Летучая зола - Fly ash

Микрофотография, сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) и детектора обратного рассеяния: поперечное сечение частиц летучей золы при 750-кратном увеличении

Летучая зола или же дымовая зола, также известный как пылевидная зола в Соединенном Королевстве - это продукт сгорания угля который состоит из частицы (мелкие частицы сгоревшего топлива), которые выбрасываются из угольных котлы вместе с дымовые газы. Зола, которая попадает на дно камеры сгорания котла (обычно называемой топкой), называется зольный остаток. В современном угольные электростанции, летучая зола обычно улавливается электрофильтры или другое оборудование для фильтрации частиц до того, как дымовые газы достигнут дымоходов. Вместе с зольный остаток снятый со дна котла, он известен как угольная зола. В зависимости от источника и состава сжигаемого угля компоненты летучей золы значительно различаются, но вся летучая зола включает значительные количества диоксид кремния (SiO2) (обе аморфный и кристаллический ), оксид алюминия (Al2О3) и оксид кальция (CaO), основные минеральные соединения в угленосных горные породы.

Незначительные компоненты летучей золы зависят от конкретных состав угольного пласта но может включать один или несколько из следующих элементов или соединений, обнаруженных в следовых концентрациях (до сотен частей на миллион): мышьяк, бериллий, бор, кадмий, хром, шестивалентный хром, кобальт, вести, марганец, Меркурий, молибден, селен, стронций, таллий, и ванадий, наряду с очень небольшими концентрациями диоксины и Соединения ПАУ.[1][2] В нем также есть несгоревший углерод.[3]

В прошлом летучая зола обычно сбрасывалась в атмосфера, но стандарты контроля загрязнения воздуха теперь требуют, чтобы он улавливался перед выпуском путем установки оборудование для борьбы с загрязнением. В Соединенных Штатах летучая зола обычно хранится на угольных электростанциях или на свалках. Около 43% перерабатывается,[4] часто используется как пуццолан производить гидравлический цемент или же гидравлическая штукатурка и замена или частичная замена портландцемент в производстве бетона. Пуццоланы обеспечивают схватывание бетона и штукатурки и обеспечивают дополнительную защиту бетона от сырости и химического воздействия.

В случае, если летучая (или зола) зола не образуется из угля, например, когда твердые отходы сжигаются в превращение отходов в энергию На установке для производства электроэнергии зола может содержать более высокий уровень загрязняющих веществ, чем угольная зола. В этом случае образующаяся зола часто классифицируется как опасные отходы.

Химический состав и классификация

Состав летучей золы по типу угля
КомпонентБитумныйСуббитуминозныйЛигнит
SiO2 (%)20–6040–6015–45
Al2О3 (%)5–3520–3020–25
Fe2О3 (%)10–404–104–15
CaO (%)1–125–3015–40
LOI (%)0–150–30–5

Материал летучей золы затвердевает, будучи взвешенным в выхлопных газах, и собирается электрофильтры или фильтровальные мешки. Поскольку частицы быстро затвердевают, будучи взвешенными в выхлопных газах, частицы летучей золы обычно сферический по форме и размеру от 0,5 мкм до 300 мкм. Основным следствием быстрого охлаждения является то, что немногие минералы успевают кристаллизоваться и остается в основном аморфное закаленное стекло. Тем не менее некоторые огнеупорный фазы в пылевидном угле не плавятся (полностью) и остаются кристаллическими. Следовательно, летучая зола является неоднородным материалом. SiO2, Al2О3, Fe2О3 и иногда CaO является основным химическим компонентом летучей золы. Минералогия летучей золы очень разнообразна. Основные встречающиеся фазы - это стеклянная фаза вместе с кварц, муллит и оксиды железа гематит, магнетит и / или маггемит. Другие часто идентифицируемые фазы: кристобалит, ангидрит, свободная известь, периклаз, кальцит, сильвит, галит, портландит, рутил и анатаз. Са-содержащие минералы анортит, геленит, акерманит и различные силикаты кальция и алюминаты кальция, идентичные тем, которые содержатся в портландцемент могут быть идентифицированы в летучей золе с высоким содержанием кальция.[5]В Меркурий контент может достигать 1 промилле,[6] но обычно входит в диапазон 0,01–1 ppm для битуминозного угля. Концентрации других микроэлементов также варьируются в зависимости от вида угля, сжигаемого для его образования.

Два класса летучей золы определяются следующим образом: ASTM C618: летучая зола класса F и летучая зола класса C. Основное различие между этими классами - количество кальция, кремния, глинозема и железа в золе. На химические свойства летучей золы в значительной степени влияет химический состав сжигаемого угля (т. Е. антрацит, битумный, и лигнит ).[7]

Не вся летучая зола соответствует требованиям ASTM C618, хотя в зависимости от области применения в этом может не быть необходимости. Летучая зола, используемая в качестве замены цемента, должна соответствовать строгим строительным стандартам, но в Соединенных Штатах не установлены стандартные экологические нормы. Семьдесят пять процентов летучей золы должны иметь тонкость 45 мкм или меньше, и иметь углерод содержание, измеренное потерями при возгорании (LOI), менее 4%. В США LOI не должен превышать 6%. Гранулометрический состав сырой золы-уноса имеет тенденцию постоянно колебаться из-за изменения производительности угольных мельниц и производительности котла. Это делает необходимым, чтобы, если зола-унос оптимальным образом используется для замены цемента в производстве бетона, ее необходимо обрабатывать с использованием обогащение такие методы, как механическая классификация воздуха. Но если зола-унос используется в качестве наполнителя для замены песка при производстве бетона, можно также использовать золу-унос с более высоким показателем LOI. Особенно важна постоянная проверка качества. В основном это выражается в пломбах контроля качества, таких как Бюро индийских стандартов знак или знак DCL муниципалитета Дубая.

Класс "F"

При сжигании более твердого и старого антрацита и битуминозного угля обычно образуется летучая зола класса F. Эта летучая зола пуццолановый в природе и содержит менее 7% Лайм (СаО). Обладающий пуццолановый По свойствам стекловидный диоксид кремния и оксид алюминия летучей золы класса F требует вяжущего агента, такого как портландцемент, негашеная известь или гашеная известь, смешанных с водой для реакции и образования вяжущих соединений. В качестве альтернативы добавление химического активатора, такого как силикат натрия (жидкое стекло) к золе класса F может образовывать геополимер.

Класс «С»

Летучая зола, образующаяся при сжигании более молодого лигнита или полубитуминозного угля, помимо пуццолановых свойств, также обладает некоторыми самоцементными свойствами. В присутствии воды зола-унос класса C со временем затвердевает и становится прочнее. Зола-унос класса C обычно содержит более 20% извести (CaO). В отличие от класса F, летучая зола класса C не требует активатора. Щелочь и сульфат (ТАК
4) содержание летучей золы класса C обычно выше.

По крайней мере, один производитель в США объявил кирпич из летучей золы с содержанием золы уноса до 50%. Тестирование показывает, что кирпичи соответствуют или превосходят стандарты производительности, перечисленные в ASTM C 216 для обычного глиняного кирпича. Он также находится в пределах допустимых пределов усадки для бетонного кирпича согласно ASTM C 55, Стандартным техническим условиям для бетонного строительного кирпича. Подсчитано, что метод производства, используемый в кирпиче из летучей золы, снизит потребляемую энергию каменной кладки до 90%.[8] Предполагалось, что кирпич и брусчатка появятся в коммерческих количествах до конца 2009 года.[9]

Утилизация и источники на рынке

В прошлом летучая зола, образующаяся при сжигании угля, просто уносилась дымовые газы и разошлись в атмосфере. Это создало проблемы для окружающей среды и здоровья, которые привели к принятию законов, которые снизили выбросы летучей золы до менее 1% производимой золы. Во всем мире более 65% летучей золы, образующейся на угольных электростанциях, утилизируется в свалки и зольные пруды.

Зола, которая хранится или откладывается на открытом воздухе, может со временем привести к вымыванию токсичных соединений в подземные водоносные горизонты. По этой причине большая часть текущих споров вокруг удаления летучей золы вращается вокруг создания специально выстланных свалок, которые предотвращают выщелачивание химических соединений в грунтовые воды и местные экосистемы. Поскольку уголь был доминирующим источником энергии в Соединенных Штатах на протяжении многих десятилетий, энергетические компании часто размещали свои угольные электростанции недалеко от городских районов. Экологические проблемы усугубляются тем, что угольные электростанции нуждаются в значительном количестве воды для работы своих котлов, поэтому угольные станции (а позже и бассейны для хранения летучей золы) должны располагаться рядом с крупными городами, а также возле рек и озер, которые часто используются в качестве питьевых источников для близлежащих территорий. города. Многие из этих бассейнов с летучей золой не были облицованы и также подвергались высокому риску разлива и затопления из близлежащих рек и озер. Например, Duke Energy в Северная Каролина участвовал в нескольких крупных судебных процессах, связанных с хранением угольной золы и утечками золы в водный бассейн.[10][11][12]

В последние годы переработка летучей золы становится все более актуальной из-за увеличения затрат на захоронение отходов и текущего интереса к устойчивое развитие. По состоянию на 2017 год, угольные электростанции в США произвели 38,2 млн коротких тонн (34,7×10^6 т) летучей золы, из которых 24,1 млн коротких тонн (21,9×10^6 t) повторно использовались в различных приложениях.[13] Экологические выгоды от переработки летучей золы включают снижение спроса на первичные материалы, которые потребуются разработка карьеров и дешевая замена таких материалов, как портландцемент.

Повторное использование

В США нет государственной регистрации или маркировки утилизации летучей золы в различных секторах экономики - промышленности, инфраструктуре и сельском хозяйстве. Данные обследования использования летучей золы, признанные неполными, ежегодно публикуются Американской ассоциацией угольной золы.[14]

Использование угольной золы включает (приблизительно в порядке убывания важности):

  • Конкретный продукция, как заменитель портландцемента, песок.
  • Пеллеты летучей золы, которые могут заменить обычный заполнитель в бетонной смеси.
  • Набережные и другие строительные насыпи (обычно для дорожного строительства)
  • Затирка и Текучая заливка производство
  • Стабилизация и отверждение отходов
  • Цементный клинкер производство - (как заменитель глины)
  • Рекультивация шахт
  • Стабилизация мягкие почвы
  • Подоснование дороги строительство
  • В качестве совокупность материал-заменитель (например, для производства кирпича)
  • Минеральный наполнитель в асфальтобетон
  • Использование в сельском хозяйстве: улучшение почвы, удобрения, кормораздатчики, стабилизация почвы на животноводческих площадках и сельскохозяйственных стойлах.
  • Применение на реках для таяния льда[15]
  • Незакрепленное применение на дорогах и стоянках для контроля льда[16]

Другие приложения включают косметика, зубная паста, кухонные столешницы,[17] напольная и потолочная плитка, шары для боулинга, флотационные устройства, лепнина, посуда, ручки для инструментов, рамы для картин, кузова автомобилей и корпуса лодок, ячеистый бетон, геополимеры, кровельная черепица, кровельные гранулы, профнастил, каминные накладки, шлакоблок, Труба ПВХ, структурные изолированные панели, сайдинг и отделка дома, беговые дорожки, дробь, переработанный пластиковые пиломатериалы, столбы и траверсы, железнодорожные шпалы, шоссе шумовые барьеры, морские сваи, двери, оконные рамы, строительные леса, указательные столбы, склепы, колонны, шпалы, виниловые полы, брусчатка, душевые кабины, гаражные ворота, парковые скамейки, ландшафтные брус, вазоны, блоки для поддонов, молдинг, почтовые ящики, искусственный риф, связующее, краски и грунтовки, металлические отливки, и наполнитель в изделиях из дерева и пластика.[18][19]

портландцемент

Благодаря пуццолановый свойств летучая зола используется как замена портландцемент в конкретный.[20] Использование летучей золы в качестве пуццоланового ингредиента было признано еще в 1914 году, хотя самое раннее заслуживающее внимания исследование ее использования было проведено в 1937 году.[21] Римские постройки, такие как акведуки или Пантеон в Риме использовали вулканический пепел или пуццолана (который обладает свойствами, аналогичными летучей золе), как пуццолан в их бетоне.[22] Поскольку пуццолан значительно улучшает прочность и долговечность бетона, использование золы является ключевым фактором в их сохранении.

Использование летучей золы в качестве частичной замены портландцемента особенно подходит, но не ограничивается летучей золой класса C. Летучая зола класса «F» может иметь летучие эффекты на содержание увлеченного воздуха в бетоне, вызывая снижение сопротивления замораживанию / оттаиванию. Летучая зола часто заменяет до 30% по массе портландцемента, но в некоторых случаях может использоваться в более высоких дозах. В некоторых случаях летучая зола может повысить конечную прочность бетона и повысить его химическую стойкость и долговечность.

Летучая зола может значительно улучшить удобоукладываемость бетона. Недавно были разработаны методы замены частичного цемента на большой объем летучей золы (замена цемента на 50%). Для бетона, уплотненного роликами (RCC) [используемого при строительстве плотины], восстановительные значения в 70% были достигнуты с переработанной летучей золой на проекте плотины Ghatghar в Махараштре, Индия. Благодаря сферической форме частиц летучей золы она может повысить удобоукладываемость цемента при одновременном снижении потребности в воде.[23] Сторонники летучей золы утверждают, что замена портландцемента летучей золой снижает парниковый газ «след» бетона, так как производство одной тонны портландцемента дает примерно одну тонну CO2, по сравнению с отсутствием CO2 генерируется летучей золой. При новом производстве летучей золы, т. Е. Сжигании угля, образуется примерно от 20 до 30 тонн CO.2 на тонну летучей золы. Поскольку к 2010 году ожидается, что мировое производство портландцемента достигнет почти 2 миллиардов тонн, замена любой большой части этого цемента летучей золой может значительно снизить выбросы углерода, связанные со строительством, если для сравнения используется производство летучей золы как данный.

Набережная

Свойства летучей золы необычны для инженерных материалов. В отличие от грунтов, обычно используемых для строительства насыпей, летучая зола имеет большой коэффициент однородности и состоит из размером с глина частицы. Технические характеристики, которые влияют на использование летучей золы в насыпях, включают гранулометрический состав, характеристики уплотнения, прочность на сдвиг, сжимаемость, проницаемость, и морозостойкость.[23] Практически все типы летучей золы, используемые для строительства насыпей, относятся к классу F.

Стабилизация почвы

Стабилизация почвы - это постоянное физическое и химическое изменение почвы для улучшения ее физических свойств. Стабилизация может повысить прочность грунта на сдвиг и / или управлять усадочно-набухающими свойствами грунта, тем самым улучшая несущую способность основания для поддержки тротуаров и фундаментов. Стабилизацию можно использовать для обработки широкого спектра субстратных материалов, от экспансивных глин до гранулированных материалов. Стабилизация может быть достигнута с помощью различных химических добавок, включая известь, летучую золу и портландцемент. Правильное проектирование и тестирование - важный компонент любого проекта стабилизации. Это позволяет установить критерии проектирования и определить правильную химическую добавку и скорость примеси, которая обеспечивает желаемые технические свойства. Преимущества процесса стабилизации могут включать: более высокие значения сопротивления (R), снижение пластичности, более низкую проницаемость, уменьшение толщины покрытия, исключение выемки грунта - транспортировка / погрузка и транспортировка материала - и импорт базы, способствует уплотнению, обеспечивает "всепогодный" доступ на и внутри сайтов проектов. Другой формой обработки почвы, тесно связанной со стабилизацией почвы, является модификация почвы, иногда называемая «сушкой грязи» или кондиционированием почвы. Хотя некоторая стабилизация по своей сути происходит при модификации грунта, различие заключается в том, что модификация грунта - это просто средство для снижения содержания влаги в грунте для ускорения строительства, тогда как стабилизация может существенно повысить прочность материала на сдвиг, так что он может быть включен в структурный дизайн проекта. Определяющими факторами, связанными с модификацией почвы по сравнению со стабилизацией почвы, могут быть существующее содержание влаги, конечное использование структуры почвы и, в конечном итоге, экономическая выгода. Оборудование для процессов стабилизации и модификации включает в себя: разбрасыватели химических добавок, смесители грунта (реклаймеры), переносные пневматические контейнеры для хранения, водовозы, уплотнители с глубоким подъемом, автогрейдеры.

Текучая заливка

Летучая зола также используется в качестве компонента при производстве текучая заливка (также называемый контролируемым низкопрочным материалом или CLSM), который используется как самовыравнивающийся, самоуплотняющийся засыпной материал вместо уплотненной земли или гранулированной засыпки. Прочность текучих смесей наполнителя может колебаться от 50 до 1200 фунт-сила / дюйм² (От 0,3 до 8,3 МПа ) в зависимости от требований к конструкции рассматриваемого проекта. Текучая заливка включает смеси портландцемента и наполнителя и может содержать минеральные добавки. Летучая зола может заменить портландцемент или мелкий заполнитель (в большинстве случаев речной песок) в качестве наполнителя. Смеси с высоким содержанием летучей золы содержат почти всю летучую золу с небольшим процентным содержанием портландцемента и достаточным количеством воды, чтобы смесь стала текучей. Смеси с низким содержанием летучей золы содержат высокий процент наполнителя и низкий процент летучей золы, портландцемента и воды. Летучая зола класса F лучше всего подходит для смесей с высоким содержанием летучей золы, тогда как летучая зола класса C почти всегда используется в смесях с низким содержанием летучей золы.[23][24]

Асфальтобетон

Асфальтобетон представляет собой композитный материал, состоящий из асфальтового вяжущего и минерального заполнителя, обычно используемый для покрытия дорог. Зола-унос классов F и C обычно может использоваться в качестве минерального наполнителя для заполнения пустот и обеспечения точек контакта между более крупными частицами заполнителя в асфальтобетонных смесях. Это приложение используется вместе или как замена других вяжущих веществ (таких как портландцемент или гашеная известь). Для использования в асфальтовом покрытии летучая зола должна соответствовать спецификациям минерального наполнителя, указанным в ASTM D242. Гидрофобный характер летучей золы обеспечивает лучшую устойчивость тротуаров к отслоению. Также было показано, что летучая зола увеличивает жесткость асфальтовой матрицы, улучшая сопротивление колейности и увеличивая долговечность смеси.[23][25]

Геополимеры

Совсем недавно летучая зола использовалась в качестве компонента в геополимеры, где реакционная способность стекол летучей золы может быть использована для создания связующего, аналогичного гидратированному портландцемент по внешнему виду, но с потенциально превосходными свойствами, включая пониженное содержание CO2 выбросы в зависимости от рецептуры.[26]

Роликовый уплотненный бетон

Верхний резервуар Амерен с ГЭС Таум Саук был построен из бетона, уплотненного роликами, который включал летучую золу от одной из угольных электростанций Ameren.[27]

Еще одно применение летучей золы - валковый уплотненный бетон плотины. Многие плотины в США построены с высоким содержанием летучей золы. Летучая зола снижает теплоту гидратации, позволяя образовывать более толстые слои. Данные по ним можно найти в Бюро мелиорации США. Это также было продемонстрировано в Гхатгарская плотина Проект в Индия.

Кирпичи

Существует несколько технологий производства строительного кирпича из летучей золы, позволяющих производить самые разные продукты. Один тип кирпича из летучей золы производится путем смешивания летучей золы с равным количеством глины, а затем обжига в печи при температуре около 1000 ° С. Этот подход имеет главное преимущество - уменьшение количества требуемой глины. Другой тип кирпича из золы-уноса изготавливается путем смешивания грунта, штукатурки, золы-уноса и воды, после чего смесь высыхает. Поскольку нагрев не требуется, этот метод снижает загрязнение воздуха. В более современных производственных процессах используется большая доля летучей золы и используется технология производства под высоким давлением, позволяющая производить высокопрочные кирпичи с экологическими преимуществами.

В Соединенном Королевстве летучая зола использовалась более пятидесяти лет для производства бетонные строительные блоки. Они широко используются для внутренней обшивки стены полости. Естественно, они обладают большей теплоизоляцией, чем блоки, изготовленные из других заполнителей.[нужна цитата ]

Кирпич из ясеня использовался в домостроении в Виндхук, Намибия с 1970-х гг. Однако есть проблема с кирпичиками в том, что они имеют тенденцию выходить из строя или давать неприглядные всплывающие окна. Это происходит, когда кирпичи контактируют с влагой, и происходит химическая реакция, вызывающая расширение кирпичей.[нужна цитата ]

В Индии для строительства используют кирпичи из летучей золы. Ведущие производители используют промышленный стандарт, известный как «Пылевидная зола для смеси извести и пуццолана», с использованием более 75% переработанных постиндустриальных отходов и процесса сжатия. В результате получается прочный продукт с хорошими изоляционными свойствами и экологическими преимуществами.[28][29]

Композиты с металлической матрицей

Частицы летучей золы доказали свой потенциал в качестве хорошего армирования алюминиевыми сплавами и показали улучшение физических и механических свойств. В частности, прочность на сжатие, прочность на разрыв и твердость увеличиваются, когда процентное содержание летучей золы увеличивается, тогда как плотность уменьшается.[30] Наличие летучей золы ценосферы в чистой матрице Al уменьшает ее коэффициент температурного расширения (CTE).[31]

Обработка и стабилизация отходов

Летучая зола, ввиду ее щелочности и способности абсорбировать воду, может использоваться в сочетании с другими щелочными материалами для преобразования осадок сточных вод в органическое удобрение или биотопливо.[32][33]

Катализатор

Летучая зола при обработке едкий натр, похоже, хорошо работает как катализатор для преобразования полиэтилен в вещество, подобное сырая нефть в высокотемпературном процессе, называемом пиролиз.[34]

Кроме того, летучая зола, в основном класса C, может использоваться в процессе стабилизации / отверждения опасных отходов и загрязненных почв.[35] Например, в процессе Rhenipal летучая зола используется в качестве добавки для стабилизации осадок сточных вод и другие токсичные шламы. Этот процесс используется с 1996 года для стабилизации большого количества хром (VI) загрязненный кожаные шламы в Альканена, Португалия.[36][37]

Проблемы окружающей среды

Загрязнение подземных вод

Уголь содержит следовые количества микроэлементов (например, мышьяк, барий, бериллий, бор, кадмий, хром, таллий, селен, молибден и Меркурий ), многие из которых очень токсичны для человека и других форм жизни. Следовательно, летучая зола, полученная после сжигания этого угля, содержит повышенные концентрации этих элементов, и зола потенциально может вызывать загрязнение подземных вод имеет значение.[38] В США зарегистрированы случаи загрязнения подземных вод в результате удаления или утилизации золы без принятия необходимых мер защиты. Например, декабрь 2008 г. Мэриленд решение суда наложило штраф в размере 54 миллионов долларов на Созвездие Энергия, которая выполнила «проект восстановления» по заполнению заброшенного гравийного карьера летучей золой; загрязненная золой территория водоемов с тяжелыми металлами.[39]

Примеры

Северная Каролина

В 2014 г. жители, проживающие рядом с паровой станцией Buck в г. Дюквилл, Северная Каролина, сказали, что «угольные зольники возле их домов могут вымывать опасные материалы в грунтовые воды».[40][41]

Иллинойс

Иллинойс имеется много свалок угольной золы с угольной золой от угольных электростанций. Из 24 свалок угольной золы, по которым имеются данные, 22 выбросили токсичные загрязнители, в том числе мышьяк, кобальт, и литий, в грунтовые воды, реки и озера. Опасные токсичные химические вещества, сбрасываемые в воду в Иллинойсе этими свалками угольной золы, включают более 300000 фунтов алюминия, 600 фунтов мышьяка, почти 300000 фунтов бора, более 200 фунтов кадмия, более 15000 фунтов марганца, примерно 1500 фунтов селена, примерно 500 000 фунтов азота и почти 40 миллионов фунтов сульфата, согласно отчету Проект экологической целостности, Earthjustice, Сеть Прерий Риверс и Сьерра Клуб.[42]

Техас

Подземные воды, окружающие каждую из 16 угольных электростанций в Техасе, были загрязнены угольной золой, согласно исследованию Проект экологической целостности (EIP). Небезопасные уровни мышьяка, кобальта, лития и других загрязняющих веществ были обнаружены в подземных водах около всех свалок золы. На 12 из 16 участков анализ EIP обнаружил, что уровни мышьяка в грунтовых водах в 10 раз выше, чем EPA. Максимальный уровень загрязнения; Было обнаружено, что мышьяк вызывает несколько типов рака. На 10 участках литий, вызывающий неврологические заболевания, был обнаружен в подземных водах в концентрациях более 1000 микрограммов на литр, что в 25 раз превышает максимально допустимый уровень. В отчете делается вывод о том, что индустрия ископаемого топлива в Техасе не соблюдала федеральные правила по переработке угольной золы, а регулирующие органы штата не смогли защитить грунтовые воды.[43]

Экология

Воздействие летучей золы на окружающую среду может варьироваться в зависимости от тепловая электростанция где она производится, а также соотношение летучей золы к зольный остаток в отходах.[44] Это связано с различным химическим составом угля в зависимости от геологии местности, в которой он находится, и процесса сжигания угля на электростанции. Когда уголь сгорает, он создает щелочной пыль. Эта щелочная пыль может иметь pH от 8 до 12.[45] Пыль летучей золы может осаждаться на верхний слой почвы увеличение pH и воздействие на растения и животных в окружающей экосистеме. Микроэлементы, такие как, утюг, марганец, цинк, медь, вести, никель, хром, кобальт, мышьяк, кадмий, и Меркурий, может быть обнаружен в более высоких концентрациях по сравнению с зольным остатком и исходным углем.[44]

Летучая зола может выщелачивать токсичные компоненты, содержание которых может быть от 100 до 1000 раз больше, чем федеральный стандарт для питьевая вода.[46] Летучая зола может загрязнять поверхностные воды через эрозия, поверхностный сток, частицы в воздухе приземление на поверхность воды, переход загрязненных грунтовых вод в поверхностные воды, затопительный дренаж, или сброс из золоотвала.[46] Рыбу можно заразить несколькими способами. Когда вода загрязнена летучей золой, рыба может поглощать токсины через жабры.[46] Осадок в воде также может стать загрязненным. Загрязненный осадок может загрязнить источники корма для рыбы, и рыба может заразиться в результате употребления этих источников корма.[46] Затем это может привести к заражению организмов, потребляющих эту рыбу, таких как птицы, медведи и даже люди.[46] После воздействия летучей золы, загрязняющей воду, водные организмы имеют повышенный уровень кальций, цинк, бром, золото, церий, хром, селен, кадмий и ртуть.[47]

Почвы, загрязненные летучей золой, показали увеличение насыпной плотности и влагоемкости, но снижение гидравлической проводимости и сцепления.[47] Воздействие летучей золы на почвы и микроорганизмы в почвах зависит от pH золы и концентрации следов металлов в золе.[47] Сообщества микробов в загрязненной почве показали снижение дыхания и нитрификации.[47] Эти загрязненные почвы могут быть вредными или полезными для развития растений.[47] Летучая зола обычно дает положительные результаты, когда устраняет дефицит питательных веществ в почве.[47] Наиболее пагубные эффекты наблюдались, когда наблюдалась фитотоксичность бора.[47] Растения поглощают элементы, поднимаемые летучей золой из почвы.[47] Мышьяк, молибден, и селен были единственными элементами, потенциально токсичными для пастбищных животных.[47] Земные организмы, подвергавшиеся воздействию летучей золы, показали только повышенный уровень селена.[47]

Разливы из бестарного хранения

Власть долины Теннесси Нарушение защитной оболочки летучей золы 23 декабря 2008 г. в Кингстон, Теннесси

Если зола-унос хранится навалом, она обычно хранится влажной, а не сухой, чтобы свести к минимуму летучая пыль. Образовавшиеся водохранилища (пруды), как правило, большие и стабильные в течение длительного времени, но любое нарушение их дамб или набивка происходит быстро и в массовом порядке.

В декабре 2008 г. обрушение насыпи на водохранилище для влажного хранения золы уноса Власть долины Теннесси с Кингстонский ископаемый завод вызвал основной выпуск 5,4 миллиона кубических ярдов угольной летучей золы, повредившей 3 дома и впавшей в реку Эмори. Затраты на очистку могут превысить 1,2 миллиарда долларов. Несколько недель спустя за этим разливом последовало разливание небольшой установки TVA в Алабама, который заразил Вдов-Крик и Река Теннесси.

В 2014 году 39 000 тонн золы и 27 миллионов галлонов (100 000 кубических метров) загрязненной воды. пролился в реку Дан возле Иден, Северная Каролина от закрытой угольной электростанции в Северной Каролине, принадлежащей Duke Energy. В настоящее время это третий по величине разлив угольной золы, когда-либо произошедший в Соединенных Штатах.[48][49][50]

В Агентство по охране окружающей среды США (EPA) опубликовал Остатки сгорания угля (CCR) в 2015 году. Агентство продолжало классифицировать угольную золу как неопасную (тем самым избегая строгих разрешительных требований согласно Подзаголовок C из Закон о сохранении и восстановлении ресурсов (RCRA), но с новыми ограничениями:

  1. Существующие золоотвалы, загрязняющие грунтовые воды, должны перестать получать CCR и закрыты или модернизированы с помощью облицовки.
  2. Существующие золоотвалы и свалки должны соответствовать структурным ограничениям и месторасположению, если применимо, или должны быть закрыты.
  3. Пруд, который больше не получает CCR, по-прежнему подчиняется всем правилам, если он не обезвоженный и покрыты к 2018 году.
  4. Новые пруды и свалки должны включать геомембрана лайнер поверх слоя уплотненный грунт.[51]

Регламент был разработан для предотвращения разрушения прудов и защиты грунтовых вод. Требуются усиленные проверки, ведение записей и мониторинг. Также включены процедуры закрытия, включая укупорку, облицовку и обезвоживание.[52] С тех пор регулирование CCR стало предметом судебных разбирательств.

Загрязняющие вещества

Летучая зола содержит следовые концентрации тяжелые металлы и другие вещества, вредные для здоровья в достаточном количестве. К потенциально токсичным микроэлементам в угле относятся: мышьяк, бериллий, кадмий, барий, хром, медь, вести, Меркурий, молибден, никель, радий, селен, торий, уран, ванадий, и цинк.[53][54] Примерно 10% массы сжигаемых в США углей состоит из негорючего минерального материала, который становится золой, поэтому концентрация большинства микроэлементов в угольной золе примерно в 10 раз превышает концентрацию в исходном угле. Анализ 1997 г. Геологическая служба США (USGS) обнаружил, что летучая зола обычно содержит от 10 до 30 частей на миллион урана, что сопоставимо с уровнями, обнаруженными в некоторых гранитный горные породы, фосфат рок и черный сланец.[55]

В 1980 г. Конгресс США определила угольную золу как «особые отходы», которые не подлежат регулированию в соответствии с жесткими требованиями RCRA по разрешению опасных отходов. В своих поправках к RCRA Конгресс поручил EPA изучить вопрос о специальных отходах и принять решение о необходимости более строгого регулирования разрешений.[56] В 2000 году EPA заявило, что летучая зола угля не должна считаться опасными отходами.[57][58] В результате большинство электростанций не требовалось устанавливать. геомембраны или системы сбора фильтрата в золоотвалах.[59]

Исследования USGS и других радиоактивных элементов в угольной золе пришли к выводу, что летучая зола сопоставима с обычными почвами или горными породами и не должна вызывать тревогу.[55] Однако общественные и экологические организации задокументировали многочисленные опасения по поводу загрязнения окружающей среды и ущерба.[60][61][62]

Проблемы воздействия

Смотрите также: Воздействие угольной золы на здоровье

Кристаллический кремнезем и Лайм вместе с токсичными химическими веществами представляют опасность для здоровья человека и окружающей среды. Летучая зола содержит кристаллический кремнезем, который, как известно, вызывает заболевания легких, в частности силикоз при вдыхании. Кристаллический кремнезем указан МАИР и Национальная программа токсикологии США как известный человек канцероген.[63]

Известь (CaO) реагирует с водой (H2O) сформировать гидроксид кальция [Ca (OH)2], придавая золе уноса pH где-то между 10 и 12, от среднего до сильного основания. Это также может вызвать повреждение легких, если присутствует в достаточном количестве.

В паспортах безопасности материалов рекомендуется соблюдать ряд мер предосторожности при обращении с летучей золой или работе с ней.[64] К ним относятся ношение защитных очков, респираторов и одноразовой одежды, а также недопущение взбалтывания летучей золы, чтобы свести к минимуму ее попадание в воздух.

В 2007 году Национальная академия наук отметила, что «наличие высоких уровней загрязнения во многих CCR (остатках сгорания угля) выщелачивание может вызвать проблемы со здоровьем человека и экологией ".[1]

Регулирование

Соединенные Штаты

После утечки золы-уноса на заводе по производству ископаемых в Кингстоне в 2008 году Агентство по охране окружающей среды начало разрабатывать правила, которые будут применяться ко всем зольным бассейнам по всей стране. EPA опубликовало правило CCR в 2015 году.[51] Некоторые положения Регламента CCR 2015 г. были оспорены в судебном порядке, а Апелляционный суд США по округу Колумбия вернул определенные части регулирования в EPA для дальнейшего нормотворчества.[65]

Агентство по охране окружающей среды опубликовало предложенное правило 14 августа 2019 года, в котором будут использоваться критерии, основанные на местоположении, а не числовой порог (например, размер водохранилища или свалки), требующий от оператора демонстрации минимального воздействия на окружающую среду, чтобы объект мог продолжать работать.[66]

Отдельным действием EPA опубликовало окончательное постановление 28 августа 2020 г., требующее, чтобы все золоотвалы без футеровки были дооснащены вкладышами или закрывались к 11 апреля 2021 г. Некоторые объекты могут подать заявку на получение дополнительного времени - до 2028 г. - для поиска альтернативы управлению зольные отходы до закрытия их поверхностных водохранилищ.[67][68]

Индия

В Министерство окружающей среды, лесов и изменения климата из Индия впервые опубликовал уведомление в бюллетене в 1999 году, в котором указывается использование летучей золы и устанавливается контрольный срок для всех тепловых электростанций, которые должны соответствовать требованиям, обеспечивая 100% -ное использование.[69] Последующие поправки в 2003 и 2009 годах перенесли крайний срок для соблюдения на 2014 год. По данным Центрального управления электроэнергетики Нью-Дели, по состоянию на 2015 год утилизировалось только 60% образующейся летучей золы.[70] Это привело к последнему уведомлению в 2015 году, в котором 31 декабря 2017 года было установлено как пересмотренный крайний срок для достижения 100% использования. Из примерно 55,7% утилизируемой золы-уноса большая часть (42,3%) идет на производство цемента, тогда как только около 0,74% используется в качестве добавки в бетон (см. Таблицу 5 [29]). Исследователи в Индии активно решают эту проблему, работая с летучей золой в качестве добавки к бетону и активированным пуццолановым цементом, таким как геополимер [34], чтобы помочь достичь цели 100% использования.[71] Очевидно, что наибольшие возможности заключаются в увеличении количества летучей золы, содержащейся в бетоне. В 2016 году Индия произвела 280 миллионов тонн цемента. Поскольку жилищный сектор потребляет 67% цемента, есть огромные возможности для включения летучей золы как в растущую долю ППК, так и в бетон с низкой и средней прочностью. There is a misconception that the Indian codes IS 456:2000 for Concrete and Reinforced Concrete and IS 3812.1:2013 for Fly Ash restrict the use of Fly Ash to less than 35%. Similar misconceptions exists in countries like USA[72] but evidence to the contrary is the use of HVFA in many large projects where design mixes have been used under strict quality control. It is suggested that in order to make the most of the research results presented in the paper, Ultra High Volume Fly ash Concrete (UHVFA) concrete is urgently developed for widespread use in India using local fly ash. Urgent steps are also required to promote alkali activated pozzolan or geopolymer cement based concretes.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Managing Coal Combustion Residues in Mines, Committee on Mine Placement of Coal Combustion Wastes, National Research Council of the National Academies, 2006
  2. ^ Human and Ecological Risk Assessment of Coal Combustion Wastes, RTI, Парк Исследований Треугольника, August 6, 2007, prepared for the Агентство по охране окружающей среды США
  3. ^ Helle, Sonia; Gordon, Alfredo; Alfaro, Guillermo; García, Ximena; Ulloa, Claudia (2003). "Coal blend combustion: link between unburnt carbon in fly ashes and maceral composition". Технология переработки топлива. 80 (3): 209–223. Дои:10.1016/S0378-3820(02)00245-X. HDL:10533/174158.
  4. ^ Американская ассоциация угольной золы http://www.acaa-usa.org
  5. ^ Snellings, R.; Mertens G.; Elsen J. (2012). "Supplementary cementitious materials". Обзоры по минералогии и геохимии. 74 (1): 211–278. Bibcode:2012RvMG...74..211S. Дои:10.2138/rmg.2012.74.6.
  6. ^ "Fly Ash in Concrete" (PDF). perkinswill.com. 2011-11-17. Получено 2013-11-19. Fly ash contains approximately one part per million of mercury.
  7. ^ "ASTM C618 – 08 Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete". ASTM International. Получено 2008-09-18.
  8. ^ "The Building Brick of Sustainability В архиве 2009-06-28 на Wayback Machine ". Chusid, Michael; Miller, Steve; & Rapoport, Julie. The Construction Specifier Май 2009 г.
  9. ^ "Coal by-product to be used to make bricks in Caledonia В архиве 2010-09-18 на Wayback Machine ". Burke, Michael. Журнал Таймс April 1, 2009.
  10. ^ "History and Response Timeline". Duke Energy Coal Ash Spill in Eden, NC. EPA. 2017-03-14.
  11. ^ "Duke Energy plant reports coal-ash spill". Шарлотта Обсервер. 2014-02-03.
  12. ^ Shoichet, Catherine E. (2014-02-09). "Spill spews tons of coal ash into North Carolina river". CNN.
  13. ^ 2017 Coal Combustion Product Production & Use Survey Report (PDF) (Отчет). Farmington Hills, MI: American Coal Ash Association. 2018.
  14. ^ American Coal Ash Association. "Coal Combustion Products Production & Use Statistics". Архивировано из оригинал на 2010-12-04. Получено 2010-11-23.
  15. ^ Gaarder, Nancy. "Coal ash will fight flooding" В архиве 2012-09-08 в Archive.today, Омаха Уорлд-Геральд, 17 февраля 2010 г.
  16. ^ Josephson, Joan. "Coal ash under fire from Portland resident", "ObserverToday", February 13, 2010.
  17. ^ Lessard, Paul. "Mine Tailings and Fly Ash Beneficial Use Photo Showcase". Tons Per Hour, Inc. Получено 1 марта 2016.
  18. ^ US Federal Highway Administration. "Летучая зола". Архивировано из оригинал 21 июня 2007 г.
  19. ^ Public Employees for Environmental Responsibility. "Coal Combustion Wastes in Our Lives". Архивировано из оригинал на 2011-01-17. Получено 2010-11-23.
  20. ^ Scott, Allan N .; Thomas, Michael D. A. (January–February 2007). "Evaluation of Fly Ash From Co-Combustion of Coal and Petroleum Coke for Use in Concrete". ACI Materials Journal. American Concrete Institute. 104 (1): 62–70. Дои:10.14359/18496.
  21. ^ Halstead, W. (October 1986). "Use of Fly Ash in Concrete". National Cooperative Highway Research Project. 127.
  22. ^ Мур, Дэвид. The Roman Pantheon: The Triumph of Concrete.
  23. ^ а б c d US Federal Highway Administration. "Fly Ash Facts for Highway Engineers" (PDF).
  24. ^ Hennis, K. W.; Frishette, C. W. (1993). "A New Era in Control Density Fill". Proceedings of the Tenth International Ash Utilization Symposium.
  25. ^ Zimmer, F. V. (1970). "Fly Ash as a Bituminous Filler". Proceedings of the Second Ash Utilization Symposium.
  26. ^ Duxson, P.; Provis, J.L.; Lukey, G.C.; van Deventer, J.S.J. (2007). "The role of inorganic polymer technology in the development of 'Green concrete'". Цемент и бетонные исследования. 37 (12): 1590–1597. Дои:10.1016/j.cemconres.2007.08.018.
  27. ^ "Taum Sauk Reconstruction". Портлендская цементная ассоциация. Получено 2012-11-15.
  28. ^ "FAQs – Fly Ash Bricks – Puzzolana Green Fly-Ash bricks". Fly Ash Bricks Delhi.
  29. ^ "List of important IS Codes related to bricks". Fly Ash Bricks Info. Архивировано из оригинал на 2011-10-04. Получено 2011-08-26.
  30. ^ Manimaran, R.; Jayakumar, I.; Giyahudeen, R. Mohammad; Narayanan, L. (2018-04-19). "Mechanical properties of fly ash composites—A review". Источники энергии. Тейлор и Фрэнсис. 40 (8): 887–893. Дои:10.1080/15567036.2018.1463319. S2CID  103146717.
  31. ^ Rohatgi, P.K.; Gupta, N.; Alaraj, Simon (2006-07-01). "Thermal Expansion of Aluminum–Fly Ash Cenosphere Composites Synthesized by Pressure Infiltration Technique". Journal of Composite Materials. Sage Journals. 40 (13): 1163–1174. Дои:10.1177/0021998305057379. S2CID  137542868.
  32. ^ N-Viro International В архиве 23 августа 2010 г. Wayback Machine
  33. ^ "From ash to eco-friendly solution for hazardous metals removal".
  34. ^ http://www.environmental-expert.com/Files/0/articles/9566/Pyrolysisoflow-densitypolyethylene.pdf
  35. ^ EPA, 2009. Technology performance review: selecting and using solidification/stabilization treatment for site remediation. NRMRL, US Environmental Protection Agency, Cincinnati, OH
  36. ^ "Toxic Sludge stabilisation for INAG, Portugal". DIRK group. Архивировано из оригинал на 2008-08-20. Получено 2009-04-09.
  37. ^ DIRK group (1996). "Pulverised fuel ash products solve the sewage sludge problems of the wastewater industry". Управление отходами. 16 (1–3): 51–57. Дои:10.1016/S0956-053X(96)00060-8.
  38. ^ Schlossberg, Tatiana (2017-04-15). "2 Tennessee Cases Bring Coal's Hidden Hazard to Light". Нью-Йорк Таймс.
  39. ^ C&EN/12 Feb. 2009, p. 45[требуется полная цитата ]
  40. ^ Ассошиэйтед Пресс (2014-06-17). "Dukeville concerns over coal ash: 5 things to know". The Denver Post. Архивировано из оригинал на 2016-02-12. Получено 2014-06-17.
  41. ^ Fisher, Hugh (2014-05-06). "Riverkeeper: Coal ash from Buck steam plant poses toxic threat". Солсбери Пост. Архивировано из оригинал на 2016-02-12. Получено 2014-06-17.
  42. ^ Earthjustice, 27 Nov. 2018 "New Report Reveals Severe Groundwater Contamination at Illinois Coal Ash Dumps: 22 of 24 of Illinois’ Reporting Coal Ash Dumpsites Have Unsafe Levels of Toxic Pollutants in the Groundwater "
  43. ^ EarthJustice, 17 Jan. 2019 "Records Show 100 Percent of Texas Coal Power Plants Contaminating Groundwater: Utility Data Made Public for the First Time in 2018 Document Pollution of Groundwater with Toxic Chemicals at All 16 Texas Power Plants Where Records are Available"
  44. ^ а б Usmani, Zeba; Kumar, Vipin (17 May 2017). "Characterization, partitioning, and potential ecological risk quantification of trace elements in coal fly ash". Экология и исследования загрязнения окружающей среды. 24 (18): 15547–15566. Дои:10.1007/s11356-017-9171-6. PMID  28516354. S2CID  8021314.
  45. ^ Magiera, Tadeusz; Gołuchowska, Beata; Jabłońska, Mariola (27 November 2012). "Technogenic Magnetic Particles in Alkaline Dusts from Power and Cement Plants" (PDF). Загрязнение воды, воздуха и почвы. 224 (1): 1389. Дои:10.1007/s11270-012-1389-9. ЧВК  3543769. PMID  23325986.
  46. ^ а б c d е Gottlieb, Barbara (September 2010). "Coal Ash The toxic threat to our health and environment" (PDF). Earth Justice.
  47. ^ а б c d е ж грамм час я j El-Mogazi, Dina (1988). "A Review of Physical, Chemical, and Biological Properties of Fly Ash and Effects on Agricultural Ecosystems". Наука об окружающей среде в целом. 74: 1–37. Bibcode:1988ScTEn..74....1E. Дои:10.1016/0048-9697(88)90127-1. PMID  3065936.
  48. ^ Chakravorty, Shubhankar; Gopinath, Swetha (18 February 2015). "Duke Energy Close To Settling With Government Over Spill". HuffPost.
  49. ^ Broome, Gerry (25 September 2016). "Duke Energy Corporation agrees to $6 million fine for coal ash spill, North Carolina says". CBS News / AP.
  50. ^ Martinson, Erica (24 March 2014). "EPA coal ash rule still not done". Политико.
  51. ^ а б EPA. "Hazardous and Solid Waste Management System; Disposal of Coal Combustion Residuals From Electric Utilities." 80 FR 21301, 2015-04-17.
  52. ^ Lessard, Paul C.; Vannasing, Davis; Darby, William (2016). "Large-Scale Fly Ash Pond Dewatering" (PDF). Loomis, CA: Tons Per Hour, Inc.
  53. ^ Walker, T.R., Young, S.D., Crittenden, P.D., Zhang, H. (2003) Anthropogenic metal enrichment of snow and soil in Northeastern European Russia. Environmental Pollution. 121: 11–21.
  54. ^ Walker, T.R. (2005) Comparison of anthropogenic metal deposition rates with excess soil loading from coal, oil and gas industries in the Usa Basin, NW Russia. Polish Polar Research. 26(4): 299–314.
  55. ^ а б US Geological Survey (October 1997). "Radioactive Elements in Coal and Fly Ash: Abundance, Forms, and Environmental Significance" (PDF). Fact Sheet FS-163-97.
  56. ^ "Special Wastes". Hazardous Waste. EPA. 2018-11-29.
  57. ^ EPA (2000-05-22). "Notice of Regulatory Determination on Wastes From the Combustion of Fossil Fuels." Федеральный регистр, 65 FR 32214.
  58. ^ Luther, Linda (2013-08-06). Background on and Implementation of the Bevill and Bentsen Exclusions in the Resource Conservation and Recovery Act: EPA Authorities to Regulate "Special Wastes" (Отчет). Вашингтон, округ Колумбия.: U.S. Congressional Research Service. R43149.
  59. ^ Kessler, K. A. (1981). "Wet Disposal of Fossil Plant Waste Case History". Journal of the Energy Division. Американское общество инженеров-строителей. 107 (2).
  60. ^ McCabe, Robert; Mike Saewitz (2008-07-19). "Chesapeake takes steps toward Superfund designation of site". Вирджинский пилот.
  61. ^ McCabe, Robert. "Above ground golf course, Just beneath if potential health risks", Вирджинский пилот, 2008-03-30
  62. ^ Citizens Coal Council, Hoosier Environmental Council, Clean Air Task Force (March 2000), "Laid to Waste: The Dirty Secret of Combustion Waste from America's Power Plants"
  63. ^ "Substances Listed in the Thirteenth Report on Carcinogens" (PDF). NTP. Получено 2016-05-12.
  64. ^ "Headwaters Resources Class F Fly Ash Safety Data Sheet" (PDF). Headwaters Resources. Получено 2016-05-12.
  65. ^ Green, Douglas H.; Houlihan, Michael (2019-04-24). "D.C. Circuit Court Remands CCR Deadline Extension to EPA". Environment, Energy, and Resources Section. Washington, DC: American Bar Association.
  66. ^ EPA. "Hazardous and Solid Waste Management System: Disposal of Coal Combustion Residuals from Electric Utilities; Enhancing Public Access to Information; Reconsideration of Beneficial Use Criteria and Piles; Proposed Rule." Федеральный регистр, 84 FR 40353. 2019-08-14.
  67. ^ EPA. "Hazardous and Solid Waste Management System: Disposal of Coal Combustion Residuals From Electric Utilities; A Holistic Approach to Closure Part A: Deadline To Initiate Closure." 85 FR 53516. 2020-08-28.
  68. ^ "Revisions to the Coal Combustion Residuals (CCR) Closure Regulations; Fact sheet". EPA. Июль 2020.
  69. ^ Report of the Committee National Green Tribunal (NGT), New Delhi, 2015. 42 pp.
  70. ^ Central Electricity Authority, New Delhi. Report on fly ash generation at coal/lignite based thermal power stations and its utilization in the country for the year 2014-15, Annex II. Oct 2015. https://www.cea.nic.in/reports/others/thermal/tcd/flyash_final_1516.pdf
  71. ^ Mehta A, and Siddique R., Properties of low-calcium fly ash based geopolymer concrete incorporating OPC as partial replacement of fly ash. Construction and Building Materials 150 (2017) 792–807.
  72. ^ Obla, K H. Specifying Fly Ash for Use in Concrete. Concrete in Focus (Spring 2008) 60–66.

внешняя ссылка