СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОСФЕР

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОСФЕР


RU (11) 2257267 (13) C2

(51) 7 B03B7/00, C04B18/10 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 17.10.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(14) Дата публикации: 2005.07.27 
(21) Регистрационный номер заявки: 2003118293/03 
(22) Дата подачи заявки: 2003.06.20 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.06.20 
(43) Дата публикации заявки: 2005.02.27 
(45) Опубликовано: 2005.07.27 
(56) Аналоги изобретения: RU 2013410 C1, 30.05.1994. SU 1697885 A1, 15.12.1991. SU 1731745 A1, 07.05.1992. RU 2017696 C1, 15.08.1994. RU 2236905 C1, 27.09.2004. DE 19727172 A, 05.02.1998. US 4121945 A, 24.10.1978. 
(73) Имя патентообладателя: Общество с ограниченной ответственностью "Нормин" (RU) 
(98) Адрес для переписки: 127349, Москва, ул. Лескова, 6, кв.35, Б.А.Симановскому 

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОСФЕР

Изобретение относится к производству микросфер из летучей золы тепловых электростанций, используемых в качестве наполнителей строительных материалов и легких цементов, композиционных материалов, при производстве легких герметиков, замазок, красителей, клеев, композиционных древесных материалов, взрывчатых веществ, для получения материалов, способных сорбировать токсичные металлы при консервации и длительном хранении радиоактивных отходов. Способ получения микросфер из водной суспензии летучей золы тепловых электростанций включает в себя гидросепарацию, съем всплывших микросфер, их обезвоживание, сушку. При этом съем всплывших микросфер производят мобильной установкой - эжекторным насосом с фильтрующей насадкой, при скорости всасывания водной суспензии 20-250 м 3/час с поверхности понтонного поддона площадью 5-100 м 2, прижатого к нижнему слою микросфер, а разделение полых микросфер по фракциям в многоступенчатом вращающемся барабанном классификаторе с самоочищающимися поверхностями сеток для рассева микросфер. Технический результат - повышение эффективности, технической надежности и интенсификации извлечения микросфер. 3 з.п.ф-лы, 3 табл.



ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к производству микросфер из летучей золы тепловых электростанций, используемых в качестве наполнителей строительных материалов и легких цементов, композиционных материалов, при производстве легких герметиков, замазок, красителей, клеев, композиционных древесных материалов, взрывчатых веществ, для получения материалов, способных сорбировать токсичные металлы при консервации и длительном хранении радиоактивных отходов.
При сжигании углей в топках котлов из минеральных примесей образуются алюмосиликатные полые микросферы - легкий сыпучий мелкодисперсный порошок, состоящий из отдельных сферических полых прочных частиц. Содержание полых микросфер в золе-уноса на различных тепловых электростанциях (ТЭС) изменяется от десятых долей процента до нескольких процентов. Размер микросфер изменяется от 10 до 400 мкм. Преобладающее количество микросфер имеет диаметр 100-200 мкм. Несмотря на то, что микросферы являются незаменимым компонентом в строительных материалах и многих других ценных материалах, в настоящее время зольные микросферы вместе с золой уноса выводят на золоотвалы, где они скапливаются в больших количествах и создают дополнительную экологическую напряженность в районах электростанций. Одной из причин такой утилизации микросфер является отсутствие надежного и эффективного способа выделения микросфер как товарного продукта из золы-уноса ТЭС.
Авторы патентов США № 4121945 и № 4652433 предлагают выделять микросферы из водной суспензии летучей золы ТЭС добавлением в нее различных реактивов, перемешиванием в последовательно установленных смесителях с добавлением в последней стадии смешивания пенообразователя. На заключительной стадии выделения микросфер применяют флотацию для максимального удаления несгоревшего углерода, отстаивание и сгущение оставшейся части зольных уносов с концентрацией микросфер в сливе, съем и обезвоживание микросфер.
Недостатками данных способов являются большие затраты и сложность получения микросфер, т.к. технология получения микросфер включает большое количество операций смешения, флотацию и удаление несгоревшего углерода с применением пенообразователя. Необходимость использования флоакулянтов для увеличения скорости всплытия микросфер приводит к удорожанию процесса.
Известны способы выделения микросфер из водной суспензии зольных отходов ТЭС, в которых практически отсутствуют химические реактивы, а используются специальные конструкции классификаторов для выделения микросфер (патенты РФ № 2047379, № 2080934). По предложению авторов данных патентов разделение материалов по плотности можно проводить в специальной емкости, снабженной механическими приспособлениями для сбора микросфер, их отвода по трубопроводу с помощью системы коромыслов, противовесов и запорной арматуры. Предложенные приспособления по мнению авторов могут работать в непрерывном автоматическом режиме на ТЭС.
Основным недостатком данных изобретений является неэффективность и низкая производительность по количеству получаемой микросферы, поскольку через предлагаемые устройства необходимо пропускать весь водный поток смываемой золы. Таким образом, приемные емкости данных приспособлений и все механические устройства должны обрабатывать миллионы тонн водного потока, в котором содержатся сотые доли процента искомой микросферы. Для выделения микросфер из золы-уноса на одной ТЭС потребуется огромная батарея многочисленных приспособлений, предлагаемых по данным патентам.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ получения микросфер из водной суспензии летучей золы тепловых электростанций, описанный в патенте РФ 2013410 (прототип). Авторы предлагают способ получения микросфер, включающий гидросепарацию в установке, включающей ряд пирамидальных емкостей, съем всплывших микросфер и их обезвоживание на ленточном вакуум-фильтре. Гидросепарацию осуществляют в нисходящем потоке при скорости его 5-7 м/ч. Авторами установлено, что при данной скорости нисходящего потока суспензии гидросепарация в нем происходит наиболее эффективно, т.к. микросферы, скорость всплытия которых больше скорости нисходящего потока, концентрируются в верхнем слое суспензии.
Одним из преимуществ данного прототипа перед вышеприведенными аналогами является возможность максимального извлечения микросфер из зольных уносов без применения флоакулянта и других химических реактивов. Однако и этот способ получения микросфер из золы-уноса ТЭС не лишен основного недостатка, характерного для упомянутых патентов и других научных публикаций по данному вопросу, - необходимость использования сложных механизмов для гидросепарации легкой фракции зольных уносов, строгое соблюдение и контроль всех параметров многоступенчатого процесса выделения микросфер и использование каскада классификаторов, через которые проходит весь поток смываемых зольных уносов, для увеличения производительности. Кроме того, в упомянутом способе не указываются способы сушки и классификации по размерам микросфер. Сложность этих технологических этапов определяется малыми значениями диаметров и объемного удельного веса микросфер.
Решаемая техническая задача состоит в том, чтобы создать эффективный способ выделения микросфер из зольных уносов ТЭС с использованием доступных средств, получить товарные фракции данного продукта с заданными характеристиками. 
Целью предлагаемого изобретения является эффективность, техническая надежность и интенсификация извлечения микросфер за счет съема влажных микросфер, гидросепарация которых произошла естественным способом в золоотвальном водоеме.
Поставленная цель достигается описываемым способом получения полых алюмосиликатных микросфер из водной суспензии летучей золы тепловых электростанций, включающим в себя гидросепарацию, съем всплывших микросфер, их обезвоживание и сушку.
1. Новым является то, что съем всплывших микросфер производят мобильной установкой - эжекторным насосом с фильтрующей насадкой, при скорости всасывания водной суспензии 20-250 м3/час с поверхности понтонного поддона площадью 5-100 м2, прижатого к нижнему слою микросфер, при этом производят разделение полых микросфер по фракциям в многоступенчатом вращающемся барабанном классификаторе с самоочищающимися поверхностями сеток для рассева микросфер, при этом:
- гидросепарацию водной суспензии летучей золы осуществляют в золоотвальном водоеме; 
- обезвоживание микросфер осуществляют в пористых контейнерах фильтрацией воды через отверстия с размерами не более 10 мкм; 
- сушку микросфер осуществляют в потоке разогретого воздуха во вращающемся барабане, выходное отверстие которого экранировано сеткой с размерами отверстий не более 10 мкм.
Проведенные испытания показали, что предлагаемый способ получения полых алюмосиликатных микросфер за счет совокупности отличительных признаков позволил быстро и легко собрать верхний слой золоотвального водоема, который представляет собой влажные микросферы с минимальным количеством примесей; благодаря использованию эжекторного насоса с фильтрующей насадкой было исключено повреждение полых микросфер; фильтрация воды, т.е. обезвоживание микросфер, в пористом контейнере с объемом 1 м происходила в течение 40-60 секунд; сушка во вращающемся барабане с экранной сеткой позволила практически исключить потери товарной фракции микросфер; разделение микросфер по фракциям в многоступенчатом вращающемся барабанном классификаторе не вызывало технических проблем.
Из доступных источников патентной и научно-технической литературы нам неизвестна заявляемая совокупность отличительных признаков, следовательно, предлагаемый способ отвечает критерию “существенные отличия”.
Смыв зольных отходов в золоотвальный водоем не представляет технических и экономических трудностей. Благодаря естественной гидросепарации в большом объеме водоема полые микросферы концентрируются на поверхности воды, образуя слой толщиной до 30-50 см. Все примеси, удельный вес которых больше 1,0 г/см3, оседают на дно водоема, таким образом происходит очистка полых микросфер от примесей и разрушенных микросфер, внутрь которых может попасть вода. Невысокая скорость всплытия микросфер и еще меньшая скорость оседания мелких примесей и несгоревших частиц углерода не лимитируют производительность получения микросфер по предлагаемому изобретению, т.к. съем микросфер с поверхности водоема производят по мере их накопления, а скорость съема определяется мощностью насоса.
Для съема микросфер с поверхности водоема с минимальным количеством воды предлагается изолировать всплывшие микросферы понтонным поддоном (экраном) с площадью от 5 м2 до 100 м2, в зависимости от площади золоотвального водоема. Благодаря тому что данный поддон плотно прижимается к нижнему слою микросфер, съем микросфер происходит с минимальным количеством воды, засасываемой эжекторным насосом. Насосная установка расположена на автомобильном шасси, что позволяет производить забор микросфер с удобного места золоотвальных водоемов, расположенных в различных регионах, и в удобное время. Использование эжекторных насосов предохраняет полые микросферы от механических повреждений. При заборе верхнего слоя микросфер с производительностью 50 м3/час требуется не более 20 рабочих дней для производства 3000 тонн сухих микросфер.
Пример осуществления способа при средних значениях режимных параметров.
Съем микросфер с поверхности золоотвального водоема производят с помощью эжекторного насоса с автономным питанием от дизельной мобильной установки. Эжекторный насос снабжен фильтром, который предохраняет от всасывания механических примесей с размерами более 1-3 мм. Всасывание микросфер проводят при производительности насоса 50 м3/час над понтонным поддоном площадью 10 м2, который легко перемещается в верхнем слое золоотвального водоема с помощью двух тросов. По сливному рукаву влажные микросферы поступают в контейнеры с емкостью 1 м3 типа “Big-Bag”, выполненные из пористой ткани с размерами отверстий не более 10 мкм. Контейнеры расположены на металлическом каркасе для возможности обезвоживания (естественного слива воды, поступившей с микросферами). На металлическом каркасе подвешивают 20 контейнеров, которые непрерывно заполняют влажными микросферами одним оператором. По мере заполнения контейнеров и слива из них воды контейнеры с обезвоженными микросферами направляют на сушку и классификацию по фракциям. Время заполнения и обезвоживания 20 контейнеров составило 80 минут.
Поскольку удельная поверхность микросфер составляет около 200 м2/г, количество адсорбированной воды на поверхности микросфер в виде тонкой пленки составляет 40-50% от массы микросфер. Эта вода, удерживаемая поверхностными адсорбционными ван-дер-вальсовыми силами, может быть удалена в сушильном агрегате при температуре 150-170°С.
Сушку микросфер проводят в двух параллельно работающих вращающихся барабанах с общей мощностью 14 КВт. Диаметр барабанной сушилки 400 мм, длина 1500 мм. Производительность такой установки (двух вращающихся барабанов) составляет 500-700 кг/час по сухой микросфере. В связи с тем, что отверстие для отходящих газов сушильного барабана экранировано сеткой с размерами не более 10 мкм, потери микросфер при сушке составили не более 3,0 мас.%.
Высушенные микросферы направляют на рассев по фракциям в трехсекционные вращающиеся барабанные классификаторы. Для обеспечения производительности 500 кг/час по готовому товарному продукту используют сушильную установку, состоящую из двух барабанных классификаторов с диаметром 900 мм и длиной 2100 мм. Поверхность каждой секции классификатора выполнена из сеток с размерами ячеек в соответствии с требуемыми фракциями микросфер. В данном примере использовали сетки с размерами ячеек 80 мкм; 120 мкм и 250 мкм. В первой (загрузочной) секции была самая мелкая сетка - 80 мкм, и из нее выгружались микросферы с размерами 10-80 мкм в количестве 3,5 мас.% от количества загружаемых микросфер. Более крупные микросферы поступали во вторую секцию, т.к. классификатор расположен под углом 3°, и из нее выгружали микросферы с размерами соответственно 80-120 мкм в количестве 21,5 мас.%; из третьей - 120-250 мкм в количестве 65,0 мас.%. Крупная фракция микросфер с размерами более 250 мкм и в количестве 10,0 мас.%, которая не просеялась через данные сита, высыпалась через выходное отверстие в четвертый бункер.
Проведенные испытания показали, что при увеличении площади понтонного поддона до 100 м2 можно увеличить производительность эжекторного насоса до 250 м3/час, при этом время заполнения и обезвоживания 20 контейнеров не изменилось, т.е. составило 80 минут, т.к. лимитирующей стадией является обезвоживание или фильтрация воды через стенки контенера. Изменение режимных параметров (производительность насоса и площадь понтонного поддона), как показали исследования, проведенные в Центре по испытаниям и сертификации строительных материалов “Цемисон”, не влияет на физико-химические свойства полученных микросфер. Свойства микросфер могут незначительно изменяться в зависимости от места их отбора, что объясняется колебаниями в химико-минералогическом составе углей. Поэтому в таблицах 1, 2 и 3 приведены характеристики двух проб микросфер, отобранных в разных местах золоотвального водоема.
Из практики известно, что допустимое содержание примесей, загрязняющих микросферы, не должно превышать 2,0 мас.%. К примесям, загрязняющим микросферы, относятся частицы несгоревшего угля, частицы золы и микросферы, плотностью более 1000 кг/ м3, от их содержания зависит качество материалов, в которых используются микросферы. Поскольку микросферы с плотностью более 1000 кг/ м3 при гидросепарации осели на дно золоотвального водоема, количество примесей в полученных микросферах входит в показатель “потери при прокаливании”, который, как видно из таблицы 3, менее 2,0 мас.%. Таким образом, микросферы, полученные по предлагаемому способу, по основным показателям соответствуют требованиям, предъявляемым к данным материалам. 
Таблица 1.

Физические характеристики зольных микросфер 
№пробы Влажность Насыпная объемная масса, кг/м 3 Плотность, г/м3 Удельная поверхность, г/м 2 
№1 48,9 356 2,23 179 
№2 47,1 368 2,27 159 

Таблица 2.

Гранулометрический состав зольных микросфер 
Наименование показателя Единица измерения Значения показателя для пробы 
№1 №2 
D[4,3] Средний размер частиц Мкм 169,07 183,51 
D[v, 0.1] 10% частиц размером до Мкм 99,52 114,0 
D[v, 0.5] медианный размер частиц Мкм 163,74 180,66 
D[v, 0.9] 90% частиц размером до Мкм 247,99 258,84 

Таблица 3.

Химико-минералогическая характеристика зольных микросфер 
№пробы Содержание, мас.% 
П.п.п. SiO2 Аl2O3 Fе2О3 CaO MgO Na 2O Nа2О TiO2 
1 0,77 60,41 19,16 7,66 2,49 4,58 1,56 2,31 0,91 
2 1,56 60,08 19,24 7,57 2.41 4.55 1,56 2,22 0,91 
Фазовый состав, мас.%: стеклофаза - 80,0, кварц -SiO 2-10,0, прочие составляющие (в т.ч. СаСО 3)-10,0. 

Предложенный способ получения микросфер из летучей золы тепловых электростанций отличается высокой эффективностью и простотой технического решения, исключает использование химических реагентов и сложных стационарных установок для гидросепарации. Применение мобильной насосной установки для съема всплывших микросфер позволяет производить отбор микросфер с золоотвальных водоемов различных ТЭС независимо от их расположения.



ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения микросфер из водной суспензии летучей золы тепловых электростанций, включающий в себя гидросепарацию, съем всплывших микросфер, их обезвоживание, сушку, отличающийся тем, что съем всплывших микросфер, производят мобильной установкой - эжекторным насосом с фильтрующей насадкой, при скорости всасывания водной суспензии 20-250 м3/ч с поверхности понтонного поддона площадью 5-100 м2 , прижатого к нижнему слою микросфер, при этом производят разделение полых микросфер по фракциям в многоступенчатом вращающемся барабанном классификаторе с самоочищающимися поверхностями сеток для рассева микросфер. 
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гидросепарацию водной суспензии летучей золы осуществляют в золоотвальном водоеме. 
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обезвоживание микросфер осуществляют в пористых контейнерах фильтрацией воды через отверстия с размерами не более 10 мкм.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку микросфер осуществляют в потоке разогретого воздуха во вращающемся барабане, выходное отверстие которого экранировано сеткой с размерами отверстий не более 10 мкм.