ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Организация производства гранулированного пеностекла

Рекомендуемая область пременения

Промышленность строительных и теплоизоляционных материалов.
Пеностекло используют в качестве теплоизоляционного материала в про-мышленном и гражданском строительстве. Отходы производства в виде крошки или гранулированного стекла можно использовать для засыпочной изоляции, как наполнитель в производстве теплоизоляционных изделий, легких декоративных бетонов и других целей. Особенно эффективно использование пеностекла в каче-стве изоляционного материала в условиях глубокого холода.
Пеностекло выгодно отличается от других теплоизоляционных материалов, которые не обладают комплексом свойств, предъявляемых условиями эксплуата-ции. Его можно вспенивать в виде изделий со сложной геометрией, резать, шли-фовать, сверлить и подвергать любой другой обработке, склеивать с помощью различных органических клеев и силикатных вяжущих в блоки, панели больших размеров, декорировать.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение  проекта - создание промышленного производства теплоизоляционных материалов на основе сырья и побочных продуктов промышленных предприятий Красноярского края и вывод на региональный, а также на Российский рынок, альтернативного высококачественного продукта -  гранулированного пеностекла.

Основная цель проекта - решение проблем региона и топливно-энергетической промышленности связанных с утилизацией бытовых и производственных отходов,  а так же проблем  строительной индустрии по получению дешевых теплоизоляционных материалов  с определенными характеристиками.

Проект  нацелен  на решение двух задач:

-   1-я - создать эффективное производство перспективного строительного материала на базе местных сырьевых ресурсов для решения вопросов энергосбережения при создании и реконструкции строительных конструкций и коммуникаций;

-   2-я – создать материальную базу для решения экологических проблем, связанных с утилизацией бытовых и промышленных отходов.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Проблемы энергосбережения и экологической безопасности поставили перед многими отраслями народного хозяйства ряд неотложных задач, среди которых решающую роль играет создание новых теплоизоляционных материалов и производств, обеспечивающих их выпуск. Особенно остро в таких материалах нуждаются регионы Сибири с их суровыми климатическими условиями.

Основным препятствием широкой организации производства пеностекла в России, в частности в Красноярском крае, является отсутствие технологии, обеспечивающей получение дешевого материала со свойствами, удовлетворяющими современным требованиям выполнения изоляционных работ, а также слабая изученность сырьевой базы.

Между тем, в Красноярском крае имеются большие количества природного сырья и отходов промышленных предприятий, пригодных для получения эффективных теплоизоляционных изделий - пеностекла.

Существующие технологии производства теплоизоляционных материалов предполагают использование высокотемпературных процессов (900-1600°С) либо экологически вредных веществ - алюминиевой пудры (газобетон), клееконифольных, смолосапониновых, алюмосульфонафтеновых пенообразователей (пенобетон); к тому же связующим в минераловатных изделиях нередко служат органические смолы, что повышает токсичность получаемых изделий и не всегда удовлетворяет санитарно-техническим требованиям.

На территории бывшего СССР работало 4 завода по производству продукции из пеностекла. В настоящее время серийное производство блоков из пеностекла организовано только на Гомельском комбинате (Белоруссия). Планируется производство продукции из пеностекла на Томском ДСК и в Омске, что не обеспечит потребности строительных организаций в эффективных теплоизоляционных материалов в регионе Сибири и Дальнего Востока. Маркетинговые исследования показали, что в Европейской части России планируется производство пеностекла в городах Москва, Пермь, Старый Оскол, Воронеж, Северо-Двинск, Белгород. Производительность некоторых из этих заводов находится в пределах 5-10тыс.м³/год. В Западной Европе освоено производство теплозвукоизоляционного материала foamglass, однако его стоимость недоступна для России. Некоторые свойства этих материалов приведены ниже:

                                          Пеностекло    Foamglass   Пеностекло

                                          “Гомель”                          г. Красноярск (проект)

Плотность, кг/м³              < 200              < 165          200-350

Теплопроводность, Вт/мК                      0.085-0.110 0.039-0.080   0.075-0.095

Цена без учета                  до 3360           19050          2800

транспортных расходов м³/руб.

В промышленных масштабах пеностекло в виде плит или блоков, как в России, так и за рубежом получают только порошковым методом. Изделия сложной формы (скорлупы, сегменты) легче получать холодным способом - вспенивание измельченного стекла на холоде с последующим фиксированием структуры спеканием частиц стекла. Этот метод не отработан. Физико-технические свойства пеностекла в значительной степени обусловлены способом его производства, составом стекла и пенообразующей смеси, природой и количеством газообразователя, режимом вспенивания и отжига. Изменяя эти факторы можно получить пеностекло с различной объемной массой, прочностью, структурой, водопоглощением, паропроницаемостью, теплопроводностью и морозостойкостью.

Это позволит использовать пеностекло в качестве теплоизоляции в различных областях строительства, как изоляционно-строительное и как изоляционно-монтажное.

Для изготовления пеностекла используют отходы стекольного производства и специально навариваемое стекло. Бой и отходы стекла пригодны, если они однородны и не загрязнены примесями. При организации крупного производства пеностекла, стекломассу наваривают в ванных печах любого типа и затем гранулируют мокрым или сухим способом.

В настоящее время строительная индустрия, энергетика испытывают потребность в негорючих твердых материалах, обеспечивающих звуко- и тепло - изоляцию и не теряющих своих свойств со временем. По новым СниПам требования к термическому сопротивлению стен, по сравнению со старыми нормами, увеличены более чем в 2 раза с 0,8 до 1,7 для первого этапа. При сплошной кирпичной кладке толщина стен должна быть практически удвоена.

Каждый регион (предприятие) решает представленную выше проблему по-своему, в зависимости от географического положения, наличия транспортных магистралей, сырьевых, трудовых и финансовых ресурсов.

В Таблице 1 представлены используемые в настоящее время теплоизоляционные материалы (в т.ч. пеностекло)  и приведены их основные характеристики.

 ТАБЛИЦА 1

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Изготовление гранулированного пеностекла основано на порошковом способе, который предусматривает приготовление тонкодисперсной шихты, состоящей из порошка стекла, шлака ТЭЦ и порообразователя, формование гранул, спекание шихты с одновременной ее поризацией, закрепление пористой структуры и снятие температурных напряжений.

В сырьевой смеси используют отходы оконного и тарного стекла, шлаки тепловых электростанций, в качестве связующего растворимое стекло, в качестве порообразователя углеродосодержащие и фторосодержащие щелочные отходы, получаемые при производстве алюминия (шлам алюминиевого производства).

Технология изготовления сырьевой смеси для получения пеностекла состоит в следующем: стеклобой шлак ТЭЦ и порообразователь - шлам алюминиевого производства, подвергают совместному помолу в шаровой мельнице (вибромельнице) до удельной поверхности шихты 400-500 м²/кг.

Полученную смесь увлажняют растворимым стеклом плотностью 1,18-1,20 г/см³ до влажности 16-18% и гранулируют на тарельчатом грануляторе. Гранулы сушат при температуре 373-393К, затем проводят вспенивание термоударом: в нагретой до температуры 1003-1063К печи гранулы устанавливают в печь и выдерживают их при заданных температурах 6-20 мин. В лабораторных условиях вспененные гранулы для снятия температурных напряжений выкладывают в емкость с нагретым песком.

Шлам представляет собой материал черного цвета с размером частиц от 0,071 до 10 мм. Он состоит из хвостов флотации, пыли электрофильтров, шлама газоочистки и угольной пены, которые в виде пульпы откачиваются на шламохранилище и накапливаются в отвалах, загрязняя природный бассейн. В шламе содержатся соединения фтора, состоящие в основном из криолита, Na₃AIF₆ (8-10%) с небольшим количеством NaF и AIF₄ (4-6%), флюорита CaF₂ (4-6%). Кроме того, в шламе содержится большое количество соды (5-7 мае % R₂O) a также углерод, сульфатная и сульфидная сера. Содержание в шламе некарбонатного углерода составляет до 60,0 мас.% в виде метаморфизованных угольных частиц графита.

Введение в состав шихты для получения пеностекла шлама алюминиевого производства в количестве 1,0-2,0 мас.% обеспечивает введение щелочного компонента без введения дорогостоящей соды, являющейся плавнем, понижающим температуру вспенивания, а также газообразователей: фтора, углерода и серы взамен дорогостоящих фторсодержащих соединений (криолита и др.).

Присутствующая в шламе Na₂CО₃H₂O при повышении температуры начинает разлагаться и является плавнем, понижая температуру вспенивания. Образующаяся углекислота взаимодействует с углеродом, образуя оксид углерода, который способствует вспучиванию гранул.

Щелочи также повышают пластичность массы и конечную прочность сырцовых гранул и улучшают вязкостные свойства смеси при обжиге.

Добавка к порошку стекла остеклованного шлака ТЭЦ, растворимого стекла и шлама алюминиевого производства способствует упрочнению сырцовых гранул и улучшает процесс вспенивания при обжиге.

Использование растворимого стекла со шламом алюминиевого производства при гранулировании пеностекла на тарельчатом грануляторе повышает прочность сухих гранул.

При замешивании разбавленного водой растворимого стекла с сырьевой смесью, содержащейся в шламе, кремнефторид вступаете ним в реакцию:

Na₂SiF ₆+2(Na₂О SiO₂+H₂ O)=6NaF+3SiO₂ nH₂O

Кремнефторид натрия и растворимое стекло частично вступают между собой в химическую реакцию, частично образуя твердые растворы.

При разбавлении раствора растворимого стекла водой происходит гидролиз щелочных силикатов.

Na₂O- SiО₂+mH₂0=2NaОH+nSiО₂(m-1)H₂О

2NaOH+Si+H₂O=Na₂O- SiO₂+2H₂

В очень разбавленных растворах щелочные силикаты оказываются почти полностью гидролизированными на NaOH и SiO₂. При действии воды стекловидные щелочные силикаты содержат различное количество гидратной воды, что положительно влияет на вспенивание гранул.

Твердение сырцовых гранул на основе стекла и шлака ТЭЦ со шламом алюминиевого производства при затворении растворимым стеклом плотности 1,18-1,20 происходит в основном за счет уплотнения геля кремнекислоты, образующегося из раствора растворимого стекла под влиянием химического и коагулирующего действия кремнефторида натрия, образующегося из криолита, а также имеющегося в составе шлама.

Выделяющийся коллоидный кремнезем прочно сцепляется с поверхностью твердых частиц и их цементирует.

При нагревании сырьевой смеси появляется жидкая фаза за счет легкоплавких эвтектик и соединений. С появлением достаточного количества жидкой фазы вязкость пиропластическои массы понижается и достигает величины, когда под влиянием динамического напора выделяющейся газообразной фазы материал пластически деформируется. В интервале температур вспенивания, жидкая фаза, образовавшаяся из компонентов сырьевой смеси, создает оптимальную вязкость, обеспечивающую капсуляцию газовых пузырей с одновременным противодействием давлению газов в пузырях при резком снижении перфорации стенок образующихся пор. При этом имеет место интенсивная и равномерная поризация материала, так как все выделяющиеся газы удерживаются в массе, не порывая стенки и не образуя каверн.

Образованию пор в материале также способствует остаток неразложившегося растворимого стекла.

Совместное введение фторсодержащих соединений, углерода и серы, содержащихся в шламе, способствует частичной кристаллизации гранул, повышая их прочность.

Развитие предлагаемого проекта предполагает 3 этапа.

1-й  этап. Формирование производства гранулированного пеностекла на основе утилизации отходов стекла (насыпной теплоизоляционный материал)

2-й этап. Расширение производства гранулированного пеностекла с использованием технологии варки стекла

3-й этап. Расширение ассортимента выпускаемой продукции под конкретных заказчиков

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Предпосылки к созданию производства заключены в основном в двух проблемах остро стоящих перед Российской Федерацией в целом и Красноярским краем в частности:

-  экологические проблемы, связанные с утилизацией промышленных и бытовых отходов;

-  необходимость в производстве дешевого строительного материала, удовлетворяющего по всем своим характеристикам потребности различных отраслей промышленности в энергосберегающих материалах.

Особенности структуры и значение теплофизических свойств пеностекла ставят его в ряд наиболее современных изоляционных материалов. Важными свойствами пеностекла является его неорганический состав и низкое водопоглощение, что обеспечивает изделиям из него высокую устойчивость против гнили, микроорганизмов, воздействия высоких температур и большинства химических реагентов

Гранулированное пеностекло может конкурировать с другими  теплоизоляционными материалами  (вермикулитом, перлитом, керамзитом, пенополиуретаном, пенополистеролом) на разных сегментах рынка в виде насыпного материала для колодцевой кладки с насыпной плотностью 110-250 кг/м³, прочностью до 1,5 МПа и коэффициентом теплопроводности 0,04-0,06 Вт/М⁰С, наполнителя бетона для однослойных стеновых панелей – O гранул 5-15 мм, насыпной плотностью 250-350 кг/м³, прочностью 1,5-4 МПа и коэффициентом теплопроводности 0,06-0,085 Вт/М⁰С, а также матов различной толщины и конструкционных изделий с использованием  нетоксичных связующих.

Данный проект позволяет организовать производство теплоизоляционных изделий, эффект от использования которых выражен в экономии млн. тонн топливных  ресурсов – 1 м³ теплоизоляции обеспечивает в среднем экономию 1,45 тонны топлива в год. 

Эффективность технологии и производства заключается в удовлетворении  потребностей региона в конкурентно способном  теплоизоляционном материале, пригодном не только для промышленного и гражданского строительства, но и для реконструкции построенных объектов, а также в технологических целях различных производств (как, например, в металлургии для футеровки печей)

Социальная значимость проекта:

-   удовлетворение потребности населения и предприятий края в новом  теплоизоляционном материале с высокими эксплуатационными свойствами;

-   создание дополнительных рабочих мест, как минимум –21 человек;

-   обеспечение источником дохода более чем 63 человек;

-   увеличение отчислений в бюджеты разных уровней, как минимум 2695 тыс. рублей.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Предлагаемая технология  позволяет:

Природосбережение

-   использовать в качестве основной сырьевой базы вторичные материальные ресурсы и снизить отходы производства на 70-80%;

-  решить вопрос с утилизацией бытовых и промышленных отходов, тем самым улучшить экологическую обстановку.

Энергосбережение

-  уменьшение стоимости изделия из-за снижения энергозатрат и себестоимости сырья в  2 раза.

Новые потребительские свойства продукции

Данный проект предлагает технологию производства нового для Краснояр-ского края теплоизоляционного материала – пеностекла.
Выбор из изделий, основу которых составляет пеностекло, сделан в пользу гранулированного пеностекла – изделия как наименее требовательного к качеству сырья, так и имеющего лучшие характеристики по показателю «цена – качество».
Особенности структуры и значение теплофизических свойств пеностекла ставят его в ряд наиболее современных изоляционных материалов.
Важными свойствами пеностекла является его неорганический состав и низкое водопоглощение, что обеспечивает изделиям из него высокую устойчи-вость против гнили, микроорганизмов, воздействия высоких температур и боль-шинства химических реагентов.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция должна удовлетворять требованиям ,предъявляемым к теплоизоляционным материалам в соответствии с условиями нормативной документации ( ГОСТов, ТУ,СНИПов) гранулы должны иметь замкнутые поры равномерной структуры и следующие физико- механические характеристики:
Прочность на сжатие, МПа– 1,0-2,0
Водопоглощение, % – до 5,0

Стадия и уровень разработки

Предлагаемые инвестиции

95 млн. руб.

Рынки сбыта

Предприятия городов Сибири и Дальнего Востока

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование для ее реализации не имеет ана-логов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Запрашиваемая технология может быть использована в странах ближнего и дальнего Зарубежья. Запрос на соответствие запрашиваемой технологии мирового уровню не требуется. Полученное гранулированное пеностекло имеет лучшие в мире показатели: равномерную замкнутую структуру с насыпной плотностью 180-200 кг/м3, прочностью до 2,2 МПа.

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

23.05.2007