Камера карбонатного твердения строительных материалов Российский патент 2024 года по МПК C04B5/06 C04B40/00 C04B40/02 

Изобретение относится к устройству получения изделий карбонатного твердения, в частности, из вторичных продуктов металлургии (различного рода шлаков и шламов) и диоксида углерода. Карбонизационная камера представляет собой специальное устройство, предназначенное для проведения процесса карбонизации строительных материалов. Она применяется в производстве бетонных изделий, кирпичей, тротуарной плитки, а также в строительстве зданий и сооружений, где требуется применение материалов с повышенной прочностью и долговечностью.

Для целей настоящей заявки используются следующие определения и сокращения:

Процесс карбонизации - это процесс, в результате которого происходит насыщение какого-либо изделия углекислым газом;

Вторичные продукты металлургии - металлургические шлаки, побочный продукт от производства металла после очистки от остатков ценных компонентов, отправляемый в отвал;

ТОМ - техногенные отходы металлургии (шлаки, шламы и т.п.);

Строительные материалы - материалы, применяемые в строительстве для постройки, ремонта и реконструкции сооружений, такие как кирпич пустотелый, плита тротуарная, блок бетонный и другие.

Процесс карбонизации строительных материалов направлен на решение фундаментальной проблемы снижения углеродного следа экономики, в частности в нефте- и газоперерабатывающей, металлургической и строительной ее отраслях, и основывается на разработке научно-технологических основ поглощения и связывания антропогенного СО₂ различными металлургическими шлаками и шламами в результате их переработки в сырье для строительных материалов и изделий.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известен ряд решений для производства бетона или строительных материалов, в которых применяются процессы принудительной карбонизации.

Например, процесс изготовления изделий путем карбонизации [WO 2009133120, опубл. 05.11.2009]. Способ изготовления изделия, связанного преимущественно карбонатами, включает получение щелочного гранулированного материала с рН не менее 8,3, содержащего, по меньшей мере, одну фазу силиката щелочноземельного металла, прессование его с получением заготовки с пористостью не более 37 об.% и проницаемостью не менее 1⋅10-12 см², взаимодействие заготовки, не насыщенной влагой, с СО₂ при температуре не менее 70°C и давлении не менее 0,5 МПа в присутствии воды с образованием не менее 5 мас.% карбонатов. Изделие, связанное преимущественно карбонатом, полученное указанным выше способом. Изобретение развито в зависимых пунктах. Технический результат - повышение механических и/или физико-химических свойств.

В частности, из уровня техники известны решения, в которых в качестве сырья используются побочные продукты или вторичные продукты металлургических производств (в частности шлаки и шламы). В решении компании Arcelormittal согласно изобретению [WO 2019064052, опубл. 04.04.2019] расплавленный сталелитейный шлак, содержащий по меньшей мере 2 мас.% свободной извести, отверждают с получением частиц отвержденного шлака, имеющих диаметр меньше 1 мм. При отверждении расплавленный сталелитейный шлак приводят в контакт с по меньшей мере одним первым газом карбонизации. Частицы отвержденного шлака охлаждают до температуры, составляющей 300°C или ниже, со скоростью от 1 до 100°C/мин, причем при охлаждении частицы отвержденного шлака приводят в контакт с по меньшей мере одним вторым газом карбонизации. Устройство для непрерывного получения отвержденного сталелитейного шлака содержит замкнутую камеру, содержащую устройство для отверждения, устройство для впрыскивания первого газа карбонизации, устройство для второго газа карбонизации, нижнюю пористую стенку и устройство для впрыскивания третьего газа карбонизации через нижнюю пористую стенку. Обеспечивается получение отвержденного шлака с низким содержанием свободной извести при сохранении короткого времени обработки.

Из RU 2740982 C1 известна сырьевая смесь для производства карбонизированных строительных изделий, включающая вяжущее вещество и карбонатный заполнитель, причем в качестве указанного вяжущего вещества она содержит доломитовый цемент, получаемый обжигом минерала доломита при температуре не более 750-850°С, а в качестве заполнителя - мелкодисперсное крупностью до 5 мм вторичное доломитовое сырье, получаемое при дроблении исходного доломита на сортовые щебеночные фракции, при следующем соотношении ингредиентов по сухому веществу, масс.%: доломитовый цемент 20-50; мелкодисперсное вторичное доломитовое сырье 50-80, вода в количестве 5-20% от общей массы вяжущего и заполнителя, а твердение строительных изделий осуществляют в среде углекислого газа с концентрацией 30% в течение 180 мин. Технический результат заключается в снижении себестоимости, расширении сырьевой базы для производства строительных материалов, снижении эмиссии СО₂, улучшении экологической ситуации территорий со значительным скоплением различного минерального вторичного сырья, в частности мелкодисперсных доломитов фракцией до 5 мм.

Процесс принудительной карбонизации используется для получения различных видов строительных материалов, что подтверждается известным уровнем техники.

Известно решение [WO 2020099597, опубл. 22.05.2020]. Группа изобретений относится к фиброцементным изделиям и их получению и, в частности, к карбонизации фиброцементных изделий для уменьшения или полного исключения образования высолов на фиброцементе. Способ получения фиброцементного изделия включает стадии (a) получения неотвержденного фиброцементного изделия, (b) отверждения неотвержденного фиброцементного изделия, (c) обработки отвержденного фиброцементного изделия с помощью CO₂ (так называемая «карбонизация») с концентрацией от 15 до 30% по объему при температуре выше 40°C, относительной влажности, равной или выше 80%, в течение периода от 1 до 12 часов. Также рассматриваются фиброцементные изделия, получаемые с помощью способа, применение фиброцементных изделий и способ обработки отвержденного фиброцементного изделия с помощью CO₂. Полученные фиброцементные изделия демонстрируют меньшее количество высолов.

Известен способ получения заполнителя для бетонов - безобжигового зольного гравия на основе техногенного сырья - кислой золы ТЭЦ, включающий приготовление смеси из золы и известково-зольного вяжущего, грануляцию смеси и твердение гранул путем их термообработки [Мичкарева В.И., Спектор М.Д., Кайзер А.А. и др. Пористые безобжиговые заполнители для легкого бетона из пылевидных зол электростанций // Строительные материалы, 1964. № 11, С. 34-35]. Недостатком указанного способа является низкая прочность гранул - менее 2,5 МПа, а также длительная, не менее 16 часов, их термообработка, что существенно удлиняет продолжительность технологического цикла и увеличивает затраты на термообработку.

Также из уровня техники известен ряд решений, связанных с оборудованием для карбонатного твердения и принудительной карбонизации строительных материалов.

Известно техническое решение в области оборудования для карбонизации и графитации [CN 219433778 (U), опубл. 28.07.2023]. Комплексная печь карбонизации и графитации содержит корпус печи, внутреннюю камеру-контейнер, которая расположена в центре внутренней части корпуса печи. Корпус и внешняя дверца печи соединена с возможностью вращения относительно внутренней части. В верхней части корпуса печи выполнено цилиндрическое вытяжное отверстие; имеются впускные и выпускные отверстия для охлаждающей воды, расположенные на внешней боковой дверце печи; впускное отверстие для воздуха и выпускное отверстие для воздуха расположены, сформированы на левой и правой сторонах корпуса печи соответственно.

Известно устройство газовой закалки кирпича [CN 114657291, опубл. 24.06.2022]. Изобретение раскрывает устройство и способ газовой закалки и карбонизации стального шлака диоксидом углерода. Устройство включает систему подачи шлака, резервуар для хранения углекислого газа, систему подачи диоксида углерода и предполагает использование тепловой энергии и камеру карбонизации стального шлака. Согласно этому изобретению карбонизированный стальной шлак применяется для изготовления строительных материалов, при этом тепловая энергия стального шлака перерабатывается для отопления или выработки электроэнергии.

Известно устройство для изготовления кирпича [CN 112318681, опубл. 05.02.2021]. Изобретение раскрывает способ работы устройства для изготовления корпуса кирпича, карбонизированного диоксидом углерода, и относится к области производства кирпича для строительства. В изобретении специально разработаны два процесса предварительной карбонизации и вторичной карбонизации, так что извлечение из формы и быстрое повышение прочности плавно завершаются после временной стабилизации формы и прочности корпуса кирпича. Все системы в устройстве работают в соответствии с последовательностью технологических операций, так что загрузка, формование, уплотнение и транспортировка кирпичной формы выполняются одновременно, добавление кирпичного материала и равномерное смешивание выполняются в процессе предварительной карбонизации, производительность повышается за счет двухстадийного процесса и системы транспортировки; верхняя конвейерная лента и нижняя конвейерная лента вращаются посредством вращающегося вала, корпуса кирпичей извлекаются из форм через пружинные ограничители в кирпичных формах, а расформовка корпусов кирпичей и эффективное циклическое использование пустых кирпичных форм достигаются за счет электромагнитной адсорбции, высвобождения и транспортировки конвейерные ленты.

ПРОБЛЕМАТИКА И ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ

Известному уровню техники присущ ряд проблем, связанных отсутствием должным образом технически проработанной конструкции карбонизационных камер. При моделировании различных вариантов подачи газа возникали сложности с равномерностью распределения СО₂ в камере либо возникала необходимость создания в камере избыточного давления, либо не обеспечивалась равномерность температурного поля. Отсутствовало равномерное течение газовой смеси в каналах штабелей изделий, находящихся на периферийных паллетах, и, как следствие, отсутствовал равномерный процесс протекания карбонизации каждого отдельного карбонизируемого изделия. При организации подачи газовой смеси в камеру недопустимо возникновение таких факторов, поскольку они препятствуют равномерному процессу карбонизации всех изделий в камере, что в конечном итоге сказывается на качестве отдельных изделий из партии или времени производственного цикла.

Высокая активность изобретателей и разработчиков оборудования в данной области подтверждает продолжающийся процесс поиска оптимальных решений для обеспечения непрерывного производственного цикла и обеспечения производства карбонизированных стройматериалов в промышленных масштабах.

Технический результатам изобретения - создание простой конструкции камеры карбонатного твердения с регулируемыми параметрами среды рабочего объема камеры, позволяющей обеспечить серийное производство строительных материалов.

Дополнительным техническим результатом является снижение углеродного следа, а именно утилизация диоксида углерода (СО₂).

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технический результат достигается решением задачи создания такой камеры принудительной карбонизации, которая будет проста в изготовлении, обладать оптимальными массогабаритными характеристиками и обеспечивать равномерное распределение углекислого газа по камере и проводить процесс карбонизации строительных изделий максимально эффективно.

Камера позволяет проводить процесс карбонизации контролируемым способом, что позволяет достичь оптимальных характеристик получаемых изделий. В карбонизационную камеру при необходимости может быть интегрирован конвейерный комплекс, который представляет собой техническую систему, состоящую из рамы и приводных элементов, служащих для перемещения, загрузки-выгрузки грузов (паллет) по горизонтальной поверхности.

По результатам проведенных изысканий была разработана конструкция камеры, обеспечивающая достижение технического результата, включающая корпус, дверь, обеспечивающую герметичность внутреннего объема камеры, технологические трубопроводы для подачи и отведения СО₂ в качестве рабочей среды в камере, пространство для размещения карбонизируемых изделий, подлежащих карбонатному твердению, в которой для подачи СО₂ в нижнюю часть камеры предусмотрен фальшпол и камера подачи газа под фальшполом, а также предусмотрен фальшпотолок, и пространство разряжения в зоне забора, которая располагается в нише выше уровня фальшпотолка вверху у задней стенки камеры, выполненного наклонным от задней стенки к двери, при этом перед трубопроводом отведения СО₂ из камеры расположено устройство охлаждения.

В рамках решения вышеуказанных технических задач было проведено математическое моделирование и разработан прототип камеры.

Необходимо было предложить способ подачи углекислого газа в карбонизационную камеру для равномерного распределения газовой смеси в каналах и между заготовками и отведения отработанных газов из камеры и получить исчерпывающие данные по динамике температуры изделий и смеси газов в камере, скорости подачи газа при известных тепло- и влаговыделениях в процессе карбонизации, что более подробно будет приведено далее в раскрытии изобретения. Был выбран гравитационный способ заполнения камеры газовой смесью с одновременным созданием пространства разряжения в зоне забора газовой смеси из камеры, для чего подача газовой смеси осуществляется в нижнюю часть камеры, а также камера оборудована фальшпотолком с уклоном к стене, противоположной от подачи, который помогает организовать пространство разряжения в зоне забора, которая располагается в нише выше уровня фальшпотолка вверху у задней стенки камеры.

Анализ численного моделирования итогового варианта организации распределения газовой смеси в камере карбонизации показал равномерное течение газовой смеси в основном пространстве камеры. Наблюдается значительная скорость в факеле подачи и месте забора газовой смеси, однако значительные скачки скорости в основном пространстве отсутствуют. Этого удалось добиться за счет применения конструкции согласно изобретению.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Изобретение иллюстрируется чертежами и рисунками.

На фигуре 1 и фигуре 2 представлен общий вид камеры и разрез вида сбоку соответственно, где

1 - корпус камеры

2 - дверь камеры

3 - система открытия и закрытия двери

4 - герметизирующие замки

5 - фальшпол камеры

6 - трубопровод подвода газа

7 - трубопровод отвода газа

8 - камера подачи газа

9 - каналы подачи газа

10 - устройства крепления штабелей

11 - фальшпотолок камеры

12 - датчики контроля.

На фигуре 3 представлено изображение трех горизонтальных сечений по скорости движения газового потока в камере. На фигуре 4 представлено распределение по скорости движения газового потока в вертикальном сечении над рядами паллет с объектами карбонизации (строительными материалами).

На фигуре 4, 5 представлены изображения строительных материалов к примерам - тротуарная плитка и кирпич соответственно. На фигуре 6, 7, 8 представлены изображения конечных изделий, в частности, на фигуре 8 - фото изделий, полученных при эксплуатации опытной установки, реализующей заявленное изобретение.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Карбонизационная камера имеет сварную конструкцию, состоящую из стальных плит, листов и профилей, предусматривающую:

а) установку систем:

- принудительного вентилирования;

- принудительного охлаждения;

- мониторинга температурно-влажностного режима;

б) приводные ворота;

в) входной патрубок трубопровода подачи газа (возможность регулирования подачи газа реализовывается посредством регулирующей арматуры, входящей в состав технологического трубопровода);

г) выходной патрубок трубопровода отвода газа;

д) сливной патрубок для отвода реакционной воды (конденсата).

Камера устроена следующим образом. Корпус камеры (1) представляет собой сварную конструкцию из стальных листов и профилей, образующий параллелепипед правильной формы, в основании которого расположена рама. С передней стороны камера оборудована дверью (2), снабженной системой открытия и закрытия двери (3). Такая система (3) может представлять собой механизм, привод, набор гидроцилиндров или пневмоцилиндров для обеспечения открытия и закрытия двери. В частности, дверь может быть выполнена с открытием наверх путем подъема двери по рельсам-направляющим. Такое исполнение наиболее подходит в случае интеграции камеры, представленной в настоящем изобретении, в единую технологическую установку по производству карбонизированных строительных материалов - в данном случае, при необходимости подведения к дверям камеры манипуляторной, конвейерной или рельсовой линии, поднятие двери наверх является оптимальным.

Ввиду особой среды, необходимой для осуществления технологического процесса внутри камеры, необходимо обеспечение герметичности камеры. Утечки СО₂ чреваты не только нарушением технологического процесса, но и могут нанести вред здоровью персонала и окружающей среде. Вследствие чего корпус камеры обработан герметизирующими составами по всем швам изнутри, а дверь камеры по всему периметру снабжена прокладкой-уплотнителем, а для обеспечения плотного прилегания - не менее чем двумя герметизирующими замками (4), которые при закрытии обеспечивают более плотное прилегание. В качестве герметизирующих замков (4) могут быть использованы шпильки с резьбой, по которым с помощью гаек дверь притягивается к торцу передней поверхности камеры, или другие механические и пневматические устройства.

С задней стороны камеры располагаются патрубки, соединенные с трубопроводами подвода газа (6) и трубопровода отвода газа (7). При этом подвод газа осуществляется снизу, под фальшпол (5), а отвод сверху. Камера снабжена не менее чем одним патрубком, соединенным с трубопроводом подвода газа (6). Также камера снабжена не менее чем одним патрубком, соединенным с трубопроводом отвода газа (7). В месте ввода патрубков подвода под фальшполом (5) расположена камера подачи газа (8). Все внутреннее пространство камеры карбонатного твердения является ее рабочим объемом, в котором происходит технологическая операция карбонизации строительных материалов.

По первому варианту осуществления изобретения, резервуарная камера (8) имеет одно окно, через которое газ попадает в рабочий объем камеры карбонатного твердения, расположенное по центру фальшпола (5) у задней внутренней стенки камеры, или не менее двух таких окон, расположенных на равных расстояниях от боковых стенок и друг от друга на фальшполу (5) у задней внутренней стенки камеры.

По второму варианту осуществления изобретения, резервуарная камера подачи газа (8) соединена с не менее чем одним каналом подачи газа (9), идущим под фальшполом (5) по всей длине камеры карбонатного твердения, а по длине канала (9) расположено не менее двух окон, через которые газ попадает в рабочий объем камеры карбонатного твердения, при этом окна расположены на равном расстоянии друг от друга.

За пределами рабочего объема камеры, на трубопроводе подвода газа (6) расположено нагнетательное оборудование, например, компрессорная станция. Также трубопровод подвода газа (6) снабжен запорно-регулирующей арматурой, позволяющий регулировать объем подаваемого СО₂ в камеру.

Трубопровод отвода газа (7) снабжен вытяжной системой для удаления СО₂ из камеры. Фальшпол (5) может быть выполнен с элементами для крепления размещаемых поддонов, тележек и иных штабельных устройств, на которых располагаются карбонизируемые строительные материалы. В частности, например, на фальшпол может быть смонтирован конвейер, являющийся частью общей конвейерной системы; в данном случае, в рабочем объеме камеры располагаются приводные элементы механизма, обеспечивающего движение, а электродвигатели или другие устройства для подачи крутящего момента на привод конвейера, располагаются снаружи.

Внутри рабочего объема камеры, в верхней внутренней части корпуса камеры (2), расположен фальшпотолок (11), соединенный со стенами и потолком по периметру. Фальшпотолок выполнен и наклонным, с перепадом по высоте не менее 7° по всей длине фальшпотолка, при этом со стороны задней стенки фальшпотолок расположен выше от пола, а со стороны двери ниже. Образовавшаяся в ходе конденсации жидкость поступает на внутреннюю (обращенную к потолку) поверхность фальшпотолка (11), в которой предусмотрен желоб или канал или трубка для отвода конденсата и стекает вниз под уклоном фальшпотолка (11), где расположен патрубок отведения конденсата в дренаж. При этом конденсирующаяся влага на поверхности фальшпотолка, обращенной вниз (внутрь камеры), также скатывается по потолку до края камеры со стороны двери и далее падает и скатывается по двери в дренаж. Значение уклона фальшпотолка определяется исходя из преобладания результирующего значения вектора сил трения, поверхностного натяжения и гравитации над значениями этих сил по отдельность, т.е. минимальный уклон фальшпотолка должен быть таким, при котором капля под совместным действием сил гравитации и поверхностного натяжения преодолеет силу трения и начнет качение по уклону, не сорвавшись при этом с фальшпотолка.

Для заявляемого решения минимальный уклон фальшпотолка, выполненного из гладкого пластика, будет равен 7 градусов (определено опытным путем).

Для обеспечения конденсации избыточной влаги из отводимой газовой смеси, забор газа на отведение из камеры карбонатного твердения происходит через охлаждающее устройство, располагающееся до патрубка, который отводит газ в трубопровод (7), из охлаждающего устройства сконденсированная вода сливается за фальшпотолок (11).

В частности, при изготовлении опытного образца согласно изобретению, система охлаждения была реализована следующим образом. Согласно полученным в ходе экспериментов данных, из камеры отводилось порядка 500 кг/ч парогазовой смеси при давлении, незначительно превышающем атмосферное. Для охлаждения парогазовой смеси с такими параметрами был выбран газовый охладитель с оребренной охлаждающей поверхностью и поддоном для слива конденсата. С помощью такого охладителя удается отобрать 6,8 кВт тепла от парогазовой смеси. В качестве охлаждающего теплоносителя подавалась вода с температурой 20°С с массовым расходом 170 кг/ч.

По периметру фальшпола (5) вдоль стен выполнен желоб с незначительным уклоном для стекания конденсата по стенам. От желоба конденсат также отводится в дренаж. В частности, на стенах внутри камеры карбонатного твердения также могут быть расположены батареи охлаждения, чтобы обеспечить регулирование рабочей температуры внутри камеры. Также в частном варианте исполнения вся поверхность фальшпола может быть выполнена оребренной, т.е. с желобами для отвода конденсата.

В конструкции камеры в рабочем объеме на стенах и фальшпотолке расположены датчики (12): температуры, концентрации СО₂ и опционально стационарные датчики движения воздушного и газового потоков. Датчики (12) располагаются внизу, вверху и в середине комнаты, всего в камере располагается не менее девяти датчиков каждого типа. Оптимальным является расположение не менее двадцати одного датчика каждого типа: внизу, вверху и посередине на задней стенке и рядами из трех равноудаленных друг от друга и от задней стенки и двери датчиков внизу, вверху и посередине - на боковых стенках. Датчики подсоединены к микропроцессорному блоку, передающему данные о параметрах на пульт управления или персональный компьютер.

ОПИСАНИЕ В ДИНАМИКЕ

Работа карбонизационной камеры осуществляется в несколько стадий:

а) в камеру загружаются карбонизируемые изделия, доставленные в рабочий объем камеры конвейерным комплексом на паллетах, либо на тележках, либо с помощью манипулятора (и т.д.);

б) камера закрывается дверью (2) с помощью системы закрытия и открытия двери (3);

в) запорно-регулирующая арматура трубопровода подвода газа (6) открывает подачу газа, происходит повышение концентрации углекислого газа, что приводит к процессу карбонатного твердения изделий, сопровождающемуся выделением паров воды и тепла (для поддержания рабочего диапазона температур могут быть задействованы системы принудительного охлаждения);

г) выдержка, в течение заданного периода времени (до 6 часов в зависимости от концентрации СО₂);

д) повышение концентрации атмосферного воздуха путем вытеснения углекислого газа;

е) открытие камеры;

ж) выгрузка продукта (усл. кирпича) и последующая доставка на участок упаковки.

Камера работает следующим образом.

После загрузки карбонизируемых изделий и закрытия двери (2) с помощью механизмов системы открытия/закрытия (3), фиксации прилегания двери с помощью герметизирующих замков (4), включается нагнетательное оборудование, например, компрессоры, для нагнетания СО₂ в камеру. СО₂ поступает по трубопроводу (6) в камеру подачи газа (8), которая располагается под фальшполом (5). СО₂ постепенно равномерно заполняет камеру до минимально-достаточной концентрации во всех точках контроля, на которых расположены датчики (12). В камере расположены палеты или тележки, на которых расположены изделия, подлежащие карбонизации. Палеты или тележки закреплены к фальшполу камеры с помощью устройств крепления (10). Объемная скорость подачи регулируема в зависимости от показаний датчиков. Отвод газа предполагается через трубопровод отвода газа (7), при этом до поступления в трубопровод (7) отводимый газ охлаждается, вследствие чего конденсируется излишняя влага (реакционная вода), выделяемая в камере в ходе процесса карбонизации. Сконденсировавшаяся реакционная вода стекает самотеком по наклонному фальшпотолку (11) и отводится из камеры вместе с конденсатом, образовавшимся на стенах и полу камеры.

Подача газовой смеси осуществляется в нижнюю часть камеры, под фальшпол (5). В камере также имеется фальшпотолок (11) с уклоном к стене, противоположной от подачи, что помогает организовать пространство разряжения.

Принятые конструктивные решения способствуют усреднению вертикальной скорости за счет заполнения более плотной газовой смесью пространства камеры снизу вверх, что помогает усреднению скорости течения газовой смеси между штабелями изделий и исключает локализацию повышенной температуры за счет создания большей зоны разряжения на выходе газовой смеси из камеры.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ И ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

При изготовлении опытного образца согласно изобретению и его последующей эксплуатации обеспечивались следующие параметры.

В процессе карбонизации изделий в камере выделяется влага в количестве от 2 до 3% от массы готового изделия, для процесса, реализованного на опытном образце камеры, за один цикл это составило 107 кг. Влага выделятся в виде капель на поверхности изделий, скапливается и отчасти скатывается на пол камеры. Другая часть влаги, из-за повышения температуры изделий, переходит в газообразное состояние, охлаждая изделия, и частично уносится с газовой смесью из камеры, частично конденсируется на поверхности стенок камеры, охлаждая их.

Из камеры уносится 0,763 кг влаги на 1 кг газовой смеси в данных условиях. При пересчете на сухой воздух это 0,163 кг влаги на 1 кг сухого воздуха.

Тепло, выделяемое в процессе карбонизации изделий в камере Q, расходуется на нагрев самих изделий Q1, нагрев, выделяемой в процессе карбонизации, воды Q2, нагрев подаваемой в камеру газовой смеси Q3, нагрев стенок камеры и теплопотери через них Q4.

Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4.

За весь период процесса карбонизации в камере выделяется Q = 44800 Вт тепла.

На нагрев стенок камеры и теплопотери во внешнюю среду (начальная температура стенок и температура внешней среды - 20°С, коэффициент теплоотдачи стенки - 3,33 Вт/м²⋅К) будет израсходовано Q4 = 12850 Вт.

На нагрев подаваемой в камеру газовой смеси (начальная температура - 20°С) будет израсходовано Q3 = 5471 Вт.

На нагрев воды, выделяемой в процессе карбонизации, в объеме 107 кг будет израсходовано Q2 = 4970 Вт.

На нагрев изделий будет израсходовано Q1 = 21509 Вт.

В частности, при осуществлении изобретения предлагается следующий режим карбонатного твердения кирпичей, подтвержденный практической работой опытного образца камеры.

Режим принудительной карбонизации изделий в камере проходит в искусственно созданной среде с повышенной концентрацией СО₂ в три стадии:

1-я стадия - активного карбонатного твердения:

- продолжительность - 30 мин,

- количество СО₂, которое требуется подать в камеру - 200 кг;

2-я стадия - умеренного карбонатного твердения:

- продолжительность - 90 мин,

- количество СО₂, которое требуется подать в камеру - 100 кг;

3-я стадия - выдерживания в диоксид углеродной среде:

- продолжительность - 120 мин,

- количество СО₂, которое требуется подать в камеру - 100 кг.

Характеристика газовой смеси и потока

Температура (min-max значения) - 20-30°С.

Концентрация СО₂ (min-max значения) - 80-90% об.

Скорость потока при подаче в камеру - 1,2 м/с.

Давление - 101505 Па.

При проведении опытно-промышленной эксплуатации, в том числе для изготовления изделий (строительных материалов), рассмотренных более подробно в примерах, подача газового потока СО₂ в камеру карбонизации производилась после заполнения камеры поддонами с кирпичами в количестве 8 шт. и закрытия ворот камеры карбонизации.

По истечении 240 минут карбонизации подача газовой смеси СО₂ в камеру карбонизации прекращается. Для вытеснения из камеры карбонизации СО₂ в нее через воздуховоды подается атмосферный воздух со скоростью 1,2 м/с в течение 10 минут.

После продувки камеры карбонизации воздухом, ворота карбонизационной камеры открываются и производится выемка поддонов с кирпичами из карбонизационной камеры с помощью манипуляторного комплекса или иных технических средств перемещения карбонизируемых изделий и подача их на пост пакетирования (сдвигания кирпичей в плотную стопку) и упаковки.

Температура, концентрация СО₂, давление газа в карбонизационной камере и скорость газового потока на входе в карбонизационную камеру контролируются оператором путем снятия показаний с приборов. Регулирование данных параметров можно осуществить за счет скорости подачи СО₂ в камеру карбонизации. В промышленном варианте исполнения контроль и управление осуществляется автоматически с помощью программно-аппаратных средств (например, персонального компьютера или микропроцессорного блока контроля и управления или иным средствами автоматизации).

При проведении опытно-промышленной эксплуатации установки был осуществлен ряд испытаний, раскрытый далее в примерах. В рамках осуществления технического решения по изобретению была изготовлена камера карбонатного твердения строительных материалов согласно изобретению. Технические характеристики камеры:

- Рабочая температура: от 10°C до 50°C;

- Рабочее давление: от 101 325 Па до 106 700 Па;

- Габаритные размеры, с учетом технологической обвязки: 5,2±0,2 м × 7,2±0,2 м;

- Вместимость: от 1 до 8 палет/панелей одновременно;

- Основной материал корпуса, камеры: нержавеющая сталь;

- Управление: автоматическое/полуавтоматическое.

Пример 1. Производство плитки тротуарной

Плитка полнотелая размером 200 × 100 × 40 мм. Вес 1 плитки ≈ 2,1 кг.

Образец и геометрические размеры плиты тротуарной представлен на фигуре 9.

Плиты изготавливаются двух видов: на основе шлака электросталеплавильного и шлака сталеплавильного.

Составы плит тротуарных, %:

1) шлак молотый - 50, заполнитель минеральный (диабаз) - 50;

2) шлак молотый - 50, шлак дробленый - 50.

Влажность сырьевых смесей:

- на основе шлака электросталеплавильного - 7,0% мас.;

- на основе шлака сталеплавильного - 6,5% мас.

Плитки на поддоне расположены в 8 рядов по высоте. Количество плит в одном ряде - 9 × 3 = 27 шт. Всего на поддоне уложено 27 × 8 = 216 шт. плит.

В камере одновременно находится 8 поддонов с изделиями. Размер поддонов, длина × ширина × высота: 1,2 × 0,8 × 0,15 м. Высота штабеля плитки на поддоне - 355 мм. Расстояние в камере между поддонами и между стенками камеры и поддонами - 200 мм.

Всего изделий в камере: Nплит.трот. = 216 × 8 = 1 728 шт.

Поддоны в камере карбонизации установлены на полозьях высотой 200 мм.

Температура плит перед подачей в камеру карбонизации - 20-25°С.

Для обеспечения карбонатного твердения требуется подать в камеру карбонизации 260 кг углекислого газа. Углекислый газ подается в камеру карбонизации в виде газо-воздушной смеси с концентрацией СО₂ 80% об.

Температура газовой смеси - 20-30°С.

Режим принудительной карбонизации изделий в камере проходит в три стадии, отличающиеся количеством подаваемого в камеру карбонизации СО₂:

1-я стадия - активного карбонатного твердения:

- продолжительность - 60 мин,

- количество СО₂, которое требуется подать в камеру - 130 кг;

2-я стадия - умеренного карбонатного твердения:

- продолжительность - 120 мин,

- количество СО₂, которое требуется подать в камеру - 90 кг;

3-я стадия - выдерживания в диоксид углеродной среде:

- продолжительность - 120 мин,

- количество СО₂, которое требуется подать в камеру - 40 кг;

Процесс карбонизации сопровождается выделением тепла. Количество выделяемого тепла изделиями в процессе их принудительной карбонизации составляет:

- плитки на основе шлака электросталеплавильного - 125 кДж/кг;

- плитки на основе шлака сталеплавильного - 104 кДж/кг.

В процессе карбонизации за счет протекающих экзотермических реакций происходит разогрев изделий, при этом выделяется вода в виде испарений в количестве 2-3% от массы изделий в камере карбонизации.

Карбонизированные образцы тротуарной плитки были испытаны на водопоглощение, прочность на сжатие и растяжение при изгибе, истираемость на соответствие ГОСТ 17608-2017 «Плиты бетонные тротуарные. Технические условия», была определена плотность изделий. Прочность на сжатие испытывали на образцах-цилиндрах, выбуренных из плитки, в соответствии ГОСТ 28570-2019 «Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций» и путем передачи нагрузки через металлические пластины квадратной формы в соответствии с Приложением Д ГОСТ 17608-2017.

Тротуарная плитка на основе мелкозернистых проб ТОМ карбонатного твердения по прочности на сжатие, соответствует В30, что согласно ГОСТ 17608-2017 позволяет отнести полученные изделия к группе по эксплуатации В «Дороги с малоинтенсивным движением (внутриквартальные проезды) и площади, территории стоянок легкого автотранспорта, территории АЗС»; по результатам прочности на сжатие, определенной через металлические пластины, соответствует классу В45, что превышает требуемый класс бетона для плиток группы Г, позволяющей эксплуатацию изделий в «Зонах высокой нагрузки (территории для стоянок грузового автотранспорта, порты и доки)». По прочности на растяжение при изгибе образцы-плитки соответствуют классу Вtb6,8, что значительно превышает требуемый класс для плиток группы Г (Вtb4,4). То же самое можно отметить и по показателям истираемости плиток из опытной партии, которая составляет 0,42 г/см², и превышает требования ГОСТ 17608-2017 для марки G1 (не более 0,7 г/см²). Водопоглощение по массе карбонизированных плит составляет 5,9%, что соответствует нормативным требованиям для плит из мелкозернистого бетона (не более 6,0% мас.). Таким образом, по своим характеристикам полученные в промышленных условиях образцы-плиты на основе мелкозернистых проб ТОМ карбонатного твердения можно отнести к плитам группы Г, т.е. высшей группы по эксплуатации, определенной ГОСТ 17608-2017, разрешающей при толщине плитки 100 мм использовать их в зонах высокой нагрузки (территории для стоянок грузового автотранспорта, порты и доки).

Визуальный анализ поперечного сечения плит, обнажаемый после испытания на растяжение при изгибе, показал, что в средней части сечения плит имеется участок (сердцевина) рыхлой структуры из материала, прокарбонизированного в меньшей степени, чем материал наружных слоев. В связи с этим прочность на сжатие, определенная на образцах-цилиндрах, ниже, чем при испытании целой плитки через металлические пластины. Толщина карбонизированного слоя в изделиях составляет от 15 до 30 мм. Можно предположить, что в плитах с большей толщиной сердцевина также будет больше, что, в свою очередь, может снижать физико-механические характеристики изделий. Полученные экспериментальные данные эксплуатационных свойств изделий-плит свидетельствуют о возможности получения как изделий для мощения территорий как тротуарных, так и дорожных плит на основе ТОМ и минерального заполнителя в соотношении 60:40% мас.

Фото опытной партии плит тротуарных представлено на фигуре 8.

Выводы: В ходе испытаний выявлено, что по своим эксплуатационным характеристикам плиты из опытной партии соответствуют классам по прочности на сжатие В45, на растяжение при изгибе Вtb6,8, марке по истираемости G1, имеют водопоглощение по массе 5,9%, что позволяет отнести их к группе Г (ГОСТ 17608-2017) для использования в зонах высокой нагрузки (территории для стоянок грузового автотранспорта, порты и доки).

Пример 2. Производство кирпичей пустотелых

Кирпичи пустотелые. Пустотность - 30%. Вес 1 кирпича ≈ 3,1 кг. Образец и геометрические размеры кирпича представлены на фигуре 10.

Состав сырьевой смеси кирпичей, % мас.:

1) нефелиновый шлам молотый - 50, известняк - 50;

2) нефелиновый шлам молотый - 50, нефелиновый шлам необработанный - 50.

Влажность сырьевой смеси 8,5% мас.

Кирпичи на поддоне расположены в 6 рядов по высоте. Количество кирпичей в одном ряде - 8 × 3 = 24 шт. Всего на поддоне уложено 24 × 6 = 144 шт. кирпичей.

В камере одновременно находится 8 поддонов с изделиями. Размер поддонов, длина × ширина × высота: 1,2 × 0,8 × 0,15 м.

Высота штабеля кирпичей на поддоне - 415 мм. Расстояние в камере между поддонами и между стенками камеры и поддонами - 200 мм.

Всего кирпичей в камере: Nкирп. = 144 × 8 = 1152 шт.

Поддоны в камере карбонизации установлены на полозьях высотой (предполагаемой) 200 мм.

Температура кирпичей перед подачей в камеру карбонизации - 20-25°С.

Для обеспечения карбонатного твердения требуется подать в камеру карбонизации 400 кг углекислого газа. Углекислый газ подается в камеру карбонизации в виде газо-воздушной смеси с концентрацией СО₂ 80% об.

Температура газовой смеси - 20-30°С.

Режим принудительной карбонизации изделий в камере проходит в три стадии, отличающиеся количеством подаваемого в камеру карбонизации СО₂:

1-я стадия - активного карбонатного твердения:

- продолжительность - 30 мин,

- количество СО₂, которое требуется подать в камеру - 200 кг;

2-я стадия - умеренного карбонатного твердения:

- продолжительность - 90 мин,

- количество СО₂, которое требуется подать в камеру - 100 кг;

3-я стадия - выдерживания в диоксид углеродной среде:

- продолжительность - 120 мин,

- количество СО₂, которое требуется подать в камеру - 100 кг;

Процесс карбонизации сопровождается выделением тепла. Количество выделяемого тепла изделиями в процессе их принудительной карбонизации составляет 142 кДж/кг.

В процессе карбонизации за счет протекающих экзотермических реакций происходит разогрев изделий, при этом выделяется вода в виде испарений в количестве 2-3% от массы изделий в камере карбонизации.

Карбонизированные кирпичи были испытаны на плотность и прочность на сжатие согласно методикам, ГОСТ 379-2015 «Кирпич, камни, блоки и плиты перегородочные силикатные. Общие технические условия» и ГОСТ Р 58527-2019 «Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе».

Марка исследуемого образца кирпича по прочности на сжатие пустотелых образцов-кирпичей карбонатного твердения на основе мелкозернистых проб ТОМ превышает требуемые марки согласно ГОСТ 379-2015 и соответствует при пустотности 22% об. Для кирпичей из электросталеплавильного шлака - М350, сталеплавильного шлака- М500, нефелинового шлама - М550, при этом, один кирпич в зависимости от вида, используемого вяжущего из ТОМ связывает, соответственно, порядка 230, 210 и 290 г СО₂.

Прочность на сжатие материала карбонизированных кирпичей (без учета пустот) на основе мелкозернистых проб шлаков электросталеплавильного и сталеплавильного составляет соответственно 47,2 и 68,8 МПа, на основе нефелинового шлама - 72,8 МПа, позволяет обосновано считать, что из данных составов возможно изготавливать тонкостенные изделия с объемной пустотностью до 45 и более % и тем самым получать изделия меньшей материалоемкости и веса. Низкие показатели водопоглощения кирпичей, составляющие в зависимости от используемых ТОМ от 2,1 до 6,4% мас., позволяют судить высокой морозостойкости опытных образцов-изделий.

Материал в объеме изделий при нанесении спиртового раствора фенолфталенина на сколы не окрашивается, что говорит о том, что карбонизация прошла во всем объеме изделий.

Фото опытной партии кирпичей пустотелых представлено на фигуре 8.

Выводы: Полученные экспериментальные данные физико-механических свойств изделий-кирпичей, свидетельствуют о возможности получения как стеновых тонкостенных изделий с пустотностью 45 и более %, в т.ч. лицевых, так и изделий для мощения территорий, например, тротуарная, дорожная плитка с использованием различного вида минеральных заполнителей в соотношении ТОМ: минеральный заполнитель 1:1 (50:50% мас.).

Камера карбонатного твердения строительных материалов, согласно изобретению, характеризуется простой конструкцией и управляемой средой рабочего объема камеры, что позволяет обеспечить серийное производство карбонизированных материалов, в том числе путем интеграции в конвейерную линию или с использованием каких-либо манипуляторных комплексов, при этом использование нескольких камер в технологической линии в сочетании с конвейерами или манипуляторами обеспечивает непрерывное круглосуточное производство строительных материалов. Дополнительно реализуется эффект - снижение углеродного следа, а именно утилизация диоксида углерода (СО₂), который может использоваться при расположении производства строительных материалов с применением заявленной камеры на объединенной площадке или вблизи от любого производственного объекта, характеризующегося выбросами СО₂. Также камера, реализующая технологию производства карбонизированных строительных материалов, сама по себе относится к оборудованию, не загрязняющему атмосферу СО₂, в отличие от традиционного оборудования производства кирпича, тротуарной плитки, бордюрного камня и пр.

Изобретение относится к устройству получения изделий карбонатного твердения, в частности из вторичных продуктов металлургии (различного рода шлаков и шламов) и диоксида углерода. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции камеры карбонатного твердения с управляемой средой рабочего объема камеры, позволяющей обеспечить серийное производство строительных материалов. Заявлена камера карбонатного твердения строительных материалов, включающая корпус, дверь, расположенную с передней стороны корпуса, снабженную системой открытия и закрытия и обеспечивающую герметичность внутреннего объема камеры, патрубки с задней стороны камеры, соединенные с трубопроводами для подачи и отведения СО₂ в качестве рабочей среды, и пространство для размещения карбонизируемых изделий, подлежащих карбонатному твердению. При этом для подачи СО₂ в нижнюю часть камеры предусмотрены фальшпол и резервуарная камера подачи газа под фальшполом. Причем фальшпол имеет одно или не менее двух окон для подачи CO₂ из резервуарной камеры. Также в камере предусмотрены фальшпотолок, выполненный наклонным от задней стенки к двери, и пространство разряжения в зоне забора, которое расположено в нише выше уровня фальшпотолка вверху у задней стенки камеры. Перед трубопроводом отведения СО₂ из камеры расположено устройство охлаждения. 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Камера карбонатного твердения строительных материалов, включающая корпус, дверь, расположенную с передней стороны корпуса, снабженную системой открытия и закрытия и обеспечивающую герметичность внутреннего объема камеры, с задней стороны камера снабжена патрубками, соединенными с трубопроводами для подачи и отведения СО₂ в качестве рабочей среды в камере, и пространством для размещения карбонизируемых изделий, подлежащих карбонатному твердению, при этом для подачи СО₂ в нижнюю часть камеры предусмотрены фальшпол и резервуарная камера подачи газа под фальшполом, при этом фальшпол имеет одно или не менее двух окон для подачи CO₂ из резервуарной камеры, а также предусмотрены фальшпотолок, выполненный наклонным от задней стенки к двери, и пространство разряжения в зоне забора, которое расположено в нише выше уровня фальшпотолка вверху у задней стенки камеры, перед трубопроводом отведения СО₂ из камеры расположено устройство охлаждения.

2. Камера карбонатного твердения строительных материалов по п.1, отличающаяся тем, что дверь выполнена с открытием наверх путем подъема двери по рельсам-направляющим.

3. Камера карбонатного твердения строительных материалов по п.1, отличающаяся тем, что резервуарная камера подачи газа имеет одно окно, через которое газ попадает во внутренний объем камеры карбонатного твердения, расположенное по центру фальшпола у задней внутренней стенки камеры, или не менее двух таких окон, расположенных на равных расстояниях от боковых стенок и друг от друга на фальшполу у задней внутренней стенки камеры.

4. Камера карбонатного твердения строительных материалов по п.1, отличающаяся тем, что резервуарная камера подачи газа соединена с не менее чем одним каналом подачи газа, идущим под фальшполом по всей длине камеры карбонатного твердения, а по длине канала расположено не менее двух окон, через которые газ попадает во внутренний объем камеры карбонатного твердения.

5. Камера карбонатного твердения строительных материалов по п.1, отличающаяся тем, что фальшпотолок выполнен наклонным с перепадом по высоте не менее 7° по всей длине фальшпотолка.

6. Камера карбонатного твердения строительных материалов по п.1, отличающаяся тем, что дверь камеры по всему периметру снабжена прокладкой-уплотнителем, а для обеспечения плотного прилегания – не менее чем двумя замками.

7. Камера карбонатного твердения строительных материалов по п.1, отличающаяся тем, что за пределами рабочего объема камеры, на трубопроводе подвода газа, расположено нагнетательное оборудование.

8. Камера карбонатного твердения строительных материалов по п.1, отличающаяся тем, что во внутреннем объеме на стенах и фальшпотолке расположены датчики: температуры, концентрации СО₂, движения газового потока, которые располагаются внизу, вверху и посередине на задней стенке, и рядами из трех равноудаленных друг от друга и от задней стенки и двери датчиков внизу, вверху и посередине на боковых стенках.

9. Камера карбонатного твердения строительных материалов по п.8, отличающаяся тем, что расположенные внутри камеры датчики подсоединены к микропроцессорному блоку, передающему данные о параметрах на пульт управления или персональный компьютер.