Утилизация золошлаков ТЭС как новая кроссотраслевая задача

Павел Николаевич СНИККАРС
Директор Департамента развития электроэнергетики Министерства энергетики Российской Федерации
e-mail: SnikkarsPN@minenergo.gov.ru

Ирина Юрьевна ЗОЛОТОВА
Директор Центра отраслевых исследований и консалтинга Финансового университета
при Правительстве Российской Федерации
e-mail: IYZolotova@fa.ru

Никита Андреевич ОСОКИН
Заместитель директора Центра отраслевых исследований и консалтинга Финансового университета при Правительстве Российской Федерации
e-mail: NAOsokin@fa.ru

Pavel Snikkars
Head of Department of power
engineering development, Ministry of energy
e-mail: SnikkarsPN@minenergo.gov.ru

Irina Zolotova
Head of Center for Industrial Research
and Consulting, Financial University
e-mail: IYZolotova@fa.ru

Nikita Osokin
Deputy Director, Center for Industrial
Research and Consulting, Financial University
e-mail: NAOsokin@fa.ru

В работе рассматривается вопрос межотраслевой синхронизации целевых значений по утилизации продуктов сжигания твердого топлива. Авторы предлагают определить 4 консолидированных направления вовлечения их в хозяйственный оборот: строительная отрасль, сельское хозяйство, природоохранные мероприятия и промышленное производство. В рамках каждого направления рассматриваются экономические, экологические и технологические эффекты утилизации.
Ключевые слова: продукты сжигания твердого топлива, Энергостратегия‑2035, утилизация отходов, угольная генерация, золошлаки, национальные проекты.

This paper assesses the issue of synchronizing strategic cross-­industry goals in accordance with the Energy strategy of the Russian Federation until 2035 setting a performance indicator of coal combustion product (CCP) utilization. The authors propose to review four consolidated CCP applications: construction, agriculture, environmental activities and other industrial production. The potential economic, environmental and technological effects of each application is evaluated with regard to ongoing National projects and other cross-­industry strategic documents.
Keywords: coal combustion products, Energy strategy 2035, waste utilization, coal-fired power generation, coal ash, national projects.

Введение

Минэнерго России ставит перед собой стратегическую задачу по снижению углеродного следа топливно-­энергетического комплекса, в том числе за счет развития возобновляемой энергетики. Одна из тактических задач этого направления работы – снижение негативного воздействия на окружающую среду действующих объектов генерации. Установление целевого показателя по утилизации продуктов сжигания твердого топлива (золошлаков)  угольных ТЭС – только начало длинного пути.
Правительство России в июне 2020 года утвердило Энергетическую стратегию до 2035 года. В документе впервые установлен целевой показатель утилизации золошлаков тепловых электростанций: к 2035 году объем их полезного использования должен составлять не менее 50 % от годового уровня образования по отрасли в целом [1]. По данным Минэнерго России, в 2018 году данный показатель составлял 8,4 %. Этот уровень был взят за базовый в Энергостратегии‑2035 [2].
Вопрос использования золошлаков носит комплексный характер и создает существенный потенциал для максимизации эффективности ряда национальных проектов.

Направления вовлечения золошлаков

За рубежом индустрия вовлечения золошлаков в хозяйственный оборот планомерно развивается на протяжении нескольких десятилетий. Так, в Германии технология использования летучей золы в производстве цемента применяется уже более 50 лет [3]. Многие известные высотные здания мира были построены с использованием бетона, произведенного с добавлением золошлаков:

• башня Бурдж Халифа высотою 830 м (г. Дубай, ОАЭ), бетонный фундамент которой на 20 % состоит и золы-уноса [4];
• башня The Shard высотою 305 м (г. Лондон, Великобритания), где 50 % цемента было заменено золой-­уноса с высоким содержанием кальция;
• башня Пикассо высотою 170 м (г. Мадрид, Испания) [5].

При этом использование в строительной отрасли является далеко не единственным направлением вовлечения золошлаков в хозяйственный оборот. В Южной Корее [6] на законодательном уровне утвержден закрытый перечень из 15 способов их вовлечения в хозяйственный оборот: от использования золошлаков в производстве строительной продукции до сельскохозяйственного применения. Согласно аналитическим документам Австралийской ассоциации развития золошлаковой индустрии (Ash Development Association of Australia – ADAA), возможность их вторичного использования определяют два фактора: качество угольного топлива, из которого формируются золошлаки, и технологии переработки золошлаков [7].
Попытки систематизировать направления использования продуктов сжигания твердого топлива также можно найти и в отечественных исследованиях [8], [9]. На основе анализа зарубежных и отечественных материалов авторами статьи предложено 4 консолидированных направления вовлечения твердых остатков в хозяйственный оборот в зависимости от использования полученных материалов:

• строительная отрасль;
• сельское хозяйство;
• природоохранные мероприятия;
• прочее промышленное производство.

Дополнительно предлагается разделять продукцию, которая может производиться с использованием золошлаков, не только по цели использования, но и исходя из уровня технологической переработки золошлаков (рис. 1).

Золошлаки в строительной отрасли

В строительной отрасли необходимо выделять три направления: строительство жилых и нежилых зданий, а также возведение дорожных сооружений. В области развития жилищной застройки ключевым стратегическим документом на сегодняшний день является национальный проект «Жилье и городская среда» (реализуется Минстроем России), в котором предусмотрен перечень мероприятий до 2024 года. Документ определяет меры по созданию условий для внедрения новых технологий в проектировании и строительстве жилищной инфраструктуры. Преобладающее большинство золошлаков (99 %) имеет V класс опасности (другими словами – «неопасные»), что делает их пригодными для производства цементобетонных изделий [12]. Более того, они наносят меньший вред окружающей среде, нежели распространенные элемента быта, например, раствор поваренной соли – данному виду отходов присвоен IV класс опасности [13].
В настоящее время на стадии согласования находится обновленная Стратегия развития строительной отрасли и жилищно-­коммунального хозяйства до 2030 года [14]. В рамках стратегии предусмотрено повышение ресурсной эффективности строительства. Использование золошлаков вместо традиционных песчано-­гравийных смесей, а также в качестве вяжущего компонента бетонной смеси потенциально имеет возможность снижения себестоимости строительной продукции на 10–20 % при условии нахождения источника золоотвала угольной ТЭС в пределах эффективного радиуса  [15].

Тема использования золошлаков носит комплексный характер и создает потенциал для максимизации эффективности национальных проектов

В дорожном строительстве на сегодняшний день реализуются два национальных проекта: «Безопасные и качественные автомобильные дороги» и «Комплексный план модернизации и расширения магистральной инфраструктуры на период до 2024 года» [16](реализуются Минтрансом России). Национальный проект «Безопасные и качественные автомобильные дороги» направлен на повышение качества автодорожной сети, но вопросы строительства новых автодорог в нем практически не рассматриваются. Данный аспект особенно важен, поскольку золошлаки могут использоваться только в проектах сооружения новых дорог. В Федеральном проекте «Общесистемные меры развития дорожного хозяйства» определен целевой показатель «Доля контрактов на осуществление дорожной деятельности в рамках национального проекта, предусматривающих использование новых технологий и материалов, включенных в Реестр новых и наилучших технологий, материалов и технологических решений повторного применения». Таким образом, включение технологии использования золошлаков в реестр новых и наилучших технологий может стать дополнительным стимулом для формирования спроса на эти отходы угольных ТЭС.
Национальный проект «Комплексный план модернизации и расширения магистральной инфраструктуры до 2024 года» предусматривает широкий набор мероприятий по развитию транспортной системы России, включая железнодорожную, водную, авиационную и автодорожную инфраструктуру. В рамках создания международного транспортного маршрута «Европа – Западный Китай» должно быть построено 826 км российских дорог к 2024 году [17]. Для повышения уровня экономической связанности территорий Российской Федерации федеральным проектом «Коммуникации между центрами экономического роста» предусмотрено строительство и реконструкция автомобильных дорог на магистральных направлениях протяженностью 1977,4 км[18]. По оценкам авторов статьи, в отечественных реалиях наиболее вероятно использование золошлаков при сооружении насыпей земляного полотна. Однако данное направление возможно реализовать только в случае их соответствия «Методическим рекомендациям по применению золы-уноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях в дорожном строительстве» [19] и нахождения ТЭС рядом с местом строительства дороги.

Федеральный проект «Железнодорожный транспорт и транзит» устанавливает цели по увеличению скорости перевозки контейнеров железнодорожным транспортом и увеличению объема транзита контейнеров в 4 раза к 2024 году. Для этого требуется реализация мероприятий по реконструкции железнодорожных станций, строительству дополнительных главных путей и развитию железнодорожной инфраструктуры [20]. В мировой практике золошлаки угольных ТЭС используются при строительстве эстакад, мостов, путепроводов и производстве железнодорожных шпал [21]. В отечественных реалиях наибольший потенциал для их системного вовлечения в железнодорожное строительство имеют направления сооружения насыпей для путей и производства железобетонных шпал. Перспективным направлением в будущем может стать производство геополимерных шпал, которые отличаются повышенной прочностью. Доля золошлаков в таких шпалах может доходить до 80 % от общей массы [22].
В рамках федерального проекта «Развитие региональных аэропортов и маршрутов» запланированы мероприятия по реконструкции и строительству взлетно-­посадочных полос – до 48 единиц; объектов аэропортовой инфраструктуры – до 20 единиц [23]. В их строительстве также возможно использование золошлаков: ГОСТ 25818–2017 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия» разрешает использование золы-уноса при производстве бетонных и железобетонных изделий и конструкций, работающих в особо тяжелых условиях [24].
Использование золошлаков в строительной отрасли может привести к положительным экономическим, технологическим и экологическим эффектам. Экономическая целесообразность использования золошлаков в производстве возникает в случае расположения ТЭС и заводов строительных материалов в пределах эффективного радиуса. Положительный технологический эффект достигается за счет повышения прочности и снижения усадки цементобетонной смеси с добавлением золошлаков по сравнению с традиционной технологией производства цемента.
Сегодня крайне актуален экологический эффект: продукты сжигания твердого топлива ТЭС не требуют термической обработки, что снижает объем выбросов СО2. Производство одной тонны цемента с использованием твердых отходов ТЭС в среднем снижает объем выбросов углекислого газа на одну тонну по сравнению с традиционным способом производства (точный масштаб эффектов зависит от качества и технологии вторичного использования) [25]. Согласно данным ADAA, в сумме за последние 40 лет в Австралии объем выбросов парниковых газов был снижен на 16 млн тонн благодаря использованию золошлаков при производстве цемента.
В России в 2019 году производство цемента составляло порядка 57,8 млн тонн [26], на регионы, где присутствует угольная генерация, пришлось примерно 30 млн тонн. Если руководствоваться нормативами ГОСТ 25818–2017 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия», то в России до 30 % цемента может быть заменено сухой золой-­уноса с высоким содержанием кальция. В Австралии соотношение потребления золы к цементу на строительном рынке составляет 1 к 5 [27]. Тем самым, потенциально от 6 до 9 млн т производимого в России цемента может быть заменено золошлаками, что указывает на возможность снижения выбросов СО2 в строительной отрасли примерно на 3–5 млн т.
Отмеченный эффект использования золошлаков особенно актуален в контексте реализации федерального проекта «Чистый воздух» [28] и разработки Минэкономразвития России Стратегии долгосрочного развития России с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года [29].

Золошлаки как составляющая природоохранных мероприятий

Золошлаки обладают адсорбирующими и теплоизолирующими свой­ствами, что дает возможность их использования при реализации различных природоохранных мероприятий. Сейчас активно реализуются федеральные проекты «Сохранение озера Байкал» и «Оздоровление Волги» [30], [31]. Большое внимание в этих проектах уделяется наращению мощности очистных сооружений. Модернизация и строительство очистных сооружений на озере Байкал и других водных объектах Байкальской природной территории должны обеспечить к 2025 году увеличение соответствующей фильтрующей мощности на 350 тыс. м3 в сутки.
В настоящее время существуют технологии и исследования о возможности использования золошлаков в качестве сорбента для очистки сточных вод[32]. Кроме того, ряд исследователей рассматривает возможность синтеза цеолитов из твердых отходов ТЭС, которые также обладают высокими адсорбционными характеристиками и способны улавливать катионы стронция, бария и аммония[33].

В Южной Корее на законодательном уровне утвержден перечень из 15 способов вовлечения золошлаков в оборот: от использования в производстве строительной продукции до сельскохозяйственного применения

Необходимо отдельно обозначить возможность применения золошлаков в процессе обезвреживания отходов I и II класса опасности – в зарубежной и отечественной практике зола-унос используется в качестве добавки при цементировании радиоактивных отходов. Добавление золы-уноса позволяет повысить водонепроницаемость цементного камня, уменьшить тепловыделение при гидратации клинкера и улучшить текучесть цементной пасты [34].
Одним из наиболее перспективных направлений утилизации золошлаков с точки зрения крупнотоннажного использования является рекультивация нарушенных земель. В частности, золошлаковый грунт может применяться для ликвидации горных выработок. Данная практика особенно актуальна для ТЭС, расположенных в относительной близости к разрабатываемым месторождениям. Помимо этого, существует потенциал использования золошлаков в качестве изолирующего слоя на мусорных полигонах в качестве техногенного грунта для пересыпки твердых коммунальных отходов.
Использование продуктов сжигания твердого топлива ТЭС в природоохранных мероприятиях может существенно повысить их экологическую результативность и экономическую эффективность. Так, в проектах рекультивации нарушенных земель могут использоваться золошлаки, не требующие существенных технологических ресурсозатрат со стороны ТЭС на переработку и подготовку к утилизации.

Золошлаки как мелиорант и почвенное удобрение в сельском хозяйстве

Сегодня ключевым стратегическим документом России в области развития сельского хозяйства является Доктрина продовольственной безопасности, утвержденная в январе 2020 года [35]. Среди ключевых целей развития продовольственной безопасности в России указывается «восстановление и повышение плодородия земель сельскохозяйственного назначения, предотвращение сокращения площадей земель сельскохозяйственного назначения, рациональное использование таких земель, защита и сохранение сельскохозяйственных угодий от водной и ветровой эрозии и опустынивания».
В этом контексте можно говорить о широком потенциале вовлечения золошлаков в сельское хозяйство. Наиболее простые технологии предполагают их использование как материала для стабилизации почвы. Благодаря большому числу гранул, имеющих форму илистых частиц и пористую поверхность, добавление золошлаков в почву позволяет увеличить ее влагоудерживающие свой­ства и влиять на проницаемость низко плодородных почв. От этого повышается эффективность полива, а также способность почв удерживать важные питательные вещества: нитраты, аммоний и фосфор. Масштаб эффектов от использования золошлаков в сельском хозяйстве определяется характеристиками почвы, на которой планируется проведение соответствующих работ.

На основе золошлаков могут также производиться неорганические цеолиты. Цеолиты являются кристаллическими алюмосиликатами на щелочной основе, которые принято считать «умными» удобрениями благодаря их ионообменной емкости и высокой пористости [36]. За счет катионного обмена цеолиты способны планомерно поставлять растениям полезные вещества (азот, кальций, железо, магний, калий) по мере потребности. Подобные удобрения химически инертны, нетоксичны для растений, животных, людей и окружающей среды, а также обеспечивают оптимальный баланс почвы путем иммобилизации токсичных загрязнителей для растений.

Золошлаки как новое направление отечественной промышленности

В настоящее время Минпромторгом России разрабатывается обновленная Стратегии развития черной и цветной металлургии на период до 2030 года [37]. В аналогичном стратегическом документе на период 2014–2020 гг. большой акцент был сделан на локализации металлургической промышленности и добычи руд черных и цветных металлов [38]. В данном контексте золошлаки могут рассматриваться как «вторичная руда» металлов, запасы которой в России на сегодняшний день составляют более 1 млрд тонн [39].
Исследование Объединенного института высоких температур РАН [40] показывает, что за счет извлечения металлов из золошлаков могут быть произведены следующие элементы:

• железный концентрат;
• глинозем;
• магний;
• редкие породы металлов (скандий, галлий, титан и др.).

По нашему мнению, наибольший потенциал имеет направление извлечения глинозема из продуктов сжигания твердого топлива ТЭС. В 2019 году Россия стала третьей страной в мире по объему произведенного алюминия (3,6 млн тонн) [41], при этом глинозема (основного компонента алюминиевой промышленности) на территории страны производится менее 3 млн тонн ежегодно. В России на сегодняшний день потребности алюминиевой промышленности в глиноземе покрываются внутренним производством лишь на 35 % [42].

Использование золошлаков вместо традиционных песчано-­гравийных смесей потенциально может снизить себестоимость строительной продукции
на 10–20 % при близком расположении угольной ТЭС

Технология извлечения глинозема из золошлаков является одной из наиболее активно развивающихся в Китае. Китай масштабно импортирует бокситы для производства глинозема в связи с недостатком внутренних рудных запасов. Для снижения подобной импортозависимости в Китае ведутся НИОКР в области новых технологий извлечения глинозема. В середине 2000-х годов в Северо-­Западном Китае (провинции Внутренняя Монголия и Шаньси) был обнаружен новый вид золошлаков – зола с высоким содержанием глинозема, содержание оксида алюминия в котором достигает от 40 % до 50 % от общей массы данного вида золошлаков. В среднем по миру содержание оксида алюминия в золошлаках составляет 25 % от общей массы продуктов сжигания твердого топлива [43]. Аналогичная концентрация оксида алюминия актуальна и для отечественных ТЭС, работающих на твердом топливе [44].
Начиная с 2011 года, зола с высоким содержанием глинозема включена в перечень приоритетных материалов промышленного производства Китая. На сегодняшний день в Китае уже функционирует более 10 зольно-­глиноземных заводов. Самый большой из них расположен в алюминиевом технопарке при крупнейшей угольной станции в мире – ТЭС Тогто (провинция Внутренняя Монголия, мощность 6,7 ГВт). В год завод способен производить 5 млн т глинозема при поставках 15 млн т золошлаков, что в перспективе должно исключить потребность Китая в импорте бокситов в размере 12 млн т.
Реализация подобного направления вовлечения твердых отходов ТЭС в хозяйственный оборот российской экономики также синхронизируется с целями Стратегии промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления, утвержденной в 2018 году [45]. Среди целевых показателей в документе отмечается необходимость повышения доли утилизируемых отходов, а также определяются направления развития индустрии переработки отходов. В частности, говорится о создании производственно-­технических комплексов по переработке отходов, а также экотехнопарков. Опыт Китая показывает, что именно сооружение профильных технопарков в эффективном радиусе от ТЭС может стать наиболее целесообразной моделью развития высоко технологичной переработки золошлаков и в Российской Федерации.

Заключение

Реализация текущих национальных проектов до 2024 года создает предпосылки для крупнотоннажного вовлечения золошлаков в строительную отрасль и природоохранные мероприятия. Однако использование золошлаков в промышленном высокотехнологичном производстве, таком как извлечение глинозема, может привести к более масштабным экономическим эффектам. При этом применение золошлаков в промышленном производстве (за рамками строительной отрасли) в первую очередь требует наличие соответствующих технологий как у электростанций («производителей» золошлаков), так и у потенциальных потребителей рассматриваемых продуктов сжигания твердого топлива.
На рис. 2 представлены ключевые направления развития системы утилизации продуктов сжигания твердого топлива ТЭС (золошлаков) в России в контексте реализации межведомственных стратегических документов.

Достижение целевого значения по утилизации золошлаков, определенного Энергостратегией‑2035, целесообразно синхронизировать с реализацией актуальных межотраслевых задач. Использование их в промышленности позволяет не только повысить экономическую эффективность достижения стратегических целей национального развития, но и имеет серьезный потенциал для снижения углеродного следа ряда отраслей. Важно подчеркнуть, что создаваемые эффекты для экономики и окружающей среды возрастают в зависимости от технологичности переработки рассматриваемых продуктов сжигания твердого топлива. Именно консолидированные усилия и гармонизированное стратегическое целеполагание позволит сократить разрыв между Россией и странами-­лидерами по вовлечению золошлаков в хозяйственный оборот и максимизировать кросс-­отраслевые эффекты.