Способ и устройство для подготовки сырья в производстве строительных материалов
METHOD AND DEVICE FOR PREPARATION OF RAW MATERIALS FOR MANUFACTURE OF CONSTRUCTION MATERIALS

Изобретение относится к малоотходным и ресурсосберегающим технологиям в производстве строительных и отделочных материалов, а также к экологии. В частности, к способам и устройству для подготовки сырья растительного и нерастительного происхождения сухим способом размола в производстве строительных и отделочных материалов и переработки отходов различных существующих производств.
В рамках данного изобретения предлагается подготовка кусковых отходов растительного и не растительного происхождения способом измельчения (размол, роспуск) на ножевой роторной мельнице. Этот способ позволяет получить из кусковых отходов полуфабрикаты различной степени разработки, исключая технологические операции увлажнения и пропаривания. Гранулометрический состав и придаваемые свойства волокнистых полуфабрикатов, полученного на роторной мельнице предлагаемым способом, позволяет участвовать ему в процессе получения готовой продукции не только в качестве наполнителя, но и как связующего компонента. Это происходит при отсутствии высоких температур, избыточного давления, без добавления химических добавок, без использования пара и воды.
Для подготовки растительного сырья существует три способа: в ножевых мельницах (роллах, конических, дисковых, молотковых и др.) на которых получают рафинерную массу, на дефибрерных камня, на которых получают дефибрерную массу и безножевой способ с отсутствием ножевых органов («струя-преграда», гидроразбиватель Пашке, роторно-пульсационные, акустические, кавитационные, виброинерционные машины др.).
На процесс размола в быстроходных дисковых мельницах на древесную суспензию оказывают воздействие силы резанья, мятия, сдвига, сжатия и трения, а также характер этих сил. Силы сжатия, мятия, сдвига вызывают абсорбцию энергии и приводят к ослаблению связи между волокнами. Безножевой размол, по сравнению с ножевым, обеспечивает более мягкий, щадящий режим обработки, что особенно важно для волокон. Безножевые методы и устройства для размола массы основаны на явлениях, протекающих в жидкостях и вызванных действием различных гидродинамических факторов.
Перечисленные способы используются в основном для переработки первичного растительного сырья и не эффективны для подготовки вторичного сырья.
В таких машинах волокна повторно подвергаются сильным рубящим воздействиям и раздавливанию, что в конечном итоге приводит к укорачиванию средней длины волокна, к снижению прочностных показателей готовой продукции и высоким энергозатратам. Процесс проходит с использованием насыщенного пара, воды, избыточного давления, высокой температуры, химических добавок.
Известен способ получения древесноволокнистой массы на рафинере [1], в котором подготовка сырья осуществляется по способу «Бауэра». Способ включает размол, предварительно прошедшей термическую обработку технологической щепы, в размольной камере с размалывающими дисками, где происходит разделение на волокна технологической щепы между двумя вращающимися в разные стороны размалывающими дисками.
Недостатком данного способа является, получение древесноволокнистых полуфабрикатов, не способных в дальнейшем обеспечить достаточное переплетение волокон и структурирование готовой продукции, что снижает ее качество.
Известен способ получения дефибрерной древесной массы, наиболее близкий к заявляемому, в котором подготовка сырья осуществляется путем измельчения древесного сырья дефибрерным камнем, вывода дефибрированного древесного сырья из зоны дефибрирования, подачи воды в ванну для очистки камня с его охлаждением и удаления отработанной охлаждающей воды [2]. Вывод дефибрированного древесного сырья из зоны дефибрирования осуществляют под действием центробежной силы, а далее масса, направляемая шабером, поступает в общий поток. Дефибрированное древесное сырье частично попадает в ванну охлаждения. Туда же поступает и вода, подаваемая спрыском на поверхность камня в зоне вывода дефибрированного древесного сырья. Таким образом, охлаждающая вода в ванне содержит достаточно большое количество дефибрерной массы, которая захватывается поверхностью камня, что приводит к повторной обработке сырья в зоне истирания и ухудшает качество готового продукта.
К недостаткам способа относиться отсутствие возможности получение полуфабриката с высокой степенью помола, т.е. с высокими физико-механическими показателями.
Основными рабочими органами размольного оборудования для подготовки растительного сырья являются гарнитуры.
Известна гарнитура размалывающей машины для обработки длинноволокнистых материалов. С целью повышения эффективности обработки гарнитура выполнена из трех пар колец, закрепленных на диске статора и ротора. Выступы каждого ряда каждого концентрического кольца выполнены с углом при вершине, уменьшающимся к периферии диска [3].
Недостатком указанного устройства является недостаточно высокая эффективность при размоле волокнистой массы, т.к. происходит проскальзывание волокна (щепы) по рядам выступов, изготовленных в виде клиньев. Верхушки клиньев быстро затупляются. Кроме того, в связи со сложностью рисунка ножей значительно усложняется и процесс их изготовления, так как при изготовлении гарнитуры применяют механический способ обработки.
Известна молотковая дробилка [4] для размола не растительных материалов, содержащая дробильную камеру измельчения с нижней конической частью, расположенный в ней, с кольцевым зазором, ротор, с вертикально ориентированной осью вращения, с закрепленными на нем рабочими элементами, цилиндрическое вертикально ориентированное сито, размещенное на каркасе, установленном на подвижной раме, установленной с возможностью перемещения в вертикальном направлении на направляющих с приводом от пневмоцилиндров, расположенных в нижней части дробилки.
Основным недостатком такой конструкции является то, что в рабочем состоянии штоки пневмоцилиндров выдвинуты и находятся внутри камеры измельчения, в связи, с чем подвергаются износу и прямому влиянию продуктов измельчения, снижая работоспособность системы в целом. Кроме того, направляющие, по которым происходит скольжение рамы, также находятся внутри камеры измельчения и подвержены тем же отрицательным влияниям, что и штоки пневмоцилиндров - износу, коррозии и химическим реакциям от измельчаемых продуктов.
Известно устройство гидроразбиватель Пашке. В гидроразбивателе Пашке можно приготовлять полностью распущенную массу из неклееного оборотного брака, жиронепроницаемой бумаги, картонного брака, прочей труднораспускаемой макулатуры и вторичного древесного волокна [5].
К недостаткам гидроразбивателя Пашке относятся: большое энергопотребление для реализации роспуска вторичного древесного волокна, невозможность обрабатывать все волокносодержащие древесные отходы с различных участков их образования в производствах в виду их различных свойств, необходимость их предварительного измельчения в крошку, замачивание и перекачка массы в массный бассейн и т.д.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство, для размола древесноволокнистого материала имеющее в своем составе конический ротор, имеющий на валу дебалансный вибратор и статор. В рабочей полости имеется участок предварительного дробления, который расположен перед участком размола, и на котором ширина зазора между поверхностью корпуса и поверхностью ротора уменьшается в осевом направлении в сторону выгружного патрубка [6].
Недостатком известного устройства является сложность конструкции и получение древесноволокнистых полуфабрикатов непригодных для изготовления готовой продукции ввиду чрезмерного укорочения волокна и пучков волокон с малой степенью фибриллирования.
Таким образом, существующие способы и устройства для размола растительного и не растительного сырья не позволяют получать полуфабрикаты с необходимыми качественными характеристиками воздушной среде. Полуфабрикаты, подготовленные таким образом, требуют дополнительного роспуска, или процесс происходит в присутствии воды, насыщенного пара, высокой температуры и избыточного давления.
Изобретение решает задачу подготовки полуфабрикатов из растительного и нерастительного сырья при производстве строительных и отделочных материалов сухим способом размола.
Единым техническим результатом изобретений является разработка простого и дешевого способа и устройства для подготовки полуфабрикатов сухим способом размола в воздушной среде, без использования воды, насыщенного пара, химических реагентов, давления и температуры позволяющего разрабатывать растительные и не растительные отходы.
Указанный единый технический результат достигается тем, что способ для подготовки сырья в производстве строительных материалов, включает измельчение, размол, роспуск и фибриллирование между размольными ножами, причем измельчение и размол сырья происходит между ножами ротора и статора, а роспуск и фибриллирование осуществляется в воздушной среде в размольной камере между ножом ротора и сепаратором согласно законам аэродинамики.
Устройство для подготовки сырья в производстве строительных материалов, включает размольную камеру, ротор, размольные ножи, при этом, в корпусе размольной камеры с торцов установлены сепараторы для фракционирования по гранулометрическому составу, внутри размольной камеры установлен сепаратор для фибриллирования, внутри которого установлен ротор с установленными на нем цапфами, на которых в шахматном порядке закреплены ножи ротора с возможностью регулирования их по высоте для регулирования величины зоны размола, а по образующей сепаратора установлены ножи статора.
В предлагаемом способе, по сравнению с существующими способами, возможна подготовка полуфабрикатов в отсутствии высоких температур, избыточного давления, без добавления химических добавок, без использования пара и воды. В процессе обработки происходит разделение полуфабрикатов на отдельные волокна без значительного их повреждения и укорочения, за счет законов аэродинамики происходит роспуск, мятие, разбивание и фибриллирование.
Подготовка сырья до заданного гранулометрического состава включает подачу сырья через загрузочное устройство в рабочие зоны машины по касательной к очерковой ротора, противоположно направлению его вращения. При этом выступающие ножи ротора, расположенные в шахматном порядке, отрезают часть сырья, ширина которой равна величине установленного зазора между ножами ротора и статора. В дальнейшем отрезанная часть полуфабриката попадает в рабочее пространство между ножами ротора и ножами статора, а также между режущими кромками ротора и сепаратора, где при перемещении ножа по торцу отрезанного пятачка и разницы длины отделяемого по направлению волокон в начале и конце врезания ножа обусловлены размерные параметры различных фракций полуфабриката по всей его длине. Таким образом, регулируя (изменяя, устанавливая) зазор между ножом ротора и ножом статора, можно обеспечить преобладание той или иной фракции и влиять на удельную поверхность подготавливаемого полуфабриката.
Во время процесса происходит соударение, разбивание, истирание, фибриллирование волокнистых полуфабрикатов в воздушной среде и разделение на пучки волокон и отдельные волокна благодаря интенсивному воздействию на материал.
Во второй зоне осуществляется размол в воздушной среде рабочей камеры размольной машины в зазоре между ножами ротора и поверхностью сепаратора, сопровождающийся аэродинамическими процессами. Попав в рабочую зону, полуфабрикат движется по касательной окружности ротора и ударяется о внутреннюю поверхность сепаратора, меняя направление вектора движения вектора. Дальнейшее направление вектора движения полуфабриката будет определяться точками столкновения с ножом ротора и сепаратора.
Согласно законам аэродинамики происходит роспуск, мятие, разбивание и фибриллирование. В результате, предлагаемая размольная машина сочетает явления и процессы, протекающие как при размоле в быстроходных ножевых мельницах, так и ролле, только в воздушной среде.
В качестве сырья для размола, подготавливаемого сухим способом, возможно использовать растительные материалы: щепа, дробленка, опилки, макулатуру, картон, древесноволокнистые отходы, кору, отходы сельского хозяйства, тростник, камыш, однолетние растения, мискантус и др. и не растительные материалы: стекло, полиэтиленнафталат, отходы автомобильной промышленности, вермикулит и другие минералы.
Система расположения ножей на роторе обеспечивает минимальный рубящий эффект. В процессе измельчения происходит резание, рубка и раздирание кусковых отходов на мелкие фракции с последующим их истиранием и фибриллированием.
На чертеже изображено устройство для подготовки сырья в производстве строительных материалов
Способ разработки для подготовки сырья, таких как, кусковые отходы растительного и нерастительного происхождения с помощью сухого размола в производстве строительных и отделочных материалов заключается в следующем.
Размол сырья происходит между ножами ротора и статора, а истирание, разбивание и фибрилирование осуществляется в размольной камере между ножом ротора и сепаратором. Кусковые отходы подвергаются одновременному измельчению, резанью, раздиранию, расчесыванию и раздавливанию в рабочей камере устройства вследствие аэродинамических явлений. Исключается процесс замачивания и пропаривания.
Устройство для подготовки сырья в производстве строительных материалов, включает размольную камеру 1, ротор 2, размольные ножи ротора 3 и статора 4. Нож статора 4 имеет два угла скоса и крепится на боковых крышках корпуса регулировочными удерживающими устройствами (на чертеже не показано), при этом может быть установлено несколько ножей. На чертеже показан только один нож 4. В корпусе размольной камеры 1 с торцов установлены сепараторы 5 для фракционирования по гранулометрическому составу. Внутри размольной камеры 1 по образующей цилиндра (улитка) устанавливается еще один сепаратор 6 для фибриллирования - обеспечения процесса начеса и шероховатости на поверхности частиц и разделения полуфабрикатов по фракциям. Сепаратор 6 представляет собой перфорированную металлическую сетку с разными размерами ячеек, выполняющую роль сортировочного устройства разработанного материала по фракциям и его фибриллирования.
Ротор 2, с закрепленными на нем цапфами 7, установлен внутри сепаратора 6. На цапфах 7 в шахматном порядке, по очерковой, закреплены ножи ротора 3, с возможностью регулирования их по высоте, для регулирования величины зоны размола в зависимости от технологического режима размола, а ножи статора 4 установлены по образующей сепаратора 6.
Размольные ножи ротора 3 и ножи статора 4 могут быть выполнены различного геометрического исполнения в зависимости от того, какое сырье подвергается размолу. Весь размольный орган приводиться в движение трехфазным электродвигателем посредством клиноременной передачи (на чертеже не показано).
Пример 1. Кусковые материалы биобрак - отходы производства ДВП разрабатывают на предлагаемом устройстве. Кусковые материалы непрерывно подают через загрузочное устройство и подвергают одновременному измельчению, резанью, раздиранию, расчесыванию и раздавливанию ножами ротора и статора. Рабочий зазор регулируется ножом статора 4. Разработанный древесноволокнистый (растительный) полуфабрикат непрерывно удаляется из устройства, проходя через калиброванные отверстия сепараторов 6 и 5.
2
3
Сепарированный волокнистый материал подается в емкости с рабочей массой и далее поступает на изготовление древесноволокнистых плит. Полученное волокно фибриллировано, способно к связеобразованиям, фракционный показатель качества вторичного волокна 42 г., длинна волокна 17 мкм, удельная поверхность 345800 см/г, плотность плиты 850 кг/м.
Пример 2. Кусковые материалы полиэтилентерефталат (пищевые и технические бутылки) разрабатывают на предлагаемом устройстве. Кусковые материалы непрерывно подают через загрузочное устройство и подвергают одновременному измельчению ножами ротора и статора. Рабочий зазор регулируется ножом статора 4. Измельченный (нерастительный) полуфабрикат в виде полиэтилентерефталатовой крошки непрерывно удаляется из устройства, проходя через отверстия сепараторов 6 и 5. Сепарированная полиэтилентерефталатовая крошка подается в емкости с рабочей пресс-массой и далее подается на изготовление древесноволокнистых плит или арболитовых блоков. Фракционный показатель крошки 0,5 мм.
В таблице показана оценка эффективности процесса подготовки вторичных древесноволокнистых полуфабрикатов с использованием различного размольного оборудования.
Предложенный способ использования кусковых отходов растительного и нерастительного происхождения в производстве строительных и отделочных материалов является эффективной мерой утилизации отходов и снижения себестоимости готовой продукции и решает технологические, экономические и экологические задачи:
1) отсутствие необходимости использования пара и воды. Снижение потребления электроэнергии и трудозатрат;
2) экономия исходного сырья в производстве строительных и отделочных материалов;
3) возможность эффективно использовать отходы, способствуя решению проблемы их утилизации, улучшая экологическое состояние промышленных площадок предприятий, исключая загрязнение сточных промышленных вод;
4) снижение расходов предприятий на очистку промышленных площадок и вывозку отходов на полигоны.
Таким образом, размол сырья растительного и не растительного происхождения позволит значительно снизить затраты на получение полуфабрикатов и снизить себестоимость готовой продукции, сохранив при этом качественные характеристики получаемых готовых изделий с учетом используемых материалов.
Источники информации
1. Авторское свидетельство 2008135314/12, 29.01.2007, МПК D21D 1/30.
2. Авторское свидетельство SU 257291 А, кл. D21B 1/02, 10.04.1970.
3. Авторское свидетельство СССР № 798218, МКИ D21D 1/30, 23.01.81, бюл. № 3.
4. Патент WO 2008/135267 А1, МПК В02С 13/18, В02С 13/284, В02С 13/286, опубликован 13.11.2008.
5. Шитов Ф.А. Технология бумаги и картона. М. "Высшая школа", 1973 г., стр. 61.
6. Авторское свидетельство 2008137697/12, 19.09.2008, МПК D21B 1/04.