способ получения алюмосиликатных микросфер из золошлаковых отходов теплоэлектростанций и печь для сушки алюмосиликатных микросфер

Формула изобретения

1. Способ получения микросфер, по которому отделяют алюмосиликатные микросферы от золошлаковых отходов путем погружения названных отходов в жидкость, собирают алюмосиликатные микросферы с поверхности жидкости и сушат, отличающийся тем, что сушку осуществляют в две стадии, причем на первой стадии сушки выдерживают алюмосиликатные микросферы при температуре не ниже 2°С до достижения ими остаточной относительной влажности не более 30%, а на второй стадии сушки нагревают алюмосиликатные микросферы до температуры 100-300°С в печи барабанного типа путем прямого контакта осушаемых алюмосиликатных микросфер с нагретыми от внешнего источника стенками барабана названной печи до достижения ими относительной влажности не более 3%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после первой стадии сушки алюмосиликатную микросферу очищают путем протирки.

3. Печь для сушки алюмосиликатных микросфер, включающая сушильную камеру, имеющую вход и выход, выполненную в форме полости цилиндрического барабана, установленного с возможностью вращения вокруг собственной оси, причем вход сушильной камеры снабжен средством подачи в нее осушаемого материала, а выход снабжен средством удаления из нее осушенного материала, отличающаяся тем, что ось названного цилиндрического барабана расположена под углом к горизонтали таким образом, что вход сушильной камеры располагается выше ее выхода, при этом названный цилиндрический барабан установлен на двух соосно расположенных валах, выполненных с возможностью вращения вокруг собственной оси, с каждым из которых он неподвижно соединен, при этом первый вал расположен со стороны входа сушильной камеры, а второй вал расположен со стороны выхода сушильной камеры и выполнен полым, причем снаружи цилиндрического барабана установлен внешний источник тепла таким образом, чтобы нагревались стенки барабана, средство подачи осушаемого материала в сушильную камеру выполнено в форме вибролотка, а средство удаления осушенного материала из сушильной камеры выполнено в форме шнека, установленного в полости названного второго вала.

4. Печь по п.3, отличающаяся тем, что сушильная камера снабжена лопатками, установленными на ее стенках.

5. Печь по п.4, отличающаяся тем, что лопатки установлены перпендикулярно к внутренней поверхности сушильной камеры.

6. Печь по п.4, отличающаяся тем, что лопатки установлены под углом к внутренней поверхности сушильной камеры.

7. Печь по п.3, отличающаяся тем, что сушильная камера снабжена поперечными кольцевыми перегородками.

8. Печь по п.3, отличающаяся тем, что шнек снабжен приемной воронкой, расположенной в сушильной камере.

9. Печь по п.3, отличающаяся тем, что сушильная камера снабжена средством принудительного удаления пара из нее, которое установлено со стороны входа.

10. Печь по п.3, отличающаяся тем, что вход и выход расположены с противоположных концов сушильной камеры.

11. Печь по п.3, отличающаяся тем, что сушильная камера выполнена герметичной.

12. Печь по п.3, отличающаяся тем, что сушильная камера снабжена внешней теплоизоляцией.

13. Печь по п.3, отличающаяся тем, что внешним источником тепла являются электронагреватели.

14. Печь по п.3, отличающаяся тем, что сушильная камера включает входную зону, равную 35-45% длины сушильной камеры и прилегающую к ее входу, выходную зону, равную 15-25% длины сушильной камеры и прилегающую к ее выходу, а также центральную зону, находящуюся между входной и выходной зонами.

15. Печь по п.14, отличающаяся тем, что во входную зону поступает не более 50% тепловой энергии.

16. Печь по п.14, отличающаяся тем, что в центральную зону поступает не более 30% тепловой энергии.

17. Печь по п.14, отличающаяся тем, что в выходную зону поступает не более 20% тепловой энергии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологиям получения алюмосиликатных микросфер и оборудованию для осуществления упомянутой технологии. Оно может использоваться преимущественно в энергетической промышленности для получения алюмосиликатных микросфер золы-уноса теплоэлектростанций.

Названные алюмосиликатные микросферы являются важным промышленным продуктом, нашедшим широкое применение в производстве керамических легковесных теплоизоляционных материалов, сферопластиков, тампонажных материалов и буровых растворов, радиопрозрачных и облегченных строительных керамик, теплоизоляционных безобжеговых материалов и жаростойких бетонов. Алюмосиликатные микросферы могут быть получены промышленным путем, но наиболее выгодно выделять их из золошлаковых отходов, получаемых при сжигании топлива на ТЭС, поскольку стоимость таких микросфер более чем в 10 раз ниже, чем микросфер, получаемых промышленным методом.

Известен способ получения алюмосиликатных полых микросфер, в соответствии с которым из золошлаковых отходов ТЭС выделяют названные микросферы флотационным методом - при сбрасывании названных отходов в воду алюмосиликатные микросферы всплывают и держатся на поверхности водоема, в то время как остальная часть отходов осаждается на дно. С поверхности воды алюмосиликатную микросферу собирают механическим способом с помощью специальных средств. Далее микросферу подают в устройство для термической сушки, которую осуществляют с помощью горячих газов, получаемых при сжигании солярного топлива [Компоненты зол и шлаков/ Кизильштейн Л.Я., Дубов И.В и др. - М.: Энергоатомиздат, 1995, стр.59-62].

Этот способ принят за прототип изобретения. К его недостаткам относится большой расход топочного газа и соответственно большой расход энергии, так как после извлечения из воды алюмосиликатные микросферы, имеющие относительную влажность более 50%, непосредственно подают на термообработку и сушку.

Изобретение решает задачу создания менее энергоемкого экономичного способа получения алюмосиликатной микросферы из золошлаковых отходов ТЭС.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ получения микросфер, по которому отделяют алюмосиликатные микросферы от золошлаковых отходов путем погружения названных отходов в жидкость, собирают алюмосиликатные микросферы с поверхности жидкости и сушат в две стадии, причем на первой стадии сушки выдерживают алюмосиликатные микросферы при температуре не ниже 2°С до достижения ими остаточной относительной влажности не более 30%, а на второй стадии сушки нагревают алюмосиликатные микросферы до температуры 100-300°С в печи барабанного типа путем прямого контакта осушаемых алюмосиликатных микросфер с нагретыми от внешнего источника стенками барабана названной печи до достижения ими относительной влажности не более 3%.

Между первой и второй стадиями сушки целесообразно проводить очистку алюмосиликатных микросфер путем протирки, т.е. пропускать микросферы через крупноячеистое сито, чтобы убрать крупные нежелательные включения.

После сушки алюмосиликатные микросферы становятся легкотекучими, их просеивают через сито для отделения мелких включений и разделения по фракциям.

На фиг.1 приведена схема предлагаемой технологии, где:

1 - «Разделение» означает флотационное разделение золошлаковых отходов, при этом тяжелая зольная фракция оседает на дно, а легкая полая алюмосиликатная микросфера всплывает на поверхность водоема;

2 - «Складирование» означает выдержку алюмосиликатной микросферы до снижения ее влажности за счет стекания и естественного высыхания жидкости;

3 - «Протирка» означает пропускание микросферы через крупноячеистое сито, чтобы убрать крупные нежелательные включения;

4 - «Сушка» означает принудительную сушку в специальной печи до остаточной относительной влажности не более 3%;

5 - «Рассеивание» означает доочистку готового товарного продукта - алюмосиликатной микросферы и разделение ее по фракциям просеиванием через одно или несколько сит.

Технология реализуется следующим образом.

Золошлаковые отходы методом гидротранспорта выводят в пруды-отстойники гидросистемы ТЭС. За счет разницы плотностей происходит естественное флотационное разделение золошлаковых отходов, при этом тяжелая зольная фракция оседает на дно, а легкая полая алюмосиликатная микросфера всплывает на поверхность водоема. С помощью мотопомп или даже лопат ее собирают с поверхности и складируют в удобном для этой цели месте: в помещении склада, на открытом воздухе, или под навесом. Относительная влажность микросферы при ее складировании превышает 50%. Далее, при ее лежке при любых положительных температурах, избыточная влага из микросферы испаряется, стекает с ее частиц и по истечении какого-то срока ее относительная влажность достигает 30%. После этого алюмосиликатную микросферу отправляют на дальнейшую обработку. При этом ее очищают от различных нежелательных включений (частиц шлака, камней и др.) путем протирки, которую осуществляют, пропуская влажную микросферу через сито. После этого микросферы поступают в сушильную печь барабанного типа, у которой нагревают стенки до 100-300°С. Сушку осуществляют до достижения относительной влажности не более менее 3%.

Для осуществления предлагаемой технологии не требуется топочных газов, что упрощает конструкторские решения, а количество необходимой энергии сокращается.

При выделении алюмосиликатных микросфер из золошлаковых отходов ТЭС важной технологической стадией является их сушка. Причем сушка алюмосиликатных микросфер требует специального оборудования, так как на режимы сушки накладываются жесткие ограничения по температуре и остаточной влажности, а так как частицы имеют очень малый вес и легко уносятся воздухом, оборудование также должно соответствовать экологическим требованиям и предотвращать выброс частиц в атмосферу.

Известна сушильная печь барабанного типа для осушивания алюмосиликатных микросфер [Компоненты зол и шлаков/ Кизильштейн Л.Я., Дубов И.В и др. - М.: Энергоатомиздат, 1995 стр.59-62]. Она содержит сушильную камеру в виде полости неподвижного барабана, снабженную входом, выходом и средством для отвода пара. Внутри камеры по всей ее длине располагается шнек, предназначенный для перемещения материала. Термическая обработка микросфер достигается сжиганием солярного топлива в камере сгорания. Эта печь имеет сложную конструкцию, т.к. содержит камеру сгорания для топочных газов.

Известны сушильные печи различных конструкций для сушки различных других дисперсных материалов.

Например, известна сушильная печь для сыпучих материалов, в частности, для древесной стружки, которая содержит барабан, внутренняя полость которого разделена на секции прямотока, противотока и отвода сушильного агента кольцевыми перегородками с меньшим и большим внутренними диаметрами, соединенными профилированной насадкой [Патент РФ №2159915]. Барабан имеет сетчатые боковые стенки и вертикальный диск, установленный в секции отвода сушильного агента с возможностью перемещения вдоль оси барабана и фиксации его положения, с помощью которого регулируется степень заполнения материалом секции прямотока. Степень заполнения осушаемым материалом секции противотока регулируется перемещением сетчатой торцевой стенки. Сушильный агент подается через сетчатые торцевые стенки, а отводится через перфорации в барабане. Недостатками этой печи являются также ее сложная конструкция, использование сушильного агента, что делает ее стоимость достаточно высокой. Кроме того, эта сушильная печь также непригодна для сушки дисперсных материалов с малым весом частиц, например алюмосиликатных микросфер, которые вследствие упомянутого малого веса частиц будут в большом количестве захватываться и уноситься сушильным агентом и выбрасываться вместе с ним в атмосферу.

Известна также барабанная сушилка для дисперсных, преимущественно гранулированных материалов. Сушилка включает барабан в виде полого перфорированного цилиндра, выполненный с возможностью вращения вокруг продольной оси, трубопровод подвода теплоносителя, загрузочное средство и разгрузочную воронку [Патент РФ №2159915]. Под барабаном смонтирована трубка с отверстиями, связанная с трубопроводом подвода теплоносителя, внутри барабана установлены по спирали лопатки, а барабан выполнен из каркаса, состоящего из продольных направляющих, связанных спицами и обтянутых съемной сеткой.

Эта сушилка по наибольшему количеству сходных с заявляемой сушильной печью сходных признаков принята за прототип изобретения. Недостатки описанной сушилки обусловлены тем, что при сушке используется теплоноситель, поэтому она имеет сложную конструкцию, а также она непригодна для сушки в ней дисперсных материалов с малым весом частиц, например полых алюмосиликатных микросфер, вследствие уноса названных частиц теплоносителем и засорение ими окружающей среды.

Изобретение решает задачу создания сушильной печи, пригодной для сушки дисперсных материалов с малым весом частиц, преимущественно полых алюмосиликатных макросфер, с высокой степенью удаления влаги, а также предотвращающей попадание дисперсных частиц в атмосферу.

Поставленная задача решается тем, что предлагается печь для сушки дисперсных материалов, включающая сушильную камеру, имеющую вход и выход, выполненную в форме полости цилиндрического барабана, установленного с возможностью вращения вокруг собственной оси, причем вход сушильной камеры снабжен средством подачи в нее осушаемого материала, а выход снабжен средством удаления из нее осушенного материала, у которой ось названного цилиндрического барабана расположена под углом к горизонтали таким образом, что вход сушильной камеры располагается выше ее выхода, при этом названный цилиндрический барабан установлен на двух соосно расположенных валах, выполненных с возможностью вращения вокруг собственной оси, с каждым из которых он неподвижно соединен, при этом первый вал расположен со стороны входа сушильной камеры, а второй вал расположен со стороны выхода сушильной камеры и выполнен полым, причем снаружи цилиндрического барабана установлен внешний источник тепла таким образом, чтобы нагревались стенки барабана, средство подачи осушаемого материала в сушильную камеру выполнено в форме вибролотка, а средство удаления осушенного материала из сушильной камеры выполнено в форме шнека, установленного в полости названного второго вала.

Для улучшения условий теплообмена в сушильной камере на ее внутренних стенках установлены профилированные лопатки, которые увеличивают поверхность теплообмена, а также выполняют дополнительную функцию - захватывают и перемещают порции осушаемого материала при вращении цилиндрического барабана. Лопатки могут быть установлены радиально и под углом к стенке сушильной камеры.

Для увеличения времени пребывания осушаемого материала в сушильной камере могут быть установлены поперечные кольцевые перегородки, тормозящие продвижение осушаемого материала от входа к выходу сушильной камеры и препятствующие скапливанию осушаемого материала на выходе.

Установленный на выходе из сушильной камеры шнек может быть снабжен приемной воронкой, в которую поступает осушаемый материал и далее захватывается и продвигается на выход через полость второго вала рабочим органом шнека, которым, как известно, является вал, имеющий винтообразный гребень.

Для того, чтобы осушенный материал не соприкасался с выделяемым при сушке в сушильной камере паром, вход в камеру сушки может быть снабжен средством для принудительной вытяжки водяного пара.

Средство подачи осушаемого материала в сушильную камеру и средство удаления осушаемого материала из сушильной камеры располагаются с противоположных концов сушильной камеры.

Внешний источник тепла, обогревающий стенки цилиндрического барабана, может быть выполнен в форме электронагревателей, например трубчатых (ТЭНов), установленных с внешней стороны названного барабана с зазором, позволяющим ему вращаться.

Следует отметить, что для улучшения условий теплообмена и экономии электроэнергии нагрев материала в сушильной камере может осуществляться по зонам с возможностью независимого контроля подводимой мощности и подержания температур по каждой зоне. При этом температура, которую необходимо поддерживать в каждой зоне, устанавливается для конкретных условий работы сушильной камеры в зависимости от влажности осушаемого материала. По длине сушильной камеры могут быть выделены три зоны: входная (35-45% длины), прилегающая к входу, и выходная (15-25% длины), прилегающая к выходу, и центральная, находящаяся между входной и выходной зонами. При этом количество тепловой энергии, подводимой к сушильной камере, распределено по зонам следующим образом: во входной зоне может выделяться до 50% всей подводимой тепловой энергии, в центральной - до 30% всей подводимой тепловой энергии, а в выходной зоне - до 20% всей подводимой тепловой энергии. Такая возможность создается за счет различной плотности размещения нагревательных элементов вдоль каждой зоны: наибольшая плотность размещения нагревательных элементов вдоль входной зоны, наименьшая плотность размещения нагревательных элементов вдоль выходной зоны.

Для уменьшения теплопотерь в окружающую среду пространство вокруг источников тепла целесообразно закрыть герметичным кожухом, снабженным теплоизоляцией.

Предлагаемая сушильная печь изображена на фиг.2, где:

1 - цилиндрический барабан, 2 - кожух, 3 - первый вал, 4 - спицы, 5 - вибролоток, 6 - шнек, 7 - приемная воронка, 8 - внешний источник тепла, 9 - теплоизоляция, 10 - лопатки, установленные радиально, 11 - второй вал, 12 - средство для принудительной вытяжки водяного пара, 13 - лопатки, установленные под углом к стенке сушильной камеры, 14 - уплотнения, 15 - выход осушенного материала, 16 - кольцевая перегородка, 17 - подшипниковые опоры, 18 - опора шнека, 19 - торцевой фланец.

Цилиндрический барабан 1 установлен под углом к горизонтали на первый вал 3 и второй вал 11. Первый вал установлен в подшипниковой опоре 17 с возможностью вращения, а с цилиндрическим барабаном он соединен при помощи спиц 4. Названная подшипниковая опора имеет возможность смещения вдоль оси барабана для компенсации теплового расширения барабана и расположена в холодной зоне. Второй вал неподвижно соединен с цилиндрическим барабаном при помощи торцевого фланца 19, выполнен полым и установлен с возможностью вращения в жесткой подшипниковой опоре, расположенной в холодной зоне.

Предлагаемая сушильная печь работает следующим образом.

В полость барабана 1 (сушильную камеру) поступает осушаемый дисперсный материал, например алюмосиликатная микросфера, через вибролоток 5. Вход сушильной камеры находится выше ее выхода, так как цилиндрический барабан 1 расположен под углом к горизонтали, при этом он установлен на валу 3 с помощью спиц 4 неподвижно относительно него и на втором валу 11 при помощи торцевого фланца 19 неподвижно относительно него. Это позволяет цилиндрическому барабану 1 вращаться вокруг собственной оси на подшипниковых опорах 17.

При вращении барабана внешний источник тепла 8 нагревает его стенки до необходимой температуры и частицы дисперсного материала, например алюмосиликатная микросфера, соприкасаясь с названными стенками, также нагреваются. Лопатки 10 и 13, установленные внутри сушильной камеры на стенках барабана, также выполнены из металла и нагреваются вместе с барабаном до той же температуры. Они соприкасаются с осушаемым материалом, что увеличивает поверхности теплообмена. Кроме того, эти лопатки захватывают порции осушаемого материала и перемещают их в результате вращения барабана. Кольцевые перегородки 16 разбивают массив осушаемого материала на порции, в результате чего материал более равномерно перемещается внутри сушильной камеры от входа к выходу, предотвращая скапливание на выходе.

На выходе из сушильной камеры установлена приемная воронка 7, в которую при помощи лопаток 13 поступает осушенный материал и самотоком поступает в шнек 6, по которому выводится из сушильной камеры.

Образующийся при нагревании материала внутри сушильной камеры водяной пар через средство для принудительной вытяжки водяного пара выводится из сушильной камеры со стороны входа, поэтому он не взаимодействует с осушенным материалом.

Для предотвращения проникновения холодного наружного воздуха в объем сушильной камеры с целью уменьшения теплопотерь и уноса частиц дисперсного материала из нее узел выгрузки осушенного материала выполнен следующим образом. Цилиндрический барабан 1 со стороны выхода из сушильной камеры закрыт фланцем 19 с центральным отверстием, на который крепится второй вал 11, выполненный полым - в форме трубы. Шнек, включающий трубчатый корпус и рабочий орган в виде вала с винтовым гребнем, установлен внутри полого вала и крепится консольно на опоре 18. На конце трубчатого корпуса шнека, входящего внутрь сушильной камеры, жестко установлена приемная воронка 7, в которую поступает осушенный материал и далее продвигается шнеком на выход. Такое решение позволяет закрыть внутренний объем сушильной камеры от проникновения холодного наружного воздуха и не позволяет легким частицам осушенного материала проникать наружу и загрязнять атмосферу. С этой же целью печь снабжена герметичными теплостойкими уплотнениями, установленными в местах ввода и выгрузки дисперсного материала, а также удаления пара.

Для предотвращения теплопотерь сушильная печь закрыта кожухом 2 с теплоизоляцией 9.

Скорость прохождения материала через сушильную камеру определяется изменением угла наклона оси цилиндрического барабана и скоростью его вращения.

Таким образом, описанная сушильная печь пригодна для сушки различных дисперсных материалов, в том числе с малым весом частиц, таких как полые алюмосиликатные микросферы, при этом проста по конструкции, удобна в эксплуатации и не засоряет атмосферу частицами осушаемого материала.

Пример.

Полую алюмосиликатную микросферу получают из золошлаковых отходов тепловой электростанции, использующей в качестве топлива уголь. Золошлаковые отходы методом гидротранспорта выводятся в пруды-отстойники гидросистемы ТЭС. За счет разницы плотностей происходит естественное флотационное разделение золошлаковых отходов, при этом тяжелая зольная фракция оседает на дно, а полая алюмосиликатная микросфера всплывает на поверхность водоема. С помощью мотопомп ее собирают с поверхности и складируют в удобном для этой цели месте в помещении склада. Относительная влажность микросферы при ее складировании превышает 50%. Далее, при лежке при колебаниях температуры от 2 до 30°С, избыточная влага из микросферы испаряется, стекает с ее частиц, и по истечении 148 дней ее относительная влажность опускается ниже 30%. После этого алюмосиликатную микросферу отправляют на дальнейшую обработку. При этом ее очищают от различных нежелательных включений (частиц шлака, камней и др.) путем протирки, которую осуществляют, пропуская влажную микросферу через сито с размером ячеи 10-20 мм. После этого микросфера поступает на вибролоток сушильной печи и далее - в сушильную камеру. При этом стенки сушильной печи нагревают до температуры 280°С во входной зоне, 230°С в средней зоне и 190°С в выходной зоне. На выходе из сушильной камеры со шнека сходит алюмосиликатная микросфера, имеющая остаточную относительную влажность менее 3%. Далее микросфера, выходящая из печи, охлаждается до 50°С, разделяется на фракции по размеру частиц путем просеивания через сито и пакетируется.