Золошлаковые материалы в дорожном строительстве

Обновлено: 02.05.2024

Методическое обеспечение в России В 2013 году Федеральное дорожное агентство (Росавтодор) утвердило методический документ ОДМ 218.2.031-2013 «Методические рекомендации по применению золы-уноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях в дорожном строительстве» (далее – ОДМ). В данном документе говорится, что ЗШО потенциально может быть использовано в сооружении всех слоев дорожной одежды при соответствии критериям химического состава и физико-механических свойств. Наименее жесткие технологические требования предъявляется к сооружению насыпи земляного полотна с использованием ЗШО. Именно данное направление вовлечения ЗШО имеет наибольший потенциал с точки зрения объемов утилизации, поскольку позволяет утилизировать даже золошлаковую смесь (ЗШС), полученную путем гидрозолоудаления. При прочих равных факторах ЗШО становится более экономически привлекательной альтернативой традиционным грунтам. Именно в качестве насыпи земляного полотна ЗШО были использованы в упомянутых проектах в Ступинском и Лыткаринском районах. Нестабильные свойства ЗШО Использование ЗШО в дорожном строительстве кроме как грунта для земляного полотна (насыпи) крайне затруднительно из-за нестабильности физико-механических свойств золошлаков. Данная проблема возникает в связи с тем, что качество золошлаков не является приоритетным показателем деятельности ТЭС – во главу угла ставится максимально эффективная выработка электрической и тепловой энергии. Как следствие, станции могут изменять состав используемого твердого топлива и режим сгорания угля, что провоцирует изменение свойств образуемых ЗШО. Из-за отсутствия «гарантий» со стороны ТЭС относительно постоянства физико-механических свойств ЗШО застройщики и дорожностроительные компании не готовы идти на риск системного использования золошлаков на постоянной основе. Более того, нестабильность свойств ЗШО исключает возможность использования золошлаков при производстве асфальтобетонных смесей верхнего слоя дорожной одежды. При этом именно в данном направлении кроется возможность извлечения добавленной экологической ценности от утилизации ЗШО, ибо в таком случае могут снижаться объемы выбросов строительных предприятий. Например, исследование университета Кошице (Словакия) показало, что использование 30% золы в 1 км автодорожного полотна снижает объем выбросов CO2 на 64 тонны. Кейсы для тиражирования Отдельно необходимо отметить практику применения ГОСТ 3344-83 «Щебень и песок шлаковые для дорожного строительства. Технические условия» [1] (далее – ГОСТ 3344-83). Данный стандарт описывает требования к щебню, песку и щебеночно-песчаным смесям из шлаков черной и цветной металлургии и фосфорных шлаков. Упоминание возможности использования ЗШО, полученных в результате сжигания твердого топлива на ТЭС, в ГОСТ 3344-83 отсутствует. На основе ГОСТ 3344-83 успешно реализуют шлаковые отходы металлургические предприятия группы «НЛМК». В 2019 году в общей сложности было вовлечено в дорожное строительство 3,15 млн т доменного шлака предприятий группы «НЛМК», в 2018 году – также более 3 млн т. Данные объемы практически идентичны ежегодным объемам утилизации ЗШО всех угольных ТЭС в России. При этом необходимо отметить, что предприятия «НЛМК» реализуют шлаковый песок и шлаковые песочные смеси для дорожного строительства в регионах центральной России: Липецкой, Московской, Белгородской, Воронежской, Тамбовской, Рязанской, Нижегородской, Калужской, Курской, Брянской и Пензенской областях. Системные решения вырабатываются на основе пилотных проектов Зарубежная практика системного вовлечения ЗШО в автодорожном строительстве сформировалась на базе успешно реализованных пилотных проектов. В период с 1970 по 1985 гг. в США было реализовано 6 пилотных проектов по использованию ЗШО для строительства асфальтированных автомобильных дорог в Хьюстоне, Вашингтоне и Филадельфии. В рамках данных пилотов ЗШО были использованы при сооружение всех слоев дорожной одежды. Успешная реализация пилотных проектов позволила подтвердить, что при соблюдении всех требований технологического регламента ЗШО может быть использована в проектах автодорожного строительства. По аналогичному пути пошли ряд европейских стран и Индия. Потенциал использования в России Потенциал использования ЗШО в дорожном строительстве напрямую зависит от объемов развития транспортных сетей. В большинстве «угольных» регионов, расположенных в уральском, сибирском и дальневосточном федеральных округах, темпы возведения новых автомобильных дорог существенно ниже, нежели в европейской части страны. Анализ региональных программ развития транспортных сетей показал, что ежегодно в «угольных» регионах вводится от 15 до 40 км дорого регионального, межмуниципального и местного значения. В среднем на 1 км автодороги может приходиться 15-30 тыс. м3 грунта. Данный показатель определяется проектной документацией и в зависимости от высоты насыпи и ширины дороги может достигать и 150 тыс. м3 грунта на 1 км. По оценкам Центра отраслевых исследований и консалтинг Финансового университета, ежегодная потребность в грунтах для сооружения земляного полотна в «угольных» регионах может достигать 7 млн м3 ежегодно. Однако угольные ТЭС могут удовлетворить лишь минимальную часть потребности дорожной отрасли, поскольку в большинстве случаев объекты будут возводиться за пределами эффективного радиуса транспортировки, что исключает экономическую целесообразность (для дорожно-строительных предприятий) использование золошлаков в качестве грунта. Крупная дорожная развязка требует порядка 600-700 тыс. м3 грунта для сооружения насыпи. Однако потребность в подобных объектах минимальна для региональных дорожных сетей, а вероятность ее возведения в несущественном радиусе от угольных ТЭС крайне мала. Тем самым можно констатировать, что потенциал использования ЗШО в автодорожной отрасли остается ограниченным с точки зрения системного вовлечения, ибо транспортное плечо играет существенную роль в обеспечении экономической конкурентоспособности золошлаков как материальных ресурсов для дорожных насыпей. Что можно сделать? Пилотный проект. «Дорогу осилит идущий» – как никогда актуальная фраза во всех смыслах. Созрела необходимость формирования полноценного пилотного проекта использования ЗШО для строительства автодорожного объекта, который бы находился под регулярным мониторингом органов власти и экспертов федерального и регионального уровней. Только в случае верификации всех гипотез и снятия «опасений» дорожной отрасли мы сможет увидеть существенный прогресс в вопросе вовлечения золошлаков. Совершенствование методического обеспечения. Несмотря на то, что ОДМ описывает требования к ЗШО, используемым в дорожном строительстве, он не описывает непосредственную технологию их использования, в т.ч. для сооружения дорожной насыпи. Внесение ЗШО в перечень отходов, относящихся к объекту стандартизации ГОСТ 3344-83, позволит использовать практику предприятий «НЛМК» и снизить барьеры, как минимум психологические, по использованию золошлаков в дорожной отрасли. Активизация межотраслевого взаимодействия. Дополнительным драйвером использования ЗШО в дорожном строительстве может стать синхронизация целевых показателей Энергостратегии 2035 с другими стратегическими документами. В частности, сейчас в стадии согласования находится проект актуализации Транспортной стратегии до 2030. ЗШО является альтернативой использования песка, гравия, тем самым использование промышленных отходов в дорожном строительстве приведет и к снижению истощения запасов природных ресурсов. В рамках национального проекта «Безопасные и качественные автомобильные дороги» внедряется Реестр новых и наилучших технологий, материалов и технологических решений повторного применения в дорожной отрасли. Включение ЗШО в состав Реестра может стать дополнительным стимулом для активизации интереса дорожностроительной отрасли к золошлакам угольных ТЭС как к вторичному материальному ресурсу. Приоритет на долгосрочную технологичность, а не локальные победы Однако даже успешная реализация вышеуказанных мер вряд ли позволит угольным ТЭС на постоянной основе в крупных объемах вовлекать ЗШО в дорожное строительство. Увеличенное транспортное плечо ставит серьезные экономические барьеры для низкотехнологичной утилизации ЗШО – использование в дорожной насыпи. Дорожное строительство может быть быстрым локальным решением для отдельно взятой ТЭС, но не инструментом реализации целей национального масштаба. Именно поэтому должна вестись работа по развитию высоко технологичных направлений вовлечения ЗШО в хозяйственный оборот, способных создавать экономическую стоимость, которая бы делал транспортно-логистические расходы несущественными.

Осокин Никита – заместитель директора Центра отраслевых исследований и консалтинга Финансового университета при Правительстве Российской Федерации. Золотова Ирина – директор Центра отраслевых исследований и консалтинга Финансового университета при Правительстве Российской Федерации.

4.1 Состав и свойства золошлаков зависят от состава минеральной части топлива, его теплотворной способности, режима сжигания, способа улавливания и удаления, места отбора золошлаков в улавливающих установках или золоотвале.

4.2 Золошлаки по виду сжигаемого угля подразделяют на:

- антрацитовые, образующиеся при сжигании антрацита, полуантрацита и тощего каменного угля (АУ);

- каменноугольные, получаемые при сжигании каменного, кроме тощего угля (КУ);

- буроугольные, образующиеся при сжигании бурого угля (БУ).

4.3 По химическому составу золошлаки делятся на высококальциевые и низкокальциевые (таблица 1).

Содержание элементов, % по массе, в расчете на оксиды




4.4 По содержанию горючих веществ (потере массы при прокаливании - п.п.п.) золошлаки подразделяют в соответствии с требованиями, указанными в таблице 2.

Содержание горючих веществ (Гор)

Потери массы при прокаливании золошлака по виду сжигаемого угля, % по массе

4.5 По способу улавливания, удаления и месту отбора золошлаки делятся на золу-уноса, шлак топливный и золошлаковую смесь.

4.5.1 В зависимости от типа золоулавливающих устройств зола-уноса может улавливаться во влажном (ЗУВл) или сухом состоянии (ЗУСух).

По технологическим причинам потребителю ЗУВл не поставляется, а ЗУСух отгружают с помощью специальных золоотборных систем.

Величина удельной поверхности (по воздухопроницаемости), м/кг

Остаток на сите N 008, % по массе, не более

4.5.2 Шлак топливный может удаляться снизу котлоагрегатов в виде твердых пористых агрегатов или жидкого расплава, который гранулируется при охлаждении в воде. По средней плотности шлак разделяют на плотный (Пл) со средней плотностью зерен свыше 2 г/см, получаемый в топках котлоагрегатов с жидким шлакоудалением, пористый (По) со средней плотностью зерен до 2 г/см, получаемый в топках котлоагрегатов с твердым шлакоудалением.

4.5.3 Золошлаковые смеси, образующиеся при совместном удалении золы-уноса и топливного шлака в виде пульпы в золоотвал, по виду шлаковой составляющей подразделяются на смеси с плотным и пористым шлаком (см. пункт 4.5.2).

4.5.4 Золошлаковые смеси в зависимости от зернового состава делятся на крупнозернистые, среднезернистые и мелкозернистые в соответствии с требованиями, приведенными в таблице 4.


В статье рассмотрены возможные способы утилизации золошлаковых отходов (ЗШО) как на территории Российской Федерации, так и в европейских странах. Проанализирован химический состав и предложен наиболее перспективный способ переработки данного вида отхода  производство строительных материалов. Для данного применение отхода необходимо, чтобы его компонентный состав соответствовал определенным техническим требованиям. С этой целью следует провести ряд лабораторных исследований по выявлению физико-химических свойств ЗШО.

Ключевые слова: зола, золошлаковые отходы, компонентный состав, строительные материалы, переработка отходов.

Золошлаковые отходы (ЗШО) — вид отхода, образованный в процессе сжигания угля, имеющего большую зольность, в котле на тепловых электростанциях (ТЭЦ).

Классификация золошлаковых отходов [1], как правило, зависит от вида сжигаемого угля, способа сжигания, температуры факела, способа золоудаления, сбора и хранения золы на ТЭС. В связи с этим выделяют следующие виды:

− Зола-уноса при сухом золоудалении с осаждением частиц золы в циклонах и электрофильтрах и накоплением в силосах.

− Топливные шлаки при полном плавлении минеральной части топлива, осаждении расплава в нижней части топки котла и грануляции расплава водой аналогично придоменной грануляции доменных шлаков.

− Золошлаковая смесь при совместном мокром удалении уловленной обеспыливающими устройствами золы–уноса и топливных шлаков, образующихся в котле. Золошлаковая смесь в виде пульпы направляется в золоотвал.

По данным Минприроды России [2], ежегодно на российских угольных электростанциях образуется примерно 22 млн тонн золошлаковых отходов, из которых лишь 10–15 % находят своё дальнейшее применение, из-за чего общий объём накоплений ЗШО неуклонно растёт и сегодня составляет примерно 1,5 млрд. тонн. По словам заместителя председателя комитета Госдумы по энергетике Дмитрия Исламова, золоотвалы в России занимают примерно 30 тыс. га территории. По сравнению с зарубежными странами, утилизация ЗШО в России находится на сравнительно низком уровне.

Актуальность данной проблемы [3] непосредственно связана с отрицательным влиянием золошлаковых отходов на окружающую среду, выраженным:

− в образовании пылений;

− в выделении в атмосферу загрязняющих химических элементов и их соединений (в том числе CO, NOX, SOX);

− в использовании огромных площадей под золоотвалы.

На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что переработка данного вида отхода необходима, так как это позволит не только снизить негативное воздействие окружающей среды на население, но и приведёт к сокращению расходов природных ресурсов.

II. Постановка задачи

Целью настоящей работы является рассмотрение возможных способов использования золошлаковых отходов на территории Российской Федерации, а также проанализировать, как эту проблему решают зарубежные страны.

− Изучение компонентного состава золы;

− Рассмотрение всевозможных способов переработки ЗШО;

− Анализ мирового опыта по переработке золошлаковых отходов.

В настоящее время существуют два основных направления переработки золошлаковых отходов, первый из которых — извлечение металлов [4], другой — вторичная переработка отхода для его дальнейшего использования. Извлечение металлов является нерациональным способом обращения с отходом, поскольку проблема уменьшения площадей золоотвалов не решается, поэтому с эколого-экономической точки зрения разумно будет прибегнуть к вторичной переработке отхода.

На сегодняшний день активно развиваются следующие основные отрасли применения золошлаковых отходов, продукция которых должна соответствовать определенным техническим характеристикам, указанным в нормативных документах (рис. 1) [5–6]:

− строительные материалы (цемент, кирпич, блоки);

− дорожное строительство (наполнители для дорожного полотна);

− строительные проекты (стеновой материал);

− производство различных наполнителей;

− сельское хозяйство (стабилизаторы почвы).


Рис. 1. Отрасли применения ЗШО

Химический состав золы [7], в зависимости от месторождения сжигаемого угля, будет иметь следующий компонентный состав, как показано в таблице 1.


Кожуховский Игорь Степанович, генеральный директор ЗАО «АПБЭ»

Сегодня в России действует 179 ТЭС на угольном топливе, что составляет около 30% всех мощностей ТЭС. Золошлаковые отвалы на многих электростанциях переполнены, например, на Березовской ГРЭС-1, Новочеркасской, Рефтинской, Троицкой, Южно-Кузбасской ГРЭС, Иркутской ТЭЦ-9, при этом расширение отвалов невозможно либо требует значительных затрат. Если ничего не предпринимать, эти электростанции нужно будет останавливать и выводить из энергосистемы в ближайшие годы. Не будем также забывать о вреде, который наносят золошлакоотвалы экологии.

В то же время, по данным АПБЭ, утилизируется и используется только 10% золошлаков, или порядка 2,5 млн тонн в год. Еще 22,5 млн тонн ЗШО ежегодно размещается в золоотвалах угольных ТЭС в дополнение к накопленным ранее 1,5 млрд тонн.

Для сравнения: в Германии и Дании применение ЗШО в производстве строительных материалов достигло практически 100% их годового выхода, при этом в Германии вообще запрещено иметь золошакоотвалы. До 50-70% годового выхода ЗШО используют в США, Великобритании, Польше, Китае. Изменения, внесенные в законодательство Индии, привели к повышению в стране объемов утилизации ЗШО с 29,6% годового выхода в 2003-2004 годах до 53% в 2007-2008 годах, что составило около 70 млн тонн в год.

Между тем золошлаковые отходы угольных ТЭС являются качественным и дешевым минеральным сырьем. Они могут быть широко использованы в строительстве и производстве строительных материалов. Например, при производстве цемента, бетонов, растворов, строительных блоков, жилищном, дорожном и ландшафтном строительстве. При этом использование ЗШО снижает себестоимость производства основных строительных материалов (таких как цемент, сухие строительные смеси, бетон, строительные растворы, стеновые бетонные и пенобетонные блоки, кирпич, тротуарная плитка, элементы благоустройства) самое меньшее на 15-20%.

Применение ЗШО в земляном полотне автомобильных дорог способствует снижению себестоимости работ и изменению качества местных грунтов с неблагоприятными свойствами. Золы и золошлаковые смеси обладают рядом преимуществ по сравнению с грунтами, аналогами которых они являются. Они могут быть использованы самостоятельно для сооружения земляного полотна или для осушения конструктивных слоев из грунтов повышенной влажности. Кроме того, золо шлаковые смеси рекомендуется использовать в земляном полотне вместо песков или песчано-гравийных смесей.

ЗШО могут использоваться в сельском хозяйстве, при извлечении природных ресурсов, в качестве изолирующего материала на полигонах твердых бытовых отходов, для тушения скрытых очагов площадных пожаров и заполнения горнорудных выработок при рекультивации отработанных карьеров.

Потенциал использования золошлаков огромен: на основе подпрограммы «Автомобильные дороги», входящей в состав Федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России (2010-2015 годы)» Агентством по прогнозированию балансов в электроэнергетике были выполнены расчеты потенциально возможных объемов использования ЗШО угольных ТЭС при строительстве автомобильных дорог. По расчетным данным, на период до 2015 года требуется 200,2 млн тонн ЗШО.

Удельные затраты на эксплуатацию золошлакоотвала, экологические платежи, инвестиционные расходы составляют до 5-7% себестоимости производства энергии на угольной ТЭС, стоимость строительства нового золошлакоотвала достигает 2-4 млрд рублей. Но все это включается в тариф и оплачивается конечным потребителем, потому генерирующим компаниям зачастую невыгодно вкладывать деньги в расширение использования ЗШО.

Чтобы изменить ситуацию, нужно в первую очередь изменить законодательную базу. В связи с этим рабочей группой по расширению использования золошлаковых отходов при Комитете Госдумы по энергетике был подготовлен проект федерального закона N 466482-5 «О внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ в целях улучшения использования золошлаковых отходов», внесенный на рассмотрение нижней палаты парламента 6 декабря 2010 года.

Документ вносит изменения в федеральные законы об отходах, охране окружающей среды, о закупках для государственных и муниципальных нужд. Предлагаемые новации направлены на установление статуса вторичной продукции из золошлаковых отходов на основе их сертификации, кроме того, они предусматривают стимулирование «производителей» золошлаковых отходов к расширению их использования, а также предполагают стимулирование потенциальных потребителей золо шлаковых отходов к использованию ЗШО при выполнении государственных и муниципальных заказов.

Мы только в начале долгого трудного пути. Подготовительная работа проведена, теперь дело за законодателем.

Сложность еще и в том, чтобы собрать в единую картину и упорядочить отношения между субъектами из разных отраслей, до сих пор слабо взаимодействовавших друг с другом. Эти вопросы можно будет эффективно решать в рамках «Национальной ассоциации производителей и потребителей золошлаковых материалов», создаваемой по инициативе ЗАО «АПБЭ» с участием ОАО «Энел ОГК-5», ОАО «ИНТЕР РАО «ЕЭС», ОАО «Кузбассэнерго», ООО «Газпром энергохолдинг». В других странах переработка и использование ЗШО координируются именно в рамках национальных и международных ассоциаций – таких как Европейская ассоциация продуктов сжигания угля, Американская ассоциация угольной золы, Германская ассоциация по маркетингу минеральных продуктов.

ООО ЭнергоЗолоРесурс реализация золы-уноса и золошлаковых материалов. Наша работа – забота о будущих поколениях.

Записи (RSS) Комментарии (RSS)




ПРОДУКЦИЯ

Советы технолога

Информация для технологов

Строителям автомобильных дорог и асфальтовым заводам

При строительстве автомобильных дорог золы-унос используют для устройства укрепленных дорожных оснований и покрытий в качестве активной гидравлической добавки, т.е. активного компонента смешанного вяжущего в сочетании с цементом или известью, и самостоятельного медленнотвердеющего вяжущего, а золошлаковый материал из отвалов − для сооружения насыпей земляного полотна и малоактивной гидравлической добавки в сочетании с цементом при укреплении грунтов, на дорогах III–V категорий.
Целесообразность применения золы-уноса и золошлакового материала устанавливается в каждом отдельном случае на основе технико-экономического обоснования с учетом качества ЗШМ, дальности их перевозки и стоимости, экономии цемента и других факторов. Критерием оценки пригодности ЗШМ для возведения основания дорожного полотна является морозоустойчивость, характеризующаяся величиной их относительного морозного пучения, представляющей собой отношение вертикальной деформации пучения при промораживании образца к его первоначальной высоте, выраженной в процентах.
Золошлаковый материал и золы-унос, которые используются для возведения насыпей дорожного полотна, должны обеспечивать последним необходимую устойчивость и прочность. В зависимости от величины степени морозоустойчивости их классифицируют на непучинистые − менее 1 %, слабопучинистые − 1…3 %, пучинистые − 3…10 %, очень пучинистые − более 10 %.

ЗШМ, величина относительного морозного пучения которых не более 3 %, применяют для возведения насыпей земляного полотна без ограничений, при величине морозного пучения от 3 до 10 % их допускают для отсыпки земляного полотна с обязательным осуществлением комплекса мероприятий по обеспечению его устойчивости. Золошлаковый материал с величиной относительного морозного пучения более 10 % для возведения насыпей земляного полотна не используют.
Золы-уноса от сжигания бурого и каменного угля, торфа и сланцев, применяемые для укрепления грунтов в качестве самостоятельного вяжущего или активного компонента смешанного вяжущего, должны отбираться непосредственно от электрофильтров или циклонов и отвечать следующим требованиям:

Нормируемые показатели Требования к золе-унос
Самостоятельное медленнотвердеющее вяжущее Активный компонент смешанного вяжущего с
цементом известью
Содержание свободного СаО, мас. % Не менее 8 Не более 4 −
Удельная поверхность, м2/кг Не менее 300
Содержание сернистых и сернокислых соединений (в пересчете на SО3), мас.
%		 Не более 6 Не более 3
Потери массы при прокаливании, мас. % Не более 5 Не более 10 Не более 10

Содержание сернистых и сернокислых соединений в золах-унос горючих сланцев, применяемых в качестве самостоятельного медленнотвердеющего вяжущего, допускается как исключение в количествах, не превышающих 10 %. Зола-унос в составе смешанного вяжущего (20…30 % цемента и 70…80 % золы) должна выдерживать испытание на равномерность изменения объема. При устройстве оснований дорожных одежд на дорогах III–V категорий и покрытий на дорогах IV–V категорий допускается применять золы-унос с удельной поверхностью не менее 160 м2/кг, если содержание в них свободного СаО, сернистых и сернокислых соединений и потери массы при прокаливании соответствуют указанным требованиям.

При укреплении различных крупнообломочных и песчаных грунтов золами-унос, применяемыми в качестве самостоятельного вяжущего, содержание свободного СаО в золах допускается не более 15 %, а при укреплении цементом песчаных и супесчаных грунтов, а также крупнообломочных грунтов неоптимального состава, допускается применять золу-унос или золошлаковый материал, не отвечающие требованиям в таблице выше. При этом зола-унос и золошлаковый материал должны содержать более 60 % частиц размером менее 0,071 мм и не более 5 % частиц размером крупнее 2 мм, а потери массы при прокаливании − не более 10 %. Удельная поверхность сланцевой золы для обработки грунтов при устройстве оснований дорожных одежд на дорогах II−III категорий должна быть не менее 200 м2/кг. При устройстве оснований на дорогах IV−V категорий или морозозащитных слоев и верхних слоев земляного полотна на дорогах всех категорий может быть использована сланцевая зола с удельной поверхностью не менее 120 м2/кг.
Золы-унос и золошлаковый материал могут использоваться также в качестве минеральных порошков в составе пористого, высокопористого и плотного асфальто-бетона II и III марок. При этом они должны удовлетворять следующим требованиям:

зерновой состав, не менее: фракция менее 1,25 мм – 95 %, фракция менее 0,315 мм – 80 %, фракция менее 0,071 мм – 60 %; пустотность – не более 45 %;

Читайте также: