СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕОЛИТА Российский патент 2005 года по МПК C01B39/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к технологии производства цеолита из сырьевого материала в виде зольного продукта сжигания или состава, содержащего алюмосиликат.

Уровень техники

Обычно в качестве сырьевого материала для производства искусственного цеолита применяли летучую золу (золу-унос), образующуюся в ходе сгорания угля, и состав, содержащий алюмосиликат. В выложенных патентных заявках Японии №№6-321525 и 6-321526 описаны способы и варианты установки для производства цеолита из таких сырьевых материалов с помощью горячего водного щелочного раствора.

В выложенной заявке Японии №10-324518 описан способ непрерывного производства искусственного цеолита за счет циркулирующего псевдоожиженного слоя, а также устройство для реализации такого способа.

В обычных способах производства искусственного цеолита смесь, сформированную смешиванием летучей золы или состава, содержащего алюмосиликат, со щелочью, нагревают посредством радиационного тепла или тепла, которое выделяется за счет проводимости. Увеличение плотности тепловой энергии имеет пределы, часто удлиняющие время нагрева. Кроме того, время производства искусственного цеолита удлиняется из-за низкой скорости реакции формирования цеолита с помощью горячего водного щелочного раствора. Другими словами, поскольку нагрев осуществляется по направлению от наружной стороны частиц, для проникновения тепла в частицы и для диффузии щелочи необходим более длинный отрезок времени, что в итоге приводит к увеличению общего времени реакции.

Более того, цеолит, образованный за счет термической щелочной реакции, над поверхностью частиц формирует корку, которая замедляет реакцию внутри частиц. Таким образом, формирование цеолита затрудняется и скорость превращения в цеолит невысока.

Далее, в обычных способах из-за большого количества гидроксида натрия, не вовлеченного в реакцию, требуется большой объем работы и времени для выделения и повторного использования щелочи, что затрудняет производство искусственного цеолита с высокими функциональными свойствами при низкой стоимости.

Существует также проблема в плане экономии энергии, поскольку в рамках обычных способов нужны этапы выделения искусственного цеолита из щелочного раствора, промывания цеолита и его высушивания, причем для первого и третьего из указанных этапов требуется большое количество энергии, приводящее в результате к высокой стоимости производства.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке технологии, которая позволяет осуществить производство искусственного цеолита с помощью процесса, упрощенного по сравнению с обычной технологией и отличающегося пониженным количеством примененной и удаленной щелочи при более низком расходе энергии, а также уменьшенным временем производства.

Для решения указанных выше задач способ производства цеолита согласно настоящему изобретению включает в себя добавление водного щелочного раствора к зольному продукту сжигания или составу, содержащему алюмосиликат, с формированием смеси в виде суспензии или пульпы, нагрев смеси и прямое облучение смеси электромагнитными волнами с частотами в интервале от 300 МГц до 30 ГГц при одновременном непрерывном перемещении смеси с результирующим формированием цеолита. Вследствие применения такого процесса количество щелочи, проникающей в частицы твердой фазы зольного продукта сжигания или аналогичного продукта, составляет необходимый для реакции минимум. При этом щелочь сразу же формирует цеолит за счет тепла, генерируемого из внутренней зоны частиц посредством облучения электромагнитными волнами. Поэтому этот процесс обеспечивает возможность производства искусственного цеолита за короткий отрезок времени, причем с пониженным количеством примененной и удаленной щелочи. Кроме того, отпадает необходимость в обычных процессах разделения твердая фаза-жидкость и очистки, что упрощает процесс в целом.

Следует отметить, что зольный продукт сжигания или состав, содержащий алюмосиликат, могут включать в себя природный цеолит и не превращенный в филлипсит искусственный цеолит, полученный другими производственными способами. Следовательно, настоящее изобретение можно использовать для улучшения свойств природного или какого-либо другого цеолита.

Облучение электромагнитными волнами вызывает генерацию тепла только в смеси зольного продукта сжигания или аналогичного материала фактически без нагрева находящихся рядом устройств, атмосферных газов и т.д. Поэтому достигается высокая эффективность нагрева, что позволяет понизить расход энергии. Кроме того, поскольку облучению электромагнитными волнами предшествует нагрев смеси, эффективность теплового превращения повышается до величины приблизительно 70%. В рамках этого предварительного процесса нагрева смесь предпочтительно нагревают до температуры в интервале 80-150°С.

Главным компонентом цеолита, полученного согласно настоящему изобретению, является филлипсит. Этот цеолит может включать в себя также фожазит, цеолит А, гидроксисодалит и т.д. с нецеолитными компонентами, т.е. с компонентами, отличными от цеолитов, такими как несгоревший углерод, железо и т.д.

Следует отметить, что зольный продукт сжигания, описанный в настоящем изобретении, представляет собой золу, полученную сжиганием составов, содержащих алюмосиликат. Термин "зольный продукт сжигания" включает в себя угольную золу, зольный продукт сжигания шлама, образующегося при изготовлении бумаги, зольный продукт сжигания городского мусора и активного шлама, полученного за счет удаления сточных вод, зольный продукт сжигания твердого топлива, изготовленного из мусора или аналогичного материала. Термин "состав, содержащий алюмосиликат", относится к минералу, содержащему соль, сформированную путем частичного замещения силиката или диоксида кремния алюминием. Примерами такого минерала являются ортоклаз, анортит, анальцим, шабазит и слюда.

Под воздействием облучения электромагнитными волнами с частотами в интервале 300 МГц - 30 ГГц дипольные моменты молекул воды, присутствующих в смеси зольного продукта сжигания или состава, содержащего алюмосиликат, с водным щелочным раствором, энергично колеблются (от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов колебаний в секунду), обеспечивая высокую температуру за счет генерации тепла внутри частиц зольного продукта сжигания или аналогичного материала, что сразу же промотирует термическую щелочную реакцию. Таким образом, реакцию формирования цеолита, которая в обычных способах занимает время от нескольких часов до нескольких десятков часов, можно завершить за несколько минут.

Так как смесь зольного продукта сжигания или состава, содержащего алюмосиликат, с водным щелочным раствором существует в виде суспензии или пульпы, улучшается эффективность обработки и транспортировки в ходе производственного процесса. К тому же эффективную генерацию тепла можно реализовать за счет облучения электромагнитными волнами. В результате количество щелочи можно свести к минимуму, необходимому для протекания реакции, что приводит к значительному сокращению количества отходов в виде удаленной щелочи.

Реакцию формирования цеолитного ядра, определяющую скорость общей реакции формирования цеолита, ускоряют предварительным добавлением частиц, способствующих формированию ядра, к зольному продукту сжигания или составу, содержащему алюмосиликат. Тем самым скорость реакции формирования цеолита повышают в три-пять раз, укорачивая за счет этого время производства искусственного цеолита. В качестве таких частиц пригодны частицы цеолита, стеклянный порошок и т.д.

Поскольку во время облучения электромагнитными волнами смесь зольного продукта сжигания или состава, содержащего алюмосиликат, с водным щелочным раствором непрерывно перемещают, контроль и регулировка условий облучения облегчается, обеспечивая непрерывное протекание общего процесса производства цеолита. Соответственно повышается эффективность процесса. Следует отметить, что если смесь зольного продукта сжигания или аналогичного материала имеет кромки или выступы, электрическое поле имеет тенденцию концентрироваться на них, вызывая неоднородный нагрев. Для его предотвращения предпочтительно использовать цилиндрический вращающийся нагреватель или нагреватель конвейерного типа, который может смещать поверхность нагрева вверх и вниз.

Благодаря применению в качестве зольного продукта сжигания, т.е. летучей золы, сформированной в ходе сгорания угля или сжигания мусора, промышленные отходы можно превратить в полезные ресурсы. Летучая зола, сформированная в ходе сгорания угля, является мелкими частицами золы, собранными пылесборником в ходе сгорания угля с применением бойлера для сжигания угольной пыли. Частицы золы включают в себя оксид кремния, оксид алюминия, оксид кальция и т.д. с потерей сгораемости, составляющей 5% или менее, и удельным весом 1,9 или более, причем распределение размеров частиц таково, что 75% или более частиц проходят через стандартное сито 44 мкм. Летучая зола, образованная при сжигании мусора, имеет состав, содержащий кремнезем (диоксид кремния), глинозем (оксид алюминия) и известь. Этот состав подобен составу летучей золы, образованной при сгорании угля.

Установка для производства цеолита согласно настоящему изобретению содержит перемешивающие средства для добавления водного щелочного раствора к зольному продукту сжигания или к составу, содержащему алюмосиликат, формирования смеси и перемешивания ее; нагревательные средства для нагрева смеси, перемешанной перемешивающими средствами; средства облучения нагретой смеси электромагнитными волнами для формирования цеолита; очищающие средства для очистки цеолита, сформированного посредством облучения электромагнитными волнами, и высушивающие средства для высушивания очищенного цеолита.

С помощью установки, имеющей описанную выше конструкцию, реализуют процесс производства искусственного цеолита, упрощенный по сравнению с обычной технологией и отличающийся пониженным количеством примененной и удаленной щелочи при более низком расходе энергии, а также уменьшенным временем производства.

Фиг.1 схематично иллюстрирует процесс, проводимый на установке для производства цеолита.

На фиг.2 представлен, вид сбоку, блок облучения электромагнитными волнами в установке для производства цеолита, показанной на фиг.1.

Фиг.3 схематично иллюстрирует генератор электромагнитных волн, предназначенный для показанного на фиг.2 блока облучения электромагнитными волнами.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Далее следует описание одного из вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи.

Как показано на фиг.1, зольный продукт сжигания, такой как летучая зола, доставленный транспортирующим средством, хранят в емкости 1, служащей для приема сырьевого материала. Затем с помощью соответствующего насоса продукт переправляют к предварительному нагревателю 2. Далее, из емкости 3, служащей для хранения щелочи, добавляют водный щелочной раствор с концентрацией щелочи 1-30 масс.%. Нагревают смесь до 80-150°С и после этого переправляют ее в смеситель 4, где смесь перемешивают. Предварительный нагреватель 2 нагревают паром 17, а смеситель 4 приводят в действие посредством двигателя 18. Предварительный нагреватель 2, емкость 3 и смеситель 4 с двигателем 18 совместно образуют в данном варианте выполнения установки по изобретению средства для добавления водного щелочного раствора к зольному продукту сжигания и нагревательные средства для нагрева смеси.

Перемешанную смесь 19 в форме суспензии, сформированной в смесителе 4, помещают на конвейер 20 и транспортируют к блоку 21 облучения электромагнитными волнами. Во время транспортировки на конвейере смесь в течение 1-15 мин облучают электромагнитными волнами с частотой 2450 МГц, генерируемыми излучателями 5 электромагнитных волн, помещенными над конвейером 20. В этих условиях в перемешанной смеси 19 быстро развивается реакция образования цеолита, приводящая к формированию цеолита. Следует отметить, что условия облучения электромагнитными волнами можно регулировать в интервале частот 300 МГц- 30 ГГц (длина волны 1 см - 1 м) и в интервале времени облучения 1-30 мин.

После завершения облучения электромагнитными волнами перемешанную смесь 19 отверждают и далее переправляют к очищающим средствам, выполненным в виде очищающей машины 7, где отмывают щелочь, присоединенную к сформировавшемуся цеолиту. Затем очищенный цеолит обезвоживают с помощью центрифуги 8 и подвергают высушиванию в мягких условиях нагревом посредством пара в высушивающих средствах, выполненных в данном варианте установки в виде барабанной (вращающейся) паровой сушилки 9. В паровой сушилке 9 получают искусственный цеолит. Его помещают в емкость 10, служащую для приема продукта, взвешивают для определения значения плотности, упаковывают и отгружают в виде продукта 16.

Водный щелочной раствор, полученный из центрифуги 8, переправляют к емкости 11, служащей для приема щелочи, обрабатывают в аппаратах 12 и 13 соответственно для первичной и вторичной обработки сточной воды, пропускают через контролирующий аппарат 14 и, далее, удаляют в виде сточной воды 15.

Как показано на фиг.2, в блоке 21 облучения электромагнитными волнами регулятор 22 подачи перемешанной смеси 19 помещен около стартовой точки конвейера 20, над которым размещено множество излучателей 5 электромагнитных волн. Около конечной точки конвейера 20 помещен настил 25 для отверждения сформированного цеолита, а внутри конвейера 20 помещен экран 26, не пропускающий микроволновую радиацию.

Как показано на фиг.3, рядом с микроволновым генератором 23 расположены изолятор 24, предотвращающий утечку генерированной микроволновой радиации, прибор 27 контроля мощности, направленное соединительное устройство 28 для передачи генерированной микроволновой радиации к излучателю 32, осуществляющему микроволновое облучение материала, индикатор 29, согласующее устройство 30, фиксированный распределитель 31, излучатель 32, осуществляющий микроволновое облучение материала, подлежащего нагреву микроволновой радиацией. Таким образом, указанный блок 21 облучения, включающий в себя микроволновый генератор 23, образует средства облучения нагретой смеси электромагнитными волнами.

Во время транспортировки в перемешанной смеси 19, прошедшей через регулятор 22 подачи и помещенной на конвейере 20, под воздействием облучения микроволновой радиацией, генерированной микроволновым генератором 23, быстро протекает реакция образования цеолита. Поэтому цеолит формируется за то короткое время, пока смесь не достигнет конечной точки конвейера 20. Сформированный таким образом цеолит отверждают на предназначенном для этого настиле 25, а затем, как описано выше, переправляют к очищающей машине 7, в которой проводят специальную обработку.

В соответствии с этим, в ходе добавления водного щелочного раствора к зольному продукту сжигания, перемешивания полученной в результате этого смеси, нагрева сформированной таким образом перемешанной смеси 19 и облучения перемешанной смеси 19 электромагнитными волнами с целью формирования цеолита требуется минимальное количество щелочи для того, чтобы реакция охватила внутреннюю область твердофазной частицы зольного продукта сжигания, а щелочь сразу же сформировала цеолит посредством тепла, генерируемого из внутренних зон частиц за счет облучения электромагнитными волнами. Поэтому этот процесс обеспечивает возможность производства искусственного цеолита за короткий отрезок времени, причем с пониженным количеством примененной и удаленной щелочи. Кроме того, отпадает необходимость в обычных процессах разделения твердая фаза-жидкость и очистки, что упрощает процесс в целом.

В дополнение к этому, поскольку облучение электромагнитными волнами вызывает генерацию тепла только в перемешанной смеси 19, фактически без нагрева находящихся рядом устройств, атмосферных газов и т.д., достигается высокая тепловая эффективность, так что расход энергии можно понизить. Кроме того, поскольку излучению электромагнитной волны предшествует предварительный нагрев перемешанной смеси 19 до приблизительно 80-150°С, эффективность теплового превращения повышается до величины приблизительно 70%.

Главным компонентом цеолита, сформированного согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, является филлипсит. Этот цеолит может включать в себя также фожазит, цеолит А, гидроксисодалит и т.д. с нецеолитными компонентами, т.е. компонентами, отличными от цеолитов, такими как несгоревший углерод, железо и т. д.

Под воздействием облучения смеси электромагнитными волнами с частотой 2450 МГц дипольные моменты молекул воды, присутствующих в перемешанной смеси 19, энергично колеблются (с частотой от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов колебаний в секунду), обеспечивая высокую температуру за счет генерации тепла внутри частиц зольного продукта сжигания или аналогичного материала, что сразу же промотирует термическую щелочную реакцию. Таким образом, реакцию формирования цеолита, которая в обычных способах занимает время от нескольких часов до нескольких десятков часов, можно завершить за несколько минут.

Так как перемешанная смесь 19 существует в виде суспензии, повышается эффективность обработки и транспортировки в ходе производственного процесса. Далее, эффективную генерацию тепла можно реализовать за счет облучения электромагнитными волнами. В результате количество щелочи можно свести к минимуму, необходимому для протекания реакции, что приводит к огромному сокращению количества отходов в виде удаленной щелочи.

Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено описанным выше вариантом осуществления изобретения. Компоненты, концентрации и количества добавленного водного раствора щелочи можно варьировать в зависимости от типа, компонентов, свойств и т.д. сырьевого материала, такого как зольный продукт сжигания. Надлежащим образом можно изменять, кроме того, свойства перемешанной смеси и количество воды в ней, а также частоты, время воздействия и другие характеристики электромагнитных волн, применяемых в процессе облучения.

Пример 1

Смесь с соотношением 1:2-5 угольной золы и зольного продукта сжигания шлама, образованного при изготовлении бумаги, обработали в описанных выше условиях, применяя показанную на фиг.1 установку для производства цеолита. Для соотношения в интервале 1:2-5 степень превращения в искусственный цеолит Са-типа составляла приблизительно 90%. Оказалось возможным получить с высокой эффективностью искусственный цеолит указанного типа посредством облучения электромагнитными волнами в течение 3-5 мин за счет ускорения формирования цеолитного ядра при добавлении 10-20 масс.% стеклянного порошка к зольному продукту сжигания шлама, образованного при изготовлении бумаги.

Пример 2

Зольный продукт сжигания городского мусора (зольный продукт RDF) обработали, применяя показанную на фиг.1 установку для производства цеолита. Оказалось возможным сократить время облучения электромагнитными волнами, требуемое для превращения указанной золы в цеолит, в два-три раза по сравнению с вариантом обработки угольной золы.

Пример 3

При обработке сырьевого материала с различным соотношением Si/Al, такого как зольный продукт сжигания, компоненты сформированного искусственного цеолита можно контролировать регулировкой соотношения Са, Na и т.д., причем указанные вещества являются компонентами водного щелочного раствора, который добавляют из емкости 3, служащей для хранения щелочи. Такой же контроль можно осуществить, регулируя время облучения электромагнитными волнами.

Далее провели сопоставление способа изготовления искусственного цеолита согласно настоящему изобретению и такого же способа изготовления посредством обычного горячего водного щелочного раствора. В способе согласно настоящему варианту осуществления изобретения оказалось возможным понизить загрязняющую нагрузку до 5 кг на тонну искусственного цеолита по сравнению с обычной величиной 100 кг и уменьшить расход энергии (в пересчете на тяжелую нефть) до 50 л на тонну искусственного цеолита по сравнению с величиной 500 л, необходимой в обычном способе. Кроме того, оказалось возможным понизить производственные затраты на одну тонну искусственного цеолита до значения, составляющего приблизительно 1/3,5-1/5 обычной стоимости.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение можно использовать в качестве эффективной технологии производства цеолита, применяя в качестве сырьевого материала зольный продукт сжигания или состав, содержащий алюмосиликат, в том числе природный цеолит.

Изобретение относится к синтезу цеолитов. К составу, содержащему в качестве сырьевого материла зольный продукт сжигания или алюмосиликат, добавляют водный щелочной раствор, смесь нагревают, обрабатывают с помощью смесителя, получая перемешанную смесь в виде суспензии или пульпы. Перемешанную смесь непрерывно перемещают и подвергают прямому облучению электромагнитными волнами с частотой в интервале 300 МГц - 30 ГГц электромагнитными волнами, превращая ее тем самым в цеолит. Цеолит очищают посредством очищающей машины и высушивают в барабанной паровой сушильной установке. Указанный способ можно использовать для производства искусственного цеолита, которое характеризуется пониженным количеством примененной и удаленной щелочи при пониженном расходе энергии, а также уменьшенным временем производства. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ производства цеолита, предусматривающий добавление водного щелочного раствора к зольному продукту сжигания или составу, содержащему алюмосиликат, с формированием смеси в виде суспензии или пульпы, нагрев указанной смеси и прямое облучение указанной смеси электромагнитными волнами с частотами в интервале от 300 МГц до 30 ГГц при одновременном непрерывном перемещении указанной смеси с результирующим формированием цеолита.2. Способ производства цеолита по п.1, отличающийся тем, что указанный состав представляет собой природный цеолит или цеолит, который не был превращен в филлипсит.3. Установка для производства цеолита, содержащая перемешивающие средства для добавления водного щелочного раствора к зольному продукту сжигания или составу, содержащему алюмосиликат, формирования и перемешивания смеси, нагревательные средства для нагрева смеси, перемешанной указанными перемешивающими средствами, средства облучения электромагнитными волнами для облучения указанной нагретой смеси электромагнитными волнами с формированием цеолита, очищающие средства для очистки указанного цеолита, сформированного облучением электромагнитными волнами, и высушивающие средства для высушивания очищенного цеолита.