Они размещаются в специально оборудованных золоотвалах - сложных гидротехнических сооружениях, к изготовлению и эксплуатации которых предъявляются жесткие требования. Земли, отведенные под золошлаковые отходы, практически
безвозвратно изымаются из полезного использования. Довольно часто происходят прорывы ограждающих дамб, сопровождающиеся выносом больших объемов сильно минерализованной воды отстойных прудов и золошлаковых материалов.
Зола по системе гидрозолоудаления поступает в секцию золоотвала. Золоотвал Кумертауской ТЭЦ представляет собой земляную емкость без гидроизоляций днищ и стенок и предназначен для складирования и последующего отпуска потребителям золошлаковой смеси.
Система золоотстойников состоит из трех секций, которые включаются поочередно: при переполнении секции № 1 золоотвала производится ее отключение и включается в работу 2 или 3 секции. При заполнении 2 или 3 секции в работу включается также свободная от золошлаковых отходов секция. В настоящее время производится заполнение 4 секции, ранее находящейся на балансе Кумертауской Брикетной фабрики. Работа с 4 секцией производится аналогично.
Тип золоотвала Кумерстауской ТЭЦ - пойменный, в плане овальный с двумя ограждающими дамбами в секции № 3. Материал основания дамб - грунты III категории (гравийно-песчаный) с послойным уплотнением [3, 4]. Способ очистки секций от золошлаков - механический. Характеристики секций золоотвала Кумертауской ТЭЦ представлены в табл. 1.
Технические характеристики секций золошла-коотвала
В секциях золошлакоотвала на шандорных колодцах установлены рейки для наблюдения за уровнем воды, а также имеются 4 пьезометрические контрольные скважины для отбора проб на химический анализ.
Эксплуатационное состояние гидротехнических сооружений системы технического водоснабжения и системы внешнего гидрозолоудаления оценивается как работоспособное за исключением секции № 3, которая выведена из эксплуатации из-за фильтрационных протечек через швы железобетонного коллектора. Местами повреждено железобетонное крепление струенаправляющей дамбы на р. Белая, откосы и гребень имеют незначительные зарастания; на ограждающих дамбах секций золошлакоотвала отсутствуют пикетажные и запрещающие знаки; также имеются некоторые несоответствия по абсолютной отметке гребня и заложению откосов на ограждающей дамбе золошлакоотвала (дамба № 1, секция № 3) по отношению к проекту [3, 4].
Для предотвращения аварийных ситуаций складирование и хранение золошлаковых отходов производится в соответствии с требованиями «Типовой инструкции по эксплуатации золошлакоотвалов тепловых электростанций» РД 34.27.509-91. На станции также разработаны инструкции по эксплуатации золошлакоотвала и план ликвидации аварий [3, 4, 5].
Зола представляет собой однородную тонкодисперсную массу серого или темно-серого цвета. Зола бурого угля является твердым, растворимым,
Таблица 1
Технические характеристики секций золошлакоотвала
Характеристики Секция № 1 Секция № 2 Секция № 3
Дата ввода в эксплуатацию 1954 1965 1979
Площадь секции, м2/га S13 = 16,7 га 8' = 22,2 га 55034/3,7 57590/4,9 104170/8,1
Отметка гребня дамб, м 287,5 282,5 279,0
Заполнение секций зола / вода, % 70 / - 65 / 35 80 / -
Заполнение секций водой, тыс. м3 - 87 -
Заполнение секций золой, тыс. м3 175 160 860
Предельные отметки заполнения секций золошлакоотвала, м 286,50 281,50 278,00
Таблица 2
Качественный состав золы бурого угля
Наименование вещества Содержание, %
оксид кремния 49,8
оксид алюминия 34,5
оксид железа 1,6
оксид кальция 4,2
оксид магния 2,9
оксид титана 1,2
оксид марганца 0,01
оксид фосфора 0,21
триоксид серы 1,8
не летучим веществом с влажностью в 30%. Исследование химического состава золы бурого угля показало (таблица 2), что количественный состав отхода представлен следующими компонентами: оксид кремния - 49,8%, оксид алюминия - 34,5%, оксид кальция - 4,2%, оксид магния - 2,9%, триоксид серы - 1,8% и другие.
Золоотвалы являются мощным источником пы-левыделения и загрязнения окружающей среды. На интенсивность пылеобразования влияет дисперсность пылящего материала, технология переработки топлива, а также метеопараметры (скорость ветра, влажность, температура окружающего воздуха, атмосферные осадки). Поэтому при оценке запыленности воздуха на территории золоотвала следует учитывать именно количество пылевидного материала, способного в определенных условиях к переходу в пылевой аэрозоль. Дисперсность грунтов зависит, в первую очередь, от физикохимических свойств самого материала. Для этого нами проводились исследования по изучению дисперсного состава золы бурого угля с золоотва-ла Кумертауской ТЭЦ. Определение дисперсного состава проводилось двумя методами: ситовым и микроскопическим. Наиболее простым методом определения дисперсного состава является ситовой анализ. Он основан на механическом разделении частиц по крупности путем просева через сито с различными размерами отверстий. Ситовый анализ применяется в тех случаях, когда анализируемый материал в основном состоит из крупных частиц или когда требуется отделить грубые частицы перед более точным анализом.
100
80 60
На рис. 1 в виде диаграммы представлены результаты исследований дисперсного состава золы, проведенных с помощью набора сит моделей 21 (ГОСТ 214-83) с размерами ячеек 1000 - 2000 -3750 - 4500 мкм. Ошибка эксперимента при доверительной вероятности 0,95 составила 8%.
В результате анализа проб золы распределение по фракциям выглядит следующим образом: 81,12% приходится на пылевидный материал с размерами частиц менее 1 мм, на фракцию 1-2 мм приходится 5,04%, 2-3,75 мм - 10,55%, 3,754,5 мм - 1,27%, свыше 4,5 мм - 2,02%. Следовательно, тонкодисперсную фракцию в золе следует считать основополагающей, а золоотвал способным к пылеобразованию.
Для пофракционного разделения измельченного материала более точными методами дисперсного анализа отбиралась фракция золы с размером частиц менее 1 мм, выделенная методом ситового анализа. Размер частиц этой фракции определяли микроскопическим методом.
Изучение дисперсного состава золы бурого угля микроскопическим методом основано на визуальном изучении отдельных частиц - определении их числа, формы и размера. Размеры просматриваемых под микроскопом частиц определяют путем сравнения их со шкалой окуляр-микрометра. Цена деления его шкалы определяется при помощи объект-микрометра, представляющего собой шкалу длиной 1 мм (цена одного деления - 10 мкм). Эта шкала, выгравированная на специальном предметном стекле, рассматривается через микроскоп как объект. Достоинством микроско-
%
40
20
менее 1 от 1 до 2 от 2 до 3,75 от 3,75 до 4,5 свыше 4,5 размер частиц, мм
Рис.1. Определение дисперсного состава золы бурого угля ситовым методом
0
45 40 35 30
% 25
20 15 10 5 0
от 0 до 3 от 3 до 5 от 5 до 10 от 10 до 40 от 40 до 60 от 60 до 100 свыше 100 размер частиц, мкм
Рис. 2 Определение дисперсного состава золы бурого угля микроскопическим методом
Таблица 3
Концентрация тяжелых металлов в золе бурого угля
Концентрация тяжелых металлов, мг/кг
цинк свинец медь хром кобальт никель марганец
135,0 765,2 46,9 98,6 36,5 48,9 460,0
пии является хорошая воспроизводимость результатов. Ошибка эксперимента при доверительной вероятности 0,95 не превышает 7%. Данные, полученные в результате исследования частиц золы представлены в виде диаграммы на рисунке 2. Высота каждого столба диаграммы соответствует в выбранном масштабе весовому содержанию определенной фракции в процентах.
В ходе исследования золы микроскопическим методом получили, что изучаемая зола является полидисперсным порошком: 40,49% частиц составляет фракция 0-3 мкм, на фракцию 3-5 мкм приходится 25,15%, 5-10 мкм - 24,19%, 10-40 мкм - 5,35%, 40-60 мкм - 0,59%, 60-100 мкм -
0,71%, более 100 мкм - 3,52%. Следовательно, несвязанные золовые частицы при высыхании отложений с поверхности золоотвала достаточно легко могут переходить в состояние аэрозоля и становятся источником силикатной пыли [1, 6].
Источниками повышенной экологической опасности могут служить микроэлементы никель, кобальт, кадмий, свинец, хром, марганец, мышьяк, ртуть и другие. На золоотвале Кумертауской ТЭЦ были отобраны образцы шлаков (около 20) и проанализированы атомно-абсорбционным методом на ряд химических элементов: цинк, свинец, медь, хром, кобальт, никель, марганец (табл. 3).
Из полученных результатов видно, что в состав золы входят тяжелые металлы цинк, свинец, медь, хром, кобальт, никель, марганец, следовательно, частицы золы, формирующиеся в свободной атмосфере, способствуют миграции тяжелых металлов в объекты окружающей среды [1, 6, 7].
Тонкодисперсная зола разносится на большие расстояния благодаря характерным особенностям климата Республики Башкортостан и воздействует
на органы дыхания, которые являются открытой системой и находятся на первой линии защиты организма от неблагоприятного влияния инфекционных, физических и токсико-аллергических факторов внешней среды. Пылевое воздействие золы на человека вызывает или усугубляет такие заболевания, как бронхиальная астма, аллергический бронхит, аллергический ринит. Поэтому золоот-валы необходимо выносить как можно дальше за черту города. Кроме того, не желательно складировать большие объемы зол, а лучше использовать в строительстве, сельском хозяйстве, химической промышленности, металлургии и других отраслях народного хозяйства.
Также следует отметить, что в зимний период зола часто используется как материал, препятствующий скольжению на дорогах и тротуарах. Однако машина, проезжающая по такой дороге, поднимает огромные клубы пыли, которые не позволяют легко и свободно дышать пешеходу, идущему рядом с дорогой по тротуару, не говоря уже о наличии вредных элементов в этой золе. Чем меньше рост человека, тем больше пыли он вдыхает и тем больше мелкодисперсных частичек золы будет попадать в организм.
В заключении следует еще раз подчеркнуть, что золоотвал Кумертауской ТЭЦ является мощным источником загрязнения городской среды тонкодисперсной золой, которая, попадая в организм человека по трофическим цепям, вызывает широкий спектр тяжелейших заболеваний.
Для снижения негативного воздействия золоот-вала на окружающую природную среду необходимо разрабатывать эффективные методы пылеподавле-нии, которые будут способствовать снижению пы-леобразования на золоотвале данного предприятия.
Литература
1. Куксанов, В. Ф. Комплексная оценка влияния золоотвала Кумертауской ТЭЦ на экосистемы / В. Ф. Куксанов, А. А. Шайхутдинова // Безопасность жизнедеятельности. - 2009. - № 7 (103). - С. 36-42.
2. Луканин, В. Н. Промышленно-транспортная экология: учебник для вузов / В. Н. Луканин. - М. : Высшая школа, 2003. - 273 с.
3. Проект «Лимиты размещения отходов Кумертауской ТЭЦ».
4. Проект «Предельно-допустимый выброс Кумертауской ТЭЦ».
5. Типовая инструкция по эксплуатации золошлакоотвалов тепловых электростанций РД 34.27.509-91.
6. Чекмарева, О. В. Экологические проблемы золоотвалов Кумертауской ТЭЦ / О. В. Чекмарева, А. А. Шайхутдинова // Водохозяйственные проблемы и рациональное природопользование. Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Оренбург : ГОУ ОГУ - 2008. - С. 427-430.
7. Шайхутдинова, А. А. Исследование физико-химических свойств золы бурого угля Кумертауской ТЭЦ / А. А. Шайхутдинова, О. В. Чекмарева // Сборник трудов молодых ученых первого международного экологического конгресса (третьей международной научно-технической конференции) «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ELPIT 2007». - Тольятти : ТГУ, 2007. - Т. II. - С. 388-391.
