CC BY
139УДК 666.189.3
А.А. КЕТОВ1, д-р техн. наук ([email protected]); А.В. ТОЛМАЧЕВ2, канд. техн. наук
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614000, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29)
2 ООО «ТеплоСтек» (115230, г. Москва, Варшавское ш., 46)
Пеностекло - технологические реалии и рынок
Рассматриваются вопросы развития технологии пеностекла. Показано, что разрыв между научными разработками и практикой производства пеностекла как строительного материала носит принципиальный характер, не позволяющий в обозримом будущем надеяться на создание экономически эффективного производства, а также организации предприятий по выпуску материала, конкурентоспособного в области промышленного и гражданского строительства. Обоснована рыночная неконкурентоспособность пеностекла, производимого по классической порошковой технологии из специального стекла. Приведены предположения о технических решениях и направлениях развития технологии, которые позволят сделать материал востребованным на рынке строительных материалов.
Ключевые слова: пеностекло, технология, рыночная конкурентоспособность.
A.A. KETOV1, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]); A.V. TOLMACHEV2, Candidate of Sciences (Engineering)
1 Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomol'skii Avenue, Perm, 614990, Russian Federation)
2 OOO "TeploStek" (46, Varshavskoe Highway, Moscow, 115230, Russian Federation)
Foamed Glass: Technological Realities and the Market
The development of foamed glass technology is discussed in the article. It is shown that the gap between scientific developments and the practice of foamed glass manufacture, as a building material, has the principal character that does not allow, in the foreseeable future, to hope for the development of foamed glass manufacture technologies as well as organization of enterprises which are able to produce the competitive material in the field of industrial and civil construction. The market non-competitiveness of foamed glass produced according to the classical powder technology from the special glass is substantiated. Assumptions about technical solutions and technology trends that will make it possible to produce the material in demand at the building materials market are made. Keywords: foamed glass, technology, market competitiveness.
Прошло уже более семи лет с тех пор как один из авторов этой статьи оценил перспективы технологии пеностекла [1]. Некоторые прогнозы в оценке направлений технологии сбылись, например, по вовлечению в сырьевую базу несортового стекла и горных пород. Но в области практической реализации проектов дела обстоят не просто плохо, ситуация сложилась катастрофическая. Причина этого явления, состоящая в отсутствии реального перехода между наукой и практикой, привела к неожиданному, но прогнозируемому еще в 2007 г. результату: пеностекло, по крайней мере в варианте классической порошковой технологии, никогда не станет общеупотребительным строительным материалом в России. В этой статье подведем некоторые итоги громких заявлений о создании технологий пеностекла, попытаемся понять, почему в реальности пеностекло не стало не только востребованным материалом, но и вообще практически не производится в России, и сделаем предположения о возможных выходах из создавшейся ситуации.
Со времени закрытия трех из четырех производств пеностекла, которые были описаны Б.К. Демидовичем в 90-е гг. ХХ в., материал в объемах более 5000 т в год реально производился только ЗАО «Пеноситал» (Пермь) и в настоящее время, вероятно, будет выпускаться ЗАО «Компания «СТЭС-Владимир» (Владимир). Пеностекло на основе жидкого стекла как не обладающего характеристикой водостойкости, в данной статье рассматриваться не будет. Также в стороне останутся вопросы производств в городах Шостка (Украина) и Гомеле (Белоруссия), потому что основная задача публикации — понять, почему за все эти годы технология пеностекла не возродилась именно в России.
Для развития технологии пеностекла в теоретическом плане во второй половине ХХ в. сложились хорошие условия. Помимо четырех действовавших производств в СССР существовала передовая на тот период времени школа специалистов, многие наработки которой нашли свое отражение в монографиях Б.К. Деми-довича [2, 3]. При этом процесс создания нового произ-
водства проходил три последовательные стадии: научная разработка технологии; апробация процесса на опытно-промышленном уровне, призванном уточнить материально-энергетические потоки и выявить узкие места технологической схемы; проектирование и строительство промышленного производства. Если исследования на первом этапе проводились в системе Академии наук или вузах, то вторая стадия всесторонне отрабатывалась в отраслевых институтах. Только на третьем этапе исходные данные к проектированию передавались в проектные институты соответствующего министерства, которое при обязательной поддержке отраслевого института проектировало и запускало реальное производство.
Примерно так выглядела и схема создания производств пеностекла. Академик И.И. Китайгородский еще в 30-е гг. заложил научные основы производства пеностекла, получил первые образцы, а в 50-60-е гг. Минский научно-исследовательский институт строительных материалов под руководством профессора Б.К. Демидовича всесторонне исследовал технологические аспекты и курировал строительство и работу всех четырех заводов производства пеностекла. Плоха или хороша была такая схема, но она работала и начиналась с яркой идеи, которая пройдя сложный путь, реализо-вывалась в практике производства.
Остановка всех трех российских заводов пеностекла была обусловлена высокими производственными затратами и устаревшей схемой производства. Основой возрождения технологии могла бы стать научная идея, способная снизить производственные затраты и упростить технологические процессы. Поэтому посмотрим, какие научные идеи были выдвинуты на рубеже веков и могли быть положены в основу возрождения технологии пеностекла даже безотносительно к механизму реализации в промышленных масштабах.
При рассмотрении состояния научных работ за последние полтора десятилетия первое, что бросается в глаза — отсутствие централизации, что само по себе не является отрицательной стороной развития науки. В об-
Количество публикаций по годам патентов С03С11/00 класса МПК по состоянию на ноябрь 2014 г.
щем случае децентрализация тематик порождает конкуренцию более плодотворных направлений и в результате новая технология получается более эффективной. К сожалению, в наших условиях децентрализация привела к противоположным результатам.
В области поиска технических решений, находящих отражение в патентах, наблюдается ежегодный рост числа решений. На рисунке показано количество патентов, зарегистрированных в России только по одному классу С03С11/00 МПК, непосредственно указывающих на способы синтеза пеностеклянных материалов. Надо иметь в виду, что реальное количество патентов по данной теме как минимум в 2—2,5 раза больше, так как часть патентов проходит по другим классам. Очевидно, что количество только зарегистрированных решений стремительно растет даже с учетом провала 2010 г., связанного, вероятно, с кризисом 2008—2009 гг.
При этом количество научных статей в журналах мате-риаловедческого направления вообще не поддается учету. Например, в журнале «Строительные материалы» только за десять месяцев 2014 гг. опубликовано как минимум пять статей, прямо или косвенно относящихся к обсуждаемой достаточно узкой теме ячеистых силикатных материалов, получаемых пиропластичным методом.
При изучении публикаций создается впечатление, что авторы вообще никогда не работали с реальными объектами. Подтверждением этого является проект так называемого «вакуумного пеностекла», победивший на конкурсе бизнес-проектов БИТ-2008 и описанный в патенте [4]. Ниже приведена цитата из текста.
«Изобретение относится к способу изготовления теплоизоляционных, пенистых материалов. Технический результат изобретения заключается в изготовления пеностекла с сохраняющимися много лет низкими значениями теплопроводности, звукопроницаемости и хорошим светопропусканием. Куски стекла расплавляют, расплав дегазируют выдержкой его при температуре 1450оС в течение 10—60 мин и остужают его до 950— 1200оС. Через расплав стекла пропускают перегретый водяной пар, полученный из дегазированной воды для выдувания множества пузырей различного диаметра из расплавленного стекла. Стеклянные пузыри срезают в форму с образованием блоков, отжигают при температуре 450—600оС и охлаждают».
Сложно оценить, чего в этом тексте больше — технической неграмотности или наивности, но вне зависимости от предпосылок авторы претендовали на получение финансирования на заведомо технически неосуществимый проект.
Любой инженер, побывавший на производстве тарного или листового стекла понимает:
— стекло в порошке или пронизанное ячейками непрозрачно;
— при 950—1200оС пена в стекле неустойчива;
— при 950—1200оС не найти устойчивого материала для подачи пара через фильеры для выдувания пузырей;
— даже если предположить, что пузыри выдули, срезать пену технически невозможно вследствие той же ма-териаловедческой проблемы;
— пена является теплоизолятором и остужать ее будет технически сложно;
— стекло обладает термопластичностью как минимум до 700оС, поэтому объем пара при таком охлаждении и постоянном давлении уменьшится после выдувания пузырей в полтора раза.
Это только самые явные технические проблемы, которые лежат на поверхности. Такое подробное рассмотрение этого бесперспективного решения обусловлено тем, что оно как нельзя лучше характеризует даже не столько уровень представляемых на конкурсы проектов, сколько степень технической компетентности экспертов. На этом примере становится очевидным не только непонимание в настоящее время необходимости и смысла этапа опытно-конструкторских работ, но и отсутствие механизмов, позволяющих выбирать технически перспективные идеи и шаг за шагом доводить их до реального воплощения.
Недостаток технически грамотных решений прослеживается во многих проектах, причем чем меньше реального обоснования предлагаемых решений, тем агрессивнее выступают авторы. Например, в статье (О. Ашкина, П. Степаненко. «Стекло и пена». The Chemical Journal. 2010. № 1—2. С. 47—49) большая часть текста посвящена критике использования стеклобоя в качестве сырья вообще и производству пеностекла ЗАО «Пеноситал» в частности. Серьезным обвинением, по мнению авторов, является высокое удельное энергопотребление существующей технологической схемы: «Затраты на производство 1 м3 гранулированного пеностекла составляют примерно 200—250 кВт.ч, блочного — 500—600 кВт.ч». Ниже будут приведены расчеты, подтверждающие правильность этих показателей, однако в статье обнаруживается, что авторы предлагают новый материал, схожий по свойствам с пеностеклом, но «...расход электроэнергии на производство 1 м3 материала «Кремень» плотностью от 150 до 400 кг/м3 составляет всего 3—11 кВт.ч в зависимости от мощности производства, что наряду с неограниченным доступом к сырью, по предварительным подсчетам, снижает себестоимость производства кубического метра стройматериала в три раза».
К сожалению, в статье даже примерно не указано, как можно при таких энергозатратах получить материал. Вышеупомянутый порядок удельного энергопотребления на реальных производствах пеностекла занимает всего лишь механическое перемещение материалов, без учета сушки или термообработки. Вероятно, предполагается получение ячеистого материала из диатомита, потому что в тексте упоминаются диатомиты Камышловского месторождения Свердловской области. Вопросы энергетики процесса получения ячеистых материалов на основе трепела и диатомита будут рассмотрены ниже, здесь же можно только отметить, что реальные технологические схемы авторами вышеупомянутой статьи не представлены, тем более что помимо шумных обещаний от научного прорыва следов не обнаружено.
Другим характерным явлением в области науки о пеностекле стали сообщения о том, что разрабатывается технология пеностекла, а под видом этого выдается набор данных, не имеющих отношения к вопросу. Примером такого рода может служить статья [5]. При ее прочтении создается впечатление, что авторы перепутали объект исследования и собирались делать не пеностекло, а термитную смесь или ракетное топливо, пото-
научно-технический и производственный журнал Q'fprjyTj'iJJbrlbJ^ 18 январь 2015 М *
му что основной задачей ставится не формирование материала, а выделение необходимой «теплоты на вспенивание». Предположение о возможности окисления углерода за счет кислорода воздуха, т. е. игнорирование представлений о диффузии вообще, вызывает недоумение. Элементарный расчет показывает, что если ставить задачу получения именно пеностекла, а не топлива для котельной, то количество газов, необходимых для вспенивания композиции, составляет доли массового процента и совсем не обязательно проводить полноценный окислительно-восстановительный процесс внутри композиции, чтобы еще избавиться от внешнего нагрева.
Проведенный далеко не полный обзор инновационных предложений в области технологии пеностекла позволяет сделать однозначный вывод о бесконечной удаленности многих авторов научных работ от реального понимания технологии материала с проблемами не только технологическими, но и маркетинговыми. Поэтому неудивительно, что с реализацией научных разработок на практике дела обстоят весьма прискорбно. Можно возразить, что имевшийся значительный задел в технологии пеностекла, полученный еще во времена СССР, может позволить создать производство. Это допустимо. Действительно, знакомство с большинством проектов создания производств пеностекла позволило обнаружить отсутствие у организаторов даже малейших представлений о научной проработке вопроса и ориентации в понимании технологии исключительно на наработки, описанные еще в монографиях Б.К. Демидовича.
Несмотря на этот факт, логично было бы предположить, что при огромном количестве заявляемых проектов, количество, хотя бы в одном случае, должно перейти в качество и реализация части проектов на практике даст ощутимый выход готового продукта на рынок. Вероятно, примерно так и рассуждали маркетинговые аналитики Research Techart, подготовившие обширный обзор «Маркетинговое исследование рынка пеностекла» в октябре 2008 г. Авторы обзора утверждали, что объем рынка пеностекла в России в 2007 г. составлял 66725 м3, прогноз на 2008 г. составлял 102000 м3. Следует предположить, что авторы анализировали данные по импорту продукции, возможно, с учетом небольшого вклада действовавшего на тот момент производства ЗАО «Пеноситал».
И в настоящее время можно безуспешно искать на рынке хотя бы кубометр российского плитного пеностекла. Помимо недавно запущенного производства компании «СТЭС-Владимир» реальные производства отсутствуют.
Рассмотрим один пример рождения и заката такого промышленного проекта. Этот случай выделяется среди многих других категоричностью заявленных претензий — было дано «Публичное обещание» (http://pressagenda. com/krasnoyarsk/promise/184). Вот ключевые положения обещания: «К 31 мая 2012 г. запустить завод «0ктава-2003» по производству пеностекла по проекту инновационного метода утилизации отходов.
Весной 2012 г. в Красноярске планируется запустить завод по производству пеностекла. На этом предприятии «Октава-2003» реализуется проект инновационного метода утилизации отходов, профинансированный Краевым фондом науки на 1 млн р.
По мнению директора предприятия... производимое в крае пеностекло лучше по качеству китайских и белорусских аналогов. Кроме того, будущей продукцией завода заинтересовались в компании «Газпром». (Конец цитаты.)
С момента обещанного пуска завода прошло уже более двух лет, но попытки отыскать любые сведения о
производимом материале обречены на неудачу по простой причине — предприятия не существует, как не существует и выпускаемого пеностекла не лучше и не хуже китайских и белорусских аналогов. И таких примеров десятки.
При умозрительно-теоретической красоте проектов на практике оказалось, что ни одно производство так и не было запущено в полном объеме, а предприятия, освоившие в той или иной степени технологию, не имеют стабильного сбыта продукта в строительной отрасли.
Отдельно стоит остановиться на двух крупных проектах, которые вышли на реальное производство. Это производство пеностеклянного щебня компании «АйСиЭм Гласс Калуга», реализованное при поддержке Роснано, и компания «СТЭС-Владимир».
Проект Роснано, начатый с ЗАО «Пеноситал» еще в 2009 г. и анонсированный как производство пеностек-лянных плит, в конечном виде был преобразован в производство пеностеклянного щебня с компанией «АйСиЭм Гласс Калуга». Производство запущено в декабре 2013 г. Однако пеностеклянный щебень имеет ограниченное применение в гражданском и промышленном строительстве, особенно в стеновых конструкциях, и по своим свойствам подходит преимущественно для дорожного строительства и утепления фундаментов. Поэтому в данной статье рассматривать его не будем.
Единственным предприятием в настоящее время, официально объявившим об открытии производства плитного пеностекла, является компания «СТЭС-Владимир» (http://www.a-stess.com/about/news/vo-vladimire-otkryt-zavod-po-pramysЫennomu-praizvodstvu-penostekla.html). Под торговой маркой «НЕОПОРМ» выпускаются блоки и плиты для утепления фундаментов, стен и кровель зданий, а также теплоизоляционные изделия сложной геометрической формы для тепловой защиты трубопроводов и технологического оборудования. Официально заявлено, что стоимость производства составила порядка 5,5 млрд р.
Однако можно предположить, что именно планам по использованию пеностекла в массовом строительстве вряд ли суждено сбыться, и дело тут касается не замечательных свойств материала, а маркетинговых проблем. Но сначала рассмотрим этот вопрос на примере более простого в технологическом и маркетинговом смысле гранулированного пеностекла.
В настоящее время пеностеклянный гравий «Пеностек», «Баугран», Saitax и «Пенокам» выпускается в незначительных объемах, но в последнее время у некоторых фирм наблюдаются определенные трудности со сбытом.
Причин столь тяжелого положения в производстве и сбыте пеностеклянных материалов в строительстве как минимум две. Первая — несовершенство технологии, которое обусловливает высокую себестоимость материала. Вторая — неконкурентность пеностеклянных материалов в сравнении с аналогами при объективно существующих ценах. Рассмотрим эти вопросы подробнее сначала на примере гранулированного пеностекла, технология которого, как и плитного, была достаточно подробно описана еще Б.К. Демидовичем и практически в неизменном виде используется производителями этого материала.
Оценим ориентировочно себестоимость гранулированного пеностекла в ценах ноября 2014 г. Материал в отличие от плитного пеностекла может быть получен из несортового стеклобоя с добавлением жидкого стекла. Соответственно газообразование в этом случае происходит по гидратному, а не по сульфатному механизму [6]. Допустим, что несортовой стеклобой стоит в среднем 4500 р/т. Не менее 700 р/т необходимо затра-
тить на помол материала до требуемой тонины порошка стекла дисперсностью менее 80—100 мкм. Дополнительно на 1 т стекла потребуется 80—100 л жидкого стекла при стандартном силикатном модуле 2—3 и плотности 1380-1440 кг/м3. Средняя цена на жидкое стекло составляет 12-15 тыс. р/т. При содержании в растворе твердого вещества 38-44 мас. % в растворе получается, что на ~1050 кг готового продукта (1 т исходного стекла) затраты только на стекло и жидкое стекло составят примерно 6840 р. Для процесса необходимо применять не менее 0,5 мас. % углеродсодержащего га-зообразователя, в качестве которого во многих случаях используется глицерин. Значит, на 1 т исходного стекла надо ~5 кг глицерина, что увеличит стоимость сырья еще минимум на 300 р. Стоимость воды для успешного гранулирования учитывать не будем. Получается, что только на сырье для получения 1050 кг готового продукта надо затратить не менее 7140 р.
Примем, что насыпная плотность готового гранулированного пеностекла составляет 200 кг/м3. Поэтому составляющая сырья в себестоимости 1 м3 готового пеностекла будет 1428 р/м3.
При расчете затрат на энергопотребление исходим из того, что для получения 1 м3 насыпного гранулированного пеностекла надо нагреть до 750-820оС не менее 240 кг сырцовых гранул, содержащих 20 мас. % воды, т. е. 40 кг. Пусть вся вода, включая кристаллизационную и химически связанную, ведет себя теплотехнически, как физически свободная вода. Также предположим независимость теплоемкости от температуры; пренебрегая теплотами реакций пиролиза и окисления, можно посчитать энергопотребление процесса. Принимаем среднюю теплоемкость стекла 0,85 кДж/(кг.оС); воды — 4,19 кДж/(кг.оС); водяного пара - 2,02 кДж/(кг.оС) и удельную теплоту парообразования - 2260 кДж/кг. Тогда энергопотребление для термообработки 1 м3 насыпного пеностекла составит примерно 290 МДж, или 81 кВт.ч. Допустим, коэффициент полезного действия печи составляет 80%, тогда энергопотребление на производстве составит 101 кВт.ч/м3. Учитывая, что обычно используют для термообработки сырья электрические печи и цена электроэнергии составляет в среднем 5 р/(кВт.ч), получаем затраты на энергопотребление 505 р/м3. Добавим затраты на зарплату и обслуживание оборудования. Разумеется, эта величина зависит от уровня автоматизации и мощности производства, но, принимая среднюю производительность существующих печей, круглосуточную работу и учитывая налоги, можно весьма грубо оценить трудозатраты в 300-400 р/м3.
Принимая минимальные значения всех составляющих, получаем себестоимость насыпного гранулированного пеностекла не менее 2300 р/м3. Поэтому на практике гранулированное пеностекло в настоящее время можно приобрести по ценам от 5,5 тыс. р/м3 (крупная фракция и крупный опт).
Теперь сравним эту цену с предложениями аналогов. До недавнего времени карамзитовый гравий не мог конкурировать с гранулированным пеностеклом по тепло-физическим характеристикам. Это было обусловлено относительно высокой плотностью выпускаемого материала, которая редко опускалась ниже 600-700 кг/м3, соответственно сравнительно высоким был и коэффициент теплопроводности. Однако в последние годы ситуация резко изменилась в связи с вводом в строй модернизированных производств. В настоящее время массово выпускается керамзитовый гравий с насыпной плотностью 250 кг/м3 и соответствующим коэффициентом теплопроводности 0,05-0,06 Вт/(м.К) и прочностью при сжатии 0,6-0,7 МПа, что не просто приблизилось, а практически совпало с показателями насыпного пеностекла. При этом цена материала на заводе (с НДС)
начинается с 1300-1400 р/м3. Получается, что отпускная цена керамзитового гравия, аналогичного по теплотехническим характеристикам гранулированному пеностеклу, более чем в полтора раза ниже себестоимости гранулированного пеностекла. Именно себестоимости, а не цены, потому что цена пеностекла оказывается в разы выше, чем у аналога.
Очевидно, что при таком раскладе гранулированное пеностекло не просто не востребовано, а обречено на вымирание на строительном рынке. Здесь умышленно не рассматриваются вопросы производства мелкограну-лированного пеностекла, которое имеет иные характеристики и может использоваться в иных сегментах рынка. Возвращаясь к вопросу гранулированного пеностекла фракций более 2-5 мм, можно однозначно заключить, что на сегодняшний день широкие перспективы у материала в строительстве отсутствуют.
Сторонники производства ячеистых материалов на основе трепела (диатомита) могут возразить. Технология действительно вполне осуществима, но себестоимость продукта опять же оставляет желать лучшего. Не будем рассматривать технологический вариант варки промежуточного стекла из трепела, потому что в этом случае технология фактически ничем не отличается от классического варианта производства гранулированного пеностекла. Рассмотрим вариант с прямым синтезом гранулированного пеностекла (пеностеклокристаллического материала) из диатомита и гидроксида натрия.
В рассматриваемом случае необходимо приготовить сырцовые гранулы из диатомита и гидроксида натрия. Наивное желание осуществлять совместный помол этих материалов привело уже к разорению нескольких проектов, поэтому технологически приемлемым вариантом является смешение сухого диатомита и раствора гидро-ксида натрия. Необходимо подчеркнуть, что диатомит должен быть сухим во избежание блокирования раствора гидроксида натрия на поверхности гранулы при пропитке. Это значит, что при сушке диатомита, имеющего стандартную карьерную влажность 38-43 мас. %, для получения 1 т сухого диатомита в барабанной сушилке при температуре 300°С потребуется ~2,3 МДж, или 630 кВт.ч энергии, что при 80% КПД печи составляет 2,8 МДж, или 790 кВт.ч.
Попытки сэкономить на сушке диатомита с использованием процесса в потоке пламени уже привели в одном из проектов к получению сухого диатомита с невысокой активностью вследствие перегрева материала, а снижение температуры сушки ниже 300°С ведет к невысокой скорости процесса.
После получения сухого диатомита необходимо подготовить сырец, для чего диатомит пропитывается раствором каустика, т. е. опять вводится до 40 мас. % воды и снова высушивается. Причем желательно не сразу же прокаливать композицию при 780-850°С, чтобы провести стеклование и вспенивание продукта, а промежуточно удалить часть воды и получить промежуточные гранулы. При такой двухступенчатой схеме появляются лишние энергозатраты на дополнительный нагрев сырца, но получается существенный выигрыш в качестве конечного продукта и логистике.
Поэтому будем считать, что для получения сырцовых гранул добавляют раствор каустика с целью получения приемлемого силикатного модуля конечного продукта. Это составляет 180-250 кг в пересчете на сухой гидроксид натрия на 1 т сухого диатомита. Полученные гранулы высушивают до остаточного общего содержания воды 8-10 мас. % и далее их нагревают во вращающейся печи для получения конечного продукта.
В описываемой схеме сушка и прокаливание гранул потребуют суммарно еще примерно 156 кВт.ч энергоза-
20
январь 2015
трат на 1 м3 готового продукта при расчетной насыпной плотности 200 кг/м3, что при 80% КПД печей даст почти 200 кВт.ч. Если снова предположить, что используются электрические печи и цена электроэнергии составляет в среднем 5 р/(кВт.ч), то затраты на энергопотребление составят 1000 р/м3, что существенно выше, чем для гранулированного пеностекла по варианту применения стекла в качестве сырья.
Доля сырья в себестоимости готового продукта также легко рассчитывается. При цене трепела в пересчете на сухой материал 600 р/т, что приемлемо только для создания производства непосредственно на карьере, и цену (самую низкую в пересчете на сухой) на каустик в растворе 17—19 р/т, получается 730 кг/м3.
Таким образом, незначительный выигрыш в затратах на сырье, причем только непосредственного на карьере, с лихвой перекрывается энергозатратами. Поэтому предполагать более низкую себестоимость пеностекла, полученного прямым синтезом из трепела и каустика, представляется некорректным.
Рассмотрим вопросы экономики производства плитного пеностекла. До сих пор основной и единственной технологией является порошковый процесс, основанный на сульфатной технологии. В этом случае требуется специально сваренное стекло. Несортовой стеклобой не подходит в качестве сырья. Заявления о применении в качестве сырья несортового стеклобоя надо рассматривать только в плане использования последнего как одного из компонентов сырья для варки или подготовки специального стекла или шихты. Если в классическом варианте сульфатной технологии варится специальное стекло, то компания «СТЭС-Владимир» проводит передел порошкообразного стеклобоя с введением в него дополнительных газообразующих компонентов. Например, доступная информация о технологии этой компании приведена в патентах [8—12].
Во всех этих патентах подготовка порошковой шихты для вспенивания осуществляется по аналогичной методике. В качестве первичного сырья используют стеклобой, который дробят до порошкообразного состояния; из полученного тонкомолотого порошка, угле-родсодержащего газообразователя и водного щелочного раствора силиката натрия или калия при температуре не выше 70°С готовят смесь. Смесь термообра-батывают при температуре 450—550°С. Полученную сырьевую смесь охлаждают, дробят до порошкообразного состояния и этот порошок используют для получения пеностеклянных изделий, нагревая его при 750— 830°С.
Фактически процесс газообразования происходит в этом случае по гидратному механизму, для которого характерно выделение воды из гидроксо-групп при температуре до 820°С.
Таким образом, существующие технологии получения плитного пеностекла предусматривают глубокие и технологически затратные переделы первичного стеклобоя для получения качественного сырья — это или варка сырьевого стела по сульфатной технологии, или первичное спекание и дробление шихты по технологии «СТЭС-Владимир». Обсуждаются также решения по приготовлению сырцового стекла низкотемпературным синтезом [13]. Все эти технические решения объединяет необходимость термической обработки исходного силикатного сырья и последующий помол получаемого материала до высокодисперсного состояния, но технология собственно пеностекла при этом принципиально не меняется. Оценим ориентировочно затраты в этих случаях.
По сульфатной технологии необходима полная варка стекла с подшихтовкой необходимыми компонентами. В случае приобретении стеклобоя по 4500 р/т варка
и дополнительные реагенты поднимут цену тонны сырцового стекла до 7500 р/т. Затраты на помол составят 700 р/т, следовательно, минимальная цена сырцового стекла — 8200 р/т. Тогда при расчетной плотности пеностекла 200 кг/м3 затраты на сырье составят не менее 1640 р/м3.
Если рассматривать передел сырья по варианту «СТЭС-Владимир», то использование раствора силиката натрия, нагрев первичной шихты до 450—550°С и необходимость двукратного помола материала (первичного стекла и шихты) даже при ориентировочном расчете дают стоимость аналогичную и, возможно, превосходящую стоимость материала по сульфатной технологии.
Рассчитывая энергозатраты при производстве плитного пеностекла, следует учесть, что материал требует помимо вспенивания при 750—830°С еще и обязательного отжига, что повышает энергозатраты еще в 1,5— 1,7 раза. Дополнительные энергозатраты требуются на нагрев обязательных металлических форм, чего не было в производстве гранулированного пеностекла. Затраты, конечно, снижает использование газа в печи вспенивания, но обычно стоимость энергозатрат в производстве плитного пеностекла выше, чем для гранулированного, и не может быть ниже 600—700 р/м3.
Процесс производства плитного пеностекла в отличие от гранулированного трудно поддается автоматизации, и ориентировочно трудозатраты можно принять в рамках 600—700 р/м3. Получается, что себестоимость производства плитного пеностекла можно примерно оценить в 2800-3000 р/м3. Следует учесть, что плитное пеностекло всегда вырезается из заготовок и в этом процессе в обрезь попадает 10-15% объема. Поэтому заводскую себестоимость готового плитного пеностекла надо считать в пределах 3100-3300 р/м3.
Допустим, что в производстве пеностекла заложена прибыль 20%, тогда цена материала на заводе будет не ниже 3840 р/м3. Разумеется, при отсутствии российского плитного пеностекла на рынке нельзя рассчитывать на альтруизм производителей, но можно принять полученную величину только для оценки рыночных перспектив материала. Особенно это очевидно при оценке уже упоминавшихся затрат компании, которые неизбежно лягут на стоимость готового продукта. Выше были упомянуты инвестиционные издержки создания производства плитного пеностекла на примере ЗАО «Компания СТЭС-Владимир», с учетом которых и разумной прибыли плитное пеностекло на рынке может появиться по цене ниже 10 тыс. р/м3.
Сравним пеностекло с конкурентными материалами для теплоизоляции стеновых конструкций. Примем для пеностекла плотностью 200 кг/м3 коэффициент теплопроводности равным 0,06 Вт/(м.К). Тогда для достижения термического сопротивления ограждающей конструкции в 3 м2.К/Вт, требуемого для энергоэффективных домов в средней полосе России, необходим слой пеностекла 18 см. В этом случае стоимость 1 м2 плитного пеностекла, необходимого для достижения требуемой величины теплозащиты, в ограждающей конструкции составит 1800 р/м2.
Наиболее широко для теплоизоляции ограждающих конструкций в настоящее время используются минера-ловатные утеплители. Качественные минераловатные утеплители имеет цену 6-7 тыс. р/м3. Коэффициент теплопроводности материала 0,035-0,04 Вт/(м.К), поэтому потребуется слой толщиной 11-12 см для достижения того же термического сопротивления 3 м2.К/Вт. В этом случае 1 м2 теплоизоляции в ограждающей конструкции будет стоить всего 780-790 р, что в два с лишним раза ниже, чем аналогичный показатель для пеностекла.
В настоящее время не существует механизмов в строительстве, которые бы заставили применять более качественный и безопасный материал, поэтому представляется весьма неразумным рассчитывать в обозримом будущем на применение плитного пеностекла в жилищном и промышленном строительстве. Можно быть уверенным, что пеностекло, произведенное по сульфатной технологии из специально сваренного стекла, да еще и обладающее паронепроницаемостью, и черного цвета, обречено на постепенное отдаление от реальной практики строительства. Поэтому пеностекло не может конкурировать с традиционными теплоизоляционными материалами на строительном рынке и, вероятно, займет место в тех областях, где наиболее очевидны его преимущества и где у него фактически нет конкурентов, - для теплоизоляции теплоносителей с температурой 150-650°С и в агрессивных средах, преимущественно в химической, нефтехимической отраслях и энергетике.
Однако на основании проведенного анализа можно спрогнозировать потенциальные направления, в которые может сместиться технология материала и в каком виде модернизированный материал может быть востребован на рынке. Прежде всего в неизменном варианте использование плитного пеностекла как теплоизоляционного материала возможно при снижении его стоимости до величин, сопоставимых с аналогами, или, учитывая такие преимущества пеностекла, как пожарная безопасность и жесткость, до величин не более 30% от цены минераловатных плит. Т. е. плитное пеностекло может быть востребовано при стоимости 1 м2 толщиной 18 см в пределах 1020-1030 р, что соответствует отпускной цене на заводе не выше 5700 р/м3. Но в нынешних условиях это неосуществимо. Решение может быть только при совмещении свойств теплоизоляции с другими - конструкционными или облицовочными. Имеется техническая возможность производства ячеистого материала, аналогичного пеностеклу, но белого или цветного, и применения его в качестве теплоизоляции, совмещенной с облицовкой. В этом случае при цене облицовочных материалов экономического класса 600-700 р/м2 облицовочно-теплоизоляционная плита уже может быть конкурентной даже без учета экономии на выполнении работ.
Еще интереснее получается экономика при возможности изготовления штучных изделий типа кирпича из материала - аналога пеностекла, но окрашенного. Вопросы изготовления легкого пористого кирпича взамен пустотелого уже давно обсуждаются специалистами [14]. При средней цене облицовочного кирпича от 18 р/шт. 1 м3 стандартного облицовочного кирпича стоит 10 тыс. р/м3, а эта цена уже вполне сопоставима приведенными выше расчетными значениями для пеностекла.
Подводя итоги, можно заключить, что, по мнению авторов, схема развития технологий от научной разработки до практического воплощения в стране отсутствует и сложно ожидать появления новых технологических прорывов, в том числе и в области строительных материалов. Эпоху ажиотажного предложения инновационных технологий пеностекла можно считать подходящей к завершению вследствие дискредитации темы множеством неосуществленных проектов. Плитное и гранулированное пеностекло не выдерживает конкуренции в области гражданского строительства в силу неотъемлемых особенностей технологии, приводящих к сравнительно высокой себестоимости. Нельзя ожидать массового применения пеностекла, полученного по классической схеме, в промышленном и гражданском строительстве.
Возможными практическими направлениями, которые расширили бы применение пеностеклянного
щебня и гравия в массовом строительстве, могли стать снижение цен на сырье и удешевление кредитных ресурсов для любых промышленных проектов, в том числе и для проектов по производству пеностекла. В первом случае можно было бы ожидать прорыва при переходе на несортовой стеклобой и введении утилизационного сбора, как это делается в странах Западной Европы и планируется в России. Эти мероприятия позволят сделать цены на гранулы и щебень хотя и по-прежнему в 1,5 раза более высокими по сравнению с керамзитом, но с учетом теплотехнических характеристик материалов реально конкурентными. Конечно, введением утилизационного сбора на стеклобой объемы ячеистых гранулированных материалов не получится восстановить до уровня 1990 г. (30 млн м3 в год), однако на объемы 10-15 млн м3 в год гранулированное пеностекло претендовать вполне может. Применяя пе-ностеклянные гранулы в композитных материалах в качестве легких компонентов, нужно очень внимательно отнестись к возможной щелочно-силикатной реакции пеностекла при взаимодействии со связующими на портландцементной основе.
Для выхода плитного пеностекла (или пеностекло-кристаллического материала) в разряд общедоступных материалов необходимо существенно снизить себестоимость по путям, описанным выше, придать материалу новые потребительские свойства и выйти на возможность тиражирования технологии, которая удовлетворяла бы условиям низкой себестоимости.
Список литературы
1. Кетов А.А., Пузанов И.С., Саулин Д.В. Тенденции развития технологии пеностекла // Строительные материалы. 2007. № 9. С. 28-31.
2. Демидович Б.К. Пеностекло. Минск: Наука и техника, 1975. 248 с.
3. Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла. Минск: Наука и техника, 1972. 301 с.
4. Патент РФ 2332364. Способ изготовления долговечного пеностекла / Климов А.А., Климов Д.А., Климов Е.А., Климова Т.В. Заявл. 17.01.2006. Опубл. 27.08.2008. Бюл. № 24.
5. Маневич В.Е., Субботин К.Ю. Закономерности формирования пеностекла // Стекло и керамика. 2008. № 5. С. 18-20.
6. Вайсман Я.И., Кетов А.А., Кетов П.А. Получение вспененных материалов на основе синтезируемых силикатных стекол // Журнал прикладной химии. 2013. Т. 86. № 7. С. 1016-1021.
7. Патент РФ 2255060. Способ получения пеностекла / Леонидов В.З., Дудко М.П., Зиновьев А.А. Заявл. 01.12.2003. Опубл. 27.06.2005. Бюл. 18.
8. Патент РФ 2272005. Способ получения калиброванного гранулированного пеностекла / Дудко М.П., Зиновьев А.А., Леонидов В.З. Заявл. 20.10.2004. Опубл. 20.03.2006. Бюл. 8.
9. Патент РФ 2255058. Способ получения шихты для производства пеностекла / Леонидов В.З., Дуд-ко М.П., Зиновьев А.А. Заявл. 20.11.2003. Опубл. 27.06.2005. Бюл. 18.
10. Патент РФ 2255057. Способ получения сырьевой смеси для производства пеностекла / Леонидов В.З., Дудко М.П., Зиновьев А.А. Заявл. 20.11.2003. Опубл. 27.06.2005. Бюл. 18.
11. Патент РФ 2278846. Способ получения пористого наполнителя - калиброванного микрогранулиро-ванного пеностекла / Леонидов В.З., Дудко М.П., Зиновьев А.А. Заявл. 11.05.2005. Опубл. 27.06.2006. Бюл. 18.
22
январь 2015
jVJ ®
12. Патент РФ 2255059. Способ получения пеностекла / Леонидов В.З., Дудко М.П., Зиновьев А.А. Заявл. 20.11.2003. Опубл. 27.06.2005. Бюл. 18.
13. Казьмина О.В., Верещагин В.И. Методологические принципы синтеза пеностеклокристаллических материалов по низкотемпературной технологии // Строительные материалы. 2014. № 8. С. 41—45.
14. Шлегель И.Ф. Эффективен ли пустотелый кирпич? // Строительные материалы. 2007. № 6. С. 4—43.
References
1. Ketov A.A., Puzanov I.S., Saulin D.V. Tendencies of development of technology of a foamglass. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2007. No. 9, pp. 2831. (In Russian).
2. Demidovich B.K. Penosteklo [The Foamglass]. Minsk: Nauka i tekhnika.1975. 248 p.
3. Demidovich B.K. Proizvodstvo i primenenie penostekla [Production and use of foamglass]. Minsk: Nauka i tekh-nika. 1972. 301 p.
4. Patent RF 2332364. Sposob izgotovleniya dolgovechnogo penostekla [Way of production of a durable foamglass]. Klimov A.A., Klimov D.A., Klimov E.A., Klimova T.V. Declared 17.01.2006. Published 27.08.2008. Bulletin No. 24. (In Russian).
5. Manevich V.E., Subbotin K.Yu. Regularities of formation of a foamglass. Steklo i keramika. 2008. No. 5, pp. 18-20. (In Russian).
6. Vaisman Ya.I., Ketov A.A., Ketov P.A. Receiving the made foam materials on the basis of synthesizable silicate glasses. Zhurnalprikladnoi khimii. 2013. Vol. 86. No. 7, pp. 1016-1021. (In Russian).
7. Patent RF 2272005. Sposob polucheniya penostekla [Way of receiving foamglass]. Leonidov V.Z., Dudko M.P.,
Zinov'ev A.A. Declared 01.12.2003. Published
27.06.2005. Bulletin No. 18. (In Russian).
8. Patent RF 2272005. Sposob polucheniya kalibrovannogo granulirovannogo penostekla [Way of receiving the calibrated granulated foamglass]. Dudko M.P., Zinov'ev A.A., Leonidov V.Z. Declared 20.10.2004. Published
20.03.2006. Bulletin No. 8. (In Russian).
9. Patent RF 2255058. Sposob polucheniya shikhty dlya proizvodstva penostekla [Way of receiving furnace charge for production of a foamglass]. Leonidov V.Z., Dudko M.P., Zinov'ev A.A. Declared 20.11.2003. Published 27.06.2005. Bulletin No. 18. (In Russian).
10. Patent RF 2255057. Sposob polucheniya syr'evoi smesi dlya proizvodstva penostekla [Way of receiving raw mix for production of a foamglass]. Leonidov V.Z., Dudko M.P., Zinov'ev A.A. Declared 20.11.2003. Published
27.06.2005. Bulletin 18. (In Russian).
11. Patent RF 2278846. Sposob polucheniya poristogo napol-nitelya — kalibrovannogo mikrogranulirovannogo penostekla [Way of receiving a porous filler — the calibrated microgranulated foamglass]. Leonidov V.Z., Dudko M.P., Zinov'ev A.A. Declared 11.05.2005. Published
27.06.2006. Bulletin 18. (In Russian).
12. Patent RF 2255059. Sposob polucheniya penostekla [Way of receiving foamglass]. Leonidov V.Z., Dudko M.P., Zinov'ev A.A. Declared 20.11.2003. Published 27.06.2005. Bulletin 18. (In Russian).
13. Kaz'mina O.V., Vereshchagin V.I. Methodological Principles of Synthesis of Foam-Glass-Crystal Materials According to Low-Temperature Technology. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 8, pp. 4145. (In Russian).
14. Shlegel' I.F. Whether the hollow brick is effective? Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2007. No. 6, pp. 41-43. (In Russian).
Институт строительных материалов им. Ф.А. Фингера (FIB) университета Bauhaus-Universitat г. Веймар (Германия) организует 19-й Международный конгресс по строительным материалам
IBAUSIL
г. Веймар (Германия) | ^^ | ^^ 16-18 сентября 2015 г.
Международный конгресс по строительным материалам IBAUSIL проводится в г. Веймаре с 1964 г. и за это время стал авторитетным форумом для научного обмена между исследователями университетов и промышленных предприятий с востока и запада.
Основные темы конгресса
• Неорганические вяжущие вещества; • Стеновые строительные материалы / содержание
• Бетоны и долговечность бетонов; сооружений / переработка материалов .
Официальные языки конференции - немецкий, английский
Подробности Вы найдете на сайте: www . ibausil . de
www.ibausil.dewww.ibausil.dewww.ibausil.dewww.ibausil.de
