CC BY
56
З. У. Асадуллина (асп.), С. А. Исмагилов (к.э.н., доц.), В. В. Яковлев (д.т.н., проф.)
Технико-экономические и экологические преимущества природоохранной технологии
Уфимский государственный нефтяной технический университет, архитектурно-строительный факультет 450080, г.Уфа, ул. Менделеева, д. 195; тел/факс (347) 2282988, e-mail: [email protected]
Z. U. Asadullina, S. A. Ismagilov, V. V. Yakovlev
Techno-economic and ecological benefits of environmental protection technology
Ufa State Petroleum Technological University 195, Mendeleev Str, 450080, Ufa, Russia; ph. (347) 2282988
Рассмотрена проблема утилизации отходов ремонта мягких кровель. Описаны существующие комплекты оборудования и технологические карты на переработку битумосодержащих отходов кровельных материалов. Изучены процессы, протекающие при старении в битуме. Предложен способ пластификации органического вяжущего, получающегося из отходов, путем разбавления его прямогонным гудроном. По разработанной технологии рассчитана себестоимость одной тонны получаемого битумного вяжущего.
Ключевые слова: битумное вяжущее; вторичный битум; дорожное строительство; кровельные отходы; пластификация битума; себестоимость; старение битума; утилизация.
Одной из самых актуальных проблем современного этапа развития общества является поиск путей решения наиболее рационального управления отходами, которые образуются в процессе промышленного производства и потребления, а также товарами, утратившими со временем свои потребительские свойства.
В России ежегодно для складирования отходов добывающих и перерабатывающих комплексов отторгается более 2 тыс. га земель, в том числе пахотных. Некоторые данные о количестве накоплений отходов промышленности в наиболее развитых странах приведены в табл. 1 1.
Важнейшей проблемой современного индустриального общества является обращение отходов: их сбор, разделение, переработка, хранение и вторичное использование. По данным ООН, общая масса строительных материалов, выпускаемых в мире, составляет 11 млрд т/год. Несомненно, именно утилизация отходов в производстве строительных ма-
Дата поступления 03.04.12
The problem of utilization of wastes of the repair of soft roofing is considered. The existing sets of equipment and technology for recycling of bitumen-containing roofing waste are described. The processes of aging of bitumen are studied. The way of plasticization of the bitumen which is turning out from waste by its dilution with straight-tar is offered. According to the developed technology has been calculated prime cost of 1 ton of produced bitumen binder.
Key words: aging of the bitumen; bitumen knitting; plasticization of the bitumen; prime cost; road construction; roofing waste; secondary bitumen; utilization.
териалов и изделий является наиболее перспективным направлением их обращения 2.
Таблица 1
Годовой выход отходов в некоторых странах мира
Страна Отходы
всего, млн т на 1 чел, кг на 1 км2 тер.
США 628 2563 68
Япония 312 2578 829
ФРГ 56 933 229
Великобритания 50 909 207
Франция 50 909 91
Россия 2000 14000 820
Одними из многотоннажных экологически небезопасных отходов являются битумосодержащие отходы ремонта мягких кровель. При капитальном ремонте мягких кровель старый гидроизоляционный ковер снимается с крыш зданий, и образующиеся отходы вывозятся на городские свалки или полигоны твердых бытовых отходов, а иногда и просто закапываются в грунт на строительной площадке.
оксикислоты
ас фол ыоге новые кислоты
карбены карбоады
Рис. 1. Схема реакций, протекающих при низкотемпературном окислении битума
Специального учета количества отходов не ведется. Однако косвенную оценку их объема можно получить из следующих соображений. Ежегодно на предприятиях Республики Башкортостан производится около 100 млн м2 мягких кровельных материалов 3. При средней массе 3—4 кг/м в год производится 350 тыс. тонн материалов. Без учета ввозимых кровельных материалов из других регионов примерно половину этого объема составляют и снимаемые с крыш старые гидроизоляционные ковры. То есть можно допустить, что в республике ежегодно вывозятся на полигоны для захоронения более 200 тыс. т отходов. С каждым годом проблема твердых бытовых отходов становится все более серьезной. Если извлечь битум из кровельных отходов, и затем использовать его в строительстве, то не только будет решаться экологическая проблема, но может быть получен весьма ощутимый экономический эффект 4.
Как показали исследования, главный компонент дорожного покрытия можно получить, используя нетрадиционные материалы. Так, экспериментальным путем был произведен битум из отходов ремонта мягких кровель. Кровельные отходы содержат более 80% битума, который может быть вторично использован как связующий материал 5.
Группа компаний «Инэковир» разработала технологию вторичного использования битумосодержащих отходов и стационарные комплексы по переработке кровельных отходов. За один месяц комплексом по переработке битумосодержащих отходов может быть переработано до 300 т отходов мягких кровель при двухсменной работе, что позволяет при минимальной комплектации получать 120—150 т вторичного битума с себестоимостью 950 до 1200 руб./т 6.
Сложность решения вопроса утилизации кровельных отходов представляет дальнейшее использование полученного битума. За время эксплуатации кровельного покрытия битум претерпевает значительные превращения, при-
водящие к ухудшению его свойств, что делает невозможным его дальнейшее использование без специальной обработки. Специальная обработка заключается в восстановлении изначальных характеристик за счет введения в «состарившийся» битум специальных пластифицирующих веществ и добавок.
Известно, что в процессе старения битума происходит изменение его качественных характеристик не только за счет протекания окислительных процессов, но и за счет рекомбинации коллоидной структуры.
В общем виде реакции, протекающие при низкотемпературном окислении битума можно представить следующим образом (рис. 1) 7.
На основании известных исследований 8 можно заключить:
— температура активирует процесс окисления по всей толщине битумной пленки вследствие увеличения интенсивности броуновского движения в битуме;
— солнечное (ультрафиолетовое) облучение также стимулирует процесс окисления, при этом окислительное воздействие не распространяется глубоко из-за возникновения плотной окисной пленки на поверхности, которая препятствует диффузии кислорода в массу битума;
— вода, попадая на битум, диффундирует и аккумулируется в нем. Она способна растворять и вымывать из него водорастворимые соединения, смывая образующуюся окисную пленку, облегчая доступ кислорода в массу битума, тем самым ускоряя дальнейший процесс старения.
В процессе старения битумов, когда имеет место низкомолекулярное окисление, наблюдается интенсивное обогащение битума кислородом. При этом количество свободных радикалов уменьшается. По-видимому, при старении снижение интенсивности спектра является следствием рекомбинации свободных радикалов, протекающей в битуме, в том числе с участием кислорода, что приводит к повышению концентрации кислородных соединений в битумах.
Характеристики вторичных битумов, модифицированных гудроном в сопоставлении с требованиями стандартов
Наименование Требования ГОСТ Фактические показатели
показателей, единицы измерения БНД 60/90 БНД 90/130 Разбавлено гудроном
на 40 % мас. на 50 % мас.
1. Глубина проникания
иглы, 0.1 мм,
при 25 °С 61-90 91-130 54 114
при 0 °С не менее 20 не менее 28 21 27
2. Температура размягчения, оС не ниже 47 не ниже 43 52.6 44
3. Растяжимость, см
при 25 оС 55 65 15 29.2
при 0 оС 3.5 4.0 3.2 3.8
4.Температура хрупкости, °С не выше -15 не выше -17 -19 -21.5
5. Растворимость, % - - - -
Наряду с ростом истинной плотности, происходит уменьшение кажущейся плотности, что связано с образованием пор в массе битума 9. Появление пор может быть вызвано двумя причинами, во-первых, улетучиванием и испарением более легких продуктов деструкции, образующихся при окислении битума в процессе старения (уменьшение содержания групп —СН3). Уходя из массы битума, продукты деструкции оставляют в нем каналы микро-пор. Во-вторых, увеличение пористости можно объяснить вымыванием из битума водорастворимых соединений, которые постоянно образуются в процессе старения. Образование мик-ропор облегчает доступ кислорода и воды в массу битума, увеличивая поверхность окисления и интенсифицируя вымывание водорастворимых соединений из битума. Эти явления приводят к расширению и разветвлению пор, к уменьшению механической прочности битума и ускорению процесса его старения.
Из этого следует, что в процессе старения битумов происходит совокупность физических и химических изменений, приводящих к изменению его коллоидной структуры и, как следствие, реологических свойств.
Для использования вторичного битума в дорожном строительстве необходимо снизить его вязкость, увеличить растяжимость и понизить температуру хрупкости. Таких результатов можно достичь за счет изменения группового состава вторичного битума, то есть за счет его пластификации. В процессе длительной эксплуатации интенсивно протекает процесс старения битума в силу контакта его с кислородом воздуха и действием солнечной радиации. Такое термоокислительное воздействие приводит к изменению группового химическо-
го состава битума. Вместе с тем, изменяется структура вяжущего в направлении к гелеобразной из-за уменьшения растворяющей способности дисперсионной среды. Восстановление первоначальных свойств битума возможно с помощью добавок-пластификаторов комбинированного действия, при котором и группо-
10
вой состав и структура нормализуются 10.
Одним из возможных способов модификации является пластифицирование битума гудроном 11. Результаты экспериментов по определению качественных показателей вторичного битума, модифицированного различным количеством гудрона, приведены в табл. 2.
В соответствии с экспериментальными результатами, представленными в табл. 2, можно рекомендовать для использования в качестве технического приема для восстановления эксплуатационных характеристик состарившихся в кровле битумов пластифицировать их гудроном до получения битумов дорожных марок, рекомендуемых для использования при строительстве и ремонте дорожных покрытий в определенной дорожно-климатической зоне.
Вторичный битум при переплавке битумного порошка поступает для пластификации в вертикальный аппарат с перемешивающим устройством. Пластификация подразумевает смешение полученного битума с прямогонным гудроном в определенных пропорциях для получения вязких нефтяных дорожных битумов с требуемыми качественными характерис-12
тиками 12.
Смешение производится при температуре 160—180 0С. Время непрерывного перемешивания компонентов должно составлять не менее 30 мин. Полученный нефтяной дорожный битум поступает в битумное хранилище, и в даль-
Состав и стоимость основного оборудования 14
Наименование Количество, Стоимость,
шт в ценах 2011 г., руб.
Аппарат с перемешивающим устройством 1 677100
Емкость для хранения нефтепродуктов объемом 50 м3 1 1245000
ИТОГО по смешению битума с гудроном 2 1922100
нейшем будет использоваться для приготовления асфальтобетонных смесей на АБЗ.
Для оценки конкурентоспособности производства данного битумного вяжущего по разработанной технологии была рассчитана себестоимость 1 т битумного вяжущего.
Капитальные затраты на проектирование и строительство цеха по смешению вторичного битума с гудроном определяются на основе расходов по приобретению технологического и силового оборудования, его транспортировке, монтажу и пусконаладочным работам 13. Состав и стоимость основного оборудования приведены в табл. 3. Эксплуатационные расходы были рассчитаны методом калькулирования с учетом всех статей затрат.
По нашим расчетам себестоимость 1 т битумного вяжущего составляет 5233 руб./т. Рыночная стоимость битума нефтяного дорожного по Республике Башкортостан колеблется в пределах 9500—15000 руб./т 15. Выручка от реализации битумного вяжущего, исходя из средней стоимости 1 т — 10 тыс. руб., составляет 24.9 млн руб. Сумма прибыли составит 11.87 млн руб., а срок окупаемости капитальных вложений составит менее одного года.
Таким образом, имеется реальная возможность производства качественного битумного вяжущего и одновременно практически полной утилизации отходов ремонта мягких кровель, что принесет Республике Башкортостан дополнительный, вполне ощутимый источник производства нефтяных битумов для строительных целей и решит экологическую проблему вследствие ликвидации захоронения битумосодержащих материалов.
Литература
1. Бальзанников М. И., Петров В. П. Экологические аспекты производства строительных материалов из отходов промышленности. // Современное состояние и перспектива развития стро-
ительного материаловедения: Восьмые академические чтения отделения строительных наук РААСН— Самара: СГАСУ, 2004.- С. 47.
2. Арбузова Т. Б., Шабанов В. А., Коренькова С. Ф., Чумаченко Н. Г. Строительные материалы из промышленных отходов.- Самара: Самарское книжное издательство, 1993.
3. Состояние строительной индустрии и промышленности строительных материалов республики на 01.11.2007 г. // Бюлютень строительного комплекса Республики Башкортостан.- 2007.-№4.- С.11.
4. Расчет платежей за загрязнение окружающей природной среды: Сборник нормативных документов.- Уфа: ЦИТО, 2003.- 428 с.
5. Яковлев В. В., Кутьин Ю. А., Урманов Д. Р., Фархутдинова К. И. Органические вяжущие из битумосодержащих отходов ремонта кровельных покрытий // Проблемы строительного комплекса России: материалы XII Междунар. научн-техн. конф.- Т.1- Уфа: УГНТУ, 2008.- С. 54.
6. http://inecomplex.ru/.
7. Куангалиев З. А., Теляшев Э. Г., Хайруди-нов И. Р., Кутьин Ю. А., Ризванов Т. М. // Мир нефтепродуктов.- 2010.- №8.- С.14.
8. Печеный Б. Г., Ахметова Л. А. Исследование механизма старения битумов в эксплуатационных условиях// Сборник «Труды БашНИИ НП».- Уфа.- 1976.- №15.- С.90.
9. Печеный Б. Г., Ахметова Л. А. Исследование битумов дилатометрическим методом // Сборник «Труды БашНИИ НП».- Уфа.- 1977.-№16.- С. 81.
10. Гуреев А. А., Бондаренко Б. И. Очистка и разделение нефтяного сырья, производство товарных нефтепродуктов.- М.: Химия, 1978.- 424 с.
11. Аминов Ш. X., Струговец И. Б., Теляшев Э. Г., Кутьин Ю. А. // Автомобильные дороги.-2010.- №1.- С.55.
12. ТКП 2.48740114.001 механическая переработка отходов битумосодержащих кровельных материалов.- Калининград: ООО фирма «Олимп-Дизайн», 2004.- 13 с.
13. Исмагилов С. А., Кузнецова Е. В. Теория и практика сметного ценообразования в строительстве.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007.- 85 с.
14. http://khm.zaural.ru/.
15. http://ufa.tiu.ru/Bitum.
