CC BY
12УДК 691-405.8
В.П. ПЕТРОВ, д-р техн. наук, Самарский государственный архитектурно-строительный университет
Вопросы энергетики, эколологии и экономики производства пористых заполнителей
В проекте «Стратегии развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года», разработанном Правительства Российской Федерации Министерством регионального развития с участием заинтересованных федеральных органов исполнительной власти отмечено, что с целью ликвидации наметившегося дефицита строительных материалов необходимо не только ввести дополнительные производственные мощности, но и повысить технологический и технический уровень отечественных предприятий и их продукции, то есть следует улучшить энергетику, экологию и экономику (ЭЭЭ) действующих предприятий. Рассмотрим эти составляющие применительно к производству пористых заполнителей.
Энергетика
В экологии энергию принято делить на формы в зависимости от ее качества. Под качеством энергии понимается способность совершать полезную работу, то есть ее эксергию — максимальную работу, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой [1].
В табл. 1 приведены результаты тепловых расчетов трех вариантов получения пористых заполнителей обжигом во вращающихся печах. Первый — получение керамзита из смышляевской (бентонитовой) глины; второй — получение заполнителя из отходов шахтной породы, третий — получение заполнителя (зольный гравий) из золы Тольяттинской ТЭЦ, к которой в качестве связующего добавляется смышляевская глина в количестве 10%. Зола ТоТЭЦ содержит 12% несгоревших угольных частиц (НУЧ); отходы шахты имени газеты «Социалистический Донбасс» — 2,22% угля. Тепловые расчеты выполнены по формулам, приведенным в работе [2].
Дымовые газы от печей, а также теплый воздух от холодильника приходится отводить от установки. Опыт применения на керамзитовых заводах котлов-утилизаторов в 60—70-х гг. прошлого столетия показал их неэффективность. Дело в том, что отходящий от печи дым содержит значительное количество пыли, поэтому утилизаторы тепла приходилось очень часто чистить. Данный пример свидетельствует о необходимости создания для керамзитовой промышленности простых в обслуживании и эффективных теплообменных устройств, что позволит существенно повысить эксергию предприятий.
Увеличение содержания углерода в исходном сырье выше 3% на первый взгляд не дает экономии топлива при производстве пористых заполнителей обжигом во вращающихся печах (табл. 1). Но этот вопрос требует более глубокого исследования, так как имеются данные о существенном снижении расхода газа при увеличении содержания угля в сырье [3].
Эксергию зол, как топливосодержащего компонента сырьевого материала, можно увеличить разделением золы флотацией на минеральную и органическую составляющие.
Автор совместно с проф. Ю.Б. Рубинштейном (НИИОТТ, Москва) исследовали возможность выделения НУЧ из зол, используя широко применяемый в угольной промышленности флотационный метод обогащения угля.
Исследования проводили на золе с зольностью 77,8%. Среднее содержание НУЧ составляло 22,2%. Опробованы одностадийное, двухстадийное и трехстадий-ное флотационное разделение. Лучшие результаты достигнуты при трех стадийном разделении золы.
При смешивании концентратов от первой и третьей стадии получен продукт, представляющий тощий тонкодисперсный уголь с зольностью 50% с теплотой сгорания примерно 5000 ккал/кг. Его можно использовать в качестве котельного топлива непосредственно на ТЭС, подмешивая к основному твердому топливу.
В табл. 2 приведена эксергия описанных термодинамических систем. Для удобства анализа за единицу принята эксергия первой термодинамической системы.
Экология
Наиболее объективная оценка экологической безопасности строительного материала может быть получена на основе анализа его жизненного цикла (АЖЦ), широко применяемого в некоторых странах Западной Европы, США и Канады. В России методика АЖЦ разрабатывается в МГСУ [4].
Согласно АЖЦ все вредные воздействия на окружающую среду и человека для удобства анализа методами квалиметрии сводятся к безразмерным величинам. Основные вредности классифицированы по виду отрицательных последствий для жизни человека.
Интегральная оценка негативных и позитивных воздействий на жизненный цикл строительного материала
Таблица 1
Наименование системы Начальное содержание топлива в гранулах, % Удельный расход природного газа, нм3/м3 Объемы отходящих газов, нм3/час Температура отходящих газов, оС
дым воздух дым воздух
Производство керамзита из смышляевской глины - 59,4 24064 18242 367 400
Произволство пористого заполнителя из отходов шахты им. газеты «Социалистический Донбасс» 2,22 43,9 24064 18242 367 400
Производство пористого заполнителя из золы ТоТЭЦ 12 44 35700 18242 945 400
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы' ® август 2010 11
Таблица 2
Наименование системы Расход топлива, кгу.т./м3 Эксергия
Природного газа Суммарный Природного газа Общего топлива
Производство керамзита из смышляевской глины 59,4 59,4 1 1
Произволство пористого заполнителя из отходов шахты им. газеты «Социалистический Донбасс» 47 60,2 1,26 0,987
Производство пористого заполнителя из золы ТоТЭЦ 48,2 92,2 1,23 0,644
Производство пористого заполнителя из золы ТоТЭЦ после ее разделения флотацией 44 10,1 1,35 5,881
при реализации какого-либо проекта может быть подсчитана по формуле:
I = (1)
где Еу — объем выделения у-го вида вредности; к, — коэффициент приведенияу-го вида вредности к г-му воздействию; Т, — допустимое воздействие г-го вида; Щ — коэффициент тяжести последствий г-го воздействия.
Используя данные, полученные специалистами МГСУ, проведено сравнение АЖЦ легких бетонов, предназначенных для ограждающих конструкций, с АЖЦ модифицированных пенобетонов, используемых для тех же целей. В табл. 3 приведены заимствованные из работ [5, 6] составы и основные характеристики сравниваемых бетонов. Затраты материальных ресурсов, в том числе энергетических в пересчете на условное топливо, заимствованы из работы [7]. Данные об удельных выбросах вредных веществ на предприятиях пористых заполнителей и цемента взяты из доклада института НИПИОТСТРОМ, обследовавшего предприятия бывшего Минстройматериалов в 1983 г.
Результаты расчетов суммарных, негативных воздействий на жизненный цикл сравниваемых материалов сведены в табл. 4. При расчетах принималось, что годовой выпуск бетонов составляет 100 тыс. м3.
Наименьшее негативное воздействие на жизненный цикл стеновых материалов строительного объекта оказывает применение легкого бетона на пористом заполнителе из шахтных отходов (I = 461,7), наибольшее — модифицированного пенобетона (I = 742,9). АЖЦ стеновой конструкции из обычного керамзитобетона оказалось равным I = 624,7.
Казалось бы, получен неожиданный результат, который, при более внимательном рассмотрении, представляется вполне закономерным. Наиболее весомый вклад
в негативное воздействие на строительный объект оказывают вредные выбросы СО; 802 и N0^ которые в большем объеме образуются в производстве цемента, поскольку цементный клинкер обжигают при более высокой температуре, чем пористый заполнитель.
К положительным особенностям пористых заполнителей можно отнести их высокую химическую стойкость, обусловленную высокой устойчивостью алюмо-силикатного стекла, содержание которого в твердой части, например, керамзитового гравия составляет 70—90%. Эта особенность позволяет предположить, что керамзитовый гравий может служить экологической нишей для захоронения в алюмосиликатном стекле некоторых токсичных компонентов, например, тяжелых металлов, содержащихся в отходах гальванического производства. Известно, что в течение ряда лет на Палемонаском керамзитовом предприятии утилизируют гальванические отходы Вильнюса и Каунаса. Неоднократные проверки показали, что тяжелые металлы не вымываются из твердой части заполнителя, даже при действии на него различных кислот. Утилизация в структуре заполнителей токсичных отходов существенно повышает их АЖЦ и делает технологию весьма привлекательной.
Экономика
Расчеты экономической эффективности производства пористых заполнителей выполняли в 1994 г. Поэтому все цены на материалы, оборудование, строительство, монтаж и продукцию даны с привязкой к ценам 1994 г. Расчеты выполнены по «Методике определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений», утвержденной Госкомитетом СССР по науке и технике, Госпланом СССР. Госкомитетом по делам изобретений и открытий в 1977 г.
Таблица 3
Наименование материалов Единица измерения Расходы материалов на 1 м3 бетона, кг (м3) Плотность бетона в сухом состоянии, кг/м3 Прочность бетона после пропарки, МПа
Керамзитобетон на керамзите марки 300 (источник информации [5])
Цемент Керамзит Песок пористый Вода Добавка СДО кг кг (м3) кг кг кг 206 350 (1,18) 155 195 0,2 690 5,4
Легкий бетон на шлакозите марки 300 [6]
Цемент Шлакозит Дробленый песок Вода Добавка СДО кг кг (м3) кг кг кг 206 350 (1,18) 155 195 0,2 690 6
Неавтоклавный модернизированный пенобетон [7]
Цемент Песок кварцевый Вода Пенообразователь кг кг кг кг 320 420 170 1 800 4,7
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал ¡Д^ |'3
12 август 2010
Таблица 4
Наименование негативного воздействия Величина негативного воздействия на строительный объект при применении
Керамзи-тобетона Легкого бетона на заполнителе из отходов Неавтоклавного пенобетона
Расход энергии 114,2 84,7 70,5
Расход материальных ресурсов 185 51,5 200
Пыль 13 13 20,9
СО2 1,7 1,7 1,5
СО 134,8 134,8 176
бо2 136 136 210
N0,, 40 40 64
Итого 624,7 461,7 742,9
Проектную производительность установок сравниваемых вариантов приняли равной 100 тыс. м3 заполнителя в год. Среднюю насыпную плотность заполнителя — 400 кг/м3. Район строительства — г. Тольятти. Сравнивали следующие три варианта.
Первый — завод обычного керамзитового гравия, в качестве сырья использующего глину Образцово-Печорского месторождения, находящуюся в 30 км от установки. Установка монтируется на территории Тольят-тинского КПД; проектные расходы материалов: удельный расход топлива (природный газ; теплота сгорания 35000 кДж/нм3) — 78,3 кг у.т./м3 керамзита или 64,5 нм3 природного газа/м3 керамзита; удельный расход электроэнергии — 28 кВт-ч/м3 керамзита; удельный расход глины — 0,65 т/м3 керамзита.
Объем капитальных вложений с пересчетом на цены 1994 г. составил 6,7 млрд р. Средняя оптовая цена на керамзит марки 400 по Самарской области в 1994 г. составляла 20 тыс. р./м3 (без НДС). По расчетам прибыли нет. Это одна из причин того, почему производство керамзита не развивается. В ряде районов страны оно просто нерентабельно.
Второй — установка шлакозита, которая была построена в котельном цехе ТоТЭЦ и пущена в эксплуатацию в 1995 г. Сырьевые компоненты, мас. %: шлак ТоТЭЦ - 80%; зола ТоТЭЦ - 10%; глина Образцово-Печорского месторождения — 10%. Вода, используемая для формования гранул — 15%, сверх 100%. Топливо — природный газ (теплота сгорания - 35000 кДж/нм3). Удельный расход топлива — 66,5 кг у. т. / м3 шлакозита или 54,8 нм3 природного газа / м3 шлакозита. Удельный расход электроэнергии — 49 кВт-ч/м3 шлакозита. Объем капитальных вложений по данным ТоТЭЦ на 1 декабря 1994 г. (с пересчетом на цены 1994 г.) составил 2 млрд р. Расчетная годовая прибыль от реализации продукции составила 623,97 млн р.
Третий — завод пористого заполнителя, получаемого из золы Тольяттинской ТЭЦ. Завод строится на территории ТоТЭЦ. Помимо традиционного оборудования в состав предприятия входит цех по разделению золы То-ТЭЦ на минеральную и органические составляющие.
Расчетами установлены следующие экономические параметры производства: объем капитальных вложений, включая цех пористого заполнителя и цех по разделению золы на минеральную и органическую части, 8,5 млрд р.; годовая прибыль от реализации пористого заполнителя Щап = 41,2 млн р.; годовая прибыль от реализации угля Пру = 43,7млн р.; годовая прибыль от ути-
лизации зол ТоТЭЦ Прзол = 975 млн р. Суммарная прибыль: Пробщ= -41,2 + 43,7 + 975 = 977,5 млн р. Срок окупаемости, Т = 8500/977,5 ~ 9 лет. Прибыль предприятия обеспечивается, в основном, за счет утилизации зол То-ТЭЦ. В расчетах цена за складирование зол принята равной цене за складирование бытовых отходов.
Эффективность пористых заполнителей, безусловно, зависит от сферы их применения и региона, в котором они применяются. Например, в Самаре эффективной областью применения керамзита фракции 5—20 мм марки 450 оказалось изготовление стеновых камней размером 40x40x160 см щелевой конструкции. Весьма эффективно изготовление из легких бетонов несущих каркасов в многоэтажном строительстве, мостостроении, а также теплоизоляции тепловых агрегатов, используемых в керамической промышленности. Для ряда регионов страны легкие бетоны на пористых заполнителях могут оказаться единственным экономически выгодным вариантом стеновых материалов. Заключение
1. Производство пористых заполнителей является перспективным направлением. Эксергия производства пористых заполнителей может быть существенно повышена путем удачного подбора топливосодержащего сырья, преимущественно отхода промышленности. Для этих же целей необходимо создание и применение эффективных теплообменных устройств, утилизирующих тепло отходящих газов.
2. С позиций АЖЦ пористые заполнители и легкие бетоны на их основе являются привлекательными материалами. Они обладают рядом положительных особенностей: простотой технологии, возможностью использовать в качестве сырья многотоннажные в том числе вредные отходы промышленности.
3. Наиболее эффективным направлением развития пористых заполнителей является организация их производства на основе топливо содержащих отходов промышленности.
Ключевые слова: пористые заполнители, энергетика, экология, экономика, отходы промышленности.
Список литературы
1. Горчаков Л.Н. Алфеев А.А., Кузьмин Ю.И. и др.Организация производства пористых заполнителей в составе тепловых электростанций // Строит. материалы. 1991. № 10. С. 11—12.
2. Довжик В.Г., Хаймов И.С., Верскаин Б.А. Производство керамзитобетонных панелей с повышенными теплозащитными свойствами // Промышленность сборного железобетона. Обзорная инф. ВНИИЭСМ. М.: 1988. В. 3. 72 с.
3. Завод фирмы «Сурике» по производству вспученного заполнителя из угольных сланцев // Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей. Реф. инф. ВНИЭСМ. М.: 1976. В.8. С. 31—34.
4. Информационное сообщение о результатах атмосферной деятельности в основных отраслях Минстройма-териалов СССР за 1981 год. НИПИОТСТРОМ. Новороссийск. 1983. 69 с.
5. Коновалов В.М. Энергетические затраты при производстве ячеистых бетонов // Строит. материалы. 2003. № 6. С. 14—15.
6. Левченко П.В. Расчеты печей и сушил силикатной промышленности: учебное пособие. М: Высшая школа. 1968. 366 с.
7. МаксимовБ.А., Коренькова С.Ф., ПетровВ.П. Влияние кристаллизации на свойства шлакозита. Известия вузов. Строительство и архитектура. 2004. № 4. С. 61—65.
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы' ® август 2010 13
