Оценка воздействия отходов ПАЗ и ТЭЦ АО "Алюминий Казахстана" на компоненты окружающей среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: Оценка воздействия отходов ПАЗ и ТЭЦ АО "Алюминий Казахстана" на компоненты окружающей среды

Введение

Необходимость выполнения работ, подобных настоящей, обусловлена изменением состояния окружающей природной среды в районах размещения промышленных предприятий. Сегодня технологический потенциал может оказывать мощное негативное влияние на окружающую среду, в результате чего саморегулирующие и ее самоочищающие способности находятся на пределе, что предопределяет необходимость ставить вопрос об отнесении того или иного региона к зоне экологически неблагополучного района.

Сказанное в той или иной степени относится и к территории, занимаемой нарушенными землями предприятий АО "Алюминий Казахстана", деятельность которых сопровождается определенным преобразованием природного ландшафта, с возведением на дневной поверхности Земли сравнительно больших (по площади и объемам) накопителей отходов производства.

Цель настоящей работы - изучение технологического процесса в аспекте отходообразования на различных переделах Павлодарского Алюминиевого завода и ТЭЦ, существующей обстановки в районах размещения накопителей отходов основного производства для выявления наиболее опасных для окружающей среды технологических звеньев, выяснения степени их опасности для компонентов окружающей среды и выполнение расчетов по определению лимитов на размещение отходов.

Оценка влияния отходов производства и их накопителей на основные компоненты окружающей среды, выполненной по результатам определения фактического уровня их загрязнения на условных границах санитарно-защитных зон каждого накопителя отходов АО "Алюминий Казахстана". Это: природные отвалы бокситовых рудников, две карты шламонакопителя алюминиевого производства, золоотвал ТЭЦ и ведомственный полигон для складирования твердых хозяйственно-бытовых и строительно-производственных отходов.

Как известно, основными факторами отрицательного влияния промышленных сооружений на окружающую среду являются следующие:

- геоморфологические (преобразование поверхности Земли путем отсыпки или намыва отвалов, рытья карьеров и т.п.);

- гидрогеологические (подтопление и осушение территорий, загрязнение подземных вод, изменение условий питания и разгрузки водоносных горизонтов;

- геохимические (рассеяние химических элементов, веществ и соединений, нарушение водно - солевого баланса, изменение окислительно-восстановительных условий);

- инженерно - геологические (развитие оползневых явлений, карстов, просадок, селей и т.п.);

- минералогические (истощение земных недр);

- геофизические (нарушение структуры и мощности магнитного и электрического полей Земли, появление блуждающих токов, сейсмических и звуковых волн).

Действительно, особенностью технологии переработки полезных ископаемых является необходимость транспортирования и складирования достаточно больших объемов, иногда малосвязных, техногенных грунтов - технологических отходов, в сочетании с весьма значительным механическим воздействием на них для достижения их тонкодисперсности, что может способствовать существенной миграции загрязняющих веществ в компоненты окружающей среды в районе их складирования.

В соответствии с этим главными задачами проведения настоящей работы явились:

* определение степени деградации компонентов окружающей среды под влиянием техногенной нагрузки, обусловленной размещением накопителей отходов основного производства;

* расчет и обоснование лимитов на размещение отходов производства в объемах обеспечивающих такую нагрузку на экосистему, при которой будет обеспечено в течение ближайшего времени сохранение требуемого состояния компонентов окружающей среды.

Поставленные цели предполагается достичь путем:

* определения номенклатуры факторов отрицательного влияния накопителей отходов производства на компоненты окружающей среды с учетом их индивидуальных особенностей;

* изучения процесса воздействия факторов и их интенсивности, а также характера распределения нагрузки от накопителей отходов производства на окружающую среду;

* составления прогноза развития отрицательного влияния отходов на природную среду.

В процессе выполнения настоящих исследований анализ процессов взаимодействия отходов производства с компонентами окружающей среды осуществлялся посредством наблюдений за состоянием и изменением воздушной и водной среды, а также почвенного покрова. При этом проводился контроль:

* за соответствием фактических количественных и качественных характеристик отходов показателям, предусмотренным проектом и разрешением на их складирование;

* за режимами поверхностных, фильтрационных и подземных вод района и переходом загрязняющих веществ из отходов в поверхностные и подземные воды, атмосферу и почву.

Номенклатура отходов различных переделов АО "Алюминий Казахстана" была выявлена в результате проведения инвентаризации отходов, начиная с переделов добычи сырья и заканчивая накопителями отходов производства, организованных на дневной поверхности в виде отвалов с искусственной емкостью для приема отходов.

отходы лимит деградация почвенный

Литературный обзор

Проблема использования золошлаковых отходов ТЭС актуальна и широко известна энергетикам России, Казахстана и зарубежья.

Технология производства электрической и тепловой энергии на ТЭС, сжигающих угольное топливо, сопряжена с образованием минеральных элементов -- золы и шлаков. Количество образующихся отходов зависит, прежде всего, от содержания в топливе химических и минеральных компонентов (зольности топлива) и представляет собой в основном оксиды металлов.

До настоящего времени вопросы утилизации и переработки отходов производственной деятельности ТЭС в Казахстане решались недостаточно. Отчасти это было обусловлено направленностью развития производства сырьевой базы. В то же время в связи с возросшими экологическими требованиями, вызванными в том числе и принятыми на себя международными обязательствами государства, и прогнозируемым увеличением доли выработки электроэнергии тепловых электростанций, работающих на угле, появляется острая необходимость в переработке золошлаковых отходов ТЭС [4].

К примеру, ежегодно от сжигания кузнецких и канско-ачинских углей на ТЭЦ ОАО "Новосибирскэнерго" образуется около 800 тыс. тонн золошлаковых отходов. Размещение отходов осуществляется на специально подготовленных для этого полигонах -- золоотвалах, представляющих собой сложное гидротехническое сооружение и расположенных на удалении до 10 км от производственной площадки электростанции. Площадь территорий, занятых под золоотвалы ОАО "Новосибирскэнерго", составляет более 1000 га. В настоящее время на указанных полигонах накоплено 27,6 млн тонн золы и шлаков [5].

Строительство и эксплуатация технологического хозяйства на ТЭС по сбору, транспортированию и хранению золошлаковых отходов требуют значительных капитальных затрат, а также затрат на его содержание. Образование и хранение золошлаковых отходов негативно отражается на экосистеме прилегающей территории района их размещения:

* отведение и нарушение городских земельных угодий для строительства золоотвалов и их инженерной инфраструктуры (золопроводов, насосных станций и пр.);

* попадание растворов из чаш золоотвалов в поверхностные и грунтовые воды с их последующим насыщением;

* пыления золы с поверхности чаш золоотвалов, особенно при накоплении значительного их количества и завершении исчерпания свободных емкостей на золоотвале.

Научно-исследовательские работы, проведенные в нашей стране в конце прошлого столетия, показали, что зола и шлаки ТЭС являются ценным сырьем для ряда отраслей промышленности:

-- стройиндустрии (добавка к цементу, заменитель песка, компонент строительных смесей и растворов, приготовление различных бетонов и кирпича, покрытия для автомобильных дорог, тротуарная плитка и бордюры, изготовление теплоизоляционных материалов и различных заполнителей и пр.);

-- химической промышленности (выделение и получение из зол ценных химических элементов);

-- сельского хозяйства (производство удобрений и раскислителей почв).

В настоящее время доля использования золошлаковых отходов на ТЭС России не превышает 8-10%. Западные страны, где очень развит промышленный симбиоз, используют около 70% образующихся золошлаковых отходов. В Польше для стимулирования переработки золошлаковых отходов была резко повышена цена на землю под золоотвалы, и поэтому ТЭС доплачивают потребителям золы для снижения затрат на хранение. В Великобритании и Германии действуют специализированные организации по сбыту золы и шлаков [8].

В середине 90-х годов прошлого столетия вопросы использования золошлаков на ТЭЦ ОАО "Новосибирскэнерго" также активно обсуждались. Был проведен ряд НИОКР по переработке золошлаков углей Назаровского и Ирша-Бородинского разрезов, сжигаемых на Новосибирской ТЭЦ-3. Выполнено строительство установки по отбору и отгрузке потребителям сухой золы производительностью около 110 тыс. тонн в год. Однако в связи с отсутствием реальных потребителей дело до широкомасштабного внедрения технологий по переработке золошлаков так и не дошло. Проект строительства Новосибирской ТЭЦ-6 предусматривал практически полное использование отходов на нужды стройиндустрии. Кроме того, при подготовке площадки строительства Новосибирской ТЭЦ-6 и планировке территории было использовано более 1 млн тонн золошлаков из чаши золоотвала ТЭЦ-3 [4].

В течение ряда последних лет наметившееся социально-экономическое развитие регионов и России в целом "оживило" строительство объектов жилищного и общественного назначения и рынок строительных ресурсов и материалов. Рост цен в Новосибирске на основные строительные материалы (щебень, цемент, песок) за последние три года (2005-2007 гг.) увеличился в 1,5-2,5 раза. Последнее нашло свое отражение в повышении спроса на золу ТЭЦ ОАО "Новосибирскэнерго". В 2006-м и 2007 годах отпуск сухой золы кузнецких углей на Новосибирской ТЭЦ-5 составил около 6 тыс. тонн и 23 тыс. тонн соответственно. Указанная зола используется при производстве товарного бетона, бетонных блоков, тротуарной плитки, при монолитном строительстве и в качестве компонента в сухих строительных смесях. При годовом выходе золошлаков на ТЭЦ-5 в 400 тыс. тонн в год доля их потребления минимальна (около 5%) [11].

Одним из направлений потребления золошлаков ТЭЦ является их использование для осуществления горизонтальной планировки территорий под массовое жилищное строительство, что позволяет использовать под строительство маловостребованные городские земли (овражные и заболоченные территории), уменьшить потребности в строительных материалах (грунт, песок и пр.) и, соответственно, снизить затраты инвесторов на строительство объектов. С 2005 года ОАО "Новосибирскэнерго" осуществляет работы по разгрузке существующих золоотвалов Новосибирских ТЭЦ-2, -3 и инженерной подготовке городской территории под застройку в районе п. Затон. Реализация проекта решает вопросы с обеспечением необходимых емкостей золоотвалов указанных станций путем транспортирования с использованием средств гидромеханизации накопленных золошлаков (более 3 млн тонн) на специально подготовленную площадку под перспективное жилищное строительство. Завершение реализации проекта намечено на 2012 год [10].

Анализ ситуации показывает наличие положительной тенденции по увеличению объемов переработки и использования золошлаковых отходов ТЭЦ и их широкую востребованность в перспективе как ценного сырья в различных отраслях промышленности. Масштабное использование и переработка золошлаковых отходов требует решения комплекса организационных и технических вопросов:

* отсутствие законодательной базы, стимулирующей как производителей, так и потребителей золы и шлака ТЭС к их технологическому использованию и вовлечению в сырьевой баланс страны;

* отсутствие технологического оборудования на ТЭС, позволяющего обеспечить приемлемые потребительские свойства золошлаковому материалу и его последующее использование;

* отсутствие крупных потребителей, обеспечивающих на регулярной основе отгрузку и потребление золошлаков.

Отходы от сжигания высокозольных бурых углей Канско-Ачинского угольного бассейна, расположенного в Красноярском крае, составляют многие миллионы тонн ежегодно. Зола уноса - улавливаемая в электрофильтрах пыль является одним из самых "популярных" объектов исследования в экологическом направлении, которому посвящены тысячи исследовательских работ в десятках организаций бывшего СССР и России. Связано это с тем, что огромные массы отходов накапливаются непосредственно вблизи мегаполисов, отчуждая дорогую пригородную землю с тенденцией нелинейного роста и существенно снижая рыночную ценность близлежащей земли и строений. Из-за высокого содержания щелочи и водорастворимых сульфатов давление на окружающую среду (водный и воздушный бассейн, окружающий ландшафт) очень велико. Золоотвалы требуют огромных затрат на содержание. Доля затрат на мокрую транспортировку отходов на золоотвал и его обслуживание составляет десятки % в себестоимости собственно конечных продуктов ТЭС - электроэнергии и тепла. Однако полные шкафы "разработок" по утилизации золы уноса не дали и не могли дать никакого положительного эффекта (только отрицательный из-за огромных затрат на исследования). [3]

Этому есть целый ряд причин:

1. В бывшем СССР этой проблемой монопольно занималась строительная "наука", а также энергетики, которые по роду своих занятий не могли решить сложную междисциплинарную проблему;

2. Проблема носит комплексный характер, любые частные решения обречены на неудачу из-за огромных масс отходов и проблем с транспортировкой;

3. Без рыночных отношений и соответствующей инфраструктуры попытки решения проблемы утилизации золы имели чисто волюнтаристский характер;

4. Зола уноса - типичная гетерогенная смесь, все попытки ее использования в производстве строительных материалов как целого обречена на неудачу из-за нестабильного состава и компонентов различного применения;

5. На мировом рынке отсутствует по сей день эффективная техника для сепарации многотоннажных тонких гетерогенных смесей - обычная техника типа центробежных классификаторов требует улавливания тонкой пыли на выходе, а это технически и экономически невозможно при известных принципах;

6. Высокое содержание оксида кальция ограничивает основную область утилизации золы уноса - бетонные и штукатурные растворы, то же время низкая активность гидратации зерен свободного оксида кальция приводит к локальному увеличению объема внутри затвердевшего камня, появлению внутренних напряжений и его разрушению изнутри [5].

Таким образом, проблема утилизации золы имеет несколько составляющих: А) техническая проблема сепарации гетерогенных смесей; Б) поиск и разработка технологий использования выделенных компонентов золы уноса; В) создание рынка для продуктов из золы - огромные массы новых продуктов не могут быть сразу восприняты на рынке, особенно дешевые из-за ограниченной емкости локального рынка; Г) временная - производство золы осуществляется в основном в отопительный период, а потребление - в летний строительный сезон; Д) организационная - решение проблемы невозможно без согласованной политики региональных властей, строительных организаций, а также подготовленных индивидуальных застройщиков. Самая сложная в СНГ проблема из перечисленных - последняя, но для успешной реализации проекта в целом необходимо гибкое и взаимоувязанное решение всех составляющих [4].

Утилизация известковых отходов водоподготовки ТЭЦ с получением сухого шлама и извести

Для использования речной воды в цикле ТЭЦ и других предприятий проводится снижение ее жесткости.

В большинстве случаев для этого применяется метод известкования воды, в результате образуется известковый шлам и недопал извести. Традиционным способом обращения с известковым шламом является сброс его в шламонакопители, т.е. складирование. Накопители занимают большие территории, и количество шлама в них постоянно увеличивается. Недопал извести, состоящий из крупных частиц и кусков, после естественной сушки используется как щебень на строительстве дорог.

В Украине ежегодно образуется около 2 млн. т таких отходов после различных производств (электростанций, сахарного, содового, целлюлозного, и др.) и свыше 50 млн. т находится в шламонакопителях. Например, на Ровенской АЭС образуется - 5,0 т/час такого шлама, на Киевской ТЭЦ-5 - 0,7 т/час [10].

Проблема переработки известкового шлама стала острее с начала 1990-х годов, в связи с тем, что такой шлам был отнесен к 3-ей категории токсичности и ведомства (управления) по охране природы перестали разрешать сбрасывать известковый шлам в земляные накопители, а стали требовать выполнять их бетонными с нанесением герметичной изоляции. Строительство накопителя емкостью 50 тыс. м3 обходится в ~1 млн. $, поэтому начался поиск оптимальной технологии по утилизации шлама, чтобы не строить накопители. Известковый шлам представляет собой в основном тонкодисперсный карбонат кальция и является ценным продуктом благодаря высокой дисперсности 0,3-5 мкм.

Проведенные исследования физико-химических свойств сухого шлама определили перспективные области его использования, а именно:

- в агрохимии, для раскисления почвы

- в строительстве: для получения высококачественной извести-пушонки; кирпича силикатного и полусухого прессования; добавки к цементам, строительным и штукатурным растворам;

- кроме этого, при утилизации известкового шлама достигается двойной эффект: использование вторичных ресурсов и охрана природы (ликвидация накопителей известкового шлама как источника загрязнения окружающей среды щелочными стоками) [12].

Имеется опыт использования известкового шлама в этих областях, однако его широкое использование сдерживается большими энергозатратами на обезвоживание, сушку и обжиг, поскольку они хранятся в отстойниках с водой (регламентируется их хранение под слоем воды для предотвращения пыления).

Исследованием известкового шлама, как источника вторичного сырья, возможностью его переработки и использования в различных областях народного хозяйства на протяжении многих лет занимались ведущие научно-исследовательские организации СССР. [8]

Как практический результат этих работ были построены несколько пилотных установок по переработке известкового шлама: распылительная сушилка НИИСМИ - установлена на Слуцком сахзаводе в Белоруссии и Нижне-Камской ТЭЦ в России; печи конструкции КПИ - испытывались в г. Херсоне на бумажно-картонном комбинате, Белоцерковской ТЭЦ и г. Ново-Московске, Тульской обл. Приведем основные данные по этим установкам:

1. Опытно-промышленная установка на Слуцком сахзаводе и Нижне-Камской ТЭЦ-1 (печь НИИСМИ, г. Минск), (рисунок 1)

Печь представляет собой крупногабаритную установку шахтно-циклонного типа с металлоемкостью 90 т на 1,0 т получаемой извести, а расход топлива составляет 372 кг усл. топлива на 1,0 т извести. В печи происходят потери тепла через большую ограждающую поверхность, потери при грануляции (увлажнение шлама после вакуум-фильтров с 40 % до 70 % влажности, добавка 10 % свежей извести для образования гранул, потери на скоростном промывателе, куда попадает до 20 % сухого продукта).

2. Опытно-промышленная установка на Херсонском бумажном комбинате (печь КПИ, г. Киев). Эта печь также шахтно-циклонного типа, но является более экономичной, чем предыдущая. Габариты печи уменьшены в 3 раза, а расход топлива снижен до 270 кг усл. топлива на 1,0 т извести. Этот эффект достигнут за счет замены распылительной сушилки (исключается замачивание шлама и добавление извести) на специальный гранулятор со шнековой подачей влажного шлама после вакуум-фильтров. [17]



Рисунок 1. Опытно-промышленная установка на Нижне-Камской ТЭЦ-1

При проектировании нашей технологической линии нами использован опыт эксплуатации этих установок. Были также проведены более глубокие исследования свойств известкового шлама.

Исследования, проведенные институтом Химии поверхности НАНУ показали, что известковый шлам состоит из сросшихся вторичных агломератов размером 10-20 мкм, в которых первичные частицы имеют размеры от 0,2 мкм до 1 мкм. Удельная поверхность составляет 20 м²/г (в 5 раз выше, чем у цемента). При сушке известкового шлама происходит разрушение вторичных агломератов и в сухом шламе 40-50 % составляют субмикронные частицы размером 0,2-1 мкм, а остальные 1-5 мкм. Уловленные сухие частицы имеют объемный вес 500-750 кг/м³ [23].

Высокая дисперсность дает высокий показатель "энергии связи влаги в материале", этот показатель в 2,5 раза выше, чем у глины, что предопределяет увеличение времени на сушку и возможность его сушки только в "кипящем (псевдоожиженном) слое". Высокая дисперсность и малый объемный вес создают трудности в газоочистке: циклоны работают с кпд- 40-50 %. Для рукавных фильтров и электрофильтров максимальная входная концентрация такой пыли составляет 5 г/м³, что предопределяет их большие размеры, кроме того, на выходе из электрофильтра нельзя достичь концентрации менее 75 мг/м³, а после рукавных менее 30-40 мг/м³ и требуется мокрая доочистка. Именно для таких тяжелых условий и разрабатывались металлопористые фильтры.

Эти разработки были реализованы на опытно-промышленной установке, состоящей из циклонной печи с камерой кипящего слоя, в которой сушка тонкодисперсного шлама производится уходящими дымовыми газами в кипящем слое, а обжиг сухого шлама в вихревом потоке. На технологической линии можно получать:

а) известь 50-60 % активности;

б) карбонатную известь 30-40 % активности

в) известняковую муку (шлам влажностью 2-4 %; шлам влажностью 20-25 %).

На Ровенской АЭС существует проблема с очисткой воды из р. Стырь от карбонатных частиц. В отсутствии такой очистки зарастают оросители градирен, и требуется частая очистка конденсаторов турбин. С вводом большой станции очистки воды (СОДВ) будет образовываться до 250 м³/час шламовой пульпы, что соответствует 5,5 т/час по сухому продукту СаСО₃. Это обходится примерно в 1,5 млн. $, а для РАЭС в условиях карстовых проявлений эта сумма удваивается, что превышает стоимость технологической линии по переработке шлама [29].

Ранее для Ровенской АЭС ранее был разработан рабочий проект сушки и обжига шлама при помощи распылительной сушилки конструкции НИИСМИ (г. Минск рисунок 1) со сжиганием мазута. По этому проекту уже частично выполнена строительная часть (~ 20 %). Для снижения капитальных и эксплуатационных затрат нами предложено:

- перейти на электрообжиг шлама вместо сжигания мазута, в этом случае не требуется расширение мазутного хозяйства, а также улучшается качество извести из-за отсутствия топочных газов, так как в этом случае не образовывается гипсовый шлам, снижающий активность регенерированной извести;

- вместо одной печи НИИСМ поставить 4 малогабаритных печи "кипящего слоя" конструкции Киевского политехнического института, у которых лучше технико-экономические показатели по расходу топлива и стоимости, и оснастить их газоочисткой на базе металлопористых фильтров. [10]

В технологическую линию по переработке шлама входит установка регенерации шлама, а также кирпичная установка и растворный узел. Продуктами переработки шлама являются: известь, известняковая мука, строительные растворы, кирпич, стеновые блоки.

Использование малогабаритной печи и центрифуги позволило всю установку разместить в одном существующем здании, которое ранее предусматривалось только для обезвоживания.

Предложенная технологическая схема позволяет создать высокорентабельное производство с большим ассортиментом выпускаемой продукции [28].

На территории Астаны функционирует один накопитель бытовых и производственных отходов, расположенный на восточной окраине столицы. Общая площадь полигона - 65,4 гектара. С 1972 года ведется захоронение отходов в отработанном карьере. По проектным расчетам, эксплуатация полигона возможна до 2010 года. На данный момент накоплено около 14 млн. м³ отходов.

Ежегодно на полигон поступало 450-500 тыс. м³ отходов. С развитием города этот показатель постоянно увеличивается. В данное время ведется строительство завода по производству силикатного кирпича для утилизации золошлаковых отходов. Инвестор - ТОО "Завод эффективных строительных материалов". Эта мера позволит предотвратить дополнительное загрязнение земли отходами, обеспечит повторное использование карт золоотвала ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 [18].

Кроме того, завершена реализация совместного казахстанско-испанского проекта "Модернизация удаления твердых бытовых отходов и улучшение экологической ситуации города Астана". Новый полигон состоит из двух ячеек, снабженных специальной тканью, не пропускающей влагу. Подобная конструкция предотвращает загрязнение почвы и грунтовых вод продуктами гниения. Также здесь будет применяется технология захоронения мусора методом надвига. Свозимые отходы будут возвышаться и расти вверх до 14 метров, каждый пласт утрамбовывается. Срок эксплуатации нового полигона - 16 лет. Реализация данного мероприятия позволит решить проблему захоронения бытовых отходов с минимальным воздействием на окружающую среду за счет защитного экрана, устилающего дно карты.

Реализация проекта позволит решить следующие экологические проблемы:

- минимизировать негативное воздействие старого полигона на подземные воды;

- складировать и захоранивать отходы с минимальным воздействием на все компоненты окружающей среды;

- оснащение полигона современной инфраструктурой и мойкой для автотранспорта будет гарантировать чистоту транспорта на свалке и в городе;

- организация проведения работ на полигоне, включающая в себя регулярное покрытие слоев отходов землей, уплотнение отходов, технические решения по распределению отходов, позволит максимально использовать территорию полигона;

- оснащение ГКП "Горкоммунхоз" современными мусоровозами и стандартными евроконтейнерами, позволяет гарантировать герметичность сбора, хранения и перевозки отходов по городу.

Накопитель-испаритель сточных вод "Талдыколь" был введен в эксплуатацию в 1970 г. Сейчас накопитель занимает площадь 2021 га, его емкость равна 62,5 млн. м³, объем воды в испарителе составляет 54,0 млн. м³. Ежегодное поступление в накопитель сточных вод и уменьшение площади орошаемых земель стали причиной его переполнения. Рост иловых отложений привел к подъему грунтовых вод на левобережье Астаны, заболачиванию около 7500 га площади, образованию зарослей камыша и болотной растительности, появлению колоний гнуса. Для предотвращения негативного влияния накопителя сточных вод "Талдыколь" на экологию региона, было принято решение о его ликвидации с последующей рекультивацией освобождаемых территорий. В данное время полностью восстановлена система перекачки биологически очищенной воды из накопителя "Талдыколь" в накопитель "Карабидаик". До конца года намечено строительство станции обеззараживания, новой станции перекачки ливневых вод и второй нитки трубопровода по перекачке очищенных стоков. [4]

Исследования отвальных шламов Павлодарского Алюминиевого завода

Научно-исследовательские работы отвальных шламов Павлодарского Алюминиевого завода позволило установить, что шламы состоят из продуктов выщелачивания спеков, красного байерского шлама и известняка, то есть это шламы последовательного способа Байер-Спекания в таблице 1 приведены для сравнения химические составы проб шлама, отобранных из шламоотвалов Павлодарского Алюминиевого завода, и химический состав свежего шлама, поступающего из производственного цикла. [6]

Химический состав шламов Павлодарского алюминиевого завода приведен в таблице 1.

Таблица 1 Химический состав шламов Павлодарского алюминиевого завода

Пробы шлама	R2O	Al2O3	SiO2	Fe2O3	CaO	TiO2	всего
Отвального	2,0	4,3	19,5	23,0	42,7	Не определен	95
Из шламоотвала	2,6	6,3	16,3	27,29	34,87	3,88	99,52

Рассмотрения приведенных данных показывает, что состав ряда проб, отобранных с разных участков шламоотвала, значительно отличается от состава исходного шлама, что связано в основном с естественным фракционированием шлама при формировании шламоотвала, а также с процессами, происходящими непосредственно при хранении шлама на шламовом поле. Могут также происходит реакции между твердой фазой шлама и подшламовой водой, содержащей щелочных ионов до 10г/л. Результаты определения фазового состава проб шлама Павлодарского Алюминиевого завода представлены в таблице 2.

Таблица 2 Фазовый состав шламов Павлодарского алюминиевого завода

Пробы шлама	Фазовый состав (по убыли количества фаз)
Отвального	в - двухкальциевый силикат, кальцит, магнетит, перовскит, гидрогранат
Из шламоотвала	б, - двухкальциевый силикат, перовскит, магнетит, гиббсит, гидрогранат, в- двухкальциевый силикат

Гранулометрический состав шламов определяется особенностями технологии переработки бокситов и, в частности, передела выщелачивания. Для шламов байеровского процесса характерна высокая дисперсность, тогда как шламы от выщелачивания спеков имеют широкий диапазон фракционного состава - от микронных частиц до фракций песка.

Гранулометрический состав спекательного шлама Павлодарского Алюминиевого завода характеризуется большим содержанием крупных фракций - частиц размеров > 58 мкм во всех пробах шлама более 92,5%; диапазоны фракционного состава таковы, %: < 20мкм 2,1-27,7; 20-67 мкм 2,6-19,9; 67-125 мкм 9,3-26,6; 125-400 мкм 11,4-31,4; 400-500 мкм 2,5-7,2; >500 мкм 2,7-8,3.

Плотность такого шлама 3,00-3,16 г/см³.

Удельная поверхность высокодисперсных шламов байеровской ветви технологического процесса переработки бокситов, характеризующихся содержанием частиц < 5 мкм 50-75%, составляет 10-20 м²/г, причем значение удельной поверхности коррелируется с содержанием частиц мелкой фракций. Для спекательных шламов наблюдается иная закономерность - при большом содержании крупных фракций значение удельной поверхности также велико, что объясняется высокой микропористостью шлама, сформировавшегося при выщелачивании спеков. Удельная поверхность отвальных шламов Павлодарского Алюминиевого завода составляет 5,5- 34,0 м²/г [2].

Переработка и использование бокситовых шламов в разных отраслях народного хозяйства, обуславливается химическим составом, фазовой характеристикой и физико-механическими свойствами шламов.

Поскольку существуют, по крайней мере, две группы бокситовых шламов (байеровские и спекательные), принципиально отличающихся по составам, в большинстве случаев области практического использования этих групп шламов различны. Следует также учитывать, что, как правило, отвальные бокситовые шламы являются смесью обеих групп причем в шламах Павлодарского Алюминиевого завода спекательные шламы.

Характеристика спекательных шламов. Содержание основных окислов,% (по массе): СаО 40-45; SiO₂ 15-20; Fe₂O₃ 20-25. основные фазы: двухкальциевый силикат, магнезит, перовскит. Дисперсность фракции >53 мкм 90%, S= 20-60 м²/г.

Главным в характеристике бокситового спекательного шлама является высокое содержание двухкальциевого силиката и значительное содержание Fe₂O₃ (20-25%). Такие шламы характеризуются кальциево-силикатным составом и значительно большой крупностью частиц, чем байеровские, а также большой удельной поверхностью, сформировавшейся при выщелачивании спеков. Наличие в шламе значительного количества гидравлически активного двухкальциевого силиката предопределяет целесообразность его использования как в качестве самостоятельного вяжущего вещества, так и в качестве компонента строительных вяжущих веществ.

Прежде всего, очевидна возможность использования бокситовых спекательных шламов в качестве гидравлической добавки к портландцементу.

В большинстве случаев эта область использования шлама дает определенный научно-технический эффект, однако экономическую целесообразность такого мероприятия требуется анализировать в каждом конкретном случае, в основном без перевозки.

Гидравлическая активность бокситовых шламов, обусловленная присутствием в них Ca₂SiO₄ , значительно усиливается в гидротермальных условиях твердения. Серия работ, проведенных применительно к шламу Павлодарского Алюминиевого завода, показала практическую возможность получения силикатного кирпича при использовании этих шламов в составе формовочных масс.

Бокситовый спекательный шлам Павлодарского Алюминиевого завода в качестве активной минеральной добавки в количестве до 15% при помоле с клинкером дает снижение активности на 10% по сравнению с цементом без добавок шлама. При содержании шлама в цементе 15-60% наблюдается снижение 28 суточной прочности на 10-50% независимо от минералогического состава используемого клинкера [14].

В ранние сроки твердения минералогический состав клинкера сказывается на активности смешанных цементов: цементы на основе клинкеров с пониженным силикатным модулем (1,8-2,0) независимо от содержания добавки дали более существенное снижение активности. Собственная гидравлическая активность бокситовых шламов Павлодарского Алюминиевого завода при испытании по ГОСТ 310-76 составила за 28 суток при изгибе 4,1-5,0 МПа, при сжатии 7,4-22,0Мпа. Сроки схватывания смешанных цементов сокращаются по сравнению с таковыми для цемента без добавок до 45 минут.

Существенным в производстве таких цементов является снижение в них уровня водорастворимых и общих щелочей.

Анализ целесообразности замены шлака в качестве активной добавки при производстве портландцемента сухим бокситовым шламом на цементных заводах Усть-Каменогорском, Карагандинском, Семипалатинском, Черноречком, т.е. тяготеющих территориально к Павлодарскому Алюминиевому заводу, был выполнен Гидроцементом. Результаты анализа показали, что на всех рассматриваемых заводах стоимость сухого шлама Павлодарского Алюминиевого завода будет выше стоимости гранулированного шлака; кроме того, на цементных заводах произойдет некоторое увеличение эксплуатационных затрат в связи с организацией приема и использования сухого шлама. Таким образом, применение шлама Павлодарского Алюминиевого завода на этих заводах взамен шлака экономически неоправданно. Целесообразно использовать шлам на месте при организации производства цемента на Павлодарском Алюминиевом заводе [17].

Исследование возможности применения бокситовых шламов в качестве основного компонента вяжущего для приготовления закладочных смесей было выполнено в УНИпромеди. Работа проводилась при использовании байеровских спекательного и гидрохимического шламов. Изучение вяжущих свойств этих шламов показало максимальную активность при использовании в качестве активатора двуводного гипса и портландцемента.

Технико-экономическое обоснование возможности производства специального цемента для закладочных смесей на основе использования бокситового шлама Павлодарского Алюминиевого завода.

Предполагается выпуск закладочного цемента марки 100, состоящего из 20% клинкера, 80% сухого бокситового шлама, 5% гипса, а также марки 200, состоящего из 30% клинкера, 70% добавки сухого бокситового шлама, 5%гипса. Первоначально предполагается использовать привозной портландцементный клинкер, а затем организовать производство портландцементного клинкера при использовании бокситового шлама в качестве одного из сырьевых компонентов. Бокситовый шлам подается в виде пульпы с влажностью 45-48% из глиноземного производства гидротранспортом. Сырьевой шлам нормальной текучести получается при влажности 31%. Размол шлама до 10% остатка на сите 008 осуществляется в трубной мельнице 4*13,5 м при производительности 145 т/ч. обжиг сырьевого шлама осуществляется во вращающейся печи 5х185 м при расчетной производительности 80 т/ч и удельном расходе тепла 5880 кДж на 1 кг клинкера [9].

Изучение возможности получения силикатного кирпича с использованием бокситового шлама Павлодарского Алюминиевого завода было выполнено в г.Алматы в НИИстромпроекте.

В качестве исходных материалов были использованы молотый бокситовый шлам Павлодарского Алюминиевого завода с S=4500-4700 см²/г и молотый кварцевый песок с S=2300-2500 см²/г. изучена возможность получения беспесчанного и малопесчанного силикатного кирпича.

Основными продуктами автоклавной обработки бокситовых шламов, являются гидрогранаты, входящие в состав агрегатов тонкозернистой структуры и кристаллизующиеся по периферии более крупных частиц. Размеры зерен гидрогранатов 0,5-1,0 мкм, n= 1,68, d/n=0,307, 0,274, 0,225 и 0,199 нм.

Прокаливание бокситового шлама влияет на активность и сроки схватывания шлама. С повышением температуры прокаливания бокситового шлама от 100 до 800^оС сроки схватывания сокращаются; их можно сократить также, вводя в шлам хлористый кальций, цемент или известь. Максимум прочности изделий соответствует температурам термообработки шлама 600-800 ^оС. Размол бокситового шлама способствует повышению его активности; оптимальный состав молотой фракции шлама составляет 20-40%. Ввод извести в состав образцов снижает прочность. При вводе кремнеземистого компонента максимум прочности был достигнут при 20-30% песка. В этом случае наряду с гидрогранатами образуются соединения тоберморитовой группы и гидросиликаты. Кальция при совместной известково-кварцевой активации шлама содержание гидрогранатов уменьшается. Известково-гипсовая активация (10-20% извести и 5% гипса) способствует повышению прочности на сжатие при полном связывании извести.

Испытание на морозостойкость автоклавированных составов на основе бокситового шлама показали невысокие результаты (10-20 циклов), поэтому рекомендовано использовать бокситовый шлам только в качестве высокодисперсного вяжущего, а в качестве заполнителя - немолотый кварцевый песок. Образцы, содержащие молотый бокситовый шлам, известь и кварцевый песок, после 25 циклов испытаний имели коэффициент морозостойкости 0,88 [23].

Вяжущим в разработанных составах служит смесь тонкодисперсного бокситового шлама, извести и молотого кварцевого песка. Повышение тонкости помола вяжущего до 4900-500 см²/г повышает прочность образцов от 10,5-11 до 13,0-16,7 МПа.

Определение долговечности силикатного кирпича с использованием в качестве компонента смеси красного шлама позволило установить следующее:

1. Силикатный кирпич с использованием в качестве компонента сырьевой шихты бокситового шлама выдерживает 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Потери прочности при этом находятся в пределах, допустимых ГОСТом.

2. Испытания кирпича на многократное увлажнение и высушивание показали, что все образцы выдержали 50 циклов.

3. определение атмосферостойкости проводили при натуральных испытания в течение 1 года, а также в камере карбонизации. После года хранения образцов на открытой площадке коэффициент стойкости составил 0,97-1,12.

На основании этих расчетов на Павлодарском Алюминиевом заводе силикатного кирпича выпущена опытно-промышленная партия силикатного кирпича с использованием известково-бокситового вяжущего. Основные характеристики кирпича опытной партии: временное сопротивление сжатию 13,7 МПа; морозостойкость 35 циклов; водопоглощение 14%. Внедрение разработанных составов на заводе силикатного кирпича (КЖБИ-4, г.Павлодар), по расчетам дает хороший экономический эффект [25].

По данным французской фирмы "Алюминиум Пешини", красный шлам используется для производства красок, для десульфуризации газов, как катализатор гидрогенизации углей; при прокладке дорог; в производстве строительных материалов; для восстановления почвы.

Основные составляющие красного шлама устойчивы и идентичны природным соединениям, содержащимся в почве, за исключением алюмосиликатов щелочей, которые медленно гидролизируются с выделением щелочи, затем карбонизируются, что неблагоприятно влияет на развитие растений. Правда, этот процесс чрезвычайно медленный. При смешивании красного шлама с небольшим количеством пахотной земли почва становится пригодной для произрастания растений. Вероятно, пахотная земля, содержащая глину или имеющая кислую природу, поглощает щелочь, выделенную алюмосиликатами в процессе разложения. Проведенные фирмой испытания показали, что на такой почве возможно выращивать помидоры и картофель. Предполагается, что физическая структура красного шлама способствует удержанию в почве влаги и питательных веществ.

Красный шлам используют в дорожном строительстве в качестве наполнителя при изготовлении асфальтобетона. Шлам обрабатывают гашенной известью, затем сушат. С 1963 года фирма Ферейнигте Алюминиумверке в сотрудничестве с промышленностью строительных материалов использует красный шлам для строительства дорог. По данным этой фирмы, "красный наполнитель" по сравнению с известняком обладает существенными преимуществами.

Кроме того, перспективной областью использования бокситовых шламов является производство на их основе коагулянтов для очистки сточных вод от загрязнений. В связи с интенсивным увеличением народонаселения, а также химизацией многих отраслей промышленности и сельского хозяйства потребность в коагулянтах для очистки воды постоянно возрастает. В настоящее время для очистки воды используют соли алюминия и железа- сульфаты, хлориды, оксихлориды. Действие этих солей основано на их гидролизе в водных растворах с образованием гидроокисей, которые в момент образования взаимодействуют с частицами взвешенных и коллоидных загрязнений, одновременно адсорбируя растворенные в воде органические вещества, а также личные ионы, образующие с коагулянтами нерастворимые соединения [27].

Бокситовый шлам можно рассматривать в качестве сырьевого источника для производства комплексного железоалюмнийсодержащего коагулянта. Производство такого коагулянта основано на сернокислотном разложении бокситового шлама из расчета образования смеси сульфата железа и сульфата алюминия исследования в этой области проводятся в последние годы как у нас в стране, так и за рубежом. Так, в Германии путем обработки красного шлама серной кислотой производится смешанный коагулянт на основе сульфата трехвалентного железа [7].

1. Комплексная переработка глиноземсодержащего сырья и пути решения утилизации золошлаковых отходов

1.1 Общая характеристика Павлодарского алюминиевого завода

Павлодарский алюминиевый завод и ТЭЦ находятся в южном промузле г. Павлодара и занимают площадку размером в пределах ограждений 218 га. Основная часть территории застроена производственными корпусами, складскими помещениями и объектами вспомогательного и обслуживающего назначения, включая автомобильные и железные дороги.

Западная граница площадки находится на расстоянии 3,1 км от восточной границы жилой застройки г. Павлодара согласно генплану города, разработанному институтом Ленгипрогор и утверждённому Павлодарским облисполкомом в 1982 г. Ширина санитарно-защитной зоны между городом и заводом, считая от основных источников загрязнения (дымовые трубы цеха спекания), утверждена Минздравом Казахской ССР протоколом от 23 апреля 1979) в размере 3 км.

В восточной части площадки ПАЗ имеются участки площадью до 100 га, незастроенные зданиями и сооружениями, которые ранее предназначались для размещения объектов второго глинозёмного завода.

Завод и ТЭЦ связаны подъездными железнодорожными путями со станцией МПС "Южная". Ближайшая автомобильная дорога, связывающая завод с городом, проходит у южной границы завода. Здесь же проходит трамвайная линия.

Рельеф местности представлен слабоволнистой степной равниной с уклоном в сторону северо-запада к долине реки Иртыш. Абсолютные отметки города колеблются в пределах 110-130 м. В геологическом отношении территория района представлена песчано-глинистыми отложениями четвертичного и третичного возрастов. Наибольшим развитием пользуются пески и супеси. Суглинки и глины встречаются в основном под четвертичными отложениями на значительных глубинах и только на небольших участках выклиниваются на поверхность. Глубина уровня грунтовых вод зависит от рельефа местности и колеблется в пределах 2-10 м. Грунтовые воды вскрыты в районе проектируемой застройки на абсолютной отметке 124,4 м. Амплитуда колебания уровня годичного цикла 0,6-1 м.

По трудности разработки грунты участка согласно СНиП IV-2-82 относятся к группе II - средняя.

Нормативная глубина промерзания - 2,7 м.

Климат района резко континентальный. Зима устойчивая и холодная, сухое и жаркое, весна р короткая ро с интенсивным повышением температуры. Район строительства несейсмичен, и согласно (СниП - П.А.6-72 относится к климатической зоне IB.

Наиболее холодный месяц - январь со средней температурой -17,8°С. Абсолютная амплитуда колебания температуры воздуха 87°С при максимуме +40°С и минимуме -47°С. Расчётная температура для проектирования сооружений -35°С. Промерзание почвы в отдельных местах достигает 3,1 м. Продолжительность отопительного периода 212 дней.

Основные направления ветра -- юго-западное и юго-восточное; средняя скорость ветра - 4,4 м/с, максимальная - 35 м/с. Осадки составляют 260 мм в год, большая часть которых (76%) выпадает с апреля по октябрь.

Существующие системы водопотребления

Источником водоснабжения Павлодарского алюминиевого завода служат сети производственного и хозяйственно-питьевого водопровода г. Павлодара с водозаборами на реке Иртыш.

Производственное водоснабжение ПАЗ осуществляется по бессточной схеме водопользования. Свежая производственная вода используется в количестве, обеспечивающем компенсацию потерь воды в технологическом процессе и в системах водооборота (испарение и брызгоунос).

В 1998 году среднесуточное потребление свежей воды на производственные нужды ПАЗ и ТЭЦ составило 50 тыс. м^З, в том числе водопитьевого качества 40 м^З, на хозяйственно-питьевые нужды 2,2 тыс.м^З. Объём оборотного водоснабжения составил 889 тыс. м^З. Сброс промышленных стоков отсутствует.

На заводе планируются и проводятся мероприятия по экономии свежей и оборотной воды.

Водоснабжение из природного источника

Потребление заводом свежей воды составило в 1998 году 14 тыс. м³/сутки.

Свежая производственная вода поступает на завод от 2-х городских водоводов диаметром 1000 мм по шести вводам. По хозпитьевому водопроводу питьевая вода поступает на завод от городской сети по двум вводам d 400 мм. Установлены два резервуара по 1200 м³ воды и подподкачивающая насосная производительностью до 840м³/час.

Оборотное водоснабжение

Производственное водоснабжение завода осуществляется по бесточной схеме водопользования от четырёх систем водооборота:

* оборотной системы глинозёмного производства;

* оборотной системы компрессорной станции;

* оборотной системы ХМЦ;

* оборотной системы подшламовой воды глинозёмного производства.

Оборотными системами завода подаётся 167,304 тыс. м в год.

Оборотная система глинозёмного производства (общезаводская) обеспечивает водой производственные нужды основных потребителей завода. Максимальная производительность системы составляет 57680 м/сут.

Оборотная система компрессорной станции имеет максимальную производительность 67200 м³/сут.

Оборотная система цеха ХМЦ имеет максимальную производительность 17750 м^З/сут.

Оборотная система подшламовой воды имеет максимальную производительность 92000 м^З/сут.

Объемы и виды продукции

Основным видом продукции ПАЗ является металлургический глинозём, служащий сырьём для производства алюминия.

При переработке растворов глинозёмного производства получают металлический галлий.

После включения ТЭЦ в состав АО "Алюминий Казахстана" в перечне продукции появились также электроэнергия и горячая вода, поступающая для нужд г. Павлодара.

В опытном цехе налажено производство сульфата алюминия-реагента, используемого для очистки питьевой воды.

Ниже, в таблице 3.3 показана динамика изменения количества выпускаемой продукции за 1988-1998 г.г. и ожидаемая тенденция.

Таблица 3 Динамика изменения количества выпускаемой продукции

Год	Наименование вида продукции
	Глинозём, тыс. т/год	Галлий, т/год	AI2(S04)3, т/год	Электроэнергия, тыс. кВт'ч/год	Горячая вода,пар Гкал/год
1998	1080	12,052	-	2 205 875	5 133 004
1999	1100	18,088	-	2 231378	5 800127
2000	1120	21,226	-	2 287 950	5 963 813
2001	1180	21,181	-	2 209 960	6 239 470
2002	1300	21,130	-	2 332 679	6 456 742
2003	1380	21,130	8,59	2 186 435	6 529 913
2004	1420	26,493	17,91	2 172 780	5 573 777
2005	1470	9,735	16,98	2 177 787	5 634 655
2006	1490	15,254	23,89	2 100 010	5 770 701
2007	1500	20,007	26,74	1 923 432	5 610 341
2008	1520	16,486	28,21	1 932 992	5 622 024

Технологические процессы, обуславливающие выбросы, сбросы и образование отходов:

Объекты сырьевых переделов (приёмное устройство, среднее дробление, шихтовальный и усреднительный склады) предназначены для измельчения, транспортировки и складирования сырья - бокситов, известняка и угля. К этой же группе относятся дробление и транспорт спека. Технологические процессы переработки сухих пылящих материалов сопровождаются выделением пыли в местах переработки и пересыпки. Все места пылевыделения оснащены устройствами аспирации и пылеподавления, сокращающими запылённость воздуха до незначительной.

Объекты гидрохимических переделов байеровской и спекательной ветвей (блок мокрой обработки, отделение декомпозиции с вакуумным охлаждением, блок обработки гидрата, отделение мокрого размола и коррекционных бассейнов, блок выщелачивания и обескремнивания, отделение выпарки) обеспечивают переработку алюминатных растворов и пульп, а также теплотехнические процессы технологического цикла.

Основное оборудование гидрохимических переделов - ёмкости -работает как при атмосферном, так и при повышенном давлении.

Температура рабочей среды в указанных переделах колеблется от 50°С до 150°С. Выброс в атмосферу водяных паров, содержащих аэрозоли щёлочи, происходит через вытяжные трубы ёмкостей, работающих под атмосферным давлением. Очистке эти выбросы не подвергаются, распределены они равномерно по территории, занятой гидрохимическими переделами.

Объекты термических переделов (спекание и кальцинация) оснащены печными устройствами. Вращающиеся печи спекания работают на пылеугольном топливе; температура отходящих газов около 300 ^оС. все печи оснащены газоочистными установками (циклонами и электрофильтрами) с эффективностью пылеулавливания около 99,6%. Выброс печных газов производиться через три дымовые трубы высотой 120 м. На них приходится основной объем газообразных выбросов (SO₂, CO, NO₂ и другие) от объектов глиноземного производства.