Composition and diagenesis of oil shale industrial solid wastes

Date

2010-11-16

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Tänane Eesti elektrienergia tootmine tugineb enam kui 90% osas põlevkivienergeetikal. Põlevkivi põletamisel ja/või keemilisel töötlemisel tekib suures koguses jääkprodukte – tuhka ja poolkoksi. Jäätmete taaskasutamine on olnud väga piiratud ja kindlasti ebapiisav. Seetõttu on valdav enamus tuhast ja poolkoksist ladustatud elektrijaamade vahetus naabruses paiknevatesse jäätmehoidlatesse. Kokku on ladestatud juba ligemale 300 miljonit tonni tuhka ja umbes 100 miljonit tonni poolkoksi. Aastas lisandub umbes 5–7 miljonit tonni tuhka ja ligikaudu 1 miljon tonni poolkoksi. Tuha ja poolkoksi jäätmehoidlaid käsitletakse Eesti kõige ohtlikumate keskkonnaprobleemidena. Ohtlikus seisneb tuha ning poolkoksi hüdratiseerumisel tekkiva nõrgvee kõrges leeliselisuses ja jäätmehoidlate geotehnilises stabiilsuses. Poolkoksi jäätmehoidlate puhul lisandub orgaaniliste ühendite (peamiselt fenoolide) reostusoht. Leeliselise nõrgvee moodustumine ja lasundite stabiilsus on otseselt seotud reaktsioonidega, mida kontrollivad jäätmete keemiline ning mineraalne koostis, mille selgitamine oli käesoleva doktoritöö uurimisprobleemi üldeesmärgiks. Põlevkivi poolkoks on mitmekomponendiline segu utmise jääkproduktidest – orgaanilisest ainesest, muundunud põlevkivi mineraalosast ning muutumatuna või vähesel määral muutunud põlevkivist (sh karbonaatne osa). Poolkoksi hüdratiseerumisel toimub mineraalses koostises rida muutusi, millest iseloomulikumaks on Ca–Al-sulfaadi – ettringiidi moodustumine. Ettringiit täidab poolkoksi sette pooriruumi sidudes setteosakesi ühtseks tsementeerunud tervikuks, tugevdades seeläbi jäätmelasundi geotehnilist püsivust. Siiski on ettringiit stabiilne vaid kõrgetel pH väärtustel ning see mineraal laguneb aeglaselt ladestute pinnakihis sademete leostuval toimel. Elektritootmises kasutatavate tolmpõletuskatelde ja keevkihtkatelde tuha koostist, osakeste suurust ja kuju mõjutab enim põlemistemperatuur. Kuna Eesti põlevkivi on kõrge karbonaatsusega, siis on domineerivateks faasideks erinevad Ca(Mg) ühendid. Samas esineb Balti ja Eesti SEJ sama tüüpi katelde põlevkivituha koostises Ca-silikaatide kvalitatiivse koostise varieerumine ja seda sõltumata põletusrežiimist. Tõenäoliselt tuleneb see elektrijaamades kasutatava kütuse koostise varieeruvusest, mitte aga põletustingimusest. Tuha ladestamisel jäätmehoidlatesse, toimuvad mitmed keemilis-füüsikalised reaktsioonid (tuha hüdratiseerumine) ning sette koostises esinevate faaside muundumisprotsessid sette pikaajalisel ladustamisel. Jäätmeladestute geotehniline püsivus sõltub sinna ladestatava tuha keemilis-füüsikalistest omadustest. Keevkihtkatelde tuhal on sõltuvalt madalamast põletustemperatuurist väiksem potentsiaalselt tsementeeruvate faaside sisaldus, mistõttu on see tuhasete halvemate geotehniliste omadustega, lisaks võimendab nõrgemat tsementeeruvust tuhaosakeste separeerumine hüdraulilisel ladestamisel. Seepärast esineb keevkihtkatla tuha ladestamisel tõsiseid tehnoloogilisi probleeme ja tuha ladestamisel peaks hoiduma seni kasutatavast märgladestustehnoloogiast. Nii tuha kui poolkoksi jäätmehoidlatest lähtuv nõrgvesi on äärmiselt kõrge leeliselisusega (pH 12–13). Arvutuslikult, eeldades leeliselisuse neutraliseerumist ainult sademetevee mõjul, kuluks tuhasette leeliselisuse potentsiaali täielikuks neutraliseerumiseks sadade tuhandete aastate Eesti keskmine sademetehulk, mis muudab tuhajäätmed ökoloogiliseks probleemiks paljude tulevaste põlvkondade jaoks.
Oil shale is the most important natural resource in Estonia and of vital importance in the country’s energy sector. Consumption of oil shale in chemical and power industry leaves large quantity of waste ¬– semi-coke and oil shale ash. Reusability of those wastes has been very limited, and vast majority of ash and semi-coke have been piled up on waste landfills. Almost 300 Mt of ash and 100 Mt of semi-coke have been deposited so far, and each year the quantity of ash increases by 5-7 Mt and semi-coke by about 1 Mt. The ash plateaus and semi-coke depositories are considered as the severest environmental problems in Estonia, due to the high alkalinity of the leachates draining off the waste landfills, and the geotechnical stability of these depositories. In addition, semi-coke contains different organic compounds (phenols etc.), which increases its environmental hazardousness. The mechanism behind the formation of alkaline leachates and geotechnical stability of these landfills lay on the chemical and mineral composition of these wastes and on the chemical reactions that take place within the sediment. Characterization and studying these sediments were the main objectives of this doctoral thesis. Oil shale semi-coke is a complex mixture of residual organics, transformed mineral matter, macroscopically unaltered oil shale and pieces of carbonate rock. Hydrated semi-coke sediments are characterized by a high content of secondary Ca–Al-sulphate mineral ettringite, which causes cementation of loose semi-coke particles in waste deposits. However, ettringite is a stable phase only at elevated pH levels and is slowly dissolved by percolating unsaturated precipitation water. The composition and particle micromorphology of ash from two different combustion technologies (pulverized firing (PF) and circulating fluidized bed boiler combustion (CFBC)) employed in the Narva Power Plants are principally controlled by firing temperature differences. High carbonate content in oil shale leads to the domination of Ca(Mg)-phases in its ash. However, comparison of ash from the same type of boilers in the Eesti and Balti TPPs shows remarkable differences in Ca-silicate phases, which can be interpreted as caused by variations in oil shale fuel used at these power plants rather than by combustion technology. Hydraulic transportation and deposition of ash in waste landfills initiates several chemo-physical reactions (e.g. hydration), and subsequent diagenetic transformations within the sediment. The geotechnical stability of these landfills is related to the composition and properties of ash. Circulating fluidized bed ash has lower cementation properties due to a characteristic phase composition bacause of a considerably lower combustion temperature and intense phase separation inside the boiler. The phase separation is further enhanced by the hydraulic transportation of ash that causes partition of the cementation phases even further. Therefore the hydraulic transport of CFBC ash to the ash plateaus is not suitable for building peripheral dams in these ash deposits. Leachate water from the semi-coke and ash landfills have extremely high pH 12–13, which needs treatment before discharge into water bodies. However, the alkalinity potential estimated from the composition of ash shows that the full neutralization of ash sediments by precipitation water requires hundreds of thousands of years, thus making these ash plateaus an environmental problem for many coming generations.

Description

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone.

Keywords

põlevkivitööstus, tahked jäätmed, dissertatsioonid

Citation