Способ получения синтетического легкого керамического песка и его применение

Группа изобретений относится к способу получения легкого керамического песка и применению его в качестве строительного материала, а также в качестве легкого песка, используемого при гидроразрыве пласта для добычи сланцевого газа. Способ получения легкого керамического песка включает сухое распыление золы-уноса в количестве от 5 до 50 мас.% во влажный бокситовый остаток в количестве от 50 до 95 мас.% при одновременном вращении ротора и поддона, необязательное добавление бентонита в количестве от 0 до 5 мас.% или мелкодисперсного кремнезема от 0 до 10 мас.% к золе-уноса или к влажному бокситовому остатку, формирование гранул с использованием высокоинтенсивной мешалки, обеспечивающей высокие напряжения сдвига, сушку гранул при температуре от 150 до 300°С в псевдоожиженном слое с получением высушенных гранул, высокотемпературное спекание высушенных гранул при температуре от 1015 до 1275°С с получением легкого керамического песка. Легкий керамический песок, полученный указанным выше способом. Применение легкого керамического песка для производства легких строительных растворов и бетона. Группа изобретений развита в зависимых пунктах формулы. Технический результат – создание простого и экономичного способа получения легкого керамического песка, утилизация промышленных отходов. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Техническая область изобретения

Настоящее изобретение относится к способу изготовления легкого керамического песка. Настоящее изобретение, в частности, относится к новому способу производства спеченных синтетических легких частиц керамического песка напрямую из влажного бокситового остатка и золы-уноса в качестве вторичного сырья. Указанный синтетический легкий керамический песок может быть использован в качестве строительного материала. Указанный синтетический песок также может быть использован в качестве легкого песка при гидроразрыве пласта для добычи сланцевого газа. Особенностью изобретения является производство недорогого легкого песка с высокой производительностью, позволяющей конкурировать с быстро истощающимся природным песком и гранулированным песком.

Предшествующий уровень техники

Требования соблюдения законов об охране окружающей среды обходятся глиноземным заводам в 5-10% от стоимости производства глинозема для рационального удаления бокситовых остатков. Остатки бокситов получают в процессе Байера при переработке бокситовой руды в глинозем. В настоящее время во всем мире производится около 125 миллионов тонн бокситовых остатков. В среднем утилизируется менее 3% остатков бокситов, а большая часть оставшихся 97% сбрасывается в грязевые отстойники (лагуны), что увеличивает угрозу для местной окружающей среды. Остатки бокситов представляют собой огромную проблему, так как они занимают большие площади земли, которые нельзя ни застраивать, ни обрабатывать - даже в сухом виде. Адекватное решение для хранения и утилизации остатков бокситов очень дорогое. По мере развития дополнительного законодательства по охране окружающей среды и промышленных ограничений затраты на адекватные решения по хранению и утилизации продолжают расти.

Зола-унос представляет собой побочный продукт, получаемый при сжигании угля на угольных электростанциях. В настоящее время во всем мире производится около 1100 миллионов тонн золы-уноса. В среднем утилизируется около 55% образующейся золы-уноса, в то время как большая часть оставшихся 45% сбрасывается в золоотстойники (лагуны) и в сухие склады, что увеличивает угрозу для местной окружающей среды. Пытаясь свести к минимуму воздействие на окружающую среду за счет образования золы-уноса в виде отходов, рассматривались различные варианты использования золы-уноса как для помощи в удалении золы-уноса, так и для получения от нее некоторой полезности для жизни и экономической отдачи.

Мировой спрос на песок хорошего качества в строительстве и других отраслях оказывает все большее давление на истощающиеся источники природного песка. Годовое производство и потребление песка в два раза превышает способность природы производить песок. Твердые частицы, такие как песок, являются строительным материалом с большим расходом и важным компонентом строительной индустрии. В настоящее время во всем мире потребляется 40 миллиардов тонн песка, из которых 30 миллиардов тонн используются в производстве бетона и строительных растворов. Стремительная урбанизация создает растущее давление на поставки из природных песчаных месторождений в основном в экологически хрупких условиях. На формирование природного песка уходит миллионы лет, и он быстро истощается. Чрезвычайно высокое потребление песка поставило под угрозу прибрежные линии и исчезновение 30 островов в Юго-Восточной Азии.

Необходимо срочно решить проблему утилизации бокситовых остатков и золы-уноса. В то же время мы сталкиваемся с огромной нехваткой природного песка из-за большого спроса со стороны постоянно растущей строительной деятельности, что вынудило исследования и разработки найти подходящую замену.

Одним из аспектов является преобразование остатка боксита в керамический песок в качестве замены природного песка, технологического песка, мелких заполнителей и легких мелких заполнителей для производства бетона, строительных растворов, штукатурок, кирпича, блоков и плитки. Другим аспектом является применение остатка боксита для его превращения в легкий песок средней прочности в качестве замены гранулированного песка при гидроразрыве пласта для улучшения добычи газа. Гранулированный песок используется при гидроразрыве пласта для удержания трещин или расколов открытыми, чтобы нефть из сланцевой глины могла подниматься на поверхность.

Причины в пользу этого подхода: (1) остатки боксита составляют от 50 до 95 мас. %, а зола-уноса - от 50 до 5 мас. % от общего веса синтетических твердых частиц; (2) природные ресурсы (такие как песок и мелкие заполнители) быстро истощаются; (3) спрос на экологические и экологически чистые продукты продолжает расти и (4) удовлетворение потребности в устойчивом управлении природными ресурсами и безотходной экономике.

Основываясь на том факте, что основным компонентом в настоящем изобретении являются побочные продукты, то есть остатки бокситов и зольный унос, сырье является недорогим, что делает искусственный керамический песок конкурентоспособным и, таким образом, помогает облегчить проблему удаления отходов. Следовательно, успешное и экономичное производство твердых частиц из смеси остатка боксита и золы-уноса не только снизит воздействие отходов боксита и золы-уноса на окружающую среду, но также принесет большую пользу экономике.

Настоящее изобретение включает изготовление легкого керамического песка из смеси промышленных отходов. Указанный процесс изготовления представляет собой новый способ производства синтетического легкого керамического песка. Замена природного песка легким керамическим песком, полученным из двух различных промышленных отходов, то есть остатков боксита и золы-уноса, способствует защите тех мест, где добывается природный песок.

В CN 101575503 А описана еще одна попытка использовать красный шлам в качестве исходного материала для производства ракетного топлива. При этом красный шлам в количестве от 1 до 20 мас. % используется в сочетании с другими компонентами отходов, такими как отходы керамических валиков или зола-уноса.

X. Тиан и др. описывают в CN 101085914 А и в "The exploration of making acid proof fracturing propellants using red mud" (JOURNAL OF HAZARDOUS MATERIALS, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 160, no. 2-3, 30 December 2008 (2008-12-30), pages 589-593) создание ракетного топлива с использованием красного шлама. Помимо красного шлама, который присутствует в количестве от 20 до 60%, используются отходы огнеупорных материалов для увеличения содержания алюминия в конечном продукте. Кроме того, другие важные добавки, такие как каолин и карбонат бария или фторид кальция, используются для получения требуемых свойств получаемого ракетного топлива.

В CN 103396784 A была сделана попытка получить проппант с низкой плотностью и высокой прочностью, приготовленный из смеси красного шлама (40-70 мас. %), золы-уноса (0-30 мас. %), боксита (5-30 мас. %) и вспомогательных добавок (1-15 мас. %). Целью использования бокситов и вспомогательных добавок является достижение высокой прочности у проппанта с минимальным смыкающим давлением 7500 фунтов на квадратный дюйм (52 МПа). При этом для достижения гомогенного смешивания красный шлам сушат в печи перед смешиванием с другими ингредиентами, а конечную смесь измельчают до мелкого размера 325 меш перед гранулированием. Сушка красного шлама не только практически сложна, но и дороже, что делает ее коммерчески нежизнеспособной.

В CN 101575503 А была сделана попытка получить высокопрочный проппант для неочищенной нефти, приготовленный из смеси красного шлама (1-20 мас. %), золы-уноса (0-20 мас. %), отходов керамических валиков (60-85 мас. %), оксида марганца или карбоната бария (0-5 мас. %), доломита (5-10 мас. %) и керамической глины (5-10 мас. %). При этом для достижения гомогенного смешивания красный шлам сушат в печи перед смешиванием с другими ингредиентами, а конечную смесь измельчают до мелкодисперсного порошка перед гранулированием. Хотя автор заявляет, что метод получения прост и осуществим, тем не менее, практически сложно воспроизвести его в промышленном масштабе, особенно для поиска керамических роликов с постоянным химическим составом, что делает его непрактичным.

В CN 103304253 А была сделана попытка получить пористую керамику из красного шлама, золы-уноса и порообразующего агента. Пористая керамика содержит 40-70 мас. % красного шлама, 5-40 мас. % угольной золы, 10-30 мас. % порообразующего агента, 1-5 мас. % добавок и воду, которая составляет 10-20% от общего количества материалов. Опять же, для равномерного перемешивания процесс включает сушку красного шлама и повторное добавление воды. Затем смеси придавали форму, сушили и обжигали с получением пористого керамического материала. Полученный керамический материал имеет высокую пористость, высокое сопротивление изгибу и структуру с открытыми порами.

Одним из ближайших аналогов изобретений является CN 105294142 В. Здесь автор предпринял попытку получить легкие заполнители из смеси красного шлама, золы-уноса, пустой породы, микрокремнезема, щелочного агента, нитрующего агента, углеродсодержащего порообразователя и гранулирующего связующего. Опять же, для равномерного смешивания всех ингредиентов красный шлам должен быть высушен перед смешиванием, гомогенизированием и гранулированием. Кроме того, изобретение включает использование сложных рецептур, включающих дорогие ингредиенты. Это более дорогостоящий, сложный и непрактичный промышленный/коммерческий подход, делающий его коммерчески нежизнеспособным.

Ю. Хюйфен и др. в статье "Utilization of Red Mud for the Preparation of Lightweight Aggregates" описывают метод производства легких заполнителей с использованием красного шлама. Помимо красного шлама другим важным сырьем были отходы стекла и бентонит. При этом для достижения однородного смешивания красный шлам сушат перед смешиванием с другими ингредиентами, а конечную смесь тонко измельчают перед гранулированием.

Ни в одном из вышеупомянутых предшествующих уровней техники не упоминаются получаемые полулегкие частицы песка или легкие частицы песка, что является ключевой особенностью настоящего изобретения.

Настоящее изобретение преодолевает вышеуказанные проблемы за счет одностадийного производственного процесса, который включает сухое напыление влажного бокситового остатка, что исключает необходимость сушки бокситового остатка. Сушка влажных бокситовых остатков не только сложна, но и часто делает готовую продукцию нежизнеспособной. Неудивительно, что, несмотря на сотни публикаций и патентов, нет ни одной коммерческой технологии, которая практически предлагала бы решение по утилизации бокситовых остатков.

Легкий песок, полученный в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой лучшую альтернативу природному песку, техническому песку, легким мелким заполнителям и гранулированному песку.

Цель изобретения

Ключевой целью изобретения является создание нового, простого и экономичного способа получения точно определенного керамического легкого песка из комбинации различных промышленных отходов.

Другой целью изобретения является создание альтернативного способа замены природного песка, искусственного песка (также известного как щебень), легких мелких заполнителей для производства бетона, строительного гипса, строительных растворов, штукатурок и черепицы.

Еще одной целью изобретения является предложение альтернативного способа замены гранулированного песка для извлечения сланцевого газа.

Еще одной целью настоящего изобретения является производство указанного продукта с использованием смеси влажного бокситового остатка и золы-уноса, которые являются нежелательным побочным продуктом и/или отходами.

Другой целью настоящего изобретения является производство калиброванных тонкодисперсных частиц с высоким выходом и минимальными производственными затратами без необходимости сушить остатки боксита.

Другой целью настоящего изобретения является производство легкого керамического песка.

Краткое изложение сущности изобретения

В одном аспекте настоящее изобретение раскрывает новый, простой и экономичный способ получения легкого керамического песка.

В другом аспекте вышеупомянутый продукт получают из промышленных отходов, в которых основным сырьем является влажный бокситовый остаток и зола-унос.

В еще одном аспекте настоящее изобретение относится к производству мелких частиц с высоким выходом и очень низкими производственными затратами, позволяющему конкурировать с быстро истощающимися запасами природного песка, включая щебень и легкие мелкие заполнители, полученные из керамзита, пеностекла и вулканической активности.

В еще одном аспекте настоящее изобретение обеспечивает новый способ получения легких мелких частиц, включающий стадии:

1. сухое распыление золы-уноса во влажный бокситовый остаток при одновременном вращении ротора и поддона;

2. формирование гранул с помощью высокоинтенсивной мешалки, обеспечивающей высокие напряжения сдвига;

3. получение мелкодисперсных калиброванных частиц песка с субкруглой формой;

4. сушка частиц с использованием процесса сушки в псевдоожиженном слое;

5. спекание калиброванных частиц с желаемой формы и прочности при высокой температуре (1015-1275°С).

Краткое описание чертежей

Сопровождающие чертежи включены для обеспечения дальнейшего понимания изобретения и включены в настоящее изобретение, составляют его часть и вместе с описанием служат для объяснения принципа изобретения.

На чертежах, Фигура 1 представляет собой блок-схему технологического процесса изготовления спеченных мелких частиц из влажного бокситового остатка и золы-уноса в соответствие с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение можно легче понять, обратившись к нижеследующему подробному описанию изобретения, взятому вместе с прилагаемыми чертежами, которые составляют часть этого изобретения. Следует понимать, что это изобретение не ограничивается конкретными устройствами, способами, условиями или параметрами, описанными и/или показанными здесь, и что используемая здесь терминология предназначена только для примера и не предназначена для ограничения заявленного изобретения.

Кроме того, как используется в описании, включая прилагаемую формулу изобретения, формы единственного числа включают множественное число, а ссылки на конкретное числовое значение включают, по меньшей мере, это конкретное значение, если в содержании явно не указано иное. Диапазоны могут быть выражены здесь как от «примерно» или «приблизительно» другого конкретного значения, когда такой диапазон выражается в другом варианте. Кроме того, следует понимать, что, если не указано иное, размеры и характеристики материала, указанные в данном документе, являются скорее примером, чем ограничением, и предназначены для лучшего понимания примерного варианта осуществления подходящей полезности, а отклонения за пределами заявленных значений также могут быть в пределах объема изобретения в зависимости от конкретного применения.

Теперь варианты осуществления будут описаны подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи. Для того, чтобы избежать излишнего затруднения понимания настоящего изобретения, хорошо известные особенности могут не описываться или, например, по существу одни и те же элементы не могут быть избыточно описаны. Это сделано для простоты понимания.

Чертежи и нижеследующее описание предоставлены, чтобы дать возможность специалистам в данной области техники полностью понять настоящее изобретение, и никоим образом не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения, как изложено в прилагаемой формуле изобретения.

Для лучшего понимания сущности настоящего изобретения далее будет объяснен предпочтительный вариант способа получения легкого керамического песка.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение раскрывает новый способ настоящего изобретения, включающий сухое распыление золы-уноса на влажный бокситовый остаток. Указанный способ позволяет смешивать влажный бокситовый остаток в диапазоне 50-95 мас. % и золу-унос в диапазоне 50-5 мас. %. Гранулы формируют с использованием высокоинтенсивной мешалки, обеспечивающей высокие напряжения сдвига, и сушат при температуре 150-300°С. Высушенные гранулы спекают при высокой температуре в диапазоне примерно 1015-1275°С. Полученный продукт соответствует диапазону размеров в соответствие с согласованными DIN 13139 (песок для строительных растворов) и DIN 12620 (мелкие заполнители для бетона). Одновременно продукт также соответствует DIN 13055 (легкие заполнители для бетона и строительных растворов). Интересно, что продукт также соответствует минимальной устойчивости к дроблению (2000 фунтов на квадратный дюйм) согласно руководству ISO 13503-2 для проппантного песка.

В другом варианте осуществления вышеупомянутый способ производства легкого керамического песка включает следующие этапы:

(а) сухое распыление золы-уноса во влажный бокситовый остаток с образованием гранул;

(б) сушка указанных гранул с получением высушенных гранул;

(в) высокотемпературное спекание указанных высушенных гранул с получением указанного легкого керамического песка.

В другом варианте осуществления в вышеупомянутом способе используется влажный бокситовый остаток в количестве предпочтительно от 50 до 95 мас. % и зола-унос от 50 до 5 мас. %. Кроме того, бентонит может быть добавлен к золе-уноса или к влажному бокситовому остатку перед формированием гранул. Кроме того, влажный бокситовый остаток может составлять от 50 до 95 мас. %, зола-унос от 45 до 5 мас. % и бентонит от 5 до 0%.

В другом варианте осуществления вышеупомянутый способ может дополнительно включать добавление мелкодисперсного диоксида кремния к золе-уноса или к влажному бокситовому остатку перед формированием гранул. Вышеупомянутый влажный бокситовый остаток может составлять от 50 до 95 мас. %, зола-унос от 40 до 5 мас. % и мелкодисперсный диоксид кремния от 10 до 0 мас. %.

В другом варианте осуществления вышеупомянутый способ включает стадию сушки, на которой указанная сушка представляет собой сушку в псевдоожиженном слое при температуре 150-300°С.

В другом варианте осуществления вышеупомянутый способ может дополнительно включать этап высокотемпературного спекания, при котором температура может находиться в диапазоне от 1015 до 1275°С.

В другом варианте осуществления вышеупомянутый способ включает легкую керамику, в которой размер указанного легкого керамического песка может находиться в диапазоне от 0,075 мм до 3 мм, но не ограничиваться этим. Кроме того, размер указанного легкого керамического песка соответствует градации размера согласно DIN 13139 (песок для штукатурки). Кроме того, размер указанного легкого керамического песка соответствует градации размера согласно DIN 12620 (мелкодисперсные заполнители для бетона). Кроме того, размер указанного легкого керамического песка соответствует определению легких заполнителей согласно DIN 13055: 2016.

В другом варианте осуществления объемная плотность указанного легкого керамического песка составляет от 1010 кг/м³ до 1180 кг/м³, но не ограничивается этим. Кроме того, указанный легкий керамический песок имел устойчивость к дроблению в пределах 10-40 МПа для ячеек 20/40, но не ограничивался этим. Кроме того, легкий керамический песок имел устойчивость к дроблению предпочтительно между 25-35 МПа для ячеек 20/40.

Описание эксперимента

Приведенные ниже детали эксперимента представлены для иллюстрации работы изобретения, и их не следует истолковывать как ограничение объема изобретения каким-либо образом.

Образцы остатков бокситов были предоставлены компаниями Rio Tinto и Alteo. Образцы золы-уноса были предоставлены Vattenfall. Перед сухим распылением остаток боксита смешивают с водой в соотношении твердое/жидкое 30:70. Обезвоживание суспензии проводят с помощью фильтр-пресса, в результате чего получают влажный бокситовый остаток с содержанием воды от 25 до 35 мас %. Полученный остаток затем переносят в смесь с высокой интенсивностью сдвига. Сухая зола-унос распыляется на подвижный остаток при одновременном вращении ротора и поддона.

Доля в указанной комбинации влажного бокситового остатка составляет от 50 до 95 мас. %, золы-уноса от 50 до 5 мас. %, мелкодисперсного кремнезема от 10 до 0 мас. % и бентонита от 5 до 0 мас. %. Смесь повышает прочность полуфабриката. Составы готовят, как указано в таблице 1.

Остаток боксита помещают в высокоинтенсивную мешалку, обеспечивающую высокие напряжения сдвига. Золу-унос, бентонит и/или мелкодисперсный кремнезем, добавляют к остатку при вращении ротора и поддона. Гомогенизацию и перемешивание проводят до 60 секунд для обеспечения однородного перемешивания. Если смесь слишком сухая из-за высокого содержания золы-уноса, то в смесь добавляют воду до 20 мас. %. Добавление воды осуществляется при вращении ротора и поддона. Вращение осуществляется в течение 3-6 минут. Во время процедуры вращения образуется множество гранул/сфер. Полученные таким образом гранулы называются здесь прекурсорами песка.

Затем влажные прекурсоры песка сушат с использованием сушилки с псевдоожиженным слоем. Время пребывания мелких частиц в сушилке зависит от нескольких факторов, таких как длина сушилки, температура сушки, продолжительность сушки и воздушный поток. В эксперименте использовалась следующие условия: температура сушилки в диапазоне примерно от 150 до 300°С, подача воздуха в диапазоне от 750 до 1500 м³/ч и продолжительность сушки от 4 до 8 минут.

Высушенные прекурсоры песка с влажностью от 1 до 5 мас. % обжигают во вращающейся печи. Время пребывания прекурсоров песка в печи зависит от нескольких факторов, таких как длина печи, температура печи, которая находится в диапазоне примерно от 1015 до 1275°С, химический состав, размер частиц, производительность и температура прекурсоров песка. Размер получаемых легких частиц песка обычно составляет от 0,075 мм до 3 мм. Насыпная плотность этих легких частиц песка составляет от 1010 кг/м³ до 1180 кг/м³.

1. Способ получения легкого керамического песка, включающий:

(a) сухое распыление золы-уноса в количестве от 5 до 50 мас.% во влажный бокситовый остаток в количестве от 50 до 95 мас.% при одновременном вращении ротора и поддона;

(b) необязательное добавление бентонита в количестве от 0 до 5 мас.% или мелкодисперсного кремнезема от 0 до 10 мас.% к золе-уноса или к влажному бокситовому остатку;

(с) формирование гранул с использованием высокоинтенсивной мешалки, обеспечивающей высокие напряжения сдвига;

(d) сушку указанных гранул при температуре от 150 до 300°С с помощью процесса сушки в псевдоожиженном слое с получением высушенных гранул;

(е) высокотемпературное спекание указанных высушенных гранул при температуре от 1015 до 1275°С с получением указанного легкого керамического песка.

2. Способ по п. 1, в котором влажный бокситовый остаток составляет от 50 до 95 мас.%, зола-унос от 5 до 45 мас.% и бентонит от 0 до 5 мас.%.

3. Способ по п. 1, в котором влажный бокситовый остаток составляет от 50 до 95 мас.%, зола-унос составляет от 5 до 40 мас.%, а мелкодисперсный кремнезем составляет от 0 до 10 мас.%.

4. Способ по п. 1, в котором размер частиц указанного легкого керамического песка составляет до 3 мм.

5. Способ по п. 1, в котором насыпная плотность указанного легкого керамического песка составляет от 1020 до 1180 кг/м³.

6. Способ по п. 1, в котором указанный легкий керамический песок имеет устойчивость к дроблению 10-40 МПа для ячеек 20/40.

7. Легкий керамический песок, полученный способом по пп. 1-6.

8. Применение легкого керамического песка, полученного способом по пп. 1-6, для производства легких строительных растворов и бетона.