Патент на изобретение №2357936

(54) СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ СЫРЦОВЫХ ГРАНУЛ И РАЗДЕЛЯЮЩАЯ СРЕДА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к производству гранулированных заполнителей для строительных растворов, бетона или используемых в качестве самостоятельного засыпного теплоизолирующего материала. Способ термообработки сырцовых гранул включает вспучивание сырцовых гранул во вращающейся печи при эффективной температуре в присутствии порошкообразной разделяющей среды при соотношении разделяющей среды и сырцовых гранул менее 1:1, но не менее 1:2 по объему. Используют сырцовые гранулы, полученные из молотого андезитобазальта Барановского месторождения со следующим химическим составом (мас.%): SiO₂ 55,6-60,84; TiO₂ 1,65-2,27; Al₂О₃ 13,97-16,26; Fe₂О₃ 0,99-3,61; FeO 3,98-6,89; CaO 3,63-5,19; MgO 2,11-4,22; MnO 0,07-0,10; P₂O₅ 0,22-0,44; K₂O 3,00-4,33; Na₂O 2,66-3,45;

ППП 0,41-2,56, с добавкой по крайней мере раствора гидроксида натрия в эффективном количестве. Технический результат: снижение количества порошкообразной разделяющей среды, уменьшение энергозатрат при производстве гранулированных заполнителей. 2 н. и 9 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области производства строительных материалов, в частности к производству гранулированных заполнителей для строительных растворов, бетона или используемых в качестве самостоятельного засыпного теплоизолирующего материала. Также настоящее изобретение относится к использованию промышленных отходов в качестве вспомогательных материалов при термообработке гранул пористых заполнителей для их вспучивания и отжига.

Из предшествующего уровня техники известно, что в технологическом процессе получения гранулированных материалов процесс термообработки может проводиться в присутствии разделяющей среды, которая представляет собой порошковый материал, препятствующий спеканию сырцовых гранул между собой в процессе термообработки.

Известна технология изготовления гранулированного пеностекла, в которой гранулы, полученные из молотого стекла, сушат и вспенивают во вращающейся печи с молотым кварцем в качестве разделяющей среды при температуре 780-820°С, гранулы отжигают до температуры 30°С и удаляют разделяющую среду [Демидович Б.К. “Производство и применение пеностекла”. – Минск: Наука и техника, 1972, с.198-201]. В другой подобной технологии для получения гранулированного стекла из стеклобоя, в качестве разделяющей среды используют порошки молотого кварца, талька или технического глинозема, причем, например, в качестве кварца по этой технологии используют речной кварцевый песок при соотношении разделяющей среды и гранул 1:1, гранулы обжигают во вращающейся печи, а отделение гранул от разделяющей среды проводят после отжига [патент RU 2162825, опубл.10.02.2001]. В другом подобном способе получения гранулированного пеносиликата в качестве разделяющей среды используют сухую растертую глину, мел или цемент в смеси с кварцевым песком менее 20 мас.% [патент RU 2291126, опубл. 10.01.2007]. К недостатку технологии использования разделяющей среды в процессе термообработки можно отнести повышенные энергозатраты, т.к. часть тепла печи расходуется на нагрев самой разделяющей среды.

В качестве прототипа выбран способ термообработки сырцовых гранул для получения гранулированного стекла, включающий вспучивание сырцовых гранул при эффективной температуре в присутствии порошкообразной разделяющей среды в виде шамотного песка, где термообработку осуществляют при соотношении разделяющей среды и сырцовых гранул 1:4 по объему [AT 257079 А, опубл. 25.09.1967]. Несмотря на относительно небольшое количество используемой разделяющей среды, данный способ не может быть эффективно использован для термообработки сырцовых гранул из другого сырья, например, из горных пород типа андезитобазальтов.

Технической задачей, для решения которой предлагается настоящее изобретение, является оптимизация режимов термообработки сырцовых гранул на основе андезитобазальта в присутствии с целью использования минимально возможного количества разделяющей среды для снижения энергозатрат при производстве гранулированных заполнителей на базе андезитобазальтов.

Поставленная задача решается двумя предлагаемыми техническими решениями.

Предлагается способ термообработки сырцовых гранул, включающий вспучивание сырцовых гранул во вращающейся печи при эффективной температуре в присутствии порошкообразной разделяющей среды при соотношении разделяющей среды и сырцовых гранул менее 1:1 по объему. Новым является то, что используют сырцовые гранулы, полученные из мере молотого андезитобазальта с добавкой по крайней мере раствора гидроксида натрия в эффективном количестве, причем используют андезитобазальт Барановского месторождения с химическим составом, мас.%: SiO₂ 55,60-60,84; TiO₃ 1,65-2,27; Al₂О₃ 13,97-16,26; Fe₂О₃ 0,99-3,61; FeO 3,98-6,89; CaO 3,63-5,19; MgO 2,11-4,22; MnO 0,07-0,10; P₂O₅ 0,22-0,44; К₂О 3,00-4,33; Na₂O 2,66-3,45; ППП 0,41-2,56, а термообработку осуществляют при соотношении разделяющей среды и сырцовых гранул не менее 1:2 по объему. Указанная нижняя граница 1:2, достаточная для эффективного предотвращения слипания сырцовых гранул между собой в процессе термообработки, была определена теоретически и подтверждена на практике, как будет показано далее.

Соотношение разделяющей среды и гранул 1:2 по объему лучше использовать при коэффициенте формы зерен сырцовых гранул не более 1,5.

После термообработки порошкообразную разделяющую среду можно отделить от готовых гранул и направить для повторного использования.

В качестве порошкообразной разделяющей среды лучше использовать порошкообразный материал с крупностью фракций до 0,63 мм.

В качестве порошкообразной разделяющей среды можно использовать хотя бы один порошкообразный материал или смесь порошкообразных материалов, выбираемых из группы: сухая растертая глина, мел, известняковая мука, цемент, речной кварцевый песок, шамотный песок, зола мусоросжигательного завода, зола ТЭЦ сухого отбора.

Могут быть использованы сырцовые гранулы, полученные из молотого андезитобазальта с дополнительной добавкой раствора нитрата натрия.

Также предлагается применение золы, содержащей несгоревшие горючие вещества, в качестве порошкообразной разделяющей среды для раскрытого выше способа. Догорание таких несгоревших горючих веществ в процессе термообработки приводит к выделению дополнительной теплоты, за счет чего дополнительно снижаются энергозатраты.

Можно применять золу с содержанием несгоревших веществ до 15 мас.%, например золу мусоросжигательных заводов.

Также можно применять золу ТЭЦ сухого отбора, обычно содержащую до 10% мас. несгоревшего угля.

Лучше применять золу с крупностью фракций до 0,63 мм.

Изобретение поясняется на примере разработанной технологии производства получения пористого заполнителя – поробазальта.

Поробазальт – искусственный пористый заполнитель, получаемый в результате термообработки гранул, приготовленных путем гранулирования сырьевой смеси, содержащей андезитобазальт с добавкой гидроксида натрия и, при необходимости производства более легкого заполнителя, дополнительно нитрата натрия.

В качестве основных сырьевых материалов в технологии используются андезито-базальты Барановского месторождения Приморского края, гидроксид натрия (NaOH), нитрат натрия (NaNO₃), разделительный порошок.

Состав породы андезитобазальтов Барановского месторождения: плагиоклаз 40%, стекло 30%, пироксены 30%, магнетит 1-3%, изредка апатит. Андезитобазальты имеют следующий химический состав (мас.%): SiO₂ 55,6-60,84; TiO₂ 1,65-2,27; Al₂O₃ 13,97-16,26; Fe₂O₃ 0,99-3,61; FeO 3,98-6,89; CaO 3,63-5,19; MgO 2,11-4,22; MnO 0,07-0,10; Р₂O₅ 0,22-0,44; K₂O 3,00-4,33; Na₂O 2,66-3,45; ППП 0,41-2,56. Плотность породы в среднем по месторождению 2,39 г/см³. Колебания естественной влажности пород – от 1,60 до 9,12%, в среднем по месторождению 3,21%. Истинная плотность колеблется от 2,66 до 2,84 г/см³; средняя по месторождению 2,78 г/см³. Водопоглощение – от 0,38 до 3,55%; среднее по месторождению 1,49%. Пористость от 3,75 до 29,95%.

В качестве разделительного порошка использовалась зола Владивостокского мусоросжигательного завода с долей несгоревших горючих веществ 7-15 мас.%. Также для этих целей применялись известняковая мука (применяемая в сельском хозяйстве для раскисления почвы), цемент, мелкий речной кварцевый песок или зола ТЭЦ сухого отбора с долей несгоревшего угля 4-10 мас.%, не спекающиеся в агломерате при температуре до 1000°С. Дополнительно могут использоваться сухая растертая глина, мел, а также любые другие подходящие порошкообразные материалы. Лучше, когда используется крупность фракций порошкообразного материала до 0,63 мм.

Технология производства поробазальта включает следующие основные операции: помол андезитобазальтового щебня; приготовление рабочей смеси, изготовление сырцовых гранул; сушка гранул; рассев сухих гранул на фракции; обжиг гранул; отжиг (охлаждение) вспученных гранул и рассев готового продукта на фракции.

Помол андезитобазальтового щебня осуществляют по сухому способу с тонкостью помола с остатком после просеивания в сите 0,08 мм 5-15%. Коэффициент размолоспособности по отношению к цементному клинкеру принимают равным 1.

При подготовке рабочей смеси дозируют молотый андезитобазальт в смеситель с одновременной подачей раствора NaOH и, при необходимости, раствора NaNO₃ в эффективном количестве. Содержание NaOH в шихте должно составлять от 10 до 13% от массы шихты, где такой диапазон объясняется неодинаковым содержанием щелочных окислов в андезитобазальтах. Содержание NaNO₃ может составлять до 1% (свыше 100%) от массы шихты. Полученную шихту перемешивают в двухвалковом смесителе периодического действия с дальнейшей дозированной подачей полученной шихты в гранулятор.

Сырцовые гранулы получают в тарельчатом грануляторе, имеющем две ступени и содержащем систему опудривания сырцовых гранул андезитобазальтовым порошком во второй ступени. Основная масса сырцовых гранул должна иметь размер 3-8 мм. Влажность сырцовых гранул после грануляции составляет 14-18%.

Сушка сырцовых гранул осуществляется в противоточном сушильном барабане отходящими из печи газами с температурой не более 600°С. Остаточная влажность подсушенных сырцовых гранул после сушки не должна превышать 5%. Насыпная плотность подсушенных сырцовых гранул, в зависимости от крупности, составляет 965-1210 кг/м³.

Далее, рассеянные сырцовые гранулы распределяются по бункерам фракций до 3 мм, 3-10 мм и более 10 мм.

Обжиг сырцовых гранул проводится во вращающейся печи по фракциям. Сырцовые гранулы подаются во вращающуюся печь ленточным питателем, на который одновременно подается порошкообразная разделяющая среда при соотношении разделяющей среды к сырцовым гранулам 1:2 по объему. Время обжига 12-15 минут. Коэффициент загрузки печи 5-6% в зависимости от размера сырцовых гранул. Температура в зоне обжига 840-880°С. Для установления оптимального режима вспучивания сырцовых гранул в конструкции вращающейся печи должно быть предусмотрено устройство для регулирования скорости вращения. Также вращающаяся печь должна быть оборудована двухступенчатой системой очистки газов от пыли. Коэффициент выхода готового продукта составляет 2,8-3,2 в зависимости от размера сырцовых гранул.

Из вращающейся печи вспученные гранулы в смеси с разделяющей средой поступают в бункер, установленный под головкой вращающейся печи. Бункер должен быть футерован изнутри кирпичом, а его объем должен быть не менее часовой производительности вращающейся печи. Бункер предназначен для медленного охлаждения (отжига) гранул. Из бункера отжига охлажденные гранулы подаются ленточным транспортером к элеватору, который транспортирует их в гравиосортировку.

В гравиосортировке сначала отсеивается порошкообразная разделяющая среда с использованием сита с размером ячеек 1 мм, и далее гранулы сортируются на фракции 1 -5 мм; 5-10 мм; 10-20 мм и более 20 мм. Отсеянная порошкообразная разделяющая среда может возвращаться для повторного использования или, при соответствующей проверке и технико-экономическом обосновании, использоваться в качестве добавки или составляющей для строительных растворов или бетона.

Полученный гранулированный пористый заполнитель, поробазальт, имеет следующие марки по насыпной плотности: 200 – от 150 до 210 кг/м³; 250 – от 210 до 265 кг/м³; 300 – от 265 до 320 кг/м³. Прочность при сдавливании в цилиндре (по методике ГОСТ 9758-90), не менее: марка 200 0,3 МПа; марка 250 0,4 МПа; марка 300 0,5 МПа. Потери в массе после 15-ти циклов попеременного замораживания и оттаивания составляют менее 5%; потери после кипячения, при испытании на силикатный распад, при прокаливании – менее 2%. Коэффициент размягчения составляет не менее 0,75, водопоглощение в течение 1 часа – менее 6%; коэффициент формы зерен – менее 1,45.

Вышеописанная технологии, в сравнении с известными технологиями, где используется соотношении порошкообразной разделяющей среды и гранул 1:1, требует меньшее количество этого расходного материала примерно на 34%. Это позволяет снизить энергозатраты как на саму термообработку, так и на ее вспомогательные операции (погрузка, разгрузка, отделение) примерно на 17% при использовании в качестве порошкообразной разделяющей среды традиционных материалов типа сухой растертой глины, мела, известняковой муки, цемента, речного кварцевого или шамотного песка.

Соотношение порошкообразной разделяющей среды и сырцовых гранул 1:2 по объему используется исходя из того, что общий насыпной объем гранул складывается из объема гранул и объема пространства между гранулами, который подлежит заполнению порошкообразной разделяющей средой. Объем одной гранулы, принимаемой в форме идеального шара, равен 4/3R³. Объем пространства, подлежащий заполнению вокруг одной гранулы, определяется как разность между объемом куба с длиной стороны 2R, равного 8R³, и объемом вписанной в него гранулы в форме идеального шара, равного 4R³/3. Таким образом, объем пространства, подлежащий заполнению вокруг одной гранулы, равен (8-4/3)R³, причем этот объем представляет собой минимальный объем порошкообразной разделяющей среды, требуемый для полного заполнения пространства вокруг одной гранулы. Получаем, что соотношение минимального объема порошкообразной разделяющей среды к насыпному объему гранул составляет (8-4/3):8 или приблизительно равно 1:2. Эффективность использования в настоящем изобретении этой нижней границы соотношения порошкообразной разделяющей среды и гранул, как 1:2, была подтверждена на практике не только для термообработки андезитобазальтов, как описано выше, но и при термообработке сырцовых гранул из стеклобоя и других материалов, при этом снижения эффективности предотвращения слипания между собой сырцовых гранул отмечено не было.

Использование в качестве порошкообразной разделяющей среды золы ТЭЦ сухого отбора или золы мусоросжигательного завода, содержащих несгоревшие горючие вещества, показало еще более лучшие результаты, а именно снижение энергозатрат непосредственно на термообработку до 80%, благодаря автотермичности этих зол, т.к. на их нагрев не требуется расходовать большое количество теплоты из-за наличия в них достаточного количества несгоревших горючих веществ. Особенно сказанное касается золы мусоросжигательного завода, содержащей большее количество несгоревших горючих веществ, причем пригодность применения такой золы мусорозавода для указанных целей и целесообразность применения была достаточно проверена не только при производстве поробазальта, как описано выше, но и при исследовании технологии получения гранулированного пеностекла и была проверена в заводских условиях на экспериментальной установке на заводе «Кристалл». Кроме того, при предварительной проверке выяснилось, что после обжига зола мусоросжигательного завода обладает хорошими вяжущими свойствами – этот факт вызывает большой интерес для последующей утилизации этой золы в качестве добавки или составляющей для строительных растворов или бетона, например, взамен части цемента.

Кроме того, приведенная выше в примере технология производства поробазальта может с небольшими изменениями применяться для производства следующих материалов: керамзит (по сухому способу); вспученный перлит; вермикулит; зольный гравий; гранулированное пеностекло на основе перлита, цеолита, боя стекла; для обжига известняка и золошлаковых смесей.

Приведенный пример использован только для целей иллюстрации возможности осуществления изобретения. Он не предназначен для ограничения объема правовой охраны, представленного в формуле изобретения, при этом специалист в данной области техники относительно просто способен осуществить и другие пути осуществления изобретения в рамках формулы.

Формула изобретения

1. Способ термообработки сырцовых гранул, включающий вспучивание сырцовых гранул во вращающейся печи при эффективной температуре в присутствии порошкообразной разделяющей среды при соотношении разделяющей среды и сырцовых гранул менее 1:1 по объему, отличающийся тем, что используют сырцовые гранулы, полученные из молотого андезитобазальта с добавкой по крайней мере раствора гидроксида натрия в эффективном количестве, причем используют андезитобазальт Барановского месторождения со следующим химическим составом, мас.%: SiO₂ – 55,6-60,84; TiO₂ – 1,65-2,27; Al₂О₃ – 13,97-16,26; Fe₂O₃ – 0,99-3,61; FeO – 3,98-6,89; CaO – 3,63-5,19; MgO – 2,11-4,22; MnO – 0,07-0,10; P₂O₅ – 0,22-0,44; K₂О – 3,00-4,33; Na₂O – 2,66-3,45; ППП – 0,41-2,56, а термообработку осуществляют при соотношении разделяющей среды и сырцовых гранул не менее 1:2 по объему.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют соотношение разделяющей среды и гранул 1:2 по объему при коэффициенте формы зерен сырцовых гранул не более 1,5.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после термообработки порошкообразную разделяющую среду отделяют от готовых гранул и направляют для повторного использования.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошкообразной разделяющей среды используют порошкообразный материал с крупностью фракций до 0,63 мм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошкообразной разделяющей среды используют хотя бы один порошкообразный материал или смесь порошкообразных материалов, выбираемых из группы: сухая растертая глина, мел, известняковая мука, цемент, речной кварцевый песок, шамотный песок, зола мусоросжигательного завода, зола ТЭЦ сухого отбора.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют сырцовые гранулы, полученные из молотого андезитобазальта с дополнительной добавкой раствора нитрата натрия.

7. Применение золы, содержащей несгоревшие горючие вещества, в качестве порошкообразной разделяющей среды при термообработке гранулированного заполнителя по способу по п.1.

8. Применение по п.7, отличающееся тем, что применяют золу с содержанием несгоревших веществ до 15 мас.%.

9. Применение по п.7, отличающееся тем, что применяют золу мусоросжигательных заводов.

10. Применение по п.7, отличающееся тем, что применяют золу ТЭЦ сухого отбора.

11. Применение по п.7, отличающееся тем, что применяют золу с крупностью фракций до 0,63 мм.