Средние энергозатраты на производство заполнителей

Таблица 3

Средние энергозатраты на изготовление цемента

Таблица 4

Средние энергозатраты на производство арматурных сталей, кг у.т./т

Прямые затраты - это энергия, затраченная на осуществление технологического процесса изготовления этих конструкций на всех переделах, включая транспортировку сырья на заводе. Структура прямых затрат энергии при производстве сборного железобетона приведена в табл. 5.

Таблица 5

Структура энергозатрат в производстве сборного железобетона [ ]

Установки для тепловой обработки бетона. Выбор типа установок для тепловой обработки (ТО) определяется рядом следующих факторов: принятым или существующим способом производства изделий (конвейерный, агрегатно-поточный, стендовый), характеристикой изделия (масса, размеры), объемом выпуска и видом бетона.

Основным типом теплового агрегата являются различного рода ямные пропарочные камеры, доля которых в республике составляет 75% с годовым выпуском сборного железобетона около 75% от общего объема. КПД использования энергии в них составляет 12-18%.

К числу других видов оборудования относятся стендовые и кассетные установки, конвейерные линии и тоннельные камеры, КПД использования тепла в них - от 50 до 75%.

Основные причины значительного перерасхода энергии - неудовлетворительное состояние пропарочных камер, тепловых сетей, запорной арматуры и средств контроля пара. Тепло теряется также из-за отсутствия изоляции горячих поверхностей, необоснованного увеличения длительности тепловой обработки и температуры пропаривания.

При тепловой обработке сборного железобетона на нагрев бетона, форм и оснастки расходуется 20-30% технологической нормы требуемой тепловой энергии. Остальное тепло идет на непроизводительные потери.

Наибольшая доля непроизводительных тепловых потерь в ямных камерах падает на остывание бетонного корпуса при перерывах между циклами пропаривания, а в щелевых камерах - на теплопередачу ограждениями в процессе тепловой обработки.

В среднем на 1м³ сборного железобетона расходуется около 1500 МДж, или около 50 кг условного топлива.

Снижение расхода цемента при производстве сборных железобетонных изделий.Для сборных железобетонных конструкций около 70 процентов косвенных энергозатрат приходится на цемент. В этой связи для снижения энергоемкости сборных железобетонных конструкций важно использовать технологические приемы, снижающие расход цемента: применение пластификаторов, суперпластификаторов, минеральных добавок из промышленных отходов (золы и золошлаковые смеси ТЭЦ), использование омагниченной воды, обеспечение однородности бетона за счет автоматизации приготовления бетонной смеси и строгого статистического контроля качества.

Внедрение эффективных химических и минеральных добавок, и в первую очередь получаемых из промышленных отходов, снижает расход цемента на 10-20 процентов.

Применение омагниченной воды снижает расход цемента на 5-10 процентов. Данный технологический прием внедрен на 20 заводах России, в том числе крупнейших заводах Москвы (Ростокинский, Краснопресненский, Востряковский, Кунцевский заводы ЖБК). Магнитная обработка воды проводится в магнитотронах конструкции АО «Российская корона».

Оптимизация режимов твердения. Существенное уменьшение потребления тепловой энергии может быть достигнуто за счет оптимизации режимов твердения. Например, при переходе на суточный оборот камер особенно эффективны термосные режимы тепловой обработки длительностью 16-18 часов с коротким периодом подачи пара и медленным остыванием изделий в теплоизолированных камерах. Экономия тепловой энергии при этом составляет 30-40 процентов.

Э.И. Батяновским (Белорусская государственная политехническая академия) для повышения эффективности тепловлажностной обработки железобетонных изделий предложена технология «Термос» на основе применения добавки–ускорителя твердения бетона сульфата натрия (СН).

Данная технология позволяет значительно снизить температуру и сократить длительность режима активной тепловлажностной обработки (ТВО) железобетонных изделий, при котором последующее их остывание осуществляется обязательно в закрытом тепловом агрегате (ямной или щелевой камере, кассете, термоформе, под колпаком или пленкой и т.п.) для дальнейшего набора прочности.

В зависимости от группы изделий и вида теплового агрегата режимы ТВО могут быть следующими:

– длительность выдержки отформованных изделий до пуска пара – 1 ...3 часа;

– плавный подъем температуры до 60 °С в течение 3 часов;

– прекращение подачи пара и выдержка изделий в закрытом тепловом агрегате (остывание) в течение 5... 15 часов (по мере необходимости).

Таким образом, полный цикл ТВО составляет 8... 18 ч, а длительность активной ТВО (подача пара) – только 3 часа. Традиционно на заводах ЖБИ выдержка до подачи пара длится 1.5...3 ч, подъем температуры до 85 °С – 3...6 ч, изотермический прогрев при 85 °С – 6... 14 ч, остывание при открытых тепловых агрегатах - 1...2 ч, т.е. полный цикл ТВО составляет 10...22 ч, а длительность активной ТВО – 9...20 ч. В итоге расход пара может быть снижен с 0,49 до 0,20 Гкал/м³.

При наличии достаточного парка форм, а также при изготовлении мелкоштучных изделий из жестких смесей методом вибропрессования возможен отказ от тепловой обработки.

Применение теплого бетона, получаемого за счет разогрева заполнителей, воды или электроразогрева бетонной смеси в сочетании с термосным выдерживанием в изолированных камерах, также снижает расход тепловой энергии на 50-60 процентов.

При производстве (особенно полигонном) неармированных бетонных изделий эффективно проявил себя электропрогрев бетона. Такой способ существенно повышает коэффициент полезного действия тепловой энергии, исключает необходимость использования пропарочных камер и на 20-40 процентов снижает энергопотребление на тепловую обработку.

Химизация бетона.Примерная классификация наиболее широко применяемых добавок и их сочетаний в многокомпонентных комплексных добавках показана на рис. 1. [ ].

Рис. 1 - Примерная классификация химических добавок,

применяемых в технологии бетона:

mix – могут смешиваться; comp – совместимы

Наибольшее применение при производстве сборного железобетона находят добавки суперпластификаторы. Популярность этих добавок обусловлена их комплексным воздействием на свойства бетонной смеси и бетона. При неизменных водоцементных отношениях и прочности бетона осадка конуса бетонной смеси увеличивается с 2-3 до 20-22 см, при неизменной кинетике твердения и прочности бетона сокращается расход цемента на 30%, при одинаковом расходе цемента и подвижности бетонной смеси на 20-25% снижается расход воды затворения, самого теплоемкого компонента бетонной смеси.

Как указывается в [3], суперпластификаторы можно разделить на четыре группы:

1. Сульфированные меламинформальдегидные соединения (MSF) – сульфированные продукты конденсации меламина с формальдегидом. Для модификации структуры меламинформальдегидного олигомера с целью придания пластифицирующих свойств часто используют натриевую соль n-аминобензосульфокислоты;

2. Нафталиновые – сульфированные нафталинформальдегидные соединения (NSF), как, например, олигомеры и полимеры на основе формальдегида и натриевой соли β-нафталинсульфокислоты;

3. Модифицированные (рафинированные и практически не содержащие сахаров) лигносульфонаты (MLS) или соли лигносульфоновых кислот;

4. Гиперпластификаторы – производные полиоксикарбонных кислот (SP), поликарбоксилаты (PA) и др.

В строительной отрасли принята программа «Развития производства и применения добавок в бетоны и растворы с целью снижения расхода цемента, тепловой и электрической энергии». Программа ориентирована на новое поколение добавок: суперпластификаторы СМ-1 (для бетона), СМ-2 (для монолитного бетона), гиперпластификатор ГП-1, а также комплексные добавки производства СП ОО «Стахема-М» и тонкодисперсные наполнители [ ].

Суперпластификаторы СМ-1 и СМ-2 созданные на основе известной добавки С-3, уменьшают водопотребность бетонной смеси до 25 %, дают возможность получения литых бетонных смесей и высокопрочных бетонов с повышенными плотностью и морозостойкостью, улучшенным качеством поверхности, сохранением подвижности бетонной смеси в течение длительного времени.

Гиперпластификатор нового поколения ГП-1 обеспечивает снижение водоцементного отношения при заданной удобоукладываемости бетонной смеси до 40%. По эффективности он существенно выше названных добавок и предназначен для получения высокопрочных бетонов до класса С70/85, высокоподвижных и самоуплотняющихся бетонных смесей, исключающих вибрацию при их укладке, с высоким темпом набора прочности, в том числе и без тепловой обработки. Использование данных модификаторов способно снизить удельный расход цемента в составе бетона на 10-20% и тепловой энергии на изготовление железобетонных конструкций в пределах 20-30%.

Учеными Полоцкого государственного университета ведется разработка добавки СПАС из отечественных компонентов (на основе отходов ОАО «Полимир»). Добавка обладает двойным технологическим действием – она и пластифицирует и ускоряет набор прочности бетона.

Энергетическая эффективность суперпластификаторов.Методика определения энергетической эффективности использования суперпластификаторов в технологии производства сборного железобетона, предложенная в работе [ ], основана на суммировании энергетического эффекта от применения суперпластификаторов.

Суммарный энергетический эффект складывается из ряда технологических переделов, основными из которых являются сокращение температуры и сроков тепловлажностной обработки, уменьшение времени вибрационного воздействия при формовании, сокращение расхода цемента, уменьшение суммарной мощности вибраторов, или совместное влияние всех выше перечисленных факторов.

Суммарный энергетический эффект от применения суперпластификатора для модификации бетонных смесей G_∑ - можно представить соотношением, кг усл.т/м³ бетона

(1)

где G_n - энергетический эффект за счет сокращения сроков тепловлажност­ной обработки; G_В - энергетический эффект за счет увеличения удобоукладываемости бетонной смеси и снижения энергозатрат на формование; G_Ц - энергетический эффект за счет сокращении расхода цемента.

Ожидаемый эффект по экономии условного топлива за счет сокращения сроков тепловлажностной обработки определяется разностью

(2)

где G₁ — количество сэкономленного топливо за счет сокращении сроков тepмовлажностной обработки при использовании суперпластификатора; G₂ — энергетические затраты на производство суперпластификатора, кг усл. топлива.

G₁ без учета энергозатрат на производство СП рассчитывается по формуле

(3)

где G - количество исходного сырья для получения СП. кг; Q₁ - удельный расход тепла на тепловую обработку бетона, кДж/м³; К - коэффициент, учитывающий выход СП в пересчете на исходное сырье; t_n - продолжительность термовлажностной обработки бетона до применения СП, ч; Δt_П - сокращение периода термовлажностной обработки бетонной смеси при применении СП, ч; g - теплота сгорания условного топлива, кДж/кг; µ - удельный расход СП, кг/м³ бетона; V — объем бетона, м³

Энергетические затраты (выраженные в килограммах условного топлива), связанные непосредственно с производством СП, опре­деляются соотношением

(4)

где Q₂ - удельный расход тепла затраченный на производство СП, кДж/кг.

Решая уравнение (2) совместно с выражениями (3) и (4) полу­чим:

(5)

или

(6)

Ожидаемый эффект от увеличения удобоукладываемости бетонной смеси может быть выражен путем сокращения времени вибра­ции или уменьшением мощности вибраторов. В первом случае ве­личина определится:

(7)

где 861 - пересчетный коэффициент, 1 кВт = 861 ∙ 4,2 кДж/ч; 4,18 — пересчетный коэффициент, 1 кВт - 4,18 кДж; W — потребляемая мощность виб­ратора, кВт; Δt_B— время сокращения вибрации, ч; V_ф - объем формуемой бетонной смеси в единице изделия, м³.

Энергетический эффект за счет уменьшения мощности вибрационного воздействия G_В2 может быть представлен соотношением

(8)

где w_i - потребляемая мощность одного вибратора. кВт, t_B - время вибрационного воздействия, ч; n - количество вибраторов до применения СП; n_сп - количество вибраторов после применения СП.

Для пневмовибраторов уравнение (8) примет вид

(9)

где G_с - расход сжатого воздуха, кг; R - газовая постоянная, кг∙м/кг ∙ К; 427 - переучетный коэффициент, 1,2 кДж = 427 кг/м. — изотермический коэффициент полезного действии; Т — температура сжатого воздуха, К; Р₁, Р₂ - давление воздуха до и после сжатия, Н/м².

Ожидаемый энергетический эффект за счет снижения расхода цемента может быть представлен соотношением:

(10)

где Е_Ц – удельные энергозатраты на изготовление одного кг цемента, кДж/кг; Ц - расход цемента до применения СП, кг/м³.

Тогда с учетом (6), (7), (9) и (10) уравнение (11) запишется

(11)

Выражение (11) представляет собой наиболее общий вид функ­циональной связи между рассматриваемыми параметрами и состоит из четырех слагаемых, каждое из которых характеризует определен­ное влияние на энергетический эффект использования суперпласти­фикатора.

Первое слагаемое дает количественную оценку сэкономленной энергии за счет сокращения сроков термовлажностной обработки бетона по сравнению с удельными тепловыми затратами тепла на изготовление суперпластификатора.

При G, Q₂, V, g = const определяющими параметрами слагаемо­го являются соотношения Q₁/Q₂, Δt_n/t_n и K/µ, первое из которых характеризует относительную величину удельных тепловых затрат на изготовление 1 кг СП по сравнению с удельными тепловыми затратами на термовлажностную обработку, второе - степень ее сокращения за счет применения СП, а третье - особенности произ­водства СП и бетона. Таким образом, при O₁/Q₂ > 1, Δt_n/t_n = 1 и K/µ > 1 целесообразность использования суперпластификатора очевидна. В этом случае каждый килограмм исходного сырья на изготовление СП дает экономию G_n кг условного топлива или G_ng кДж тепловой энергии. При Q₁/Q₂<1 Δt_n/t_n<1 энергетическая эффективность использования суперпластификатора несколько снижается и положительный эффект в этом случае зависит от абсолютных значений К и µ. Максимальный энергетический эффект будет достигнут в том случае, когда выход суперпластификатора К в пересчете на исходное сырье будет по абсолютной величине больше удельного расхода СП на 1 м³ µ. При К < µ выражение G_ng будет ближе к нулю и энергетический эффект использования СП за счет первого слагаемого становится минимальным. Таким образом, на каждый килограмм исходного сырья, пошедшего на изготовление СП, при его использовании в технологии бетона дополнительно затрачивается (G_n) кг условного топлива или целесообразно использовать (-G_ng) кДж тепловой энергии.

Второе слагаемое характеризует количество сэкономленного условного топлива за счет сокращения времени вибрации бетонной смеси в процессе формования изделия. Нетрудно видеть, что энергетический эффект использования СП при формовании зависит от мощности вибратора w и времени сокращения вибрационно­го воздействия Δt_В.

Чем меньше w и Δt_В, тем больше энергетическая целесообразность использования суперпластификатора. При Δt_В = 0 энерге­тический эффект также равняется нулю, так как G_B = 0.

Третье слагаемое определяет энергетический эффект СП за счет уменьшения числа вибраторов. Положительный эффект в данном случае определяется числом вибраторов, не функционирующих в процессе формования изделия (n - n_сп), удельным расходом сжатого воздуха G_с, потребляемого одним вибратором, и степенью сжатия воздуха в компрессоре Р₂/Р₁ в случае использования навесных вибраторов. Чем меньше количество действующих вибраторов и чем больше удельный расход сжатого воздуха и степень его сжатия, тем выше экономия условного топлива. И, наоборот, при n = n_сп или Р₂=Р₁третье слагаемое превращается в нуль, снижая тем самым положительный эффект использования суперпластификатора.

Четвертое слагаемое показывает энергетический эффект за счет сокращения расхода цемента на 1 м³ бетона. Положительный эффект в этом случае определяется непосредственно количеством сокра­щенного расхода цемента. Чем больше количество сокращенного расхода цемента, тем больше энергетический эффект, и наоборот.

Мероприятия по экономии ТЭР при производстве бетонных и железобетонных изделий и конструкций. Мероприятия, связанные с экономией топливно-энергетических ресурсов при производстве бетонных и железобетонных изделий и конструкций, а также при производстве товарного бетона и раствора, сводятся к следующим направлениям:

- совершенствование методов, режимов и оборудования для термовлажностной обработки изделий и конструкций для снижения затрат тепловой энергии на 1 м³ продукции;

- увеличение коэффициента полезного использования тепловой энергии за счет повышения термического сопротивления элементов ограждающих конструкций камер;

- автоматизация процесса термовлажностной обработки пропаривания бетонов, которая обеспечивает необходимые прочностные показатели бетонных изделий и снижает расход тепловой энергии на 15-20% по сравнению с установками, не оснащенными автоматикой;

- совершенствование методов подвода тепла и выбор экономичного теплоносителя;

- использование модифицирующих добавок-пластификаторов и ускорителей твердения;

- сокращение расходов исходных материалов (цемента, арматуры, заполнителей, воды и др.) на каждое изделие или конструкцию без ухудшения их физико-механических и эксплуатационных характеристик;

- максимальное использование при тепловой обработке изделий вторичных энергоресурсов.

Производственный опыт показывает, что применение новых технологий, наведение технологической дисциплины, применение необходимых методов контроля и учета на заводах ЖБИ и КПД позволяют сократить расход цемента на 15 процентов и расход энергоресурсов — на 20-30 процентов.