Министерство Энергетики

От отходов угольных электростанций к производству строительных материалов

Виктор АНИКЕЕВ
Объединенная металлургическая компания, к. т. н.
e-mail: vero1028@mail.ru

Дмитрий СИЛКА
РАНХиГС, д. э. н.
e-mail: silka-dn@ranepa.ru

Аннотация. Статья описывает проблему образования золошлаковых отходов при использовании угля в электрогенерации. Авторы приводят подробный анализ различных вариантов использования этих отходов, в первую очередь, в строительной промышленности. Они отмечают, что на данный момент необходимо усовершенствовать нормативную базу применения золошлаковых отходов в строительстве. Кроме того, обращают внимание на необходимости стимулирования создания рынка золошлаковых материалов.
Ключевые слова: угольная генерация, золошлаковые отходы, строительные материалы, сокращение расходов.

Abstract. The article describes the problem of ash and slag waste formation when using coal in power generation. The authors provide a detailed analysis of various options for using this waste, primarily in the construction industry. They note that at the moment it is necessary to improve the regulatory framework for the use of ash and slag waste in construction. In addition, attention is paid to the need to stimulate the creation of a market for ash and slag materials.
Keywords: coal generation, ash and slag waste, construction materials, cost reduction.

Основная проблема применения угля в качестве топлива для электростанций состоит в значительном количестве выбросов от его сжигания как газообразных (углекислый газ, водяные пары, оксиды серы), так и твердых (зола и шлаки).
Вместе с тем, уголь как энергетический ресурс обладает и рядом преимуществ. Его месторождения более равномерно распределены географически, цены на этот вид топлива относительно стабильны. Транспортировка угля не требует особых условий и специального оборудования и может осуществляться различными видами транспорта. Кроме того, по стоимости тонны условного топлива уголь зачастую выгодно отличается от таких широко распространенных видов энергоресурсов как газ и мазут.
Несмотря на наметившийся в последнее время разворот развитых государств в сторону возобновляемой энергетики, многие страны не отказываются полностью от угольных электростанций.

Терриконы в Тульской области
Источник: ustik.livejournal.com

Продолжающееся строительство объектов генерации на основе угля одной из основных целей имеет снижение рисков в энергообеспечении, связанное с высокой доступностью этого вида топлива. При этом существуют прогрессивные технологии сжигания и очистки продуктов сгорания угля, которые позволяют уменьшить количество газообразных и твердых выбросов. В настоящий момент широкое внедрение данных технологий ограничено высокой наукоемкостью и стоимостью их применения.
Современные технологии угольной генерации предусматривают образование твердых отходов, отвалы которых, накапливаясь, негативно воздействуют на окружающую среду.
При сжигании угля образуются продукты высокотемпературной (1300–1600 °C) обработки минеральной части топлива – зола, кусковой шлак и золошлаковые смеси. Выход продуктов сжигания зависит от разновидности угольного топлива (бурый уголь, антрацит, каменный уголь и др.) и может изменяться в интервале от 5 до 75 % [5].
Годовой объем ежегодной выработки золошлаковых отходов (далее – ЗШО) в России оценивается в 22 млн тонн в год. На сегодняшний день в стране накоплено по разным оценкам от 1,4 до 1,8 млрд тонн угольных отходов. На 30 % угольных электростанций емкости существующих золошлаковых хранилищ практически исчерпаны. Под ЗШО отчуждено более 20 тыс. кв. км земельных участков [3, 4, 6]. В настоящее время в России утилизируется (перерабатывается для дальнейшего использования в хозяйственной деятельности) не более 10–12 % таких отходов [3, 4], в то время как в ряде стран утилизируется 70–95 % от выхода ЗШО, а в Нидерландах и Дании – до 100 % [3, 8].
Таким образом, в России для последующего применения в качестве вторичного сырья отгружается не более 4 млн тонн золошлаков в год: из них сухая зола уноса составляет не более 0,8 млн тонн [3], оставшаяся часть – гидратированные золошлаковые смеси – используется для рекультивации земель, ландшафтных работ и производства цемента.
Основной причиной низкой доли использования ЗШО является несовершенство нормативно-­правовой базы в части их использования в различных направлениях хозяйственной деятельности.
Повышение доли использования промышленных отходов в качестве вторичного сырья является важнейшей задачей государственного значения. Наиболее перспективным направлением применения ЗШО с точки зрения массового вовлечения в оборот является использование их в строительных работах или при производстве строительных материалов, так как оба эти направления являются материалоёмкими (рис. 1, рис. 2). Золошлаки могут быть использованы как исходный материал при производстве цемента, теплоизоляционных материалов, в качестве заполнителя с заменой песка и гравия в строительстве, в том числе в дорожном и железнодорожном строительстве, где доля гравия и песка очень высока.

Рис. 1. Строительные материалы, изготовленные с применением ЗШО
Источник: www.nstu.ru
Рис. 2. Жилой 20‑этажный дом из шлакощелочного бетона в г. Липецке, построенный в конце 1980‑х годов
Источник: kislorod.life

Итак, в качестве основных направлений использования ЗШО в части производства строительных материалов и выполнения работ с точки зрения наилучших доступных решений и технологий можно выделить [9]:
—  ландшафтное строительство, общестроительные работы, устройство насыпей, обратная засыпка траншей и т. п.
—  производство цемента;
—  производство кирпича;
—  улучшение качества почв;
—  изолирующий материал на полигонах твердых бытовых и других отходов;
—  применение в дорожном строительстве для устройства дорожных оснований и одежд.
С точки зрения использования в качестве вторичного сырья при производстве строительных материалов, ЗШО могут использоваться [5, 9, 11]:
1) зола уноса:
—  при изготовлении керамических материалов (плитка, кирпич, дренажные трубы);
—  в качестве исходного компонента при производстве цемента;
—  в качестве заполнителя бетона;
—  в качестве добавки в клинкер;
—  при производстве ячеистого бетона;
—  при производстве пористых заполнителей (безобжиговый гравий, азерит, зольный гравий и др.);
—  при производстве силикатного кирпича;
—  как наполнитель полимерных материалов.
2) шлаки:
—  при производстве ячеистого бетона;
—  при производстве пористых заполнителей (азерит и др.);
—  при производстве минеральной ваты;
—  при производстве шлаковой пемзы;
—  в каменном литье;
—  при производстве ситаллов.
Производство данных строительных материалов предусматривает возможность использования ЗШО в исходной шихте от 25 до 100 %. При этом себестоимость производства основных строительных материалов – цемент, бетон, сухие строительные смеси, стеновые изделия, тротуарная плитка и др. – при использовании золошлаков снижается на 12–25 %. Кроме того, отдельные компоненты, содержащиеся в этих отходах, такие как алюмосиликатные микросферы, применяются для производства красок, высококачественных теплоизоляционных материалов и др. [2]
В настоящее время разработаны и во многих странах применяются на практике различные методы и технологии утилизации ЗШО, которые позволяют предлагать альтернативу природному сырью в производстве строительных материалов. В России технологии утилизации и требования к золошлаковым отходам описаны в различных нормативно-­технических документах (ГОСТ, ТУ, строительные правила и др.). ГОСТ Р 56618–2015 «Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Технические требования к характеристикам угольной золы и золы-уноса, предназначенным для вторичного использования» предусматривает возможные варианты конечного использования летучей золы [7].

Строительство жилого комплекса
Источник: mrrestavrator.ru

Кроме того, существуют следующие ГОСТы, наиболее четко определяющие область применения ЗШО ТЭС в части использования их в качестве вторичного сырья при производстве строительных материалов:
1)  ГОСТ 33928–2016 «Заполнители искусственные пористые на основе зол и шлаков ТЭС. Технические условия»;
2)  ГОСТ Р 57789–2017 «Золы, шлаки и золошлаковые смеси ТЭС для производства искусственных пористых заполнителей. Технические условия»;
3)  ГОСТ 26644–85 «Щебень и песок из шлаков тепловых электростанций для бетона. Технические условия»;
4)  ГОСТ 25818–2017 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия»;
5)  ГОСТ 25592–91 «Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов. Технические условия».
Также имеется большое количество нормативно-­технической документации, регламентирующей применение ЗШО, предусматривающее замену ими природных материалов при производстве строительных работ. Однако наличие этих и других нормативно-­технических документов не является полноценным условием, обеспечивающим высокий уровень использования золошлаковых отходов в производстве строительных материалов. Практическая возможность и целесообразность мероприятий, направленных на утилизацию ЗШО определенных ТЭС для конкретных целей определяется следующими факторами [9]:
—  состав и свой­ства ЗШО и их соответствие требованиям потенциальных потребителей;
—  степень доступности и стоимость природных материалов, которые могут быть заменены ЗШО;
—  наличие постоянных потенциальных потребителей ЗШО;
—  экономическая заинтересованность ТЭС в применении технологий обработки ЗШО – грануляция, сепарация, фракционирование и т. д. – для придания им необходимых потребительских свой­ств.
В настоящее время в России переработка и использование ЗШО никому не выгодны. Работа по утилизации ЗШО – непрофильная деятельность энергетиков. Существующие региональные рынки строительных материалов имеют отработанную технологическую схему для поставки таких природных ресурсов как песок и щебень. Вход на такие рынки является затруднительным несмотря на то, что ЗШО – это сырьё, которое может успешно конкурировать на рынке материалов для строительной индустрии, а также в качестве сырья для стройматериалов, эффективно заменяя природные ресурсы.
Вместе с тем утилизация ЗШО может быть выгодна:
1)  собственникам угольной генерации. Внедрение технологий, ориентированных на производство ЗШО в виде товарной продукции и сбыт потребителям, может обеспечить рост рентабельности ТЭС на 10–20 %, что позволить снизить рост тарифов на электроэнергию и тепло;
2)  предприятиям промышленности строительных материалов за счёт снижения себестоимости производства продукции;
3)  государству, поскольку это позволило бы более эффективно использовать средства федерального и регионального бюджетов;
4)  обществу за счёт снижения негативного влияния на окружающую природную среду.
Ранее исследователями уже упоминалась необходимость институциональных преобразований для увеличения уровня вовлечения ЗШО в производственную деятельность различных отраслей промышленности. Среди основных направлений деятельности для институционализации в сфере обращения ЗШО с целью решения вышеназванных задач были отмечены также следующие [10]:
—  создание гарантированного рынка сбыта ЗШО посредством изменения федерального и регионального законодательства с учётом ФЗ № 2395–1 от 21.02.1992 г. «О недрах» (ст. 18);
—  сотрудничество с региональными властями в области поиска потребителей и переработчиков ЗШО;
—  создание действующей базы данных, содержащей информацию о производителях, потребителях и переработчиках ЗШО, технологиях переработки и направлениях использования ЗШО;
—  развитие стандартизации в области обращения с ЗШО;
—  создание условий для широкого внедрения крупнотоннажных технологий использования ЗШО.

Строительный песок и щебень
Источник: iv-spectehnika.ru

Необходимо отметить, что организация сбыта золошлаковых отходов может быть целесообразна только при наличии гарантированного спроса. В России отсутствует устоявшийся рынок ЗШО, гарантирующий их сбыт для ТЭС, что делает экономически невыгодным внедрение оборудования, предназначенного для сбора, отгрузки или предпродажной подготовки этого сырья. Отсутствие рынка золошлаков во многом связано с отсутствием мер государственного регулирования и стимулирования потенциальных потребителей ЗШО к их утилизации.
Выводы: масштабное вовлечение ЗШО в качестве вторичного сырья в строительные работы и в производство строительных материалов требует разработки и реализации целого комплекса мероприятий, направленных на решение задач по созданию благоприятных для формирования рынка условий. Для этого необходимо создание комфортного информационного пространства для бизнес-­сообщества, компаний-­собственников угольных ТЭЦ и прочих заинтересованных организаций. Этому во многом будет способствовать формирование государственной системы обращения с отходами, используемыми в строительстве и при производстве строительных материалов (далее – система, ГСОПСМ).
Данная система будет оказывать содействие в решении следующих задач, установленных документами стратегического планирования РФ:
–  развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления [4];
–  развития промышленности строительных материалов [12];
–  инновационного развития всей строительной отрасли [13].
Cистема должна включать информационный ресурс, содержащий актуальную информацию в части:
1)  количества отходов и их характеристик;
2)  возможных направлений использования отходов в строительных работах и при производстве строительных материалов с учетом имеющегося отечественного и зарубежного опыта;
3)  перечня отечественных и зарубежных технологий, применяемых для:
–  подготовки отходов перед их использованием в качестве вторичного сырья;
–  проведения строительных работ и производства строительных материалов с применением ЗШО;
4)  перечня нормативно-­технической и нормативно-­правовой документации, регулирующей использование ЗШО в качестве вторичного сырья;
5)  перечня организаций, в результате деятельности которых образуются золошлаковые отходы, и организаций, основным видом деятельности которых является проведение строительных работ и производство строительных материалов.
Создание такого информационного ресурса направлено на:
1)  повышение уровня информированности заинтересованных лиц о возможностях применения ЗШО в строительстве и производстве строительных материалов;
2)  повышение эффективности управленческих решений в части обращения с ЗШО на различных уровнях;
3)  организованное объединение и кооперацию предприятий и других участников рынка строительных материалов и услуг.
Данный информационный ресурс будет способствовать увеличению объемов ЗШО, используемых в строительных работах и производстве строительных материалов.
Кроме того, необходимо создавать пилотные проекты для апробации применения ЗШО в строительстве, чему могут способствовать государственные проекты.
Так, в настоящее время на рынке жилищного строительства активно работает «ДОМ.РФ» – финансовый институт развития в жилищной сфере, созданный в 1997 году постановлением Правительства РФ для содействия проведению жилищной политики. В декабре 2020 года Госкомпания «ДОМ.РФ» создала собственную девелоперскую компанию, которая займется возведением микрорайонов площадью 200–300 тыс. квадратных метров. Данная компания могла бы реализовывать проекты с применением ЗШО с широким эффектом.
Также можно привести пример в жилищном строительстве, где активную работу ведет Федеральное дорожное агентство «Росавтодор». Оно осуществляет функции по оказанию государственных услуг, по управлению государственным имуществом в сфере автомобильного транспорта и дорожного хозяйства, включая управление федеральными автомобильными дорогами. Существует и масса других примеров с большим объемом госинвестиций и полномочий. Поэтому можно считать, что все базовые условия для развития рынка ЗШО, где можно применить волевые решения, имеются.