Сбережение тепловой и электрической энергии при производстве бетона и железобетона

При производстве бетонных, железобетонных конструкций и изделий используется тепловая и электрическая энергия. На долю тепловой энергии приходится около 80%, а электрической - 20%. Все энергетические затраты на производство бетонных и железобетонных изделий разделяют на косвенные и прямые. Оценка энергоемкости изделий и конструкций производится суммированием прямых и косвенных энергозатрат.

Косвенные затраты энергии - это сумма расхода энергии на производство материалов, необходимых для изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций: цемента, арматурной стали, заполнителей, воды и др.

Энергоемкость воды составляет около 2,4 кг условного топлива. Затраты энергетических ресурсов на изготовление стальных прокатных профилей – 1876-2143 кг усл. топлива. Наибольшие затраты энергии относятся к производству мелких профилей, а наименьшие - к производству профилей крупного сечения.

Данные по затратам энергии на производство материалов представлены в таблицах 1-4 (по данным [ ]).

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.

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.

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.

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

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%.

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.

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.