Использование отходов, полученных из отходов
Переработка и утилизация древесной золы в Германии
Зола, образующаяся при сжигании биомассы, состоит в основном из неорганических компонентов, а также питательных и загрязняющих веществ, содержащихся в топливе. Выбор способа рециркуляции и утилизации зольных фракций зависит от многих факторов.
Условно можно выделить три фракции золы, хотя образуются только две – в зависимости от способов очистки дымовых газов в котельной или на электростанции.
Крупная, или колосниковая, зола образуется в топочной части и состоит из минеральных остатков топлива, а также примесных камней, неотсепарированных металлических изделий (гвоздей, скоб и т. п.) и др. Если в энергоустановке используется сжигание в псевдоожиженном слое, эта фракция содержит еще и материал слоя (например, песок).
Циклонная зола, называемая также мелкой или летучей, переносится дымовыми газами и попадает в используемые для их очистки центробежные сепараторы (циклоны) и содержит твердые неорганические компоненты топлива.
Очень мелкая летучая зола (третья фракция) или конденсатный шлам, образующийся в системах конденсации дымовых газов, накапливаются в фильтрующих сепараторах (электрических или тканевых фильтрах). Если установка для сжигания биомассы не оснащена фильтрующими сепараторами, такая летучая зола поступает в атмосферу в виде остаточной пыли.
Выход и состав золы
Области скопления зольных фракций с указанием их весовой доли в сухом веществе схематично показаны на рис. 1. Количество золы и ее состав зависят от используемого топлива и технологии сжигания. Разные виды древесины отличаются по зольности. При сжигании древесных отходов золы обычно образуется больше. В случае технологии псевдоожиженного слоя выброс материала слоя повышает общий выход золы. Чем полнее сгорает топливо в камере, тем меньше образуется золы. С другой стороны, чем больше образуется золы, тем технологически проще отделить пыль при очистке дымовых газов.
В табл. 1 приведено соотношение фракций в сухом веществе золы разных видов топлива. Фактическое количество образующейся золы варьирует в широких пределах и определяется технологией сжигания и качеством топлива.
Размер зерна золы зависит от вида топлива и содержания в нем минеральных веществ. В крупнозернистой золе размер зерна определяется долей спеченных или ошлакованных частиц. Крупность частиц золы после циклона и летучей золы зависит от применяемой технологии пылеулавливания. Максимальный размер зерна летучей золы составляет 0,1–0,6 мкм. Исследования гранулометрического состава фракций золы разных видов топлива показали, что частицы крупной золы представлены в широком диапазоне: 10–150 мкм. Это объясняется различным шлакообразованием, связанным с составом топлива и типом котла.
Плотность зольных фракций не зависит от вида топлива, лишь от размера зерен: чем мельче частицы, тем ниже их средняя плотность, как видно из данных табл. 2.
В золе присутствуют все неорганические вещества, кроме азота. Кальций – основной компонент древесной золы. Средние концентрации биогенных элементов в зольных фракциях разных видов топлива приведены в табл. 3, а для сравнения указаны данные по золе соломы. Ценность соломенной золы как удобрения ниже древесной, поскольку ее основным компонентом является кремний, наибольшее содержание которого отмечается в рисовой соломе.
При сжигании в псевдоожиженном слое состав золы может различаться из-за примеси материала слоя – обычно кварцевого песка (SiO2), а содержание питательных веществ будет ниже, чем при обыкновенном сжигании.
Содержание питательных веществ в золе древесных отходов значительно ниже, чем в натуральной древесине, из-за широкого разнообразия ингредиентов (доля питательных веществ меньше).
В табл. 4 приведено содержание тяжелых металлов в трех фракциях золы разных видов топлива.
В летучей золе содержание большинства тяжелых металлов значительно увеличивается, поскольку мелкодисперсные летучие соединения (например, мышьяка, кадмия, ртути, свинца, цинка) при горении конденсируются на летучей золе и поступают в атмосферу вместе с дымовыми газами по мере охлаждения. Нелетучие соединения, например, хрома и меди, остаются в крупной золе.
Использования золы в качестве удобрения
Традиционно золу биомассы используют как удобрение для повышения плодородия почвы (в качестве заменителя извести ввиду высокого содержания кальция – для уплотнения) в сельском и лесном хозяйстве. В Германии существует специальный Регламент для использования удобрений (DüMV), в котором четко прописано допустимое содержание разных веществ в золе. Согласно DüMV, использование «золы с последней фильтрующей установки в дымоходе», то есть мелкой летучей золы, в качестве удобрения запрещено. В зависимости от системы очистки дымовых газов допускается применение циклонной золы как удобрения.
Накопление тяжелых металлов в золе осложняет ее использование, и в первую очередь для удобрения. Камера сгорания и воздуховод энергетической установки должны быть спроектированы таким образом, чтобы тяжелые металлы концентрировались в основном в мелкодисперсной летучей золе, характеризующейся максимальной способностью их связывания. Кроме того, во избежание больших потерь питательных веществ золы, при сжигании биомассы следует использовать сепаратор мелкой пыли, обеспечивающий оптимальное разделение трех зольных фракций.
DüMV регламентирует только золу натуральной древесины, которая исследуется в соответствии с Постановлением о взятии проб и анализе удобрений (DüngM-ProbV) на соответствие установленным предельным или минимальным содержаниям питательных и загрязняющих веществ. В рамках контроля за выбросами установок по сжиганию биомассы компетентный орган может потребовать перерабатывать или удалять золу.
Для получения удобрения самого высокого качества зола не должна перемешиваться. Согласно DüMV, крупную золу разрешено использовать в качестве извести или калийного удобрения, максимум 30% может быть добавлено к удобрению типа карбоната извести. Для того чтобы зола соответствовала категории «известковое удобрение от сжигания растительных веществ», содержание CaO в ней должно быть не ниже 30%. Данные табл. 3 свидетельствуют, что древесная зола соответствует этому требованию.
Удобрения, содержащие древесную золу, разрешается вносить только в мелкодисперсном (пыль) или гранулированном виде. DüMV определяет, что это достигается, только если фракция 0,1 мм составляет не больше 0,2%, фракция 0,05 мм – до 0,05%, сита 0,01 мм – до 0,005%. Кроме того, древесную золу допускается использовать как удобрение только при правильной маркировке.
Зола также может перерабатываться вместе с органическими отходами. Согласно приложению 1 Постановления об утилизации биоотходов на сельскохозяйственных, лесных и садовых почвах (BioAbfV) крупную золу можно добавлять к биоотходам во время или после их обработки. Если зола вносится в компост или продукты ферментации после обработки, полученные смеси называют органоминеральными удобрениями.
Гарантии качества золы как удобрения
Федеральная ассоциация качества компоста (BGK) и Федеральная ассоциация качества древесной золы (BGH) в ФРГ ввели контроль качества древесной золы. Члены BGH могут отмечать поставляемую древесную золу знаком качества по системе обеспечения качества удобрений RAL. Это означает, что древесная зола квалифицируется как сырье для удобрений или как удобрение, соответствующее DüMV.
Допустимые для использования виды топлива и древесной золы, требования к качеству золы, а также внутренний и внешний мониторинг являются частью системы обеспечения качества RAL. К разрешенным видам топлива относятся натуральная древесина, порубочные остатки, остатки после ландшафтных рубок, а также кора, древесные гранулы, щепа, плантационная древесина с коротким оборотом. Древесная зола применяется только колосниковая и котельная, а также с фильтров, но не с последней фильтрующей установки.
На предприятиях, располагающих большими объемами золы (электростанциях и котельных), необходимо внутреннее управление качеством, должны быть обеспечены профессиональные отбор проб и исследование золы обученными отборщиками и работниками службы контроля качества. Гарантию качества обеспечивает внутренний и внешний мониторинг. Для самоконтроля используется система менеджмента качества, отобранные внутренние пробы направляются в сертифицированные испытательные лаборатории для определения ключевых характеристик. Оператор на предприятии несет ответственность за сохранение и документирование образцов. Внешний мониторинг предусматривает регулярные независимые проверки, так называемые аудиты, которые проводятся признанными BGH инспекторами на месте, а для контрольных проверок в независимой лаборатории отбираются образцы золы.
Если при аудите будут подтверждены требуемые характеристики золы, электростанция или котельная получает знак качества RAL и сертификат с соответствующими инструкциями по обращению с золой и ее использованию.
Поскольку отбор образцов золы может оказать существенное влияние на результаты расследования, он проводится согласно LAGA PN 98 (Руководству по физическим, химическим и биологическим исследованиям для утилизации различных отходов), содержащему основные правила взятия проб твердых отходов, а также депонированных материалов.
Таким образом, управление качеством и сертификация древесной золы не отличаются от тех же процедур для древесных пеллет, но нормы качества более жесткие, что усложняет контроль качества и сертификацию.
Другие варианты утилизации золы
В ФРГ согласно Закону об управлении вторичной переработкой (KrWG) зола относится к отходам, подлежащим переработке или утилизации надлежащим образом.
Золу с высоким содержанием загрязняющих веществ вывозят на свалку. Свалка должна соответствовать требованиям Регламента о полигонах (DepV). Крупная зола обычно утилизируется на свалках I или II класса, а летучая зола настолько сильно загрязнена, что согласно DepV ее можно складировать только под землей – на свалках класса IV.
Золу применяют в цементно-бетонной промышленности как наполнитель. В 2018 году на немецких цементных заводах было использовано более 2,5 млн т золы, полученной при сжигании бурого и каменного угля на электростанциях. Поскольку Германия заявила о полном отказе от угля в энергетике к 2035–2038 годам, угольную золу придется заменить золой биомассы, в частности древесины в том или ином виде. По данным ряда исследований немецких НИИ такая зола полностью соответствует потребностям цементной промышленности и к тому же позволит значительно сократить выбросы СО2 в соответствии с Парижским соглашением.
Шлаковую золу используют при строительстве дорог, так как она способствует закреплению влажного материала на земле. В ландшафтном дизайне при рекультивации свалок и горных выработок зола служит уплотнителем осадка сточных вод.
Получение фосфора из древесной золы
Одно из содержащихся в золе питательных веществ – фосфор. Это невозобновляемое и необходимое сырье с ограниченными запасами на Земле, химический элемент, входящий в ДНК, участвующий в пищевой цепи и многих других биологических процессах. Наряду с азотом фосфор регулирует рост растений.
В природе фосфор не встречается в элементарной форме, его получают из фосфатной руды, добываемой чаще всего открытым способом и требующей сложной переработки. Качество добываемых фосфатов снижается, при этом объем переработки неуклонно увеличивается, как и уровень загрязнения, особенно тяжелыми металлами. В результате повышается загрязнение окружающей среды и увеличивается потребление энергии и воды.
Многие месторождения фосфатов в мире почти исчерпаны или будут исчерпаны в обозримом будущем. Уже в 2035 году может быть достигнут «пик фосфора» – когда глобальное потребление фосфора превысит его производство. В ФРГ около 60% потребляемых минеральных фосфатов используются в производстве удобрений, еще 20% – в производстве кормов для животных. Фосфор также применяется в пищевой промышленности, при производстве антипиренов и средств для чистки, стирки и ухода.
В Германии нет месторождений фосфатов, страна импортирует фосфорное сырье, в том числе из политически нестабильных стран. Рециркуляция фосфора – извлечение из вторичного сырья – позволит снизить зависимость от сырьевых экспортеров и сохранить природные ресурсы. Государственное управление по окружающей среде и геологии федеральной земли Гессен (HLUG) провело исследование для определения потенциала фосфора в золе биомассы. Тестировались образцы золы из некоторых котельных и электростанций, использующих биомассу (в основном древесную) как топливо, и определялось содержание фосфора в разных видах золы. Было установлено, что в колосниковой золе содержится 1,26% P2O5 (0,55% P).
Содержание фосфора в золе зависит от вида используемой древесной биомассы и способа ее сжигания. Зола вторичной древесины (негодных для дальнейшего использования европалет, строительной опалубки, ящиков и т. п.) содержала всего 0,042% фосфора. В золе отходов деревообработки и лесопиления было выявлено 0,285% фосфора. Но наибольшее содержание фосфора – 2,09% обнаружено в золе топливных котлов, работающих на дровах, щепе, пеллетах и брикетах в домашних хозяйствах для получения тепловой энергии. Она значительно богаче фосфором, чем зола ТЭЦ и ТЭС.
Опрос операторов немецких установок для сжигания биомассы показал, что в настоящее время только 20% колосниковой золы используется в качестве добавки к компосту или удобрениям, 40% сбрасывается в отвалы (свалки), 10% применяется в строительстве, еще 10% примешивается как добавка к строительному щебню, а оставшиеся 20% передаются компаниям, занимающимся переработкой или утилизацией отходов.
Потенциальная оценка с расчетным содержанием 1,3% фосфора в 100% золы показала, что для земли Гессен общий потенциал фосфора в золе биомассы составляет примерно 22 000 т и позволяет покрыть около 70% ее потребности в фосфоре.
Поскольку фосфор, содержащийся в золе, аналогичен фосфору, получаемому из фосфатов, зола биомассы может быть переработана по технологиям, используемых для получения фосфора из золы высушенного осадка сточных вод и побочных продуктов животноводства, например куриного помета.
Получение кремния из золы
В заключение о возможности использования золы содержащих лигнин отходов гидролизных заводов («ЛПИ» №3, 2021). Сегодня диоксид кремния (SiO2) в небольших объемах получают из рисовой лузги или ее золы. При лущении риса отделяется оболочка зерен – лузга (шелуха), характеризующаяся повышенным содержанием диоксида кремния. Из тонны необрушенного риса можно получить 200 кг шелухи, при сжигании которой образуется до 40 кг золы. Мягкая зола, от низкотемпературного сжигания шелухи содержит кремнезем в ячеистой некристаллической форме с высокой площадью поверхности (50–60 м2/г) и является ценным продуктом.
В ФРГ разработана технология газификации или медленного сжигания рисовой шелухи для получения золы, богатой кремнием. При этом используется водяной пар, нагретый до 300–600°С. Таким образом можно обрабатывать и другие содержащие целлюлозу отходы: солому, древесину, кукурузные початки, отруби и пр.
Для обоснования получения кремния из золы лигниновых отходов гидролизных заводов необходимы дополнительные исследования, но в Германии нет миллионных тонн лигниновых отходов, как в России, поэтому такие научные работы почти не ведутся, хотя есть теоретические положительные заключения специалистов. К тому же сырье из отвалов гидролизных заводов значительно дешевле рисовой шелухи (а соответственно, и зола), правда, и содержание кремния в золе, полученной после сжигания таких отходов лигнина, ниже. Вот идея для компании «Бионет» – первого в мире предприятия, производящего пеллеты из лигниновых отходов.
Текст Сергей Передерий, s.perederi@ eko-pellethandel.de
