Põlevkivituhk kui kasulik kõrvalsaadus

Institutsioonide ja inimeste suhtumine mingisse tootesse väljendub sageli selles, kuidas seda toodet kutsutakse. Ka sellest, kuidas muudes maades nimetatakse materjali, mis vältimatult tekib, kui fossiilkütuseid töödeldakse energia või õli tootmiseks. Eestis tavatsetakse põlevkivituhka nimetada tahkeks jäätmeks, vahel ka ohtlikuks jäätmeks. Kuigi nimi ei riku meest, näidatakse sellega oma halvustavat suhtumist.

Süvenemata siinkohal keskkonna- ja tervisekaitsjatest bürokraatide väljatöötatud igati kasulikku ja vajalikku reguleerimisrägastikku, mille põhjal saab otsustada, kui ja kas mingi toode on üldse ohtlik, tuleb nõustuda, et keskkonda (loodusesse) ladestatud materjal on tõepoolest kahjulik. Pika ajalooga söetööstuses nimetatakse aga sedasama tuhka hellitlevalt saaduseks ehk täpsemalt (kivi)söe põlemissaaduseks Sageli kasutatakse tuhakaubanduses ja -äris lühendit CCPs (ingl k Coal Combustion Products).

Järgnevas teaduskirjandusel põhinevas ülevaates käsitletakse fossiilkütuste töötlemisel tekkivate tahkete saaduste kasutamise kogemusi, mis on mitmes riigis omandatud peamiselt küll söetööstuse baasil. Et kivisütt on õige mitut liiki ja mitmesuguste omadustega, annab see võimalusi saadud andmeid teatava mööndusega kasutada ka põlevkivitööstuses. Osa söetuhkadest on keemilise koostise ja omaduste poolest väga sarnased põlevkivituhaga, mis tekib energia tootmisel ASis Narva Elektrijaamad.

Tuha kasutamine ja turustrateegia  

Nii üllatav kui see ka pole, hakati fossiilkütuste tuhka kasutama juba ligikaudu 2000 aastat tagasi, kui vanad roomlased ehitasid veejuhtmeid (akvedukte). Lendtuha kohta on esimene tõsiselt võetav uurimus teadaolevalt kirja pandud aastal 1937 USA-s [1]. Juba 1946. aastal kasutati seal seda materjali betoontorude valmistamisel ning 1949. aastal ehitati Montana viadukt täielikult lendtuhapõhisest betoonist.

Tänapäeval kasutatakse ära suur osa tekkivast tuhast. Joonisel 1 on näha, et pilt on riigiti üsna erinev. Euroopa Kivisöe Põletamissaaduste Ühingu ECOBA (European Coal Combustion Products Association) andmeil kasutati 1999. aastal Euroopas ära 56 % tuhast, USA-s aga vaid 30 %. ECOBA-sse kuulub 13 Euroopa riiki, kus toodetakse ühtekokku 90% kontinendi söest. Samal joonisel on näha, et Eestis kasutatakse ära ainult 2–3 % põlevkivituhast. Tuha kasutamine üha suureneb, hüppeline kasv toimus just käesoleva sajandi alguses (joonis 2).

Tuha eri fraktsioonid ei ole toormena sugugi võrdselt hinnatavad. ECCPA andmeil kasutati 1999. aastal kõige enam lendtuhka, järgnesid nn sünteetiline kips ja katlatuhk, ladestati aga 54,5 % moodustunud tuhast (joonis 3).

Ameerika Söetuhaassotsiatsiooni ACAA (American Coal Ash Association) andmeil (joonis 4) on erinevus Euroopaga võrreldes märgatav. Kaubaks läks peaaegu kogu katlaräbu, samal ajal kui katlatuhka ja ka lendtuhka kasutati enamvähem ühepalju. Lendtuhka oli katlatuhast ligi neli korda rohkem. Ka Eestis kasutatakse üks AS-i Narva Elektrijaamad lendtuhafraktsioon täielikult ära tsemenditööstuses.

Millistes tööstusharudes tuhka kasutatakse? Kõige rohkem ehitustööstuses tsemendi, betooni või mördi täite- või sideainena. Tuhka kasutatakse nt tellistes, plokkides, tsiviil- ja teeehituses ning ammendatud kaevanduste täitmiseks. See loetelu pole kaugeltki täielik. Joonisel 5 on kujutatud USA söetööstuses tekkiva lendtuha ning joonisel 6 katlatuha kasutusvaldkonnad.

Viimastel aastatel on tuha kasutamise strateegias toimunud oluline muutus. Tööstuses täiteainena tarbimine on andnud maad eelnevale keemilisele töötlemisele. Protsessi ennast on nimetatud mitmeti, nt geopolümeeride valmistamiseks ja aktiveerimiseks, keemiliselt on aga tegemist peamiselt tuhas leiduvate maakoore põhielementidest, s.o alumiiniumist ja ränist moodustuva võrkpolümeeriga. Eeltöötlus võimaldab saada tugevat ja vastupidavat materjali, mis annab tuhapõhisele tootele, olgu see betoonhoone, sild või maantee, erilise tugevuse ja keemilise stabiilsuse. Eeltöötlus suurendab ka ehitise keskkonnaohutust, sest tuhas mikrokogustes leiduvad toksilised ühendid ei pääse keskkonda, vaid peetakse kompaktses veevabas materjalis kinni.

Tuha turunduse ja keskkonnaohutuse strateegias on seega ilmselt kaks osa. Neist esimene näeb ette võimalikult suure hulga tuha kasutamist tööstustoormena nii, et loodusesse ladestataks seda võimalikult vähe või üldse mitte. Teine variant on valmistada mingi nišitoode, mille kogus pole suur, aga hind on kõrge. Need variandid omavahel ei konkureeri, küll aga täiendavad teineteist.

Põlevkivituhk kui perspektiivne toore

Harjumuse jõud on suur. Meil peetakse loomulikuks, et energiatootmise kõrvalsaadus – põlevkivituhk – ladestatakse loodusesse. Peamine küsimus on vaid see, kas seda tehakse rohkema või vähema veega ning tähelepanu koondub puhta vee kokkuhoiule ja ohtliku jäätme mahu vähendamisele. Peatselt rakenduvad rangemad keskkonnanõuded sunnivad aga tuhale tõhusamat rakendust leidma.

Mil määral on kivisöetuha kasutamise meetodid rakendatavad põlevkivitööstuses üldse ja põlevkivienergeetikas eriti? Formaalselt võttes on meil põlevkivituha näol tegemist hoopis iselaadse materjaliga, millel on vähe ühist söetööstuse vastava saadusega. Kivisöetuha standardfraktsioonide mineraalse ja keemilise koostise ning oluliste omaduste võrdlemisel kodumaise põlevkivituha proovide omadega (võrdluse tegi KBFI keskkonnakeemia ja -tehnoloogia töörühm) andis tunnistust sellest, et erinevused pole sugugi nii suured, kui arvata võiks. Mõned omadused, nagu kõrge leeliselisus (suur pH), mis keskkonda ladestamisel on äärmiselt ohtlikud, osutuvad aga ehitusmaterjali, täpsemalt sideaine valmistamisel hoopiski väärtuslikuks, sest sellisele materjalile pole töötlemisel vaja lisada leelist.

Eestis on suur nõudlus odava ja kvaliteetse ehitusmaterjali järele. Tsiviilehituses on nn Narva plokid juba praegu laialdaselt kasutusel. Nende valmistamiseks kasutatakse täielikult ära vaid üks tuhafraktsioon, mis tekib energia tootmisel AS-is Narva Elektrijaamad, ülejäänud tuhk ladestatakse ikkagi peamiselt loodusesse. Kui meenutada kavandatavat ja juba alustatud maanteede, lennuväljade, viaduktide ja sildade ehitamist, mille tarbeks üritatakse saada lube loodusressursside täiendavaks kaevandamiseks, võiks põlevkivituha kasutamine olla lausa kullasoon. Põlevkivituhka saaks kasutada ka ammendatud kaevanduste täitmiseks ja tööstusmaastike rekultiveerimiseks, seda enam, et materjali on suures koguses lähedal olemas ning ka veokulud pole suured.

Eeltoodu ei kuulu rubriiki Julgete mõtete maailmas, vaid on täiesti teostatav, kuigi mitte kohe ja lihtsate vahenditega. Seoses määratu huvi tõusuga maailmas leiduvate põlevkivimaardlate kasutamise vastu on suurenenud ka vastavasisuliste uurimuste ja tehniliste teostuste ning visioonide hulk. Uued põlevkivil töötavad elektrijaamad või õlitööstused kavandatakse juba kompleksis tuha utiliseerimistehastega, s.o jäätmeteta tehnoloogiat järgides (vt nt [7]).

Et uued põlevkivituhapõhised tooted oleksid maailmaturul konkurentsivõimelised, peavad nad olema traditsioonilistest paremate omadustega ja/või odavamad. Mitmesugused töötlemisvõtted võimaldavad saada suures koguses perspektiivseid nn võrkpolümeere, nt geopolümeere ja klaaskeraamikat, ka põlevkivituha baasil. Sünteetilisi kaltsium-alumosilikaatmineraale, tseoliite ja tobermoriiti on sünteesitud paljudest materjalidest ja tööstusjäätmetest (vt nt [8]). Neid saadusi on kasutatud ioonivahetina radioaktiivsete jäätmete puhastamisel, soojusisolaatorina ja tulekindlate materjalide valmistamisel.

Meie katsed AS-i Narva Elektrijaamad värske põlevkivituha hüdrotermilisel töötlemisel [9] andsid tunnistust sellest, et sellest tuhast saab edukalt valmistada Al-asendatud tobermoriiti, mida võiks kasutada mitmes tööstusharus. Joonisel 7 on kujutatud lähtetuhka ning töödeldud materjali ning näha, et kaltsiumsilikaathüdraat moodustab tuhaosakeste pinnale tiheda kihi. Sünteesitud materjali katalüütilisi omadusi uuriti Soomes Turu Akadeemia keemiatehnikalaboris. Katsed aktiveeritud tuha kasutamisel katalüsaatori kandematerjalina näitasid, et kodumaisest põlevkivituhast saadud materjali saab edukalt kasutada katalüütilistes protsessides. Vastuvõetav 30%-ne D-laktoosi D-laktuloosiks isomeriseerimise konversioon saavutati juba kolmetunnise reaktsiooni järel [10].

Kokkuvõtteks

Kokkuvõtteks võib öelda, et põlevkivitööstuse kõrvalsaaduste, peamiselt tuha kasutamine on paljutõotav majandusharu, mis võib anda kogu energeetikatööstusele majandusliku lisaväärtuse, oluliselt säästa loodusressursse ning on keskkonnasõbralik, sest loodusesse ladestatakse vähem jäätmeid.

Artikli koostamisel tugineti KBFI keskkonnakeemia ja -tehnoloogia uurimisgrupis viimastel aastatel tehtud uurimistöö tulemustele, mis on avaldatud mitmes teadusartiklis ja projektis ning mida on finantseerinud peamiselt Eesti Vabariigi Haridus- ja Teadusministeerium. Arendusprojektid on valminud AS-i Eesti Energia ja AS-i Narva Elektrijaamad tellimusel ja toel. Autor avaldab tänu oma kaastöötajatele (Natalja Irha, Janek Reinik, Kelly Joa ja Pilvi Laas), kes abistasid allikate ja materjali otsingul ning tehnilisel töötlusel.

Viidatud allikad

1. Kalyoncu, R.S. Coal combustion products. US Geological Survey Minerals Yearbook. 2000.
2. Jala, S., Goyal, D. Bioresource Technology 2006, 97, 1136–1147 (1997. aasta andmed).
3. Eesti Energia 2006/2007. aastaaruanne.
4. http://acaa.affi niscape.com/associations/8003/fi les/1966–2006_CCP_ Svy_Prod_and_Use_Chart(Asof09-05- 07).pdf (04.08.08)
5. Kalyoncu, R. Coal combustion products. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/coal/874400.pdf
6. Kalyoncu, R.S. Coal Combustion Products Production and Uses (www. mcrcc.osmre.gov/PDF/Forums/ CCB3/1-1.pdf 04.08.08
7. Jiang X. M., Han X. X., Cui, Z.G.. New Technology for the comprehensive utilization of Chinese oil shale resources. Energy 2007, 32, 772–777.
8. Querol, X., Alastuey, A., FernándezTuriel, J., López-Soler, A. Synthesis of Na-zeolites from fl y ash. Fuel, 1997, 76, 793–799.
9. Reinik, J., Heinmaa, I., Mikkola, J-P., Kirso, U. Hydrothermal alkaline treatment of oil shale ash for synthesis of tobermorites. Fuel, 2007, 86, 669–676.
10. Reinik, J., Heinmaa, I., Mikkola, J-P., Kirso, U. Synthesis and characterization of calcium-alumino-silicate hydrates from oil shale ash – Towards industrial applications. Fuel, 2008, 87, 1998–2003).

Artikli autor on UUVE KIRSO, KBFI

Artikkel ilmus ajakirjas Keskkonnatehnika 5/2008, lk 26–29

Joonised: KBFI

Esifoto: Olev Mihkelmaa / Wicimedia Commons CC BY-SA 3.0