CC BY
29МакаренковД. А., канд. техн. наук, доц., Назаров В. И., канд. техн. наук, доц. Московского государственного университета инженерной экологии
РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗОБЖИГОВОГО СИЛИКАТНОГО ГРАВИЯ ИЗ ЗОЛОШЛАКОВЫХ И КРЕМНЕЗЕМИСТЫХ ОТХОДОВ МЕТОДАМИ КОМПАКТИРОВАНИЯ И ПРОКАТКИ НА РОТОРНЫХ ГРАНУЛЯТОРАХ*
makarenkovd@mail.ru
Рассмотрены вопросы получения гранулированного безобжигового силикатного гравия. Предложены методы определения оптимальной прочности прессовок и гранул. Определены структурно-деформационные характеристики получаемого гранулята. Приведен механизм образования плотно-прочных гранул при компактировании материала.
Для получения гранулята цилиндрической формы рекомендовано применять роторные гранулято-ры с плоской матрицей.
Ключевые слова: зола, шлак, прочность на раскалывание и сжатие, время хранения, сыпучесть, гранула, брикет, матрица, связующее, роторный пресс._
Экологическая ситуация в России определяется двумя факторами: уменьшением расхода на охрану окружающей среды и меньшими, чем ранее, масштабами хозяйственной деятельности. В 2011 году в целом по России образовалось более 130 млн т. отходов, из которых использованы и обезврежены только (35-40) %.
В общем объеме промотходов доля макулатуры, древесных и золошлаковых отходов составляет около 1%. Мелкодисперсность, много-компонентность и экологическая опасность этих отходов делает их переработку методами гранулирования важной народно-хозяйственной задачей.
Известно, что ввод связующих, добавок и механоактивация материала, позволяет перед гранулированием получить шихту с заданным набором характеристик, соответствующим параметрам определенной реологической модели среды [1, 2, 3, 4]. Качество компактированной и гранулированной шихты определяется прочностными характеристиками плитки, прессовок и гранул, что позволяет рассчитать силовые параметры основного и вспомогательного оборудования [1, 5].
Прочность гранулированных продуктов обычно определяют используя методы истирания и динамических нагрузок, а также методы статических испытаний [5].
Прочностные испытания позволяют сравнивать технологии гранулирования, эксплуатационные свойства гранул и выбирать оптимальные режимные параметры процесса их получения.
Из методов определения прочности часто выбирают вероятностно-статистический подход, используя способы разрыва прессовок или их раздавливания (раскалывания) по боковой образующей или по торцевой поверхностям. Значения прочности прессовок на разрыв и раскалывание отличаются большим разбросом. Более обоснованным и точным является метод испытаний на
диаметральное сжатие, основанный на использовании нагружающих плит кругового профиля (рис. 1). Такие плиты позволяют подбирать ширину зоны контакта таким образом, чтобы избежать разрушения вблизи поверхности контакта, а также предотвратить сложное ветвление при распространение трещин. Знание прочностных характеристик даже при отсутствии строгой физико-химической теории прочности материалов позволяет обоснованно проводить силовой расчет прессового оборудования.
Дефицит природных сырьевых материалов используемых в производстве наполнителей тяжелых бетонов, а также искусственных пористых обжиговых заполнителей, (керамзит, аглопорит и другие) привел к выпуску безобжиговых гранулированных заполнителей. Например, на основе зо-лошлаковых охтодов металлургических комбинатов разработана технология гранулирования окатыванием на тарели [6].
Ресурсом для заполнителей бетонов также являются золошлаковые отходы мусоросжигательных заводов, количество которых непрерывно растет. Особенностью золошлаковых отходов является их сложный минералогический, химический и гранулометрический состав [7]. Фракционный состав шлаков и золы с фильтров МСЗ составляет от 0,05 мм до 0,2 мм. с повышенным содержанием оксидов $Ю2, СаО, А1203, М^, К20, №20, что повышает их гидрохимическую активность. Следует также отметить опасность отходов мусоросжигания из-за наличия соединений класса полихлорированных бифенилов (типа ПХДД и ПХДФ), а также подвижных форм тяжелых металлов (свинец, кадмий, цинк, медь, хром). Однако процессы гранулирования и капсулирования позволяют их изолировать от твердой и водной среды.
В Московском государственном университете инженерной экологии совместно с ОАО «Мос-
ковский институт материаловедения и эффективных технологий» («ИМЭТ») разработана комплексная технология их утилизации. В качестве грануляторов могут использоваться валковые пресса с получением гранулята в виде плитки, а также дырчатые вальцы и роторные грануляторы с кольцевой или плоской матрицей. Они позволяют получать цилиндрические гранулы.
Комплексные исследование процесса прессования проводили в закрытой матрице, определяя при этом «уплотняемость» и «формуемость» золошлаковых шихт различных составов (табл. 1).
Таблица 1 Составы смесей при приготовлении
№ Компонент смеси %, Номер смеси
масс 1 2 3 4
1 Цемент 15 25 15 25
2 Зола 10 7 10 7
3 Шлак 70 49 70 49
4 Песок - 17 - 17
5 Известь 5 2 5 2
6 Удельная поверхность смеси 5 (см2/г) без помола - - 3631 2449
7 Удельная поверхность смеси 5 (см2/г) после помола с ме-ханоактивацией 6000 6000 - -
где Рр - разрушающее усилие, Н; с!^,, кт - диаметр и высота таблетки, м.
При нагружении плитами с цилиндрической выемкой (рис.1) пределы прочности на растяжение (раскалывание) и максимальное растягивающее напряжение определяются по зависимостям:
(Тп--
(3)
где С - толщина дискового образца; Ь - полуширина зоны контакта; Р - разрушающее усилие на оси нагружения диска.
Был реализован процесс одностороннего прессования в матрице с получением цилиндрических прессовок с плоскими торцами. Наряду с таблетками с гладкой поверхностью в закрытой матрице можно изготавливать брикеты. Для этого в верхних и нижних пуансонах выполняются углубления, моделирующие форму брикетов. В этих матрицах получали брикеты со сферической поверхностью диаметром 11 мм и 29 мм, при высоте брикета 4 мм и 20 мм, соответственно. Меняя профиль углублений в верхнем и нижнем пуансонах, можно отработать форму и размеры углублений и затем выполнять их на поверхности валка (или его сменного элемента). Это позволяет отработать конструкцию валка или сменного элемента с минимальными затратами на изготовление брикетного пресса.
При гранулировании насыпную плотность Ршс [кг/м3], исходную влажность \¥ [% масс.], плотность прессовки рпр или плитки рпл [кг/м3] определяли по стандартным методикам.
Предел прочности образца на растяжение (раскалывание) ор [МПа] определяли при его нагружении плоскими плитами или плитами с цилиндрической выемкой, прикладывая осевую нагрузку перпендикулярно боковой поверхности по формуле:
^Р 7ГХЙ„
*Кп
(1)
Рис. 1. Метод испытаний на диаметральное сжатие (а) и распределение контактных напряжений в диске, нагружаемом плитами кругового профиля (б) Исследования процесса компактирования методом прокатки с получением плитки проводили на валковом прессе ПБ320 160/160. Бункера загрузки шихты имели сечение 70x60 мм и 135x112 мм. Для различных типов шихты при непрерывном режиме работы в зависимости от режимных параметров компактирования определяли плотность и прочность плитки, производительность пресса и сыпучесть шихты.
При трехточечном нагружении (рис. 2) предел прочности прямоугольной плитки на поперечный изгиб (излом) определяли по формуле:
(Г = 3хРизгХ^Р (4)
°ИЗГ „ , ,2 (4)
где Рнз - разрушающее усилие, кг; Ьп - толщина и ширина плитки, см; г0 - расстояние между опорами, см.
Рис. 3. Схема нагружения плитки при трехточечном изгибе
Сыпучесть золошлаковых шихт определяли на валковом прессе со сменными бункерами и рассчитывали по формуле:
С =
(5)
Бшхтв
где Си - количество материала, просыпающегося за определенное время через установленный зазор, кг; 1Ъ - время высыпания шихты, с; 5Ш = кв ■ В - площадь сечения, образованного зазором меяеду валками и границами бункера, м2; Е! - длина зазора, м.
На рис. 3 приведены зависимости изменения плотности прессовок от удельного давления прессования и характеристик компонентов шихты. Влажность шихты (связующее вода) при исследовании изменялась от 5 % до 15 %. При насыпной плотности исходных порошков 900-1000 кг/м3 максимальная плотность прессовок составляет 2000-2100 кг/м3. Плотно-прочные прессовки начинают получаться в диапазоне давлений (5-10) МПа. Из сопоставления компрессионных кривых можно выделить кривые 1,4 и 5 (смеси без песка) с максимальной плотностью р„р=1900 кг/м3 при МПа. Дгя кривых 2
и 3 уже при />у^=10,3 МПа достигается плотность
1800-1900 кг/м3. Увеличение удельной поверхности шихты за счет помола с 2449 до 6000 см2/г не влияет на увеличение плотности прессовок.
1500 300
_ _ , 3 -
^ 5
Рис. 3. Зависимость плотности прессовок от удельного давления прессования и исходной влажности:
1 - смесь № 1, = 5 %; 2 - смесь №1, = 10 %; 3 - смесь № 1, = 15 %; 4 - смесь № 3, = 6 %; 5 - смесь № 3, = 11 %; 6 - смесь № 2, = 15 %; 7 - смесь № 4, =12,5 %
Известно, что диапазон рабочих давлений прессования на прессующем или формующем оборудовании определяется прочностью получаемых прессовок [1]. В то же время наличие в шихте вяжущих или протекание твердофазных реакций во время хранения гранул приводит к росту прочности прессовок и при меньших давлениях прессования.
На рис.4 приведены зависимости прочности прессовок от различных параметров. При времени хранения прессовок (1-2) часа и влажности \¥н=5% прочность прессовок на раскалывание ор =(0,1-0,4) МПа, (кривые 1, 2, 3 и 5). Увеличение влажности до (10-15)% для смесей без песка с повышенным содержанием шлака и золы приводит при увеличении давления от 5 МПа до 40 МПа к росту прочности прессовок в (1,7-5) раз (см. кривые 4 и 6).
Л
4
' 8___
.3 А 1
Руд, МПЗ
Рис. 4. Зависимость предела прочности прессовок на растяжение и сжатие от удельного давления и исходной влажности: 1 - ор смеси № 1, = 5 %; 2 - осж смеси № 1, = 5 %; 3 - ор смеси № 1, = 10 %; 4 - осж смеси № 1, = 10 %; 5 - ор смеси № 1, = 15 %; 6 - осж смеси № 3, = 10 %,
Уи IV /и, ^ — ^р
смеси № 1, = 15 %; 7
При большом времени хранения прессовок до 75 часов прочные гранулы получаются при давлении 10 МПа. При выдержки гранул в течении 1 часа прочность получается в 2 раза меньше, что объясняется недостатком влаги (смесь №1). Здесь влага расходуется на протекание твердофазных и обменных реакций между реакционно-способными частицами шихты.
Содержащиеся в золе и шлаке гидравлически активные фазы, обладающие вяжущими свойствами, (силикаты, алюминаты и ферриты кальция) оказывают минимальное воздействие на получаемую прессовку из-за недостатка влаги. Это приводит к образованию воздушных пор, сокращающих поверхность действия капиллярных сил. Необходимо отметить, что избыток связующей жидкости при прессовании многокомпонентных шихт также нежелателен, так как расклинивающий эффект водных прослоек возрастает и может превысить влияние капиллярных сил сжатия.
тхр = 72 ч; 8 - о
смеси № 4, = 15,5 %, тхр = 48 ч
Графическая зависимость сил сцепления частиц от соотношения «вода-шихта» носит экстремальный характер. Для исследуемых шихт оптимальный диапазон количества вводимого связующего составил от 5 % до 15 %.
Из кривой 7 (рис.4) видно, что у смеси №3 (без песка и с малой удельной поверхностью 8уд=3631 см2/г) величина осж при времени хранения тхр=72 ч величина возрастает 5,5 МПа. Установлено, что для данных структур увлажнение порошков обеспечивает увеличение прочности свободнодисперсной системы за счет ее перехода из бесструктурной системы в коагуляционную. При этом прочность слоя увлажненного порошка возрастает, несмотря на уменьшение числа межчастичных контактов. Возрастающие в слое шихты силы сцепления препятствуют перемещению и уплотнению частиц, что снижает плотность их упаковки.
Характер изменения от Руд (кривая 8) для смеси №4 с песком (8уд = 2449 см2/г) аналогичен изменению прочности смеси №3 (кривая 7). Следует заметить, что при небольшом времени хранения прочность после Руд = 17,5 МПа практически остается постоянной и осж= (2,5-2,8) МПа. Если прессовки хранятся больше 2 часов, то при достаточном количестве влаги ^исх =12,5-15,5%) протекают процессы твердения вяжущих различной природы. За счет этого прочность прессовок полученных при более высоких давлениях (Руд = 25- 30 МПа) больше исходной примерно в 2 -КЗ раза.
В общем случае наличие в шихте золы и шлака, содержащих оксиды CaO, Al2O3 и 8Ю2, а также цементного клинкера приводит к образованию прочных одноосновных силикальцитов. При этом за счет гидролиза и гидратации происходит твердение цементных растворов с образованием коллоидов гидросиликатов и гидроферритов.
Прочность сцепления частиц в гранулированных новообразованиях зависит как от наличия пластичных компонентов, пористости зерен материала, так и от механоактивации шихты, и, следовательно, от удельной поверхности. Эта зависимость аналогична формуле В.И. Коротича [8]:
(6)
[К х50хрудх(^))
где Руд - плотность материала; - удельная поверхность прессовки; е - пористость; К - коэффициент, учитывающий форму и характер укладки частиц в образце.
На рис. 5 и рис. 6 приведены зависимости изменения прочности от времени хранения.
На рис. 5 для смеси №2 можно выделить 3 семейства кривых: при удельном давлении Руд = 5,15 МПа (кривая 1), при «среднем» Руд = 10,3; 12,3 и 17,5 МПа (кривые 2, 3, 4) и при «высоком» Руд = 61,7 МПа (кривая 5). Установлено,
что для этой смеси с W„ = 9 %, а также диапазоне изменения влажности от 9 % до 15 % при тех же удельных давлений орас практически не растет после 24 часов хранения. Упрочнение прессовок здесь обеспечивается протеканием твердофазных и обменных реакций между компонентами шихты при силовом воздействии на смесь порошков с высокой удельной поверхностью.
Рис. 5. Зависимость предела прочности прессовок на раскалывание от времени хранения и удельного давления прессования (смесь № 2, Wн = 9 %): 1 - Руд = 5,15 МПа; 2 - Руд = 10,3 МПа; 3 - Руд =12,3 МПа; 4 - Руд = 17,5 МПа; 5 - Руд =61,7 Мпа
Рис. 6. Зависимость предела прочности на сжатие осж смеси № 4 от исходной влажности, удельного давления и времени хранения прессовок: 1 - ^ = 12,5%, Руд = 5,15 МПа); 2 - ^ = 12,5 %, Руд = 10,3 МПа); 3 - ^ =
12,5 %, Руд = 17,5 МПа); 4 - (М = 12,5 %, Руд = 41,5 МПа); 5 - ^ = 15,5 %, Руд = 5,15 МПа); 6 - ^ = 15,5 %, Руд =10,3 МПа); 7 - ^ = 15,5 %, Руд =17,5 МПа); 8 - = 15,5 %, Руд = 41,2 МПа); 9 - смесь № 1 = 15 %; Руд = 17,5 МПа) Для смеси №4 с малой удельной поверхностью (рис. 6) при влажности Wнсх = 12,5 % при давлениях от 5,15 МПа до 41,2 МПа наблюдается резкий рост осж в течение 3 часов хранения (кривые 1, 2 ,3, 4). В зависимости от величины Руд осж растет с 2 до 30 кг/см2. При влажности 15,5 % наблюдается плавный рост осж в течение 48 часов (кривые 5-8). Такое различие в динамике роста прочности объясняется тем, что при влажности от 10% до 12,5 % вся влага расходуется на твердение цементного клинкера золы и извести. Все давление здесь расходуется на создание плотно-прочной структуры. При влажности Wн = 15,5 % появляется избыток влаги, и давление прессования частично расходуется не на уплотнение структуры, а на выдавливание влаги из прессовки. Влага перераспределяется в объеме смеси и твер-
дение прессовки растягивается во времени. Увеличение удельной поверхности для смеси №1 без песка и при Wи =15 % (кривая 9) позволяет использовать все вяжущие компоненты смеси, что обеспечивает рост прочности прессовок во времени за 48 часов. При определении прочности прессовок с использованием профилированных плит было установлено, что их прочность при Ьт = (0,3 - 0,8)Бт в 1,3 - 1,6 раза выше, чем при разрушении плоскими плитами.
При прокатке шихты на многотонажных валковых и брикетных прессах надежность работы определяется сыпучестью шихты подаваемой из загрузочного бункера через зазор меяеду валками. При размере бункера 70X60 мм с диаметром гладкого валка 0В = 160 мм и зазором 14,5 мм смесь №1 при влажности 15 % имела низкую сыпучесть (100- 229) кг/м2с. У эмалевых шихт (грунтовых), содержащие около (40-59) % ваграночного шлака при влажности от 6 % до 8 %, имеют сыпучесть (600-900) кг/м2с. Для подачи золошлаковых порошковых смесей с низкой сыпучестью, чтобы исключить ее зависание в загрузочном бункере обычно используют вибратор.
Компактирование золошлаковых отходов проводили из смеси №1 с \¥н =16 %; при размере бункера 132X112мм. Толщина плитки в опытах составляла 3,4 и 6 мм при производительности 1270, 1350 и 1800 кг/ч, соответственно. Количество просыпи составляло от 5 % до 10 %. При этом была получена плотно-прочная плитка (о„=3-5 МПа; 1700 кг/.«3 ). ,Пдя модели-
рования работы брикетного пресса на специальной матрице при Руд = 18,8 и Руд =31,4 МПа и влажности 14 - 18% были получены эллипсоидные прессовки с 0п = 28,7 мм и высотой прессовки Ь„р = (18-20) мм. Часть прессовок хранилась при нормальной температуре, а другая сразу подсушивалась при Тсуш 120 °С в течение 80 мин. Подсушенные прессовки обладали высокой прочностью (осж= 3-4 МПа) и не осыпались при динамических нагрузках. Наработка партий безобжигового гранулята показала возможность его получения в виде плитки и брикетов с криволинейной поверхностью. Это позволило рекомендовать в качестве гранулирующего оборудования валковые пресса с 0в=500 мм и брикетные пресса со сменными элементами.
Для получения гранулята цилиндрической формы можно рекомендовать роторные грануля-торы с плоской матрицей. При диаметре матрицы 900 мм, диаметре отверстий от 6мм до 12 мм и живом сечении каналов и = (30- 42) %, производительность составляет от 1,5 т/ч до 3 т/ч.
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Процесс уплотнения золошлаковых смесей происходит с получением плотнопрочных
прессовок при И^-(10-15) % и удельном давлении прессования от 10 МПа до 40 МПа; 2. При времени хранения прессовок от 3 до 18 часов достигается максимальная прочность (^„=(0,5-2,5)
МПа и осж=(1,5-4,5) МПа; 3. Рост прочности прессовок происходит в течение первых 24 часов хранения, а увеличение времени не приводит к повышению прочности; 4. Более прочные прессовки получаются из механоактивированных смесей с большой удельной поверхностью ■5*3=6000 кг/см2; 5. Показана возможность получения гранулированного безобжигового силикатного гравия в виде плитки, брикетов и цилиндрических гранул на валковых, брикетных и роторных грануляторах.
*Работа выполнена в рамках государственного контракта №16.515.12.5014 от 11.10.2011 года заключенном между Министерством образования и науки РФ и Московским государственным университетом инженерной экологии (МГУИЭ), разработана комплексная технология их утилизации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Назаров В.И., Мелконян Р.Г., Калыгин В.Г. «Техника уплотнения стекольных шихт». Под общей редакцией О.С. Чехова. - М.: Лег-промбытиздат, 1985. - 128 с.
2. Назаров В.И., Макаренков Д.А. «Управление процессами грануляции полидисперсных шихт и порошков методами компактирования и окатывания на основе реологических моделей». Химическое и нефтегазовое машиностроение 2005. - № 6. - с. 6-9.
3. Назаров В.И., Булатов И.А., Макаренков Д.А. «Особенности разработки процесса прессового гранулирования биотоплива на основе древесных и растительных отходов». Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2009. - 229 с.
4. Ильина Т.Н. «Процессы агломерации в технологиях переработки дисперсных материалов»: монография Т.Н. Ильина. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2009. - 229 с.
5. Испытание материалов. Справочник. Под ред. Х. Блюманауэра. Пер с нем. 1979 г, 448 с.
6. Рыжков Ф.Н. Технологические параметры получения безобжиговых гранулированных заполнителей на основе тонкомолотых металлургических шлаков/ Ф.Н. Рыжков// Изв. Вузов. Строи-тельство.-2005.-№8, с.39-42
7. Гонопольский А.М., Дыган М.М., Тимофеева А.Г Некоторые физико-химические свойства золошлаковых отходов мусоросжигательных заводов. - Экология и промышленность России, 2008. - № 7. - С. 36-39.
8. Коротич В.И. Теоретические основы окомкования железорудных материалов.- М.: Металлургия, 1966.-152 с.
