Способ получения полых частиц низкой плотности

Способ получения полых частиц низкой плотности

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к способу получения полых частиц низкой плотности для эффективного массового производства полых частиц низкой плотности с дополнительными свойствами с использованием в качестве сырья угольной золы, образующейся при сгорании порошкового угля.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Угольная зола, образующаяся, когда мелкоизмельченный (порошковый) уголь сжигают на теплоэлектростанциях на угле или на подобных установках, является одним из промышленных отходов. В Японии обычно не менее чем 80% угольной золы собирали в виде летучей золы, и были предприняты попытки эффективно использовать собранную летучую золу.

Собранную летучую золу использовали главным образом как заменитель глины для производства цемента, и часть ее использовали в качестве примеси к цементу или подобного. В последние годы для того, чтобы изучить эффективное применение летучей золы в другой области, нежели цементное сырье, обратили внимание на полые частицы низкой плотности, содержащиеся в летучей золе. Такие полые частицы, названные ценосферами, являются сферическими полыми частицами, состоящими главным образом из кремнезема и глинозема, которые присутствуют в летучей золе в очень малых количествах. Они имеют высокую прочность, имеют низкую плотность (плотность 1,0 или менее) благодаря своим полым структурам и являются превосходной теплоизоляцией. Поэтому ожидается их использование в качестве теплоизолирующих керамических материалов в такой области, как строительные материалы.

Ценосферы, содержащиеся в летучей золе, плавают на воде, поскольку имеют низкую плотность. Поэтому обычно летучая зола может быть получена путем сбора частиц, которые поднимаются к поверхности воды золоспускного пруда, в котором оставлена летучая зола.

Однако в Австралии, США, Китае, России и других странах, несмотря на то, что ценосферы уже производят таким способом и поставляют на рынок, их производство является нестабильным. Далее, в Японии, где экологические нормы строги, трудно одобрить такой метод производства. Поэтому производство ценосфер в промышленном масштабе не было широко осуществлено в Японии.

Объемы получения угольной золы возрастают год от года. Ожидается, что объем производства угольной золы будет возрастать также и в будущем. При таких обстоятельствах разработка технологии ценосфер с высокой добавленной стоимостью в промышленном масштабе имеет первостепенную важность. Например, USP 5047145 описывает способ получения ценосфер из летучей золы методом мокрого разделения по плотности.

В частности, в USP 5047145 ценосферы получают следующим способом. Летучую золу в качестве сырья смешивают с жидкостью, такой как вода, чтобы образовать взвесь. Поскольку частицы, имеющие более низкую плотность, чем жидкость, поднимаются к поверхности взвеси, только частицы, которые поднялись к поверхности взвеси (ценосферы) собирают снятием с поверхности или подобным с последующими дегидратацией и сушкой, получая тем самым ценосферы.

В то же время неценосферные частицы, которые тонут в жидкости, могут быть использованы отдельно как летучая зола в цементной смеси или в подобном после дегидратации и сушки.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблемы, которые должны быть решены изобретением

Количество ценосфер, содержащихся в летучей золе, очень мало и составляет обычно около 1% (или меньше 1%). Поэтому согласно способу мокрого разделения по плотности, описанному в USP 5047145, для того, чтобы произвести 1000 т ценосфер, например 100000 т или более, что в 100 раз больше, чем 1000 т, летучая зола должна быть обработана мокрым методом. Поэтому было трудно производить большое количество ценосфер в промышленном масштабе, поскольку оборудование большого размера и огромное количество энергии требуется для дегидратации и сушки.

Если разделение по плотности может быть проведено также сухим способом, дегидратация и сушка станут ненужными. Однако такая технология еще не доведена до совершенства.

В свете вышеупомянутых обстоятельств авторы изобретения провели интенсивные исследования. В результате авторы изобретения нашли, что до проведения разделения по плотности большого количества летучей золы мокрым способом путем обогащения простым способом ценосфер, содержащихся в обрабатываемой летучей золе, чтобы уменьшить массу летучей золы, и мокрого разделения летучей золы по плотности, оборудование мокрого разделения по плотности для производства такого же количества ценосфер может быть меньшего размера и количество энергии, требуемой для дегидратации и сушки, может быть уменьшено.

Изобретение было основано на этом открытии, и изобретение предлагает способ эффективного массового производства частиц низкой плотности с дополнительными свойствами (ценосфер) с использованием угольной золы, которая образовалась при сжигании порошкового угля.

СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ

Способ получения полых частиц низкой плотности согласно изобретению включает:

использование в качестве сырья угольной золы, которую выгружают при сжигании угля;

распределение угольной золы просеиванием или распределение при заранее заданном размере частиц в сухом виде;

разделение по плотности классифицированного крупнодисперсного материала в сыром виде с получением компонентов низкой плотности; и

дегидратацию и сушку компонентов низкой плотности.

Согласно способу получения полых частиц низкой плотности по изобретению с помощью распределения угольной золы, используемой в качестве сырья, полые частицы низкой плотности, содержащиеся в угольной золе, могут быть обогащены, посредством чего масса летучей золы, подвергаемой разделению по плотности в сыром виде, может быть значительно уменьшена. В результате можно эффективно избежать увеличения размеров аппаратуры для разделения по плотности в сыром виде или увеличения количества энергии, требуемой для дегидратации и сушки, и полые частицы низкой плотности с дополнительными свойствами могут быть эффективно массово произведены при использовании угольной золы, которая образовалась при сгорании порошкового угля.

В способе получения полых частиц низкой плотности по изобретению угольной золой предпочтительно является летучая зола, которая была собрана из газа горения, выведенного из котла сжигания порошкового угля. В частности предпочтительно, чтобы угольная зола была летучей золой типа JIS Type-IV.

В способе получения полых частиц низкой плотности по изобретению при обогащении полых частиц низкой плотности с помощью распределения угольной золы можно установить условия оптимального размера частиц для эффективного сбора полых частиц низкой плотности с небольшой степенью потерь путем изучения распределения размеров частиц угольной золы как сырья, количественного отношения полых частиц низкой плотности или подобного. Вышеупомянутый крупнодисперсный материал, подвергаемый разделению по плотности в сыром виде, может представлять собой крупнодисперсный материал, который получен распределением упомянутой выше угольной золы путем просеивания или распределением в сухом виде при размере частиц 20 мкм или более.

В способе получения полых частиц низкой плотности по изобретению распределение угольной золы, используемой в качестве сырья, можно проводить много раз с разными размерами частиц. Конкретно, вышеупомянутый крупнодисперсный материал, подвергаемый разделению по плотности в сыром виде, может быть вторым крупнодисперсным материалом, полученным дополнительным распределением путем просеивания или распределением в сухом виде мелкодисперсного материала при размере частиц от 5 до 20 мкм, который получен распределением указанной угольной золы просеиванием или распределением в сухом виде при размере частиц 20 мкм или более.

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как упомянуто выше, согласно изобретению распределением угольной золы в качестве сырья можно обогатить полые частицы низкой плотности, содержащиеся в угольной золе, чтобы тем самым значительно уменьшить количество летучей золы, которое должно быть подвергнуто разделению по плотности в сыром виде, посредством которого могут быть эффективно массово получены полые частицы низкой плотности с дополнительными свойствами.

НАИЛУЧШИЙ СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предпочтительное осуществление изобретения будет пояснено здесь ниже.

В этом осуществлении полые частицы низкой плотности получают, используя в качестве сырья угольную золу, образовавшуюся, когда угольная пыль (порошковый уголь) сгорает в теплоэлектростанциях, работающих на угле или в подобных установках, предпочтительно летучую золу, которую собирают из газа горения от котла сжигания угольной пыли через пылеуловитель или подобное оборудование.

Летучая зола является веществом, которое получают сбором частиц золы, образованных сгоранием порошкового угля, свободно суспендированных в высокотемпературном газе горения в расплавленном состоянии, коагулированных на выходе из котла и собранных в пылеуловителе или подобном аппарате. Летучая зола содержит небольшое количество (около 1% или менее 1%) полых частиц низкой плотности (ценосфер), которые сформировались в полые частицы во время процесса коагуляции. В этом осуществлении ценосферы, которые являются полыми частицами низкой плотности, производят путем сбора их из летучей золы с высокой эффективностью.

Как упоминалось выше, если делается попытка собрать ценосферы из летучей золы мокрым разделением по плотности, то должно быть обработано очень большое количество летучей золы. В результате неизбежно потребуется увеличение габаритов аппаратов, и очень большое количество энергии потребуется при дегидратации и сушке. Поэтому в этом осуществлении ценосферы, содержащиеся в летучей золе, обогащали, чтобы уменьшить массу обрабатываемой летучей золы, и затем обрабатываемую летучую золу подвергают разделению по плотности в сыром виде.

Для того, чтобы обогатить ценосферы, содержащиеся в летучей золе, может быть использован способ, при котором разделение проводят, используя различие физических свойств между ценосферными частицами и неценосферными частицами. Однако до сих пор не было обнаружено никаких больших различий, кроме различия в плотности. Авторы изобретения провели подробные исследования характеристик ценосферных частиц. В результате авторы изобретения обнаружили, что большинство ценосферных частиц присутствует в относительно большом интервале размеров частиц. Авторы изобретения провели дополнительные исследования, основанные на этих полученных сведениях. В результате авторы изобретения обнаружили, что, когда летучую золу распределяют в сухом состоянии на дисперсные материалы, которые рассортированы на крупнодисперсный материал и мелкодисперсный материал, ценосферы присутствуют в обогащенном состоянии в крупнодисперсном материале, который представляет собой массу частиц с большим размером частиц.

Исходя из вышесказанного, в этом осуществлении летучую золу, используемую в качестве сырья, классифицируют в сухом состоянии, и крупнодисперсный материал, в котором ценосферы присутствуют в обогащенном состоянии, подвергают распределению по плотности в сыром виде. Для распределения летучей золы в сухом состоянии может быть использовано или распределение просеиванием с использованием сита, или распределение в сухом виде с использованием потока воздуха.

Что касается размера частиц во время распределения, то оптимальная величина для эффективного сбора ценосфер с малой степенью потерь может быть установлена должным образом путем отбора образца от летучей золы, которая должна быть использована в качестве сырья, и изучения распределения размеров ее частиц, количественной доли ценосфер или подобного для отобранного образца. Обычно предпочтительно, чтобы размер частиц составлял 20 мкм или более.

Далее, число распределения летучей золы, используемой в качестве сырья, не является ограниченным до одного, распределения могут проводиться много раз при различных размерах частиц.

Например, в то время как крупнодисперсный материал, который был отсортирован при заданном размере частиц (первый крупнодисперсный материал), подвергают распределению по плотности в сыром виде, отсортированный таким образом мелкодисперсный материал (первый мелкодисперсный материал) классифицируют с более мелким размером частиц. Полученные вторые крупные мелкие частицы могут быть подвергнуты разделению по плотности в сыром виде. Более конкретно, первый мелкодисперсный материал, который получают распределением летучей золы в качестве сырья предпочтительно с размером частиц 20 мкм или более, дополнительно классифицируют предпочтительно при размере частиц от 5 до 20 мкм. Полученный второй крупнодисперсный материал подвергают разделению по плотности в сыром виде, и ценосферы могут быть получены и из первого крупнодисперсного материала, и из второго крупнодисперсного материала.

В любом случае ценосферы присутствуют в классифицированном крупнодисперсном материале в обогащенном состоянии. Количество, подлежащее обработке разделением по плотности в сыром состоянии, значительно уменьшается относительно массы сырья. Поэтому можно эффективно производить ценосферы с дополнительными свойствами, с успехом избегая в то же время увеличения габаритов оборудования и увеличения энергии, требуемой для дегидратации и сушки.

В дополнение, летучую золу подразделяют на типы от JIS Type-I до JIS Type-IV в соответствии с размером частиц или количеством несгоревших веществ (JIS [Japanese Industrial Standards] A6201). Любой тип летучей золы может быть использован в качестве сырья. Летучая зола, которую собирают как промышленный отход с теплоэлектростанций, работающих на сжигании угля, или подобных установок, может быть использована в качестве сырья. В результате исследований, проведенных авторами изобретения, предпочтительно использовать летучую золу JIS Type-IV, которая имеет большой средний размер частиц и большую количественную долю полых частиц низкой плотности.

Когда в качестве сырья используют летучую золу JIS Type-IV, имеется возможность того, что мелкодисперсный материал, который был отсортирован, может быть использован, так как он представляет собой летучую золу типа JIS Type-I, которая весьма полезна как добавка к цементу и т.п.

При разделении по плотности крупнодисперсного материала в сыром виде, в котором ценосферы собраны распределением, крупнодисперсный материал (летучую золу) предпочтительно смешивают с водой, масса которой в 5-10 раз больше, чем масса крупнодисперсного материала, с последующим перемешиванием, посредством которого образуется взвесь. Возможно использовать жидкость с заданной плотностью, отличную от воды.

Кроме того, для того, чтобы позволить летучей золе удовлетворительно диспергироваться во взвеси, можно облачать взвесь ультразвуковыми волнами или должным образом подмешать диспергатор, который улучшает гидрофильность поверхности летучей золы.

Когда образовалась взвесь и летучая зола достаточно диспергировалась, взвеси позволяют отстояться в течение заданного периода времени. Затем собирают компоненты низкой плотности (ценосферические частицы), которые поднялись к поверхности воды. Затем проводят дегидратацию подходящими способами, такими как дегидратация фильтрацией, дегидратация центрифугированием или подобное. После этого проводят сушку тепловой обработкой, посредством чего получают ценосферы в качестве конечного продукта.

Тип аппарата, в котором проводят разделение по плотности в сыром виде, не является особо ограниченным. Однако можно использовать сгуститель со скребковыми функциями, жидкостные циклоны, мультигравитационные сепараторы и т.п.

ПРИМЕРЫ

Изобретение будет пояснено более подробно со ссылкой на конкретные примеры

Пример 1

100 г летучей золы А в качестве сырья распределяли просеиванием на первый крупнодисперсный материал (размер частиц 45 мкм или более) и первый мелкодисперсный материал с размером частиц до 45 мкм, используя ситовый классификатор типа вибросита (Sieve Shaker производства RESCH). Далее, первый мелкодисперсный материал подобным образом распределяли просеиванием на второй крупнодисперсный материал (размер частиц от 20 мкм до 45 мкм) и второй мелкодисперсный материал (размер частиц 20 мкм или менее). Эти дисперсные материалы взвешивали и получали количественную долю собранного дисперсного материала (в мас.%) относительно массы сырья. Полученные результаты показаны в таблице 1.

Таблица 1
	Размер частиц	Количественная доля собранных частиц(мас.%)	Выход ценосфер(мас.%)
Пример 1	45 мкм или более	11,1	0,38
от 20 до 45 мкм	29,3	0,20
20 мкм или менее	59,6	0,06
Сравнит. пример 1	-	-	0,64

Впоследствии каждый дисперсный материал смешивали с водой в массовом соотношении 1:9 с последующим перемешиванием для образования взвеси. Взвеси давали отстояться в течение 4 часов. Затем собирали компоненты низкой плотности (ценосферные частицы), которые поднялись к поверхности воды. После дегидратации фильтрацией компоненты сушили в течение 1 часа в электрической печи при 107°С (нормальное давление, воздушная среда). Высушенные ценосферные частицы взвешивали и получали выход ценосфер относительно массы сырья до просеивания. Результаты показаны в таблице 1.

Сравнительный пример 1

100 г летучей золы А без распределения смешивали с водой в массовом соотношении 1:9 с последующим перемешиванием для образования взвеси. После этого, как и в примере 1, взвесь подвергали разделению по плотности в сыром виде. Высушенные ценосферные частицы взвешивали и получали выход ценосфер относительно массы сырья до просеивания. Результаты показаны в таблице 1.

Как упомянуто выше, первый крупнодисперсный материал с размером частиц 45 мкм или более в примере 1 был уменьшен по массе до 11,1% масс. относительно 100 г летучей золы А в качестве сырья. Из этого первого крупнодисперсного материала были получены ценосферы в количестве 0,68% масс. относительно к массе сырья. Это является количеством, соответствующим примерно 60% от общего количества полученных в примере 1 ценосфер (0,54% масс. от массы сырья).

Второй крупнодисперсный материал с размером частиц от 20 до 45 мкм в примере 1 был уменьшен по массе до 29,3% масс. относительно к 100 г летучей золы А в качестве сырья. Из этого второго крупнодисперсного материала были получены ценосферы в количестве 0,20% масс. относительно к массе сырья. Суммарное количество ценосфер, полученных из первого крупнодисперсного материала, и ценосфер, полученных из второго крупнодисперсного материала, составляло 0,58% масс. от массы сырья. Это было количеством, соответствующим выходу, полученному в сравнительном примере 1, где все количество (100 г) летучей золы А подвергали разделению по плотности в сыром виде.

Таким образом, было обнаружено, что в примере 1 ценосферы могут быть получены с высокой эффективностью из первого крупнодисперсного материала и второго крупнодисперсного материала, которые были значительно уменьшены в массе, и что ценосферы могут быть массово произведены с высокой эффективностью с малой степенью потерь, даже если масштаб производства расширен.

Пример 2

15 кг летучей золы В в качестве сырья распределяли на первый крупнодисперсный материал (размер частиц 20 мкм или более) и первый мелкодисперсный материал (размером частиц 20 мкм или менее), используя сухой классификатор (Micron Separator MS-1H производства Hosokawa Micron Corporation) при размере частиц 20 мкм. Первый мелкодисперсный материал дополнительно классифицировали подобным образом при размере частиц 5 мкм: первые мелкие частицы классифицировали на вторые крупные частицы (размер частиц от 5 мкм до 20 мкм) и вторые мелкие частицы (размер частиц 5 мкм или менее). Эти дисперсные материалы взвешивали и получали количественную долю собранного дисперсного материала (в мас.%) относительно массы сырья. Полученные результаты показаны в таблице 2.

Таблица 2
	Размер частиц	Количественная доля собранных частиц (% масс.)	Выход ценосфер(% масс.)
Пример 2	20 мкм или более	12,2	0,21
от 5 до 20 мкм	45,4	0,06
5 мкм или менее	42,4	0,02
Сравнит. пример 2	-	-	0,28

Ценосферы собирали таким же образом, как в примере 1, с последующей дегидратацией и сушкой. Высушенные ценосферные частицы взвешивали и получали выход ценосфер относительно массы сырья до просеивания. Результаты показаны в таблице 2.

Сравнительный пример 2

100 г летучей золы В без классификации смешивали с водой в массовом соотношении 1:9 с последующим перемешиванием для образования взвеси. После этого, как и в примере 1, взвесь подвергали разделению по плотности в сыром виде. Высушенные ценосферные частицы взвешивали и получали выход ценосфер относительно массы сырья до просеивания. Результаты показаны в таблице 2.

Как упомянуто выше, первый крупнодисперсный материал с размером частиц 20 мкм или более в примере 2 был уменьшен по массе до 12,2% масс. относительно 100 г летучей золы В, используемой в качестве сырья. Из этого первого крупнодисперсного материала были получены ценосферы в количестве 0,21% масс. относительно к массе сырья. Это являлось количеством, соответствующим примерно 70% от общего количества полученных в примере 2 ценосфер (0,29% масс. от массы сырья).

Второй крупнодисперсный материал с размером частиц от 5 до 20 мкм в примере 2 был уменьшен по массе до 45,4% масс. относительно к 100 г летучей золы В, используемой в качестве сырья. Из этого второго крупнодисперсного материала были получены ценосферы в количестве 0,06% масс. относительно к массе сырья. Суммарное количество ценосфер, полученных из первого крупнодисперсного материала, и ценосфер, полученных из второго крупнодисперсного материала, составляло 0,27% масс. от массы сырья. Это было количеством, соответствующим выходу, полученному в сравнительном примере 2, где все количество (100 г) летучей золы В подвергали разделению по плотности в сыром виде.

Как упомянуто выше, также как и в примере 2, ценосферы могут быть получены с высокой эффективностью из первого крупнодисперсного материала и второго крупнодисперсного материала, которые были значительно уменьшены в массе, и что ценосферы могут быть массово произведены с высокой эффективностью с малой степенью потерь, даже если масштаб производства расширен.

Здесь летучая зола А, использованная в примере 1 и сравнительном примере 1, была летучей золой типа JIS Type-IV, выгруженной из промышленного энергетического котла на сжигании угольной пыли. Летучая зола В, использованная в примере 2 и сравнительном примере 2, была летучей золой, выгруженной из промышленного энергетического котла на сжигании угольной пыли.

Изобретение было пояснено здесь выше со ссылкой на предпочтительные осуществления. Однако нет нужды говорить, что изобретение не ограничено вышеупомянутыми осуществлениями и различные модификации возможны в рамках духа и объема изобретения.

ПРИМЕНИМОСТЬ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Изобретение может эффективно производить полые частицы низкой плотности с дополнительными свойствами, используя угольную золу, образованную при сгорании порошкового угля.

1. Способ получения полых частиц низкой плотности, включающий: использование в качестве сырья угольной золы, которую выгружают при сжигании угля;установление оптимального размера частиц путем отбора образца из угольной золы и изучение, по меньшей мере, распределения размеров ее частиц и количественного отношения указанных полых частиц низкой плотности;распределение угольной золы просеиванием или распределение при указанном заранее заданном размере частиц в сухом виде для обогащения указанных полых частиц низкой плотности в классифицированном крупнодисперсном материале;разделение по плотности классифицированного крупнодисперсного материала в сыром виде с получением компонентов низкой плотности идегидратацию и сушку указанных компонентов низкой плотности.

2. Способ получения полых частиц низкой плотности по п.1, в котором угольной золой является летучая зола, собранная из газа горения из котла сжигания порошкового угля.

3. Способ получения полых частиц низкой плотности по любому одному из пп.1 и 2, в котором крупнодисперсным материалом, подвергаемым разделению по плотности в сыром виде, является крупнодисперсный материал, полученный распределением угольной золы просеиванием или распределением в сухом виде при размере частиц 20 мкм или более.

4. Способ получения полых частиц низкой плотности по любому одному из пп.1 и 2, в котором указанным крупнодисперсным материалом является второй крупнодисперсный материал, полученный дополнительным распределением, путем просеивания или распределения в сухом виде при размере частиц от 5 до 20 мкм мелкодисперсного материала, который получен распределением указанной угольной золы просеиванием или распределением в сухом виде при размере частиц 20 мкм или более.