Углеродно-нейтральные технологии рециклинга крупнотоннажных отходов топливной энергетики с получением функциональных геополимерных материалов

В современном мире энергетика является жизнеобеспечивающей отраслью, в составе которой на долю угольной генерации приходится около 40 % вырабатываемой электрической энергии и до 60 % тепловой. При этом получение энергии на тепловых электрических станциях сжиганием ископаемых твердых топлив – угля, сланцев, торфа – неминуемо сопровождается производством золошлаковых отходов. Если рассматривать в целом проблему образования отходов угольной отрасли, то наряду с золошлаковыми отходами накопление крупнотоннажных отходов происходит также на стадиях добычи и подготовки твердого топлива – угледобычи и углеобогащения. Проблема отказа от угольной генерации традиционно вызывает немало споров в мировом сообществе, но, к настоящему времени, реальной экологической и экономической альтернативе угольной генерации не существует. «Текущая глобальная ситуация и в Китае, и в Индии, и в Европе, и в Великобритании говорит о том, что в принципе уголь не потеряет своих позиций на рынке. Важно понимать, особенно в Азии, у вас все еще есть станции, которые работают на угле. Естественно, и для генерации угля будет еще место в будущем на глобальном уровне», — подтверждает менеджер Глобального рынка угля, рынок электроэнергии, Азия, S&P Global Platts Мэттью Бойле. Таким образом, проблемы угольной генерации сосредоточены не в дилемме «быть или не быть», а в разработке и широком внедрении технологий, позволяющих сделать ее максимально «чистой», «зеленой». «Зеленые» технологии «черной» энергетики заключаются в организации работы топливных ТЭЦ на принципах высокой эффективности и низкой эмиссии в сочетании с внедрением экологичных технологий комплексного и безотходного рециклинга отходов на всех стадиях угольной цепи – добычи, обогащения, сжигания. В Российской Федерации к 2021 году накопленный на полигонах объем золошлаковых отходов в сочетании с отходами угледобычи и углеобогащения составил 1,85 млрд. т. Учитывая прогнозируемый рост угольной генерации на 25-30 % в сравнении с существующим уровнем, можно ожидать дополнительно образование 20-25 млн.т. отходов ежегодно, что составит к 2030 году 2,0 млрд.т. В глобальной перспективе эта проблема стоит не менее остро. Ежегодно в мире образуется свыше 6 млрд. т. отходов добычи, обогащения, сжигания угольного топлива. При этом, основной вклад в общий объем генерации этих отходов по данным Всемирной угольной ассоциации (World Coal Association, WCA) вносят страны-лидеры по добыче угля – Китай, США, Индия, Австралия, Россия, Южная Африка. Наличие полигонов с отходами вызывает загрязнение воздуха, рек и водоёмов, грунтовых вод, разрушение ландшафтов, что оказывает значительное негативное воздействие на окружающую среду и требуют незамедлительного решения данной глобальной экологической проблемы. Вместе с тем, золошлаковые отходы, а также отходы угледобычи и углеобогащения содержат в своем составе оксиды кремния, алюминия, щелочные и щелочноземельных металлов, могут являться ценным минеральным сырьем и быть пригодными для утилизации в дорожном и гражданском строительстве, производстве силикатных материалов. В 2021 году Министерством энергетики РФ разработан и представлен на утверждение в Правительство РФ «Комплексный план по повышению объемов утилизации продуктов сжигания твердого топлива», включающий юридические аспекты применения золошлаковых отходов, такие как разработку новых государственных стандартов, допускающих применение золы в качестве добавки к портландцементу, рекультиванта, меры экономического стимулирования утилизации шлаков и ряд пилотных проектов в регионах с наибольшим уровнем образования золы. Исходя из вышеизложенного, однозначно следует, что наступило время направленного выбора технологий рециклинга отходов твердотопливной энергетики, наиболее соответствующих современным экологическим вызовам - комплексных, замкнутого цикла, крупнотоннажных, максимально углеродно- нейтральных. Существующие к настоящему времени технологии обладают следующими несовершенствами: во-первых, предназначены для рециклинга только одного вида отходов – либо угледобычи, либо углеобогащения, либо углесжигания; во-вторых, в большинстве предназначены для отбора каких-либо отдельных полезных элементов, без утилизации образующегося крупнотоннажного отхода; в-третьих, предполагают дополнительную температурную обработку отходов для получения нового продукта с соответствующим необходимым количеством сжигания топлива; в-четвертых, наиболее простые технологии, такие как добавка высокодисперсной золы к портландцементу или в качестве рекультиванта не решают проблемы утилизации всего накопленного массива отходов, а только его отдельных составляющих, и при этом не создают новых материалов. Вместе с тем, растущие темпы жилищного и промышленного строительства вызывают потребности в новых экологичных материалах, по своим свойствам (прочности, долговечности, теплопроводности, биологической совместимости и другим) соответствующим или превосходящим существующие обжиговые материалы, но полученным по углеродно-нейтральным безобжиговым технологиям. Такими материалами могут стать функциональные геополимерные материалы для зеленого и «энергоэффективного» строительства, полученные в ходе реализации проекта по разработанной углеродно-нейтральной технологии рециклинга крупнотоннажных отходов топливной энергетики. Благодаря своим преимуществам – высокой степени долговечности использования и высокой эффективности – технология синтеза экологически чистых геополимеров стала одним из ключевых и трендовых направлений исследований по использованию отходов производства. Новый класс геополимеров – вспененных (пористых) теплоэффективных геополимеров – может стать заменой традиционным строительным теплоизоляционным материалам – теплоэффективному керамическому кирпичу, пеностеклу, керамзиту и др. Обладая аналогичными показателями по химической инертности, плотности, теплопроводности, долговечности, прочности разрабатываемые геополимерные материалы будут углеродно-нейтральными, для их синтеза не будут необходимы затраты топлива для достижения в печном пространстве температур 1450 – 1550 °С для осуществления реакций структурообразования. Таким образом, опираясь на вышеизложенное, предлагаемый проект, целью которого разработка научно- технологических основ рециклинга крупнотоннажных отходов топливной энергетики, включая отходы добычи, обогащения и сжигания твердых топлив, а также получения на их основе углеродно-нейтральных функциональных геополимерных материалов для «зеленого» и энергоэффективного строительства, направлен на решение актуальной и значимой проблемы.