СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУРИРОВАННОГО ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОГО ВЯЖУЩЕГО
METHOD OF PRODUCING STRUCTURED ORGANOMINERAL BINDER

Изобретение относится к экологически чистым технологиям получения вяжущего вещества из сырья природного происхождения, а именно из торфа, и может быть использовано при брикетировании материалов, в частности для изготовления топливных и технологических брикетов из различных мелкодисперсных материалов природного и искусственного происхождения.
Вяжущие (клеящие) свойства торфа обусловлены содержанием в нем гуминовых веществ. Для изготовления из торфа технологических продуктов с вяжущими свойствами, смесь из торфа и воды подвергают различного рода обработкам с целью активации действия гуминовых веществ. В основном вяжущее получают в технологии изготовления брикетов, что можно объяснить, по-видимому, тем, что торфяное вяжущее не подлежит хранению и транспортировке.
Известен, например, способ получения связующего, являющийся частью способа изготовления топочных брикетов (Патент РФ №2195401, опубл. 2002 г.) [1]. Для получения связующего торф измельчают, истирают, дробят во влажной среде, вываривают и превращают в однородную массу из частиц размером от 0,01 до 10 мкм. Для получения топочных брикетов в массу связующего вводят наполнитель в соотношениях от массы 1:0,01 до 1:20, перемешивают при эксплуатационной влажности от 3 до 97% и помещают в жесткую форму, где подвергают регулируемым динамическим нагрузкам с определенной частотой и силой ударов. Судя по размеру частиц полученной торфяной массы, структура торфа в процессе обработки не изменяется, что не позволяет говорить о высоких вяжущих свойствах полученного связующего.
Известен способ изготовления связующего, являющийся частью способа брикетирования торфяного кокса (SU №30674, опубл. 1933 г.) [2]. Вяжущее готовят обработкой смеси торфа с водой в водяной коллоидной мельнице, в результате чего получают торфяную эмульсию, влажность которой не позволяет использовать ее в качестве связующего для брикетирования кокса. Эмульсию подвергают обезвоживанию до некоторого определенного процента влаги. Необходимость удаления излишней влаги из торфяной эмульсии требует специального оборудования, а также временных и трудовых затрат.
Известен способ получения связующего в виде 2-9% водной суспензии торфа (SU №1715829, опубл. 1992) [3]. Способ применяют в процессе изготовления брикетированного топлива. Отходы торфа любых размеров загружают в лабораторный массной ролл, добавляют горячую воду, и перемешивают до получения гомогенной массы. Полученную торфяную суспензию перемешивают с измельченными древесными отходами (опилками или стружками размером до 15 мм) при 25±5°C в течение 3-5 мин до образования гомогенной массы, из которой затем формуют брикеты при 0,04±0,01 МПа и 25±5C и сушат при 100-130°C. Массной ролл представляет собой чан, внутри которого вращается цилиндр, снабженный стальными ножами. Этот аппарат характеризуется высоким энергопотреблением при недостаточно эффективном размоле массы.
Известен способ получения связующего, применяемый в процессе изготовления топливных брикетов (RU №2413755, опубл. 2011 г.) [4]. Связующее получают из водоторфяной смеси, которую по меньшей мере один раз пропускают через диспергатор (кавитатор) при перепаде давления на диспергаторе от 0,1·105 до 25·105 Па. Как указано в описании к данному патенту, процентное соотношение торфа и воды может быть различным в зависимости от конструкции диспергатора и мощности привода диспергатора, хотя согласно описанию, оптимальным соотношением твердого торфа и воды является 1:2,6 сответственно, при котором вяжущее имеет консистенцию негустой сметаны. Проходящая через диспергатор смесь подвергается кавитационной обработке - воздействию высокого давления в тысячи атмосфер. Обработанную смесь смешивают с углеродсодержащим материалом и брикетируют известными способами. В качестве углеродосодержащего материала могут использовать торф, опилки, уголь, всевозможные отходы (в частности, помет) и их смеси. В примере описания к патенту [4] в качестве такого материала приведен торф.
Использование кавитационных диспергаторов для эффективного измельчения твердой фазы и смешивания ее с жидкой фазой с получением качественной однородной массы известно. Принцип действия таких аппаратов основан на явлении кавитации, представляющем образование в жидкости заполненных газом каверн, или полостей, при «захлопывании» которых возникают ударные волны, приводящие к разрушению твердых тел и эмульгированию жидкости. Этот процесс происходит за счет перепада давления, создаваемого в аппарате. Необходимо отметить при этом, что условия создания явления кавитации различны. В описании способа [4] пишут о давлении в тысячи атмосфер и высокой, в несколько тысяч градусов, температуре. Эти данные вызывают сомнения в возможности реализации данного способа, т.к. при температуре свыше 100 вода начинает испаряться, а торф - гореть.
Таким образом, известные способы получения вяжущего из торфа характеризуются многостадийностью, необходимостью в дополнительном специальном оборудовании, энергоемкостью, а также неразрывностью с последующим процессом брикетирования, исключающим применение полученного вяжущего для различных технологических процессов.
Задача настоящего изобретения - получение вяжущего, как готового продукта, позволяющего использовать его для различных технологических процессов при упрощении технологии его получения. Поставленная задача решается тем, что способ получения структурированного органоминерального вяжущего вещества включает по меньшей мере однократное кавитационное диспергирование смеси торфа и воды, при этом диспергированию подвергают смесь при соотношении торфа к воде 1:4-1:4,5, диспергирование смеси ведут до температуры 80-90°C, полученную смесь охлаждают до комнатной температуры.
-4
-6
Заявленное соотношение торфа и воды в пределах 1:4-1:4,5 способствует такому истечению торфяной смеси в диспергаторе, которое обеспечивает быстрый ее нагрев. Процесс диспергирования торфяной смеси, осуществляемый в кавитационном аппарате до температуры от 80 до 90°C, и охлаждение полученной смеси до комнатной температуры приводит к получению вяжущего, представляющего собой коллоидную систему с размером частиц 2×10-2×10. Визуально - это желеобразная «паста в оболочке», которая будучи охлажденной до комнатной температуры представляет собой структурированный органоминеральный готовый к применению продукт. Между пастой и стенками емкости визуально определяется наличие неиспаряемой жидкости неисследованной природы, которая, по-видимому, создает на поверхности продукта пленку, защищающую продукт от воздействия кислородсодержащей среды и обеспечивает сохранение вяжущих свойств в течение длительного времени. Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в сохранении вяжущих свойств продукта в течение длительного времени при упрощении технологии его изготовления.
Способ осуществляли в кавитационном аппарате, представляющем собой пульсационный насос, рабочее колесо которого имеет внутреннюю полость, снабженную лопатками, и каналами, соединяющими полость с внешней боковой поверхностью колеса (RU 2386471, публ. 20.04.2010 г.) [5]. Принцип действия данного аппарата следующий. На внешней боковой поверхности колеса имеется вихревой излучатель, в качестве которого на внешней боковой поверхности колеса выполнены тангенциальные, сужающиеся в направлении выхода жидкости, щелевидные каналы, которые относительно направления вращения ротора имеют передние и задние стенки, при этом на передних стенках со стороны выхода жидкости выполнена фаска. При вращении рабочего колеса обрабатываемая жидкотекучая среда поступает во внутреннюю полость колеса, где, взаимодействуя с рабочими лопатками, получает вращательное движение. Под действием центробежных сил поток среды получает значительное приращение радиальной скорости, зависящее от частоты вращения колеса и его диаметра. При движении по щелевидным каналам жидкотекучая среда получает дополнительное приращение скорости как за счет действия центробежных сил, так и за счет сужения поперечного сечения каналов. При выходе из каналов жидкотекучая среда за счет фаски направляет поток в сторону заданного вращением колеса движения, и резко расширяя конфигурацию канала, существенно меняет давление в обрабатываемой среде, вследствие чего возникает мощное турбулентное движение, сопровождающееся явлениями кавитации и интенсивным излучением звуковой и ультразвуковой энергии.
В представленных примерах, иллюстрирующих заявленный способ, используют низинный с высокой степенью разложения торф с торфяного месторождения Замараевское II №744 по справочнику и карте административной единицы г. В-Пышма Свердловской области. Торф подвергали грохочению с использованием вибросита с ячейкой 5 мм до получения торфяной крошки размером до 5 мм. Для получения 1 тонны связующего отвешивали 200 кг полученной торфяной крошки. По примеру 1 брали 800 л а по примеру 2 - 900 л воды. В бак-мешалку при комнатной температуре заливали воду и включали двигатель пульсационного насоса. В движущийся поток воды порциями подавали торфяную крошку. Диспергирование проводили в одну стадию. В процессе диспергирования измеряли температуру обрабатываемой смеси. При достижении смесью температуры 80°C по примеру 1 и 90°C - по примеру 2, обработанную смесь сливали в промежуточную емкость для дегазации и остывания до комнатной температуры. Через 1,5-2 суток продукт является готовым к хранению и транспортировке. Продукт имеет вид желеобразной пасты коричневого цвета и представляет собой готовое к применению вяжущее. Вяжущее, изготовленное по примеру 1, испытывала компания, производящая топливные брикеты. Был опробован брикет, полученный прессованием смеси, содержащей 25% полученного вяжущего и нефтекокса. Брикет имел теплоту сгорания 31,045 ГДж/тонну и был признан топливом, пригодным для сжигания в печах цементного завода. Вяжущее, изготовленное по примеру 2, испытывала металлургическая компания. Результаты испытаний показывают, что брикет, полученный из смеси, содержащей 20% структурированного органоминерального вяжущего и брикетируемой аглошихты, приводит к увеличению вертикальной скорости спекания агломерата, при этом выход годного агломерата увеличивается, а содержание мелочи класса 5-0 мм снижается. Минимальный срок хранения вяжущего по предварительным данным, составляет 2 недели.
Таким образом, заявленный способ позволяет получать вяжущее, как готовый продукт, позволяющий использовать его для получения брикетов, применяемых в различных технологических процессах при упрощении технологии его получения. Вяжущее можно изготавливать и в условиях технологии производства брикетов. Большое содержание гуминовых веществ в заданном объеме вяжущего и коллоидно-дисперсионный состав позволяют связывать, а затем и брикетировать различные мелкие материалы, такие как древесные опилки, мелочь древесного угля, мелочь каменного угля, торфяную крошку, пыль с пылеуловителей, коксовая мелочь, графит и др.