СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЖИДКИХ КРЕМНИЕВЫХ УДОБРЕНИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЖИДКИХ КРЕМНИЕВЫХ УДОБРЕНИЙ Российский патент 2024 года по МПК C05G5/20 C05G3/00 C05D9/02 

Группа изобретений относится к процессам производства минеральных удобрений, а в частности к способам, устройствам, установкам и технологическим линиям для производства жидких кремниевых удобрений с полиэтиленгликолем.

Из уровня техники известен способ приготовления кремниевых удобрений с использованием отходов слитков поликристаллического кремния и шлама отходов резки кристаллического кремния, который включает следующие этапы: (1) проведение физического и грубого разрушения тигля из плавленого кварца, полученного после литья слитков поликристаллического кремния, получение фрагментов тигля, затем замачивание фрагментов тигля в слабом растворе кислоты или воде, а затем проведение обработки ультразвуком для удаления примеси; (2) проведение физического и мелкого дробления фрагментов тигля, полученных после удаления примесей; (3) использование шаровой мельницы для измельчения фрагментов тигля; (4) проведение разделения твердой и жидкой фаз на шламе отходов резки кристаллического кремния алмазной проволокой; (5) использование неорганической кислоты для проведения кислотной промывки для удаления примесей из твердого материала, полученного после разделения; (6) добавление кварцевого порошка, полученного на этапе (3), и кремниевого режущего порошка к насыщенному раствору гидроксида калия или раствору гидроксида натрия и добавление воды; (7) добавление аминофульвокислоты к раствору на стадии (6) после полного завершения реакции и получение исходного материала кремниевого удобрения; (8) концентрирование сырья кремниевого удобрения и получение жидкого кремниевого удобрения (см. китайский патент CN 107337490, кл. C05D 1/00, оп. в 2017 году). Этот способ предусматривает использование воды и кислот при производстве жидкого кремниевого удобрения путем проведения нескольких химических реакций и различных видов измельчения компонентов. Такое удобрение нежелательно для использования для внесения по зеленой массе (по листьям) по следующим причинам: содержание небольшого количества вредных примесей, остающихся в удобрении после химических процессов, и недостаточное качество измельчения кремния.

Известны способ мокрого измельчения материалов в барабанной мельнице, включающий подачу в мельницу материала в виде пульпы, воздействие на нее мелющими телами и разгрузку готового продукта, при этом пульпу подвергают поперечным колебаниям, а также барабанная мельница для мокрого измельчения материалов, включающая барабан с загрузочной и разгрузочной горловинами, в которой вдоль барабана уложены рядами футеровочные плиты, при этом она снабжена полыми элементами, расположенными рядами вдоль барабана с просветами между ними и открытыми со стороны, противоположной направлению вращения мельницы (см. патент на изобретение РФ №1747159, кл. В02С 17/16, оп. в 1992 году). Такая барабанная мельница предназначена для более эффективного измельчения материалов, которые подают в нее в виде пульпы с использованием воды. Использование полиэтиленгликоля в этом техническом решении не предусмотрено.

Известен растворный узел для приготовления жидких удобрений, содержащий бункерный накопитель сухих удобрений, сообщающийся посредством транспортера со смесительным реактором с входным патрубком для раствора, трубопроводную систему, нагревательное устройство, диспергаторное устройство с возможностью перекачивания, смешивания, диспергирования и гомогенизации смеси, а также накопительные емкости для воды и готового продукта, который снабжен смесителем жидких компонентов с возможностью добавления в смесительный реактор жидких средств защиты растений и устройством весового контроля компонентов, поступающих в смесительный реактор, входной патрубок для раствора выполнен с конусообразным сопловым наконечником, расположенным тангенциально относительно стенки смесительного реактора, трубопровод трубопроводной системы между нагревательным устройством и смесительным реактором выполнен с обратным клапаном, бункерный накопитель сухих удобрений состоит по меньшей мере из двух бункеров, в качестве диспергаторного устройства используют роторно-пульсационный аппарат, смеситель жидких компонентов выполнен в виде емкости с миксерным смесителем (см. патент на изобретение РФ №2765953, кл. B01F 23/50, оп. в 2020 году). Этот растворный узел предназначен для производства жидких удобрений, получаемых путем смешивания в разных пропорциях различных сухих компонентов удобрений и воды. Он включает измельчающее, диспергирующее и гомогенизирующее устройства. Использование полиэтиленгликоля в этом техническом решении не предусмотрено.

Известен интенсификатор помола на основе смеси этаноламинов и алкандиолов, содержащий указанные компоненты при следующем соотношении (масс. %): этаноламины - 30-60, алкандиолы - 40-70, при этом в качестве алкандиолов используют этиленгликоль, пропиленгликоль, бутиленгликоль, полиэтиленгликоль, причем в качестве алкандиолов используют смесь указанных соединений (см. патент на изобретение РФ №2519136, кл. С04В 24/02, оп. в 2014 году). Этот патент направлен на интенсификацию помола компонентов для производства цемента и других материалов с использованием разных жидкостей, в том числе и полиэтиленгликоля, что повышает производительность мельниц и улучшает качество получаемых материалов. В патенте не рассмотрена возможность использования интенсификаторов помола при производстве удобрений.

Наиболее близким патентом к способу производства жидких кремниевых удобрений и технологической линии является техническое решение, включающее следующие действия: измельчение (предварительное дробление) и диспергирование кремния после смешения крупно дисперсной формы с полиэтиленгликолем и другими компонентами кремниевого удобрения, а также дробление в процессе смешивания с полиэтиленгликолем, при этом мелкодисперсную форму кремния могут получать путем диспергирования высокоскоростным диспергатором цикличного типа до достижения максимального размера частиц кремния от 0,005 до 4 мкм, причем в патенте описаны средства обработки, которые предложено применять для получения кремниевых удобрений: дробилка, в том числе шаровая мельница, и диспергатор (см. патент на изобретение РФ №2658376, кл. C05G 1/00, оп. в 2018 году). Это техническое решение предусматривает смешивание кремния с полиэтиленгликолем и его мокрый помол, что повышает качество и эффективность хранения удобрения. Однако в известном способе во время изготовления кремниевых удобрений могут происходить неконтролируемые химические реакции, в том числе и окисление кремния, приводящие к ухудшению качества удобрений, при этом недостаточная тщательность диспергирования полученной смеси вызывает образование осадков на дне емкости, его слеживание и дальнейшие засоры форсунок при использовании удобрений.

Техническая проблема заключается в том, что трение при сухом помоле кремния приводит к нагреванию барабанов мельниц, при этом в настоящее время почти никто не применяет полиэтиленгликоль для перемалывания кремния в мельницах мокрого помола до самых малых частиц. Причем полиэтиленгликоль не кипит при 100°С, его можно безопасно нагревать до 200°С. Однако, использование для мокрого помола смесь кремния с полиэтиленгликолем позволяет повысить качество удобрения, предназначенного для опрыскивания растений по листьям. К такому удобрению предъявляются самые жесткие требования по размерам частиц, качеству суспензии, наличию примесей, экологической чистоте, хранению и транспортировке. Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения качества экологически чистого кремниевого удобрения и урожайности сельскохозяйственных культур, исключения осадка на дне используемых емкостей и засоров оборудования для опрыскивания.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что:

- в способе производства жидких кремниевых удобрений, включающем дробление кремния, его смешивание с полиэтиленгликолем и «мокрый» помол, после «мокрого» помола производят отстаивание полученной смеси не менее 24 часов с последующим получением однородной взвешенной суспензии и ее фильтрованием посредством насоса высокого давления. «Мокрый» помол осуществляют с помощью аттритора. Получение однородной взвешенной суспензии осуществляют с помощью диссольвера. Дополнительно используют ультрадиспергирование суспензии с помощью бисерной мельницы;

- технологическая линия для производства жидких кремниевых удобрений, включающая дробильную машину для кремния, связанную со средством для смешивания раздробленного кремния с полиэтиленгликолем и измельчения полученной массы до наноразмеров частиц кремния, снабжена отстойником, расположенным после средства для измельчения массы кремния с полиэтиленгликолем до наноразмеров, средством для получения однородной взвешенной суспензии, расположенным после отстойника, и насосом высокого давления, установленным после средства для получения однородной взвешенной суспензии. Средство измельчения полученной массы до наноразмеров частиц кремния выполнено в виде аттритора. Средство для получения однородной взвешенной суспензии выполнено в виде диссольвера. Технологическая линия дополнительно снабжена бисерной мельницей, связанной входным патрубком с диссольвером, а выходным патрубком - с насосом высокого давления.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема производства жидкого кремниевого удобрения. На фиг. 2 - конструктивная схема аттритора. На фиг. 3 - схема работы диссольвера.

Способ производства жидких кремниевых удобрений и технологическая линия для производства жидких кремниевых удобрений являются универсальными и предназначены для использования в разных условиях эксплуатации: наземной и подземной, в агрегатах разной производительности от промышленных масштабов - в составе больших агрегатов (с возможностью переработки до десяти кубических метров кремния в сутки), до мобильной компактной передвижной технологической линии.

Технологическая линия предназначена для производства трех видов удобрений на основе чистого монокристаллического, поликристаллического, металлического и кристаллического кремния:

- удобрение из чистого кремния без добавок минеральных элементов;

- удобрение из чистого кремния с добавлением минеральных элементов - железа, цинка, меди;

- удобрение из чистого кремния с элементами бора, кальция, магния.

Технологическая линия для производства жидких кремниевых удобрений (см. фиг. 1) включает средства подачи кремниевого сырья (на рисунке не показано), дробильную машину 1 для измельчения кремния во фракцию от 0,1 до 1 мм с последующей перегрузкой в смеситель 2. Со смесителем 2 связаны: емкость 3 с полиэтиленгликолем, а также средство 4 для подачи цинка, средство 5 для подачи меди, средство 6 для подачи железа, средство 7 для подачи кальция, средство 8 для подачи бора, средство 9 для подачи магния. Смеситель 2 предназначен для смешивания полученных в дробильной машине 1 фракций кремния с полиэтиленгликолем до получения однородной массы. Полиэтиленгликоль экранирует кремний от доступа кислорода. При изготовлении удобрения из чистого кремния не производят подачу минеральных элементов в смеситель 2. Средство 4 для подачи цинка, средство 5 для подачи меди, средство 6 для подачи железа подключают к смесителю 2 при изготовлении второго типа кремниевых удобрений, а средство 7 для подачи кальция, средство 8 для подачи бора, средство 9 для подачи магния используют при изготовлении третьего типа кремниевых удобрений.

Для мокрого помола полученной в смесителе 2 массы используют средство для измельчения массы кремния с полиэтиленгликолем до наноразмеров: либо аттритор 10, либо шаровую мельницу (на рисунке не показано). Аттритор 10 (см. фиг. 2) представляет собой измельчительный аппарат с неподвижной цилиндрической рабочей камерой 11, оснащенной ворошителем (валом 12, на котором под углом 90 градусов друг к другу спирально расположены лопасти 13 круглого сечения) и шарами 14. Комплекты шаров 14 для аттритора 10 могут быть изготовлены из разных материалов, например, из корунда, из керамики, из нержавеющей стали, но при условии отсутствия хрома в этих материалах. Аттритор 10 относится к измельчительному оборудованию интенсивного действия и по сравнению с шаровыми мельницами обеспечивает значительно большую производительность, он предназначен для получения наночастиц кремния от 0,5 мкм до 3 мкм и связан с отстойником 15. Отстойник 15 предназначен для отстоя не менее 24 часов полученной массы, насыщенной в аттриторе 10 пузырьками воздуха и кислорода, и избежания химических реакций при ее дальнейшей обработке.

Отстойник 15 связан со средством для получения однородной взвешенной суспензии, предназначенным для получения полностью готового продукта, исключающим оседание частиц из-за воздействия сил притяжения и выпадение в осадок. В качестве средства для получения однородной взвешенной суспензии целесообразно использовать диссольвер 16 (см. фиг. 3). Диссольвер 16 - это отдельный вид миксеров, используемых для смешивания компонентов с различными физическими и механическими показателями до полностью однородной взвешенной суспензии. Применяется для переработки смесей со сложной структурой, состоящих из нескольких разнородных компонентов и требующих тщательного перемешивания. Диссольвер 16 состоит из емкости 17 и фрезы 18. При необходимости дополнительной обработки суспензии после диссольвера 16 может быть использована бисерная мельница 19, применяемая для получения ультрадисперсных продуктов в жидкой среде путем перетирания суспензии материала твердыми шариками - бисером.

Выходной патрубок диссольвера 16 (либо бисерной мельницы 19) связан с насосом 20 высокого давления, предназначенным для фильтрации полученной в диссольвере 16 (либо в бисерной мельнице 19) суспензии. Прокачивание готового удобрения через фильтры насоса 20 позволяет избежать засоров форсунок при применении препарата на сельскохозяйственных культурах. За насосом 20 расположена линия 21 розлива и фасовки в пластиковую тару, связанная со складом 22 готовой продукции.

Способ производства жидких кремниевых удобрений, который можно осуществить с помощью вышеописанных средств, включает дробление монокристаллического, либо поликристаллического, либо металлического, либо кристаллического кремния. Для измельчения кремния во фракцию от 0,1 до 1 мм используют дробильную машину 1 (см. фиг. 1). В смесителе 2 смешивают измельченный кремний с полиэтиленгликолем до получения однородной массы, причем полиэтиленгликоль не только смачивает кремний перед помолом, но и экранирует его от доступа кислорода. При изготовлении удобрения из чистого кремния не производят подачу минеральных элементов в смеситель 2. Средство 4 для подачи цинка, средство 5 для подачи меди, средство 6 для подачи железа подключают к смесителю 2 при изготовлении второго типа кремниевых удобрений, а средство 7 для подачи кальция, средство 8 для подачи бора, средство 9 для подачи магния используют при изготовлении третьего типа кремниевых удобрений.

Мокрый помол полученной в смесителе 2 массы осуществляют с помощью средства для измельчения массы кремния с полиэтиленгликолем до наноразмеров: либо с помощью аттритора 10 (см. фиг. 2), либо с помощью шаровой мельницы (на рисунке не показано). Наиболее эффективным является использование аттритора 10, который обеспечивает значительно большую производительность, он предназначен для получения наночастиц кремния от 0,5 мкм до 3 мкм. В зависимости от выбранного для изготовления удобрения сырья (монокристаллического, либо поликристаллического, либо металлического, либо кристаллического кремния) и добавок микроэлементов (цинк, медь и железо, либо кальций, бор и магний) подбирают шары 14 в аттритор 10, изготовленные из определенных материалов, которые исключат протекание нежелательных химических реакций. Использование мокрого помола для получения кремниевого удобрения позволяет избежать быстрого изнашивания шаров 14 в аттриторе 10, а смесь кремния именно с полиэтиленгликолем в пропорции 50 на 50 позволяет получить вязкую массу, в которой взвесь кремния долго не оседает на дно. Насыщенную в аттриторе 10 пузырьками воздуха и кислорода массу подают в отстойник 15 на 24 часа для выхода пузырьков воздуха и газов, а также протекания сопутствующих химических реакций, что позволяет избежать химических реакций при ее дальнейшей обработке. Отстойник 15 изготовлен из неметаллических материалов (например, из пластика) для исключения процессов окисления полученной в аттриторе 10 массы во время ее отстаивания.

Получение полностью однородной массы готового продукта, исключающее оседание частиц из-за воздействия сил притяжения и выпадение в осадок, обеспечивают с помощью диссольвера 16 (или, при необходимости, бисерной мельницы 19). Использование бисерной мельницы 19 может быть обосновано при необходимости дополнительного разбивания слипшихся комочков наночастиц кремния в суспензии для получения ультрадисперсного удобрения. С помощью диссольвера 16 (или, при необходимости, бисерной мельницы 19) обеспечивают смешивание компонентов с такими различными физическими и механическими показателями до полностью однородной взвешенной суспензии. Наилучшие условия для диспергирования в диссольвере 16 (см. фиг. 3) достигаются в том случае, когда образовавшаяся воронка занимает приблизительно треть диаметра диссольвера 16, а смесь вблизи стенок емкости 17 имеет форму тора и скорость - 10-20 см/сек. Бисерная мельница 19, представляющая собой цилиндрический сосуд с венчиком (мешалкой) или ротором и бисерами, занимающими в мельнице примерно 70-80% объема, обеспечивают обработку суспензии перемалываемого вещества, который заполняет весь оставшийся свободный объем сосуда. При быстром вращении ротора бисер смешивается с веществом, перетирая его. Специальный ситовый патрон мельницы отделяет бисер от обработанной суспензии.

Полученную в диссольвере 16 (или в бисерной мельнице 19) суспензию подают в насос 20 высокого давления для прокачивания готового удобрения через фильтры, что позволяет избежать засоры форсунок при применении препарата на сельскохозяйственных культурах. Готовое жидкое кремниевое удобрение подают на линию 21 для розлива и фасовки в пластиковую тару, а затем отправляют на склад 22 готовой продукции. Данный способ предусматривает производство трех видов удобрений на основе чистого монокристаллического, поликристаллического, металлического и кристаллического кремния:

- удобрение из чистого кремния без добавок минеральных элементов;

- удобрение из чистого кремния с добавлением минеральных элементов -железа, цинка и меди;

- удобрение из чистого кремния с элементами бора, кальция и магния.

Важным этапом процесса изготовления жидких кремниевых удобрений является регулярная промывка всех модулей технологической линии. При непрерывном технологическом процессе для промывки оборудования допускается использование только полиэтиленгликоля, причем использованный для промывки полиэтиленгликоль не сливают, а используют в дальнейшем для производства удобрений, подавая его в смеситель 2.

Вышеописанные способ производства жидких кремниевых удобрений и технологическая линия для производства жидких кремниевых удобрений являются экологически чистыми, не имеют отрицательных воздействий на окружающую среду, обеспечивают повышение урожайности сельскохозяйственных культур, полученное таким образом кремневок удобрение состоит из мелкодисперсных и ультрадисперсных частиц, которые, проникая в клетки растения через листья, благотворно влияют на развитее растения в фазы вегетационного цикла. Технологическая линия обладает простотой конструкции и принципа действия. Ее можно использовать в любых регионах России, где выращивают сельскохозяйственные культуры.

Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения заключается в повышении качества экологически чистого кремниевого удобрения, исключении осадка на дне используемых емкостей и засоров оборудования для опрыскивания.

Изобретения относятся к сельскому хозяйству. Способ производства жидких кремниевых удобрений включает дробление кремния посредством дробильной машины, его смешивание с полиэтиленгликолем и мокрый помол с помощью средства для смешивания раздробленного кремния с полиэтиленгликолем и измельчения полученной массы до наноразмеров частиц кремния, причем после мокрого помола производят отстаивание полученной смеси посредством отстойника не менее 24 часов с последующим получением однородной взвешенной суспензии с помощью средства для получения однородной взвешенной суспензии, расположенного после отстойника, и её фильтрованием посредством насоса высокого давления. Технологическая линия для производства жидких кремниевых удобрений включает дробильную машину для дробления кремния, связанную со средством для смешивания раздробленного кремния с полиэтиленгликолем и измельчения полученной массы до наноразмеров частиц кремния посредством мокрого помола, причем она снабжена отстойником, предназначенным для отстаивания полученной после мокрого помола массы, расположенным после средства для измельчения массы кремния с полиэтиленгликолем до наноразмеров, средством для получения однородной взвешенной суспензии, расположенным после отстойника, и насосом высокого давления, предназначенным для фильтрования однородной взвешенной суспензии, установленным после средства для получения однородной взвешенной суспензии. Изобретения позволяют повысить качество экологически чистого кремниевого удобрения и урожайность сельскохозяйственных культур, исключить осадок на дне используемых емкостей и засоры оборудования для опрыскивания. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ производства жидких кремниевых удобрений, включающий дробление кремния посредством дробильной машины, его смешивание с полиэтиленгликолем и мокрый помол с помощью средства для смешивания раздробленного кремния с полиэтиленгликолем и измельчения полученной массы до наноразмеров частиц кремния, отличающийся тем, что после мокрого помола производят отстаивание полученной смеси посредством отстойника не менее 24 часов с последующим получением однородной взвешенной суспензии с помощью средства для получения однородной взвешенной суспензии, расположенного после отстойника, и её фильтрованием посредством насоса высокого давления.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что мокрый помол осуществляют с помощью аттритора.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получение однородной взвешенной суспензии осуществляют с помощью диссольвера.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно используют ультрадиспергирование суспензии с помощью бисерной мельницы.

5. Технологическая линия для производства жидких кремниевых удобрений, включающая дробильную машину для дробления кремния, связанную со средством для смешивания раздробленного кремния с полиэтиленгликолем и измельчения полученной массы до наноразмеров частиц кремния посредством мокрого помола, отличающаяся тем, что она снабжена отстойником, предназначенным для отстаивания полученной после мокрого помола массы, расположенным после средства для измельчения массы кремния с полиэтиленгликолем до наноразмеров, средством для получения однородной взвешенной суспензии, расположенным после отстойника, и насосом высокого давления, предназначенным для фильтрования однородной взвешенной суспензии, установленным после средства для получения однородной взвешенной суспензии.

6. Технологическая линия по п. 5, отличающаяся тем, что средство измельчения полученной массы до наноразмеров частиц кремния выполнено в виде аттритора.

7. Технологическая линия по п. 5, отличающаяся тем, что средство для получения однородной взвешенной суспензии выполнено в виде диссольвера.

8. Технологическая линия по п. 7, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена бисерной мельницей для ультрадиспергирования суспензии, связанной входным патрубком с диссольвером, а выходным патрубком – с насосом высокого давления.