Идея базируется на последних достижениях физической химии силикатов, в частности, синтеза искусственных цеолитов. Поскольку синтез искусственных цеолитов возможен практически из любого алюмосиликатного сырья при относительно «мягких» гидротермальных условиях (t = 90…200 oC, P = 0…12 атм.), то необходимость производить силикатные изделия из песка и извести, компонентов достаточно дорогих и дефицитных, выгоднее заменить эти компоненты на золошлаки, затворенные растворами щелочных соединений и получать те же силикатные изделия при тех же технологических параметрах и тех же энергетических затратах. Капитальные вложения в реконструкцию производства лежат в пределах 6…10 млн. руб., чистая прибыль предприятия, в зависимости от его производительности составляет от 40 до 80 млн. руб. в год.

1. СОЦИАЛЬНЫЕ, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ, КОММЕРЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

1.2.2. Цеолитовые минеральные вяжущие вещества

     Пока неизвестно, кто первым предложил получать изделия из минеральных порошков, связанных в прочный камень синтетическими цеолитами. Из ранних работ имеются 2 патента США №№ 3114603, 3119660. Первый выдан Ховеллу П.А. в 1963 г., второй выдан ему же в 1964 г. Сущность изобретений Ховелла заключается в следующем. Из каолина формовали изделия. Сушили, затем прокаливали при 700 0С. Происходило превращение каолина в метакаолин. После этого изделия кипятили в растворе NaОН. В результате получали твердые и прочные изделия.
    
 В СССР в 1959 г. Глуховским В.Д. (Киевский инженерно-строительный институт) была опубликована работа «Грунтосиликаты», в которой автор показал возможность получения и применения нового вида минеральных вяжущих веществ на основе синтетических продуктов, моделирующих природные цеолиты. Позже в 1974 г. Глуховским В.Д. были получены авторские свидетельства СССР № 449894 «Вяжущее» и № 461669 «Грунтоцеолиты».
    
 Позже аналогичные работы выполнялись в США. Минеральное вяжущее под названием «геополимеры» впервые было запатентовано в США в 1976 г.

      Таким образом, была доказана принципиальная возможность замены традиционного вяжущего портландцемента, в котором синтез прочности достигался за счет гидратации кальциевых соединений кремнезема, глинозема, ферритов, на минеральное вяжущее, твердеющее за счет гидратации щелочных алюмосиликатов с получением цеолито-подобных соединений.

      Цементы на основе цеолитов оказались более стойкими и более прочными по сравнению с портландцементом. Достаточно сказать, что шлакощелочные цементы и бетоны на их основе (Проблемная научно-исследовательская лаборатория грунтосиликатов им. В.Д. Глуховского) показывали прочность на сжатие более 1000 кг/см2, в то время как лучшие из портландцементных бетонов едва достигают марки 500.

1.2.3. Золошлаки ТЭЦ и ГРЭС – сырье для производства цеолитового вяжущего

      Золошлаковые отходы тепловых и электрических станций – наиболее массовый техногенный продукт. Ежегодно в мире образуется до 0,6 млрд. тонн золошлаков. В современной России при сжигании в топках тепловых и электрических станций до 420 млн. т в год угля, при средней зольности 19 % (не выгоревшая органика не учитывается) выход золошлаков составляет примерно 80 млн. тонн в год.
  
   В СССР велась последовательная, целенаправленная работа в направлении утилизации золошлаков ТЭЦ и ГРЭС. Этой тематикой занимались сотни академических и научно–исследовательских институтов, а также специализированные организации «Энерготехпром», «ВНИПИТеплопроект», «ВНИИСтром» им. П.П. Будникова, «ВТИ» им. Ф.Э. Дзержинского.
   
  В период с 1970 по 1990 гг. выдано более 1000 авторских свидетельств на изобретения по тематике утилизации золошлаков.

      По данным Центрального статистического управления СССР в 1990 г. из 141 млн. тонн образовавшихся золошлаков 46,8 млн. т (33 %) были утилизированы, из них в производстве строительных материалов – 13,6 млн. т, в строительстве дамб, дорог, теплоизоляционных засыпок и др. – 20,0 млн. т, в сельском хозяйстве для раскисления почв, производстве удобрений – 13,2 млн. т.

      С распадом СССР обстановка в области утилизации золошлаков существенно ухудшилась. На базе аналитических исследований (официальные статистические данные в настоящее время отсутствуют) установлено, что в России из 80 млн. т/год утилизируется менее 10 % , причем предпочтение отдается утилизации шлаков (добавки в керамический кирпич, шлакоблоки, подсыпки при строительстве дорог).

      Таким образом, в России ежегодно образуется до 70 млн. т золошлаков, которые не находят применения, и накапливаются в специальных хранилищах, занимающих территорию в сотни млн. га.

      В странах Западной Европы, в США достаточно распространена технология сухого отбора зол и направления ее на предприятия производства строительных материалов. В России теплоэнергетические предприятия оборудованы в основном «жидким» золоудалением, что существенно затрудняет использование золошлаков. Однако в 80-ые годы прошлого столетия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева разработал новую систему сухого золоудаления для отечественных ТЭЦ и ГРЭС. Аналогичная работа выполнена ВТИ им. Ф.Э. Дзержинского и рядом других организаций.

  Но широкомасштабному внедрению современных технологий золоудаления с последующей утилизацией помешал распад СССР. Кроме этого, немаловажным фактором, сдерживающим внедрение, является многообразие используемых в России углей, дающих различные по составу и свойствам золошлаки, требующие различных способов утилизации.
  
   На основании исследований золошлаков различных углей пришли к выводу о необходимости классификации техногенных продуктов. Наиболее удачной классификацией, на наш взгляд, является классификация Т.Е. Сергеевой, предложившей разделить все золошлаки на три группы: активные (в плане гидравлической вяжущей активности), скрытоактивные, инертные.
    
 К активным относятся золошлаки, содержащие СаО в пределах 20 … 60 %. Такие золошлаки, по сути, являются низкомарочными цементами и могут использоваться как самостоятельный вид вяжущего, дающего изделия марки 100 … 150, а также использоваться для получения высокомарочных цементов (М-400). Угли, дающие активные золошлаки: ангренский, бурый уголь КАТЭК, кашпирский сланец, торф Ивановской области.
   
  К скрытоактивным относятся золошлаки, содержащие СаО в пределах 5…20%. Такие золошлаки проявляют вяжущую активность в условиях высокотемпературной гидротермальной обработки (автоклав, Т – 175…250 0С, Р – 8 – 16 атм). Полученные при этом изделия могут иметь марку по прочности при сжатии 50 … 75. Угли, дающие скрытоактивные золошлаки: азейский, интинский, райчихинский, хакасский, челябинский, черемховский.
    
 К инертным относятся золошлаки, в которых содержание СаО меньше 5 %. Такие золошлаки гидравлической активностью не обладают. Их рекомендуется использовать в производстве керамического кирпича, т.к. эти золошлаки в основном представлены дегидратированными глинистыми веществами: каолином, гидрослюдами. Большинство отечественных золошлаков относится к инертным.
 
    Таким образом, в настоящее время в России, да и в мире, сложилось твердое убеждение, что высококальциевые и среднекальциевые золошлаки следует утилизировать, используя способность СаО при взаимодействии с SiO₂, Ai₂O₃, Fe₂O₃ образовывать гидратные соединения, кристаллизация которых приводит к образованию камня, при этом технология может быть дополнена операциями, активизирующими процесс гидратации.

1.2.4. Проектирование состава цеолитового вяжущего

      Общая формула синтетического цеолита, способного выполнять функцию минерального вяжущего вещества:

(Na₂, Ca) O Al₂O₃ n SiO₂ x m H₂O 

      Не принимая во внимание гидратную воду, которая возникает при гидротермальной обработке, остальной набор оксидов существует в любом золошлаковом продукте. Чтобы получить цеолитовое вяжущее, имеющее конкретный природный аналог, достаточно провести определенную корректировку состава сырья. Корректировку технологических параметров (смешивание компонентов, прессование изделий, автоклавная обработка) проводить не требуется, т.к. набор технологического оборудования любого завода силикатного кирпича пригоден для получения изделий на основе цеолитового вяжущего.
     
В табл.1 приведены результаты поисковых экспериментов, в которых в качестве сырья для синтеза цеолитового вяжущего использованы три разновидности золошлаков: активные от сжигания Назаровских (КАТЭК) углей, скрытоактивные от сжигания Райчихинских углей, инертные от сжигания Нерюнгринских углей.
  
   Активные золошлаки, затворенные водой, спрессованные в образцы-цилиндры в нормальных условиях твердеют и на 28 сутки показывают прочность при сжатии 4,4 МПа, что соответствует марке изделия 40. Те же образцы, подвергнутые пропарке при t = 90 … 95 0С, показывают прочность 6,8 МПа (марка 65), а при запарке в автоклаве (t = 175 0С, Р = 8 атм) = 12,4 МПа (марка 125). Анализ новообразований в образце показывает наличие низкоосновных слабо закристаллизованных гидросиликатов кальция, а также некоторое количество гидроалюминатов и гидроферритов кальция, и большое количество Са(ОН)₂.
    
 Если к Назаровским золошлакам подшихтовать тонкомолотый кварц, то при пропарке и запарке образцов их прочность существенно вырастает, а в структуре образца заметно прибывает гидросиликатов кальция при одновременном снижении не связанного Са(ОН)2.
  
   Однако картина резко меняется, если назаровские золошлаки затворить не водой, а раствором алюмината натрия. При идентичных параметрах гидротермальной обработки прочность образцов при пропарке вырастает вдвое, при запарке в 2,5 раза. Анализ структуры образцов обнаруживает наряду с уже известными гидратными соединениями наличие хорошо окристаллизованных известковых цеолитов – аналогов брюстериту, гейландиту, эпистильбиту.

      Образцы из скрытоактивных золошлаков, полученные простым затворением водой, при всех видах гидротермальной обработки не показывают сколько-нибудь существенной механической прочности, но затворенные раствором соды, они твердеют уже в естественных условиях, показывая марку 50…70, и энергично наращивают прочность в условиях пропарки (марка 250) и особенно запарки (марка 600…650). В структуре высокопрочных образцов обнаружены аналоги природных цеолитов: анальцима, ливинита, гоннардита, гидросодалита, морденита.

      Образцы из инертных золошлаков при подшихтовке извести при пропарке показывают марку 150, при запарке 350. Твердение и набор прочности осуществлены в результате синтеза известковых цеолитов: жисмондин, шабазит, стильбит.
    
 Если в указанную композицию добавить соды (Na₂СО₃), то пропарочная марка образцов увеличится до 200, а запарочная до 400. Синтез прочности обеспечили цеолиты анальцим, шабазит, ломонтит.
     
Однако полученная прочность не предел. Оказывается, если те же инертные золошлаки затворить раствором жидкого стекла, то полученные образцы при пропарке имеют марку 350, а после автоклавной обработки 700.

      Как показали поисковые опыты, при твердении образцов образуется не один вид цеолитоподобных соединений, а несколько. Прочность образцов не зависит от вида синтезируемого цеолита, но зависит от общей массы новообразований. Последнее обстоятельство связано с реакционной способностью компонентов (вид реагентов, тонкость помола, температура среды, давление среды).

Таблица 1
Результаты испытания экспериментальных образцов

2. ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

     Целесообразность перевода производства силикатного кирпича с традиционной технологии на технологию использования цеолитового вяжущего покажем на примере одного реального предприятия (данные 1990 г.) – Благовещенского завода строительных материалов, мощность которого по силикатному кирпичу 120 млн. шт. в год. Количество прессов – 10, количество автоклавов – 17. Потребность в сырье: песок 480 тыс. т, известь СаО 53 тыс. т (СаСО₃ – 92 тыс.т). Альтернативные сырьевые материалы: золошлаки Райчихинских углей среднего оксидного состава:

SiO₂ – 50,3 %,      Al₂O₃ – 24,1 %,

Fe₂O₃ – 8,2 %,      CaO – 9,7 %,

MgO – 1,9 %,         Na₂O + K₂O – 1,5 %,

прочие – 4,3 %. 

     Золошлаки относятся к «скрытоактивным».

2.1. Краткое описание технологического процесса

2.1.1. Цеолитовое вяжущее

     Цеолитовое вяжущее готовится путем мокрого вибропомола части золошлаков с последующим введением в суспензию технической соды Na₂СО₃. В результате мокрого вибропомола СаО и MgO «гасятся» до Са(ОН)₂ и Mg(ОН)₂, а при взаимодействии с содой Na₂СО₃ образуют едкий натр по схеме:

Са(ОН)₂ + Na₂СО₃ = 2 NaОН + СаСО₃

Mg(ОН)₂+ Na₂СО₃= 2 NaОН + MgСО₃

      В дальнейшем едкий натр участвует в формировании цеолитов.

      На 1 кг сухого золошлака расходуется 1 кг воды и 0,235 кг сухой соды. В результате отвердения образуется цементный камень массой (сухой) 1,33 кг. Прочность цементного камня на сжатие 45,0 … 48 МПа. Цементный камень состоит в основном из цеолита типа анальцима (55…58 % по массе), известкового жисмондина (26…28 %), оффретита (8…10 %), прочих не идентифицированных цеолитов (2…3 %), балласт – остальное.

2.1.2. Формовочная масса

     Масса для прессования кирпича составляется из 60 % немолотого золошлака фракцией не крупнее 1,25 мм и 40 % (по сухому) цеолитового вяжущего. Влажность последнего должна быть такой, чтобы масса для прессования имела влажность 10…12 %. Перемешивание и гомогенизация массы осуществляется в смесителях, имеющихся на заводе. Перед прессованием масса может быть выдержана в силосах, если таковые на заводе имеются. Если силоса отсутствуют, то прессование массы возможно без выдержки.

      Количество формовочной массы для производства 120 млн. шт. пустотелого кирпича – 450000 т/год. Расход немолотого золошлака – 260 тыс. т/год, молотого – 120 тыс. т/год, соды технической – 28 тыс. т/год.

2.1.3. Прессование кирпича

     Прессование осуществляется на прессах, существующих на заводе при параметрах, аналогичных прессованию силикатного кирпича.

2.1.4. Гидротермальная обработка сырца

     Гидротермальная обработка осуществляется в автоклаве по режиму, установленному на заводе для тепловой обработки силикатного кирпича.

2.2. Материальный баланс

• Производство кирпича, млн. шт/год       120

• Потребность в золошлаке, тыс. т/год      380

• Потребность в соде, тыс. т/год                 28

• Потребность в паре, Гкал/год       аналогично действующему заводу

• Потребность в электроэнергии, Млн.кВт.ч/год    - " -

• Число основных рабочих, чел.                              - " -

3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

3.1. Инвестиции в реконструкцию

      Перевод действующего предприятия с одного вида сырья (песок, известь) на другой (золошлак, сода) сопряжен с дополнительными инвестициями, размер которых не превышает 10 млн. руб.

3.2. Производственные затраты 

      Предполагается, что при замене сырья не меняется производительность завода, не меняется расход энергоресурсов, а стало быть затраты на пар и электроэнергию, не меняются затраты на заработную плату обслуживающего персонала, поэтому считаем указанные затраты величиной постоянной, и при расчетах эффективности сравниваемых вариантов во внимание не принимаем.

      Размер амортизационных отчислений учитывали из расчета полного износа за 10 лет, т.е. равный 1 млн. руб.

      Затраты на приобретение сырья:

• золошлаки (цена отбора и доставки – 25 руб/т), млн. руб/год 9,5

• сода техническая (1600 руб/т), млн. руб.  44,8

Итого: 54,3 млн.руб.

     Для сравнения покажем стоимость сырья при производстве 120 млн. штук традиционного силикатного кирпича с пустотностью 25 % (песок – 362 тыс. т, известь – 43 тыс. т):

• песок (300 руб/т), млн. руб/год    108,6

• известь (1200 руб/т), млн. руб/год   51,6

Итого:                                                160,2 млн. руб.

     По среднестатистическим данным за период с 1980 по 1990 г. статья «Сырье и материалы» в калькуляции себестоимости продукции завода составляла 42,6 %. Таким образом, с определенной степенью условности можно указать уровень производственных затрат на Благовещенском предприятии: 

    Поскольку все прочие затраты помимо «Сырья и материалов» при переходе на другое сырье остаются прежними (376 – 160,2 = 215,8 млн. руб.), то возможно дать ориентировочную оценку затрат производства при использовании вместо песка и извести, золошлаков и соды.

     Если отпускная цена на силикатный кирпич установлена в размере 3,2 руб/шт., то сумма реализации годовой продукции:

Ц = 120 млн. шт. х 3,2 руб/шт. = 384 млн. руб/год

     В варианте производства силикатного кирпича по традиционной технологии сумма прибыли составит:

ПI = 384 - 376 = 8 млн. руб/год,

чистая прибыль 6 млн. руб/год

     В варианте с заменой песка и извести на золошлак и соду:

ПII = 384 - 270,1 = 113,9 млн. руб.,

чистая прибыль 85 млн. руб/год

3.4. Оценка эффективности инвестиций

     Оценка инвестиций выполнена исходя из следующих условий:

- размер инвестиций в реконструкцию технологической линии – 10,0 млн. руб.;

- срок эксплуатации до полной амортизации – 10 лет;

- выручка от реализации продукции по годам – 384 млн. руб.;

- текущие расходы – 270,1 млн. руб. в год;

- ставка налога на прибыль – 25 %;

- цена авансированного капитала – 19 %.

Примечание: 

     Учитывая, что в связи с инфляцией текущие расходы будут увеличиваться, полагали, что пропорционально этому будет возрастать отпускная цена на товарную продукцию, поэтому при расчете эффективности инвестиций указанные показатели рассматриваются как постоянные, равные первому году эксплуатации.

      В результате выполненных расчетов установили:

- чистый приведенный эффект при i = 19 %, NPV = + 325,4 млн. руб.

- индекс рентабельности PI = 33,5

- норма рентабельности IRR =800 %

- окупаемость проекта РР = в течение года

- коэффициент эффективности проекта ARR = 1700 % 

     Необычайные показатели эффективности объясняются низкими размерами инвестиций (10 млн. руб.) и высокими значениями чистой прибыли (85 млн. рублей в год).

4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРУДОВЫМИ, СЫРЬЕВЫМИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ РЕСУРСАМИ

4.1. Трудовые ресурсы

     На предприятии предполагается задействовать имеющийся персонал в полном объеме. Привлечение дополнительных трудовых ресурсов не требуется.

4.2. Сырьевые ресурсы

     Для примера, рассмотренного выше, в качестве сырья используются золы от сжигания Райчихинских углей. В районе, где расположен Благовещенский ЗСМ (с.Белогорье, Амурской области), количество золошлаков значительно превосходит потребности предприятия.

     Предлагаемая технология перевода заводов силикатного кирпича с песка и извести на золошлаки универсальна и пригодна для любого из 88 российских предприятий, а также для 53 заводов, находящихся в странах ближнего зарубежья. В районе каждого из указанных предприятий имеется предостаточно золошлаков.

4.3. Энергообеспечение

      Перевод предприятия на иное сырье (золошлаки) не требует расширения имеющегося энергохозяйства. Обеспечение энергией предусмотрено в сложившемся ранее порядке.

Подробнее с текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка кирпича – с оценкой соотношения спроса и предложения кирпича во всех регионах, - можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок кирпича в России».

ООО «НИИ СТРОМКОМПОЗИТ»