Щодо питання декарбонізації та утилізації золошлакових відходів ТЕС

Carbon dioxide emissions are one of the causes of temperature increase and global warming. The legislative framework analysis has shown that all the prerequisites for the transition to low-carbon development, reduction of greenhouse gas emissions, and industry decarbonization have been created in Ukraine. The climate change scenarios have shown that general warming is expected in Ukraine by 2050. The maximum temperature changes are predicted to be - 2.2° C in December. The analysis of industry decarbonization directions has shown that major studies are focused on the decarbonization of metallurgical enterprises, coal industry enterprises, fuel and energy complex, transport decarbonization, production of “green” hydrogen as an alternative fuel, transition from traditional energy sources to alternative ones, and determination of economic mechanisms of carbon pricing. The issues of carbon dioxide capturing, transporting and storing are important. The research results have helped to determine the prospects and advantages of each direction. It is important to assess the possibilities and potential of using captured carbon dioxide. The carbon dioxide storage in deep geological formations will require a complex of actions aimed at preventing the pollution of environmental components. The advantages of transporting carbon dioxide by pipelines have been defined compared to transportation by road and rail transport.

The disposal direction of ash and slag waste of thermal power plants has been determined. It consists in grinding waste in the carbon dioxide medium with obtaining stable Mg and Ca carbonates. This allows to expand the scope of waste use in the construction industry.

Key words: decarbonization, capture of carbon dioxide, transportation of carbon dioxide, storage of carbon dioxide, industrial fixation of carbon dioxide, thermal power plant waste, grinding.

Постановка проблеми

Питання декарбонізації промисловості набуває більшої актуальності на шляху інтеграції України в економічну систему ЄС. За даним [1], на сьогодні викиди СО₂ становлять приблизно 42 Гт, що вже є загрозливим для гальмування розвитку глобальних екологічних змін. Температурний сценарій емісії СО₂ прогнозує три варіанти зростання температури на 0,9-2,3°С, 2,0-3,5°С і 3,2-5,4°С [1], що можна віднести, відповідно, до категорій низького, помірного та високого ризиків.

Відповідно до Паризької кліматичної угоди усі країни беруть на себе зобов'язання щодо скорочення обсягів викидів парникових газів в атмосферне повітря, й Україна є не виключенням. У 2016 р. схвалена Концепція реалізації державної політики у сфері зміни клімату на період до 2030 року (Розпорядження КМУ № 932-р від 7 грудня 2016 р.), яка визначає та реалізує державну політику в сфері зміни клімату та гармонізує вітчизняну нормативно-законодавчу базу з міжнародною [3].

Стратегія екологічної безпеки та адаптації до зміни клімату на період до 2030 року, яка схвалена Розпорядженням КМУ № 1363-р від 20 жовтня 2021 р., виділяє основні екологічні проблеми, які негативно впливають на сталість екосистем, окреслює крос-секторальні проблеми адаптації до зміни клімату та визначає цілі та основні завдання підвищення рівня екологічної безпеки, зменшення впливів та наслідків зміни клімату в Україні [4]. Передбачається зниження обсягів викидів забруднюючих речовин в атмосферне повітря від стаціонарних джерел на 22,5% порівняно з 2015 р. [4] і на 65% порівняно з 1990 р. [2].

Стратегія низьковуглецевого розвитку до 2050 р. визначає передумови переходу до низьковуглецевого розвитку, скорочення викидів парникових газів і окремим пунктом розглядає декарбонізацію енергетики [5].

Починаючи з 2020 року запроваджено регулювання заходів щодо зменшення викидів діоксиду вуглецю. У зв'язку з чим застосовуються три форми економічних механізмів вуглецевого ціноутворення [2, 6, 7] - екологічний податок на викиди парникових газів та система торгівлі квотами на їх викиди та їх поєднання, по аналогії як в країнах ЄС, де розмір податків коливається від € 30 до € 147 на 1 т СО₂ [1].

Для України розроблені сценарії зміни кліматичних умов на середньота довгострокову перспективу, базуючись на даних глобальних та регіональних моделей. Сценарії показали, що до 2050 р. очікується загальне потепління і максимальні значення змін ( - 2,2 ⁰С± 0,4⁰С) прогнозуються для грудня [8].

За даними Державної служби статистики України викиди діоксиду вуглецю в атмосферне повітря від стаціонарних джерел забруднення за регіонами у 2021 році становили 111,9 млн. т або у розрізі областей найбільша кількість викидів СО₂ (понад 22 млн. т) зареєстровано у Донецькій та Дніпропетровській областях, а найменша (менше 0,5 млн. т) - у Чернівецькій, Херсонській, Тернопільській, Волинській та Закарпатській областях (рис. 1) [9].

Рис. 1 Викиди діоксиду вуглецю у розрізі областей України, 2021 рік [9]

В Івано-Франківській області в атмосферне повітря у 2021 році з викидами надійшло 12,1 млн. т СО2, і область посідає 4 позицію в забрудненні території України викидами діоксиду вуглецю. Потенційним джерелом надходження в атмосферне повітря значної кількості забруднюючих речовин, і, в першу чергу, оксидів вуглецю є Бурштинська ТЕС, яка приводять до максимального забруднення території приблизно в 10 км. Іншою, не менш важливою проблемою усіх ТЕС в Україні, є золошлакові відходи, щорічні обсяги утворення яких становлять мільйони тон. Більшість цих відходів не утилізується і потрапляє у відвали, під які в Україні відведено понад 20 тисяч га землі. Золошлакові відвали є причиною вертикальної міграції іонів важких металів та виникненні геохімічних аномалій [10]. За даними [11], СаО може бути вище кларкового значення в 4-12 разів, Al₂O₃ в 2 рази, Fe₂O₃ - в 1,5-3 рази, MgO - в 2-3 рази. Отже, зберігання відходів у золошлакових відвалах приводить до забруднення атмосферного повітря внаслідок ерозійних процесів та забрудненню ґрунтів та підземних вод внаслідок міграції забруднюючих речовин через «тіло» відвалу в природні об'єкти.

Тому, для Івано-Франківській області актуальними є питання декарбонізації та утилізації золошлакових відходів.

Аналіз досліджень та публікацій

Декарбонізація є пріоритетом сталого розвитку промисловості України, що передбачає перехід до циркулярної економіки на принципах вуглецевої нейтральності [7, 12].

Питання декарбонізації промисловості розглядається науковцями та фахівцями -практиками з різних аспектів:

- декарбонізація металургійних підприємств [1, 13-16];

- декарбонізація підприємств вугільної промисловості [1, 8];

- декарбонізація підприємств паливо-енергетичного комплексу [1, 6, 7, 12, 17-20];

- виробництві «зеленого» водню як альтернативного палива [8, 13];

- декарбонізація транспорту [1, 7];

- перехід від традиційних джерел енергії до альтернативних [1, 8, 12, 13];

- запровадження економічних механізмів вуглецевого ціноутворення [1, 2, 6, 7].

Не менш важливими є питання вловлювання, транспортування та захоронення діоксиду вуглецю.

Постановка завдання

Метою роботи є аналіз сучасних напрямків декарбонізації та перспективних шляхів їх реалізації в Україні; аналіз процесів вловлювання, транспортування та захоронення діоксиду вуглецю; аналіз можливості використання золошлакових відходів ТЕС для промислової фіксації СО₂.

Виклад основного матеріалу

Питання декарбонізації передбачає зменшення надходження в атмосферне повітря оксидів вуглецю. Стратегічними напрямками декарбонізації є сектор виробництва електроенергії, промислові підприємства, в першу чергу, підприємства вугільної, нафтогазової та металургійної промисловості, а також транспортна галузь.

Процес декарбонізації може відбуватись декількома шляхами - удосконалення технологічних процесів із зменшенням обсягів утворення оксидів вуглецю (зниження вуглецемісткості технологічних процесів), інтенсивний розвиток альтернативної енергетики, використання альтернативних видів палива, комплексне використання мінерально -сировинних ресурсів і, як наслідок, обмеження видобутку корисних копалин. Основними етапами декарбонізації економіки є вловлювання, захоронення (зберігання) та утилізація СО ₂, а також його транспортування до місць зберігання або утилізації.

Вловлювання діоксиду вуглецю [7, 17-20]. Одним з важливих етапів декарбонізації є зменшення обсягів надходження діоксиду вуглецю в атмосферне повітря. Вловлювання СО ₂ передбачає його відокремлення від основного газового (повітряного) потоку, створення концентрованого потоку СО₂ з високим тиском, який вже можна транспортувати до місця зберігання. При цьому потік СО2 має бути практично чистий.

На даний час використовується сепарація СО₂ на промислових установках (наприклад, установки для переробки природного газу, виробництву аміаку), абсорбований СО2 використовується для очистки інших потоків промислових газів. На всіх етапах передбачається сепарація СО₂, Н₂ або О₂ від основного газового потоку - димового газу, синтетичного газу, повітря або неочищеного природного газу. Процес сепарації здійснюється за допомогою розчинників, мембран, твердих сорбентів або використовується кріогенне розділення, що залежить від технологічного процесу. При виборі системи вловлювання необхідно враховувати концентрацію СО₂ в газовому потоці та тиск потоку.

Удосконалення системи вловлювання діоксиду вуглецю після або до спалювання палива зможуть зменшити викиди газу приблизно до 90% у порівнянні з стандартними установками. В той же час використання системи спалювання палива із збагаченням кисню може вловлювати практично увесь діоксид вуглецю.

Аналізуючи системи вловлювання СО₂ можна виокремити наступні проблеми:

- процес вловлювання і компресії СО₂ - робота всієї системи вловлювання з наступним зберіганням у геологічних формаціях - потребує більшого використання енергії (на 10-40%) порівняно з установкою стандартного вловлювання СО₂ аналогічної потужності;

- процес вловлювання СО₂ з наступною карбонатною мінералізацією потребує енергії на 60 - 180% більше порівняно з установкою стандартного вловлювання СО ₂ аналогічної потужності;

- збільшення використання енергії буде збільшувати кількість використання палива, що буде приводити до збільшення кількості інших викидів;

- збільшення обсягів вловлювання СО₂ вимагає збільшення розмірів сепараторів, що зробить процес більш енергоємним і більш вартісним;

- збільшення використання енергії знижуватиме економічну ефективність технологічного процесу та вартість продукції;

- відокремлення оксидів сірки і азоту буде знижувати ступінь вловлювання СО ₂ до 90%.

Отже, при виборі оптимального способу вловлювання діоксиду вуглецю необхідно оцінити робочі характеристики установок для вловлювання СО ₂ з врахуванням технологічних параметрів виробництва. Важливими є оцінка можливостей та потенціалу використання вловленого СО ₂ в промисловому процесі виробництва.

Транспортування діоксиду вуглецю [7, 17, 21, 22]. Наступним етапом після вловлювання СО₂ є його транспортування до місць зберігання. Процес транспортування проводиться для концентрованого потоку СО₂ високого тиску. Для транспортування використовуються газопроводи, автомобільний або залізничний транспорт. Використання кожного з видів транспорту буде мати свій ряд передумов.

За даним [21], транспортування СО₂ газопроводами вимагає дотримання тиску понад 8 МПа, що зменшує вартість газу, і наявність додаткових компресорних станцій.

Транспортування автомобільним або залізничним транспортом здійснюється у спеціальних цистернах при температурі -20 °С та тиску 2 МПа, що впливатиме на економічну ефективність транспортування.

Перевагами транспортування СО₂ газопроводами є те, що сухий газ, навіть якщо буде містити домішки (оксиди сірки або азоту), не матиме корозійного впливу на трубопровід. Також не менш важливим є зменшення вартості СО₂ за рахунок збільшення його щільності при транспортування під високим тиском.

Одночасно з перевагами є ряд проблем. При транспортуванні газопроводами з метою запобігання виникненню корозії необхідно видалити вологу з потоку СО ₂, в інакшому випадку трубопровід зсередини має бути покритий спеціальним сплавом або мати полімерне покриття. В той же час при транспортуванні діоксиду вуглецю трубопроводами зберігаються усі ризики та наслідки витоків газу, які будуть аналогічними при транспортуванні вуглеводнів.

Зберігання (захоронення) діоксиду вуглецю [7, 17, 18, 21-23]. Діоксид вуглецю може бути використаний з метою підтримки пластового тиску та інтенсифікації нафтогазовидобутку вуглеводнів. СО2 може зберігатись у породах-колекторах, соленосних формаціях або сланцевих породах зі значним вмістом органічної речовини. І для його зберігання можуть бути використані виснажені нафтогазові родовища. Глибина зберігання СО ₂ має бути понад 800 м.

Для закачування СО₂ в пласт можуть використовуватись технології нафтогазового комплексу для інтенсифікації видобування нафти, коли в пласт нагнітається газ.

При зберіганні СО₂ на глибинах понад 800 м газ буде мати щільність подібну до щільності окремих видів нафти. При закачуванні СО₂ стискається і заповнює пори внаслідок часткового витискання нафти (газу), що сприятиме збільшенню пористого об'єму для подальшого його зберігання. Коли СО₂ надійде у геологічну формацію, будуть відбуватись хімічні взаємодії СО ₂ як з породою, так і з водою, і наслідком цих взаємодій буде утворення карбонатних мінералів. У соленосних формаціях потенційний об'єм для зберігання СО₂ буде не перевищувати 30% від загального об'єму породи. Якщо СО₂ буде адсорбуватись на сланцеві породи зі значним вмістом органічної речовини, то він буде витісняти метан. Цей процес може відбуватись на менших глибинах порівняного з процес зберігання у соленосних формаціях або породах-колекторах.

Зберігання СО₂ у геологічних формаціях може викликати наступні екологічні проблеми:

- бокову міграцію СО₂;

- раптові витоки через закинуті свердловини може привести до збільшення понад 7 -10% концентрації СО₂ у повітрі, що матиме небезпеку для здоров'я людини;

- поступові та розосереджені витоки СО₂ через дефекти свердловин або руйнування, які можуть впливати:

а) на гідросферу:

- безпосереднє потрапляння СО₂ у водоносні горизонти;

- накопичення СО₂ у зоні між поверхнею і верхньою частиною водного дзеркала;

- потрапляння соляних розчинів у водоносні горизонти внаслідок процесів витискання,

б) на ґрунти:

- збільшення концентрації СО₂ у верхньому шарі ґрунту;

- збільшення кислотності ґрунтів;

- зменшення вмісту кисню;

- як наслідок пригніченість рослинності та негативний вплив на живі організми,

в) на атмосферне повітря:

- збільшення концентрація газу в понижених формах рель'єфу;

- збільшення концентрації газу на територіях з слабкою дією вітру;

- розосередженість витоків по території;

- ліквідація витоків СО₂ та їх наслідків;

- процес нагнітання СО₂ може приводити до збільшення тріщинуватості порід, що збільшує непередбачуваність забруднення навколишніх об'єктів у процесі зберігання газу;

Отже, при зберіганні діоксиду вуглецю у глибинних геологічних формаціях необхідне проведення комплексу наступних робіт:

- визначення оптимальних місць зберігання СО₂ з мінімальною вірогідністю витоків СО₂: наявність перекриваючих порід з високим степенем непроникності, відсутність тектонічних порушень, які сприятимуть міграції газу;

- визначення потенційних зон витоків СО₂;

- моделювання процесів, які можуть відбуватись у природних резервуарах для зберігання СО2;

- моделювання процесу забруднення навколишнього середовища;

- розробка системи моніторингу.

Промислова фіксація діоксиду вуглецю (карбонатизація мінералів). Технологічні процеси з використанням вловленого СО₂ як сировини замість вуглеводнів не завжди сприяють зменшенню викидів у повному вуглецевому циклі.

Саме фіксація СО₂ з використанням лужних та лужноземельних оксидів (MgO і CaO), які входять до складу як силікатних порід, так і деяких відходів, дозволить зменшити викиди газу. Для промислової фіксації 1 т СО₂ необхідно 1,6 - 3,7 т силікатної породи [24]. Перевагою даного напряму є те, що при карбонізації мінералів СО₂ не буде надходити в навколишнє середовище, в першу чергу в атмосферне повітря. Попередні дослідження показали, що отримані речовини можуть використовуватись у будівельній промисловості або у виробництві будівельних матеріалів [25].

В якості відходів можна розглядати відходи, які містять у своєму складі MgO і CaO, до яких належать відходи паливно-енергетичного комплексу - відходи ТЕС.

В Івано-Франківській області Бурштинська ТЕС є одночасно джерелом викидів оксидів вуглецю та джерелом утворення золошлакових відходів, основним мінеральним компонентом яких є оксиди Mg і Ca.

Найбільш перспективним напрямом утилізації відходів ТЕС є використання їх у будівельній промисловості для виробництва будівельних виробів та у виробництві в'яжучих компонентів будівельних сумішей [11, 26 - 28]. Фіксація СО₂ можлива на MgO і СаО, які є компонентами золошлакових відходів ТЕС. Тому, відходи Бурштинської ТЕС можна розглядати як техногенну сировину для промислової фіксації діоксиду вуглецю.

Процес промислової фіксації СО2 в карбонатах, в апріорі, має базуватись на природному процесі вивітрювання гірських порід. Тому в розробці технології карбонатизації мінералів можна використати принципи механоактивації речовини як методу збільшення реакційної здатності (хімічної активності) речовини в умовах надтонкого подрібнення. Прискорення (активізація) процесу буде відбуватись за рахунок руйнування кристалічної ґратки, що підтверджується дослідженнями з впливу механоактивації на тверді речовини. Можливе також подрібнення у середовищі СО2 з отриманням стабільних карбонатів Mg і Са. На даний час існуючі технології попередньої обробки мінералів є досить енергоємними у порівняні з технологіями, що базуються на методі механоактивації.

Висновки

Декарбонізація промисловості сприятиме запровадженню нових екологічних технологій переробки мінерально-сировинних ресурсів, більш використання альтернативних видів енергії та відкриває нові перспективи в напрямках утилізації відходів.

Основними напрямками декарбонізації є вловлювання, захоронення, утилізація СО₂ та його транспортування до місць зберігання або утилізації, що вимагає іноді багатофакторного аналізу.

При виборі оптимального способу вловлювання діоксиду вуглецю необхідно враховувати технічні та технологічні параметри виробництва, оцінювати потенціал використання вловленого СО₂ у промисловому процесі. Транспортування СО ₂ газопроводами поряд з перевагами (зменшення вартості СО₂, наявність оксидів сірки або азоту, не викликатиме корозійного впливу на трубопровід) матиме деякі недоліки (необхідно видаляти вологу з потоку СО ₂, зберігаються усі ризики та наслідки витоків газу, аналогічні при транспортуванні трубопроводами вуглеводнів).

Зберігання СО₂ у геологічних формаціях може викликати забруднення атмосферного повітря, ґрунтів та підземних вод. Перспективним напрямком одночасної утилізації СО₂ та золошлакових відходів є його промислова фіксація на MgO і СaO, які входять до складу відходів ТЕС.

Література