До сих пор в нашей стране под утилизацией строительных материалов понимается только один процесс – вывезти на полигон и закопать. Пока что вопросы экологии волнуют только производителей теплоизоляционных материалов (ТИМ).
Оценка воздействий материалов и других типов продукции на окружающую среду в соответствии с требованиями Федерального закона №184-ФЗ от 27.12.2002 г. «О техническом регулировании» (в редакции Федерального закона № 65-ФЗ от 01.05.2007 г.) и со стандартами ИСО серии 14000 производится по всему жизненному циклу «от колыбели до могилы». В настоящей работе приведена попытка остановиться на анализе жизненного цикла распространенных в отечественной практике неорганических волокнистых теплоизоляционных материалов.
Добыча и подготовка сырьевых компонентов
Первым этапом жизненного цикла является добыча и подготовка сырьевых компонентов. В отношении сырьевой базы предприятий волокнистых теплоизоляционных материалов, в частности изделий из базальтового расплава, следует отметить, что запасы сырья оцениваются как значительные. Российская Федерация обладает хорошей собственной базой для производства волокон из каменного расплава как в Европейской части, так и на Урале, в Сибири и на Дальнем Востоке. Например, в Европейской части России могут использоваться местные глины, известняки, доломиты и базальты Карелии [1]. При этом важно взаимное месторасположение основных крупнейших месторождений базальта и производств минераловатных изделий по стране. В частности, Дальний Восток и Сибирь, где потребление теплоизоляции должно расти в связи с климатическими условиями, по данным консалтингового агентства IndexBox, в значительной мере ориентированы на потребление импортной продукции [2]. В то же время, например, Судунтуйское месторождение в Читинской области обладает запасами высококачественного базальтового сырья [3]. Базальты этого месторождения залегают на небольшой глубине, что позволяет организовать их добычу открытым способом. Основными минералами базальта Судунтуйского месторождения являются плагиоклазы и оливины.
Известно, что важнейшим критерием использования сырья для каменной ваты является модуль кислотности Мк, представляющий собой соотношение кислых оксидов SiO2 и Al2O3 в составе сырья к сумме основных оксидов CaO и MgO. Порода Судунтуйского месторождения, имея химический состав, представленный в табл. 1, относится по этому показателю к высшей категории качества, что дает возможность применения в технологическом процессе однокомпонентной шихты без добавления оксидов щелочно-земельных металлов [3].
Рассматривая Дальневосточный регион, следует отметить также характеристики такого региона, как Хабаровский край. Количество месторождений сырья для теплоизоляционных материалов в этом регионе (в частности, базальтовых пород), по данным [4], составляет не менее пяти. При этом утвержденные балансовые запасы сырья — 8044 тыс. т. Оно в том числе относится к следующим категориям: А+В+С1 – 5733 тыс. т, С1 – 580 тыс. т. Месторождения на данный момент находятся в разных стадиях освоения: разработка, резерв, консервация. Несмотря на снижение добычи в связи с кризисом горной промышленности края, в целом специалисты констатируют потенциал развития известных месторождений и разведки новых минеральных площадей.
Проблемы с обеспечением производственных предприятий сырьем для производства каменной ваты могут возникать в снабжении коксом, а также качественными связующими веществами [1]. Подготовка сырья (добыча, измельчение, смешивание компонентов шихты) иногда требует затрат энергии, эти затраты для различных месторождений сырья и технологий показаны в табл. 2.
Меньшие энергозатраты при использовании базальтов Судунтуйского месторождения связаны с их открытой добычей, а также с тем, что они практически не требуют подшихтовки известняком благодаря подходящему модулю кислотности. Кроме того, при дальнейшей технологической обработке сырье данного месторождения также имеет преимущества за счет более низких значений в температурном интервале плавления.
Немного более низкий интервал температур плавления пироксенового порфирита (Хавчозерского месторождения, Карелия) по сравнению с базальтами определяется присутствием в его составе актинолита (30-35%) и хлорита (20-25%), температура плавления которых ниже температуры плавления плагиоклаза, пироксенов (авгита и диопсида), оливина, магнетита, формирующих состав базальта Берестовецкого месторождения (Украина). Кроме того, за счет более низкого содержания оксидов железа в рассматриваемом порфирите температура верхнего предела кристаллизации его расплава на 45 °С ниже, чем у базальта, что свидетельствует о готовности данного вида сырья к волокнообразованию.
Процесс производства
Процесс производства волокнистых теплоизоляционных материалов предусматривает следующие основные этапы: получение расплава; вытягивание волокна из расплава; добавление связующих веществ и компонентов, снижающих пыление и придающих водоотталкивающие свойства; укладка на конвейер и транспортировка в камеру отверждения связующего; нанесение каширующих покрытий (при необходимости) или прошивка матов; придание формы изделиям при помощи их распиловки. Возникающие в ходе производственного процесса отходящие газы проходят через механические фильтры и циклоны, а затем, по возможности, дожигаются. Производимое при этом тепло через теплообменник может использоваться для предварительного разогрева печи. Пыль, образующаяся в процессе резки волокнистого холста на готовые изделия, должна собираться и вновь использоваться в качестве сырья для расплава. Задействуемая в производственном процессе вода после очистки используется вновь благодаря оборотной системе водоснабжения [5]. Схематически процесс производства каменной ваты приведен на рис. 1.
В общем и целом энергоемкость процесса производства минеральной ваты и стекловаты может быть характеризована на основании расчетов, проведенных Бюро технической охраны окружающей среды г. Райскирхен (Германия) в рамках проекта 96-08-33 (рис. 2) [6].
Поскольку все эти расчеты имеют специфику, связанную с технологиями производства изделий, рассмотрим особенности некоторых технологических этапов. В частности, расплав для волокнистых теплоизоляционных материалов может производиться в одном из следующих агрегатов: ванные, индукционные печи, вагранки, электродуговые печи (в том числе плазменные).
По данным генерального директора ОАО «Теплопроект» Е.Г. Овчаренко, из 122 технологических линий по производству минеральной ваты на территории России 103 оснащены коксовыми вагранками, 17 – ванными печами и лишь 2 – электропечами. В производстве стекловолокна и изделий из него применяются ванные печи на газообразном и жидком топливе, а в производстве тонкого и супертонкого базальтового волокна – электропечи с графитовыми или молибденовыми электродами или индукционные печи [7].
На этапе волокнообразования используются два основных способа центробежно-дутьевой и способ с использованием многовалковых центрифуг. При применении центробежно- дутьевого способа пленка расплава, образующаяся на вращающемся диске, раздувается паром, выходящим из кольцевого коллектора через несколько сотен отверстий. Этот способ не позволяет получить высококачественное волокно. Диаметр получаемого волокна составляет 8–12 мкм. При этом расход пара на центрифугах достигает 1,5–2 т в час. Более современные, но менее распространенные многовалковые центрифуги (26% волокнообразующего оборудования на заводах России) превосходят центрифуги для центробежно-дутьевого способа не только по меньшей энергоемкости, но и по качеству образующегося волокна (диаметр 4–6 мкм). При этом с 25-30 до 10-15% снижается количество неволокнистых включений [7].
В производстве базальтового волокна с учетом трудности его раздува из расплава также применяют два различных способа волокнообразования: вертикальный раздув воздухом или паром, двойной раздув (дуплекс-способ). Вертикальный раздув воздухом или паром не позволяет получать качественное волокно, подходящее для плитного утеплителя, поскольку диаметр волокна при таком способе составляет 10–15 мкм, а количество «корольков» достигает 20%. Из такого базальтового волокна делают преимущественно прошивные маты в различных обкладках, редко применяющиеся в строительстве зданий. Двойной раздув (дуплекс-способ) позволяет получать супертонкое базальтовое волокно диаметром до 2 мкм с небольшим содержанием неволокнистых включений (до 5%). Недостатком этого способа является потребность в дорогостоящих фильерных питателях, изготавливаемых из драгоценных металлов (например, из сплавов платины). Производительность такого оборудования при этом очень невелика, что приводит к высокой стоимости волокна. В качестве адгезива для таких материалов чаще всего используют глинистое (бентонитовое) связующее. Такое волокно находит применение в различных областях техники, реже — в строительстве. Серьезную роль для обеспечения производительности производств играют установки по переработке расплава в волокно. На значительном количестве заводов в России волокно получают при помощи центробежных дутьевых установок, а на ведущих европейских предприятиях – на многовалковых центрифугах. При этом снижаются потери при использовании пара, расход которого 1,5-2 т в час на одну центрифугу, ниже расхода при использовании центробежной дутьевой установки в три раза. При использовании многовалковых центрифуг повышается качество волокна диаметром 4-5 мкм, в частности, его прочность и упругость.
Таким образом, показатели энергоемкости производства волокнистых теплоизоляционных материалов (табл. 3) имеют ярко выраженную технологическую специфику. В связи с этим в табл. 4 приведены расчетные данные по первичным энергозатратам на производство тех или иных теплоизоляционных изделий из волокна в зависимости от технологии (в частности, способа и оборудования для плавления шихты). Плавление шихты основной, но не единственный энергоемкий технологический этап производства, однако он играет важнейшую роль в общих энергозатратах на получение готовой продукции.
Первичные энергозатраты охватывают всю энергию, которая требуется для производства материала или изделия. Этот показатель рассчитывается в МДж/кг или в МДж/ м3 на основании данных материального баланса как сумма «естественных энергоемкостей» использованных энергоносителей. Показатель первичных энергозатрат служит единым параметром для оценки воздействий на окружающую среду, причиной которых явились поставки энергии на производство. В данном случае для оценки приводится только та доля энергии, которая получена из невозобновляемых источников, поскольку эта информация является общедоступной. И только некоторые источники дополнительно указывают возобновляемые источники энергии.
Кроме энергозатрат, в качестве важных критериев оценки воздействий на окружающую среду среди всех рассмотренных были выбраны потенциал создания парникового эффекта, потенциал закисления, потенциал разрушения озонового слоя, переудобрение почв, потенциал образования фотохимического смога. Для корректного проведения оценки должны сопоставляться теплоизоляционные материалы одинакового функционального назначения. Поскольку они могут иметь различные показатели теплотехнических свойств, то необходимо привести оцениваемое количество материала к единому показателю сопротивления теплопередаче. В связи с этим для каждого оцениваемого материала определяют толщину слоя, соответствующую стандартному показателю сопротивления теплопередаче.
Потенциал создания парникового эффекта описывает все возникающие в процессе производства эмиссии газов, приводящие к повышению температуры атмосферы Земли (так называемые парниковые газы). Данные приводятся в пересчете на СО2-эквивалент в килограммах. Таким образом, влияние различных газов на потенциальное глобальное потепление приводится к возможному влиянию, вызванному пребыванием в атмосфере на протяжении 100 лет одного килограмма диоксида углерода. В соответствующем размере учитывается также эффект связывания СО2 в производственном процессе.
Потенциал закисления описывает сумму всех возникающих в процессе производства газовых эмиссий, которые приводят к закислению водоемов и почв через образование кислот в сочетании с водой (например, в виде кислотных осадков). Данные приводятся обычно в килограммах SO2-эквивалента, т.е. в пересчете на образование максимально возможного количества кислотообразующих соединений при растворении в воде килограмма диоксида серы.
Разрушение озонового слоя характеризуется приведенным значением выделяющихся по всему жизненному циклу хлорфторуглеводородов. Потенциал переудобрения почв рассчитывается, в свою очередь в таком эквиваленте, как количество фосфатов на килограмм волокнистых готовых изделий, а потенциал образования фотохимического смога – в этилен-эквиваленте. В табл. 5 приведены данные расчетов по указанным критериям для различных производств волокнистых теплоизоляционных материалов.
Естественно, рассчитанные эквивалентные показатели первичных энергозатрат, потенциала создания парникового эффекта и потенциала закисления приводятся к соответствующей толщине слоя теплоизоляционного материала, который позволяет достичь определенного сопротивления теплопередаче (при этом площадь поверхности теплоизоляционного материала принимается 1 м2).
Татьяна Смирнова, ведущий технический специалист Группы компаний ROCKWOOL
Постепенно россияне начинают обращать внимание на вопрос экологичности материалов, используемых при строительстве и ремонте. Согласно экологической политике ГК ROCKWOOL, все заводы Группы стремятся к увеличению объемов вторичной переработки. В настоящее время 80% остаточных материалов от производства каменной ваты на предприятиях ГК ROCKWOOL подвергается вторичной переработке. И этот показатель непрерывно растет.
Благодаря вторичной переработке мы уменьшаем потребление исходного сырья, такого как топливо и горная порода. Кроме того, это способствует уменьшению площади полигонов. Горная порода не является дефицитным сырьем, однако сведение к минимуму ее добычи позволяет уменьшить число «шрамов» в нашем ландшафте. Многие годы ГК ROCKWOOL совершенствует процессы переработки. Отходы от производства каменной ваты и остаточные материалы из других отраслей промышленности (имеющие пригодный химический состав) прессуются в брикеты вторичного сырья, которые затем подвергаются плавлению и переработке в каменную вату. Это очень важно, поскольку именно в строительной отрасли образуется основная часть материалов, заполняющих свалки.
К примеру, в 2009 г. на территории предприятия ROCKWOOL в городе Выборг (Ленинградская область) открылся брикетный завод. Он позволяет вторично использовать 100% отходов производства теплоизоляции. Обрезки каменной ваты и мелкая фракция камней прессуются в брикеты, которые затем подвергаются плавлению и переработке в готовый продукт – теплоизоляцию на основе камня. Данное решение позволяет не только уменьшить потребление исходного сырья и повысить эффективность производства на 15%, но и свести к минимуму количество отходов в конечном итоге. Подобные решения способны разрешить сложный вопрос об утилизации отходов не только с экологической, но и с экономической точки зрения.
Монтаж и эксплуатация
В отношении этапов монтажа и эксплуатации волокнистых теплоизоляционных изделий следует отметить два важных направления: прямые воздействия на окружающую среду на этих этапах и косвенные воздействия на окружающую среду, связанные с последующей переработкой отработавших изделий.
Первое направление тесно взаимосвязано с эксплуатационными свойствами теплоизоляционных материалов. Например, их водостойкостью, эмиссией волокна и, в конечном итоге, долговечностью. Только долговечный материал может быть положительно оценен с точки зрения безопасности для окружающей среды. В отношении возможных эмиссий волокна существуют различные мнения специалистов, составленные ими по данным собственных исследований. Специалисты НИИ строительной физики РААСН отмечают, что эмиссия волокна из теплоизоляционных изделий не обнаружена за два года исследований (скорость воздуха над поверхностью — до 15 м/с), но говорят о необходимости дальнейших исследований [10]. Специалисты из Германии отмечают возможность повышения концентрации волокна (до нескольких тысяч волокон на 1 м3 в воздухе помещений) при неграмотном монтаже или повреждении элементов с теплоизоляцией при строительстве [5].
Особенностью эксплуатации, связанной с долговечностью волокнистых материалов, является то, что при длительном воздействии на них повышенных температур (свыше 200 °С) может начаться разрушение связующих компонентов. При этом ГОСТ 4640–93 «Вата минеральная. Технические условия», руководствуясь соображениями пожарной безопасности, ограничивает концентрацию вредных веществ (паров углеводородов), выделяющихся из ваты при температуре 40 °С, при насыщенности 0,4 м2/м3 величиной 1,5 мг/м3. В то же время по стандарту DIN 4102–1 минеральные волокнистые изделия относятся к классу пожарной безопасности А1 (без горючих составляющих) и не представляют опасности с точки зрения распространения дыма и огня.
Важнейшим моментом с точки зрения последующей утилизации волокнистых материалов является способ их крепления в конструкции. В исследовании теплоизоляционных материалов немецкими специалистами даются следующие экспертные оценки по нагрузкам на окружающую среду (табл. 6) в зависимости от способа крепления [8]. В таблице оценка дается на качественном уровне без количественных расчетов.
Владимир Михайлович Оськин, канд. техн. наук, технический специалист компании ISOVER
Для создания объективной картины необходимо отметить и положительные аспекты воздействия на окружающую среду теплоизоляционных материалов из минеральной ваты. Во-первых, при их производстве потребляется значительно меньше энергоресурсов, чем при выпуске таких строительных материалов, как бетон и кирпич, снижается количество выбросов в атмосферу. Во-вторых, применение теплоизоляционных материалов из минеральной ваты позволяет существенно экономить на отоплении, поскольку такая теплоизоляция обеспечивает высокий уровень теплозащиты. А это значит, что и выбросы при производстве отопительной энергии уменьшаются.
В течение срока службы (обычно 50 лет) типовой изоляционный продукт на основе стекловолокна ISOVER сберегает более чем в 100 раз больше энергии, затраченной на его производство, транспортировку и утилизацию. Баланс СО2 и энергии становится положительным всего лишь через несколько месяцев после установки материала. Эти данные проверены и подтверждены подразделением ECOBILAN авторитетной аудиторской фирмы PricewaterhouseCoopers. Более подробно принципы строительства по энергосберегающим технологиям и данные о воздействии теплоизоляционных материалов на окружающую среду изложены в брошюре «Планета, люди, процветание. Наша приверженность концепции рационального строительства». В брошюре отражен многолетний мировой опыт компании ISOVER в производстве безопасных и энергоэффективных строительных материалов.
Не могу не остановиться на сопоставлении энергозатрат на производство различной теплоизоляционной продукции, приведенном автором в табл. 3. При сопоставлении не учтено, что теплоизоляционные материалы на основе стекловолокна имеют плотность в 2-2,5 раза более низкую, чем материалы на основе каменной ваты. И сравнивать удельные величины энергозатрат на производство теплоизоляции из волокна разной химической природы в расчете на единицу массы некорректно.
Кроме того, очень важно внести терминологическую ясность. Минеральное волокно – это неорганическое волокно, полученное из расплава горной породы, шлака, стекла, оксидов металлов или глины. Такое определение дано в ГОСТ 52953-2008 «Материалы и изделия теплоизоляционные. Термины и определения». Из рис. 2 не понятно, о каком именно теплоизоляционном материале идет речь, когда автор упоминает «минеральное волокно».
Утилизация отходов
Кроме описанных критериев оценки воздействий на окружающую среду группа исследователей из института прикладных исследований окружающей среды «Катализ» из Кельна считает важным анализ специальной системы критериев по управлению отходами волокнистых теплоизоляционных материалов, основным из которых является качество использования отходов или их удаления. Одна из сложностей создания такой системы, по мнению автора исследований под эгидой Министерства окружающей среды Федеральной земли Шлезвиг- Гольштейн Рольфа Бушманна, является частое отсутствие возможности расчета в сравнимых численных величинах. Вследствие чего была разработана оценочная схема, которая позволяет провести анализ возможного повторного использования теплоизоляционных материалов [8]. Причем в дополнение к этим возможностям также учитываются параметры эффективности термической утилизации, компостирования материалов, а также количество вредных веществ при их депонировании. Эта оценочная схема представлена в табл. 7.
С точки зрения рационального управления отходами повторное использование предпочтительнее их ликвидации. Среди различных видов повторного использования также следует выбирать наиболее безопасный для окружающей среды способ, обладающий наивысшими показателями экологического качества (т.е. меньше нагрузок на окружающую среду). При этом следует учитывать, что преимущество повторного использования и утилизации над удалением и ликвидацией отходов может исчезнуть, если ликвидация отходов создает меньшее количество нагрузок на окружающую среду.
Как правило, минеральные материалы в конце своего срока службы депонируются на полигонах. Исходящая от них опасность не так высока по сравнению с другими видами отходов. Захоронение на полигоне проводится по классам отходов 0, I или II в зависимости от того, какие вещества могут выделяться из отходов, а также от количества в материалах органической составляющей, которая может создать проблемы для окружающей среды в процессе разложения. В частности, по табл. 6 изделиям из стекловаты и каменной ваты присваивается класс I (минеральные отходы).
Оценка возможности переработки использованных волокнистых теплоизоляционных материалов приведена в табл. 8. В качестве продуктов, получаемых в результате переработки, выступают новые изделия из каменной ваты или стекловаты. При этом некоторые специалисты считают переработку (рециклинг) стекловаты и каменной ваты невозможным [9].
Термическая обработка, компостирование и захоронение изделий из стекловаты и каменной ваты либо невозможны, либо не применяются. При этом способ переработки изделий предусматривает очистку изделий от покрытий и от связующего. Среди способов освобождения отработанных волокнистых теплоизоляционных материалов от органических компонентов известны термическая и механическая обработки. В табл. 9 приведены некоторые способы переработки отходов теплоизоляционных материалов.
Выбор способа переработки отходов минеральной ваты требует проведения анализа воздействий на окружающую среду по рассмотренным выше критериям, приведенным в стандарте ИСО 14040. К экономически и экологически эффективным технологическим решениям относится использование в качестве сырья для теплоизоляционных материалов значительного количества отходов. Например, в Германии для изготовления стекловолокнистых материалов используют до 70% отходов стекла и волокнистых материалов, а для каменной ваты – до 60% отходов бетона или ваты.
Основным выводом из проведенного анализа воздействий на окружающую среду по жизненному циклу волокнистых теплоизоляционных материалов является то, что система рассмотренных критериев по стандарту ИСО 14040 не позволяет подробно учитывать локальные воздействия на экосистемы вблизи производств. Несмотря на универсальность и возможность сравнения экологической безопасности производств в разных странах, применяющийся большинством специалистов метод рассматривает преимущественно воздействия глобального масштаба (парниковый эффект, разрушение озонового слоя). Для элементов экотопа вблизи расположения производства следует учитывать отдельные локальные критерии, позволяющие более объективно оценивать экологическую безопасность предприятий-производителей волокнистых теплоизоляционных материалов.
Петр Жук, канд. техн. наук. доцент МАРХИ
Литература
1. Земцов А.Н., Гаврилов-Кремичев Н.Л. Минеральная вата. Перспективы развития производства (на сайте www.basalt.su).
2. Моренкова К. «Начинка для бутерброда» – рынок минеральной ваты для изготовления сэндвич- панелей// газета «Стройка», № 14, март 2008.
3. Буянтуев С.Л., Дамдинова Д.Р., Сультимова В.Д. и др. Технология получения эффективной базальтовой теплоизоляции с помощью низкотемпературной плазмы // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2006. № 12.
4. Секисов Г.В., Нигай Е.В., Малыгин В.И., Ищук Н.М. Минерально-сырьевая база строительных горных пород центральной зоны Дальневосточного региона // Строительные материалы. 2006. № 8, с. 56-58.
5. Arbeitsgemeinschaft umweltvertragliches Bauprodukt e.V. AUB Umweltdeklaration AUB-DRW-10305-D. Unkaschierte bzw. unbeschichtete kunstharzgebundene Steinwolle-Dammstoffe (www.bau-umwelt.com).
6. Arbeitsgemeinschaft umweltvertragliches Bauprodukt e.V., Munchen BTU, Buro fur technischen Umweltschutz, Reiskirchen; Gutachten Nr. 96-08-33.
7. Овчаренко Е.Г. Тенденции в развитии производства утеплителей в России. – М., 2002 (www.uralstroyinfo.ru).
8. Buschmann R. Umweltvertraglichkeit von Gebaudedammstoffen: Schleswig-Holstein, Ministerium fur Umwelt, Natur und Forsten, Kiel, 2003.
9. Glucklich D. Umweltpass fur Gebaude, Ausgabe 2/97 – Technische Universitat Hamburg-Harburg, 1997.
10. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Достоинства и недостатки применения ветрозащитных пленок в вентилируемых фасадах // «СтройПРОФИль», 2008. № 1(63), с. 29-33.