Разработка технологии переработки
стеклобоя в строительные теплоизоляционные композиты
Назначение, области использования инновационного проекта. В твердых бытовых отходах на долю стеклобоя приходится около 15 масс. %. При этом если принять, что в развитых странах на одного человека в год образуется 400-700 кг твердых бытовых отходов, то на одного человека образуется примерно 60-100 кг стеклобоя. Так, только из Москвы вывозится ежегодно на захоронение 4-4,5 млн. тонн отходов, в которых примерно 600-700 тысяч тонн составляет стеклобой, а ежегодное количество последнего в западноевропейских странах оценивается в десятки миллионов тонн. Если учесть, что в отличие от других компонентов твердых бытовых отходов стекло невозможно окислить или разложить, то следует признать, что количество стекла накопленного и продолжающего поступать в окружающую среду сопоставимо с природными геологическими ресурсами, используемыми человечеством.
Одной из основных задач проводимой реформы ЖКХ является снижение энергопотребления, что невозможно без внедрения в практику строительства и реконструкции эффективных теплоизоляционных материалов.
Подсчитано, что 1 м3 теплоизоляции обеспечивает экономию 1,4-1,6 тонн условного топлива в год. Именно по этому пути повышения эффективности работы ЖКХ пошли промышленно развитые страны. Так, например, объем выпуска теплоизоляционных материалов на 1000 жителей составляет в Швеции 600 m3, США 500 м3, в Финляндии 420 м3, в то время как в России всего 90 м3.
Между тем, одним из перспективных путей переработки боя стекла является производство строительного и теплоизоляционного материала - пеностекла. На сегодняшний день данное производство практически неразвито, а имеющиеся используют специально сваренное стекло и сортированный стеклобой добавляют лишь в незначительных количествах. Создание технологии получения пеностекла позволило бы увеличить объёмы производства теплоизоляционных материалов как минимум на 200 м3 на тысячу жителей.
Цель работы. Разработка технологии утилизации стеклобоя с получением пеносиликатного теплоизоляционного и конструкционного материала.
Поставленная цель определила решение следующих задач:
• Исследовать физико-химические основы агрегации порошка стекла в водных порошковых системах.
• Исследовать процессы формирования пеностекла в пиропластичном состоянии.
• Исследовать физические свойства полученного материала.
Разработать технологию переработки стеклобоя с получением пеностекла.
Краткое описание. На основании исследования физико-химических процессов, происходящих в системе в процессе приготовления композиции и при последующем вспенивании, удалось разработать технологию получения блочного пеностекла из боя стекла. Технологический процесс производства пеностекла может быть кратко описан последовательностью технологических операций, представленной на рис. 1.
Рис. 1. Технологическая схема производства пеностекла:
1 - стеклобой, 2 - песок, 3 - транспортёр, 4 - бункер, 5 - дозирующее устройство, 6 - дробилка, 7 - элеватор, 8 - мельница, 9 - пневмотранспорт, 10 - вода, 11 - газообразователь, 12 - смеситель, 13 - тележка с формами, 14 - проходная печь, 15 - пилорама, 16 - склад готовой продукции.
Исходные компоненты со склада сырья поступают последовательно в шаровую мельницу, где происходит их помол. Возможен и вариант, в котором исходные компоненты вместе измельчаются в шаровой мельнице и перемешиваются. Стекло, перед шаровой мельницей предварительно поступает в дробилку для измельчения крупных кусков. Далее, проходя через дозаторы, стекло, песок и газообразователь, который в смеситель может поступать из фасованных мешков, перемешиваются в скоростном смесителе с водой. Из смесителя паста, проходя через дозатор, распределяется по формам (рис. 2). Формы помещаются на тележки и направляются в проходную печь для вспенивания (рис. 3).
Рис. 2. Композиция для вспенивания. Рис. 3. Заготовка пеностекла в печи.
После термообработки заготовки пеностекла направляются на пилораму для распиловки (рис. 4). Отходы распиловки после измельчения могут использоваться повторно или продаваться отдельно в виде щебня для засыпки (рис. 5).
Рис. 4. Блоки пеностекла. Рис. 5. Щебень от обрезки блоков пеностекла.
Готовые блоки упаковываются и направляются на склад готовой продукции. Для производства пеностекла используется стандартное оборудование, единственная сложность это термообработка в печи при невысоком градиенте температур по длине образца. Желательно, чтоб градиент температур не превышал 20 °С по ширине и высоте образца
Поверхность материала.
На рис. 6 показана поверхность полученного вспененного стеклокристаллического материала. Твёрдая фаза формирует стенки отдельных ячеек толщиной несколько микронов, которые, в свою очередь, формируют стенки ячеек меньшего размера. Следует обратить особое внимание на закрытый характер «пузырей» и на отсутствие микропор на поверхности материала. Отсутствие микропор в структуре приводят к высокой влагостойкости и морозостойкости, а также повышенной долговечности.
Рис. 6. Поверхность стеклокристаллического материала (X 2500)
Коэффициент теплопроводности
На рис. 7 представлены результаты определения теплопроводности для полученного материала различной плотности
Рис. 7. Зависимость коэффициента теплопроводности материала от плотности.
Как видно из графиков с увеличением плотности материала его коэффициент теплопроводности также увеличивается, что объясняется увеличением доли стекла и уменьшением объема воздуха в структуре полученного материала. По сравнению с широко используемым для теплоизоляции пенополистиролом, коэффициент теплопроводности у пеностекла составляет 0,04 Вт/(м °С) по сравнению с 0,06 у пенополистирола при одинаковой плотности 150 кг/м3, что говорит о более эффективном использовании пеностекла для теплоизоляции.
Прочность на сжатие
На рис. 8 показаны результаты определения прочности при сжатии материала различной плотности. Опыты проводились на трёх образцах каждой плотности и за результаты взяты средние значения.
Рис. 8. Зависимость прочности при сжатии от плотности.
Возрастание прочности при увеличении плотности может быть представлено либо по экспоненциальному закону, либо по двум линейным: первый от 100 до 300 кг/м3, второй - выше 300 кг/м3. Если опять сравнить с пенополистиролом, то увидим, что при одинаковой плотности 150 кг/м3, прочность пеностекла составляет 7 кг/см2 по сравнению с 0,5 кг/см2, т. е. в 14 раз больше. По сравнению с газобетоном при плотности 400 кг/м3 прочность пеностекла в 3,5 раза больше, к тому же и коэффициент теплопроводности в 2 раза ниже. Результаты показывают, что при плотности 195 кг/м3 прочность составляет 1057,29 кН/м2 = 10,79 кг/см2, а при плотности 326 кг/м3 - 2030,16 кН/м2 = 20,72 кг/см2. Эти данные полностью соответствуют данным, представленным на рис. 8.
Коэффициент паропроницаемости
Опыты проводились на 6 образцах плотностью около 300 кг/м3, причем 3 образца имели мелкие поры размером 1 мм, а другие 3 - крупные поры диаметром 7-10 мм. Через каждые 3 дня определялся коэффициент паропроницаемости до установления постоянного значения.
Опыты проводились при температуре окружающего воздуха +22 °С, парциальное давление воздуха под образцом взято 2643 Па, парциальное давление воздуха над образцом при относительной влажности воздуха 54% составляет 1427 Па, образец имел площадь сечения, соответствующую площади круга диаметром 66 мм. Результаты эксперимента приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Результаты определения коэффициента паропроницаемости
№ образца | Коэффициент паропроницаемости, мг/(м·ч·Па) / через, дней | |||||
3 | 6 | 9 | 12 | среднее | ||
Мелкие поры | 1 | 0,012 | 0,017 | 0,018 | 0,018 |
0,02 |
2 | 0,016 | 0,022 | 0,021 | 0,021 | ||
3 | 0,013 | 0,018 | 0,019 | 0,018 | ||
Крупные поры | 4 | 0,133 | 0,149 | 0,166 | 0,177 |
0,2 |
5 | 0,173 | 0,196 | 0,214 | 0,230 | ||
6 | 0,170 | 0,188 | 0,205 | 0,221 |
Таким образом, значение коэффициента паропроницаемости для пеностекла с порами диаметром около миллиметра составляет 0,02 мг/(м·ч·Па), а для пеностекла с размером пор около сантиметра - 0,2 мг/(м·ч·Па). Пеностекло, предлагаемое сейчас на рынке абсолютно паронепроницаемо, что ограничивает его использование в качестве ограждающих конструкций жилых помещений. Стены, изготовленные из полученного материала, будут не только обеспечивать требуемую прочность и термическое сопротивление, но и будут «дышать», создавая благоприятный микроклимат в помещении.
После преобразования приведённых результатов в соответствии с формулой, получим коэффициент теплопроводности 0,13 мг/(м·ч·Па) для крупнопористого материала и 0,52 мг/(м·ч·Па) - для мелкопористого.
Исследование свойств полученного пеносиликатного материала позволяет сделать вывод о кристаллической структуре материала, что в большой степени определяет его физические свойства. Отсутствие микропористости приводит к высокой влаго - и морозостойкости, а также повышенной долговечности. Коэффициент теплопроводности материала изменяется от 0,030 Вт/(м·°С) для плотности 100 кг/м3 до 0,100 Вт/(м·°С) для плотности 600 кг/м3. Предел прочности при сжатии составляет от 5 кг/см2 для плотности 100 кг/м3 до 75 кг/см2 для плотности 600 кг/м3. Коэффициент паропроницаемости может изменяться в пределах от 0,02 до мг/(м·ч·Па) в зависимости от размера пор материала.
Проведенные испытания динамических характеристик образцов плит показали, что динамические характеристики материала отвечают требованиям: СНиП «Тепловая защита зданий», ГОСТ «Изделия теплоизоляционные из стеклянного штапельного волокна.
Разработанные в рамках настоящего исследования теплоизоляционные композиционные материалы на основе стеклобоя могут найти применение в строительной индустрии.
Таким образом, полученный материал отличается высокими эксплуатационными показателями, что выгодно отличает его от конкурентов.
Преимущества инновационного проекта. Экономический анализ работы отечественных и зарубежных фирм, производящих теплоизоляционные материалы, показывает, что такое производство является прибыльным бизнесом. Инвестиции на строительство объекта или установки по производству эффективного утеплителя окупаются через 1,5-2,5 года.
Анализ роста цен на теплоизоляционную продукцию показывает, что ее стоимость за последнее десятилетие увеличилась в 10-12 раз, в то время как стоимость оборудования и капвложения в организацию этого производства выросла в 3-4 раза.
Продажная цена 1 м блочного пеностекла 150 $. В связи с уникальными свойствами пеностекла, практически полном отсутствии конкурентов в России и конкурентными ценами от 450 $ проблем со сбытом товара не планируется.
Основные гарантируемые технико-экономические характеристики разработки. Энергетические затраты на производства пеностекла исходя из получения 1 м3 блочного пеностекла плотностью 250 кг/м3 из 235 кг стеклобоя. В таблице 2 представлено основное технологическое оборудование и потребляемая мощность исходя из производительности оборудования и объёма производства. Так как основной процесс производства - вспенивание в печи, то за мощность производства взята производительность печи - 0,6 м3/час. Затраты энергии на вспенивание материала рассчитаны исходя из материального баланса проходной печи и условия нагрева материала до температуры 900 °С
Таблица 2
Основное технологическое оборудование
Оборудование | Кол-во, шт | Потребляемая мощность, кВт ч/м3 |
Транспортер | 4 | 23,0 |
Бункер-дозатор | 6 | 42,2 |
Дробилка | 1 | 1,5 |
Элеватор | 1 | 5,8 |
Мельница | 1 | 10,1 |
Пневмотранспорт | 1 | 5,8 |
Смеситель | 1 | 3,6 |
Продолжение таблицы 1 | ||
Дозатор | 1 | 3,8 |
Проходная печь | 1 | 151,9 |
Пилорама | 1 | 9,6 |
Всего: | 263,0 |
Вся схема может быть представлена последовательным превращением стекла: стеклобой - дробленое стекло - молотое стекло - композиция для вспенивания - вспененная заготовка пеностекла - пеностекло после обрезки на пилораме. Для перехода стекла из текущего состояния в последующее необходимо затратить некоторое количество энергии, представленной на схеме. Суммарные энергетические затраты, соответствующие получению 1 м3 пеностекла плотностью 250 кг/м3 из 235 кг стеклобоя составляют 263 кВт·ч.
