Новые продукты для жизни и экологии

Выбросы диоксида серы – один из главных экологических вызовов предприятий «Норникеля» в Норильске, где сейчас сконцентрирована вся пирометаллургия компании. На радикальное сокращение этой эмиссии направлена масштабная «Серная программа», первый этап которой в настоящее время движется к финалу на крупнейшем в мировом Заполярье Надеждинском металлургическом заводе (НМЗ). Там строят установки для утилизации серосодержащих дымовых газов плавильных печей в серную кислоту, которую тут же, на месте, будут нейтрализовать в безопасный гипс.

При этом «Норникель» еще с 1980-х применяет для тех же целей и другую технологию утилизации SO2, с получением в качестве продукта серы технической (или т.н. комовой) – установка по ее производству работает в том же Норильске, но на Медном заводе. Еще один источник получения комовой серы в Заполярном филиале «Норникеля» – гидрометаллургический процесс на НМЗ; эти объемы останутся неизменными и после реализации «Серной программы».

Естественно, перед компанией давно стоит вопрос: что делать с серой, этими тоннами химического вещества? Существенные объемы серы традиционно реализуются «Норникелем» на «материке», но «экспорт» из Норильска имеет географические ограничения, да и недостатка в предложении на рынке не бывает. Поэтому в Департаменте технологических инноваций компании искали решение, которое позволило бы перерабатывать норильскую серу – по сути, попутный продукт основной производственной деятельности «Норникеля» – в некий новый и ценный материал. И такое решение было найдено – речь про модифицированную серу. «При внесении в расплав серы определенных минеральных и органических добавок и под действием высоких температур обычная комовая сера модифицируется, с частичной полимеризацией, и этот новый продукт приобретает ряд интересных свойств – меньше пылит, в плане хранения экологически более безопасен. Но главное, получает более широкий спектр применения, чем у обычной серы», – рассказывает Сергей Вагнер из Департамента технологических инноваций «Норникеля».

Так, модифицированную серу можно использовать на обычных асфальтобетонных заводах (АБЗ) для производства как минимум двух интересных продуктов. Во-первых, сероасфальтобетонных смесей: в этом случае добавление такой серы позволяет экономить до 18% традиционного вяжущего – битума (сама доля такого вяжущего в общей консистенции асфальтобетона составляет как правило 5-7%), который является ключевым компонентом в стоимости асфальта и доставляется в настоящее время в Норильск с «материка» (со всеми вытекающими в плане себестоимости). Асфальтобетонное покрытие с модификатором на основе модифицированной серы обладает повышенной прочностью и водостойкостью, у него выше стойкость к колееобразованию и т.д. Все это позволяет существенно увеличить межремонтные сроки дорог, в том числе в регионах с резкими перепадами температуры, к которым несомненно относится и Норильск.

Во-вторых, что еще интереснее, с применением модифицированной серы можно производить серобетон, который по многим характеристикам существенно превосходит «обычный», сделанный на основе портландцемента. Здесь уже сера выступает не добавкой, а главным структурообразующим материалом, 100%-ным вяжущим. Серобетон обладает повышенной морозо- и износостойкостью, водонепроницаемостью, более высокими прочностными характеристиками (на сжатие и на изгиб), низкой теплопроводностью, наконец, он быстрее формируется, в том числе при отрицательных температурах. Если обычный бетон нельзя укладывать на морозе (либо его надо перед этим специально разогревать), то серобетон отвердевает при любой температуре – по мере остывания. Кроме того, что особенно важно для Норильска – серобетон очень устойчив к воздействию агрессивных сред. «В Норильске грунты кислые, соответственно, негативное воздействие на обычный бетон здесь всегда повышенное, да и факторы производственной среды существенно воздействуют на бетонные конструкции производственных зданий и сооружений. Иное дело – серобетон, который за счет модифицированной серы в составе успешно противостоит агрессивным факторам», – говорит Андрей Чеботаев, директор Департамента реализации программ по устойчивому развитию ЗФ «Норникеля».

Таким образом, использование и сероасфальтобетона, и серобетона – в сравнении с «обычными» и традиционными смесями, приготовленным на основе битума или портландцемента соответственно, – повышают надежность эксплуатации построенных из них дорог или бетонных конструкций. «Потенциально в Норильске модифицированная сера может найти широкое применение в строительной отрасли, что позволит увеличить объемы вовлечения выбросов SO2 в производство серы. А выпускаемые на основе этого материала строительные конструкции окажутся востребованными в рамках не только планируемой реновации Норильска, но и для больших строек, которые уже ведет и планирует сама компания», – прокомментировала Анна Коротченкова, директор Департамента технологических инноваций «Норникеля».

Предыстория создания модифицированной серы

Вопросами применения серы в дорожном строительстве интересовались еще в 1980-е годы. Так, сотрудниками «СоюздорНИИ» в 1986 году была даже выпущены «Методические рекомендации по применению асфальтобетонов с добавкой серы и по технологии строительства из них дорожных покрытий». То же касается и серобетона, достоинства которого раскрыли еще в середине ХХ века. Но сказать, что направление стало мейнстримом, не получится. Интересно, что в 2013 году Экспертным советом Минтранса России и серобетон, и сероасфальтобетон были признаны инновационными материалами.

С конца 1990-х основным поставщиком серы в России стал «Газпром», который не мог тогда существенно нарастить добычу на Астраханском и Оренбургском месторождениях из-за значительного количества выделяемой при очистке природного газа серы. Объемы складирования этого вещества достигли к тому времени 2,5 млн тонн, и по всем расчетам, при наращивании объемов добычи углеводородов, к 2030 году профицит мог вырасти до 19 млн тонн! Поэтому «Газпром ВНИИгаз» совместно с Московским автодорожным институтом ;(МАДИ) усиленно искали решение проблемы, в итоге предложив рынку серное модифицированное вяжущее (СМВ), а также материалы и конструкции на его основе.

Впервые сероасфальтобетон, изготовленный по этой технологии, был уложен в 2000-2001 годах в процессе текущего ремонта дорожных покрытий в столице России, а в октябре-декабре 2002 года этот материал использовали при устройстве мостового полотна при капремонте дорожного Крылатского моста через реку Москва. Причем работы тогда проводились в экстремальных погодных условиях – дождь, снег, минус 26 градусов по Цельсию, при которых обычные асфальтобетонные смеси укладывать невозможно.

С тех пор такие смеси были уложены на дорожных объектах Нового Уренгоя, Московской, Рязанской, Волгоградской, Иркутской и других областей, а также в Красноярском крае и на территории Казахстана. Толька на МКАД было построено девять участков из сероасфальтобетона, в том числе в июне 2010 года инновационную смесь уложили на участке 50-51 км этой трассы, и он благополучно выдержал даже экстремальную для того лета жару. «Таким образом, опытным путем было подтверждено качественное превосходство сероасфальта, который изготавливается путем добавления в битум СМВ, перед традиционным дорожным покрытием», – сообщалось в корпоративном издании «Газпрома» в 2014 году.

В 2013 году были опубликованы поручения правительства РФ о применении серы в дорожном строительстве, в рамках которых были построены участки на федеральных трассах Росавтодора. Опытные участки в других регионах за минувшие годы укладывали и местные дорожно-ремонтные предприятия – в партнерстве с МАДИ, где вели собственные разработки использования модифицированной серы. Однако, по словам профессора, д.т.н. и заведующего кафедрой «Дорожно-строительные материалы» МАДИ Юрия Васильева, наибольший потенциал использования модифицированной серы в дорожном строительстве сосредоточен именно в регионах с суровым климатом, в том числе в Норильске. «Я убежден в том, что сера для северных и арктических регионов практически вне конкуренции по отношению к «классическому» портландцементу. Любой человек, который когда-либо занимался строительством, знает, что произойдет с мешком такого цемента, который перезимует где-нибудь в гараже. Он слеживается, коррозирует, теряет свои качества. Кроме того, чтобы материал на основе портландцемента окончательно сформировался, требуется по меньшей мере месяц и «парниковые условия», обеспечивающие положительные температуры и повышенную влажность. Естественно, в таких регионах, как Норильск, такое обеспечить весьма затруднительно».

Для производителей портландцемента модифицированная сера не составит никакой конкуренции: цементная промышленность выпускает более 80 млн тонн продукции в год. А серы, даже при самых оптимистических прогнозах, будет выпущено не более 1 млн тонн. Другое дело, что в регионах, где большие объемы технической серы образуются прямо под боком, как в том же Норильске, технология может оказаться безальтернативной – с экономическими, экологическими и другими позитивными эффектами. К тому же модифицированная сера может поставляться биг-бэгами или навалом, «она не боится ни влажности, ни тепла, ни холода, и может храниться сколь угодно долго», подчеркивает Васильев.

Норильский опыт

Интересно, что несколько лет назад в Норильске уже попытались использовать комовую серу в качестве присадки для производства асфальтобетонной смеси: небольшой участок был уложен в районе набережной реки Норильской, в Центральном районе города. По воспоминаниям участников того эксперимента, рабочие столкнулись с тем, что из-за нагрева вещества в смесителе началось выделение газов. По словам профессора Юрия Васильева, связано это было с применением «недегазифицированной» серы, загрязненной токсичными соединениями: сероводородом и диоксидом серы. Такую серу использовать в строительстве без очистки нельзя, вещество обязательно нужно сначала «дегазифицировать». Процесс модификации как раз и позволяет добиться главного – дегазации материала, и превратить его в безопасный продукт в виде тех же гранул.

Ученый уверен, что производить серосодержащие композиционные материалы (серобетонные и сероасфальтобетонные смеси) может любой АБЗ в стране – там нужно будет только установить расходный бункер для серы, организовать от него тракт подачи в смеситель – и вуаля! Ключевая особенность для производства серобетона – это требование высокой «культуры производства»: не перегревать материал выше 160 градусов по Цельсию. В этом случае никакой эмиссии токсичных серосодержащих газов наблюдаться не будет. При этом, применяя модицифицированную серу, любой АБЗ получит по факту сероасфальтобетонную смесь, которую успешно можно укладывать на дорожных объектах обычным асфальтоукладчиком без каких-либо ограничений.

Интересно, что, несмотря на все допущенные тогда в Норильске ошибки, именно «серный» участок на набережной до сих остался целым, хотя обычный асфальтобетон вокруг давно рассыпался.

Этим летом в Норильске по инициативе «Норникеля» прошел семинар с участием представителей АБЗ и МКУ «Норильскавтодор», а также чиновников, ученых и др., где обсуждались перспективы применения в НПР модифицированной серы. Проект компании вызвал огромный интерес: наука, производство и город высказали готовность сотрудничать в создании инновационного продукта. В этот процесс включились и мэрия города, и Агентство развития Норильска. Сейчас по заказу «Норникеля» существующие лицензиары нарабатывают опытные партии модифицированной серы – это необходимо для оценки качества продукта и асфальтобетона, произведенного на его основе, в независимых лабораториях, а также в лабораториях норильских АБЗ. Цель – подобрать оптимальные для городских условий составы сероасфальтобетона.

До конца текущего сезона дорожно-ремонтных работ, который в Норильске из-за климата чрезвычайно короток и завершается уже в середине сентября, в «Норникеле» все-таки рассчитывают уложить с применением сероасфальтобетонных смесей пилотные участки – как на промышленной площадке ЗФ, где ходит тяжелый транспорт, так и в городской черте, в местах с интенсивной нагрузкой от легкового транспорта. Оценить состояние покрытий планируется через год. Это важный этап, который исключит риски для всех участников проекта в будущем, а «Норникелю» даст основание для создания промышленной установки производства модифицированной серы в Норильске.

«Местные заводы понимают, что, вовлекая в процесс производства модифицированную серу, они могут существенно снизить себестоимость выпускаемых асфальтобетонных смесей, ведь им нужно будет завозить меньшие объемы битума с «материка» в Норильск. Кроме того, обновление дорог запланировано и в рамках реализации масштабной программы реновации Норильска, а потому вопрос качественного дорожного покрытия, способного служить долго, становится определяющим. Для «Норникеля» же проект интересен тем, что чем больше серы мы произведем из выбросов диоксида серы, тем меньше этих выбросов сделаем. В том числе это позволить сократить и объемы утилизации газов в серную кислоту», – объясняет Сергей Вагнер.

По его словам, в компании изучают возможности применения в Норильске всех имеющихся в России запатентованных технологий производства модифицированной серы. Но основную ставку делают на сотрудничество с МАДИ, специалисты которого под руководством профессора Юрия Васильева разрабатывают «совершенно новое связующее из серы, которое будет более экологически безопасное, и более эффективное в плане применения именно в суровых условиях столицы Заполярья».

Круглый год

Стоит добавить, что использование модифицированной серы откроет для АБЗ Норильска перспективы круглогодичной работы, ведь, в отличие от сероасфальтобетонной смеси, которую можно производить только в сезон самих дорожных работ, производство серобетонных смесей не зависит от короткого норильского лета. К тому же только за счет производства серобетона можно будет нарастить и объемы использования серы – ведь, как было сказано выше, в этом продукте она полностью заменяет цемент. Подсчитано, что если стройматериалы из серы закроют хотя бы 10% рынка РФ, то в производство будет вовлечено свыше 5 млн тонн этого продукта, что позволит полностью закрыть проблему переизбытка серы, и решить экологические проблемы. 

Кроме того, серобетон фактически представляет собой разновидность полимербетона, но, в отличии от последнего, стоит в 6–8 раз меньше. В составе серобетона полностью отсутствует цемент и вода, а функцию связующего выполняет модифицированная сера. Это обеспечивает высокие физико-механические и химические свойства материала, значительно превышающие аналогичные параметры, характерные для традиционных бетонов на основе портландцемента. Это прежде всего такие показатели, как прочность на сжатие и изгиб, водо- и морозостойкость, химическая стойкость.

Следует отметить, что отсутствие воды в составе серобетонной смеси дает возможность использовать в качестве заполнителей (щебня, песка) местные некондиционные применительно к бетонам на основе портландцемента материалы, в том числе и техногенные отходы. Наиболее целесообразно рассматривать серу в качестве альтернативы в северных труднодоступных районах с затрудненными логистическими схемами доставки и хранения материалов, в том числе портландцемента.

Из серобетона на тех же АБЗ можно будет выпускать тротуарную плитку, бордюры, всевозможные элементы дорожной инфраструктуры – отливы, кольца, перетоки и т.д. Но потенциал использования этого продукта не ограничивается только дорожным строительством. Кроме того, серобетон является диэлектриком, что позволяет применять его в условиях электрохимической коррозии, в том числе на электрифицированных железных дорогах. Также известна капсулирующая способность серы применительно к токсичным и радиоактивным отходам, что обеспечивает возможность создания эффективных контейнеров и хранилищ для подобного вида отходов. Серобетон можно применять в качестве основного материала для коллекторов сточных вод, очистительных установок, свай, труб, канализационных труб и лотков, различных сборных конструкций, словом, всех подземных инженерных коммуникаций, а также гидротехнических сооружений и обустройстве месторождений.

Таким образом, серобетон следует рассматривать в качестве перспективного строительного материала специального назначения, предназначенного для эксплуатации в условиях знакопеременных температур и химически агрессивных сред.

В «Норникеле», кстати, изучают возможность применения серобетона для закладочных смесей в рудниках. Единственное, где такой бетон пока не будет применяться – это жилищное строительство. Но вот сваи, на которых стоят дома, точно могут быть выполнены и из этого материала. По некоторым расчетам, такие основания могут перенести больше циклов попеременного замораживания и оттаивания, чем сделанные из «классического» цемента. По итогу проведенных испытаний на каждом этапе работ и по итогам оценки качества асфальта в «Норникеле» планируется создание крупнотоннажной установки для беспрерывного производства этого инновационного продукта.

«Текущая реализация комовой серы (продажа в КНР и регионы РФ) – убыточная, учитывая стоимость комовой серы на рынке и стоимость логистики из Норильского промышленного региона потребителю, и обусловлена лишь необходимостью вывоза данной продукции (отхода основного производства) из НПР, а не экономической составляющей. Реализация продукции в самом промышленном районе в перспективе позволит компании сэкономить на транспортировке серы, а также повысить надежность объектов инфраструктуры предприятий и города в целом», – комментирует Александр Леонов, замдиректора ЗФ «Норникеля» по устойчивому развитию и экологии.

Первоисточник