СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО РАСПЛАВА Российский патент 2009 года по МПК C03B1/00 

Изобретение относится к производству минерального волокна и связано с рециркуляцией отходов минерального волокна (MB) в установке для производства MB, используемого в качестве тепло- и звукоизоляции в строительной индустрии.

Из уровня техники известны способы использования отходов MB для возвращения их в плавильный агрегат, содержащий минеральный расплав. Однако в настоящее время не решается задача полной утилизации отходов MB, особенно, где в качестве плавильного агрегата используется пламенная печь. Из всех известных технических решений максимальный возврат отходов достигает только пятидесяти процентов.

Известен способ переработки отходов MB, включающий подачу волокон в виде обрезков обратно в печь на поверхность расплавленного стекла, нагрев волокон до разрушения покрытия и плавления волокон (см. патент РФ №2094401, МПК 6 С03С 1/00, С03В 5/00, опубл. 27.10.1997).

Однако прямой возврат в пламенную печь отходов (обрезков) MB отрицательно влияет на работу печи, поскольку отходы MB обладают низкой теплопроводностью и низкой плотностью, что приводит к накоплению их в виде «шубы» на поверхности расплава, и образующийся рыхлый поверхностный слой ограничивает подвод тепла к расплаву, затрудняя протекание процессов тепло- и массообмена. В процессе термической обработки MB в печи на поверхности введенных отходов образуется углеродсодержащий слой (продукт разложения фенолформальдегидного замасливателя), ухудшающий смачивание волокна расплавом, что также затрудняет процесс перехода отходов MB в расплав.

Кроме того, в случае подачи измельченных отходов MB в виде порошка в пламенную ванную печь часть отходов будет уноситься потоками теплоносителя, не достигнув поверхности расплава, что снижает эффективность использования возвратных отходов MB, в частности выход годного материала, а также препятствует решению экологической проблемы производства. Кроме того, пыль MB, оседая на поверхности теплообменника, нарушает его работу, что приводит к необходимости проведения частых дорогостоящих ремонтов.

Все это ухудшает стабилизацию процесса плавления и усреднения расплава и, как следствие, не дает возможности полностью утилизировать отходы MB путем их прямого возврата в плавильный агрегат.

Известен способ рециркуляции отходов MB в установке для производства минерального волокна, в котором отходы MB вводят в подающий канал (см. патент РФ №2183597, МПК 7 С03В 3/00, С03В 7/02, опубл. 20.06.2002). Недостатком указанного способа является ограничение объема вводимой массовой доли отходов (около 4%).

Известен способ включения отходов минераловатного производства в технологический процесс (см. заявку РФ №95101759 от 06.02.1995, МПК 6 С03С 13/06, опубл. 10.12.1996), в котором в состав шихты кроме щебня доменного шлака и корректирующих добавок дополнительно входят отходы минераловатного производства в количестве 10,0-50,0% мас.%. Однако здесь невозможно вводить большие количества отходов MB, не нарушая процесс производства MB, что связано с расслоением шихты за счет разницы плотностей используемых материалов.

Известны способы возврата отходов MB, включающие перемешивание, увлажнение связующим, компактирование и сушку путем смешения отходов MB с вяжущими материалами: шлаком, активированным щелочным веществом (см. патент РФ №2090525, МПК 6 С03С 1/00, С03В 37/00, опубл. 20.09.1997) цементом (см. заявку РФ №2005117362, МПК 7 С03В 1/02, опубл. 20.01.2006), раствором жидкого стекла (см. патент РФ №2234473, МПК 7 С03С 6/10, С03В 37/00, опубл. 20.08.2004), фосфополугидратом сульфата кальция (см. патент РФ №1499847, МПК 6 С03В 1/00, опубл. 10.12.1996) с последующим возвратом полученного материала в пламенную печь. Недостатком данных способов является изменение химического состава расплава, вызванное введением в состав расплава вяжущих веществ, состав которых отличается от состава расплава, а также дополнительные расходы на вяжущее, снижающие технико-экономические показатели (ТЭП). При этом при использовании значительного количества возвратных отходов MB изменение химического состава может стать критическим и значительно ухудшить качество волокна.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ получения минерального расплава по патенту РФ №1499847. В описании данного технического решения уделяется много внимания химическому составу сырьевых материалов, вещественным составам шихты и вещественным составам брикетированных отходов в отдельности и соединенных с шихтой. Отходы смешивают со связующим - фосфополугидратом сульфата кальция в соотношении (3-4):1, полученную смесь затворяют водой до 3,5-4,0% влажности, брикетируют с удельным прессованием 80-150 МПа, выдерживают в естественных условиях в течение 8-12 часов, а затем вводят в шихту.

Заявленная в прототипе цель повышения производительности и снижения расхода сырьевых материалов достигается за счет использования отходов MB, которые предварительно размельчают, смешивают со связующим, увлажняют и брикетируют. Однако, как следует из описания, указанный способ реализуется только для отходов производства MB в виде корольков. Но проблемы возврата в технологический процесс корольков в электрическую и/или пламенную стекловаренную печи (даже без дополнительного введения связующего) не существует, чего нельзя сказать о пылевидных отходах или обрезках MB, которые накапливаются в процессе производства в значительных количествах.

В данном способе обеспечить постоянство химического состава расплава, независимо от количества возвращаемых отходов, не удается, так как при увеличении количества вводимых отходов нарушается химический состав расплава из-за введения большого количества поступающего связующего (фосфополугидрата сульфата кальция). Для сохранения кислотного модуля (см. табл.2) и выработочных свойств расплава требуется корректировка состава шихты. Это приводит к дополнительным расходами на емкости для хранения и дозирующие устройства подшихтовочных компонентов, что заметно усложняет техпроцесс, снижая его экономичность. Однако сохранение модуля кислотности не является гарантией сохранения химического состава расплава и его выработочных свойств, поскольку новые подшихтовочные компоненты содержат другие примеси, влияющие на выработочные свойства расплава, и, как следствие, не гарантирует стабильности качества и выхода годного MB.

Наконец, невозможность полной утилизации всех видов отходов MB влияет на экологию и требует дополнительных расходов на их вывоз и захоронение, а использование в качестве связующего фосфополугидрата сульфата кальция, разлагающегося в ходе плавления шихтных компонентов с выделением токсичных летучих оксидов SO₃ и P₂O₅, также приводят к значительному ухудшению экологических и санитарно-гигиенических условий производства.

Задачей изобретения является полная утилизация отходов MB, сохранение постоянства химического состава расплава, независимо от количества вводимых отходов, повышение экологических и санитарно-гигиенических условий производства, повышение экономичности производственного процесса и выхода годного продукта.

Технический результат достигается за счет регулярного возврата в расплав переработанных отходов MB, соединенных с одним из компонентов шихты, который может частично или полностью использоваться в качестве связующего для отходов минерального волокна, обеспечивая постоянство химического состава расплава и технологичность процесса.

Поставленная задача решается способом получения минерального расплава, включающего приготовление шихты с участием возврата отходов минерального волокна, которые предварительно измельчают, смешивают со связующим веществом, увлажняют, компактируют, соединяют с исходной шихтой в определенной пропорции составляющих и расплавляют полученную смесь, в котором, в отличие от прототипа, изначально рассчитывают рецептуру расплава минерального волокна с учетом максимального количества связующего вещества, вводимого с отходами MB, автономно перерабатывают отходы минеральных волокон путем измельчения собранных отходов, дозирования на одинаковые по массе части, которые смешивают с постоянным рассчитанным количеством связующего вещества, размешивают общую массу отходов с введенным связующим, увлажняют полученную смесь водой, количество которой должно быть достаточно для смачивания и равномерного распределения связующего в отходах, затем увлажненную смесь компактируют, пропуская ее через гранулятор или валки, проводят термобработку и соединяют переработанные отходы с основной шихтой, при этом соотношение количеств всех составляющих переработанных отходов и основной шихты определено следующими условиями:

где K₁, K₂, Kn, С - количества компонентов шихты на 100 кг расплава, при этом компонент С представляет собой вещество, которое используется также в качестве связующего вещества при обработке отходов MB, кг.

G_отх - количество вводимых переработанных отходов на 100 кг расплава, полученного из шихтных компонентов, кг;

N_отх - массовое процентное содержание связующего вещества в отходах после компактирования;

С_отх - количество связующего вещества, вводимое в составе переработанных отходов, кг.

C₁ - количество связующего вещества, которое необходимо ввести в чистом виде на 100 кг расплава, получаемого из шихтных компонентов для сохранения его химического состава, кг.

Опытным путем определено, что процентное содержание связующего в рецептуре расплава зависит от его типа и лежит в пределах от 0,4 до 7,5% от состава расплава, полученного из шихтных компонентов, при этом предпочтительно используют связующее вещество в виде глины, жидкого стекла, цемента или их смеси, как наиболее распространенных и доступных для такого производства. Возможно применение и других вяжущих веществ, пригодных для производства MB.

При содержании связующего свыше 7,5 мас.% для глины, 4 мас.% для жидкого стекла ухудшаются выработочные свойства расплава, и, как следствие, значительно снижается качество и выход годного продукта.

Минимальное количество конкретного связующего должно быть таким, чтобы обеспечивалось его равномерное распределение по поверхности минеральных волокон и сохранение механической прочности, достаточной для предотвращения разрушения гранул связующего с отходами в процессе транспортировки и перемешивания, и вычисляется по формуле:

где N_{отх. min} - минимальное содержание связующего в возвращаемых отходах MB, мас.%,

S - удельная поверхность материала, м²/кг,

δ - минимальный размер частиц связующего, м,

ρ - плотность связующего, кг/м³.

Например, минимальная концентрация связующего для глины - 5 мас.%, для жидкого стекла - 0,4 мас.%.

Максимальное количество связующего в составе гранул не ограничивается, однако нецелесообразно увеличивать его содержание, прежде всего с экономической точки зрения, поскольку, несмотря на значительное повышение прочности гранул, значительно возрастают энергетические расходы на сушку увлажненного материала.

Максимальное количество возвращаемых отходов зависит от типа выбранного связующего, численное значение G_max определяется по формуле:

где G_max - максимальное количество отходов минерального волокна, возвращенного на 100 кг расплава, полученного из сырьевых компонентов в кг.

Операцию термообработки после компактирования смеси отходов со связующим веществом для различных составов связующего проводят при различных условиях: в воздушно-сухой среде (сушка), при повышенной влажности (гидротермальная обработка). Так, при использовании связующего в виде глины или жидкого стекла производят сушку смеси, а при использовании гидравлического вяжущего, например цемента, требуется гидротермальная обработка (так называемое пропаривание).

Примеры расчета количественных значений составляющих при реализации способа с использованием возвратных отходов MB для получения расплава с модулем кислотности Мк=2 при различных типах используемого связующего - глины и жидкого стекла - представлены в Таблице 1. В способе достигается утилизация отходов, независимо от их количества, т.к. введение в шихту переработанных отходов производится с учетом максимального количества вводимого конкретного связующего, т.е. полученная смесь отходов используется уже как компонент шихты и дозируется в пересчете на вводимое количество связующего. Таким образом, обеспечивается постоянство химического состава расплава. При таком подходе контроля постоянства химического состава расплава возможно полная утилизация отходов, исключается расслоение шихты при использовании отходов. Возвращение отходов в производство MB данным способом позволяет повысить экологическую чистоту производства, снизить ресурсо- и энергозатраты, что снижает себестоимость продукции MB, причем обеспечивается стабильность потребительских свойств минерального волокна.

Примеры осуществления способа.

В процессе подготовки сырьевых материалов раздельно дробят входящие в состав шихты компоненты. Дробление производят на куски 2-8 мм. Затем от каждого компонента отсеивают фракции менее 2 мм. Приготовленные компоненты шихты согласно рецептуре дозируют, перемешивают и подают в печь.

Осуществляют расплавление шихты, проводят необходимые технологические операции до получения расплава, который далее перерабатывается на волокно с использованием центрифуги. Полученное минеральное волокно собирают в виде рулона или прямоугольной заготовки, концы которых выравнивают и обрезают под размер, определенный применяемым в данном производстве ГОСТом, далее изделия передают на участок упаковки MB.

Отходы в виде пыли и обрезков матов собирают, подготавливают по предлагаемому способу и возвращают в печь. Осуществление способа рассмотрено на примерах двух составов с использованием различных связующих (глина, жидкое стекло - Таблица 1), а для сравнимости результатов и сопоставления их с известным способом-прототипом приведена Таблица 2.

Пример 1 (связующее - глина).

Расчетный химический состав волокна, мас.%: SiO₂ - 53,10, Al₂O₃ - 12,05, CaO+MgO - 32,55, Na₂O - 1,18.

Кислотный модуль Км=2,0.

Рассчитана рецептура MB, включающая (кг):

Базальт Карельский - 46,00;

Глина Кембрийская - 7,50;

Шлак металлургический - 46,50.

Максимальное количество возвращаемых отходов - 150 кг (на 100 кг расплава). Предположим, что в рассматриваемый момент времени количество возвращаемых отходов MB составляет 50 кг, рассчитанное количество связующего, вводимого с отходами MB при N_отх=10 мас.%, составляет 5 кг. Поэтому для сохранения состава расплава в чистом виде необходимо ввести 2,5 кг связующего.

Шихтные компоненты: базальт - 46,00 кг, шлак - 46,50 кг и глина - 2,5 кг подают в барабанный смеситель, в котором приготавливается шихта. Полученную шихту подают в расходный бункер. Отходы MB (пыль, обрезки матов) массой 50 кг проходят через измельчитель и поступают в барабанный смеситель, в который также подается 5 кг глины и 15 литров воды.

Полученную смесь, включающую отходы MB, перемешивают в течение 30 минут и далее подают на перфорированные валки, на которых происходит компактирование полученного материала (зазор между валками составляет 5 мм). Полученные после уплотнения материала гранулы размерами 4×4×5 мм подают в сушильный барабан (температура теплоносителя 250°С, время сушки 30 минут). За это время гранулы приобретают прочность не менее 2,0 МПа. Гранулированный материал поступает в расходный бункер гранулята. Перед подачей в печь шихта и гранулят соединяют в соотношении 95:55, после чего подают в печь.

Если количество возвращаемых отходов MB лежит в пределах от 0 до 150 кг на 100 кг расплава, полученного из шихтных компонентов, то состав расплава не меняется (примеры реализации при различных количествах возвращаемых отходов и концентрациях связующего представлены в Таблице 1, №№1-7).

Пример 2 (связующее - жидкое стекло).

Расчетный химический состав волокна, мас.%: SiO₂ - 53,98, Al₂O₃ - 11,67, CaO+MgO - 32,61, Na₂O - 1,74

Кислотный модуль Км=2,0.

Рецептура MB в кг содержит: базальт карельский - 50; шлак металлургический - 46; метасиликат натрия - 4.

Максимальное количество возвращаемых отходов - 1000 кг (на 100 кг расплава). Предположим, что в рассматриваемый момент времени количество возвращаемых отходов MB составляет 50 кг, рассчитанное количество связующего, вводимого с отходами MB при N_отх.=4 мас.% составляет 2 кг. Поэтому для сохранения состава расплава в чистом виде необходимо ввести 2 кг метасиликата натрия. Шихтные компоненты: базальт - 50 кг, шлак - 46 кг и 2 кг метасиликата натрия подают в барабанный смеситель, в котором приготавливается шихта.

Полученную шихту подают в расходный бункер.

Из 2 кг метасиликата натрия готовят водный раствор (жидкое стекло) с концентрацией 25,6 мас.% (7,8 л с плотностью 1,26 кг/м³).

Отходы MB (пыль, обрезки матов) массой 50 кг проходят через измельчитель и поступают в барабанный смеситель, в который также подается 7,8 литра раствора метасиликата натрия (плотность 1,26 кг/м³).

Время перемешивания - 30 минут, после чего поступают на гранулятор-дражератор, где получают гранулы размером 3-5 мм с влажностью 15%. Гранулы подают в сушильный барабан (температура теплоносителя 250°С, время сушки 30 минут). За это время они приобретают прочность порядка 3,0 МПа. Гранулированный материал поступает в расходный бункер гранулята.

Перед подачей в печь шихту и гранулят соединяют в соотношении 98:57, после чего подают в печь.

Если количество возвращаемых отходов MB лежит в пределах от 0 до 1000 кг на 100 кг расплава, полученного из шихтных компонентов, то состав расплава не меняется (примеры реализации при различных количествах возвращаемых отходов и концентрациях связующего представлены в Таблице 1, №№8-13).

Предлагаемый способ позволяет использовать отходы собственного производства, а также использовать отходы потребителей MB, помогая решать как собственные экономические (расширение сырьевой базы, повышение ТЭП), так и совместные экологические и санитарно-гигиенические условия.

Влияние количества возвращаемых отходов на химический состав волокна по предлагаемому способу в сравнении с прототипом представлено в Таблице 2. Для удобства сравнения результатов данные по предлагаемому способу пересчитаны на 100% получаемого расплава.

За один цикл возврата отходов, без соединения с дополнительными количествами, полученными ранее или завезенными извне, а также при объединении всех подготовленных к утилизации отходов можно осуществлять регулярный возврат отходов в технологический процесс производства минерального волокна в любом количестве при соответствующем контроле рассчитанного первоначально химического состава расплава.

Предлагаемый способ позволяет исключить расслоение шихты при использовании отходов MB, дорогостоящий процесс подшихтовки, снизить ресурсо- и энергозатраты и получить стабильный химический состав. Использование изобретения позволяет расширить сырьевую базу производства MB, не требует специальных связующих добавок на стадии компактирования, что также способствует обеспечению стабильности химического состава расплава.

Предлагаемый способ позволяет снизить себестоимость производимой продукции MB за счет утилизации отходов и снижения транспортных расходов на их перевозку, прироста производства без увеличения поставок сырьевых материалов, а также повысить производительность технологического процесса.

Предлагаемое решение позволяет решать задачу комплексно, так как сохраняет химический состав, включая примеси, независимо от количества возвращаемых отходов MB. Предлагаемый способ позволяет также утилизировать не только отходы производителей MB, но и отходы потребителей MB, поступающие извне.

Таблица 1 Примеры расчета реализации способа с использованием возвратных отходов MB для получения расплава с Мк=2 при различных типах используемых связующих № п/п Тип связующего Сырьевые компоненты, кг на 100 кг расплава Возвратные отходы, кг на 100 кг расплава N_отх, мас.% содержание связующего в отходах Общее количество получаемого расплава Σ Ki C₁ С_отх G_отх G_max/C_min 1 Глина 97,0 3,0 0 0 G_max=150/C_min=5,0 0 0 2 Глина 92,5 0 7,5 150 5,0 250 3 Глина 97,0 2,0 1,0 10 10,0 110 4 Глина 97,0 0,0 3,0 30 10,0 110 5 Глина 92,5 2,5 5,0 50 10,0 150 6 Глина 92,5 0 7,5 75 10,0 175* 7 Глина 92,5 0 7,5 50 15,0 150* 8 Жидкое стекло 96,0 0 4,0 1000 G_max=1000/
C_min=0,4 0,4 1100* 9 Жидкое стекло 96,0 0 4,0 100 4,0 200 10 Жидкое стекло 96,0 2,0 2,0 50 4,0 150 11 Жидкое стекло 96,0 4,0 0 0 4,0 100 12 Жидкое стекло 96,0 3,6 0,4 10 4,0 110 Где Σ Ki+С₁+С_отх=100 *Для удобства сравнения с вариантом прототипа данные таблицы 1, отмеченные * пересчитаны таким образом, чтобы сумма компонентов шихты и ворзвращаемых отходов MB составляла 100%

Таблица 2 Сравнительные данные по предлагаемому способу и прототипу № п/п Тип связующего Сырьевые компоненты, мас.% Возвратные отходы, мас.% N_отх, мас.% Общее количество расплава заданного состава, % Мк Количество оксидов, влияющих на изменение состава рецептуры, мас.% Вредные выбросы, % Σ Ki C₁ С_отх MB 1 фосфополугидрат сульфата кальция (прототип) 100 0 0 0 0 100 2,0 0 нет 2 фосфополугидрат сульфата кальция (прототип) 33,3 0 16,67 50 25 89,93 1,64 6,62 10,07 (SO₃,
P₂O₅, F) 3 Глина (№5 табл.1) 61,67 1,67 3,33 33,33   100 2,0 0 нет 4 Глина (№6 табл.1) 61,67 0 5,00 33,33   100 2,0 0 нет 5 Жидкое стекло (№11 табл.1) 8,73 0 0,36 90,90   100 2,0 0 нет 6 Жидкое стекло (№12 табл.1) 4,68 0 0,38 94,94   100 2,0 0 нет

Способ получения минерального расплава относится к производству минерального волокна и связан с рециркуляцией отходов минерального волокна (MB). Технической задачей изобретения является утилизация отходов MB, сохранение постоянства химического состава расплава, независимо от количества вводимых отходов, повышение экологических и санитарно-гигиенических условий производства, повышение экономичности производственного процесса и выхода годного продукта. Способ включает приготовление шихты с участием возврата отходов MB, которые предварительно измельчают, смешивают со связующим веществом, увлажняют, компактируют, соединяют с исходной шихтой в определенной пропорции составляющих. Затем расплавляют полученную смесь, при этом изначально рассчитывают рецептуру расплава минерального волокна с учетом максимального количества связующего вещества, вводимого с отходами MB. Отходы минеральных волокон автономно перерабатывают путем измельчения собранных отходов, дозирования на одинаковые по массе части, которые смешивают с постоянным рассчитанным количеством связующего вещества, размешивают общую массу отходов с введенным связующим, увлажняют полученную смесь водой. Затем увлажненную смесь компактируют, пропуская ее через гранулятор или валки, термообрабатывают и соединяют переработанные отходы с основной шихтой. 1 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения минерального расплава, включающий приготовление шихты с участием возврата отходов минерального волокна (MB), которые предварительно измельчают, смешивают со связующим веществом, увлажняют, компактируют, соединяют с исходной шихтой в определенной пропорции составляющих и расплавляют полученную смесь, отличающийся тем, что изначально рассчитывают рецептуру расплава минерального волокна с учетом максимального количества связующего вещества, вводимого с отходами MB, автономно перерабатывают отходы минеральных волокон путем измельчения собранных отходов, дозирования на одинаковые по массе части, которые смешивают с постоянным рассчитанным количеством связующего вещества, размешивают общую массу отходов с введенным связующим, увлажняют полученную смесь водой, количество которой должно быть достаточно для смачивания и равномерного распределения связующего в отходах, затем увлажненную смесь компактируют, пропуская ее через гранулятор или валки, термообрабатывают и соединяют переработанные отходы с основной шихтой, при этом соотношение количеств всех составляющих переработанных отходов и основной шихты определено следующими условиями:

где K₁, K₂, Kn, С - количества компонентов шихты на 100 кг расплава, при этом компонент С представляет собой вещество, которое используется также в качестве связующего вещества при обработке отходов MB, кг

G_отх - количество вводимых переработанных отходов на 100 кг расплава, полученного из шихтных компонентов, кг;
N_отх - массовое процентное содержание связующего вещества в отходах после компактирования;
С_отх - количество связующего вещества, вводимое в составе переработанных отходов, кг

C₁ - количество связующего вещества, которое необходимо ввести в чистом виде на 100 кг расплава, получаемого из шихтных компонентов для сохранения его химического состава, кг.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процентное содержание связующего в рецептуре расплава зависит от его типа и лежит в пределах от 0,4 до 7,5% от состава расплава, полученного из шихтных компонентов, при этом предпочтительно используют связующее вещество в виде глины, жидкого стекла, цемента или их смеси.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для каждого типа связующего его минимальное количество, которое обеспечивает равномерное распределение по поверхности минеральных волокон и сохранение механической прочности компактированного материала, достаточной для предотвращения его разрушения в процессе транспортировки и перемешивания, вычисляется по формуле:
N_{отх. min}=Sδρ 100/(1+Sδρ),
где N_{отх. min} - минимальное содержание связующего в возвращаемых отходах MB, мас.%;
S - удельная поверхность материала м²/кг;
δ - минимальный размер частиц связующего, м;
ρ - плотность связующего, кг/м³.