плазменный способ получения минеральной ваты и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Плазменный способ получения минеральной ваты, предусматривающий загрузку золошлаковых отходов тепловых электростанций в реактор, расплавление сырья в реакционной камере реактора, вытекание расплава на раздувающий механизм и вытягивание волокон центробежно-дутьевым способом с последующей подачей волокон в камеру осаждения, вывод волокон из камеры осаждения, отличающийся тем, что в качестве сырья для получения минеральной ваты также используют базальтовые породы, плавление исходного сырья осуществляют с использованием переменного тока в установке - плазменном трехфазном сериесном реакторе, загрузку сырья в реактор осуществляют путем равномерного распределения на три потока, подаваемых в зоны горения каждой из трех плазменных дуг соответственно, перемешивание всего объема расплава осуществляют путем равномерного магнитного поля, температуру и текучесть расплава регулируют пропусканием постоянного тока по цепи электрод-расплав-летка, частичный или полный слив расплава регулируют путем изменения высоты поднятия/опускания графитового стержневого электрода, расположенного в центре реакционной камеры реактора, плавку сильно вспенивающегося при расплавлении и перемешивании сырья осуществляют путем установки кольцевой панели между крышкой и боковыми стенками реактора, слив расплава из реактора осуществляют механизированным способом с возможностью точного и быстрого реагирования на изменение характеристик расплава вплоть до полного перекрытия отверстия летки без отключения графитового стержневого электрода и летки от источника питания, работающего в режиме постоянного тока, раздувание расплава в нити осуществляют с помощью раздувающего механизма, обдуваемого потоком воздуха в продольном направлении.

2. Установка для получения минеральной ваты, содержащая реактор, который имеет реакционную камеру, имеющую боковые стенки, крышку, дно, футеровку дна из периклазовых кирпичей, термопару, устройство ввода сырья и вывода газов, устройство вывода расплава, состоящего из летки, вставленной в корпус, и водоохлаждаемой обоймы, закрепленной снизу прижимом, три стержневых электрода, размещенных в реакционной камере на одинаковом расстоянии от продольной ее оси и установленных с углом наклона, графитовый стержневой электрод для подогрева расплава, подключенный к источнику питания, работающему в режиме постоянного тока, и установленный в центре реакционной камеры продольно ее оси с возможностью его перемещения: при поднятии - открывания отверстия устройства вывода расплава, а при опускании - его закрывания, электромагнит в виде охватывающего реакционную камеру замкнутого ярма с тремя симметричными полюсными наконечниками, на которых расположены сериесные обмотки, один вывод каждой из обмоток соединен с соответствующим стержневым электродом, а другой - с источником питания, работающим в режиме переменного тока, отличающаяся тем, что установка выполнена в виде трехфазного сериесного реактора, который в поперечном сечении выполнен в виде двенадцатиугольника правильной формы, боковые стенки которого состоят из двенадцати водоохлаждаемых панелей, при этом между боковыми стенками и крышкой реактора установлена водоохлождаемая кольцевая панель, выполненная в виде двенадцатиугольника правильной формы с возможностью увеличения высоты реакционной камеры и ее объема, на расположенном в центре реакционной камеры графитовом стержневом электроде установлен электрический подъемник с возможностью слива части расплава без отключения трех стержневых электродов, расположенных в реакционной камере, при этом три стержневых электрода установлены с углом наклона 5-10° относительно продольной оси реактора, а полюсные наконечники с сериесными обмотками установлены снаружи ярма электромагнита в местах наибольшего удаления боковых стенок реактора от линии горения плазменных дуг, кроме того, на крышке реактора установлены три патрубка для трехзонной подачи сырья в область горения плазменных дуг, а в камере волокнообразования и осаждения, расположенной под реактором, установлен раздувающий механизм, выполненный в виде валкового устройства из трех вертикально ориентированных валков с возможностью обдува потоком воздуха в продольном направлении.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительной индустрии и может быть использовано для получения минеральной ваты из золошлаковых отходов тепловых электростанций, базальтовых пород с применением плазменных технологий.

Известен способ получения минеральной ваты, который относится к производству теплоизоляционных материалов при плавлении сырья в печах-вагранках, а именно к производству минеральной ваты, используемой для тепло- и звукоизоляции. Способ получения минеральной ваты включает загрузку топлива, исходного минерального сырья в печь, плавление минерального сырья и выработку минеральной ваты. В качестве топлива используют смесь, состоящую из кокса, тощих углей и/или антрацитов при следующем соотношении компонентов, мас.%: кокс - 40-85, тощие угли и/или антрациты - 60-15. Тощие угли и/или антрациты характеризуются тем, что содержание летучих составляет не более 15%, содержание золы составляет не более 40%, термостойкость - не менее 70% (см. патент RU № 2248332, МПК С03В 37/06, С03С 13/06, опубл. 20.03.2005 г., бюл. № 8).

Недостатками известного способа являются: использование в различных пропорциях дорогостоящего углеродосодержащего топлива, такого как кокс и антрациты; содержание в сжигаемом топливе минеральных примесей оказывает при плавлении влияние на химический состав продуктов плавки; повышенные требования к гранулометрическому составу топлива (от 40 до 150 мм).

Известен способ получения минерального волокна (варианты), который заключается в непрерывной подаче шихты в стабилизированный объем плазменного реактора с температурой плазмы до 4000°C с последующим перетеканием образовавшегося расплава по водоохлаждаемому поддону в аккумуляторный объем (вариант 1) либо в дозированной подаче шихты в плавильный объем реактора с зажиганием дуги между угольными электродами посредством введения графитовой дорожки (вариант 2). Далее расплав поступает в аэродинамическую систему сопел Лаваля, где происходит его раздув, первичное расслоение на волокно и твердые оксиды металлов, измельчение твердых оксидов. После этого осуществляют непрерывную круговую очистку полученного минерального волокна от измельченных оксидов металлов (см. патент RU № 2211193, МПК С03В 37/06, опубл. 27.08.2003 г.).

Недостатками известного способа являются: отсутствие подогрева струи расплава на выходе, что может привести к вытеканию расплава нестабильной струей или его застыванию на летке; подача в реактор инертного газа для охлаждения электродов. Способ не нашел широкого распространения.

Известен электромагнитный технологический реактор, включающий реакционную камеру, имеющую дно, боковые стенки и крышку, устройства ввода перерабатываемых материалов и вывода продуктов переработки, три стержневых электрода, размещенных в реакционной камере, и электромагнит, выполненный в виде охватывающего реакционную камеру замкнутого ярма с тремя симметричными полюсными наконечниками, на которых расположены сериесные обмотки поперечного магнитного поля, один вывод каждой из которых соединен с соответствующим электродом, а другой - с источником питания (см. патент RU № 2225685, МПК Н05В 7/22, опубл. 10.03.2004 г., бюл. № 7).

Недостатками известного реактора являются: отсутствие второго источника питания постоянного тока, что не позволяет подогревать расплав и летку для стабильного вытекания струи расплава через летку, достижения определенной текучести и повышения качества волокнистых теплоизоляционных материалов; расположение основных электродов параллельно продольной оси реактора, что обусловливает их неравномерный износ в зоне действия магнитного поля и исключает возможность подачи электродов по мере их износа.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения минеральной ваты, предусматривающий получение расплава минеральной ваты одностадийно в совмещенном плазменном реакторе, в поперечном сечении камеры которого формируют вращающуюся электрическую дугу и получают полный профиль температур 1400-1600 K переработки золошлаковых отходов из твердого состояния в расплав с применением стержневого графитового катода и цилиндрического графитового анода, который одновременно является тигелем при расплаве золы и кольцевой электромагнитной катушки. Расплав, собираясь в нижней части реактора по лотку, попадает на вращающуюся чашу, где происходит вытягивание минеральных волокон центробежно-дутьевым способом с последующей подачей волокон в камеру осаждения (см. патент RU № 2270810, МПК С03В 37/06, опубл. 27.02.2006 г., бюл. № 6).

Недостатками известного способа являются: разбрызгивающее устройство имеет большой диапазон по толщине вытягиваемых нитей, что в свою очередь оказывает значительное влияние на теплоизоляционные свойства получаемой минеральной ваты; относительно небольшая производительность установки (20-40 кг/ч); требующая усовершенствования система слива расплава из плазменного реактора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является установка, представляющая собой электромагнитный технологический реактор, содержащий реакционную камеру, имеющую дно, боковые стенки и крышку, устройства ввода перерабатываемых материалов и вывода продуктов переработки, три стержневых электрода, размещенных на одинаковом расстоянии от продольной оси реакционной камеры и под углом 120° друг к другу и уклоном 5-7°, один стержневой электрод в центре для подогрева расплава, электромагнит в виде охватывающего реакционную камеру замкнутого ярма с тремя симметричными полюсными наконечниками, на которых расположены сериесные обмотки, один вывод каждой из обмоток соединен с соответствующим электродом, в низу дна реакционной камеры в центре диаметра вписанной окружности установлена в водоохлаждаемой обойме летка (см. патент RU № 2432719, МПК Н05В 7/18, Н05В 7/22, опубл. 27.10.2011 г., бюл. № 30).

Недостатками известного реактора являются: отсутствие механизма поднятия центрального электрода, позволяющего открывать и закрывать летку при работающем реакторе; небольшая высота реактора, не позволяющая использовать реактор на номинальной производительности при сильно вспенивающихся расплавляемых материалах; стенки реактора выполнены из панелей разной формы, что увеличивает стоимость изготовления реактора и количество необходимых запасных частей.

Заявляемая группа изобретений направлена на решение единой задачи, заключающейся в производстве минеральной ваты из золошлаковых отходов тепловых электростанций, базальтовых пород путем их плавления с помощью плазменных технологий с минимальными энергозатратами при более стабильной работе установки как в непрерывном, так и циклическом режимах.

Технический результат заявляемой группы изобретений - повышение качества производимой продукции - минеральной ваты и надежности работы установки с возможностью работы в непрерывном режиме.

Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата в плазменном способе получения минеральной ваты, предусматривающем загрузку золошлаковых оходов тепловых электростанций в реактор, расплавление сырья в реакционной камере реактора, вытекание расплава на раздувающий механизм и вытягивание волокон центробежно-дутьевым способом с последующей подачей волокон в камеру осаждения, вывод волокон из камеры осаждения, согласно изобретению в качестве сырья для получения минеральной ваты также используют базальтовые породы, плавление исходного сырья осуществляют с использованием переменного тока в установке - плазменном трехфазном сериесном реакторе, подачу сырья в реактор осуществляют путем равномерного распределения на три потока, подаваемых в зоны горения каждой из трех плазменных дуг соответственно, перемешивание всего объема расплава осуществляют путем равномерного магнитного поля, температуру и текучесть расплава регулируют пропусканием постоянного тока по цепи электрод-расплав-летка, частичный или полный слив расплава регулируют путем изменения высоты поднятия/опускания графитового стержневого электрода, расположенного в центре реакционной камеры реактора, плавку сильно вспенивающегося при расплавлении и перемешивании сырья осуществляют путем установки кольцевой панели между крышкой и стенками реактора, слив расплава из реактора осуществляют механизированным способом с возможностью точного и быстрого реагирования на изменение характеристик расплава вплоть до полного перекрытия отверстия летки без отключения графитового стержневого электрода и летки от источника питания, работающего в режиме постоянного тока, раздувание расплава в нити осуществляют с помощью раздувающего механизма, обдуваемого потоком воздуха в продольном направлении.

Для реализации предложенного способа в известной установке, содержащей реактор, который имеет реакционную камеру, имеющую боковые стенки, крышку, дно, футеровку дна из периклазовых кирпичей, термопару, устройство ввода сырья и вывода газов, устройство вывода расплава, состоящего из летки, вставленной в корпус, и водохлаждаемой обоймы, закрепленной снизу прижимом, три стержневых электрода, размещенных в реакционной камере на одинаковом расстоянии от продольной оси и установленных с углом наклона, графитовый стержневой электрод для подогрева расплава, подключенный к источнику питания, работающему в режиме постоянного тока, и установленный в центре реакционной камеры продольно ее оси с возможностью его перемещения: при поднятии - открывания отверстия устройства вывода расплава, а при опускании - его закрывания, электромагнит в виде охватывающего реакционную камеру замкнутого ярма с тремя полюсными наконечниками, на которых расположены сериесные обмотки, один вывод каждой из обмоток соединен с соответствующим стержневым электродом, а другой - с источником питания, работающим в режиме переменного тока, согласно изобретению установка выполнена в виде трехфазного сериесного реактора, который в поперечном сечении выполнен в виде двенадцатиугольника правильной формы, боковые стенки которого состоят из двенадцати водоохлаждаемых панелей, при этом между боковыми стенками и крышкой реактора установлена водоохлаждаемая кольцевая панель, выполненная в виде двенадцатиугольника правильной формы с возможностью увеличения высоты реакционной камеры и ее объема, на расположенном в центре реакционной камеры графитовом стержневом электроде установлен электрический подъемник с возможностью слива части расплава без отключения трех стержневых электродов, расположенных в реакционной камере, при этом три стержневых электрода установлены с углом наклона 5-10° относительно продольной оси реактора, а полюсные наконечники с сериесными обмотками установлены снаружи ярма электромагнита в местах наибольшего удаления боковых стенок реактора от линии горения плазменных дуг, кроме того, на крышке реактора установлены три патрубка для трехзонной загрузки сырья в область горения плазменных дуг, а в камере волокнообразования и осаждения, расположенной под реактором, установлен раздувающий механим, выполненный в виде трех ориентированных валков с возможностью обдува потоком воздуха в продольном направлении.

Отличительной особенностью заявляемого изобретения, а именно плазменного способа получения минеральной ваты, является: осуществление загрузки перерабатываемого сырья путем равномерного распределения на три потока, подаваемых в зоны горения каждой из трех плазменных дуг; получение равномерной температуры по всему объему, гомогенного и однородного расплава за счет выполнения реакционной камеры реактора в поперечном сечении в виде двенадцатиугольника правильной формы, то есть близкой по периметру к окружности, что при установке трех основных стержневых электродов, расположенных под углом 120° друг к другу по окружности и с углом наклона 5-10 к продольной оси реактора приводит к равномерному нагреву по всему объему плавильной зоны реакционной камеры реактора, а это позволяет увеличить объем производительности при тех же удельных энергозатратах 1,1-1,2 кВт*ч/кг от 150 до 200 кг/ч, а также перемешивание расплава по всему объему путем равномерного магнитного поля за счет вынесения полюсных наконечников наружу ярма электромагнита.

Отличительными конструктивными признаками установки для плазменного способа получения минеральной ваты являются:

- установка между крышкой и боковыми стенками реактора водоохлаждаемой кольцевой панели, выполненной в виде двенадцатиугольника правильльной формы, с возможностью увеличения высоты и объема реакционной камеры реактора, а также увеличения его объема за счет выполнения его в поперечном сечении в виде двенадцатиугольника правильной формы, позволяет увеличить производительность установки;

- установка между крышкой и боковыми стенками реактора водоохлаждаемой кольцевой панели, выполненной в виде двенадцатиугольника правильной формы, позволяет осуществлять плавку и перемешивание сильно вспенивающегося при расплавлении сырья, что обеспечивает достижение работы установки с номинальной производительностью без потери качества получаемой продукции;

- установка в камере волокнообразования и осаждения, расположенной под реактором, раздувающего механизма, выполненного из трех вертикально ориентированных валков, обдуваемых потоком воздуха в продольном направлении, обеспечивает за счет центробежных сил получение однородных по форме и длине волокон минеральной ваты;

- расширение диапазона угла наклона трех стержневых электродов относительно продольной оси реактора от 5 до 10° для каждого обеспечивает равномерный конический износ концов электродов, сохранение геометрических размеров крышки ректора и расстояний между концами электродов при использовании различных по высоте кольцевых панелей;

- установка электрического подъемника на графитовом стержневом электроде, расположенном в центре реакционной камеры, с возможностью слива части расплава без отключения трех стержневых электродов, расположенных в реакционной камере, а также одновременного пропускания через него электрического тока позволяет подогревать сливаемый расплав из реактора и при необходимости остановить слив для предотвращения порчи летки;

- установка полюсных наконечников с сериесными обмотками снаружи ярма электромагнита в местах наибольшего удаления боковых стенок реактора от линии горения плазменных дуг позволяет создать равномерное магнитное поле в плавильном объеме реактора, что в свою очередь положительно сказывается на перемешивании расплава;

- выполнение устройства ввода сырья в виде установки на крышке реактора трех патрубков для трехзонной загрузки сырья в область горения плазменных дуг позволяет снизить энергозатраты, повысить стабильность работы реактора, получать равномерный по составу и температуре расплав;

- выполнение реактора в поперечном сечении в виде двенадцатиугольника правильной формы позволяет использовать при сборке и замене одинаковые боковые стенки - панели, что снижает затраты на производство и эксплуатацию реактора;

- выполнение установки в виде плазменного трехфазного сериесного реактора с автоматизированным сливом расплава позволяет повысить качество производимой продукции - минеральной ваты и надежность работы установки в непрерывном режиме.

Таким образом, реализация заявленной группы изобретений позволяет создать технологическую линию для получения теплоизоляционных материалов из золошлаковых отходов тепловых электростанций, базальтовых пород их плавкой в установке плазменного трехфазного сериесного реактора, а также сделать производство волокна непрерывным.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретений, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - плазменный способ получения минеральной ваты предназначен для использования в другом заявленном объекте группы - установке с заявляемой совокупностью конструктивных признаков в плазменном трехфазном сериесном реакторе, при этом оба объекта направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.

Из уровня техники по научно-технической литературе и патентной документации заявителю не известны технические решения, содержащие совокупность признаков, сходных или эквивалентных заявляемым.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез А-А фиг.2 плазменного трехфазного сериесного реактора; на фиг.2 изображен вид сверху плазменного трехфазного сериесного реактора; на фиг.3 изображен вид сбоку технологической схемы производства минеральной ваты плазменным способом; на фиг.4 изображен поперечный разрез Б-Б фиг.3 - технологической схемы производства минеральной ваты плазменным способом.

Предлагаемый плазменный способ получения минеральной ваты реализован в установке - плазменном трехфазном сериесном реакторе 1 (см. фиг.1 и 2), имеющем реакционную камеру 2, в которой установлены три стержневых электрода 3, расположенных на одинаковом расстоянии от продольной оси реактора 1 и размещенных на окружности под углом 120° (см. фиг.2) друг к другу. Каждый из стержневых электродов 3 установлен с углом наклона 5-10° (см. фиг 1) относительно вертикальной продольной оси реактора 1. Выбор угла наклона от 5 до 10° трех стержневых электродов 3 обусловлен тем, что при углах меньше 5° происходит неравномерный износ электродов, а при углах больше 10° - концы электродов 3 располагаются близко друг к другу и не обеспечивают эффективного расплавления сырья. В центре реакционной камеры 2 реактора 1 установлен графитовый стержневой электрод 4, который расположен параллельно продольной оси реактора 1. Реактор 1 в поперечном сечении выполнен в виде двенадцатиугольника правильной формы и имеет водоохлаждаемые изолированные друг от друга крышку 5, кольцевую панель 6, выполненную в виде двенадцатиугольника правильной формы с возможностью увеличения высоты и объема реакционной камеры 2 реактора 1. Кольцевая панель 6 установлена между крышкой 5 и боковыми стенками 7 реакционной камеры 2 реактора 1. В нижней части реакционной камеры 2 реактора 1 выполнено дно 8. Крышка 5, кольцевая панель 6, боковые стенки 7, дно 8 выполнены из нержавеющей стали. Боковые стенки 7 реактора 1 выполнены и состоят из двенадцати водоохлаждаемых одинаковых стеновых панелей. Подача охлаждающей воды осуществляется снизу по шлангам от водяного коллектора (на фиг.1, 2, 3, 4 не показаны), вывод воды осуществляется вверху. Дно 8 и крышка 5 имеют по два входных 9 и по два выходных штуцера 10. Для равномерного распределения охлаждающей воды внутри дна 8 и крышки 5 установлены разделительные перегородки 11 (см фиг.2), являющиеся также дополнительными ребрами жесткости. В крышке 5 для загрузки сырья установлены три патрубка 12 для трехзонной подачи перерабатываемого сырья в область горения плазменных дуг, патрубок 13 для вывода газов. Летка 14 установлена в дне 8 и закреплена с помощью водоохлаждаемого крепления (на фиг.1 и 2 не показано), в которое вмонтирована термопара (на фиг.1 и 2 не показано). Дно 8 оснащено футеровкой 15 из периклазовых кирпичей (хромомагнезитовых кирпичей), установленных с наклоном от боковых стеновых панелей 7 реакционной камеры 2 реактора 1 к центру до верхнего уровня летки 14. Периклазовые кирпичи 15 с дном 8 склеены карборундом на жидком стекле, что обеспечивает защиту дна 8 от прожига. Снаружи реактора 1 установлен электромагнит 16 в виде охватывающего реакционную камеру 2 замкнутого ярма 17 с вынесенными наружу и симметрично расположенными тремя полюсными наконечниками 18, на которых расположены сериесные обмотки (последние на фиг.1 и 2 не показаны) и которые установлены в местах наибольшего удаления боковых стенок 7 реактора 1 от линии горения плазменных дуг, при этом один вывод каждой из обмоток соединен с соответствующим стержневым электродом 3, а другой - с источником питания, работающем в режиме переменного тока (на фиг.1 и 2 не показан). Протекающие линейные токи системы «источник питания - сериесные обмотки - реактор» обеспечивают создание равномерного магнитного поля в плавильном объеме реакционной камеры 2 реактора 1, которое перемешивает расплав, тем самым исключая «застойные» зоны, и создает равномерное температурное поле в расплаве. Для вывода и дополнительного подогрева расплава в центре крышки 5 и реакционной камеры 2 реактора 1 установлен графитовый стержневой электрод 4, на котором установлен электрический подъемник 19 (см. фиг.2) с возможностью вертикального перемещения: при поднятии - открывания отверстия в летке 14, а при опускании - закрывания отверстия в летке 14 при полном опускании электрода 4. Установка электрического подъемника 19 на графитовом стержневом электроде 4 позволяет осуществлять слив части расплава без отключения трех стержневых электродов 3, расположенных в реакционной камере 2 реактора 1. Графитовый стержневой электрод 4 подключен к источнику питания (на фиг.1, 2, 3, 4 не показан), работающему в режиме постоянного тока, с возможностью одновременного пропускания через него постоянного электрического тока для дополнительного подогрева сливаемого расплава. Поднятие и опускание графитового стержневого электрода 4 возможно при работе трех стержневых электродов 3 и при пропускании электрического тока через электрод 4. В последнем случае через графитовый стержневой электрод 4 и летку 14 пропускают постоянный электрический ток, изменяя величину которого возможно регулирование температуры вытекающего расплава из реактора 1. Затем вытекающий расплав попадает на наружную поверхность раздувающего механизма, выполненного в виде валкового устройства (см. фиг.3 и 4), состоящего из трех вертикально ориентированных валков 20, обдуваемых потоком воздуха 21 в продольном направлении, расположенных к камере волокнообразования и осаждения 22. Раздувающий механизм имеет привод (на фиг.1-4 не показан). В нижней части камеры волокнообразования и осаждения 22 установлена выводящая решетка 23, под которой установлены вытяжные короба 24. Для вывода образовавшейся минеральной ваты из камеры волокнообразования и осаждения 22 установлена линия 25 для дальнейшего прессования, пропитки и/или прошивки. Подготовленное перерабатываемое сырье: золошлаковые отходы тепловых электростанций либо базальтовые породы подаются со склада исходного сырья 26 конвейером 27 в питатель 28, из которого по трем линиям ввода 29 через три патрубка 12, установленных в крышке 5, подаются в область горения плазменных дуг в реакционную камеру 2 реактора 1. Установка для получения минеральной ваты имеет оптический пирометр (на фиг.1-4 не показан) для фиксирования температуры струи расплава. Источник питания, работающий в режиме переменного тока (на фиг.1-4 не показан), представляет собой тиристорный регулируемый источник питания. Кроме того раздувающий механизм установки также может быть выполнен в виде других устройств, например в виде вращающейся чаши (на фиг.1-4 не показана) либо в виде воздушно-центробежного механизма (на фиг.1-4 не показан).

Предлагаемый плазменный способ получения минеральной ваты осуществляют следующим образом: со склада исходного сырья 26 (см. фиг.3) предварительно измельченное перерабатываемое сырье: либо золошлаковые отходы тепловых электростанций, либо базальтовые породы с фракцией до 9-10 мм подают конвейером 27 в питатель 28. Из питателя 28 по трем линиям ввода 29 через три патрубка 12, установленных в крышке 5, подают измельченное перерабатываемое сырье в реакционную камеру 2 реактора 1. В центральной части реакционной камеры 2 плазменного трехфазного сериесного реактора 1 между слоями базальта формируют плоский слой мелкодисперсного электропроводного материала, например графитового порошка, замыкающего три стержневых электрода 3. Затем подключают трехфазный тиристорный регулируемый источник питания, работающий в режиме переменного тока (на фиг.1-4 не показан), и на три стержневых электрода 3 подают напряжение. Ток, протекая по электропроводящим дорожкам, разогревает их, отчего они расплавляются и образуются три плазменных шнура. В процессе горения шнуров низкотемпературной плазмы выделяется большое количество теплоты. Близлежащие слои перерабатываемого минерального сырья начинают расплавляться. В результате образуется первоначальная линза электропроводного расплава, которая постепенно увеличивается и перемыкает три стержневых электрода 3. После образования некоторого количества расплава по линиям горения плазменных дуг плазменные шнуры погружаются в расплав, вследствие чего образуется рабочая плавильная зона, формируемая омическим нагревом токами проводимости. В процессе пуска плазменного трехфазного сериесного реактора 1 и выхода его на рабочий режим величину тока увеличивают от минимального до рабочего с помощью источника питания (на фиг.1-4 не показан). Для слива расплава из реактора 1 электрическим подъемником 19 поднимают предварительно разогретый постоянным током стержневой графитовый электрод 4, при этом открывается отверстие в летке 14. При текучести расплава, достаточной для свободного вытекания струи из отверстия летки 14, графитовый стержневой электрод 4 остается в приподнятом положении в расплаве. Если струя расплава не вытекает свободно из отверстия летки 14, то графитовый стержневой электрод 4 с помощью электрического подъемника 19 опускают и перекрывают центральное отверстие летки 14 и в таком положении продолжают дальнейший разогрев расплава от основного источника питания. Если при поднятии графитового стержневого электрода 4 струя расплава стабильно вытекает из отверстия летки 14, то графитовый стержневой электрод 4 остается в приподнятом положении так, чтобы его нижний конец находился в расплаве. Если в процессе сливания расплава из реактора 1 струя расплава, вытекающая из отверстия летки 14, изменяет диаметр или становится прерывистой, то включают источник питания, работающий в режиме постоянного тока (на фиг.1-4 не показан), с напряжением холостого хода 140 В и регулируемым значением рабочего тока 0-300 А, от которого ток начинает протекать по цепи: электрод 4-расплав-летка 14, при этом дополнительно подогреваются расплав и летка 14, увеличиваются температура и текучесть струи расплава, вытекающей из отверстия летки 14. Экспериментально установлено, что стабильное вытекание струи расплава достигается при температуре, равной 1400-1550°C. Температура струи фиксировалась оптическим пирометром (на фиг.1-4 не показан) и термопарой (на фиг.1-4 не показана), встроенной в корпус водоохлаждаемой обоймы, в которой установлена летка 14. При достижении стабильного режима вытекания струи расплава источник питания, работающий в режиме постоянного тока, отключают. После образования устойчивой рабочей плавильной зоны из питателя 28 по трем линиям ввода 29 через три патрубка 12, установленных в крышке 5, подготовленное исходное сырье подают в середину горящих между тремя стержневыми электродами 3 плазменных дуг, где происходит плавление сырья посредством электродуговой плазмы. Для получения однородного по температуре и составу расплава его перешивают с помощью магнитного поля, создаваемого электромагнитом 16, установленного снаружи реактора 1 в виде охватывающего реакционную камеру 2 замкнутого ярма 17 с тремя симметрично расположенными полюсными наконечниками 18, вынесенными наружу ярма 17 (см. фиг.1 и 2), что исключает образование «застойных» непроплавленных зон. При перемешивании некоторых расплавов на поверхности образуется пена, негативно влияющая на работу реактора 1 и уменьшающая объем расплава. С помощью кольцевой панели 6 увеличивают высоту и объем реакционной камеры 2, за счет чего производительность реактора 1 остается номинальной. После производства необходимого количества и качества расплава включают привод раздувающего механизма, выполненного в виде валкового устройства, состоящего из трех вертикально ориентированных валков 20 (см. фиг.3-4), которые совершают вращение по направлению сплошных стрелок (см. фиг.4), выполненных по кругу. Затем с помощью электрического подъемника 19 (см. фиг.2) приподнимают графитовый стержневой электрод 4, открывают отверстие летки 14 (см. фиг.1), вытекая из которого расплав попадает на наружную цилиндрическую поверхность валков 20 раздувающего механизма, где за счет центробежных сил получают минеральное волокно. Для охлаждения валков 20, наилучшего вытягивания минеральных нитей и транспортирования полученных нитей на выводящую решетку 23 валки 20 обдувают в продольном направлении потоками воздуха 21. В случае изменения температуры или вязкости вытекающей струи расплава на графитоый стержневой электрод 4 подают постоянный ток, который, проходя по пути электрод 4-расплав-летка 14, разогревает их и расплав, поддерживая необходимую температуру, вязкость и препятствуя застыванию расплава в летке 14. В случае поломки раздувающего механизма, выполненного в виде валкового устройства из трех вертикально ориентированных валков 20, или остывания расплава графитовый стержневой электрод 4 опускают вниз, перекрывая отверстие летки 14, тем самым препятствуя вытеканию расплава. Образовавшиеся волокна двигаются в камере волокнообразования и осаждения 22 по направлению от тыльной части к фронту камеры и выпадают на выводящую решетку 23, под которой установлены вытяжные короба 24. Образовавшуюся минеральную вату выводящей решеткой 23 выводят из камеры волокнообразования и осаждения 22 по линии 25 для дальнейшего прессования, пропитки и/или прошивки. Среднее время длительности набора расплава внутри реакционной камеры 2 составляет 27-35 минут, время слива расплава при диаметре отверстия летки 8 мм составляет 5-7 минут. За время одного слива расплава вытекает от 60 до 100 кг.

Примеры, подтверждающие конкретное получение минеральной ваты

Пример 1

Предлагаемая установка была опробована для плавки базальтовых пород различных месторождений, дунитов, цеолитов и золошлаковых отходов.

Согласно плазменному способу получения минеральной ваты предварительно измельченный до 9-10 мм базальт, имеющий следующий химический состав (масс.%): FeO - 6,9, CaO - 8,58, MgO - 3,58, MnO - 0,15, SiO₂ - 48,43, TiO₂ - 3,15, Na₂O - 3,36, K ₂O - 2,2, Al₂O₃ - 14,23, Fe₂ O₃ - 5,46, P₂O₅ - 1,15, CO ₂ - 0,24, H₂O - 1,02 подают по трем линиям 29 ввода в плазменный трехфазный сериесный реактор 1, где в реакционной камере 2 его расплавляют. При этом угол наклона трех стержневых электродов 3 составлял 7°. Среднее время образования достаточного количества расплава с необходимыми свойствами происходило за 30-40 минут. Начальная температура расплавленного базальта перед подачей на валки 20 раздувающего механизма составляла 1450-1460°C. Производительность по базальту составила 170-240 кг/ч. Время слива расплава при диаметре 8 мм сливного отверстия летки 14 составило 5-7 минут. После раздувания расплава в нити на валках 20 базальтовое волокно осаждалось на выводящей решетке 23. На выходе из камеры волокнообразования и осаждения 22 базальтовое волокно укладывалось на основание из стеклоткани и прошивалось. Полученная минеральная вата соответствует требованиям ГОСТов (ГОСТ 4640-93, ГОСТ 7076 и др.) и имеет в среднем следующие показатели: плотность - 73,5 кг/м³, теплопроводность - 0,021-0,030 Вт/(м*К), средний диаметр волокна - 6,6 мкм, содержание неволокнистых включений размером свыше 0,25 мм - 13,4%.

Пример 2

Аналогично примеру 1 была получена минеральная вата (шлаковата) из золошлаковых отходов Тугнуйского угля с основным содержанием оксидов (масс.%): CaO - 3,5, SiO₂ - 58,4, TiO₂ - 1,3, Al₂O₃ - 22,2, Fe ₂O₃ - 7,9. Полученная минеральная вата также соответствует требованиям ГОСТов (ГОСТ 4640-93, ГОСТ 7076 и др.) и имеет в среднем следующие показатели: плотность - 34,07 кг/м ³, теплопроводность - 0,032-0,041 Вт/(м*К), средний диаметр волокна - 10,5 мкм, содержание неволокнистых включений размером свыше 0,25 мм - 22,6%.

Таким образом можно заключить, что соответствующий выбор рабочих условий, установки и применение плазменного способа получения минеральной ваты по предлагаемому изобретению позволяют получить качественную минеральную вату из золошлаковых отходов тепловых электростанций и базальтовых пород.

Предлагаемая группа изобретений «Плазменный способ получения минеральной ваты и установка для его осуществления» по сравнению с прототипами (см. патент RU № 2270810, МПК С03В 37/06, опубл. 27.02.2006, бюл. № 6 и патент RU № 2432719, МПК Н05В 7/18, Н05В 7/22, опубл. 27.10.2011, бюл. № 30) имеет следующие преимущества:

- установка кольцевой панели между крышкой и стенками реактора позволяет увеличить производительность установки за счет увеличения высоты и объема реактора;

- выполнение формы реактора и кольцевой панели в виде двенадцатиугольника правильной формы способствует увеличению объема расплавляемого сырья и созданию равномерного магнитного поля в объеме реактора более тщательно перемешивающего расплава;

- установка трех стержневых электродов с расширенным диапазоном угла наклона относительно продольной оси реактора 5-10° для каждого обеспечивает равномерный конический износ концов электродов, стабильную работу реактора за счет сохранения геометрических размеров крышки ректора и расстояний между концами электродов при использовании различных по высоте кольцевых панелей;

- установка на графитовом стержневом электроде, установленном в центре реакционной камеры реактора, электрического подъемника с возможностью его вертикального перемещения и слива части расплава без отключения трех стержневых электродов, расположенных в реакционной камере, а также одновременного пропускания через него электрического тока позволяет подогревать сливаемый расплав и, если необходимо, при работающем графитовом стержневом электроде остановить слив расплава для предотвращения порчи летки и других механизмов;

- использование электромагнита с вынесенными наружу полюсными наконечниками обеспечивает равномерный по составу и температуре расплав за счет создания равномерного магнитного поля в объеме реактора;

- применение трехзонной загрузки перерабатываемого сырья в область плазменных дуг в реакционной камере реактора обеспечивает снижение энергозатрат, стабилизирует работу реактора в целом;

- выполнение реактора в поперечном сечении в виде двенадцатиугольника правильной формы обеспечивает взаимозаменяемость боковых стеновых панелей, что снижает затраты на производство и эксплуатацию реактора;

- применение раздувающего механизма, выполненного в виде валкового устройства из трех вертикально ориентированных валков, позволяет получать более однородные по форме и длине минеральные волокна.

Все вышеперечисленные основные преимущества заявляемой группы изобретений, а именно плазменного способа получения минеральной ваты и установки для его осуществления, обеспечивают надежность работы установки и всей технологической линии в целом, повышают качество выпускаемой продукции - минеральной ваты.