CC BY
40УДК 625.088
А.В. РУДЕНСКИЙ, д-р техн. наук, ГУП «НИИМосстрой» (Москва)
Возможности энергосбережения при производстве и применении дорожно-строительных материалов
Дорожное строительство располагает значительными резервами энергосбережения при производстве работ по строительству и ремонту дорожных конструкций. Это связано в первую очередь со значительными объемами применения дорожно-строительных материалов.
Экономия энергозатрат может быть обеспечена на стадиях производства дорожно-строительных материалов, их транспортирования к месту производства работ, совершенствования технологических процессов и повышения эффективности работ по строительству и ремонту автомобильных дорог.
Так, в частности, на устройство 1 км дорожного асфальтобетонного покрытия требуется 1,5—2 тыс. т асфальтобетонной смеси (при расчетной ширине покрытия 7 м и толщине слоев 10 см). Это требует расхода 0,7—1,2 тыс. т высокопрочного щебня; 0,6—0,8 тыс. т песка; 75—120 т минерального порошка; 80—100 т нефтяного битума.
Соответственно на устройство 100 км дорожных асфальтобетонных покрытий требуется в среднем 170 тыс. т асфальтобетонной смеси, для производства которой израсходуется (в среднем): щебня около 82 тыс. т, песка — 62 тыс. т, минерального порошка — 17 тыс. т, битума — 9 тыс. т. Общая стоимость применяемых материалов составляет около 300 млн р.
Удельный расход дорожно-строительных материалов при ремонте 1 км дорожного покрытия (при укладке нового слоя покрытия толщиной 5 см) в среднем составляет 350 м3, или около 0,8 тыс. т, что требует соответственно щебня около 0,4 тыс. т; песка — 0,3 тыс. т; минерального порошка — 60 т; нефтяного битума — 40 т.
При этом энергетические затраты на производство, переработку и транспортирование требуемых для ремонта дорожных покрытий материальных ресурсов составляют порядка 500 ГДж на 1 км дороги (около 10 т условного топлива, или 60 тыс. кВт.ч). Дополнительно следует учитывать расход дорожно-строительных материалов на проведение работ по новому строительству и реконструкции дорожных асфальтобетонных покрытий в мегаполисе. При этом затраты материальных ресурсов на новое строительство (при расчете на полосу шириной 7 м) составляют около 1,6 тыс. т асфальтобетонной смеси, что требует соответственно щебня около 0,8 тыс. т; песка — 0,6 тыс. т; минерального порошка — 0,12 тыс. т; нефтяного битума — 80 т и соответственно затрат энергоресурсов около 1 тыс. ГДж.
Ресурсосбережение за счет применения местных материалов и отходов промышленного производства осуществляется за счет разработки технологий, позволяющих использовать в составе асфальтобетонных смесей (при сохранении требуемого уровня качества) такие компоненты, как щебень и гравий из местных карьеров, щебень из металлургических шлаков и щебень, получаемый дроблением старого цементобетона, минеральные
порошки из золы-уноса ТЭС, природные битумсодер-жащие материалы, продукты переработки старого (отфрезерованного) асфальтобетона и другие.
В частности, экономия энергозатрат за счет сокращения объемов дробления известняка для производства стандартного минерального порошка при использовании порошкообразных отходов промышленности может составить в дорожной отрасли в целом до 7-10 тыс. ГДж в год (7-10 ТДж/г.).
Щебень, производимый в результате переработки металлургических шлаков и старого бетона, может быть использован при приготовлении асфальтобетонных смесей. Объемы применения такого щебня в дорожной отрасли могут составить до 7 млн м3 в год. При этом экономия энергозатрат за счет расширения применения щебня из местных карьеров и отходов промышленности и соответствующего сокращения транспортных расходов может составить порядка 150-170 ТДж/г., что эквивалентно экономии 4,5-5 тыс. т условного топлива в год.
Объемы использования альтернативных видов органических вяжущих материалов наряду с традиционным нефтяным битумом либо включение их в состав дорожных битумов в виде компаундирующих или модифицирующих компонентов (продукты нефтехимических, коксохимических и др. производств, отходы резинотехнических изделий, серы и пр.) могут составлять до 10-15% от объема применения нефтяных битумов. При этом экономия энергоресурсов за счет сокращения объема потребления битумов составит порядка 30-40 ТДж/г., что эквивалентно экономии 0,9-1,2 тыс. т условного топлива в год.
Итого общие объемы экономии энергоресурсов в дорожной отрасли только за счет использования вторичных материальных ресурсов и отходов промышленности могут достигать ежегодно около 200 ТДж/г., что эквивалентно экономии порядка 6 тыс. т условного топлива в год.
Анализ структуры энергозатрат при строительстве и ремонте дорожных асфальтобетонных покрытий показывает, что они складываются из затрат на производство исходных материалов для приготовления асфальтобетонных смесей и транспортирования их к асфальтобетонному заводу (АБЗ), подготовки исходных материалов и приготовления асфальтобетонных смесей, транспортирования, укладки и уплотнения готовой смеси при устройстве покрытия.
Анализ распределения энергозатрат показывает, что на транспортирование материалов расходуется 25-45% от общей суммы энергозатрат на их производство.
Энергозатраты на производство исходных материалов для приготовления асфальтобетонных смесей складываются из затрат на производство битума, щебня и минерального порошка, а также добычи песка из при-трассовых карьеров.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (""ЭЙ ^ Г Г Iг ! 13
октябрь 2010
Таблица 1
Наименование материала Расход энергии на производство 1 т, ГДж Эквивалентный расход условного топлива, л
Портландцемент 7,63 250
Битум 0,62 20
Щебень 0,016 2
Песок, гравий 0,06 0,5
Минеральный порошок 0,06 2
Арматурная сталь 25 800
Энергозатраты на производство 1 т нефтяного битума составляют 0,55—0,65 ГДж в зависимости от характеристик исходного сырья, используемого технологического оборудования и марки получаемого битума. Для сравнения, удельные затраты энергии на производство 1 т цемента значительно выше и составляют 3,8—7,5 ГДж в зависимости от качества сырья, технологии производства и марки получаемого цемента.
Энергозатраты на производство щебня составляют в среднем 0,05—0,07 ГДж/т. На производство 0,5—1 тыс. т щебня, необходимых для приготовления асфальтобетонной смеси, требующейся для устройства 1 км дорожного покрытия, затраты энергии составляют 35—75 ГДж. С учетом затрат на производство минерального порошка и добычи песка суммарные энергозатраты на получение материалов для приготовления асфальтобетонной смеси, необходимой для устройства 1 км дорожного покрытия, составляют 130—165 ГДж. Данные об энергозатратах на производство основных дорожно-строительных материалов приведены в табл. 1.
Энергозатраты на транспортирование щебня, песка, минерального порошка и битума к месту приготовления асфальтобетонной смеси зависят от дальности и способа перевозки материалов.
При перевозке щебня железнодорожным транспортом удельный расход энергоресурсов составляет в среднем 98,9 кВт.ч на 10 тыс. т.км.
С учетом коэффициента пересчета на условное топливо эквивалентный расход его на 10 тыс. т.км для электровозной тяги составляет 33,6 кг, а для тепловозной тяги — 45 кг.
Средний расход энергоресурсов на перевозку 10 тыс. т.км грузов железнодорожным транспортом составляет 39 кг условного топлива, или 273 Мкал, что эквивалентно 1,15 ГДж.
Таблица 2
Перевозка по железной дороге 0,5—1 тыс. т щебня, необходимого для устройства слоя толщиной 10 см (при расчетной дальности возки 1,5 тыс. км), требует затрат энергии в размере 85—170 ГДж (а с учетом затрат на по-грузоразгрузочные операции 100—200 ГДж). Перевозка того же количества местного щебня автомобилями (на расстояние в среднем 35 км) требует затрат энергии в размере 15—30 ГДж (принимая среднюю норму расхода энергоресурсов при перевозке автомобилями 39 кг условного топлива на 1 тыс. т.км). Перевозка 0,5—1 тыс. т песка автомобилями также требует затрат энергии в размере 15—30 ГДж.
Расход энергии на погрузку и разгрузку щебня или песка при перевозках автомобилями составляет 4,64МДж/т. Таким образом, энергозатраты на погру-зоразгрузочные работы при перевозке 0,5—1 тыс. т песка равны 2,3—4,6 ГДж.
Перевозка 100—120 т битума по железной дороге требует затрат энергии в размере 17—20 ГДж, а перевозка 65—200 т минерального порошка — 20—35 ГДж. Таким образом, общие затраты энергии на транспортирование материалов, необходимых для устройства 1 км дорожного покрытия, составляют 180—300 ГДж при использовании привозного щебня и 120—150 ГДж при использовании местного щебня.
Затраты энергии на технологические операции по приготовлению асфальтобетоннных смесей складываются из затрат на нагрев материалов, подготовительные операции и перемешивание компонентов смеси.
На разогрев битума при сливе в битумохранилище из бункерного полувагона вместимостью 40 т расходуется около 220 Мкал (0,92 ГДж), то есть на разогрев и слив 100 т битума затрачивается 2,5 ГДж. Такое же количество энергии затрачивается и при повторном разогреве битума при подаче его из хранилища в котел.
Для нагрева 1 т щебня на 1оС необходимо затратить около 0,7 МДж. Следовательно, на нагрев 1,4 тыс. т щебня и песка до температуры 160—180оС при приготовлении горячих асфальтобетонных смесей требуется затратить 150—160 ГДж энергии. При производстве холодных асфальтобетонных смесей нагрев щебня и песка до 100—120оС требует затрат энергии в размере 100 ГДж. Таким образом, на приготовление 1,65 тыс. т холодной асфальтобетонной смеси расходуется примерно на 50—60 ГДж энергии меньше, чем на производство горячей асфальтобетонной смеси. Данные о температуре нагрева битумов разных марок и соответствующих энергозатратах на приготовление 1 т асфальтобетонной смеси приведены в табл. 2.
Значительных затрат энергоресурсов требует сушка минеральных материалов. Данные о расходе энергоресурсов на сушку минеральных материалов в зависимости от их влажности приведены в табл. 3.
Расход топлива при работе сушильного барабана составляет в среднем 250—300 кг/ч, а установленная мощность электродвигателей — 60—110 кВт (при производительности 25—50 т/ч). При производительности 100 т/ч расход топлива составляет 1,14 тыс. кг/ч, а мощность электродивигателей — 153 кВт.
Таблица 3
Марка битума Температура нагрева,оС Энергозатраты на 1 т смеси, МДж
БНД 40/60, БНД 60/90,
БНД 90/130 130-150 100-110
БНД 130/200, БНД 200/300 100-120 80-90
МГ* 130/200, СГ** 130/200 90-100 65-70
МГ 70/130, СГ 70/130 80-90 55-65
МГ 40/70, СГ 40/70 70-80 45-55
МГ 25/40, СГ 25/40 60-70 40-50
* медленногустеющий; ** среднегустеющий.
Влажность минерального материала, % Расход условного топлива на сушку 1 т минерального материала, л Эквивалентный расход энергоресурсов, МДж
10 11,5 449
8 9,9 385
6 8,3 323
4 6,7 260
2 5,1 198
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Л] : : ® октябрь 2010 хГ
Ориентировочно можно принимать, что общий расход топлива на нагрев и сушку составляет 0,8—1,2% от массы минерального материала. Таким образом, нагрев и сушка 1,4 тыс. т щебня и песка, используемых при приготовлении асфальтобетонной смеси, потребуют расхода 12—15 т условного топлива, т. е. затрат энергии в количестве 350—400 ГДж.
Энергозатраты на перемешивание 1 т горячей асфальтобетонной смеси составляют в среднем 1,9—2кВт.ч при производительности установок 25—30 т/ч, или 4—4,5 кВт.ч для асфальтосмесительных установок производительностью 40—50 т/ч. При расчетах следует учитывать, что на выработку 1 кВт.ч электроэнергии расходуется 170 г условного топлива, т. е. 1 т условного топлива (мазута) дает 6 тыс. кВт.ч электроэнергии.
Таким образом, энергозатраты на перемешивание 1 т горячей асфальтобетонной смеси составляют 0,015—0,03 ГДж, а на перемешивание 1,65 тыс. т — 25-50 ГДж.
Суммарные затраты энергии при производстве асфальтобетонной смеси на АБЗ складываются из затрат на хранение и подготовку битума (в среднем 0,007 ГДж/т); внутризаводского перемещения минеральных компонентов смеси (0,005 ГДж/т); работы сушильного барабана и газопылеуловителей (0,005 ГДж/т); работы смесителя (4,1 МДж/т) и составляют в среднем около
Таблица 4
Основные виды энергозатрат Расход энергии, ГДж Доля от общего объема энергозатрат, %
Производство материалов (тыс. т): Битум (0,1-0,15) Щебень (0,5-1) Песок (0,5-1) Минеральный порошок (0,1-0,2 т) 55-95 35-75 10-15 15-20
Итого 130-195 15-20
Транспортирование материалов (с учетом погрузоразгрузочных работ): щебня по железной дороге (на расстояние 1500 км щебня автомобильным транспортом (25 км) песка минерального порошка битума 100-200 30-50 20-40 20-35 15-20
Итого 120-300 12-25
Приготовление асфальтобетонной смеси: Подготовка битума Нагрев минеральных материалов Сушка минеральных материалов Перемешивание компонентов горячей смеси 2025 150-160 200-300 55-60
Итого 425-530 40-50
Транспортирование смеси, укладка и уплотнение: Транспортирование, укладка и уплотнение минеральных материалов: 120-165 25-30
Итого 145-195 15-20
Суммарные затраты энергии 800-1200 100
0,021 ГДж/т. На приготовление 1,65 тыс. т асфальтобетонной смеси на АБЗ требуется затратить 57-60 ГДж энергии.
Энергозатраты на транспортирование готовой асфальтобетонной смеси к месту устройства дорожного покрытия (при средней дальности перевозки 20-25 км) составляют около 0,07-0,1 ГДж/т. Транспортирование 1,65 тыс. т готовой асфальтобетонной смеси к месту укладки потребует затрат энергии в размере 120-165 ГДж.
Принимая, что энергозатраты на укладку и уплотнение смеси составляют в среднем около 0,017 ГДж/т, выполнение этих работ при устройстве 1 км покрытия потребует ориентировочно 28-30 ГДж энергии. Суммарная энергоемкость строительства 1 км покрытия из горячего асфальтобетона слоем толщиной 10 см составляет 0,8-1,2 тыс. ГДж (табл. 4).
Удельный расход энергии на устройство 1 м2 асфальтобетонного покрытия равен 0,125-0,17 ГДж (в среднем около 0,15 ГДж).
Таким образом, анализ энергозатрат на устройство асфальтобетонных покрытий показывает, что затраты на транспортные операции составляют с учетом погру-зоразгрузочных работ в среднем около 25-30% от общей суммы энергозатрат, в том числе непосредственно на транспортирование готовой горячей смеси к месту укладки около 10-15%.
Энергозатраты на приготовление асфальтобетонной смеси составляют около 40-50% общего объема энергозатрат, а непосредственно укладка и уплотнение требуют около 5% от общего объема энергозатрат.
Проведенный анализ позволяет определить наиболее эффективные пути снижения расхода энергии при строительстве и ремонте дорожных асфальтобетонных покрытий.
На основании проведенного анализа основных направлений ресурсосбережения при строительстве и ремонте дорожных асфальтобетонных покрытий разработан комплекс технических решений, обеспечивающих продление сроков службы покрытий, повышения качества асфальтобетона за счет использования новых модифицированных составов асфальтобетонных смесей, применения местных материалов и отходов промышленного производства.
В числе разработанных технических решений, способствующих экономии энергозатрат, следует отметить рекомендации по повышению сроков службы дорожных асфальтобетонных покрытий на основе учета особенностей климатических условий района строительства при назначении требований к прочностным и деформативным характеристикам асфальтобетона. К другим энергосберегающим технологиям относятся разработки по применению холодных асфальтобетонов на основе жидких нефтяных остаточных битумов (гудронов), позволяющие снизить температуру приготовления и применения асфальтобетонных смесей, а также технология приготовления асфальтобетонов на основе разнопрочных каменных материалов, обеспечивающая сокращение энергозатрат за счет более широкого использования местных каменных материалов. Экономию энергозатрат обеспечивают также технические рекомендации по использованию старого асфальтобетона при производстве новых асфальтобетонных смесей и ряд других технических решений.
Реализация разработанного комплекса ресурсосберегающих технических решений обеспечивает значительную экономию материальных и энергетических ресурсов. Расчеты показывают, что при использовании разработанных энергосберегающих технических решений может быть обеспечено сокращение энергозатрат на 10-15%, то есть порядка 100-150 ГДж на 1 км дороги.
Ключевые слова: энергозатраты, битум, асфальтобетон, строительство покрытий, пути энергосбережения.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (""ЭЙ ^ Г Г Iг ! 13
"Тв октябрь 2010
