Способ получения порошка минерального из водной суспензии летучей золы тепловых электростанций

(51) 04 18/10 (2009.01) 03 5/64 (2009.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Высокая температура плавления - Дает возможность широкого применения в производстве высокотемпературной изолирующей огнеупорной керамики, а также огнеупорных покрытий. Твердость - Обеспечивает высокую устойчивость к эрозии, непроницаемость для жидкостей и газов. Электрические свойства - Превосходно подходит для производства теплоизоляционной радиопрозрачной керамики повышенной прочности. Порошок минеральный это полые твердые частицы малого размера, которые образуются в составе золы уноса при сжигании углей на ТЭС. Зола уноса (шлак) после сжигания углей откачивается по трубопроводам в специально отведенные котлованы, заполненные водой (озера). Здесь и происходит разделение легких и тяжелых фракций. Легкие частицы, плотностью 0,40 - 0,70 г/см 3 всплывают на поверхности озера. Это и есть частицы порошка минерального. Целью предлагаемого изобретения является эффективность,техническая надежность и интенсификация извлечения порошка за счет съема влажных частиц,гидросепарация которых произошла естественным способом в золоотвальном водоеме. Поставленная цель достигается описываемым способом получения полых частиц порошка минерального из водной суспензии летучей золы тепловых электростанций,включающим в себя гидросепарацию, съем всплывших частиц, их обезвоживание и сушку. Предложенный способ получения порошка минерального 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 частиц позволяет производить отбор порошка минерального с золоотвальных водоемов различных ТЭС независимо от их расположения.(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА МИНЕРАЛЬНОГО ИЗ ВОДНОЙ СУСПЕНЗИИ ЛЕТУЧЕЙ ЗОЛЫ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ(57) Изобретение относится к производству порошка минерального 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 порошка минерального из водной суспензии летучей золы тепловых электростанций включает в себя гидросепарацию, съем всплывших частиц порошка,их обезвоживание, сушку. Свойства и преимущества Сферическая форма - Идеальная форма для наполнителя, позволяет снизить расход смол и крепителя,а также снижает усадочную деформацию. Легкость - Необычайно легкий наполнитель, его вес - 25 веса других минеральных наполнителей,что обеспечивает удобство использования, снижает транспортные затраты. Инертность Обеспечивает высокую устойчивость к кислотам и щелочам Свободная растекаемость - Позволяет легко использовать материал в заводских условиях. Изолирующие свойства Низкая теплопроводность дает возможность использования порошка минерального в качестве идеального изоляционного материала для нефтепроводов и изоляции внешних стен зданий. 23452 Изобретение относится к производству порошка минерального 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. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ получения частиц порошка из водной суспензии летучей золы тепловых электростанций, описанный в патенте РФ 2013410 (прототип). Авторы предлагают способ получения порошка, включающий гидросепарацию в установке, включающей ряд пирамидальных емкостей, съем всплывших частиц 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. частицы, скорость всплытия которых больше скорости нисходящего потока, концентрируются в верхнем слое суспензии. Одним из преимуществ данного прототипа является возможность максимального извлечения частиц из зольных уносов без применения флоакулянта и других химических реактивов. Однако и этот способ получения порошка 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 частиц 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 частиц. Сложность этих технологических этапов определяется малыми значениями диаметров и объемного удельного веса порошка. Решаемая техническая задача состоит в том, чтобы создать эффективный способ выделения частиц 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 порошка за счет съема влажных частиц,гидросепарация которых произошла естественным способом в золоотвальном водоеме. Поставленная цель достигается описываемым способом получения полых частиц порошка минерального из водной суспензии летучей золы тепловых электростанций,2 включающим в себя гидросепарацию, съем всплывших частиц, их обезвоживание и сушку. 1. Новым является то, что съем всплывших частиц 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 порошка минерального, при этом производят разделение полых частиц по фракциям в многоступенчатом вращающемся барабанном классификаторе с самоочищающимися поверхностями сеток для рассева частиц порошка,при этом- гидросепарацию водной суспензии летучей золы осуществляют в золоотвальном водоеме- обезвоживание частиц осуществляют в пористых контейнерах фильтрацией воды через отверстия с размерами не более 10 мкм- сушку порошка 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 частиц порошка за счет совокупности отличительных признаков позволил быстро и легко собрать верхний слой золоотвального водоема, который представляет собой влажные частицы с минимальным количеством примесей благодаря использованию эжекторного насоса с фильтрующей насадкой было исключено повреждение полых частиц фильтрация воды, т.е. обезвоживание порошка, 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 частиц разделение порошка 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 частицы концентрируются на поверхности воды,образуя слой толщиной до 30-50 см. Все примеси,удельный вес которых больше 1,0 г/см 3, оседают на дно водоема, таким образом, происходит очистка полых частиц порошка от примесей и разрушенных частиц, внутрь которых может попасть вода. Невысокая скорость всплытия частиц и еще меньшая скорость оседания мелких примесей и несгоревших частиц углерода не лимитируют производительность получения порошка по предлагаемому изобретению, т.к. съем порошка минерального с поверхности водоема производят по мере их накопления, а скорость съема определяется мощностью насоса. 23452 Предложенный способ получения порошка минерального 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 частиц позволяет производить отбор порошка минерального с золоотвальных водоемов различных ТЭС независимо от их расположения. Свойства и преимущества Сферическая форма - Идеальная форма для наполнителя, позволяет снизить расход смол и крепителя,а также снижает усадочную деформацию. Легкость - Необычайно легкий наполнитель, его вес - 25 веса других минеральных наполнителей,что обеспечивает удобство использования, снижает транспортные затраты. Инертность Обеспечивает высокую устойчивость к кислотам и щелочам Свободная растекаемость - Позволяет легко использовать материал в заводских условиях. Изолирующие свойства Низкая теплопроводность дает возможность использования порошка минерального в качестве идеального изоляционного материала для нефтепроводов и изоляции внешних стен зданий. Высокая температура плавления - Дает возможность широкого применения в производстве высокотемпературной изолирующей огнеупорной керамики, а также огнеупорных покрытий. Твердость - Обеспечивает высокую устойчивость к эрозии, непроницаемость для жидкостей и газов. Электрические свойства - Превосходно подходит для производства теплоизоляционной радиопрозрачной керамики повышенной прочности. Низкая вязкость и свободная растекаемость В отличие от других наполнителей, порошок минеральный из-за своей сферической формы, как шарики в подшипниках, свободно перекатываются друг через друга, вследствие чего обладают высокой растекаемостью, так что их легко разбрызгивать,наносить шпателем и т.д. Высокая степень уплотнения и снижение стоимости Сферическая форма с ее минимальным соотношением, площади к объему означает, что с применением порошка минерального в качестве наполнителя потребуется меньше смол, крепителя,воды и т.д., чем для любого наполнителя другой формы. Частицы более мелкого размера заполняют пространство между частицами большего размера,что приводит к уплотнению материала. Это дает возможность использовать смеси с высоким содержанием твердой составляющей, снизить усадочную деформацию и сократить затраты. Высокое уплотнение частиц способствует сохранению объема и в конечной продукции, т.к. дальнейшего уплотнения в процессе усадки крепителя или испарения растворителя и воды, не происходит, как это может случиться с наполнителями неправильной формы. В связи с этим, порошок минеральный является отличным наполнителем для мастик для герметизации трещин и швов, герметиков и т.д.Применение - покрытие для грузовиков, обладающее высокой прочностью и антикоррозийными свойствами. Твердость и устойчивость истиранию Твердость по Моосу 7 и сферическая форма обеспечивают высокую устойчивость покрытии с использованием порошка минерального к истиранию. Поверхности дольше сохраняются и хорошо выглядят в течении длительного времени. Обычные наполнители меньшей твердости и угловой формы быстро изнашиваются и часто ломаются на поверхности.Распространенное применение данного свойства - краски для внутренних работ, которые сохраняют внешние оборудования качества после многократных уборок и мытья. - Другое применениепокрытие металлических поверхностей офисного оборудования ежедневного интенсивного использования. Контроль за глянцем Многие материалы, подавляющие глянец увеличивают вязкость материала. Использование порошка минерального в качестве наполнителя помогает контролировать глянец без увеличения вязкости. - Данное свойство применяется при окраске военной техники и камуфляжного оборудования, требующего отсутствие глянца и защиты от коррозии. Барьерный эффект. Порошок минеральный гарантирует высокое уплотнение частиц, что в сочетании с высокой твердостью и инертностью обеспечивает эффект непроницаемого и долговечного тонкого барьера против погоды, коррозии и химических веществ. Данное свойство применяется при окраске мостов и других металлических объектов, для защиты которых необходим барьер от жестких условий окружающей среды. Инертность Порошок минеральный, вследствие своего инертного состава обладает высокой устойчивостью к целому ряду химических элементов. Частицы порошка не влияют на химический состав или реакции материалов и изделии, в которых они используются. - Распространенное применение данного свойства - покрытие емкостей для хранения химикатов или трубопроводов для подачи химических или других вредных веществ. Легкость использования Высокая устойчивость порошка минерального к компрессии делает возможность его использования в процессе производства на самых ранних стадиях. Частицы порошка -лучшие наполнители для добавки на стадии размельчения. Износ оборудования,по мнению потребителей,существенно меньше, чем в случаях использования других минеральных наполнителей неправильной формы такой же или меньшей твердости. Порошок минеральный это полые твердые частицы малого размера, которые образуются в составе золы уноса при сжигании углей на ТЭС. Зола уноса (шлак) после сжигания углей откачивается по трубопроводам в специально отведенные котлованы, заполненные водой (озера). Здесь и происходит разделение легких и тяжелых фракций. Легкие частицы, плотностью 0,40 - 0,70 г/см 3 всплывают на поверхности озера. Это и есть частицы порошка минерального. Ключевые физические свойства Форма сферическая Цвет серый, белый Размер частиц 10 - 350 микрон Насыпная плотность 0.40 г/см 3 Твердость по Моосу 5-6 Температура плавления 1300 С рН в воде 6-8 При сжигании углей в топках котлов из минеральных примесей образуются алюмосиликатные полые частицы - легкий сыпучий мелкодисперсный порошок,состоящий из отдельных сферических полых прочных частиц. Содержание полых частиц в золе-уноса на различных тепловых электростанциях (ТЭС) изменяется от десятых долей процента до нескольких процентов. Размер частиц изменяется от 10 до 400 мкм. Преобладающее количество частиц имеет диаметр 100-200 мкм. Несмотря на то, что частицы являются незаменимым компонентом в строительных материалах и многих других ценных материалах,в настоящее время порошок минеральный 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 порошка является отсутствие надежного и эффективного способа выделения частиц как товарного продукта из золы-уноса ТЭС. Авторы патентов США 4121945 и 4652433 предлагают выделять частицы 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 частиц применяют флотацию для максимального удаления несгоревшего углерода,отстаивание и сгущение оставшейся части зольных уносов с концентрацией частиц в сливе, съем и обезвоживание порошка. Недостатками данных способов являются большие затраты и сложность получения порошка, т.к. технология получения его включает большое количество операций смешения,флотацию и удаление несгоревшего углерода с применением пенообразователя. Необходимость использования флоакулянтов для увеличения скорости всплытия порошка приводит к удорожанию процесса. Известны способы выделения частиц из водной суспензии зольных отходов ТЭС, в которых практически отсутствуют химические реактивы, а используются специальные конструкции классификаторов для выделения частиц (патенты РФ 2047379,2080934). По предложению авторов данных патентов разделение материалов по плотности можно проводить в специальной емкости, снабженной механическими приспособлениями для сбора частиц, 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 продукций,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 частиц порошка минерального. Для выделения частиц из золы-уноса на одной ТЭС потребуется огромная батарея многочисленных приспособлений,предлагаемых по данным патентам. Пример осуществления способа при средних значениях режимных параметров. Съем частиц с поверхности золоотвального водоема производят с помощью эжекторного насоса с автономным 23452 питанием от дизельной мобильной установки. Эжекторный насос снабжен фильтром, который предохраняет от всасывания механических примесей с размерами более 1-3 мм. Всасывание порошка проводят при производительности насоса 50 м 3/час над понтонным поддоном площадью 10 м 2, который легко перемещается в верхнем слое золоотвального водоема с помощью двух тросов. По сливному рукаву влажные частицы поступают в контейнеры с емкостью 1 м 3 типа -,выполненные из пористой ткани с размерами отверстий не более 10 мкм. Контейнеры расположены на металлическом каркасе для возможности обезвоживания (естественного слива воды, поступившей с порошком). На металлическом каркасе подвешивают 20 контейнеров, которые непрерывно заполняют влажным порошком одним оператором. По мере заполнения контейнеров и слива из них воды контейнеры с обезвоженными порошком направляют на сушку и классификацию по фракциям. Время заполнения и обезвоживания 20 контейнеров составило 80 минут. Поскольку удельная поверхность частиц составляет около 200 м 2/г, количество адсорбированной воды на поверхности частиц в виде тонкой пленки составляет 40-50 от массы порошка. Эта вода,удерживаемая поверхностными адсорбционными вандер-вальсовыми силами, может быть удалена в сушильном агрегате при температуре 150-170 С. Сушку порошка 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 сухому порошку. В связи с тем, что отверстие для отходящих газов сушильного барабана экранировано сеткой с размерами не более 10 мкм, потери частиц порошка при сушке составили не более 3,0 мас Высушенные частицы 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 частиц. 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 частицы с размерами 1080 мкм в количестве 3,5 мас. от количества загружаемого порошка. Более крупные частицы поступали во вторую секцию, т.к. классификатор расположен под углом 3, и из нее выгружали частицы с размерами соответственно 80-120 мкм в количестве 21,5 мас. из третьей - 120-250 мкм в количестве 65,0 мас Крупная фракция порошка 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 м 2 можно увеличить производительность эжекторного насоса до 250 м 3/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 частиц порошка. Свойства частиц могут незначительно изменяться в зависимости от места их отбора, что объясняется колебаниями в химикоминералогическом составе углей. Из практики известно, что допустимое содержание примесей,загрязняющих частиц порошка, не должно превышать 2,0 мас К примесям, загрязняющим порошок, относятся частицы несгоревшего угля,частицы золы, плотностью более 1000 кг/ м 3, от их содержания зависит качество материалов, в которых используются порошок. Поскольку частицы с плотностью более 1000 кг/ м 3 при гидросепарации осели на дно золоотвального водоема, количество примесей в полученном порошке входит в показатель потери при прокаливании. Таким образом, порошок минеральный, полученный по предлагаемому способу, по основным показателям соответствуют требованиям, предъявляемым к данным материалам. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения порошка минерального из водной суспензии летучей золы тепловых электростанций, включающий гидросепарацию,съем всплывших частиц, их обезвоживание, сушку с помощью устройства, описанного в части описания,при этом производят разделение полых частиц по фракциям в многоступенчатом вращающемся барабанном классификаторе с самоочищающимися поверхностями сеток для рассева порошка. 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 порошка осуществляют в пористых контейнерах фильтрацией воды через отверстия с размерами не более 10 мкм. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку порошка минерального осуществляют в потоке разогретого воздуха во вращающемся барабане,выходное отверстие которого экранировано сеткой с размерами отверстий не более 10 мкм.