Исследование физико-химических процессов при синтезе

1
2
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы.
Утилизация боя стекла является актуальной научно-технической задачей,
успешное решение которой может принести существенный экономический и
экологический эффект.
С точки зрения химического и физического строения стеклобой можно
рассматривать как минеральный ресурс – аморфный силикатный материал антропогенного происхождения. Получение композиционных строительных материалов – пеностекла, легких бетонов из несортированного стеклобоя позволит решить следующие задачи: экономия природных ресурсов, снижение вредных выбросов при производстве стекла, снижение объемов накопления стеклобоя.
Представленная работа является обобщением результатов исследований,
выполненных в рамках госбюджетных НИР, а также программы поддержки аспирантов администрации Пермской области.
Целью работы является разработка технологии утилизации стеклобоя с
получением композиционных материалов на основе цементного вяжущего и
теплоизоляционного материала - пеностекла.
Поставленная цель достигалась решением следующих основных задач:
• выявить оптимальные пути утилизации стеклобоя;
• выявить проблемы, возникающие при создании композиционных
материалов на основе цементного вяжущего и стекла;
• исследовать процессы щелочно-силикатного взаимодействия при
создании композиционных материалов на основе цемента и стекла;
• выявить пути подавления щелочно-силикатного взаимодействия;
• исследовать технологические особенности создания гранулированного материала из порошка стекла;
• разработать технологию переработки стеклобоя с получением композиционных материалов на основе цемента и продуктов переработки
стеклобоя.
Научная новизна работы.
Исследованы особенности механизма взаимодействия между оксидом
кремния стекла и щелочными гидроксидами цемента, приводящего к коррозии
бетона, и впервые показано, что введение в состав бетона силикагеля в количестве 4% от массы цемента позволяет предотвратить коррозию.
Определены методы подготовки стеклобоя для использования его в качестве наполнителя в стеклобетоне и установлено, что средний размер частиц
стеклобоя не должен превышать 1 мм.
Впервые доказано, что предварительная обработка стеклобоя раствором
соляной кислоты позволяет получить на его основе стеклобетон повышенной
прочности.
4
Сформулирован и обоснован новый способ получения гранулированного
пеностекла, заключающийся в том, что вспенивание композиции происходит за
счет взаимодействия угля с выделяющимися парами воды, образующейся при
термическом разложении геля кремниевой кислоты, и образования оксидов углерода. При этом различие в плотности пеностекла, полученного из различных
сортов стекла, составляет 5–10 %, что позволяет использовать в качестве сырья
несортированный стеклобой.
Разработан способ и определены технологические параметры технологии
гранулированного пеностекла, основанной на гранулировании исходной шихты
с использованием в качестве связующего водного раствора силиката натрия.
Способ защищён патентом на РФ на полезную модель № 46751.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
На основании проведенных исследований предложена комплексная технология переработки стеклобоя с получением в виде товарного продукта востребованных высокоэффективных теплоизоляционных и конструкционных материалов.
На основании результатов исследований разработаны технические условия
получения пеностекла «Изделия из пеностекла» ТУ 5914-001-73893595-2005.
На основании проведенных исследований осуществлено проектирование
линии производства гранулированного пеностекла производительностью 10000
м3 в год, запуск линии осуществлен в 2005 г.
P
P
На защиту выносятся:
Результаты анализа способов переработки стеклобоя, позволяющие выбрать оптимальные методы его утилизации.
Результаты исследования процессов, протекающих в композиционных материалах полученных на основе стеклобоя.
Результаты исследования процессов формирования пеностекла в пиропластичном состоянии.
Технология переработки стеклобоя с получением гранулированного пеностекла.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: Экология и научно-технический прогресс (г. Пермь,
2002, 2003), Экологическая безопасность Урала (г. Екатеринбург, 2002).
Публикации. По теме диссертации опубликовано одна монография,
семь статей и шесть тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 220 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 36 таблиц. Работа состоит
5
из введения, пяти глав, выводов и списка использованных литературных источников, который включает 155 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении кратко рассмотрено состояние проблемы утилизации стеклобоя, обоснована актуальность работы.
Первая глава содержит анализ процессов накопления стеклобоя, рассматривает вопросы его негативного воздействия на окружающую среду, проблемы,
связанные с использованием стеклобоя в качестве наполнителя строительных
материалов и сырья для получения пеностекла.
Показано, что, несмотря на увеличение доли перерабатываемого стеклобоя
в развитых странах, сохраняется суммарная тенденция роста общих объемов
накопления стеклобоя в окружающей среде в странах с различным уровнем
развития. Это связано с тем обстоятельством, что в настоящее время практически отсутствуют надежные и производительные варианты переработки несортированного стеклобоя. Именно такой материал составляет основное количество неутилизируемого стекла, а его сортировка весьма затруднена с практической точки зрения.
Существующие методы утилизации стеклобоя можно сравнить с точки
зрения существования ресурса, воздействия на окружающую среду и экономического эффекта от варианта утилизации стеклобоя. Для оценки технологий переработки стеклобоя были выбраны следующие критерии:
• Возможность использования любого несортированного стеклобоя;
• Соотношение между количеством утилизируемого стеклобоя и объёмом
его образования;
• Затраты на замену используемого в технологии вещества на стеклобой;
• Спрос на производимый продукт;
• Свойства производимого продукта;
• Нанесение вреда окружающей среде.
Анализ способов переработки стеклобоя по данным критериям позволил
заключить, что наиболее перспективным будет являться производство строительных материалов, а именно пеностекла и стеклобетона.
Однако, несмотря на очевидность такого решения, использование стеклобоя для этих целей вызывает определенные сложности.
При добавлении стекла в бетон в качестве заполнителя происходит взаимодействие между аморфным кремнеземом стекла и щелочами цемента. Известно, что все бетоны имеют капиллярно-пористую структуру, состоящую из
трех основных компонентов: заполнителя; связующего вещества; пустот в виде пор и капилляров, заполненных воздухом, водой и водяным паром. При
смешении портландцемента с водой происходит растворение содержащихся в
нем щелочных оксидов Na2O и K2O. Вследствие этого, раствор, содержащийся
в пустотах бетона, становится сильнощелочным. Некоторые наполнители бетона склонны вступать в реакцию с данным раствором, особенно содержащие в
B
B
B
B
6
своем составе аморфный кремнезем. Данный процесс получил название реакции между щелочами цемента и кремнеземом наполнителя. В результате данной щелочно-кремниевой реакции образуется гелеобразное вещество, состоящее из силикатов щелочных металлов, при этом происходит увеличение объема
заполнителя. Гель характеризуется значительной способностью к разбуханию.
Он поглощает воду с последующим увеличением своего объема. Так как гель
заключен в окружающий его цементный камень, то возникает внутреннее давление, которое приводит к возникновению трещин и разрушению цементного
камня. Наиболее разрушительным для бетона является разбухание твердых зерен заполнителя. В связи с этим, использование стеклобоя в качестве наполнителя для бетонов представляет собой проблему, поскольку стекло содержит в
своем составе аморфный кремнезем.
При переработке несортированного стеклобоя для получения теплоизоляционного материала пеностекла по традиционной технологии его качество получается невысоким. Это связано с тем, что применяемые в настоящее время
методы получения пеностекла заключаются в варке специального стекла, его
дроблении, получении шихты с добавками газообразующих компонентов и высокотемпературном обжиге. Вспенивание пеностекла вызвано выделением газов в области температур 740-840 0С. Схема реакции при образовании пеностекла по традиционной порошковой технологии может быть написана следующим образом:
- SO3 + 2C → - S2- + СО + СО2
Считается, что использование боя стекла вследствие неоднородности его
химического состава создает существенные трудности для получения пеностекла со стабильными заданными свойствами.
P
B
B
P
P
B
P
B
На основании приведенного анализа можно сделать следующие выводы:
1) Утилизация несортированного боя стекла для получения теплоизоляционных и конструкционных строительных материалов является актуальной задачей.
2) Необходимо исследовать методы, способствующие снижению вероятности протекания щелочно-силикатной реакции, приводящей к недопустимому
разрушению бетонов.
На основании обзора литературных данных были выбраны следующие
способы подавления данного процесса: использование активной дисперсной
гидравлической добавки, представляющей собой аморфный кремнезем; химическая модификация стекла, заключающаяся в удалении способных к выщелачиванию ионов Na+ с поверхности в процессе ионообменной модификации поверхности; помол стеклобоя до тонкодисперсного состояния.
3) Необходимо исследовать способы повышения качества пеностекла, получаемого на основе стеклобоя.
Было предложено вводить в сырьевую смесь связанную воду в виде геля
кремниевой кислоты. При термическом разложении геля кремниевой кислоты
P
P
7
выделяются пары воды, которые могут способствовать более интенсивному
вспениванию за счет увеличения содержания газовой фазы, значительного снижения вязкости, поверхностного натяжения расплава и сдвига температуры
максимального вспенивания в область более низких температур, что позволит
снизить требования к составу сырьевого стекла.
Проведенный анализ литературных данных позволил спланировать исследования, необходимые для разработки методов утилизации несортированного
стеклобоя с получением стеклобетона и пеностекла.
Во второй главе приведены методики экспериментов, описание установок
и материалов, использованных при проведении экспериментов.
В третьей главе приводятся результаты исследования способов подготовки стеклобоя для использования его в качестве наполнителя для бетонов.
Для определения потенциальной реакционной способности стекла проводилось непосредственное определение степени расширения образцов во времени. Степень и скорость развития процессов взаимодействия, оцениваемые по
предлагаемым в России методикам, учитывающим величину расширения, которая превышает через 6 месяцев твердения образцов во влажных условиях
0,05%, а через год – 0,1%, обычно свидетельствуют о деструктивных процессах,
приводящих к разрушению. Стандарты США предполагают более жесткие
нормативы по пределам расширения композитов в результате щелочнокремниевого взаимодействия – не более 0,04% за один год при 38оС.
Подготовку образцов осуществляли по оптимизированному стандарту
ASTM C 1293-0. Получали бруски размерами 25*25*250 мм, при соотношении
вода/цемент = 0,75, соотношении цемент/наполнитель = 0,33. В качестве наполнителя использовали стеклобой следующего состава: листовое стекло -50%;
бутылочное светлое стекло
25%, бутылочное темное
0,5
стекло 25%. Средний размер
0,45
частиц стекла изменяли от
Дисперсное
0,4
0.04 до 4 мм. В ряде случаев
стекло
0,35
0,3
в композицию вводили до0,25
Аэросил
бавки – высокодисперсное
0,2
стекло (стеклобой с размером
0,15
частиц менее 0,01 мм), аэро0,1
Силикагель
0,05
сил со средним размером
0
частиц 0,05 мм и силикагель
0
2
4
6
8
со средним размером частиц
Содержание добавки
(% от массы цемента)
0,05 мм.
Выявлено, что наиболее
эффективным способом поРисунок 1. Влияние активных дисперсных добадавления
щелочновок на расширение образцов стеклобетона.
Расширение (%)
P
P
8
кремниевой реакции является введение в состав стеклобетона активной кремнеземной добавки в виде силикагеля, что позволяет снизить расширение стеклобетона до уровня ниже критической величины даже при наличии в составе
стеклобетона дополнительного количества щелочи (рис. 1).
По-видимому, это можно объяснить тем, что силикагель сорбирует на своей поверхности свободный гидроксид кальция и ионы щелочных металлов. При
этом гель кремниевой кислоты, образующийся на развитой внутренней поверхности силикагеля, не проникает в поры цементного камня, и, таким образом, не
вызывает расширения бетона.
Расширение, %
Другим эффективным способом предупреждения разрушения бетонов в
результате протекания щелочно-кремниевой реакции является помол заполнителя до тонкодисперсного состояния. Выявлено, что максимальная величина
расширения обнаружена у брусков, содержащих в качестве наполнителя стекло
с размером частиц 1-4 мм (рис. 2). Через 1 неделю после начала эксперимента
расширение составило более 0,2%, что в 5 раз превышает допустимую величину.
При использовании в качестве заполнителя стекла с меньшим размером
частиц расширение брусков за 14 недель не превышает 0,02-0,04%. Полученный результат позволяет найти решение проблемы щелочно-кремниевого взаимодействия. В случае, когда стекло размолото достаточно тонко, риск разрушения стеклобетона значительно снижается.
Другим
возможным
путем подавления щелочно0,6
<0,04
0,55
кремниевой
реакции
в
0,5
0,04-0,05
0,45
стеклобетоне
при
0,1-0,16
0,4
0,35
использовании в качестве
0,2-0,315
0,3
0,50-0,63
заполнителя
порошков
0,25
0,2
1,25-2
стекла является химическая
0,15
2,5-4
0,1
модификация заполнителя –
0,05
0
обработка порошков стекла
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
растворами кислот, которая
Неделя
будет
способствовать
+
Рисунок 2. Влияние размера частиц наполнителя выщелачиванию ионов Na
(мм) на расширение образцов стеклобетона.
и К+ с поверхности частиц
стекла.
Для проверки данного предположения было получено химически модифицированное стекло. Дисперсный порошок стекла перемешивали с 1М раствором соляной кислоты, нагревали до 600С и выдерживали сутки при этой температуре, порошок отделяли декантацией. Далее химически модифицированное
стекло использовали в качестве заполнителя при получении стеклобетона, и
определяли расширение образцов. Результаты эксперимента приведены на рис.
3.
P
P
P
P
P
P
9
Прочность на сжатие, кН
Расширение, %
Выявлено, что величина расширения не превышает рекомендованное по
стандарту значение при использовании в качестве наполнителя Н-стекла с размером частиц не более 0,16
мм. При использовании
1,00
более крупных фракций ве<0,04
0,80
личина расширения брусков
превышает допустимую уже
0,1-0,16
0,60
через 72 часа. Как мы
0,50-0,63
0,40
видели
ранее,
сходная
1,25-2
зависимость наблюдалась и
0,20
2,5-4
для обычных порошков
0,00
стекла. Таким образом,
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
можно сделать вывод, что
Неделя
уменьшение щелочности за–
менее
Рисунок 3. Зависимость расширения брусков от раз- полнителя
эффективный
способ
мера частиц Н-стекла (мм)
подавления
щелочнокремниевой реакции, чем
600
введение в состав стеклобестекло с
тона добавок, способных
500
цементом
связывать ионы щелочных
400
металлов и гидроксид кальН-стекло с
цементом
ция, находящиеся в поровой
300
жидкости цементного кам200
ня.
100
Однако при сравнении
прочности образцов стекло0
бетона было выявлено, что
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314
стеклобетон, полученный на
Неделя
основе химически модифиРисунок 4. Изменение прочности на сжатие образцов цированного стекла, имеет
стеклобетона.
более высокую прочность,
(Размер частиц заполнителя менее 0,04 мм).
чем стеклобетон, полученный на основе обычного
стекла. Соответствующие результаты приведены на рис. 4.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что на основе химически
модифицированного стеклобоя возможно получение бетонов достаточно высокой прочности (марка по прочности М500), которые могут быть использованы в
предварительно напряженных железобетонных конструкциях.
Четвертая глава посвящена разработке оптимальных параметров технологии получения гранулированного пеностекла.
10
Пеностекло является одним из наиболее перспективных теплоизоляционных материалов. Особый интерес представляет пеностекло, изготовленное в
виде гранул различного размера (от 1÷5 до 20÷50 мм). Такой материал востребован как химически и термически стойкий засыпочный теплоизолятор, производство которого может быть автоматизировано, а себестоимость значительно
снижена.
В литературе приводятся данные, свидетельствующие о возможности получения качественного пеностекла из стеклобоя. Характерной чертой приводимых технологий является введение в шихту веществ, способствующих гидролизу поверхности зерен стекла.
Известно, что при растворении в воде силикатных стекол с высоким содержанием SiO2 оксиды щелочных металлов переходят в раствор быстрее, чем
SiO2, вследствие чего на поверхности стекла образуется пленка геля кремниевой кислоты. Химический состав геля кремниевой кислоты можно выразить
формулой nSiO2*mH2O. Он представляет собой неорганический полимер, содержащий на поверхности силанольные группы (-Si-O-Si-)-O-H. Таким образом, при гидратации и гидролизе частиц стекла на их поверхности происходит
появление гидроксидных групп.
Был сделан вывод, что присутствие в шихте для получения пеностекла
геля кремниевой кислоты, содержащего химически связанную воду, создает
более благоприятные условия для вспенивания.
На основании анализа литературных данных в работе выдвигается следующая гипотеза. Для улучшения качества пеностекла на основе стеклобоя
нужно искусственно повысить содержание связанной воды в системе на стадии
подготовки смеси, что может достигаться либо за счет гидратации и гидролиза
мелкодисперсного порошка стекла, либо путем непосредственного внесения в
систему водного раствора силиката натрия. При термическом разложении геля
кремниевой кислоты выделяются пары воды, которые могут способствовать
более интенсивному вспениванию за счет увеличения содержания газовой фазы, значительного снижения вязкости, поверхностного натяжения расплава и
снижения температуры максимального вспенивания, что, очевидно, позволяет
снизить требования к составу сырьевого стекла.
B
B
B
B
B
B
B
B
В работе проведен термодинамический анализ реакций между компонентами пенообразующей смеси, используемых для порошковой технологии пеностекла, и реакций, протекающих в смеси в случае отсутствия в исходном стекле
сульфатной серы.
В качестве процессов газообразования, которые могут происходить в последнем случае, следует рассмотреть следующие:
C + H2O = CO + H2
(1)
C + 2H2O = CO2 + 2H2 (2)
CO2 + C = 2CO
(3)
CO + H2O = CO2 + H2 (4)
Выполненные термодинамические расчеты указывают, что реакции 1-3
могут протекать при температурах свыше 720 0С.
B
B
B
B
B
B
B
P
B
B
P
B
B
B
B
B
B
B
B
B
11
Таким образом, введение связанной воды в систему на стадии подготовки
порошка позволяет не только значительно улучшить реологические свойства
расплава в области температур вспенивания, получать пеностекло в виде гранул требуемого размера, но и избавиться от необходимости использовать для
получения пеностекла специально сваренное серосодержащее стекло. Альтернативным окислителем в случае предлагаемой технологии будет являться водород химически связанной воды, которая может выделяться в широком интервале температур.
На основе изучения литературных данных и теоретических расчетов была
предложена следующая технологическая схема получения гранулированного
пеностекла, основные стадии которой включают: измельчение стекла до тонкодисперсного состояния, гранулирование смеси с использованием водного раствора силиката натрия, сушку полученных гранул, вспенивание гранул в печи.
В диссертации показано, что свойства получаемого пеностекла зависят, в
том числе, и от размера сырцовых гранул, поэтому внимание следует уделить
кинетике окатывания, т. е. зависимости скорости роста гранул от влажности
смеси, времени окатывания и гранулометрического состава стекольного порошка.
Проведенные исследования позволили выбрать оптимальные технологические режимы. Установлено, что для достижения оптимальных характеристик
сырцовых гранул (диаметром >15 мм, плотность p/p0 > 1.3) необходимо проводить технологический процесс гранулирования в барабанном грануляторе.
Средний размер частиц порошка ≈ 20 мкм, время пребывания в грануляторе 30 мин, коэффициент заполнения – 0.2, влажность - 13,5 – 14,5%.
Полученные в результате описанных процессов сырцовые гранулы имеют
достаточную прочность, они содержат в себе все необходимые компоненты для
процесса вспенивания при пиропластичном состоянии стекла и достаточно
удобны как для хранения,
3
р, кг/м
так и для проведения
технологических операций.
1000
800
Далее
в
работе
600
400
рассматриваются законо200
720
мерности газовыделения и
t, мин
740
760
формирования структуры
780
5
800
15
820
гранул
при
25
840
750
860 35
650
термообработке.
45
550
450
350
Поскольку пеностекло
300
248
220 200
является
теплоизоля182
188
ционным
материалом,
добиваться
Рисунок. 5. Зависимость средней плотности гранул требуется
гранул
с
пеностекла от температуры вспенивания и времени получения
нахождения в печи при максимальной температуре минимальным
значением
вспенивания (влажность смеси – 14 %).
коэффициента теплопроB
B
12
водности, что достигается при уменьшении их средней плотности. Прочность
гранул в данном случае не является определяющим параметром, поскольку при
эксплуатации материал не испытывает значительных нагрузок, и кроме того,
прочность пеностекла в несколько раз больше прочности других теплоизоляционных материалов такой же теплопроводности или средней плотности.
Средняя плотность регулируется изменением температуры, продолжительности вспенивания и влажности пенообразующей смеси.
Для выбора оптимальной продолжительности процесса была изучена кинетика вспенивания гранул. Полученные данные приведены на рис. 5.
Как показывают результаты эксперимента, область минимальных значений
плотности гранул лежит в интервале температур от 790 до 830 0С при продолжительности вспенивания 45 – 50 минут.
Также представляет интерес изучить влияние влажности исходной смеси
на вспениваемость гранул. Результаты представлены на рисунке 6.
Как видно из рисунка 6, для всех смесей характерно наличие оптимального
интервала температур вспенивания от 790 до 830 0С.
Пеностекло наименьшей плотности – 286 кг/м3 получено из смеси с влагосодержанием 14,4%, вспененной при температуре 790 0С; наибольшей –461
кг/м3 получено для смеси с влагосодержанием 13,0%, вспененной при температуре 750 0С.
Кроме этого, следует заметить, что наибольшим колебаниям средней плотности в связи с изменением температуры вспенивания подвержены пеностекольные смеси, содержащие в своем составе наименьшее количество жидкости.
Итак, присутствие связанной влаги в смеси позволяет улучшить условия
протекания процесса вспенивания. Повышение пар360
циального давления водя340
12,7%
ного пара или количества
320
связанной воды в стекле
300
повышает термодинамиче13,3%
скую вероятность протека280
ния реакций газообразова260
ния при одновременном
14,4%
240
сдвиге начала реакций в
область более низких зна220
чений температуры. Также
750
770
790
810
830
850
870
снижается вязкость распла0
Т, С
ва, что приводит к улучшеРисунок 6. Зависимость средней плотности гранул нию структуры пеностекла.
Были проведены экспеностекла от температуры вспенивания при различной влажности смеси. (tвсп- 45 мин).
перименты по вспениванию
пеностекла из стекла строго
определённого сорта. Для исключения влияния всех факторов, кроме свойств
P
P
P
P
P
P
P
P
P
ρ, кг/м3
P
B
B
P
P
13
сорта стекла, на процесс вспенивания, обазцы готовились параллельно из одних
исходных компонентов, вспенивание проводилось в одинаковых условиях. Все
образцы отличались только сортом исходного стекла: телевизионные трубки,
оконное, бутылочное прозрачное, коричневое и зелёное. Результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1
Плотность пеностекла из различных сортов стекла
Вид стекла
Плотность
Плотность в % от плотно3
сти пеностекла из оконного
пеностекла, кг/м
стекла
Прозрачное
255
91
P
P
Коричневое
270
96
Зеленое
Трубки TV
260
240
93
86
Оконное
280
100
Как видно из таблицы, плотность пеностекла, изготовленного из различных сортов стекла, различается на величину до 15%, что позволяет отказаться
от дорогостоящей операции разделения стеклобоя по сортам. Тем не менее, если будет стоять задача получить пеностекло как можно меньшей плотности,
следует использовать телевизионные трубки или бутылочное прозрачное стекло. Так как содержание стекла кинескопов в общей массе стеклобоя значительно меньше оконного и бутылочного стекла, уменьшение плотности пеностекла
будет заключаться в увеличении доли прозрачного бутылочного стекла в исходном сырье. Но, в любом случае, 5–10%-ную разницу в плотности материала
является малосущественной, следовательно, можно использовать любой несортированный стеклобой, что значительно сокращает затраты на подготовку сырья и позволяет использовать для получения пеностекла несортированный
стеклобой.
В пятой главе описывается предложенная технологическая схема получения гранулированного пеносиликатного материала из стеклобоя, рассматриваются возможные области применения гранулированного пеностекла.
Технологический процесс можно разделить на следующие стадии: помол
компонентов, их смешение, гранулирование, сушка гранул, температурная обработка сырцовых гранул, сортировка (Рисунок 7). Основные параметры технологии приведены в Таблице 2.
14
1 Сушильно-дробильный барабан 2 Дробилка 3,20 Элеватор 4,7,10,16,17 Бункер-накопитель
5,8,9,11,13 Дозатор 6 Мельница 12 Узел смешения 14 Смеситель 15 Окатыватель 18 Печь
барабанная 19 Холодильник 21 Классификатор
Рисунок 7. Технологическая схема производства пеностеклянного гравия из стеклобоя
Таблица 2.
Основные технологические параметры
Операции
Размол стеклобоя
Смешение
компонентов
и гранулирование
Сушка гранул
Параметры
d частиц, мкм
Допустимое время хранения свежеразмолотого порошка, не более, ч
Влажность порошка, %
Время окатывания, мин
Коэффициент заполнения барабана
Диаметр гранул, не менее, мм
Время сушки, мин
Температура сушильного агента, 0С
Влажность сушильного агента
Влажность гранул после сушки
Температура, 0С
Время вспенивания, мин
Направление движения
P
P
Прокаливание
Значения
P
P
< 20
1
13.5 –14.5
30
0.2
15
30
70
<60%
11-12%
790-830
45
прямоток
15
Стеклобой, поступивший на предприятие, отделяется от мусора и подается
в сушильный барабан (1), затем на дробилку (2). Далее стеклобой с помощью
элеватора (3) подается в бункер-накопитель(4) из которого с помощью дозатора
(5) подается в мельницу(6), где происходит его помол до размеров зерна менее
20 мкм. Затем молотый стеклобой с помощью элеватора (3) подается в бункернакопитель (7).
Уголь, поступающий на предприятие дозатором (9), загружается в бункернакопитель (10). Раствор силиката натрия и вода в нужных соотношениях, дозируются со склада в емкость с мешалкой 12, где тщательно перемешиваются.
В процессе производства, с помощью дозаторов (8, 11 и 13), молотый стеклобой, уголь и раствор силиката натрия непрерывно дозируются в смеситель непрерывного действия (14), после которого масса подается в окатыватель (15),
готовые гранулы полуфабриката подаются на склад.
При производстве гранулированного пеностекла, гранулы полуфабриката
загружаются в бункер-дозатор (16), откуда дозируются в барабанную печь (18)
вместе с опудривателем, дозируемым из бункера-дозатора (17). На выходе печи, вспененные гранулы отделяются от опудривателя и охлаждаются в барабанном холодильнике(19), после чего рассеиваются по фракциям в классификаторе (21) и подаются на фасовку и упаковку. Отделенный в барабанном холодильнике опудриватель с помощью элеватора (20) возвращается обратно в бункер–дозатор опудривателя (17).
Рассчитаны затраты энергии на вспенивание материала исходя из материального баланса проходной печи и условия нагрева материала до температуры
900 °С. Суммарные энергетические затраты, соответствующие получению 1 м3
пеностекла плотностью 250 кг/м3 из 235 кг стеклобоя, составляют 263 кВт·ч,
что на треть меньше, чем при производстве пеностекла по классической технологии, включающей предварительную варку стекла.
Для предлагаемого производства требуется только электрическая энергия.
Все используемое сырье является доступным и не токсичными. Производственные стоки на предприятии отсутствуют. Единственным источником загрязнений является неорганическая пыль, имеющая 3-й класс опасности, очистка от
которой осуществляется традиционными комбинированными способами - сухим и мокрым. Такая комбинация способов позволяет получить 99% очистку.
Вся уловленная пыль возвращается обратно в производство.
Предлагаемая технология позволяет утилизировать 2000 тонн стеклобоя в
год при мощности производства 10000 кубометров в год. Величина предотвращенного экологического ущерба окружающей природной среде в результате
недопущения к размещению 2000 тонн отходов IV класса опасности составит
0,59 млн.руб.
В результате проведённых исследований разработан бизнес-план производства гранулированного пеностекла мощностью 10 тысяч кубометров в год.
Расчётная себестоимость 1м3 материала составляет 1800 руб. КапиталовложеP
P
P
P
P
P
16
ния на данное производство составляют 35 млн. руб. при сроке окупаемости 4,5
года.
Выводы
• Показано, что наиболее целесообразным способом утилизации стеклобоя является производство теплоизоляционных и композиционных строительных материалов – пеностекла, тяжелых и легких бетонов со стекольным наполнителем.
• Выявлено, что при использовании стекла в качестве наполнителя происходит реакция взаимодействия между щелочными гидроксидами, содержащимися в цементе и оксидом кремния стекла, приводящая к коррозии бетона.
• Показано, что наиболее эффективным способом подавления щелочнокремниевой реакции является введение в состав стеклобетона активной кремнеземной добавки в виде силикагеля. Другим эффективным способом предупреждения разрушения бетонов в результате протекания щелочно-кремниевой реакции является помол заполнителя до тонкодисперсного состояния.
• Сформулирован и обоснован новый метод получения теплоизоляционного материала – гранулированного пеностекла с использованием в качестве
сырья несортированного стеклобоя. Доказано, что в качестве реакции газовыделения при вспенивании пеносиликатной композиции возможно использование реакции окисления углерода химически связанной водой, введенной в систему на стадии подготовки порошка. Показано, что данный подход позволяет
утилизировать традиционно неиспользуемый несортированный стеклобой.
• Предложен механизм реакций, протекающих при термообработке. Рассмотрены закономерности газовыделения и формирования структуры гранул.
Выявлены особенности пенообразования, определены и обоснованы оптимальные режимы технологических процессов.
• Предложена технологическая схема процесса для получения гранулированного пеносиликатного материала из стеклобоя. На основании проведенных исследований осуществлено проектирование линии производства гранулированного пеностекла производительностью 10000 м3 в год, запуск линии осуществлен в 2005 г.
P
P
Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:
1.
Россомагина А. С., Пузанов И. С., Кетов А. А. Химикотехнологические основы производства пеностекла из стеклобоя. М.: Спутник+.2003.- 64 с.
2.
Кетова Г. Б., Пузанов А. И., Пузанов И. С., Россомагина А. С.
Проблема вторичного использования стеклобоя и путей их решения // Промышленная экология на рубеже веков. – Юбилейный сборник научных статей,
Пермь, 2001. -С. 247-252.
17
3.
Пузанов А.И., Россомагина А.С., Кетов А.А. Производство пеностекла из стеклобоя // Перспективы развития естественных наук в высшей школе: Сборник статей международной научной конференции.- Пермь: Пермский
государственный университет, 2001.- С. 225-229.
4.
Кетов А.А., Пузанов А.И., Пузанов И.С., Россомагина А.С., Саулин Д.В. Технология строительных материалов как перспективное направление
технологии неорганических веществ // Проблемы и перспективы развития химических технологий на Западном Урале: Сборник научных трудов.- Пермь:
Пермский государственный технический университет, 2001.- С. 84-89.
5.
Кетов А.А., Пузанов А.И., Пузанов И.С., Россомагина А.С., Саулин Д.В. Особенности технологии стеклокристаллического пеноматериала //
Молодежная наука Прикамья: Сборник научных трудов.- Вып. 1.- Пермь:
Пермский государственный технический университет, 2001.- С. 92-98.
6.
Кетов А.А., Кетова Г.Б., Пузанов А.И., Пузанов И.С., Россомагина
А.С., Саулин Д.В. Стеклобой как сырье для получения теплоизоляционного материала // Экология и промышленность России.- 2002.- № 8.- С. 17-20.
7.
Россомагина А.С., Пузанов И.С., Кетов А.А. Агрегация частиц
стекла в процессе получения гранулированного пеностекла // Проблемы и перспективы развития химической промышленности на Западном Урале: Сборник
научных трудов.- Пермь: Пермский государственный технический университет.- 2003.- Т.1.- С. 189-196.
8.
Шепетева Л. С., Россомагина А. С. Применение гранулированного
пеностекла в качестве теплоизоляционного слоя в дорожной одежде // Стройкомплекс плюс (приложение к журналу Стойкомплекс Среднего Урала). -2006.
- №6. – С. 19-20.
9.
Пузанов А.И., Россомагина А.С., Кетов А.А. Утилизация стеклобоя для получения пеностекла // Проблемы химии и экологии: Тезисы докл. областной конференции / Перм. гос. техн. университет. Пермь, 2000, С. 28-29.
10. Пузанов А.И., Россомагина А.С., Кетов А.А., Пузанов И.С., Саулин Д.В.
Получение пеносиликатного строительного материала из стеклобоя // Проблемы
химии и экологии. Тезисы докладов областной конференции молодых учёных и
студентов. / ПГТУ. – Пермь, 2002. С. 14–15.
11.
И. В. Бурдин, А. В. Колобов, А. И. Пузанов, А. С. Россомагина.
Использование стеклобоя для производства вяжущих материалов. // Экологическая безопасность Урала.: Тезисы докл. научно-технической конференции. Екатеринбург, 2002.- С. 227.
12.
И. В. Бурдин, А. В. Колобов, А. И. Пузанов, А. С. Россомагина.
Переработка стеклобоя термическими методами..// Экологическая безопасность
Урала.: Тезисы докл. научно-технической конференции. Екатеринбург, 2002. –
С. 238.
13.
Россомагина А. С. Физико-химические и технологические особенности переработки стекла в теплоизоляционный материал. // Экология и науч-
18
но-технический прогресс.: Тезисы докл. международной научно-практической
конференции. Пермь, 2002 - С. 42-43.
14.
Puzanov A.I., Rossomagina A.S., Ketov A.A. Utilization of glass cullet by
obtaining foam structure silicate heat-insulating material. // Results of multidisciplinary
and granduation projects collected materials. – Amsterdam, 2002. P. 64–67.
15.
Патент РФ на полезную модель № 46751, МКИ C 03 C 11/00. Комплексная техно логическая линия производства пеносиликатных материалов /
А.А. Кетов, И.С. Пузанов, М.П. Пьянков, Россомагина А.С., Д.В. Саулин. - Заявл. 14.02.2005. – Опубл.27.07 2005. Бюл.№ 21.
16.
Решение о выдаче патента на изобретение РФ по заявке №
2005110360/03(012140), МКИ C 03 C 11/00. Способ получения гранулированного пеносиликата – пеносиликатного гравия / А.А. Кетов, И.С. Пузанов, С.И. Пузанов, М.П. Пьянков, Россомагина А.С., Д.В. Саулин. - Заявл. 11.04.2005.
17.
Решение о выдаче патента на изобретение РФ по заявке №
2005116942/15(019314), МКИ C 03 C 11/00. Устройство для получения гранулированного пеносиликата / А.А. Кетов, И.С. Пузанов, С.И. Пузанов, М.П.
Пьянков, Россомагина А.С., Д.В. Саулин. - Заявл. 03.06.2005.
19