ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ТОПЛИВОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ НА КАЧЕСТВО ПОРОШКОВ И ПОРИСТЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ

УДК 691.42

Петров В.П.
Самарский государственный архитектурно-строительный университет

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ТОПЛИВОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ НА КАЧЕСТВО ПОРОШКОВ И ПОРИСТЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙВ качестве факторов были приняты:

Х1 – вид измельчаемого материала. Данный фактор варьировали на четырех уровнях: 1-й уровень — зола ТоТЭЦ; 2-й  — шлак ТоТЭЦ; 3-й – отход угледобычи шахты «Западная»; 4-й — отход обогащения угля на Интинской ОФ;

Х2 – время измельчения, в минутах;

Х3 – количество органики, содержащейся в исследуемом материале, в % от массы исследуемого материала;

Х4 – количество хлористого натрия;

Х5 – количество воды.

Органика, вода и раствор NaClявляются поверхностно-активными веществами.

Фиксировали следующие параметры процесса и качества заполнителя:

У1 – удельную поверхность порошка в см2/г;

У2 – насыпную плотность порошка в кг/м3;

У3 – энергию, затраченную на измельчение 1 г. материала при получении поверхности в 1см2, в Дж/см2.

У4 – плотность вспученных гранул, обожженных при оптимальном режиме нагрева, в г/см3;

У5 – угол естественного откоса порошка, град;

У6 – угол внутреннего трения порошка, град;

У7 – коэффициент внутреннего трения порошка;

Эксперименты проводили в следующей последовательности. Исходные материалы высушивали в сушильном шкафу при температуре 100оС до постоянной массы. Помол материалов производили в двухкамерной шаровой мельнице периодического действия с объемом одной камеры 10 л. Масса металлических шаров, загружаемых в одну камеру – 10 кг, диспергируемого материала (шлака, золы или углеотходов) — 5 кг. Исходный размер частиц шлаков и углеотходов — 2-3 мм. Золы загружали в мельницу с естественным зерновым составом, предварительно отсеяв частицы крупнее 2 мм. Воду, если предусматривалось условиями экспериментов, вводили в мельницу в последнюю очередь. После измельчения в течение заданного времени порошок выгружали и проводили его испытание. Определяли насыпную плотность; удельную поверхность (на приборе ПСХ-2); углы естественного откоса и внутреннего трения; формовочную влажность по методике Ничипоренко; влажность на пределе раскатывания, прочность цилиндриков 10х10 мм, изготовленных из порошка формовочной влажности; плотность зерен, полученных обжигом сырцовых гранул (цилиндриков) по оптимальному режиму.

Коэффициент и угол внутреннего трения, а также силу сцепления частиц порошка друг с другом определяли на приборе Гидропроекта. По результатам испытаний строили графики зависимости сопротивления порошка сдвигу от нормальной нагрузки, с помощью которых устанавливали  коэффициент и угол внутреннего трения, а также силу сцепления (слипания) порошков.

Ориентировочное представление об угле внутреннего трения дает величина угла естественного откоса, под которым принято понимать предельный угол наклона откоса, когда он все еще находится в устойчивом состоянии. Угол естественного откоса определяется достаточно просто, часто эта величина для ряда порошков фигурирует в справочных пособиях.

Общие затраты энергии на измельчение определяли умножением силы тока на напряжение и время, в течение которого происходило измельчение. Из полученного результата отнимали затраты энергии на вращение мельницы с шарами, но без материала в течение того же периода времени и получали, таким образом, «чистую» энергию, расходуемую на измельчение анализируемого материала.

Поиск оптимального режима обжига гранул – цилиндриков и их обжиг производили по методике, изложенной в ТУ 21-0284739-12-90 «Сырье глинистое для производства керамзитовых гравия, щебня и песка», Самара: 1991.

Результаты экспериментов сведены в табл. 1-4. В табл. 1 приведены данные о влиянии количества энергии на измельчение на  дисперсность порошков. Результаты исследования влияния ПАВ на диспергируемость шлаков приведены в табл. 2. Исследование по данному вопросу проводили на шлаках Тольяттинской ТЭЦ. Исследовали влияние следующих ПАВ: несгоревших угольных частиц (НУЧ), воды и раствора поваренной соли 5%-й концентрации.

В табл. 3 приведены величины углов естественного откоса и внутреннего трения, а также значения коэффициентов внутреннего трения и сил сцепления исследуемых порошков.

Наконец, в табл. 4. приведены результаты, демонстрирующие влияния дисперсности порошков на качество сформованных гранул: прочность и вспучиваемость.

Обсуждение результатов опытов

Наибольшее количество энергии для прироста единицы поверхности порошка расходуется при измельчении шлаков. Меньше тратится энергии на измельчение зол, еще меньше — на измельчение углеотходов. Количество затрачиваемой на измельчение материала энергии с удельной поверхностью получаемого порошка связано параболическим законом. На прирост новой поверхности порошка требуется тратить все большее количество энергии (табл. 1).

Меньшая энергоемкость измельчения зол по сравнению с энергоемкостью измельчения шлаков обусловлена рядом причин: присутствием в золах сравнительно большого количества слабых несгоревших угольных частиц и аморфизованных частиц глины. Кроме того, измельченные НУЧ, обладая гидрофобными свойствами, играют роль пептизаторов, препятствующих агрегированию размолотых частиц друг с другом.

Влияние вида материала на величину удельных затрат энергии при измельчении

С увеличением удельной поверхности порошков наблюдается снижение скорости диспергирования, которое можно объяснить начинающимся агрегированием частиц стекла, а также уменьшением удельной энергии помола.

Частицы графита, равномерно распределяясь по поверхности стекловидных частиц золы, по мере увеличения продолжительности помола препятствуют контакту частиц стекла между собой, повышая этим скорость диспергирования. Сами же углеродсодержащие вещества в силу своих гидрофобных свойств обладают слабой силой сцепления с частицами стекла, в результате чего образующиеся из мелких частиц стекла и графита агрегаты легко распадаются при помоле.

Влияние ПАВ на диспергируемость шлаков

Как видно из результатов, помещенных в табл. 2, все опробованные ПАВ оказывают положительное влияние на ускорение процесса диспергирования шлаков. Применение ПАВ снижает затраты энергии на измельчение шлаков, примерно на 15-35%. Наиболее эффективное влияние на снижение энергоемкости диспергирования оказывает органика НУЧ благодаря своей высокой удельной поверхности.

Углы естественного откоса и внутреннего трения, коэффициенты внутреннего трения, силы сцепления порошков

Специальные опыты показали, что при совместном измельчении шлаков и зол частицы НУЧ, содержащиеся в золах, измельчаются быстрее, чем частицы шлака, примерно в 3-6 раз. При измельчении шлаков в течение 60 минут их дисперсность (по удельной поверхности) достигает величины 2500-4000 см2/г, дисперсность НУЧ (при совместном помоле со шлаком) достигает 8000-20000 см2/г. Оптимальным, с точки зрения повышения диспергируемости шлаков, можно признать количество НУЧ, равное 1,0-1,3%.

Известно, что пептизация повышает заряд частиц стекла и графита и поэтому ускоряет их диспергирование за счет силэлектростатического отталкивания. Но при этом повышается сыпучесть и пыление смеси, что крайне нежелательно, поскольку обе составляющие смеси являются вредными для здоровья человека, особенно в дисперсном состоянии. Для уменьшения пыления смеси в процессе диспергирования и при ее транспортировке в ряде работ измельчение предлагается производить в присутствии небольшого количества воды (0,3-0,6%).

Влияние дисперсности исходных материалов на показатели качества сырцовых гранул и гранул пористых заполнителей

Результаты наших исследований влияния воды на измельчение шлаков приведены в табл. 2. Они подтверждают исследования Ходакова и Демидовича о положительном влиянии небольших количеств воды на уменьшение затрат энергии при диспергировании кварца и силикатного стекла. Количество воды, вводимой в шихту, не должно превышать 0,6%. Дальнейшее увеличение содержания воды ведет за собой агрегацию частиц, прилипание их к стенкам мельницы.

Приведенные в табл. 4 результаты опытов свидетельствуют о том, что измельчение материалов при последующем обжиге гранул способствует более интенсивному удалению органики, включая углерод.

Важнейшей характеристикой порошкообразных материалов является дисперсность, которая, как видно из представленных результатов, оказывает значительное влияние на насыпную плотность порошков, их динамические характеристики, прочность сформованных из порошков сырцовых гранул, плотность пористого заполнителя, которая уменьшается с увеличением дисперсности.