СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗОЛЬНОГО АГЛОПОРИТОВОГО ГРАВИЯ
METHOD OF PRODUCING ASH SINTERED-PORE GRAVEL

Изобретение относится к технологиям производства зольного аглопоритового гравия и рекомендуется для переработки золошлаков теплоэнергетики в легкий заполнитель для бетона.
Известен способ получения легкого заполнителя для бетона на основе природных глин или техногенного сырья, в т.ч. тонкодисперсной золы ТЭС, включающий дозирование глины или золы, твердого топлива, добавок, их перемешивание, окомкование полученной шихты, ее укладку на конвейерную решетку, зажигание шихтового слоя от горелок и его обжиг путем просасывания воздуха сквозь слой шихты за счет разрежения в вакуум-камерах под колосниками решетки с последующими дроблением и сортировкой продукта обжига в виде «пирога» с последующей его переработкой в аглопоритовый щебень дроблением и сортировкой дробленой массы по размеру зерен (Элинзон М.П. Производство искусственных пористых заполнителей. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Стройиздат. 1974, с.107). Недостатком данного способа является то, что в составе его продукта, аглопоритового щебня, преобладают зерна угловатой формы, в структуре которых значительный объем занимают крупные поры диаметром до 3-5 мм. По причине указанного такой заполнитель имеет повышенные показатели пустотности и открытой пористости, что обуславливает повышенный расход цемента в бетоне на его основе.
Известен способ получения легкого заполнителя для бетона, зольного аглопоритового гравия на основе золы, содержащей от 1 до 25% остаточного углерода, включающий дозирование золы, твердого топлива, добавок, их перемешивание, грануляцию полученной шихты, укладку сырцовых гранул на конвейерную решетку поверх «подстила» из обожженного продукта, их зажигание от горелок и погоризонтный обжиг гранул путем просасывания воздуха сквозь слой шихты за счет разрежения в вакуум-камерах под колосниками решетки с последующей сортировкой продукта обжига по крупности, измельчением и повторной сортировкой части продукции в виде конгломератов (Элинзон М.П. Производство искусственных пористых заполнителей. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Стройиздат. 1974, с.141-143, Васильков С.Г., Чалый Л.В. Производство аглопоритового гравия из зол ТЭС на Днестровском заводе // Строительные материалы, 1985. №10, с.12-13).
Недостатками этого способа являются:
- низкая производительность процесса грануляции, обусловленная замедленным образованием «зародышей» гранул, на поверхность которых потом накатывается шихта, образуя гранулы нужного размера;
- пониженная продуктивность процесса обжига, обусловленная неэффективным режимом просасывания воздуха по технологическим зонам конвейерной решетки;
- неравномерный по объему обжиг гранул крупной фракции, в результате которого часть из них имеют необожженное ядро, т.е. центральную часть;
- неодинаковые условия обжига по горизонтам шихтового слоя, вследствие чего температура обжига верхних - недостаточна, а нижних - избыточна. По этой причине в верхних горизонтах содержится недообожженный продукт в виде непрочных гранул, а в нижних - пережженный, в виде «сваров» - конгломератов из спекшихся гранул;
- ограничение доли в исходной золе остаточного углерода, которое в зависимости от свойств шихты не должно превышать уровень 5-10%. В случае его превышения взамен гранулированного продукта образуется, как при получении аглопоритового щебня, «пирог», то есть сплошной конгломерат;
- для зажигания шихты твердым топливом необходима сложная схема его приготовления, включающая сушку, помол и последующее вдувание порошка из топлива в камеру сгорания.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности технологии производства зольного аглопоритового гравия путем ускорения грануляции шихты, созданием оптимальных условий обжига сырцовых гранул на всех горизонтах слоя шихты, применением в процессе обжига на конвейерной решетке скорректированного режима просасывания воздуха и упрощенного варианта сжигания твердого топлива для зажигания сырцовых гранул.
Указанная задача решается тем, что:
- конгломераты из гранул в продуктах обжига выделяют, измельчают до размера частиц менее 5 мм и используют как «затравку» при грануляции шихты, а гранулированную шихту фракционируют по крупности на 9-12 и 12-15 мм и укладывают на решетку поверх «подстила» раздельно, причем крупную фракцию помещают поверх мелкой;
- скорость воздуха, просасываемого сквозь шихту, в процессе обжига, регулируют изменением разрежения в вакуум-камерах конвейерной решетки, увеличивая его в зонах зажигания шихты и обжига средних горизонтов;
- при повышенном содержании в золе остаточного углерода, свыше 10%, избыток топлива выделяют и используют для зажигания шихты, а в случае пониженного - в шихту дополнительно вводят уголь или кокс до указанного выше уровня;
- процесс обжига осуществляют в при соотношении между теплом зажигания и теплом от горения топлива шихты, равном 1:(1-1,5);
- при использовании для зажигания газового топлива поверхностные горизонты шихты обжигают сжиганием газа в факельно-слоевом режиме, а нижние и средние горизонты - сжиганием газа в режиме слоевого горения;
- при отсутствии газа для зажигания шихты твердым топливом его используют в виде зерен со средним размером от 10 до 30 мм, которые укладывают на поверхность слоя шихты и поджигают горелкой.
Эффективность предлагаемого способа проверяли на экспериментальной обжиговой установке, включающей зажигательный горн с газовой горелкой, рабочую камеру и дымосос. Рабочая камера имела диаметр 200 и высоту 400 мм, а в нижней части - решетку, колосники которой предохранялись от расплавления слоем «подстила» из обожженного аглопорита толщиной 40 мм.
В опытах использовали золу и, в качестве пластификатора, глину в пропорции 9:1. Химсостав компонентов приведен в табл.1.
Таблица 1
Наименование компонента
Содержание оксидов, мас.%
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
SO<sub>3</sub>
Зола*
63,4
30,2
4,2
1,3
0,7
0,8
Глина
55,7
18,3
12,7
2,1
3,1
0,2
*- содержание остаточного углерода - 15%.
Поскольку в золе содержится избыток углерода, ее кондиционировали с помощью полочного классификатора в режиме, обеспечивающем снижение содержания углерода до 10%.
Шихту, полученную смешением 90% кондиционированной золы и 10% глины, увлажняли и гранулировали на тарельчатом грануляторе до размера гранул 9-12 мм (мелкая фракция) и 12-15 мм (крупная). Гранулированную шихту укладывали в рабочую камеру обжигового устройства поверх подстила в следующей последовательности: внизу помещали 180 мм мелкой фракции, в верхней части - 180 мм крупной фракции. В части опытов для зажигания шихты использовали газовое топливо. В опыте 6 шихту зажигали нефтекоксом в виде кусков 10-12 мм. Поджигание кокса осуществляли устройством в виде трубки с вентилем, которая через редуктор сообщалась с газовым баллоном.
Качество продукта обжига оценивали по соотношению прочности на сжатие и насыпной плотности, коэффициенту конструкционного качества (ККК), а также по отсутствию конгломератов из гранул.
В табл.2 содержатся результаты грануляции порции шихты влажностью 24% с использованием затравки из дробленого аглопорита фракции менее 5 мм со средним размером частиц 3 мм. Продолжительность грануляции составляла 20 мин.
Таблица 2
№
Содержание затравки в шихте, %
Выход гранул фракций, %
0-5 мм
5-10 мм
10-15 мм
1
-
18
41
37
2
10
5
49
43
3
20
3
42
52
4
30
1
35
60
Из представленного в таблице следует, что с увеличением доли затравки с 10 до 30% выход крупной фракции возрастает почти в полтора раза. В отсутствие затравки почти 20% составляет мелкая фракция, доля которой при наличии затравки не превышает 5%. Благодаря вводу затравки производительность процесса грануляции ориентировочно (по выходу крупной фракции) возрастает не менее чем на 30%.
В табл.3 приведены результаты обжига шихт при изменении условий обжига согласно заявляемым отличиям. Условия проведения опыта 1, принятого в качестве контрольного, соответствуют сочетанию всех заявляемых признаков, а именно:
- использованы гранулы на основе затравки из дробленого конгломерата;
- двухслойная по размеру гранул шихта с укладкой слоя крупных гранул поверх мелких;
3
2
- просасывание воздуха через шихту с постоянной скоростью W=const=0,3 нм/м;
заж
ших
- соотношение тепла зажигания газом и тепла топлива шихты Q/Q=1:1.
заж
ших
В остальных опытах при постоянном значении общего расхода тепла на обжиг (Q+Q=const) изменяли одну из характеристик, влияющих на эффективность обжига. В опыте 2 использовали нефракционированную шихту, в опыте 3 в шихте добавкой безуглеродистой золы уменьшили долю углерода в шихте, усиливая при этом зажигание. В опыте 4, напротив, увеличили количество углерода в шихте. В опыте 5 процесс обжига осуществляли, как в прототипе, при постоянном значении разрежения под слоем шихты P=const=5,0 кПа. В опыте 6 для зажигания шихты использовали нефтекокс в количестве, эквивалентном расходу газа на зажигание в опыте 1.
Таблица 3
№
Показатели процесса
Свойства продукта
Примечание
V, мм/мин
Р<sub>мах</sub>, кПа
П, м<sup>3</sup>/м<sup>2</sup>ч
р<sub>н</sub>, кг/м<sup>3</sup>
R<sub>сж</sub>, МПа
ККК
1*
17,3
16
0,93
723
7,88
15,1
Контрольный обжиг, по п.п.1-5 формулы изобретения
2*
15,6
18
0,84
761
6,75
11,2
Нефракционированная шихта, по прототипу
3
16,2
16,3
0,90
752
6,25
11,1
Q<sub>заж</sub>/Q<sub>ших</sub>=1:0,8. Шихта с низким содержанием углерода
4
15,3
17,5
0,82
741
8,05
14,6
Q<sub>заж</sub>/Q<sub>ших</sub>=1:1,5. Повышенная доля углерода в шихте
5*
13,3
16,2
0,71
720
8,10
15,6
При P=const, по прототипу
6*
15,5
16,5
0,81
730
7,72
14,5
Зажигание шихты углем по п.6
* - Q<sub>заж</sub>/Q<sub>ших</sub>=1:1, соотношение тепла зажигания газом и тепла топлива шихты.
мах
н
сж
сж
н
2
2
V - вертикальная скорость обжига. Р - максимум гидравлического сопротивления шихтового слоя. П - удельный съем продукции с 1 мконвейерной решетки, определяли как произведение (V×60 мин×0,9). Где 0,9 - коэффициент, учитывающий усадку шихты при ее обжиге. р - насыпная плотность обожженного продукта. R - прочность продукта на сжатие в цилиндре по ГОСТ 9758. ККК - коэффициент конструкционного качества. Его значение вычисляли по формуле: ККК=R/р . Р, кПа - разрежение газов под шихтой. Из сравнения результатов в табл.3 следует следующее.
При использовании нефракционированной шихты, опыт 2, снижается вертикальная скорость обжига и качество продукта - возрастает показатель его плотности и снижается прочность.
В случае снижения доли углерода в шихте, опыт 3, уменьшается скорость обжига, повышается плотность продукта. Поэтому уменьшать долю тепла шихты в тепловом балансе обжига менее 50% нецелесообразно.
Увеличение содержания углерода в шихте, опыт 4, повышает прочность продукта, но снижает продуктивность процесса, то есть вертикальную скорость обжига.
При проведении обжига с постоянной величиной разрежения под шихтой, опыт 5, скорость просасывания воздуха в период зажигания и обжига средних горизонтов снижается с 0,3 до 0,15-0,2 нм/с. Поэтому снижается вертикальная скорость обжига и, соответственно, его продуктивность, поскольку уменьшается количество кислорода, поступающего с воздухом на горение кокса.
В случае замены газа при зажигании шихты слоем нефтекокса, опыт 6, отмечается, в сравнении с контрольным опытом, снижение продуктивности процесса, что обусловлено более высоким тепловым напряжением процесса газового зажигания.
При использовании в опытах 1-5 факельно-слоевого зажигания, при котором примерно половина газа сгорает над слоем и остальное в слое, достигается значительное ускорение нагрева слоя без существенного повышения гидравлического сопротивления слоя шихты и одновременно полный прогрев и обжиг крупных гранул верхних горизонтов шихты. Слоевое сжигание газа рекомендуется использовать для обжига средних и нижних горизонтов в случае, когда зола содержит пониженное количество невыгоревшего углерода и его тепла недостаточно для обеспечения необходимой температуры обжига.
Достигнутые улучшения обусловлены оптимизацией теплового режима обжига по уровню температуры и равномерности температурного прогрева всех горизонтов слоя шихты и полному по объему обжигу крупных гранул. Следует ожидать, что дополнительным эффектом использования изобретения явится уменьшение общих энергозатрат на осуществление процесса на 10-15% - вследствие уменьшения теплопотерь в окружающее пространство, с физическим и химическим недожогом, а также потребности в электроэнергии для просасывания воздуха, поскольку оптимизация процесса обжига сопровождается уменьшением гидравлического сопротивления шихтового слоя.
В сравнении с традиционной технологией, применение изобретения позволит увеличить продуктивность процессов грануляции и обжига на 20-30%. При этом одновременно существенно улучшается качество продукта: показатель соотношения прочности и плотности возрастает на 25-35%. Использование изобретения позволяет вовлечь в переработку некондиционные золы ТЭС, содержащие повышенное, более 10%, остаточного углерода.
Общий ожидаемый экономический эффект должен составить 30-35%.