способ получения минерального расплава

Формула изобретения

1. Способ получения минерального расплава для производства минеральных волокон, в частности минеральной ваты для изготовления изоляционных материалов, звуко- и теплоизоляционных материалов, а также противопожарной защиты, веществ для растениеводства, усиливающих волокон и волокон для фильтрационных целей, при котором изготавливают смесь из отходов производства минеральных волокон в количестве, по меньшей мере, 38-64 мас.% и корректирующих веществ для регулировки требуемого состава и вязкости расплава, отходы и корректирующие вещества измельчают и прессуют в присутствии вяжущего материала в брикеты, которые направляют в плавильный агрегат, причем корректирующие вещества и/или другие компоненты смеси представляют собой, по меньшей мере, частично золы или шлаки от сжигания бумажного шлама или древесных опилок, причем остатки горения имеют величину зерна 0,05 мм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отходы промышленного производства состоят из застывших расплавов, выделенных шарообразных или стеблеобразных частиц стекла и/или бракованных или переработанных продуктов, пыли от фильтрования в процессе изготовления, остатков смеси и частиц огнеупорной футеровки печей.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что отходы промышленного производства измельчают и смешивают с корректирующими веществами и вяжущим материалом.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что брикеты загружают в плавильный агрегат вместе с вулканическими породами, например базальтами, и/или диабазами, и/или доменными шлаками.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что остатки горения образуются при сжигании в кипящем слое.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что остатки горения имеют следующий состав:

SiO2	12-46 мас.%
Al2 O3	8-20 мас.%
TiO2	0,2-2 мас.%
Fe2O3	1-11 мас.%
MgO	1-10 мас.%
CaO	8-31 мас.%
K2O	1-3 мас.%
Na2O	0,2-1,5 мас.%
SO3	2-15 мас.%
Прочие	<2 мас.%

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что брикеты содержат неорганические вяжущие материалы, в частности цементы, в количестве 9-15 мас.%.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что корректирующие вещества в объеме 2-5 мас.% представлены остатками горения.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что корректирующие вещества состоят из руд зернистой структуры, например гематита, или магнетита, и/или отходов от работы электростанций и/или металлургического производства и предпочтительно содержатся в брикете в объеме 20-50 мас.%.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что корректирующие вещества имеют зернистость 0-20 мм, в частности 3-7 мм.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что корректирующие вещества содержат соединения щелочноземельных металлов для уменьшения вязкости и/или Al₂О₃ для повышения биологической растворимости.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что остатки горения содержат сульфаты щелочноземельных металлов, полученных при обессеривании дымовых газов.

Приоритет по пунктам:

06.11.2002 по пп.1-5;

06.06.2003 по пп.2-4, 6-12.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается способа получения минерального расплава для изготовления минеральных волокон, в частности минеральной ваты, для тепло- и/или звукоизоляции, а также противопожарной защиты, веществ для растениеводства, усиливающих волокон и волокон для целей фильтрации, при котором, по меньшей мере, отходы производства, а также корректирующие вещества для регулировки требуемых состава и вязкости расплава, измельчаются, прессуются в присутствии вяжущего вещества в брикеты, и брикеты направляются в плавильный агрегат.

Изоляционные материалы из минеральной ваты служат для тепло- и/или звукоизоляции, противопожарной защиты. Продукты, полученные из минеральной ваты, находят применение в растениеводстве, или, например, в качестве усиливающего материала для покрытий или в качестве собственно волокон для целей фильтрации. Перечисленные в качестве примера продукты, получаемые из минеральной ваты, ниже в обобщенном виде называются продуктами из минеральных волокон.

Из уровня техники известны способы получения минеральных расплавов для изготовления минеральных волокон для тепло- и/или звукоизоляции, а также противопожарной защиты. Эти минеральные волокна представляют собой стекловидные застывшие неорганические минеральные волокна, которые получаются с помощью процесса плавки. При этом процессе осуществляется плавка подходящих сырьевых материалов, и полученный таким образом расплав разделяется на волокна в соответствующем агрегате. Получение волокон происходит, например, при использовании так называемых фильерного, центробежного способов, а также способа формования с раздувом. Непосредственно после разделения на волокна минеральные волокна при изготовлении изоляционных материалов или веществ смачиваются капельным способом вяжущими и/или пропитывающими средствами или на них наносится покрытие из вяжущих и/или пропитывающих средств, так что они приобретают возможность последующего точечного соединения друг с другом. Обработанные таким образом волокна затем собираются, формуются и полученная структура фиксируется путем отверждения вяжущих средств.

Волокна, используемые для целей усиления и фильтрации, как правило, не подвергаются обработке вяжущими и/или пропитывающими материалами.

По составу стекловолокна обычно различают стекловату и минеральную вату. Минеральная вата изготавливается главным образом из смеси из дробленых вулканических горных пород, как, например, базальта или диабаза, и небольшого количества известняка, доломита и магнезита в качестве добавок, а также из дробленых вулканических горных пород и крупнокускового доменного шлака, а также, при необходимости, в качестве добавок - небольшого количества известняка, доломита и магнезита. Эти добавки могут вводиться в основной состав как самостоятельно, так и в виде различных смесей друг с другом. В возрастающей мере дробленые сырьевые материалы заменяются на искусственно получаемые изделия соответствующего размера, формы и прочности, состав которых представлен различными сырьевыми материалами и промышленными отходами, а также соответствующими вяжущими средствами. Эти изделия ниже называются брикетами.

Брикеты могут содержать мелкие фракции дробления естественных горных пород. В качестве других компонентов могут быть отходы промышленного производства, например крупные составляющие, как правило, сопутствующие производственному процессу, такие как шлакометаллические гранулы, которые получаются при регулярном выпуске из печи, представляющие собой застывший расплав вместе с частично расплавленными остатками породы и частицами футеровки печи из огнеупорного материала, а также изоляционных материалов или веществ, которые получаются в виде отходов при обрезке на непрерывной линии по изготовлению волокон. В качестве прочих обусловленных производством материалов являются остатки, полученные при обрезке, бракованные изделия или подлежащие переплавке использованные изоляционные материалы или вещества.

Промышленные отходы подготовляются для изготовления брикетов, т.е. измельчаются, размалываются и затем смешиваются с корректирующими веществами.

С помощью этих корректирующих веществ достигается требуемый состав шихты, который способствует равномерному и быстрому плавлению в плавильной печи. Одновременно это оказывает влияние на температуру и вязкость расплава таким образом, что обеспечивается эффективный равномерно протекающий процесс разделения на волокна.

В качестве корректирующих веществ могут быть использованы, например, шлаки, получаемые при производстве стали, такие как конвертерные или литейные шлаки, или гранулы из плавильных печей угольных электростанций. К существенным в данном случае корректирующим материалам также относятся материалы, содержащие алюминий в металлической форме и/или форме окислов. Подходящими носителями являются сырые бокситы или кальцинированные бокситы, а также глиноземный цемент, которые естественно могут выполнять также функцию вяжущего материала. Из DE 10102615 A1 известно применение уже не пригодных для дальнейшего использования катализаторов из нефтяной промышленности.

Корректирующие добавки, содержащие как Al₂O₃ , так и металлический алюминий, описаны в WO 99/28252 A1 как шлаки, получаемые при повторном извлечении алюминия из алюминиевого металлолома. Эти шлаки содержат среди прочего еще и небольшое количество сульфатов и фторидов натрия.

Другие корректирующие вещества представлены рудами, например гематитом (Fe₂O₃) или магнетитом (Fe₃O ₄).

Зернистые и волокнистые компоненты, инертные отходы и корректирующие добавки смешиваются преимущественно с неорганическими вяжущими материалами, чаще всего с добавлением воды, и затем прессуются для придания формы.

Под неорганическими вяжущими материалами следует понимать все затворяющиеся водой цементы, как стандартные портландцементы, так и все виды специальных цементов, в том числе уже упомянутые глиноземные цементы. Доля вяжущего в брикетах составляет от 9 до 15% по массе.

После достижения прочности брикетов, достаточной для складирования транспортировки и загрузки, в общем брикеты примерно через 3 суток должны иметь минимальную прочность на сжатие 3-5 МПа, эти изделия вместе с другими сырьевыми материалами или одни, однако, всегда вместе кусковым горючим материалом, который необходим для процесса плавления, загружаются в плавильную печь. В ней осуществляется получение расплава, требуемого для образования волокон, который затем подается в агрегат для получения этих волокон. Агрегат, на котором получают волокна, состоит, как правило, из нескольких расположенных со смещением друг под другом и вращающихся с высокой угловой скоростью валков.

Температура и вязкость минерального расплава имеют важное значение для обрабатываемости на агрегате, в котором получают волокна. На оптимальную область переработки расплава можно целенаправленно влиять с помощью выбора сырьевых материалов. Кроме того, химический состав расплава и изготовленных из него минеральных волокон оказывает влияние на их биологическую растворимость, т.е. на время пребывания в человеческом организме. Биологическая растворимость в решающей степени определяется содержанием окислов и соединений кремния, алюминия, титана, натрия, магния, калия, кальция, железа и их соотношениями. Для биологической растворимости большое значение имеет содержание окислов бора.

Типичный состав минерального расплава для производства стандартной, биологически растворимой минеральной ваты, по существу, имеет следующий вид:

SiO2	34,8-43 мас.%
Al2O 3	17,5-23,2 мас.%
TiO 2	0-2,9 мас.%
Fe2 O3	2-10 мас.%
CaO+MgO	23,3-31,4 мас.%
K2O+Na 2O	1,3-6,9 мас.%
Прочие	<3 мас.%

Исходя из представленного уровня техники задачей изобретения является усовершенствование способа описанного вначале типа для получения минеральных расплавов для производства минеральной ваты, позволяющего снизить стоимость сырьевых материалов, а также по возможности улучшить свойства получаемых минеральных волокон.

Решение этой задачи предусматривает, что компоненты, составляющие брикеты, в частности корректирующие вещества и/или другие составляющие смеси, по меньшей мере, частично замещаются на зернистые продукты горения, в частности золу или шлаки, полученные при сжигании, предпочтительно, каменноугольной и/или буроугольной пыли, бумажного шлама или древесных опилок.

Вследствие этого изобретением прежде всего предусматривается, что смешиваемые с отходами промышленного производства корректирующие вещества для изготовления брикетов частично замещаются продуктами горения.

Состав золы и шлаков варьируется обычно в определенных пределах.

При сжигании в кипящем слое отходы сжигаются в кипящем слое при температуре >800°C. Для сжигания отходов с низкой теплотворной способностью к ним подмешиваются горючие вещества. К кипящему слою через сопла, расположенные в днище, подводится воздух. Горючее вещество и/или отходы могут загружаться на кипящий слой сверху или с помощью загрузочного шнека непосредственно в кипящий слой. В кипящем слое происходят выход летучих веществ, газификация горючих веществ и выгорание твердого углерода. Летучие составляющие могут дожигаться, и соответственно, полученное тепло в результате теплообмена возвращается. Интенсивное перемешивание и горение, обусловленные процессом, хорошая теплопередача в кипящем слое, а также время воздействия горячих дымовых газов делают возможным получение соответствующего по влажности, химическому, минералогическому а также гранулометрическому составу золы в кипящем слое, которая имеет высокую равномерность.

При этом следует различать золу, выгружаемую непосредственно из кипящего слоя, имеющую диаметр частиц d₅₀ около 0,3 мм, и золу мелких фракций, улавливаемую электрофильтрами и тканевыми фильтрами из возникающих при сжигании дымовых газов, имеющую диаметр частиц d₅₀ около 0,01 мм. С помощью обессеривания дымовых газов золы могут содержать соответствующие соединения.

То же относится и к сжиганию буроугольной и каменноугольной пыли, а также древесной муки для использования энергии и к процессам изготовления с часто или постоянно осаждающимся веществам с низкой теплотворной способностью, как например, бумажных шламов, которые сжигаются в последующем этапе способа, чтобы использовать, например, оставшуюся энергию или уменьшить объем более поздней утилизации.

При горении горючих веществ, в частности углей и отходов, содержащих соли, для прямого обессеривания достаточно регулярно добавляется сорбционное средство, например известняк. При этом в золе происходит обогащение сульфатов щелочных земель. Сравнимое содержание сульфатов щелочных земель в золе и, соответственно, в остатках после фильтрования регулируется, если очистка дымовых газов производится на включенных последовательно установках аддитивной сушки.

Подобная отфильтрованная зола может не только замещать часть корректирующих веществ при изготовлении брикетов вследствие своего химического состава, кроме этого, она оказывает поразительным образом благоприятное влияние на повышение прочности отформованных брикетов. Этот эффект объясняется, с одной стороны, латентными гидравлическими свойствами некоторых из названных зол и/или, с другой стороны, ускоряющим реакцию воздействием на применяемое вяжущее средство и, наконец, величиной зерна золы. Так, у отформованных брикетов, в которых в качестве вяжущего использованы портландцементы, поразительным образом повышается прочность как на ранних, так и на конечных стадиях. Здесь конечная прочность не имеет какого-либо практического значения. Однако при быстром наборе прочности на ранних стадиях появляется возможность сокращения времени вылеживания брикетов, а также существенного уменьшения площади, занимаемой брикетами при их хранении. Поскольку по технологическим соображениям не нужна прочность на ранней стадии, которую можно было бы достигнуть, доля вяжущего средства в брикетах может быть снижена. Эти оба фактора, а именно сокращение времени вылеживания и/или снижение доли вяжущего материала, оказывают непосредственное влияние на снижение расходов.

Ниже представлен предпочтительный состав золы без абсорбентов:

SiO2	12-46 мас.%
Al2O3	8-20 мас.%
TiO2	0,2-2 мас.%
Fe2O3	1-11 мас.%
MgO	1-10 мас.%
CaO	8-31 мас.%
K2 O	1-3 мас.%
Na2O	0,2-1,5 мас.%
SO3	2-15 мас.%
Прочие	<2 мас.%

При применении СаО в качестве абсорбента содержание СаО в такой золе может повыситься до 70% и содержание SO₃ - до 20%. Соответственно уменьшается процентная доля других компонентов.

Другим преимуществом применения зол согласно предложенному способу является существенно улучшенная перемешиваемость и улучшенная способность к прессованию веществ, составляющих брикет, что связано с мелкозернистой структурой. Распределение величины зерна в золах и прочих отходах промышленного производства с учетом других компонентов брикета может дать повышение кажущегося удельного веса до примерно 1,4-1,9 кг/дм³, что во взаимодействии с вяжущим материалом может привести к более высокой конечной прочности.

Такая концентрация массы в брикетах естественно ведет к более высокому коэффициенту использования плавильного агрегата. Более высокая внутренняя прочность брикетов позволяет снизить долю истирания и сколов при вылеживании в грудах, транспортировке и загрузке в плавильный агрегат. В применяемых обычно шахтных печах таким образом обеспечивается высокая воздушная проницаемость всей шахты, благодаря чему процесс плавки идет равномерно и быстро. Оба эти фактора оказывают положительное влияние на эффективность установленного последовательно агрегата для изготовления волокон, в частности на равномерность процесса образования волокон.

Если имеется возможность очень бережного обращения с брикетами, пока они не будут загружены в плавильную печь, требования к их прочности могут быть снижены, что естественно ведет к снижению доли вяжущего материала. При этом потенциал экономии может составлять, например, около 5-15 мас.% от обычного содержания вяжущего материала.

Существенные преимущества и признаки изобретения можно суммировать следующим образом.

Описанные выше остатки горения, в частности золы и/или шлаки, предпочтительно фильтрованные золы, имеют химический состав, который особенно подходит для корректировки составов минерального расплава для производства минеральных волокон. Остатки горения при обычных температурах переработки содействуют снижению вязкости минерального расплава. Благодаря этому могут, например, равномерно изготовляться более тонкие минеральные волокна, что благоприятно сказывается на потребительских свойствах минеральных волокон и изделиях, изготовленных из полученных таким образом минеральных волокон. Одновременно подобный расплав оказывает щадящее воздействие на материал агрегата, в котором получают волокна.

Далее относительно высокая доля AL₂O₃ в некоторых остатках горения позволяет провести замещение других носителей окислов алюминия. Окислы алюминия сами положительно влияют на биологическую растворимость минеральных волокон. Оказалось, что, в частности, золы от горения буроугольной и каменноугольной пыли, а также бумажных шламов и древесных опилок, наиболее пригодны для этого.

Наряду с указанным выше воздействием на предложенный согласно изобретению способ получения минеральных расплавов для производства продуктов из минеральных волокон предложенный способ имеет, кроме этого, то преимущество, что теперь могут быть повторно использованы остатки от горения, подлежащие специальному хранению или захоронению в прочих случаях.

Вещества, содержащиеся в остатках горения, частично способствуют образованию стекла, частично превращаются в него. Весьма существенно, что нежелательные компоненты остатков горения с помощью контролируемого процесса изготовления связываются в стекловидных телах в труднорастворимой форме.

Наряду с видимой пользой остатков горения при процессе изготовления минеральных волокон с помощью такой формы регенерации дополнительно существенно снижается нагрузка на окружающую среду. Это относится собственно и к случаю, когда минеральные волокна после окончания их использования не подвергаются переработке для повторного использования, а передаются на специальное хранение.

Далее важно, что подобные остатки горения могут быть, как правило, получены без затрат, так что себестоимость продуктов из минеральных волокон заметно снижается.

Описанные выше остатки горения, в частности фильтрованные золы от, например, технологии сжигания в кипящем слое, которые образуются при горении буроугольной и каменноугольной пыли, бумажных шламов или древесных опилок, в связи с высокой тонкостью фракций и ее химического состава оказывают благоприятное влияние при изготовлении брикетов, в частности на формирование прочности брикетов. Одновременно эти золы положительно влияют на условия плавления этих брикетов при изготовлении минерального расплава и предоставляют возможность целенаправленного регулирования вязкости этого минерального расплава. Наконец, эти остатки горения вносят положительный вклад в улучшение биологической растворимости изготовленных из этого минерального расплава продуктов из минеральных волокон.

Другие признаки и преимущества изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения, а также из приведенных ниже примеров предпочтительного осуществления способа согласно изобретению.

Согласно первому примеру выполнения изобретения прессуют брикеты, которые содержат 38-64 мас.% отходов промышленного производства, 5-20 мас.% гранулята, полученного в плавильной камере, 0-11 мас.% конвертерного шлака, 0-14 мас.% литейного шлака в качестве корректирующего вещества, 10-25 мас.% носителя Al₂O₃, например боксита, 9-12 мас.% цемента, а также 1-5 мас.% золы, полученной при сжигании бумажного шлама. При таком составе по сравнению с соответствующим составом брикетов согласно уровню техники, в частности, снижена доля конвертерного и литейного шлака, а также цемента. В результате при этом примере выполнения достигается значительное сокращение цементной составляющей, что влечет за собой существенное снижение расходов на изготовление брикетов.

Согласно второму примеру выполнения предусмотрено, что, в отличие от первого примера, корректирующие вещества в составе брикетов представлены:

гранулятом, полученным в плавильной камере 5-18 мас.%,

конвертерным шлаком 0-10 мас.%,

литейным шлаком 0-16 мас.%.

Вместо золы от сжигания бумаги или бумажного шлама в этом составе предусмотрено применение 1-5 мас.% золы, полученной от сжигания древесины. Также при этом примере выполнения предусмотрено значительное сокращение доли цемента, так что и в данном случае достигается указанный ранее эффект снижения расходов.

Наконец, другой пример выполнения предусматривает, что к отходам промышленного производства в количестве 38-64 мас.% подмешивают гранулят, полученный в плавильной камере, в количестве 0-15 мас.%, конвертерный шлак 0-15 мас.% и литейный шлак 0-18 мас.% в качестве корректирующего вещества и носитель Al₂O₃, например боксит, в количестве 5-20 мас.%, а также цемент в количестве 11-13 мас.% и зола в количестве 5-25 мас.%, полученная от сжигания бурого/каменного угля. Также и в этом примере выполнения имеет место замещение сырья на золу и соответствующее снижение доли цемента.

В этих примерах выполнения корректирующие вещества замещаются, по меньшей мере, частично на имеющие зерновую структуру остатки горения, а именно на золы от сжигания бурого, каменного угля, осветленных шламов, древесины или отходов бумажного производства. В результате этого сокращается потребление цемента, а именно дорогостоящего вяжущего вещества, а также улучшенное регулирование вязкости.