Анализ энергозатрат на подготовку битума асфальтобетонного завода невысокой производительности Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Информация об авторах

Оноприенко Наталья Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры городского кадастра и инженерных изысканий, е-mail: dstt_80@mail.ru; Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 308012, Россия, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

Рахимбаев Шарк Матрасулович, доктор технических наук, профессор кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций, е-mail: dstt_80@mail.ru; Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 308012, Россия, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

Information about the authors

Onoprienko N.N., candidate of technical sciences, associate professor, Department of City Cadastre and Engineering Survey, e-mail: dstt_80@mail.ru; Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukova St., Belgorod, 308012, Russia.

Rakhimbayev Sh.M., doctor of technical sciences, professor, Department of building materials, products and designs, e-mail: dstt_80@mail.ru; Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukova St., Belgorod, 308012, Russia.

УДК 62-6

DOI: 10.21285/2227-2917-2016-3-93-101

АНАЛИЗ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА ПОДГОТОВКУ БИТУМА АСФАЛЬТОБЕТОННОГО ЗАВОДА НЕВЫСОКОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

© С.С. Саенко

В практике подготовки битумов на асфальтобетонных заводах существует ряд технологий, среди которых технология работы «с колес», предусматривающая получение битума с рабочей температурой, считается наиболее экономичной. В статье выполнен расчет теоретических затрат на подготовку битума при работе по данной технологической схеме, выражающихся в затратах на компенсацию потерь от технологического оборудования. Рассмотрены источники и потребители энергии предприятия с невысокой производительностью. Установлено, что фактические затраты предприятия на подготовку битума более чем в 10 раз превышают теоретические. Главными факторами, обусловливающими такую разницу, являются объем неиспользованного битума и время его хранения.

Ключевые слова: энергозатраты, битум, асфальтобетонный завод, потери тепла, тепловая изоляция, потребители энергии.

ANALYSES OF ENERGY CONSUMPTION FOR PREPARATION OF BITUM OF CONCRETE FACTORY OF LOW PRODUCTIVITY

© S.S. Saenko

In practice of preparing bitum at asphalt concrete factories there is a number of technologies, among which there is a so-called technology "from wheels", that considers getting bitum with working temperature; this technology is one of the most economical. In this article we performed calculation of theoretical expenses for bitum preparation during the work with this tech-

nological scheme; these calculations are expressed in expenses for losses compensation from technological equipment. We considered sources and consumers of energy of the factory with low productivity. It is stated that factual expenses of the company exceed theoretical ones by 10. The main factors which determine this difference are volume of unused bitum and its shelf life.

Keywords: energy expenses, bitum, asphalt concrete factory, heat losses, thermal insulation, energy consumers

На сегодняшний день существует ряд технологий подготовки битума на производственных предприятиях по выпуску горячих асфальтобетонных смесей. Среди них технологии, предусматривающие складирование на асфальтобетонных заводах вяжущего в межсезонье в хранилищах разного типа [1-5] либо фасованного в тару объемом от 25 до 24 000 л [6-8], а также технология, не предусматривающая накопления значительного объема битума и переход его в аморфное состояние в процессе хранения. Она известна как «работа с колес» [9, 10] и предполагает получение органического вяжущего с нефтеперерабатывающих заводов или битумных баз с температурой, равной или близкой температуре использования, которая определяется маркой вяжущего и соответствует состоянию битума, при котором обеспечивается наилучшее перемешивание его с остальными составляющими асфальтобетонных смесей.

В таблице представлены так называемые рабочие температуры, обеспечивающие требуемое для перемешивания состояние вяжущего по вязкости, в соответствии с СП 78.13330.2012.

Рабочие температуры битумов в соответствии с СП 78.13330.2012

Глубина проникания иглы при 25 °С, 0,1 мм Рабочая температура, °С

40-60 140-150

61-90 135-145

91-130 130-140

131-200 120-130

201-300 110-120

Предприятия, работающие по технологии «с колес», в составе технологического оборудования, как правило, имеют несколько технологических емкостей: одну для подачи битума в битумный дозатор - расходную емкость (рабочий котел) - и от одной до трех дополнительных емкостей для компенсации неравномерностей поставки и нагрева битума (при недостаточной его температуре) - резервных емкостей.

Считается [9], что работа в подобном режиме, не предусматривающем многократного нагрева и охлаждения битума, положительно отражается на качестве вяжущего. Кроме того, исключение затрат на плавление и нагрев битума значительно снижает суммарные энергозатраты предприятия на битумное хозяйство.

Теоретически в случае получения битума с рабочей температурой затраты на его подготовку включают количество тепла, необходимое на компенсацию потерь с поверхности технологического оборудования (резервуары, транспортирующие магистрали). Суммарные потери определяются рядом факторов [11], представленных на рис. 1.

При этом авторами исследования [11] установлено, что суммарные потери тепла от технологического оборудования (резервуаров) на 10 % зависят от температуры воздуха и на 12 % от скорости ветра.

Рис. 1. Факторы, влияющие на потери тепла от битумных резервуаров на

асфальтобетонных заводах [11]

Потери тепла могут быть рассчитаны по следующей формуле [12]:

V, .... ■ '.'.:•■. ' , .■:.■ ■', (1)

где {2пап - тепловой поток через поверхность площадью Г, ккал/час; ¥ - площадь тепло-отдающей поверхности, м2; Т5ит - температура битума, °С; Тео}д - температура воздуха, °С; к- коэффициент теплопередачи через изолированную стенку резервуара, ккал/(м2-°С-час).

Коэффициент теплопередачи через многослойную стенку рассчитывается по формуле [12]:

к = 1 , Кт , Кз0Я , Кож , 1 ' (2)

а XX X а й

бит ст изол кож возд

где — коэффициент теплоотдачи от битума к стенке резервуара и от поверхности

кожуха тепловой изоляции к воздуху соответственно, ккал/(м -°С-час); Ь(т> Ьи20— толщина стальной стенки резервуара, теплоизоляционного слоя и кожуха теплоизоляции соответственно, м; Я^ л[ООЛ( /.умж — коэффициент теплопроводности стальной стенки резервуара, теплоизоляционного слоя и кожуха теплоизоляции соответственно, ккал/(час-м-°С).

В связи с низким термическим сопротивлением металлических частей технологического оборудования и защитного кожуха тепловой изоляции для инженерных расчетов данными слоями можно пренебречь.

На рис. 2 представлены часовые теоретические потери тепла с 1 м площади резервуара для битума с рабочей температурой 140 °С (для марки БНД 60/90 согласно СП 78.13330.2012) при различных значениях температуры воздуха и скорости ветра 2 м/с при тепловой изоляции, равной 10, 15 и 20 см с коэффициентом теплопроводности

0,034 ккал (час*м,0С) (средние значения для материалов типа стекловаты, минеральной ваты [12, 13]).

Таким образом, исходя из теоретических расчетов суммарные суточные потери с одного резервуара объемом 30 м3 должны составлять от 30076 ккал (при температуре воздуха 25 °С, скорости ветра 2 м/с и тепловой изоляции 15 см) до 91068 ккал (при температуре воздуха 15 °С, скорости ветра 2 м/с и тепловой изоляции 5 см).

Рис. 2. Теоретические тепловые потери с поверхности технологического оборудования подготовки битумов (при скорости ветра 2 м/с)

При сроке хранения до 3 суток затраты на поддержание одной тонны битума при вышеописанных условиях составят от 3000 до 9000 ккал/т, что эквивалентно, соответственно, 3,5-10,5 кВт-час электрической энергии на тонну битума. Очевидно, что важным фактором, определяющим суммарные энергозатраты на подготовку битума при работе «с колес», является продолжительность хранения битума, определяемая фактической загрузкой асфальтосмесительной установки. Согласно СП 78.13330.2012 хранить битум более 5 суток с рабочей температурой запрещено, при увеличении срока хранения более 5 суток температуру хранения для вязких битумов рекомендуется снижать до 80 °С. Таким образом, для приготовления асфальтобетонных смесей в дальнейшем необходимо разогревать битум, что также увеличивает суммарные энергетические затраты. Объектом данного исследования является асфальтобетонный завод со смесительной установкой ДС-185 (ПАО «Кредмаш») с невысокой фактической загрузкой (на рис. 3 изображен график выпуска асфальтобетонных смесей за 2015 год).

9000

ф т

О

8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

Cv

V1

.1

Месяц

180 160

3 140

I-

1 120 а.

г 1оо

о

80 60 40

20

1 I

I

■ II

d^ ft® ^ <\Р Л о40 0\ ^ ^ ^ ^ > ^ >

Месяц

а б

Рис. 3. Фактическая загрузка завода в 2015 г.: а - количество смеси в месяц;

б - количество часов работы в месяц

Основными источниками энергии завода являются печное и дизельное топливо, электричество; потребителями - асфальтосмесительная установка, резервуары битума, ла-бораторно-бытовой комплекс. На рис. 4 представлена взаимосвязь источников и потреби-

телей энергии завода. Единственным потребителем печного топлива является сушильный барабан. В целом расход печного топлива определяется количеством выпущенной смеси и зависит от требуемой температуры нагрева материалов и фактических влажности и температуры щебня и песка на складе. Средний расход печного топлива на тонну выпущенной асфальтобетонной смеси на предприятии составляет 0,010 м3/т. Средний месячный расход печного топлива представлен на рис. 5. Битумное хозяйство предприятия состоит из расходной емкости и трех резервных. Расходная емкость представляет собой серийно выпускаемую горизонтальную емкость объемом 30 м3 (поставляется производителем вместе со смесительной установкой). Нагревательная система - огневая, через жаровую трубу горелкой на дизельном топливе. На жаровых трубах в емкости также размещаются масляные регистры для нагрева теплоносителя, используемого в дальнейшем для обогрева транспортирующей магистрали, соединяющей расходную емкость и битумный дозатор.

Рис. 4. Источники и потребители энергии предприятия

0

X X

01 3"

01 т

с

9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

у = 100,12х- £ R2 = 1 »,398 _¡¡г'

Ш 1'"

в ш'

ff

Ф

0,0106 0,0105 0,0104 0,0103 0,0102 0,0101 0,01 0,0099 0,0098 0,0097

О 20 40 60 80 100 Расход печного топлива, м3

=t

о

X

го

CL.

Месяц

а б

Рис. 5. Анализ источника энергии «печное топливо»: а - зависимость расхода печного топлива от количества выпущенной смеси; б - расход печного топлива на тонну смеси

Резервные емкости представляют собой металлические горизонтальные резервуары объемом по 25 м3 с электрической системой нагрева (мощность трехфазного ТЭНа каждо-

го резервуара - 24 кВт). Тепловая изоляция емкостей - напыление закрытоячеистого пенополиуретана толщиной около 10 см. Работа битумного цеха предприятия организована следующим образом: доставляемый в нагретом состоянии битум при отсутствии возможности закачки в рабочий котел хранят в резервных емкостях. Доведение до рабочей температуры после продолжительного хранения и в случаях, когда она не соответствует требованиям, осуществляют огневым нагревом в рабочем котле. Средний месячный расход дизельного топлива представлен на графике. Расход хорошо коррелирует с объемом выпущенной асфальтобетонной смеси (0,97), при этом зависимость расхода от состояния окружающей среды явно не прослеживается (рис. 6). Средний расход дизельного топлива на тонну битума составляет 14,08 л/т.

6000

| 5000 _

| 4000

I 3000 ж

i.illlNN

^ ^ ^ # ^ ^ J> <ä° <3°

Месяц

Рис. 6. Анализ источника энергии «дизельное топливо»

Источниками потребления электроэнергии на предприятии, помимо резервных емкостей, являются асфальтосмесительная установка и лабораторно-бытовой комплекс. Корреляционная связь расходов электрической энергии с суммарным объемом закупленного битума, а также объемом выпущенной асфальтобетонной смеси представлена на рис. 7.

60000

со не

s i_

а.

tu i m о

О.

Ё

О)

S

о

X и го О-

50000

40000

30000

20000

у = 3,317х+ 13276 R2 = 0,5026 •

• | •

• •

• »

2000 4000 6000 8000 10000 Кол-во вып. смеси, т

60000

* 50000 s

а. 40000 а; i m

§. 30000

£

<и 5

^ 20000 10000

о

X U

го О-

0

V = 44,914х +16502 R2 = 0,3496 •

•

• • •

|

100 200 300 400 Кол-во битума, т

500

а б

Рис. 7. Анализ источника энергии «электричество»: а - количество выпущенной смеси к расходу электроэнергии, б - количество битума к расходу электроэнергии

Энергия, затрачиваемая на подготовку одной тонны битума в резервных котлах, составляет около 41,68-45,66 кВт-ч/т.

Очевидно, что доля энергоресурсов, приходящаяся на объект потребления «резервные емкости», определяется объемом хранимого битума и временем хранения. График на рис. 8 показывает соотношение между объемом закупленного и требуемого для производства смесей битума, дающее представление о количестве неиспользованного и, соответственно, хранимого в резервных емкостях битума. На 65,8 % общие затраты электроэнергии зависят от массы неиспользованного битума (хранимого в резервных емкостях).

Рис. 8. Анализ объемов остатков битума: а - соотношение закупленного и требуемого количества битума; б - разница в битуме к общим затратам

Таким образом, при работе «с колес» для обеспечения требуемого состояния вяжущего в целом затрачивается около 14 л/т дизельного топлива и порядка 43 кВт-ч/т. При коэффициенте полезного действия дизельной горелки рабочего котла 0,6 суммарные средние затраты тепла на подготовку битума - 108 980 ккал/т.

С учетом формулы [12]

й = и ■ " ^ (3)

где Q - количество тепла, необходимое для нагрева/выделяемое при охлаждении, ккал; т- масса битума, кг; с - коэффициент теплоемкости битума, ккал/(кг-°С); гкол,:м1. - конечная и начальная температуры битума соответственно, °С, можно определить, на сколько градусов возможно нагреть тонну битума, используя данное тепло:

( _ о _ наш _ 1Г, ,, оГ

.

Анализ энергозатрат на подготовку битума показал значительное расхождение с теоретическими данными (превышение более чем в 10 раз), обусловленное низким коэффициентом загрузки оборудования по выпуску горячих асфальтобетонных смесей. Низкий темп потребления битума, по сравнению с объемами поставки, приводит к удлинению срока хранения битума в нагретом состоянии, необходимости снижения температуры хранения и последующего разогрева для доведения до рабочей температуры.

Выводы:

1. Затраты предприятия на подготовку битума обусловлены в основном невысокой загрузкой асфальтосмесительной установки, удлинением срока хранения битума в нагретом состоянии, необходимостью снижения температуры хранения и последующего разогрева и в среднем составляют 14 л/т дизельного топлива и 43 кВт-ч/т.

2. Низкая организация производства приводит к увеличению по отношению к теоретическим затратам более чем в 10 раз суммарных затрат на подготовку тонны битума.

3. Объем хранимого битума на 65 % определяет общие затраты электрической энергии предприятия.

Статья поступила 17.05.2016 г.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Васьковский В.В., Порадек С.В. Можно ли хранить битум // Наука и техника в дорожной отрасли. 2005. № 1. С. 18.

2. Низиков В.И. Стальные битумохранилища // Наука и техника в дорожной отрасли. 2000. № 3. С. 36.

3. Порадек С.В. Каким быть хранилищу битума // Автомобильные дороги. 1999. № 2. С. 6-7.

4. Порадек С.В. О производственной технологии применения битума на АБЗ // Наука и техника в дорожной отрасли. 2006. № 2. С. 22-23.

5. Портнягин В.Д. Особенности подготовки битумов и приготовления асфальтобетонных смесей: учеб. пособие. М.: ИПК Минавтодора РСФСР, 1988. 81 с.

6. Баженов А.В., Сорокин В.В. Плавление фасованного битума // Автомобильные дороги. 2014. № 1 (986). С. 64-69.

7. Скрипкин А.Д. Внедрение систем транспортирования, хранения и подготовки битума, обеспечивающих сохранность и высокое качество дорожных битумов // Автомобильные дороги. 2009. № 6. С. 48-52.

8. Wunder M. Integrating Innovative Technologies into Grown Supply Chains [Электронный ресурс]. URL: https://www.pwc.de/de/prozessoptimierung/assets/pwc_ whitepaper_supplychainasphaltindustry_2013.pdf (13.04.2016).

9. Портнягин В.Д., Кошелев В.А., Овсянников В.Н., Шишов Г.И. Улучшение организации хранения и подготовки дорожных битумов. // Автомобильные дороги. 1994. № 10-11. С. 22-26.

10. Wunder M., Hiete M., Stengel J., Schultmann F., Simmleit N. Potential supply chain cost savings from innovative cold bitumen handling // International Journal of Logistics Research and Applications: A Leading Journal of Supply Chain Management. 2012. Vol. 15, issue 5. P. 337-350. D0I:10.1080/13675567.2012.742044

11. Braziunas J., Sivilevicius H. Heat Transfer and Energy Loss in Bitumen Batching System of Asphalt Mixing Plant // The 9th International Conference "Environmental Engineering", 22-23 May 2014, Vilnius, Lithuania.

12. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956. 392 с.

13. Завод теплоизоляционных материалов [Электронный ресурс]. URL: http://ztim.ru/koeficient_teploprovodnosti_materialov (13.04.2016).

REFERENCES

1. Vas'kovskii V.V., Poradek S.V. Is it possible to keep bitum. Nauka i tekhnika v dorozhnoi otrasli [Science and technology in road field], 2005, no. 1, p. 18. (In Russian)

2. Nizikov V.I. Steel bitum stocks. Nauka i tekhnika v dorozhnoi otrasli [Science and technology in road field], 2000, no. 3, p. 36. (In Russian)

3. Poradek S.V. What should the bitum stock be like. Avtomobil'nye dorogi [Automobile roads], 1999, no. 2, pp. 6-7. (In Russian)

4. Poradek S.V. About industrial technology of bitum use on asphalt concrete mixing plant. Nauka i tekhnika v dorozhnoi otrasli [Science and technology in road field], 2006, no. 2, pp. 22-23. (In Russian)

5. Portnyagin V.D. Osobennosti podgotovki bitumov i prigotovleniya asfal'tobetonnykh smesei [Peculiarities of bitum and hydrocarbon concrete preparation]. Moscow, IPK Minavto-dora RSFSR Publ., 1988. 81 p.

6. Bazhenov A.V., Sorokin V.V. Melting of packaged bitum. Avtomobil'nye dorogi [Automobile roads], 2014, no. 1 (986), pp. 64-69. (In Russian)

7. Skripkin A.D. Implementation of transportation, keeping and preparation of bitum, what provides safety and high quality of road bitum. Avtomobil'nye dorogi [Automobile roads], 2009, no. 6, pp. 48-52. (In Russian)

8. Wunder M. Integrating Innovative Technologies into Grown Supply Chains. Available at: https://www.pwc.de/de/prozessoptimiemng/assets/pwc_whitepaper_supplychainasphaltindus-try_2013.pdf (accessed 13.04.2016).

9. Portnyagin V.D., Koshelev V.A., Ovsyannikov V.N., Shishov G.I. Improvement of organization of keeping and preparation of road bitum. Avtomobil'nye dorogi [Automobile roads], 1994, no. 10-11, pp. 22-26. (In Russian)

10. Wunder M., Hiete M., Stengel J., Schultmann F., Simmleit N. Potential supply chain cost savings from innovative cold bitumen handling. International Journal of Logistics Research and Applications: A Leading Journal of Supply Chain Management, 2012, vol. 15, issue 5, pp. 337-350. D0I:10.1080/13675567.2012.742044

11. Braziunas J., Sivilevicius H. Heat Transfer and Energy Loss in Bitumen Batching System of Asphalt Mixing Plant. The 9th International Conference "Environmental Engineering", 22-23 May 2014, Vilnius, Lithuania.

12. Mikheev M.A. Osnovy teploperedachi [Heat-transfer principles]. Moscow - Leningrad, Gosenergoizdat Publ., 1956. 392 p.

13. Zavod teploizolyatsionnykh materialov [Factory of heat-insulating material]. Available at: http://ztim.ru/koeficient_teploprovodnosti_materialov (accessed 13.04.2016).

Информация об авторе

Саенко Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильных дорог, e-mail: svkube@mail.ru; Донской государственный технический университет, 344022, Россия, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.

Information about the author

Saenko S.S., Candidate of technical sciences, Associate Professor, Department of Automobile Roads, e-mail: svkube@mail.ru; Don State Technical University, 162, Socialisticheskaya St., Rostov-on-Don, 344022, Russia.

УДК 628.218

DOI: 10.21285/2227-2917-2016-3-101-113

ОПТИМИЗАЦИЯ ВАРИАНТОВ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ВОДООТВЕДЕНИЯ

© Р.В. Чупин, Фам Нгок Минь

Переход к рыночным отношениям определил новую для нашей страны технологию управления развитием городских инженерных систем. Эта технология сместилась на муниципальный уровень и ее можно, по-крупному, представить в виде двух этапов. Первый - разработка схемы развития системы водоснабжения и водоотведения, второй - реализа-