СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ПРОППАНТОВ
METHOD OF PRODUCING CERAMIC PROPPANTS

Изобретение относится к производству керамических проппантов - сферических гранул, применяющихся в технологии гидроразрыва горных пород в качестве опорного слоя, препятствующего смыканию искусственных трещин после снятия давления гидроразрыва.
Известен способ изготовления гранул распылением суспензии в башенной сушилке [1], включающий мокрое диспергирование смеси каолина и талька, распыление суспензии при температуре 450-480°C, сушку и обжиг гранулята во вращающейся печи при температуре 1350°C, рассев гранул.
Этот известный способ требует высокого расхода топлива, а большинство получаемых гранул имеют пустоты и усадочные трещины.
Известен способ производства высокопрочных сферических керамических гранул [2], включающий кальцинацию природного алюмосиликатного сырья, его измельчение, дозирование и загрузку в тарельчатый гранулятор, увлажнение измельченного сырья, грануляцию окатыванием в тарельчатом грануляторе, дозирование и подачу в гранулятор дополнительного количества измельченного сырья, рассев полученных гранул для выделения целевой фракции, ее обжиг во вращающейся печи и рассев спеченных гранул. При этом 60-90% кальцинированного алюмосиликатного сырья измельчают до размера частиц 20-40 мкм, а 10-40% измельчают до размера частиц менее 20 мкм. В процессе гранулирования тонко измельченное сырье подают в гранулятор после увлажнения измельченного сырья и зарождения гранул и до завершения грануляции.
Недостатками данного способа являются невозможность избежать образования в тарельчатом грануляторе большого количества крупных некондиционных окатышей, что резко снижает выход целевой фракции гранул, необходимость вести процесс окомкования в периодическом режиме, недостаточная плотность сырца и прочность гранул после обжига из-за низкой активности к спеканию относительно крупных частиц (20-40 мкм), составляющих бόльшую часть шихты.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ переработки алюмокремниевого сырья [3], включающий загрузку сырья в смеситель-гранулятор, его увлажнение, перемешивание и грануляцию в смесителе-грануляторе с вращающейся с постоянной скоростью цилиндрической чашей и роторной мешалкой. При этом в процессе увлажнения сырья скорость вращения роторной мешалки увеличивают прямо пропорционально количеству введенного увлажнителя от 5 до 50 м/с, а после образования гранул в смеситель-гранулятор дополнительно вводят измельченное алюмокремниевое сырье в количестве 10-50% от массы шихты при скорости вращения роторной мешалки 5-25 м/с.
Недостатками известного способа являются: периодический режим работы смесителя гранулятора (смесителя Айриха), низкий выход гранул требуемого размера, необходимость регулирования скорости вращения ротора с использованием его весьма высокой конечной скорости вращения, что технически сложно осуществить в крупном высокопроизводительном агрегате, низкий выход высокосферичных гранул из-за осуществления конечной добавки порции исходного сырья в тот же смесительный агрегат, где при интенсивном воздействии ротора гранулы, потерявшие пластичность в результате «опудривания» сухим сырьем, частично разрушаются, а кратковременность интенсивного периода обработки комкуемой массы приводит к получению низкой сферичности гранул и недостаточной их плотности в сырце, что вызывает высокую усадку в обжиге и образование усадочных трещин с соответствующим падением прочности гранул.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение выхода плотных сферичных гранул с высокой степенью округлости и увеличение их прочности после обжига.
2
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления керамических проппантов, включающем измельчение сырьевой смеси, гранулирование полученной тонкомолотой шихты, отсев гранул заданного размера, их сушку, обжиг и классификацию, гранулирование осуществляют в турболопастном смесителе в течение 6-35 сек интенсивным круговым перемещением массы, обеспечивающим нормальное ускорение ее частиц от 500 до 2500 м/с с увлажнением шихты от 50 до 90% от требуемого и, после вылеживания в течение 0,5-6 мин, гранулы доводят до требуемой сферичности в тарельчатом грануляторе с добавлением остального количества увлажняющего раствора. Кроме того, гранулы доводят до требуемой сферичности, округлости и плотности интенсивным воздействием погружных турбин тарельчатого гранулятора, количество которых должно быть не менее двух, а высеянные при классификации гранулы с размерами меньше требуемых возвращают в процесс гранулирования как дополнительные зародыши гранул. В качестве увлажняющего раствора для шихты используют водный раствор ПАВ с добавлением различных неорганических клеев на основе жидкого стекла или фосфатов.
Интенсивный режим обработки массы заключается в высокой скорости ее кругового движения по внутренней поверхности цилиндрического корпуса турболопастного смесителя. При этом переувлажненные комки массы разбиваются на мелкие зерна обломочной формы и, прокатываясь по внутренней поверхности корпуса и воздействуя на соседние зерна, формуются в сферические гранулы. Более совершенная формовка происходит при достаточно высокой центробежной силе, с которой движущаяся частица воздействует на корпус смесителя. Эта сила выражается произведением массы частицы и нормального ускорения, пропорционального квадрату линейной скорости частицы и обратно пропорционального радиусу кривизны траектории частицы. В турбосмесителе диаметр ротора и корпуса, по внутренней поверхности которого движется частица, практически одинаковы в отличие от смесителя периодического действия, используемого в известных аналогах, где диаметр корпуса в 3-4 раза больше диаметра ротора. Из приведенных соотношений следует, что достижение требуемых формующих сил в турбосмесителе обеспечивается при скоростях вращения ротора ~ в 3 раза меньших, чем в смесителе Айриха.
Другим отличительным фактором является длительность интенсивного периода обработки массы, так как в известном способе конкретный фрагмент массы претерпевает чередующиеся моменты интенсивного воздействия и спокойного состояния. Проходя через зону действия ротора, частицы отбрасываются лопастями и прокатываются по стенкам чаши с быстро угасающей скоростью, затем наступает период спокойного перемещения массы. Соотношение интенсивного и спокойного периодов составляет ~1:20. При длительности наиболее активной работы ротора 1,5-2,0 мин общее время интенсивного воздействия на каждый фрагмент массы не превышает 6 с, что недостаточно для получения высокой плотности и сферичности гранул. В предлагаемом способе реализуется относительно длительный (6-35 с) период активного гранулирования с получением более совершенных и плотных гранул.
Получаемая при интенсивном гранулировании масса содержит от 20 до 70% зародышей и гранул, что зависит от степени увлажнения шихты в турбосмесителе, а остальной материал представляет собой влажную мелкодисперсную шихту.
Промежуточное вылеживание массы способствует полноте завершения поверхностных процессов смачивания частиц шихты, снижению воздухововлечения и активизации коагуляции частиц с существенным уменьшением толщины водных прослоек между твердыми частицами, что повышает плотность и прочность сырых гранул и зародышей. Время вылеживания зависит от вещественного состава и дисперсности шихты, пористости частиц, состава увлажняющего раствора.
При дальнейшей накатке в тарельчатом грануляторе достигается высокая эффективность процесса корректировки формы и поверхности гранул, увеличения выхода кондиционных гранул, а также их выращивание до требуемого размера за счет присутствующей в массе полусухой шихты, чему способствует дополнительное введение увлажняющего раствора в тарельчатый гранулятор, обеспечивающее поддержание оптимальной влажности массы и исключающее нарушения структуры гранул, в частности образование сферической слоистости. Кроме того, предлагаемое решение обеспечивает условия, при которых в тарельчатом грануляторе могут быть использованы погружные высокоскоростные турбины для повышения качества грануляции в отличие от известного способа, где процесс выращивания гранул осуществляется с использованием добавляемой сухой шихты, что влечет потерю пластичных свойств окатышей после «опудривания» и даже при щадящем режиме работы ротора приводит к разрушению большого количества гранул. Эффективность турбовоздействия обеспечивается длительностью обработки массы, которая по расчету является оптимальной при использовании двух турбоактиваторов и производительности грануляции 2 т/ч, т.е. при времени пребывания массы в грануляторе диаметром 3 м не менее 9 мин. При меньшем времени гранулирования требуется установка трех и более турбоактиваторов. Повышению выхода гранул требуемого размера способствует регулирование количества возвращаемых на грануляцию мелких гранул - зародышей, высеянных при классификации сырых гранул.
Указанные в предлагаемом способе пределы параметров определены экспериментально и выход за эти пределы снижает качество продукции или отрицательно сказывается на экономичности процесса и ресурсе оборудования.
Возможность осуществления изобретения подтверждается примерами конкретного выполнения.
Изготовление сырых гранул размером 16/20 (1,2-0,85 мм) проводили на экспериментальной технологической линии, обжиг магнезиальносиликатных гранул осуществляли при температуре 1240°С, алюмосиликатных - при 1380 °С.
Исходными материалами служили молотые в турбомельнице сырьевые смеси на основе кальцинированных серпентинита и глины следующих составов, мас.% (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав сырьевых смесей
Состав
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SiO<sub>2</sub>
CaO
TiO<sub>2</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
MgO
R<sub>2</sub>O
Остальное
Магнезиальносиликатный
4,6
57,5
1,4
0,3
6,2
27,5
0,6
1,9
Алюмосиликатный
48,6
45,4
0,6
2,2
2,3
0,2
0,3
0,4
Средний размер частиц молотой сырьевой смеси 5-10 мкм. В качестве увлажняющего использовали 1% раствор неорганического клея - триполифосфата натрия и 0,2% ПАВ - суперпластификатора С-3.
2
В турболопастной смеситель дозировали сырьевую смесь в количестве 2 т/ч и подавали связующий раствор для получения массы с массовой долей влаги от 6,5 до 12%. Скорость вращения турбины ступенчато варьировали, изменяя нормальное ускорение частиц массы от 500 до 2500 м/с. Время обработки массы изменяли от 6 до 35 сек путем переноса точки ввода связующего, задавая тем самым длину пути увлажненной массы вдоль смесителя. Диаметр корпуса турбосмесителя 320 мм, длина между осями входной и выходной точек 1000 мм, количество форсуночных гнезд 8, равноудаленно расположенных вдоль смесителя.
Влажные гранулы из смесителя направляли в промежуточный бункер для вылеживания и далее в тарельчатый гранулятор, куда одновременно подавали увлажняющий раствор для доведения влажности массы до 13,2-13,4%. Масса в тарельчатом грануляторе подвергалась воздействию погружных турбоактиваторов для дополнительного уплотнения гранул. Готовые гранулы непрерывно пересыпались через борт окомкователя, поступали в классификатор для отсева мелких гранул и возврата их на гранулирование в качестве зародышей, а кондиционные по размеру гранулы фракции 16/20 (1,2-0,85 мм) подавали в сушильный агрегат для подсушки до остаточной влажности менее 5% и далее на обжиг до спекания.
3
Полученные сырые гранулы и проппанты сравнивались по следующим показателям качества: сферичность, округлость, насыпная плотность. Обожженные гранулы - проппанты во фракции 16/20 оценивались также по степени разрушения при нагрузке 7500 psi. Для сравнения полученных результатов приведены свойства гранул, изготовленных в соответствии с известным способом в смесителе Айриха с объемом рабочей камеры 0,8 м(см. табл.2 и 4).
Таблица 2
Параметры изготовления магнезиально-силикатных гранул
Наименование и величина параметра
Номера примеров
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Длительность интенсивной накатки, сек:
6
+
20
+
+
+
+
+
+
+
35
+
Массовая доля связующего раствора, добавленного в турбосмеситель, %:
50
+
75
+
+
+
+
+
+
+
90
+
Нормальное ускорение, м/с<sup>2</sup>:
500
+
1500
+
+
+
+
+
+
+
2500
+
Время вылеживания, мин:
0,5
+
3
+
+
+
+
+
+
+
6
+
Массовая доля связующего раствора, добавленного в тарельчатый гранулятор, %:
10
+
25
+
+
+
+
+
+
+
50
+
Таблица 3
Параметры изготовления алюмосиликатных гранул
Наименование и величина параметра
Номера примеров
10
Длительность интенсивной накатки, сек:
20
+
Массовая доля связующего раствора, добавленного в турбосмеситель, %:
75
+
Нормальное ускорение, м/с<sup>2</sup>,
1500
+
Время вылеживания, мин
3
+
Массовая доля связующего раствора, добавленного в тарельчатый гранулятор, %:
25
+
Таблица 4
Свойства проппантов фракции 16/20
Примеры
Свойства гранул после сушки
Свойства проппантов после обжига
Сферичность
Округлость
Насыпная плотность, г/см<sup>3</sup>
Насыпная плотность, г/см<sup>3</sup>
Разрушение проппантов при нагрузке сжатия 7500 psi,  мас.%
1
0,90
0,90
1,30
1,58
7,9
2
0,90
0,90
1,34
1,59
7,5
3
0,90
0,90
1,34
1,62
7,4
4
0,90
0,85
1,29
1,57
9,1
5
0,90
0,90
1,37
1,60
7,3
6
0,90
0,85
1,38
1,57
9,4
7
0,90
0,90
1,39
1,59
7,7
8
0,90
0,85
1,28
1,56
8,0
9
0,90
0,90
1,40
1,58
8,2
Аналог №2133716 магнезиальносиликатный
0,85
0,80
1,21
1,52
11,4
10
0,90
0,90
1,26
1,61
9,7
Аналог п. №2129987 алюмосиликатный
0,85
0,85
1,18
1,56
13,2
Полученные результаты свидетельствуют о повышении качества гранул, изготовленных по предлагаемому способу, по сравнению с близким аналогом (пат. РФ №2129987), что выражается в повышении сферичности, округлости и насыпной плотности гранул и, главное, в существенном росте прочности готовых проппантов. Эффект достигнут за счет более продолжительной интенсивной обработки гранулируемой массы, оптимизации времени смачивания шихты, получения плотных зародышей и выращивания гранул по заданному размеру в условиях стабильной влажности.
Список литературы
2
3
2
1. Снегирев А.И., Слободин Б.В. Технология производства и свойства сферических гранул в системе MgO-AlO-SiO // Огнеупоры и техническая керамика. 1998. №10. С.21-23.
6
2. Способ производства высокопрочных сферических керамических гранул: Пат. 2133716 Россия, МПК C04B 20/04 / Мигаль В.П., Можжерин В.А., Новиков А.Н. и др. Опубл. 27.07.99. Бюл. №21.
6
3. Способ переработки алюмокремниевого сырья: Пат. 2129987 Россия, МПК C01F 7/38, B01J 2/12 / Симановский Б.А., Розанов О.М., Можжерин В.А. и др. Опубл. 10.05.99. Бюл. №13.