Золошлаковые отходы — серьезная экологическая проблема для нескольких российских регионов, особенно в Сибири. Сегодня есть множество технологий утилизации этого вида отходов, но лидеры отрасли сталкиваются с серьезными проблемами
Несмотря на мрачные прогнозы для угольной отрасли, именно уголь, по данным Международного энергетического агентства, остается самым доступным и распространенным источником энергии в мире.
Мировая экономика в принципе не может пожертвовать дешевой и надежной энергией угля, ведь именно она позволяет развиваться промышленности и другим значимым отраслям. Без надежного энергоснабжения облачные технологии, Big Data, искусственный интеллект, биткойны и фейсбуки останутся только в воспоминаниях.
Наличие угля в топливно-энергетическом балансе означает надежность и безопасность энергоснабжения. Кроме того, ископаемое топливо останется более дешевым, чем продукция возобновляемой энергетики. Как отметил в интервью «Российской газете» замминистра энергетики РФ Анатолий Яновский, чистая угольная генерация в 1,3 раза дешевле ветряной и в 1,9 раза дешевле солнечной.
Тем не менее тепловой генерации приходится адаптироваться к «зеленым» веяниям. Усилия участников рынка направлены прежде всего на сокращение всех видов выбросов, включая углекислый газ, с которым связывают парниковый эффект, и на утилизацию золошлаковых отходов (ЗШО) — твердых остатков, образующихся после сжигания угля.
В утилизации ЗШО в мире накоплен серьезный опыт, есть эффективные технологии. Наша страна в этом процессе пока в отстающих: по разных оценкам, сейчас в России перерабатывается только 10–15% золошлаковых отходов, остальное отправляется в отвалы.
Тем не менее в Энергетической стратегии РФ поставлена масштабная задача к 2035 году выйти на утилизацию половины всех ежегодно образующихся ЗШО. В прошлом году впервые на государственном уровне был сформулирован комплексный план утилизации отходов сгорания твердого топлива. Его реализация потенциально может принести порядка 100 млрд рублей.
ЗШО — это минеральная несгорающая часть угля, образующаяся в топках ТЭЦ: смесь золы и шлака, угольного остатка в виде камней, в соотношении примерно 4:1. Если говорить о химическом составе, то на 45–60% это оксид кремния, от 10 до 30% — оксид алюминия; в составе ЗШО также есть железо, кальций, магний, триоксид серы и другие элементы. В основном такие отходы относятся к низкому классу опасности. Однако основная проблема золошлаков иная: они требуют больших площадей для хранения.
Данные о том, сколько твердых отходов образуется при сгорании одной тонны угля, разнятся — это зависит от качества и типа топлива. Более того, у угля есть такой параметр, как зольность, он обозначает процент золы, остающийся от первоначальной массы. Параметр для каждого месторождения свой, но в целом зольность находится в диапазоне от 10 до 40%.
По данным комитета Госдумы РФ по энергетике, ежегодно в России для получения электрической энергии сжигается более 123 млн тонн твердого топлива, в результате чего образуется свыше 20 млн тонн ЗШО. При этом в стране уже скопилось около 1,5 млрд тонн таких отходов, которые занимают более 28 тыс. гектаров. По прогнозам, представленным председателем думского комитета по энергетике Павлом Завальным, если уровень переработки ЗШО останется на том же уровне, то уже к 2030 году объем отходов достигнет двух миллиардов тонн.
Ситуация осложняется географической концентрацией золоотвалов. Треть их скапливается в Сибири, при этом некоторые хранилища находятся прямо в городской черте. Дело в том, что сами золоотвалы не выносятся за территорию городов и, как правило, находятся в непосредственной близости от ТЭЦ, соединяясь с ними системами трубопроводов для подачи отработанной оборотной воды в смеси с золами (гидропульпы).
«Кроме того, в перспективе золошлаковые отвалы могут негативно сказаться на обеспечении энергетической безопасности страны. В случае переполнения отвалов угольных ТЭС, что при существующем положении дел может произойти уже в среднесрочной перспективе, придется вынужденно принимать решение о выводе угольных ТЭС из энергобаланса или их ограничении. В условиях запланированного роста угольной генерации это создает риски снижения надежности энергообеспечения различных территорий и секторов экономики. То есть нерешение этой проблемы ставит под сомнение развитие угольной генерации», — заявил Павел Завальный на тематическом круглом столе.
Мир знает множество способов пустить золошлаковые отходы в дело. В развитых странах доля переработанных ЗШО давно превышает 50%, а в Японии, например, вообще достигает 100%. Страна озаботилась утилизацией золы и шлаков еще в 1980-е годы. Японцы планировали постепенно снизить долю угольной генерации, заменив ее на атомную, но авария на АЭС «Фукусима-1» приостановила этот процесс. Кстати, Япония — одна из немногих стран, которая умудряется ЗШО экспортировать.
Среди лидеров по утилизации также Китай, Индия, США и Австралия. Китай лидирует по количеству образованных и переработанных отходов. Если говорить об их доле, то она достигает почти 70%. В стране, потребляющей в 32 (!) раза больше угля, чем Россия, проблема ЗШО в целом решена.
Крупные потребители на товарном рынке — строительная индустрия и промышленность строительных материалов. Использование золошлаков снижает себестоимость ряда строительных материалов (цемент, сухие строительные смеси, бетон, строительные растворы) на 15–30%. Применение ЗШО в земляном полотне автомобильных дорог способствует снижению их себестоимости.
Один из наиболее доступных методов переработки золошлаковых отходов — использование их в качестве наполнителя при изготовлении бетонной смеси. Эта технология позволяет снизить себестоимость тяжелого бетона при изготовлении тротуарного и других видов отделочного камня, а также в монолитном домостроении. Например, с использованием ЗШО построен небоскреб «Бурдж-Халифа» в ОАЭ. В нашей стране дома с использованием таких материалов возводились начиная с 50-х годов прошлого века.
Второй вариант использования — извлечение глинозема для последующего производства алюминия. При этом содержание оксида алюминия в золах некоторых видов углей может достигать 30%.
С 2011 года ЗШО включены в перечень приоритетных материалов промышленного производства. Это значит, что предприятия, использующие этот вид материалов для алюминиевой отрасли, могут претендовать на субсидии государства.
Кроме промышленности ЗШО используют для сельскохозяйственных нужд: в мелиорации, при производстве удобрений, при обратной засыпке отработанных месторождений. Еще один вариант: недавно ученые Кузбасского государственного технического университета разработали технологию переработки золошлаковых отходов в жидкое стекло для дальнейшего производства негорючих строительных материалов.
В нашей стране утилизация ЗШО — это пока разовые инициативы отдельных компаний. Занимаются ею и в компании СУЭК, ведущем производителе угля и энергии в России.
Чтобы уменьшить площадь золошлакохранилищ, СУЭК стремится использовать эти отходы в хозяйственных целях: для рекультивации нарушенных земель, в том числе отработанных карьеров, и обустройства автомобильных дорог. Подобные проекты уже реализованы в Хакасии, Новокузнецке, Белове, Новосибирске и Красноярске. В планах еще три подобных масштабных проекта рекультивации земель в Красноярске, Назарове и Кемерове. Исследование НИТУ МИСиС, проведенное по заказу компании в 2017 году, показало, что использование ЗШО для рекультивации карьеров безопасно для экологии.
«К началу 2020 года объем утилизируемых золошлаков с СУЭК достигал 1,3 миллиона тонн в год, или порядка сорока процентов от годового объема образования ЗШО. Однако в 2020 году общее количество образуемых отходов на угольных электростанциях СУЭК увеличилось примерно в три раза в связи с включением в периметр компании Рефтинской ГРЭС, Красноярской ГРЭС-2 и Приморской ГРЭС. Все ЗШО станций СУЭК имеют пятый класс опасности, они практически не опасные», — объясняют в компании.
Стоит отметить, что именно рекультивацию земель в нашей стране считают одним из самых перспективных направлений использования ЗШО. Так, по данным Минэнерго РФ, в Кузбассе площадь земель, нарушенных в связи с добычей полезных ископаемых, в десять раз превышает среднероссийский показатель, достигая в среднем значения 0,7%, а в некоторых районах — до 25%. Рекультивация этих нарушенных земель с использованием золошлаковых материалов (ЗШМ) позволит вернуть их в хозяйственный оборот.
СУЭК рекультивирует карьеры с использованием ЗШМ с 2017 года, однако объемы пока невелики — мешает высокая стоимость и трудоемкость транспортировки ЗШМ.
Самый распространенный способ удаления золы и шлаков с ТЭЦ — по трубопроводу: шлаки смешивают с водой и в виде пульпы отправляют на золошлакоотвал, где они перерабатываются в ЗШМ. В среднем переход ЗШО в пригодные для дальнейшего использования в рекультивации материалы занимает примерно год-два.
Одна из проблем состоит в том, что перевозка таких отходов возможна примерно пять месяцев в году. Большинство отвалов сосредоточено в Сибири; проведенные эксперименты показали, что погрузка, транспортировка и выгрузка при отрицательных температурах требуют слишком больших ресурсов.
Во-вторых, сама транспортировка в любое время года капиталоемка. По расчетам СУЭК, перевозка золошлаковых материалов с Красноярской ГРЭС-2 до Бородинского разреза (примерно 65 км), может оказаться убыточной.
Стоит отметить, что именно эта проблема мешает другим странам довести переработку ЗШО до 100%. Например, в Китае переработка сосредоточена в тех областях, где в непосредственной близости от станций находятся строительные предприятия. А Японии удалось добиться таких результатов только потому, что большинство ТЭЦ расположены на берегу: это позволило перейти на более выгодную транспортировку водным транспортом.
Кроме того, в большинстве стран действует государственная поддержка переработки ЗШО в виде субсидий, а также значительных налоговых льгот. Этого не хватает в России для успешного решения проблемы ЗШО.