| 24 Октября 2010
При зимнем бетонировании необходимо обеспечить твердение бетона в теплой и влажной среде за счет внутреннего запаса теплоты бетона. Его создают путем подогрева материалов (инертных) до 15 оС, подогрева воды затворения до 60-70 оС и реакции экзотермии цемента. Бетонная смесь на выходе из завода в автобетоносмеситель должна иметь температуру 21-24 оС. При температуре окружающего воздуха до –15 оС укладка бетонной смеси в конструкцию производится при ее температуре не ниже 15 оС.
Обычно при производстве бетона зимой в бетонные смеси вводятся противоморозные добавки, но они могут ухудшить структуру, долговечность, может возникнуть коррозия арматуры от действия солей. Поэтому бетон с противоморозными добавками не рекомендуется применять в ответственных конструкциях. В решении совещания «Пути регулирования качества бетона на рынке», состоявшегося 15 октября 2009 г. в НИИЖБ (г. Москва), один из пунктов решения рекомендует производителям не применять противоморозные добавки и доставлять теплую бетонную смесь на объекты строительства с последующим доведением бетона до проектного класса путем прогрева в опалубке.
В связи с этим при эксплуатации бетонных заводов в зимних условиях необходимым условием является наличие оборудования для прогрева инертных материалов, обеспечивающих необходимую температуру бетонной смеси на выходе. Такой «горячий» бетон имеет большой спрос у строителей. Естественно, что конкурентные преимущества в зимний период получает завод, оснащенный системой прогрева заполнителей. Для того чтобы стоимость энергозатрат на такой прогрев меньше влияла на себестоимость бетона, необходимо иметь энергоэффективное оборудование для этих целей. Чтобы разогреть материалы зимой, кроме утепления складских бункеров инертных материалов, бетонный завод оснащается системами размораживания и прогрева заполнителей. При этом очень важным критерием энергоэффективности является скорость прогревания заполнителей.
Традиционные статические системы прогрева заполнителей, вследствие использования в них промежуточного теплоносителя (горячей воды или пара), имеют меньшую эффективность, низкий КПД (47%). Скорость разогрева материалов для бетона достигает 4–8 часов после загрузки бункеров, что значительно влияет на производительность бетонного завода. Эти системы годятся для стационарных бетонных заводов с большим объемом бункеров, заглубленных в землю, что позволит аккумулировать нагретые материалы для работы с необходимой производительностью.
Например, чтобы выпустить бетон зимой с производительностью 40 м3/ч, следует за час переработать горячего песка и щебня около 60 м3. За смену такого прогретого материала понадобится 480 м3, и, следовательно, необходимая емкость бункеров увеличивается до 300–400 м3.
Старые динамические системы прогрева заполнителей использовали для прогрева инертного материала острый пар. Прогрев острым паром эффективен, но имеет ряд существенных недостатков: материал избыточно увлажняется; зависает в бункерах, нарушается водоцементное отношение и, как правило, качество производимого бетона.
Наиболее эффективными являются современные динамические системы прогрева заполнителей, которые работают на принципе прямой передачи тепловой энергии песку или щебню. За последние годы в европейских странах, в том числе и в Северной Европе наметилась тенденция перехода на обогрев инертных турбогазом и горячим воздухом. Такой способ прогрева инертных имеет ряд заметных технологических преимуществ по сравнению с традиционным способом прогрева. Горячий воздух эффективно устраняет ледяные включения в мороженом материале, не только размораживая его, но и устраняя излишки влаги из него, созданные после размораживания. Как правило, такие системы являются автономными, работающими на различных видах топлива (газ, мазут, дизтопливо). Динамические системы более экономичны. Во-первых, потому, что при автономном отоплении исключаются потери тепла в сетях теплоцентралей из-за их отсутствия. Во-вторых, скорость прогрева заполнителей в 16 раз превышает скорость прогрева в традиционных статических системах. В-третьих, динамическая система работает периодически, и при достижении заданного режима эффективного обогрева автоматически отключается, экономя топливо.
Сравнивая системы обогрева турбогазом с системами обогрева, основанными на обогреве воздухом, следует отметить, что установки с турбогазом являются в среднем в 5-10 раз более мощной установкой и могут, таким образом, быть использованы для производства значительно большего количества бетона в период зимних/холодных погодных условий. Это обусловлено тем, что в турбогазе содержится примерно в 7 раз больше энергии, чем в таком же количестве воздуха, который также подается в бункера.
Кроме того, турбогаз не изменяет влажности инертных материалов. Системы обогрева воздухом пересушивают инертные материалы, в то время как системы обогрева паром переувлажняют инертные материалы, и, таким образом, либо уменьшается скорость производства бетона, либо ухудшается его качество (водоцементное отношение).
Современные энергоустановки, специально разработанные для бетонной промышленности, обеспечивают все тепловые потребности бетонного завода – включая размораживание, подогрев и нагрев инертных материалов, производство теплой воды для дозирования, обогрев помещений бетонного завода, производство теплой воды для мойки/заправки автомиксеров, отопление производственных цехов и офисов и т. д.
Благодаря превосходной тепловой мощности таких установок стало возможным производить бетон по проектной производительности бетонного завода даже во время самых холодных зим, то есть, обеспечить производство продукции при любых температурных условиях и, следовательно, достичь увеличения ежегодного производства и продаж бетона. Системы динамического прогрева имеют небольшие габариты, поставляются в отдельном контейнере и размещаются рядом с БСУ.
Отказ от централизованного теплоснабжения и переход на современные эффективные системы прогрева перегретым воздухом (турбогазом) позволяют уменьшить стоимость одной Гкал тепла в два–пять раз. На рынке современных систем обогрева инертных заполнителей для бетона известны такие торговые марки, как Turbomatic (Финляндия), Sauter (Швейцария), Sim-Matic, «Интерблок»-Amelin Steam-Eng (Россия–Канада) и т. д. Конструктивно генератор включает в себя систему труб с большой площадью теплообмена, по которым циркулируют продукты сгорания жидкого или газообразного топлива с температурой в камере сгорания около 1000 оС. После прохождения по системе труб и охлаждения вследствие теплообмена газы выводятся в атмосферу посредством выпускной трубы. Система труб теплообменника изолирована теплоизоляционными пакетами из минеральной ваты для уменьшения теплопотерь.
В процессе теплообмена инертные материалы нагреваются, а охлажденный воздух вместе с парами воды выходит из зон складирования естественным путем, нагревая материал, который забирает в себя 95% энергии. При загрузке материалов с температурой окружающей среды –15 оС, –20 оС после получасового прогрева материалы на выходе в технологию имеют температуру 20 оС, 15 оС. Наружу из бункера выходит практически холодный воздух, отдавший энергию материалу, нужно только полнее загружать бункер. Прогретый материал сам становится теплоносителем, разогревая новые приходящие порции инертных. Время разогрева сокращается до 0,5 часа. КПД системы динамического прогрева составляет 0,9–0,96%. Процесс прогрева инертных материалов автоматически контролируется. При автоматическом контроле прогрева инертных учитывается как температура воздуха, так и температура инертных материалов.
Большое значение имеет температура перегретого воздуха. Недостаток нагрева (температура воздуха менее 160 оС) вызывает выпадение конденсата в виде влаги внутрь бункера, ставит проблему удаления избыточной воды из бункера и переувлажнение инертных. Избыток температуры ведет к неоправданному расходу топлива и увеличению мощности энергоустановки. Экспериментально доказано, что при температурах –15 оС, что характерно для зимы средней полосы России, температура турбогаза 180 оС, 200 оС вполне достаточна для эффективного прогрева заполнителей при экономичном потреблении топлива и относительно небольшой мощности установки. В то же время в северных районах России с температурой ниже –25 оС рекомендуется применять установки большей мощности и более высокой температурой турбогаза – до 300 оС. Опыт показывает, что потребности температуры (180 оС, 200 оС) и, следовательно, мощности установки, обеспечивающей эффективный прогрев материалов для завода с зимней производительностью 45 м3/ч в условиях средней полосы России с температурой –15 оС, составляет около 1,0 Мвт. Экономия может достигать 60–80% по сравнению с традиционными системами обогрева воздухом или паром. Расход топлива отдельных установок с турбогазом составляет, как правило, 0.7–1.2 л/m3–бетона, в сравнении с 2.5–4.5 л/m3 у систем с воздушным или паровым обогревом.
Наибольшее распространение получили энергоустановки динамического прогрева материалов на дизельном топливе или природном газе. Основными преимуществами таких энергоустановок является:
– компактность, простота эксплуатации;
– относительная экологическая чистота, отсутствие котлов высокого давления, экономичность;
– обогрев заполнителей горячим воздухом исключает их переувлажнение, чего не избежать при обогреве паром;
– автоматический режим эксплуатации без участия оператора.
Сравнительные характеристики современных динамических систем прогрева инертных материалов на бетонных заводах приведены в следующей таблице (по материалам, размещенным на сайтах производителей):
Из анализа таблицы следует отметить установку Steam-Eng ST 302 (Интерблок) как самую энергоэффективную. Это объясняется высоким КПД установки за счет большой теплоемкости пара. Но преимущества установки значительно теряются из-за влияния переувлажнения инертных на водоцементное отношение бетонной смеси. Кроме того, из-за высокой влажности инертных остановить прогрев, хотя бы на ночь или на сутки (например, когда нет заказа на бетон), нельзя (иначе все заледенеет), нужно отводить конденсат из бункеров – все это снижает общую энергоэфективность. Следует учитывать также отсутствие в энергоустановке бака горячей воды с теплообменником.
Следует отметить, что установки TURBOMATIC PME 1000 и Sauter Booster 1000 являются, по сути, универсальными тепловыми центрами для бетонных заводов, тогда как Steam-Eng ST 302 (Интерблок) и SIM- MATIC S-M 1,14 предназначены только для прогрева инертных. При установке опций теплового центра (установка теплообменника и бака для нагрева воды) характеристики этих установок снижаются за счет отбора мощности на нагрев воды, и эксплуатационные расходы резко возрастают. Стоимость установок сильно разнится, начиная от 90 000 евро и выше. Следует понимать, что это разовые затраты, которые окупаются в процессе эксплуатации. А вот как быстро они окупятся и принесут прибыль, покажет эксплуатация установки. Некоторые сравнивают эти энергоустановки по принципу «Запорожца» и «Мерседеса». Нам представляется, что в данном случае такое сравнение неуместно. Если в случае с автомобилями заданная функция выполняется (тот или иной автомобиль все равно приедет в назначенный пункт, вопрос только в комфорте и надежности), то при выборе энергоустановки следует подойти с позиций прагматичности. Весь смысл применения энергоустановки – это работа бетонного завода зимой с заданной производительностью и с наименьшими затратами.
Из приведенных характеристик очевидны лидеры этого направления – это установки TURBOMATIC и SIM-MATIC S-M 1,14. Причем мы рекомендуем применять TURBOMATIC для бетонных заводов с открытыми складами, а SIM-MATIC S-M 1,14 – с зарытыми складами и на заводах ЖБИ. При выборе той или иной энергоустановки следует рассмотреть их экономическую эффективность, анализируя хотя бы их технические данные. Для примера приведем анализ двух установок:
– TURBOMATIC PME 1000 обеспечивает более чем 10-кратное количество тепла для нагрева инертных, по сравнению с Sauter Booster 1000. Более высокая мощность нагрева приводит к 10 кратному (10x) увеличению производительности бетона в условиях холодной погоды (зимой). На практике это означает, что при прочих равных условиях с Sauter Booster 1000 во время холодной погоды при нагревании инертных от –20 до 20 С, можно обеспечить производительность завода около 4-5 м3 бетона в час, тогда как с установкой TURBOMATIC более 40 м3/ч.
– TURBOMATIC PME 1000 обеспечивает примерно на 10% больше тепловой энергии для нагрева воды, чем Sauter Booster 1000, имея в своем составе емкость для горячей воды, которая на 33% больше, и тем самым обеспечивая значительно больший запас горячей воды.
Sauter Booster 1000 и другие анализируемые установки выпускают дымовые газы в окружающую среду (через дымоход), что вызывает значительные потери вырабатываемой энергии. Это приводит к более высокому потреблению топлива и загрязнению окружающей среды. Способ обогрева турбогазом, применяемый TURBOMATIC, использует в качестве фильтра для своих выхлопных газов весь объем прогреваемых инертных материалов и отличается низким уровнем содержания окислов азота и других вредных для здоровья, газообразных выбросов.
На один произведенный мегаватт тепла для прогрева инертных материалов TURBOMATIC PME 1000 расходует 171 л дизтоплива со скоростью нагрева около 0,6 мгвт/час, в то время, как Sauter Booster 1000 расходует на эти цели то же количество топлива со скоростью 0,08 Мгвт/ч, что говорит о почти 10-кратной энергоэффективности установки TURBOMATIC. Кроме этого установленная электрическая мощность TURBOMATIC PME 1000 в 1,7 раза меньше, чем у Sauter Booster 1000, а эффективность использования электроэнергии отличается в 12,8 раза.
Стоимость оборудования Sauter Booster 1000 не намного дешевле, чем TURBOMATIC PME 1000, зато затраты на эксплуатацию существенно выше, при снижении выполняемых функций (производительности завода в зимний период).
Что касается установки SIM-MATIC S-M 1,14, то ее недостатком следует считать отсутствие в энергоустановке бака горячей воды с теплообменником, что ограничивает выпуск теплого бетона и требует дополнительного оборудования.
Выбирая оптимальный вариант системы для обогрева инертных, следует ответить на следующие вопросы:
1. Климатические особенности региона. Средняя температура окружающего воздуха в самое холодное время года. (От этого зависит мощность установки.)
2. Требуемая производительность БСУ зимой.
3. Емкость складов инертных, нуждающихся в обогреве.
4. Доступный вид топлива в данном регионе.
5. Эксплуатационные расходы системы.
6. Эффективность работы системы следует определять относительным количеством энергии, обеспечивающей необходимую производительность.
7. Экологическая чистота.
8. Необходимость технадзора (котлонадзор, пожарный надзор и т. д.)
9. Необходимость химической обработки воды.
10. Необходимость отвода конденсата.
11. Возможность дистанционного управления.
Не за горами зима. Как говорится в пословице «готовь сани летом…» – и выиграй тендер на поставку бетона зимой. «Союз производителей бетона» рекомендует на бетонных заводах применение энергоэффективного оборудования для прогрева заполнителей, – надежного и высококачественного решения всех задач по теплоснабжению завода и залогом бесперебойной работы в самых сложных природных условиях, что позволяет вести строительные работы круглый год.