Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут газу

УДК: 666.96.12 + 620.91

Розробка енергозберігаючої технології виробництва пористих заповнювачів із гідросилікатів в апаратах псевдозрідженого шару.

Спеціальність 05.14.06. - Технічна теплофізика і промислова

теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Собченко Віктор Васильович

Київ 2006

Дисертацією є рукопис .

Робота виконана у відділі термошарових процесів Інституту газу Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Хвастухін Юрій Іванович завідуючий відділом термошарових процесів Інституту газу НАН України

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, проф. Майстренко Олександр Юрійович, заступник директора з наукової роботи Інституту вугільних енерготехнологій НАН та Мінпаливенерго України.

кандидат технічних наук Шморгун Володимир Васильович, старший науковий співробітник Інституту технічної теплофізики НАН України

Провідна установа: Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”

Захист відбудеться „ 10 ” 2006 р. о 14 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 26. 255.01. в Інституті газу НАН України за адресою: 03113, м. Київ, вул. Дегтярівська, 39, тел. 456-03-24

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту газу НАН України (03113, м. Київ, вул. Дегтярівська, 39)

Автореферат розісланий „ 7 ” вересня 200 6 р.

Учений секретар

Спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Б.К. Ільєнко

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. В Україні щорічно на теплозабезпечення житлових приміщень витрачається близько 30 млн. тон умовного палива при значних нераціональних витратах тепла, на відміну від інших країн Європи, де питомі витрати енергетичних ресурсів в 2...3 рази менші.

Затвердження нових норм по енергозбереженню в масовому житловому будівництві в Україні загострили питання знаходження шляхів вирішення проблеми зниження витрат на теплозабезпечення житлових приміщень.

Одними з шляхів вирішення проблеми зниження енерговитрат на теплозабезпечення житлових приміщень є:

1) використання теплоізоляційних матеріалів з високими якісними показниками, що зменшить витрати саме на опалення будівель та споруд.

2) розробка енергозберігаючих технологій виробництва теплоізоляційних матеріалів.

Згідно оцінок, використання 1 м³ теплоізоляції забезпечує економію 1,4 - 1,6 тон умовного палива в рік.

За даними фірми “Heraklith” (Німеччина) європейський ринок теплоізоляційних матеріалів приблизно на 90% забезпечується мінераловатними виробами, пінополістиролом і штучними неорганічними пористими заповнювачами, з тенденцією зниження питомої частки мінеральної вати і підвищення питомої частки пористих заповнювачів.

Економія паливно-енергетичних ресурсів забезпечується використанням штучних пористих заповнювачів. Випуск пористих утеплювачів на 1000 жителів характеризується такими цифрами (на 2000 рік): США - 500 м³, Швеція - 600 м³, Фінляндія - 420 м³, Росія - 80 м³, Україна - 40 м³.

В зв'язку з тим, що доля імпортних теплоізоляційних матеріалів в Україні становить більше 40 %, є актуальною розробка теплоізоляційних матеріалів вітчизняного виробництва на основі легкодоступної сировини.

Основними чинниками, що забезпечують економію паливно-енергетичних ресурсів при виробництві теплоізоляційних матеріалів є зниження максимальної температури термообробки шляхом використання матеріалів низькотемпературного спучування, попередня низькотемпературна сушка або термопідготовка сирцевого матеріалу, максимальна утилізація теплоти вихідних газів і нагрітого матеріалу для попередньої термопідготовки сирцевого матеріалу, допоміжні операції в технології, пов'язані з витратами теплоти.

При виробництві штучних пористих заповнювачів перспективним є використання в якості сирцевих матеріалів гідросилікатів, що мають невисоку температуру спучування.

У зв'язку з викладеним представляється актуальною розробка енергозберігаючої технології виробництва високоякісних штучних пористих заповнювачів з високими якісними характеристиками для використання в будівництві.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилась в Інституті газу НАН України в рамках держбюджетних науково-дослідних тем: № 276В “Розробити наукові и технологічні основи енергозбереження при шаровій термохімічній обробці дисперсних матеріалів” (1999 - 2002 роки) держ. № реєстр. 0199U002112 та № 302 В “Дослідження та створення технологічних засад виробництва нових пористих та волокнистих матеріалів” (2003 - 2006 роки) № держ. реєстр. 0103U006598.

Ряд результатів, що ввійшли в дисертаційну роботу, був отриманий в ході виконання договорів з ТОВ “Центральна будівельна компанія” та ЗАТ “КСВ”.

Мета роботи і задачі дослідження.

Метою роботи є: розробка та дослідження енергозберігаючої технології виробництва нового високоякісного штучного пористого заповнювача для використання в будівництві.

В ході виконання роботи були поставлені такі задачі досліджень:

1. розробка технологічних основ отримання штучного пористого заповнювача та визначення його фізико-механічних і теплофізичних властивостей;

2. дослідження процесу спучування при виробництві пористих заповнювачів;

3. розробка фізичної і математичної моделі процесу спучування сировинного матеріалу з метою визначення впливу технологічних параметрів процесу на якість отриманого пористого заповнювача; розробка фізичної і математичної моделі процесу тепло-масообміну при спучуванні з метою визначення мінімального необхідного часу термообробки сировинного матеріалу;

4. розробка обладнання для термообробки і класифікації в енергозберігаючій технології виробництва штучного пористого заповнювача;

5. Освоєння дослідно-промислового зразка технології виробництва пористого теплоізоляційного матеріалу;

6. Проведення енерготехнологічного аналізу технології виробництва штучного пористого заповнювача;

Наукова новизна отриманих результатів:

o Вперше розроблено фізичну та математичну модель процесу спучування гідросилікатних матеріалів, що дозволяє розрахувати вплив технологічних параметрів процесу спучування на якісні характеристики отриманого пористого заповнювача;

o Вперше розроблено фізичну та математичну модель процесу тепло-масообміну при спучуванні гідросилікатних матеріалів, на основі якої визначено мінімальний необхідний час перебування частинок сировинного матеріалу в апараті термообробки;

o Розроблено та досліджено нову конструкцію апарату з псевдозрідженим шаром з перемінним по висоті перерізом для класифікації полідисперсного матеріалу на вузькі фракції;

o Вперше розроблено двохстадійну енергозберігаючу технологію з апаратами псевдозрідженого шару для виробництва штучного пористого заповнювача із гідросилікатів - сиопору;

Практичне значення отриманих результатів заключається в наступному: штучний пористий заповнювач термообробка

· Розроблено технологію виробництва нового штучного пористого матеріалу із гідросилікатів - сиопору, що має високі якісні характеристики і потребує низьких питомих енерговитрат при його виготовленні;

· На основі розрахунків і експериментальних даних визначено режими термообробки при виготовленні сиопору з отриманням продукції високої якості;

· Розроблені апарати з псевдозрідженим шаром для термообробки, охолодження та класифікації сиопору;

· На основі енерготехнологічного аналізу підібрано найбільш економічні схеми виробництва сиопору;

Науково-технічні результати дисертаційної роботи впроваджено в промисловості на двох виробництвах (с.м.т. Шаховське, Московська обл., Росія та с.м.т. Березань, Київської обл.) потужністю по 50 тис. м³/рік.

Особистий внесок здобувача полягає в:

· розробці фізичних та математичних моделей процесів спучування та тепло-масообміну при спучуванні сиоліту;

· визначенні температурних, аеродинамічних режимів сушки-поризації і охолодження-класифікації сиопору в апаратах із псевдозрідженим шаром;

· розробці конструкцій сушарки-поризатора і холодильника-класифікатора з псевдозрідженим шаром в технології виробництва сиопору.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації докладені на наступних міжнародних і республіканських науково-технічних конференціях і семінарах:

§ III конкурс науково-технічних проектів молодих вчених “Інтелектуальний потенціал молодих вчених - місту Києву”. (Київ, 2003 р.)

§ Науково-технічна конференція “Енергозбереження в Україні: Законодавство, теорія, практика” (Київ, 2003).

§ Міжнародна науково-практична конференція “Теплоізоляційні матеріали в будівництві” (Київ, 2004)

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано вісім друкованих праць: п'ять статей в спеціалізованих наукових журналах України; два деклараційні патенти України; тези в збірнику міжнародної науково-практичної конференції “Теплоізоляційні матеріали в будівництві” (Київ, 2004).

Структура та обсяг роботи.

Дисертація складається з вступу, переліку умовних скорочень, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. ЇЇ загальний обсяг складає 172 сторінки, з них на 133 сторінках знаходиться основний текст, на 10 сторінках - список використаних джерел з 115 найменувань, на 29 сторінках - додатки.

Основний зміст

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено новизну та практичне використання, наведена інформація про використання одержаних результатів, особистий внесок здобувача, апробацію результатів дисертації та публікації.

У першому розділі приведено критичний аналіз технологій виробництв штучних пористих заповнювачів. Переважну більшість пористих заповнювачів отримують з великими витратами енергоресурсів. Значна частка витрат енергоресурсів припадає на теплові витрати при високотемпературному процесі термообробки (близько 1000 єС). Тобто розробка енергозберігаючих технологій виробництв принципово нових різновидів штучних пористих заповнювачів з високими якісними характеристиками є актуальною.

На основі аналізу визначена перспективність використання гідросилікатів в якості сировинних матеріалів: сировина для їх виробництва є розповсюдженою по регіонам України; температура спучування гідросилікатів на 500-700 С нижча, ніж інших сировинних матеріалів; отримані на основі гідросилікатів штучні пористі заповнювачі мають високі якісні показники.

Проведено аналіз способів отримання пористих заповнювачів, на основі якого визначено, що гідросилікати можливо спучувати за рахунок газовиділення зсередини його частинок.

На основі аналізу конструкцій апаратів, що використовуються в технологіях виробництв штучних пористих заповнювачів визначено, що в технології виробництва пористих заповнювачів із гідросилікатів з метою економії як енергетичних, так і матеріальних ресурсів, можливо використовувати обладнання з псевдозрідженим шаром.

Для отримання високих якісних характеристик штучних пористих заповнювачів із гідросилікатів необхідно визначити режими найбільш відповідальної при виробництві операції - процесу спучування.

Проведені аналізи дозволили окреслити рамки задач досліджень, що мають бути вирішені в роботі:

1) Розробити технологічні основи отримання штучного пористого заповнювача із гідросилікатів з визначенням його фізико-механічних і теплофізичних властивостей;

2) Розробити фізичну і математичну модель процесу спучування гідросилікатного матеріалу у псевдозрідженому шарі; розробити фізичну і математичну модель процесу тепло-масообміну при спучуванні;

3) Розробити методики експериментальних досліджень. та відпрацювати технологічні режими термообробки та класифікації, що будуть використані в промисловій технологічній лінії виробництва штучного пористого заповнювача;

4) Розрахувати і розробити конструкції апаратів термообробки і класифікації в технології виробництва штучного пористого заповнювача;

5) Розробити енергозберігаючу технологію виробництва штучного пористого заповнювача і освоїти дослідно-промисловий зразок;

6) Провести енерготехнологічний аналіз технології виробництва штучного пористого заповнювача;

У другому розділі викладені основи технології одержання гідросилікату натрію - сиоліту, з змінним складом SiO₂ і Na₂O. Сиоліт з кремнеземистим модулем m3,0 вперше синтезовано співробітниками ЗАТ “КСВ” (м. Київ). Матеріал захищений Євразійським патентом № 000616 “Строительный теплоизоляционный материал”. Його отримують на основі широко розповсюдженої на Україні сировини - трепелу, що є породою з вмістом до 75 % аморфного кремнезему (опала - SiO₂ mH₂O) і натру технічного їдкого (водного розчину каустичної соди 42 - 48% концентрації).

Вологість сиоліту, яка залежить від умов виробництва, складає близько 40 % від загальної маси сиоліту.

Досліджено поведінку сиоліту при його нагріві. Подрібнений сиоліт при нагріві до 140 - 150 С спучується з утворенням пористих кульок.

Диференційно-термічним аналізом зразків на кривій дегідратації фіксується два ендоефекти, максимуми яких приходяться на 100 - 105С и 150 - 160С (рис.1).

Перший эндоэфект пояснюється втратою адсорбованої води, другий - кристалогідратної. Висновком є позиція, що спучування сиоліту проходить за рахунок не адсорбованої води, а кристалогідратної. Конфігурація кривої DTG практично повторює криву DТА.

Визначено вміст в сиоліті лугу натрію для отримання високої спучуваності частинок сиоліту та міцності сиопору (залежить від кількості нерозчинного залишку). Технологічно та економічно виправданим є вміст лугу в сиоліті - 0,13...0,17 кг/кг.

Збільшення дозування NаОН збільшує в розчині вміст рідкої фази, що призводить до покращення його спучуваності, але і зменшує вміст нерозчинного залишку, який є каркасом, що сприяє міцності спучених часток після термообробки. Підвищення вмісту лугу натрію веде до подорожчання продукції із-за високої вартості каустичної соди.

Представлено технологічні засади отримання пористого теплоізоляційного матеріалу із сиоліту - сиопору. Сиопор отримують спучуванням подрібненого сиоліту при температурі більше 200 С. Сиопор є економічно дешевим, екологічно чистим пористим матеріалом.

Визначена температура термообробки сиоліту для отримання сиопору з високими якісними показниками, стійкістю до води і водяної пари. Ця температура складає 330 С.

Досліджені фізико-механічні і теплофізичні характеристики сиопору. Він має такі якісні характеристики: насипна густина - 70...250 кг/м³; міцність на стиск - 0,37...0,7 МПа; теплопровідність - 0,04...0,075 Вт/мК; водопоглинання не перевищує 5 %. Характеристики показують, що сиопор можливо використовувати в будівництві в якості ультралегкого теплоізоляційного матеріалу, заповнювача для бетонів.

У третьому розділі показано результати дослідження процесу спучування. Було створено математичну модель процесу спучування гідросилікатів у псевдозрідженому шарі. На основі моделі досліджено вплив розміру частинок сировинного матеріалу і температури термообробки на коефіцієнт спучування, і як наслідок - насипну густину кінцевого продукту.

Дослідження впливу температури та розміру частинок дає можливість визначати якісні характеристики отриманих пористих заповнювачів при його отриманні.

При нагріві частинок сировинного матеріалу проходить газовиділення зсередини частинок сировинного матеріалу. Одночасно, при досягненні деякої критичної температури поверхня частинок набуває пластичних властивостей і забезпечує надлишковий тиск парів води всередині частинки. При подальшому нагріві надлишковий тиск газів, що виділяються, перевищує величину сили, яка перешкоджає розширенню частинки. Такою силою є сила поверхневого натягу. Не маючи виходу з частинок, гази під надлишковим тиском збільшують їх в об`ємі і проходить процес спучування - збільшення частинки в об'ємі.

Основний вплив на процес спучування робить газовиділення у визначеному температурному інтервалі. Початком цього інтервалу є температура , при якій матеріал переходить у піропластичний стан. Кінцем інтервалу спучування є температура втрати пластичності оболонки, або ж робоча температура процесу спучування Т (рис 2).

На основі вищесказаного маємо згідно закону збереження енергії:

Де - надлишковий тиск газів усередині частинки, Па;

- сила поверхневого натягу розплаву матеріалу, Н/м.

Визначимо величину надлишкового тиску, необхідного для процесу спучування:

Спучування починається тільки в тому випадку, якщо надлишковий тиск газів перевищує величину .

Розрахуємо надлишковий тиск, який виникає всередині частинки при спучуванні. Рівняння Клапейрона для газів, що утримуються в порах частинки в початковому стані (при ) і кінцевому.

Маса газів, що знаходяться в порах дорівнює:

Шляхом перетворень одержуємо:

Перейшовши до питомого газовиділення , кг/кг в інтервалі температур від Т_кр до Т, отримаємо:

Прирівнюючи (7) та (2), маємо:

Виразивши поточний діаметр спученої частинки, як , одержимо

Перейшовши до визначення спучування сиоліту, маємо

Тут П, і = f(T)

Розроблена математична модель процесу спучування забезпечує проведення аналізу впливу на процес спучування таких технологічних факторів як температура псевдозрідженого шару та розмір частинок вихідного матеріалу.

Найбільш важливим при дослідженні спучування сиоліту представляється дослідження процесів тепло-масообміну частинок сиоліту з псевдозрідженим шаром частинок сиопору. Метою досліджень є визначення мінімального необхідного часу перебування частинок сиоліту в псевдозрідженому шарі частинок сиопору для проведення повного процесу термообробки з формуванням якісного сиопору та мінімальним використанням енергетичних ресурсів.

Моделювання процесу тепло-масообміну одиничної частинки сиоліту з шаром частинок сиопору, що знаходиться в псевдозрідженому стані, в умовах змінних у часі розміру, густини, вологості і теплофізичних властивостей матеріалу частки є дуже складним і може бути задачею окремої дисертаційної роботи. Конкретизуємо кінцеву задачу моделювання: результат досліджень має знайти використання в якості практичних розрахунків для промислової лінії.

Умовно розбиваємо весь інтервал часу перебування частинки сиоліту в псевдозрідженому шарі частинок сиопору з температурою 330 С, користуючись кривою TG (рис 1), на п'ять етапів, що проходять один за іншим, кожен зі своєю величиною втрати вологи W:

1) Розігрів частинки до 90С (без втрати вологи W₁ = 0);

2) Сушка в періоді постійної швидкості (W₂ = 18 %);

3) Сушка в періоді падаючої швидкості в інтервалі температур 90С...120С, (W₃ = 4 %);

4) Дегідратація в інтервалі температур 120С...200С з одночасним спучуванням (W₄ = 5 %);

5) Дегідратація до залишкової вологості в інтервалі температур 200С...330С (W₅ = 9 %);

Визначаємо час проходження кожного з етапів шляхом використання математичних виразів, які використовуються для розрахунку тепло-масообміну в псевдозрідженому шарі.

Загальний час перебування частинок сиоліту в псевдозрідженому шарі визначаємо, як суму часу проходження кожного з етапів.

У таблиці 1 приведені результати розрахунків мінімального необхідного часу перебування для частинок сиоліту різного розміру з одержанням стійкого до розкисання в воді сиопору.

Таблиця 1

Результати розрахунків мінімального необхідного часу перебування сиоліту в псевдозрідженому шарі з температурою 330 С.

Розмір часток сиоліту, dч0, мм	1, с	2, с	3, с	4, с	5, с	, с
1,0	1,7	4,15	1,5	1,0	6,5	14,85
2,0	3,4	8,3	3,0	3,8	26,0	44,6
3,0	6,1	12,4	4,5	9,5	58,0	89,5
4,0	6,8	16,6	6,0	15,0	104,0	148,4
5,0	8,5	20,7	7,5	23,5	102,0	222,2
6,0	10,2	24,9	9,0	34,0	234,0	312,1
8,0	13,5	33,0	12,0	60,0	416,0	534,5

У четвертому розділі наведені результати експериментальної перевірки розроблених математичних моделей процесів спучування та тепло-масообміну при спучуванні і результати відпрацювання режимів термообробки і класифікації сиопору.

Представлено схеми експериментального обладнання з псевдозрідженим шаром:

· дослідної установки КС-01 (рис. 3), яка призначена для визначення спучуваності сиоліту і виходу сиопору з одиниці маси сиоліту.

· дослідно-пілотної установки Інституту газу НАН України, яка призначена для відпрацьовування температурного й аеродинамічного режимів спучування сиоліту і напрацювання дослідних партій сиопору.

· двохзонного каскадного класифікатора, який призначений для класифікації частинок матеріалу різних розмірів по швидкості витання частинок на три фракції.

Розроблені методики проведення перевірки математичних моделей процесів спучування, тепло-масообміну при спучуванні і відпрацювання режимів термообробки та класифікації.

Перевірка адекватності математичної моделі процесу спучування проводилась на лабораторній установці КС-01. Експериментально визначали і співставляли з розрахунковими залежності насипної густини отриманого сиопору від розміру частинок вихідного сиоліту при заданій температурі псевдозрідженого шару і насипної густини отриманого сиопору від температури спучування при фіксованому значенні середнього розміру частинок вихідного сиоліту.

Результати розрахунків та дослідів представлені на рис. 4,5.

Перевірка адекватності розробленої математичної моделі процесу спучування показує задовільні результати. Це дає можливість використовувати її для практичних розрахунків.

Так, модель процесу спучування гідросилікатів у псевдозрідженому шарі використовують для проведення аналізу впливу таких технологічних параметрів процесу спучування як температура і розмір вихідних частинок сиоліту на якість отриманого сиопору.

Перевірка адекватності моделі процесу тепло-масообміну при спучуванні передбачала експериментальне визначення і співставлення з розрахунковими залежності величини мінімального необхідного часу перебування частинок сиоліту в псевдозрідженому стані. Досліди проводилася на установці КС-01. Вводили в розігрітий псевдозріджений шар сиопору частинку сиоліту визначеного діаметра з закріпленим у центрі спаєм термопари ХК (L), виконаної з дроту 0,2 мм і записували температуру центру частинки сиоліту з одночасовим фіксуванням часу процесу. Діапазон варіювання розміру частинок сиоліту 3...8 мм. Коли температура центру частинки досягала температури близької до температури псевдозрідженого шару частинок сиопору, дослід закінчували.

Результати розрахунків та дослідів представлені у графічному виді на рис.6.

Перевірка адекватності математичної моделі процесу тепло-масообміну при спучуванні частинок сиоліту показує задовільні результати і це дозволяє використовувати її для визначення мінімального необхідного часу перебування частинок сировинного сиоліту в апараті спучування при практичних розрахунках промислових ліній. Рекомендовано в реальних умовах промислового процесу збільшувати мінімальний час перебування частинок матеріалу в 1,5 - 2 рази порівняно з розрахунковими в зв'язку з можливістю проскакування частинок без повної їх термообробки.

Відпрацьовування температурного й аеродинамічного режимів спучування сиоліту в псевдозрідженому шарі і напрацювання дослідних партій сиопору проводились на дослідно-пілотній установці ІГ НАН України. Для відпрацювання режимів були рекомендовані два вихідних склади сиоліту, які відрізняються вмістом NaOН: 15% і 17% відповідно. Втрати при прожарюванні при температурі 600С (вологість) складають 34 - 40%.

Досліджено вплив на якість продукції (насипну густину, гранулометричний склад, міцність на роздавлювання) наступних параметрів: температури псевдозрідженого шару; вмісту NаОН і гранулометричного складу полідисперсного подрібненого сиоліту.

Результати досліджень представлені на рис. 7 (а, б).

Таким чином за результатами досліджень визначені технологічні режими термообробки сиоліту в псевдозрідженому шарі:

- температура псевдозрідженого шару - 330С ;

- температура під газорозподільною решіткою - до 600-700С ;

- швидкість теплоносія на рівні газорозподільної решітки - 1,5 м/с;

- розмір частинок сиоліту - до 4 мм.

Сиопор має насипну густину 140 кг/м³ при використанні сиоліту з вмістом NaOН = 15 % і, відповідно, 100 кг/м³ при використанні сиоліту з вмістом NaOН = 17 %;

Середній коефіцієнт спучування для полідисперсного матеріалу складає К_ср=5,8.

Класифікацію сиопору проводили на експериментальному двохзонному каскадному класифікаторі з псевдозрідженим шаром на 3 вузькі фракції.

Вихід продуктів класифікації показує розподіл фракцій з піками розмірів в районі 0,5; 1,3 і 2,05 мм.

Каскадні класифікатори дозволяють суміщати процеси класифікації і охолодження сиопору в одному апараті. Це є неабиякою перевагою при розробці технології виробництва сиопору.

Представлена оцінка похибок вимірювань температури в експериментальних дослідженнях і витрат повітря, необхідних для псевдозрідження.

У п'ятому розділі представлено результати розробки енергозберігаючої технології виробництва сиопору. В основі розробки лежать дослідження попередніх розділів.

Принципова схема технологічної лінії виробництва сиопору показана на рис. 8.

Відпрацьовування технологічних режимів одержання сиопору на дослідно-пілотній установці Інституту газу НАН України завершено створенням двох промислових ліній виробництва сиопору.

На Шаховському заводі будівельних матеріалів (Московська обл.) введена в експлуатацію технологічна лінія виробництва сиопору. Досягнута продуктивність лінії по сиопору 6 м³/год з насипною густиною 150 кг/м³. Вихідною сировиною служить сиоліт зі вмістом 15 % NaOH.

Аналогічне виробництво сиопору введено в експлуатацію на Березанському домобудівному комбінаті (Київська обл.). Продуктивність технологічної лінії складає до 10 м³/год сиопору з насипною густиною 70 кг/м³ при розмірі часток від 1 до 10 мм. Сировина, що використовують при виготовленні сиопору - сиоліт з вмістом 17 % NaOH.

В розробленій енергозберігаючій технології виробництва сиопору використані такі апарати з псевдозрідженим шаром як сушарка-поризатор і холодильник класифікатор. Проведено їх розрахунок та розроблено їх конструктивне оформлення.

Проведено енерготехнологічний аналіз виробництва сиопору з метою визначення питомих витрат енергетичних ресурсів на виготовлення сиопору за трьома схемами його виробництва: одностадійною - процес термообробки сиоліту проходить в одному апараті спучування при температурі 330 С ; двохстадійною з попередньою підсушкою сиоліту в окремому апараті для термообробки топковими газами окремого теплогенератора при температурі 80 С; двохстадійною схемою з попередньою підсушкою сиоліту в окремому апараті відхідними газами апарату спучування сиоліту.

Результати розрахунків зведені в таблицях 2,3

Таблиця 2

Питомі витрати енергетичних ресурсів за трьома технологічними схемами виробництва сиопору

Варіант виконання технології	Питомі витрати палива, кг.у.п./м3 при різній насипній густині отриманого сиопору, кг/ м3
	70	80	100	120	140
Без попередньої підсушки сиоліту	12,3	16,0	20,0	24,0	28,0
З підсушкою сиоліту топковими газами	8,8	12,6	15,7	18,8	22,0
З підсушкою сиоліту відхідними газами	6,8	8,8	11,0	13,2	15,4

Таблиця 3

Зведені дані порівняння виробництв теплоізоляційних матеріалів

Показники	Шлаковата	Перліт	Сиопор
Продуктивність установки по сировині, т/г по вихідному продукту, м3/г	2,5 20	0,7 6...7	1,5 12
Питомі витрати: газу (з використанням енергозберігаючих технологій), нм3/м3 електроенергії, кВтг/м3	40(30) 17	22(15) 20	15(8) 13
Вихід продукції з одиниці сировини, м3/т	8...9	9	8
Ціна продукції, грн./м3 *	98,0	105...110	120

* - за даними на 2004 р

На основі енерготехнологічних розрахунків визначено, що найбільш оптимальна схема виробництва сиопору - двохстадійна схема з попередньою підсушкою сиоліту відхідними газами сушарки-поризатора сиоліту.

Розроблено двохстадійну технологію виробництва сиопору. Процес термообробки відбувається в двохзонному апараті підсушки і спучування в дві стадії. Технічні пропозиції щодо реалізації двохстадійної схеми в промисловості передані ЗАТ “КСВ” для впровадження.

Напрацьовані в Інституті газу НАН України дослідні партії сиопору передані ЗАТ „КСВ” для відпрацьовування технологій його застосування.

Сиопор може використовуватись в якості тепло-, і звукоізоляційного матеріалу в будівельних конструкціях: в якості заповнювача при виготовленні спеціальних видів теплоізоляційних бетонних виробів, як основний сировинний компонент для виготовлення теплоізоляційних виробів тощо.

Висновки

1. На основі літературних даних визначений напрямок розробки енергозберігаючої технології виробництва пористого заповнювача, а саме: підбір сировинного матеріалу; метод виробництва; тип обладнання для виробництва. Сировинним матеріалом для виробництва штучного пористого заповнювача є сиоліт, який отримують на базі трепелу - породи, що широко розповсюджена на території України і натрієвого лугу. Методом виробництва штучного пористого заповнювача є процес спучування - збільшення в об'ємі частинок матеріалу при його нагріві. Типом обладнання для термообробки сиоліту є апарати з псевдозрідженим шаром, які мають низькі капіталовкладення при виготовленні та енергетичні витрати при використанні.

2. Розроблено технологічні основи отримання сиопору - штучного пористого заповнювача із сиоліту. Досліджені його фізико-механічні і теплофізичні властивості: : насипна густина - 70...250 кг/м³; міцність на стиск - 0,37...0,7 МПа; теплопровідність - 0,04...0,075 Вт/мК; водопоглинання не перевищує 5 %. За результатами досліджень визначено, що сиопор можливо використовувати в будівництві в якості легкого теплоізоляційного матеріалу.

3. З метою визначення режимів термообробки сиоліту розроблено математичні моделі процесів спучування і тепло-масообміну при спучуванні. На основі математичної моделі процесу спучування визначено вплив технологічних параметрів процесу термообробки на якість отриманого сиопору. На основі математичної моделі процесу тепло-масообміну при спучуванні визначено мінімальний необхідний час перебування частинок матеріалу в апараті псевдозрідженого шару для проведення повного процесу термообробки з формуванням якісного сиопору та мінімальним використанням енергетичних ресурсів.

4. Розроблено методики і проведені дослідження на експериментальному обладнанні з псевдозрідженим шаром з метою:

· перевірки адекватності розроблених математичних моделей процесів спучування та тепло-масообміну при спучуванні. Перевірка показує задовільну відповідність отриманих експериментально результатів до результатів математичних моделей.

· дослідження технологічних режимів термообробки сиоліту та класифікації сиопору. Визначені режими термообробки при виробництві сиопору:

- температура псевдозрідженого шару - 330С;

- температура під газорозподільною решіткою - до 600-700С;

- швидкість теплоносія на рівні газорозподільної решітки - 1,5 м/с;

- розмір частинок сиоліту - до 4 мм.

Класифікацією сиопору в дослідному двохзонному класифікаторі досягаємо розподіл сиопору на три фракції з середнім розміром по фракціях: дрібна фракція - 0,5 мм, середня фракція - 1,3 мм, крупна фракція - 2,5 мм.

5. Розраховано і розроблено конструкції сушарки-поризатора і холодильника-класифікатора для використання в енергозберігаючій технології виробництва сиопору.

6. Розроблено енергозберігаючу технологію з апаратами псевдозрідженого шару виробництва штучного пористого заповнювача для використання в будівництві - сиопору. Освоєний промисловий зразок розробленої технології виробництва сиопору. Питомі паливні витрати при його виробництві складають до 15 нм³/м³;

7. Проведено енерготехнологічний аналіз виробництва сиопору, на основі якого представлені шляхи подальшого зниження питомих енерговитрат: а) використання попередньої підсушки сиоліту в окремому апараті теплотою топкових газів з окремого теплогенератора, що дає зниження питомих паливних до 8,8 нм³/м³; б) а) використання попередньої підсушки сиоліту в окремому апараті теплотою відхідних газів сушарки-поризатора, що дає зниження питомих витрат палива до 6,8 нм³/м³.

8. Розроблена схема двохстадійної технології виробництва сиопору. Технічні пропозиції щодо реалізації розробленої схеми та конструкторська документація на апарати псевдозрідженого шару з метою впровадження в виробництво передані ЗАТ "КСВ".

9. Показано можливість практичного застосування сиопору в якості насипного теплоізолятотра, заповнювача при виробництві тепло і звукоізоляційних виробів.

Перелік умовних позначень

Т - робоча температура процесу термообробки (спучування), С;

- температура переходу матеріалу в піропластичний стан, С;

- початкова температура частинки, С;

- зміна об'єму частинки;

- зміна площі поверхні частинки;

- надлишковий тиск газів усередині частинки, Па;

- сила поверхневого натягу розплаву матеріалу, Н/м;

- радіус частинки матеріалу, м;

- поточний діаметр частинки, що спучується, м.

- діаметр частинки перед початком спучування, м;

D_вих - діаметр вихідних частинок, м;

- абсолютний тиск газів, Па;

- універсальна газова постійна, Дж/(мольК);

- сумарний об`єм пор у частинці перед початком спучування, м³;

- сумарний об`єм пор у частинці після спучування, м³;

- маса газів, що знаходяться в порах частинки до процесу спучування, кг

- густина газів при температурі , кг/м³;

- густина газів у порах частинки при температурі Т и атмосферному тиску, кг/м³;

- маса газів, що знаходяться в порах частинки після спучування, кг

Г - маса газів, що виділилися в ході нагрівання частинки від до , кг;

- питоме газовиділення в інтервалі температур від Т_кр до Т, кг/кг;

- початкова маса частинки, кг;

- густина твердої речовини після прожарювання, кг/м³;

- густина матеріалу перед початком спучування, кг/м³;

- насипна густина матеріалу, кг/м³;

- порозність полідисперсного шару частинок;

К - коефіцієнт спучування;

П - втрати маси матеріалу при прожарюванні, %;

Основні результати дисертації викладено в роботах

1. Хвастухин Ю.И., Эйне И.А., Когута Н.К., Роман С.Н., Собченко В.В. Получение в псевдоожиженном слое пористого материала - сиопора // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2002. №5. С. 19-24.

2. Хвастухин Ю.И., Собченко В.В. Энергосбережение в производстве теплоизоляционных материалов // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск. 2003, с. 96 - 99.

3. Хвастухин Ю.И., Собченко В.В., Костогрыз К.П. Опыт применения техники и технологии псевдоожиженного слоя в производстве пористих теплоизоляционных материалов // Строительные материалы и изделия. 2004, №6, с. 3 - 6.

4. Собченко В.В., Хвастухин Ю.И. Механизм поризации гидросиликатных материалов // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2005. №1. с. 72 - 75.

5. Хвастухин Ю.И., Собченко В.В., Когута Н.К., Роман С.Н. Тепло- и массобмен при термообработке и вспучивании в псевдоожиженном слое // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2005. № 4. с. 48 - 52.

6. Патент України № 62747 А, МПК C04B14/04, C04B20/04. Спосіб одержання легких наповнювачів для будівельних розчинів / Хвастухін Ю.І., Когута М.К., Роман С.М., Собченко В.В. Опубліковано 15.12.2003. Бюл. №12

7. Патент України № 66550 А, МПК В07B4/08, F26B17/10. Установка для розподілу дрібнодисперсних матеріалів / Хвастухін Ю.І., Когута М.К., Роман С.М., Собченко В.В. Опубліковано 17.05.2004. Бюл. №5.

8. Хвастухин Ю.И., Собченко В.В. Опыт применения псевдоожиженного слоя в производстве пористых теплоизоляционных материалов // Тези в збірнику міжнародної науково-практичної конференції “Теплоізоляційні матеріали в будівництві”, Київ, 2004 р.

Анотація

Собченко В.В. Розробка енергозберігаючої технології виробництва пористих заповнювачів із гідросилікатів в апаратах псевдозрідженого шару.

Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06. - Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. - Інститут газу НАН України, Київ, 2006 р.

Дисертація присвячена розробці енергозберігаючої технології виробництва пористого заповнювача з гідросилікатів - сиопору. Сиопор отримують спучуванням в апаратах з псевдозрідженим шаром сиоліту - гідросилікатного матеріалу із трепелу і натрієвого лугу.

Детальним дослідженням процесу спучування гідросилікатів визначений вплив технологічних параметрів процесу термообробки на якість отриманого пористого заповнювача, а також визначено мінімальний необхідний час перебування частинок сировинного матеріалу в апараті з псевдозрідженим шаром.

Проведено досліди на експериментальному устаткуванні з псевдозрідженим шаром. Визначено технологічні режими термообробки сиоліту і класифікації сиопору.

Розраховані і розроблені конструкції сушарки-поризатора і холодильника-класифікатора для використання у промисловій лінії виробництва сиопору.

Розроблено енергозберігаючу технологію виробництва сиопору. Освоєно промисловий зразок розробленої технології.

Представлені шляхи зниження питомих енерговитрат. Розроблено схему двохстадійної технології виробництва сиопору.

Показано можливість практичного застосування сиопору в якості насипного теплоізолятора і заповнювача при виробництві тепло і звукоізоляційних виробів.

Ключові слова: сиопор, сиоліт, пористі заповнювачі, псевдозріджений шар, енергозбереження; сушарка; класифікатор.

Аннотация

Собченко В.В. Разработка энергосберегающей технологии производства пористых заполнителей из гидросиликатов в аппаратах псевдоожиженного слоя. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06. - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - НАН Украины, Киев, 2006 г.

Диссертация посвящена разработке энергосберегающей технологии производства пористого заполнителя из гидросиликатов - сиопора. Сырьем для производства сиопора является гидросиликатный материал - сиолит, который получают из трепела и натриевой щелочи. Сиолит при низкотемпературной термообработке вспучивается с получением конечного продукта - сиопора. Типом оборудования для низкотемпературного вспучивания сиолита являются аппараты с псевдоожиженным слоем, которые, в свою очередь, являются аппаратами с низкими капиталовложениями и энергетическими затратами.

Физико-механические и теплофизические свойства сиопора позволяют его использовать в строительстве в качестве легкого теплоизоляционного материала.

Детальным исследованием процесса вспучивания гидросиликатов путем математического моделирования процессов вспучивания и тепло-масообмена при вспучивании определено влияние технологических параметров процесса термообработки на качество полученного пористого заполнителя, а также определено минимальное необходимое время пребывания частичек сырьевого материала в аппарате с псевдоожиженным слоем.

На экспериментальном оборудовании с псевдоожиженным слоем проведены исследования по проверке адекватности разработанных математических моделей. Проверка адекватности показывает удовлетворительное совпадение полученных экспериментальных результатов с результатами математических моделей и это позволяет их использовать для практических расчетов. Определены технологические режимы термообработки сиолита и классификации сиопора.

При использовании сиолита с содержанием 15 % NaOН полученный сиопор имеет насыпную плотность 140 кг/м³, а с содержанием 17% NaOН - до 100 кг/м³.

Классификацией сиопора в двухзонном классификаторе достигли распределения сиопора на три фракции.

Рассчитаны и разработаны конструкции сушилки-поризатора и холодильника-классификатора для их использования в промышленной линии производства сиопора.

Разработана энергосберегающая технология с аппаратами псевдоожиженного слоя производства сиопора. Освоен промышленный образец разработанной технологии.

На основе проведенного енерготехнологического анализа производства сиопора представлены пути дальнейшего снижения удельных энергозатрат. Разработана схема двухстадийной технологии производства сиопора. Технические предложения относительно реализации разработанной технологии и конструкторская документация на аппараты псевдоожиженного слоя переданы для внедрения в производство.

Показана возможность практического применения сиопора в качестве насыпного теплоизолятора и заполнителя при производстве тепло и звукоизоляционных изделий.

Ключевые слова: сиопор, сиолит, пористые заполнители, псевдоожиженный слой, энергосбережение; сушилка; классификатор.

Annotation

Sobchenko V.V. Development of energy-saving technology of porous aggregates production from hydrosilicates in fluidized bed. Manuscript.

Thesis for request of scientific degree of the Candidate of Engineering Sciences in frame of profession 05.14.06. -Engineering Thermal Physics and Industrial Heat Power Engineering.- Gas Institute National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.

Thesis presents results of development of energy-saving technology of porous aggregates production from hydrosilicate - siopor. Siopor is received by expanding of siolit - sodium hydrosilicate. The process is realized in fluidized bed.

The detailed study of expanding hydrosilicate process is determined by influence technological parameter process of heat treatment on quality received porous materials, as well as is determined of minimal necessary time stay of particles of raw material in fluidized bed. Experiments have been passed on the fluidized bed equipment. The technological modes heat treatment of siolit and classification of siopor are determined.

Construction of the dryer and refrigerator-classificator for use in industrial line production siopor are calculated and designed.

Energy-saving technologies of production siopor are designed and created.

On the base of energy analysis of siopor production the way of the reduction specific power inputs are presented. Scheme of technology production of siopor is designed.

Possibility of the practical application of siopor as thermal insulation bulk and filler at production heat insulation-sound proofing product are shown.

Keywords: siopor, siolit, porous material, fluidized bed, energy-saving; dryer, classification.

Размещено на Allbest.ru

...