CC BY
92
ГРНТИ 67.09.39
Кудерин Марат Крыкбаевич
д.т.н., профессор, декан, Архитектурно-строительный факультет, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: marat_kuderin@mail.ru.
Бабиев Куаныш Даулетбекович
магистрант, кафедра «Промышленное, гражданское и транспортное строительство», Архитектурно-строительный факультет, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: karzhas@gmail.com.
АЛЮМОСИЛИКАТНАЯ МИКРОСФЕРА В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Рассмотрены причины потери тепла через ограждающие конструкции жилых зданий, и последствия потребления энергии, образованной сжиганием угля. Последствием сжигания угля являются ежегодные млн. т золошлаковых отходов, которые складируются в специальные золоотвалы. Золоотвалы, занимая огромные площади земли, загрязняют как атмосферный воздух, так и подземные грунтовые воды. Изучен ценный компонент, содержащийся в золе-уносе. Описан процесс образования микросферы и способ его извлечения из золы-уноса. Рассмотрены основные физико-химические свойства микросферы и применения его в различных отраслях промышленности. Приведены примеры использования микросфер для изготовления энергоэффективных строительных материалов.
Ключевые слова: алюмосиликатная микросфера; зола-унос; отходы; экология; энергоэффективность.
ВВЕДЕНИЕ
Вопросы энергосбережения и повышения энергоэффективности, в том числе в области строительства и эксплуатации зданий и сооружений, в настоящее время являются актуальными во всём мире. Это связано с ограниченностью энергоресурсов, высокой стоимостью энергии, негативным влиянием на окружающую среду, обусловленных её производством. Использование отходов от сжигания твёрдого топлива - это не столько вопрос экономии материальных ресурсов, сколько проблема возрастающего загрязнения окружающей среды и, следовательно, здоровья людей. Поэтому использование микросфер, содержащихся в составе золошлаковых отходов, в разработке энергоэффективных строительных материалов было бы одним из решений вышеуказанных актуальных задач.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Жилищный сектор в Казахстане потребляет около 11-13 % электроэнергии и 40% произведённой тепловой энергии. По оценкам экспертов, теплотехнические характеристики 70 % зданий (особенно построенных в 1950-1980-е годы)
не соответствуют современным требованиям, из-за чего треть потребляемого ими тепла уходит из этих зданий через ограждающие конструкции [1]. В настоящее время к возводимым жилым домам предъявляются высокие требования в части энергосбережения и энергетической эффективности, о чем свидетельствуют принятые в 2012 году законы РК «Об энергосбережении и повышении энергоэффективности» и «О внесении изменений и дополнений в некоторые законодательные акты Республики Казахстан по вопросам энергосбережения и повышения энергоэффективности», а также концепции развития топливно-энергетического комплекса РК до 2030 года и по переходу к «зелёной экономике». При эксплуатации жилого дома теплопотери через наружные стены составляют от 18 до 45 % от суммарных, включая потери тепловой энергии на инфильтрацию и вентиляцию [2—4].
Требования по тепловой защите ограждающих конструкций приведены в документах новой нормативной базы, действующих с 1 июля 2015 года: СН РК 2.04-04-2013 «Строительная теплотехника»; СН РК 2.04-03-2011 «Тепловая защита зданий»; СН РК 3.02-38-2013 «Энергосберегающие здания». Для удовлетворения этих требований необходимо создавать и использовать эффективные строительные материалы.
В Казахстане с ежегодным ростом строительства теплоснабжаемых зданий отмечается общая тенденция роста теплопотребления. Около 50 % котельных используют уголь, около 30 % работают на природном газе, а ещё 20% используют жидкое топливо [1]. Очевидно, что основным видом топливно-энергетических ресурсов Казахстана является уголь, который поставляется в основном из Экибастузского, Карагандинского и Кузнецкого месторождений. Уголь не сгорает бесследно, в процессе его сжигания образуется не только энергия, но и отходы. В Казахстане ежегодный выход золы и золошлаковых смесей при сжигании углей составляет около 19 млн. т, а в золоотвалах к настоящему времени накоплено более 300 млн. т отходов [5]. Они занимают огромные площади и негативно действуют на окружающую среду. К примеру, на золоотвале ТЭЦ-1 г. Павлодара с 1964 года заскладировано более 47,84 млн. т золошлаковых материалов (по состоянию на 01.01.2017 г.). Общая площадь карты золоотвала составляет 796,37 га с протяженностью по гребню дамбы золоотвала 12,78 км.
Исследованиями, проведёнными в Казахстане, России и за рубежом, доказано, что в золе ТЭС содержатся компоненты, обладающие ценными и уникальными технологическими свойствами, позволяющими эффективно использовать их во многих технологиях. Одним из наиболее ценных компонентов золы-уноса являются алюмосиликатные полые микросферы. В 1957 г. в Англии учёные обнаружили, что при сжигании углей в топках котлов из минеральных примесей образуются алюмосиликатные микросферы (далее АСМ) - лёгкий сыпучий мелкодисперсный порошок, состоящий из отдельных сферических полых прочных частиц [5-7] (рисунок 1).
Рисунок 1 - Микрофотография ACM
В разное время изучением микросфер из зол уноса занимались специалисты Англии, Индии, США, и к настоящему времени результатами их исследований стало развитие использования микросфер в качестве вторичного сырья. В Казахстане изучением микросфер из зол уноса должным образом не занимаются. Несомненно, что изучения и достижения отечественных учёных могли бы способствовать развитию применения микросфер в производстве и в инновационных технологиях. На сегодняшний день наша страна только экспортирует микросферы в страны СНГ и Европу.
Микросферы образуются в топках ТЭС, работающих на каменном угле. При сгорании угля под действием высоких температур (1300-1500 °С и выше) значительная часть негорючих частиц породы расплавляется и затем, проходя по дымоходам, затвердевает в процессе витания и свободного падения, образуя правильные стекловидные шарики с пузырьком газа в центре. Образующиеся в процессе горения микросферы выносятся топочными газами из высокотемпературной зоны, накапливаются в золосборнике ТЭС и смываются водой в золоотвалы. В прудах-отстойниках золоотвала в результате естественной флотации лёгкие микросферы всплывают на поверхность, тем самым самостоятельно отделяясь от других компонентов золы. Впоследствии микросфера собирается, сушится и просеивается. Это самый экономичный производственный способ получения микросфер в промышленных объёмах. Доля микросфер в золе может составлять от 0,1 до 3 % от массы золы-уноса и зависит от природы угля, его зольности, содержания минеральных примесей, образующих стеклофазу [8,9].
Химический состав микросфер представлен в таблице 1 [10].
Таблица 1 - Химический состав АСМ
Оксиды Si02 А1А Fe203 CaO MgO к2 о Na20 ТЮ2
Содержание, % 55-65 25-33 1-6 0,2-0,6 1-2 0,2-4 0,3-2 0,5-1
АСМ имеют следующий ряд свойств:
- низкая плотность. Насыпная плотность - 0,35-0,6 г/см3. Плотность материала стенок частиц - 2,4-2,5 г/см3. Размер частиц - 10-500 мкм. Толщина оболочки сферы - 10 % от диаметра.
- высокая текучесть. Благодаря форме частиц, микросферы как сыпучий материал обладают повышенной текучестью, что обеспечивает хорошее заполнение форм.
- низкая теплопроводность. Теплопроводность микросфер составляет 0,06-0,08 Вт/м °С при 20 °С.
- прочность. Микросферы от трёх до десяти раз более прочны, чем большинство полых стеклянных сфер. В отличие от стеклянных сфер, микросферы имеют более высокий предел прочности при сжатии благодаря более прочной оболочке. Предел прочности на сжатие - 15-30 МПа.
- инертность. Благодаря химическому составу микросферы могут использоваться в растворителях, органических растворах, воде, кислотах или щелочах без потери свойств.
- термостойкость. Микросферы не теряют свойств до температур, превышающих 1000 °С. Температура плавления не ниже 1200 °С.
Литературные и практические данные о ресурсах микросфер позволяют сделать вывод, что микросферы из зол-уноса обладают рядом преимуществ в сравнении с известными легковесными материалами (асбест, керамзит, стеклянные микросферы, вспученный перлит и вермикулит). Эти достоинства состоят в следующем: высокая дисперсность обеспечивает создание гомогенных структур даже в тонких слоях материалов; возможность образования закрыто пористых полостей в материалах; низкая плотность; высокая прочность на изотропное сжатие; повышенная термостойкость и стойкость в агрессивных средах.
Любая техническая задача, где требуется снижение веса при низкой теплопроводности, высокой прочности и экономии объёма, повышенной устойчивости к эрозии и агрессивным средам может быть решена с применением АСМ.
Нефтегазовая промышленность: добавка микросфер к буровым растворам не только интенсифицирует процесс бурения скважин, но и существенно увеличивает срок службы бурового оборудования. Кроме этого, наполнение цементных растворов микросферами позволяет получить безусадочный, теплоизолирующий, быстро твердеющий материал, обеспечивающий надёжную связь пласта с обсадными трубами.
Огнеупорная промышленность: производство легковесов, шамотные изделия.
Строительство: сверхлёгкие бетоны, сухие строительные смеси, известковые растворы, жидкие растворы, цементы, штукатурка, покрытия, изоляционные кровельные покрытия и звукозащитные материалы [11, 12].
Керамика: огнеупорные материалы, лёгкие огнеупоры, покрытия, изоляционные материалы, абразивные высокопористые материалы.
Пластмассы: нейлоновые, полиэтиленовые, полипропиленовые и др. материалы различных плотностей, синтактические пены.
Машиностроение: композиты, ремонтные шпатлевки, шины, бамперы и панели, комплектующие, звукозащитные материалы, грунтовки. Плавсредства, спортивный инвентарь, подошвы для обуви.
Химическая промышленность: дробильные материалы, пеногасители, катализаторы [13].
Одним из решений проблемы повышения энергоэффективности стеновых материалов является разработка эффективного конструкционно-теплоизоляционного материала на основе АСМ с повышенной прочностью и пониженной теплопроводностью при эксплуатационном увлажнении. Высокая термостойкость АСМ (1200 °С) делает возможным их использование в составе керамических обжиговых материалов. Разработанные керамические кирпичи и камни соответствуют требованиям ГОСТ 530-2012 и относятся к группе повышенной эффективности по теплотехническим характеристикам [10].
Снижение средней плотности и теплопроводности кладочных растворов, как правило, достигается за счёт введения в состав раствора облегчающего заполнителя. Традиционно используемые в качестве таких заполнителей вспученные перлитовые и вермикулитовые пески, гранулированный пенополистирол и керамзит не позволяют получить растворы с необходимой средней плотностью, высокой прочностью и одновременно низкой теплопроводностью. Рядом исследователей обоснована возможность применения полых АСМ в качестве облегчающего заполнителя для строительных тёплых растворов [14].
ВЫВОДЫ
Решение вопросов энергосбережения, оптимизации затрат и расходов энергии являются не только задачей из области техники и технологий производства и применения строительных материалов. Важными аспектами этого направления являются сокращение потребления невозобновляемых энергоносителей, снижение отрицательной нагрузки на окружающую среду, связанной с выбросом продуктов сгорания топлива, равно как и других воздействий. Для этого необходимо в нашей стране приложить большие усилия в изучении и разработке изготовления энергоэффективных строительных материалов на основе АСМ.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Обзор государственной политики Республики Казахстан в области энергосбережения и повышения энергоэффективности / Секретариат Энергетической Хартий и Ассоциация KAZENERGY. - Брюссель, 2014. - 225 с.
2 Вылегжанин, В. П., Пинскер, В. А. Эффективность ячеистых бетонов в ограждающих конструкциях. В кн. : Ячеистые бетоны в строительстве. - СПб. : ООО «Стройбетон», 2008. - С. 35-37.
3 Ливчак, В. И. Ещё один довод в пользу повышения теплозащиты зданий // Энергосбережение. - 2012. - № 6. - С. 14-20.
4 Бакунин, Е. И. Анализ способов энергосбережения и повышения энергоэффективности жилых зданий // Известия ТулГУ. Науки о Земле. - 2011. -№ 1. - С. 41—46.
5 Ниязбекова, Р. К. Перспектива использования золошлаковых отходов в области жаростойких материалов // Проблемы строительного производства и управления недвижимостью : сборник трудов IV международной научно-практической конференции (23-24 ноября 2016 г.) - Кемерово, 2016. - С. 50-53.
6 Ниязбекова, Р. К. Изучение золошлаковых отходов с целью использования в области жаростойких материалов // Проблемы строительного производства и управления недвижимостью : сборник трудов IV международной научно-практической конференции (23-24 ноября 2016 г.) - Кемерово, 2016. - С. 54-57.
7 Кизилынтейн, JL Я. Следы угольной энергетики // Наука и жизнь. - 2008.
- № 5.
8 Исмагилов, 3. Р. Исследование алюмосиликатных микросфер из золы-уноса электростанций, использующих угли Кузбасса // Химия твёрдого топлива. 2015. № 4. - С. 49-57.
9 Кизилынтейн, JL Я. Полезная зола // Химия и жизнь. - 201 1.-№3.-С. 26-27.
10 Жуков, А. Д. Повышение энергоэффективности стеновых конструкций за счет материалов на основе алюмосиликатных микросфер // Вестник МГСУ.
- 2014,-№7. -С. 93-98.
11 Арынгазин, К. Ш., Ларичкин, В. В., Алдунгарова, А. К., Свидерский, А. К., Быков, П. О., Богомолов, А. В., Тлеулесов, А. К., Маусымбаева, Д. К. Инновационное использование твёрдых техногенных отходов предприятий теплоэнергетикии металлургии павлодарской области в производстве строительных материалов // Наука и техника Казахстана. - 2016.
- № 3-1 - С. 34-39.
12 Арынгазин, К. Ш., Алдунгарова, А. К., Тлеулесов, А. К., Быков, П. О., Богомолов, А. В., Ларичкин, В. В., Ахымбеков, А. А. Использование техногенных отходов в производстве строительных материалов // Строительство : новые технологии - новое оборудование. - 2018. - № 12. - С. 62-67.
13 Область применения микросфер. [Электронный ресурс]. - URL: http:// inoteck.net/mikrosfery_-_primenenie (Дата обращения 15.01.2019).
14 Пашкевич, А. А. Эффективные цементные штукатурные растворы с полыми стеклянными микросферами : дис. канд. техн. наук : 05.23.05 / Пашкевич Анастасия Александровна. - М., 2007. - 133 с.
Материал поступил в редакцию 27.02.19.
Кудерин Марат Крыкбаевич
т.г.д., профессор, декан, Сэулет-кдоылыс факультет^ С. Торайгыров атындагы Павлодар мемлекеттш университету Павлодар к., 140008, ^азакстан Республикасы, e-mail: marat_kuderin@mail.ru. Бабиев Куаныш Даулетбекович
магистрант, «бнеркэсштш, азаматтык жэне келш к¥рылысы» кафедрасы, Сэулет-к¥рылыс факультету С. Торайгыров атындагы Павлодар мемлекеттш университетi, Павлодар к., 140008, ^азакстан Республикасы, e-mail: karzhas@gmail.com. Материал баспага 27.02.19 тYCтi.
Гимараттар мен к^рылыстардын энергия Yнемдеу жэне энергия тиiмдiлiгiн арттыру максатындаFы алюмосиликатты микросфера
Тургъш уй гимараттарыныц цоршау цурылымдары арцылы жылу жогалуыныц ce6enmepi жэне mMipMeH eHdipmemiH энергияны mYmuHy салдары царастырылды. Арнайы кул ушндшершде жытына миллион тонналап жиналатын кулцож цалдыцтары квмiрдi жагудыц салдары болып табытады. Жердщ кец аумацтарын иеленетт кул yйiндiлерi атмосфералыц ауаны да, жер асты суларын да ластайды. Ушпа кyлiндегi багалы компонент зерттелдi. Микросфераныц цалыптасу процеЫ жэне ушпа кулден оны алу эдiсi сипатталды. Микросфераныц негiзгi физика-химияльщ цасиеттерi жэне оны эртyрлi вндiрiстерде крлдану царастыр^глды. Энергияга тиiмдi цурытыс материалдарын вндiруге арналган микросфераларды крлдану мысалдары келтiрiлдi.
Кiлттi создер: алюмосиликатты микросфера; ушпа кул; цалдьщтар; экология; энергия тшмдшт.
Kuderin Marat Krykbaevich
Doctor of Technical Sciences, professor, Dean, Faculty of Architecture
and Construction, S. Toraighyrov Pavlodar State University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: marat_kuderin@mail.ru;
Babiyev Kuanysh Dauletbekovich
undergraduate student, Department of «Industrial,
Civil and Transport Construction», Faculty of Architecture and Construction,
S. Toraighyrov Pavlodar State University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: karzhas@gmail.com
Material received on 27.02.19.
Aluminosilicate microsphere in solving the tasks of energy saving and enhancing the energy efficiency of buildings and structures
The causes of heat loss through the enclosing structures of residential buildings, and the consequences of the consumption of energy produced by burning coal are considered. The consequence of coal combustion is the annual million tons of ash and slag waste, which is stored in special ash dumps. The ash dumps, occupying vast areas of land, pollute both atmospheric air and groundwater. Studied valuable component contained in fly ash. The process of microsphere formation and the method of its extraction from fly ash are described. The main physicochemical properties of the microsphere and its application in various industries are considered. Examples of the use of microspheres for the manufacture of energy-efficient building materials are given.
Keywords: aluminosilicate microsphere; fly ash; waste; ecology; energy efficiency.
