Результат интеллектуальной деятельности: ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО ПЕНОСТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно к производству гранулированного теплоизоляционного пожаробезопасного материала ячеистой структуры на силикатной основе типа пеностекла. Указанный материал может быть использован в различных областях строительства как насыпной тепло- и звукоизолирующий материал в перекрытиях зданий, в подвальных помещениях, в дорожном строительстве, а также в качестве легких наполнителей в бетонах, штукатурках, сухих строительных и тампонажных смесях и др.

Пеностекло - это легкие газонаполненные материалы ячеистого строения, по фактуре представляющие собой затвердевшую пену, замкнутая ячеистая структура которых ограничена тонкими стеклянными стенками. Пеностекло, блочное или гранулированное, получают путем обжига при температуре плавления смеси порошка стекла, специально сваренного, или боя стекла с газообразователями.

Гранулированное пеностекло выпускают, как правило, из боя стекла, так как варка стекла идет при высокой температуре (1450°C), что значительно повышает себестоимость продукции. Несмотря на высокие эксплуатационные характеристики гранулированного пеностекла, предприятий по его выпуску в России мало. Это связано с ограниченностью источника сырья - боя стекла. Поэтому в настоящее время разрабатываются способы, составы и технологические линии производства гранулированных пеностеклокристаллических материалов, в которых стекло частично или полностью меняется на природное силикатное сырье без его предварительного плавления. Производственные мощности по выпуску гранулированных пеностеклокристаллических материалов из природного сырья не имеют ограничений, так как в качестве сырья применяются широко распространенные в природе силикатные породы - кремнистые (опока, трепел, диатомит и др. аналогичные) или алюмосиликатные, в качестве которых используются цеолитсодержащие туфы.

Например, известна технологическая линия производства гранулированного пористого теплоизоляционного материала, в которой имеются два параллельно действующих участка обработки сырьевых компонентов, что позволяет использовать не только стеклообразный материал, но и кремнистое природное сырье (Патент на полезную модель РФ №62393, МПК С03С 11/00, опубл. 2007.10.04).

Первый участок обработки сырьевых компонентов включает последовательно установленные приемный бункер природного кремнистого сырья, роторный измельчитель, вальцы грубого помола, дробилку валковую, смеситель двухвальный с подведенной к нему системой подачи и дозирования воды, смесители планетарно-шнековые, насос суспензии, аттриторы для помола и активации дробленого сырья с водой, насос суспензии.

Второй участок обработки сырьевых компонентов включает приемный бункер стеклообразного материала, роторный измельчитель, дробилку щековую, дробилку валковую, вибросито, бункер накопительный, аттриторы для помола и механоактивации дробленого сырья с водой и подсоединенной к нему системой подачи и дозирования воды и технологических добавок, насос суспензии.

Участок смешения, формования и получения пористых гранул включает смеситель-диспергатор, насос суспензии, накопительную емкость, распылительную сушилку, бункер пресс-порошка, гранулятор тарельчатый, сушилку гранул, печь вспенивания, охладитель гранул, классификатор, склад готовой продукции.

Получаемый на известной технологической линии гранулированный пористый теплоизоляционный материал имеет насыпную плотность 150-350 кг/м³, предел прочности на сжатие в цилиндре - не менее 0,5 МПа, водопоглощение - не более 7% и теплопроводность - не более 0,1 Вт/м×K.

Основными недостатками известной технологической линии являются высокие энергозатраты и сложная технологическая схема производства, связанная с двухкомпонентным составом, включающим два типа силикатного сырья и необходимостью сверхтонкого измельчения с механоактивацией в воде и последующим смешиванием суспензий и высушиванием в распылительной сушилке.

Для упрощения производства гранулированных пористых теплоизоляционных материалов разработаны способы изготовления из однокомпонентных составов. В этом случае силикатным сырьем является только природное кремнистое сырье - трепел, диатомит, опока (Патент РФ №2329986, МПК С04В 28/26, С04В 40/00, опубл. 2008.27.07). Способ включает приготовление сырьевой смеси, перемешивание, формование массы и термообработку, при этом сырьевая смесь состоит из кремнистой породы, гидроксида натрия или калия и этилсиликата. Взаимодействие измельченной кремнистой породы с водным раствором гидроксида натрия или калия с образованием гидратированных полисиликатов натрия или калия является экзотермической реакцией, протекающей с выделением тепла, в результате чего масса самопроизвольно разогревается до 80-90°C и разжижается. За счет введенного в состав этилсиликата гидратированные полисиликаты натрия или калия (жидкое стекло) коагулируют, разжиженная масса постепенно гелирует и может формоваться. Кроме этого, введение этилсиликата повышает водостойкость продукции. Формование гранул осуществляется экструзией через фильеры. Сформованные гранулы опудривают и подвергают термообработке в диапазоне температур 300-900°С.

Этот способ, при безусловном преимуществе - простой технологической цепочке - характеризуется существенным недостатком - привязке к одному составу массы, включающей этилсиликат - дорогое вещество, не являющееся широко распространенным и общедоступным. Кроме этого количество добавляемой воды может составлять 50% от массы сырьевой смеси. Для высушивания гранул с такой высокой влажностью требуются высокие затраты энергии.

Известна технологическая линия производства гранулированного пеносиликатного материала с использованием в качестве силикатного сырья кремнистых пород - опоку, трепел, диатомит (Патент на полезную модель РФ №115351, МПК С04В 28/26, опубл. 2012.27.04).

Сущность работы такой технологической линии заключается в следующем. Минеральное силикатное сырье с карьерной влажностью после удаления крупных включений в виде камней и гальки поступает на склад силикатного сырья, откуда подается в лопастной, валковый или Z-образный смеситель с внешней термостатирующей рубашкой с возможностью обогрева. В смеситель также подается сухой гидроксид натрия, смесь перемешивается, смеситель подогревается до 80-100°C. Предполагается, что за счет высокой природной влажности указанное силикатное сырье будет взаимодействовать с NaOH с образованием в смесителе однородной кременезем-щелочной пасты. При низкой влажности сырья возможно добавление воды в смеситель. Для протекания реакции силикатообразования и получения однородной пасты смесь перемешивается в течение 0,5-3 часов. После этого обогрев прекращается и в смеситель при постоянном перемешивании подают водный раствор кислоты. Щелочная силикатная паста под воздействием кислоты коагулирует и затвердевает с образованием полидисперсных изометричных твердых образований, которые высушивают в сушильной печи при температуре 200-450°C. Сухой материал в виде кусков подается в смеситель для опудривания тугоплавким порошком, а затем поступает в дробилку, где происходит дробление материала до нужного фракционного состава сырцовых гранул. Сырцовые гранулы вспениваются в обжиговой печи при температуре 720-850°C. Готовый гранулированный пеносиликатный материал поступает на склад готовой продукции.

Известная технологическая линия характеризуется рядом недостатков:

- использование для коагуляции силикатно-щелочной пасты агрессивного химического соединения - кислоты, которая в дополнении к щелочному компоненту - гидроксиду натрия, еще больше увеличивает неблагоприятную экологическую нагрузку на персонал и прилегающую к предприятию территорию;

- использование в качестве исходного сырья неизмельченной кремнистой породы. Маловероятно, что крупные куски кремнистого сырья могут за 30 минут образовать однородную пасту с сухим гидроксидом натрия. Максимальный период силикатообразования - 3 ч, в течение которого реактор-смеситель должен дополнительно обогреваться при постоянном перемешивании массы, что связано с дополнительными энергозатратами;

- сушка крупных, влажных, коагулированных образований обычно протекает медленно и также приведет к повышению энергозатрат.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является технологическая линия производства гранулированного пеноматериала, состоящая из трех связанных между собой участков: 1 - подготовки исходного сырья; 2 - получения сырцовых гранул; 3 - термообработки (Патент на полезную модель РФ №100073, МПК С04В 38/00, опубл. 2010.10.12). Технологическая линия предназначена для выпуска гранулированного теплоизоляционного ячеистого пеноматериала с размером зерен 0,2-5 мм и использованием в качестве силикатного сырья кремнистых пород, содержащих аморфный оксид кремния, например трепел, опоку или диатомит.

Участок подготовки сырья включает последовательно установленные, связанные транспортерами склад силикатного сырья, сушильный барабан, дробилку и первый фракционный сепаратор. Выход сепаратора связан с участком получения сырцовых гранул, включающим последовательно установленное следующее оборудование: бункер запаса сырого сырья, бункер щелочного компонента, выходы которых связаны с входами смесителя, который через сушилку связан с бункером запаса сырцовых гранул. Участок термообработки включает печь термообработки, входы которой связаны с бункером запаса сырцовых гранул и бункером пылевой фракции, а выход печи через второй фракционный сепаратор связан со складом готовой продукции. При этом второй фракционный сепаратор вторым выходом связан с первым входом бункера пылевой фракции, второй вход которого соединен со 2-м выходом первого фракционного сепаратора.

Недостатками известной технологической линии являются следующие:

- смешивание раствора щелочного компонента осуществляется с грубодисперсным сырьем, раздробленным до класса -5 мм. Предполагается, что трепел или диатомит должны пропитываться раствором щелочи благодаря своей пористости. Однако естественной пористости кремнистых пород недостаточно, чтобы гравий породы вобрал в себя необходимое для плавления в диапазоне температур 720-820°C количество гидроксида натрия, даже при 50% концентрации раствора;

- в связи с тем, что природная пористость кремнистой породы неоднородная, добиться равномерного распределения гидроксида натрия в объеме зерен гравия невозможно, что приведет к неравномерному вспениванию гранул и большой неоднородности пористой структуры материала;

- неравномерность увлажнения кремнистого сырья водным раствором щелочи неизбежно приведет к более высокой концентрации гидроксида натрия на поверхности гравия. Внутренняя часть гравия при этом может быть не пропитана совсем. Это приведет к более высокому вспениванию поверхностной части гранул, тогда как внутренняя часть гранул может оказаться не вспененной. Вероятно, по этой причине пористый материал в известном решении назван пенокерамическим материалом;

- указанное увеличение гранул в объеме 1,8-2,3 соответствует плотности пористого материала не менее 600 кг/м³. Такая плотность является высокой для насыпного теплоизоляционного пеноматериала;

- использование в качестве плавня только экологически небезопасного NaOH в виде водного раствора. Причем, водный раствор щелочи в данном решении должен быть высококонцентрированным, не менее 50%. Высокая концентрация водного раствора щелочи создает повышенную экологическую нагрузку на персонал производства и окружающую завод территорию. Кроме того, высокая концентрация щелочи затрудняет автоматизацию ее подготовки и транспортировки из-за кристаллизации насыщенного раствора.

Техническим результатом предложенного изобретения технологической линии производства гранулированного теплоизоляционного пеносиликатного материала является 1 - снижение плотности и повышение качества продукции, 2 - увеличение срока службы оборудования, 3 - снижение энергетических затрат и 4 - экологической нагрузки на персонал производства и окружающую предприятие территорию.

Поставленная задача решается тем, что в технологической линии производства гранулированного теплоизоляционного пеностеклокристаллического материала, содержащей технологически связанные между собой участок подготовки исходного сырья, включающий последовательно установленные и связанные транспортерами склад силикатного сырья, устройства для дробления и сушки, участок получения сырцовых гранул, включающий бункер запаса сухого измельченного сырья и бункер щелочного компонента, выходы которых связаны с входами смесителя, после которого последовательно установлены и связаны транспортерами сушилка и бункер запаса сырцовых гранул, участок термообработки, включающий печь термообработки, входы которой связаны с выходом бункера запаса сырцовых гранул и бункером разделительной среды, а выход через фракционный сепаратор, связан со складом готовой продукции, вторым выходом фракционный сепаратор связан с входом бункера разделительной среды, при этом на участке подготовки исходного сырья дополнительно установлены бункер-дозатор раздробленного силикатного сырья и бункер-дозатор твердых добавок, а в качестве устройства для сушки установлена вихревая мельница-сушилка, выход которой связан с бункером запаса сухого измельченного сырья, а вход связан с выходами бункера-дозатора твердых добавок и бункера-дозатора раздробленного силикатного сырья, вход которого связан с выходом устройства для дробления, а на участке получения сырцовых гранул дополнительно установлен гранулятор, вход которого связан с выходом смесителя, а выход - с сушилкой.

Сущность технологической линии производства гранулированного теплоизоляционного пеностеклокристаллического материала в предложенной полезной модели поясняется блок-схемой:

Фиг. 1 - блок-схема технологической линии производства гранулированного теплоизоляционного пеностеклокристаллического материала, Фиг. 1а - вариант блок-схемы.

Технологическая линия имеет в своем составе технологически последовательно связанные между собой участки подготовки исходного сырья, получения сырцовых гранул, термоподготовки.

Участок подготовки исходного сырья включает последовательно установленные и связанные транспортными системами склад силикатного сырья (1), устройство для дробления силикатного сырья (глинорыхлитель) (2), бункер дозатор раздробленного силикатного сырья (3), вихревая мельница-сушилка (4) и параллельно с ними бункер-дозатор твердых добавок (5), связанный выходом с входом вихревой мельницы-сушилки (4), которая выходом связана с бункером запаса сухого измельченного сырья (сухого механоактивированного порошка) (6) участка подготовки сырцовых гранул, на котором параллельно бункеру (6) установлен бункер щелочного компонента (7). Выходы бункера сухого измельченного сырья (сухого механоактивированного порошка) (6) и бункера щелочного компонента (7) связаны с входами смесителя компонентов (8), выход которого связан с входом в гранулятор (9), который через сушилку (10) связан с бункером запаса сырцовых гранул (11), выход которого связан с печью термообработки (12) участка термообработки, входы которой связаны с бункером запаса сырцовых гранул (11) и с бункером разделительной среды (опудривающего порошка) (13), а выход через фракционный сепаратор (14) связан со складом готовой продукции (15), при этом фракционный сепаратор (14) вторым выходом связан с входом бункера разделительной среды (опудривающего порошка) (13).

Предложенная технологическая линия позволяет изготавливать гранулированный теплоизоляционный пеностеклокристаллический материал из разнообразного природного силикатного сырья: кремнистых пород - диатомит, трепел, опока, или алюмосиликатных, например цеолитсодержащего туфа, и из других аналогичных пород.

Технологическая линия производства гранулированного теплоизоляционного пеностеклокристаллического материала работает следующим образом.

Силикатное природное сырье поступает на склад (1), где осуществляется его дробление на глинорыхлителе (2). Раздробленное силикатное сырье подается в бункер-дозатор (3), откуда поступает в вихревую мельницу-сушилку (4) вместе с твердыми добавками, подаваемыми из бункера-дозатора (5). В качестве твердой добавки может использоваться любой твердый натрийсодержащий материал, например экологически безопасный порошок технической кальцинированной соды. Из вихревой мельницы-сушилки (4), где осуществляется совместная сушка и тонкий помол силикатного сырья и твердых добавок, сухой механоактивированный порошок поступает в бункер сухого измельченного сырья (6) и оттуда, вместе с раствором щелочного компонента, поступающего из бункера щелочного компонента (7), подается в смеситель компонентов (8) для получения гомогенной влажной смеси. В качестве щелочного компонента используется водный раствор гидроксида натрия или калия, например, с концентрацией 30-35 мас.%. В процессе увлажнения сухой смеси порошка щелочным раствором образуется мелкозернистая влажная шихта с размером отдельных изометричных гранул 1-2 мм, которая поступает в гранулятор (9) для окатывания и укрупнения сырцовых гранул. Гранулятор представляет собой любой тип соответствующего оборудования, позволяющий получать сферические гранулы. Это может быть тарельчатый, барабанный или турболопастной, периодического или непрерывного действия. После грануляции шихта представляет собой однородную по влажности, полифракционную по гранулометрическому составу сыпучую массу, состоящую из гранул округлой формы размером 0,5-6 мм. Гранулы поступают в сушилку (10), в которой при температуре выше 100°C удаляется избыточная влага и завершается реакция взаимодействия аморфного оксида кремния со щелочным компонентом. В качестве сушилки чаще всего применяют барабанную сушилку, но может быть использована сушилка любой другой конструкции. Сухие гранулы хранятся в бункере запаса сырцовых гранул (11) откуда они поступают в печь термообработки (12), где происходит расплавление и вспенивание гранул в диапазоне температур 720-850°C в зависимости от состава гранул. Из бункера разделительной среды (опудривающего порошка) (13) в печь вместе с гранулами поступает материал, в качестве которого можно применять любой порошок тугоплавкого материала, который препятствует слипанию вспененных гранул, например мелкозернистый речной песок, тугоплавкие оксиды кремния, алюминия, кальция, или порошок исходного силикатного сырья. Для отделения разделительной среды (опудривающего порошка) от вспененных гранул смесь после печи (12) поступает на фракционный сепаратор (14), например грохот или вибросито, откуда готовые пористые гранулы пеностеклокристаллического материала поступают на упаковку в склад готовой продукции (15), а разделительная среда (опудривающий порошок) возвращается в бункер (13).

Предложенная технологическая линия производства гранулированного теплоизоляционного пеностеклокристаллического материала обеспечивает достижения следующих технологических, экономических и экологических результатов.

Позволяет использовать в качестве щелочного компонента для снижения температуры плавления гранул, кроме экологически опасного гидроксида натрия, который вводится в состав в виде водных растворов, экологически безопасные твердые натрийсодержащие материалы, например, кальцинированную соду в виде порошка. Это позволяет уменьшить концентрацию применяемых щелочных растворов и, соответственно, уменьшить концентрацию гидроксида натрия в составе гранул. За счет этого уменьшается экологическая нагрузка на персонал производства и окружающую территорию предприятия по производству гранулированной теплоизоляционной пожаробезопасной пористой продукции из природного силикатного сырья, а уменьшение щелочной эрозии контактных поверхностей оборудования приводит к увеличению их срока службы.

Энергетические затраты на производство уменьшаются за счет использования эффективного сушильно-помольного оборудования - вихревой мельницы-сушилки. Экономичность ее работы заключается в совмещении двух процессов в одном аппарате, при этом сушка силикатного сырья и твердых добавок осуществляется в вихревом потоке теплоносителя, а помол - в псевдоожиженном слое за счет свободного удара бил роторной мельницы, что обеспечивает механоактивацию порошка и, следовательно, более высокую его реакционную способность.

Высокая степень гомогенизации смеси тонкоизмельченного механоактивированного порошка силикатного сырья с твердыми добавками в вихревой мельнице-сушилке обеспечивает равномерное стеклование и вспенивание по объему отдельных гранул и во всем их объеме, что повышает качество продукции. Предложенная модель технологической линии позволяет производить гранулированный теплоизоляционный пеностеклокристаллический материал любой требуемой фракции с насыпной плотностью в диапазоне 150-350 кг/м³.

Предложенное изобретение не ограничивается приведенным примером, но определяется формулой изобретения с учетом возможных эквивалентов.