Лабораторная тепловая установка и экспериментальные данные по получению высокоглиноземистого шамота

Основные задачи и приоритеты продвижения экономики диктуются в первую очередь програм­мными целями долгосрочного развития страны, продолжения принятой стратегии, обеспечивающей стабильно высокие темпы роста экономики, мобилизации для этого имеющихся резервов и возможностей. Без всякого преувеличения можно сказать, что 2016 год стал годом ввода в строй важнейших высокотехнологичных и современных объектов и мощностей в промышленности, роста и совершенствования инвестиционного роста. Речь идёт в первую очередь о формировании в стране полноценной конкурентной среды, которая, как известно, является ключевым фактором технического и технологического обновления и модернизации производства, выхода на мировые рынки [1-3].

В Узбекистане до настоящего времени не налажено производство огнеупорных материалов широкого ассортимента на базе местных сырьевых и техногенных материалов в крупногосударственном масштабе. На сегодняшний день имеются ряд малых и частных предприятий, производственные циклы которых в основном базируются на привозном сырье из соседних стран. Это обстоятельство связано с тем, что к сырьевым материалам для производства огнеупорных изделий предъявляются очень высокие требования, в особенности по отношению содержания тугоплавких и легкоплавких оксидов._. Особую значимость при этом приобретают исследования, посвященные изысканию новых перспективных традиционных и нетрадиционных видов местного сырья и отходов производства, а также вопросам их обогащения для решения этих задач.

Важнейшей задачей огнеупорной промыш­ленности в настоящее время является интенсивное развитие экологически чистых, безотходных техно­логий, обеспечивающих экономию энергетических сырьевых и трудовых ресурсов. Решению этой задачи способствует организация производства многих видов огнеупорных материалов на базе традиционных сырьевых материалов и отходов производства. Однако, использование для производства огнеупорных материалов наряду с традиционным сырьем различных материалов и добавок, являющихся источником глинозема представляются целесообразным. В этом отношении научный и практический интерес представляют глиноземсодержащие отходы Шуртанского и Муборакского газохимических комплексов, в составе которых содержание оксида алюминия достигает до 95 %. Вместе с этим, вопросы подготовки глиноземсодержащего отхода в виде шамотной добавки к глинистой составляющей путем его термической обработки требуют проведения исследований по созданию тепловых установок для обжига глиноземсодержащего отхода.

На газохимических предприятиях алюминий­содержащий катализатор используется в процессе полимеризации полиэтилена для удаления железистых, титановых и ванадиевых солей, кроме того сорбирует летучие кислоты HCl, CH₂COOH и др. Он накапливается в количестве 800-900 тонны в год. Данный вид катализатора получают путём термообработки природных бокситов при температуре 250 - 300 °C в течении 7-8 часов. При этом оксид алюминия приобретает активную форму.

Химический состав катализатора в отношении основных компонентов приводится в таблице. В исходном катализаторе содержание Al₂O₃ составляет 79,43 % , в качестве примесьных компонентов присутствуют в незначительном количестве оксиды SiO_2, Fe₂O₃ и TiO₂. Потери при прокаливании достигают 20,192 % , они включают воду гигроскопическую (Н₂О), воду конституционную и воду кристаллизованную.

 Таблица 1.

Химический состав исходного катализатора

В связи с изложенным, изучение возможности разработки конструкции тепловой установки для подготовки высокоглиноземистого шамота из производственных отходов газохимических комплексов является актуальной научной и практи­ческой задачей народного хозяйства Республики.

Учитывая все данные глинозёмсодержащего отхода в лабораторных условиях нами была изучена возможность создания экспериментальной малога­баритной эффективной тепловой установки для термической обработки отработанного катализатора. Установлено, что для печи характерны такие умеренные скорости газообразных продуктов горения, при которых основная масса глиноземсо­держащего отхода не увлекается восходящим потоком газов и в отличие от печи кипящего слоя, сохраняет аэродина­мическую стабильность. Наличие противоточного движения материала и фильт­рующихся через материал газов, а также непосредственный контакт между материалом и горячими газами обусловливают хороший теплообмен и получение отходящих газов с низкой температурой. Благодаря этому установка характеризуется высоким тепловым к.п.д. и относительно большой производительностью. Печь предназначена для работы в непрерывном режиме.

Схематическое изображение экспериментальной установки приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схематическое изображение экспериментальной тепловой установки

1 – бункер; 2- дозатор-питатель; 3-дымоход;
4-водяная рубашка; 5-подача холодной воды;
6-горелка; 7-газовоздушная воронка; 8-загрузочная воронка; 9-ёмкость для сбора готовой продукции; 10-полки, 11-смотровое окошко; 12-термопара;
13-вентилятор; 14-кран для регулирования подачи газа.

Тепловая установка представляет собой печь с вытянутым вверх рабочим пространством круглого сечения диаметром 0,15 м и высотой 1,0 м. Тепло, необходимое для протекания процесса обжига, получают путём сжигания газообразного топлива непосредственно внутри печи.

Тепловая установка имеет бункер , через который загружается сырье и дымоход , для отвода газообразных продуктов горения и водяную рубашку для охлаждения. Готовый продукт собирается в специальной емкости , установленной в нижней части печи. Печь сооружена снаружи водяной рубашкой , по которой циркулирует вода для охлаждения. Печь работает на газообразном топливе , который сжигается с помощью горелок , установленных в нижней части рабочей камеры печи.

Простота конструкции и малые габариты экспериментальной тепловой установки дают возможность производить термическую обработку вторичного сырья в скоростном режиме и соорудить печь в лабораторных условиях.

На основе экспериментальных данных установлено, что обжиг отработанного катализатора при 1000⁰- 1100°C позволяет полностью избавиться от внесенных в его состав органических компонентов.

Обжиг отработанного катализатора сопровождается выделением специфического запаха. При этом, после обжига при 1000°C его цвет меняется из бледно и темно коричневого на белый. Потери массы достигают 18 %. Насыпная масса снижается от 1,09 до 0,88 г /см³, водопоглощение увеличивается от 38,48 до 40,30 %. Влажность обожженного отхода при хранении может достигать 2%. При обжиге отработанного катализатора протекают высокотемпературные превращения гидроксидов алюминия с разложением модификаций гидратов алюминия и появления новых кристаллических фаз как β-глинозем и α-глинозем.

Выполнен теплотехнический расчет лабора­торной тепловой установки с определением основных размеров печи, выполнением расчета горения газообразного топлива, составлением материального и теплового баланса установки. Полученные расчетные данные показывают высокую эффективность работы разработанной тепловой установки с коэффициентом полезного действия равным 80 %. Расход условного топлива составляет 13-14 %.

Таким образом, термическая обработка отрабо­танного катализатора в экспериментальной установке при температуре 1000⁰С позволяет получить высокоглиноземистый шамот с требуемыми показателями свойств.

Рисунок 2. Изменения содержания Al₂O₃ в % в составе глиноземосодержащего отхода