Способ переработки алюмокремниевого сырья

 

Изобретение предназначено для переработки алюмокремниевого сырья при производстве гранулированных материалов. Алюмокремниевое сырье загружают в смеситель-гранулятор, его увлажняют и перемешивают. Грануляцию ведут в смесителе-грануляторе с вращающейся с постоянной скоростью тарельчатой чашей и роторной мешалкой. При увлажнении алюмокремниевого сырья скорость вращения роторной мешалки увеличивают прямо пропорционально количеству введенного увлажнителя от 5 до 50 м/с, а после образования гранул в смеситель-гранулятор дополнительно вводят измельченное алюмокремниевое сырье в количестве 10-50 мас.% от массы шихты при скорости вращения роторной мешалки 5-25 м/с. Изобретение позволяет увеличить прочность гранул, увеличить выход заданной фракции гранул. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к переработке алюмокремниевого сырья при производстве гранулированных материалов, предназначенных для использования в различных отраслях промышленности, применяющих гранулы, например, в качестве расклинивающих агентов при добыче нефти методом гидравлического разрыва пласта.

Наиболее близким по совокупности признаков к данному изобретению (прототипом) является патент США N 4.668.645, в котором для производства гранул используется смесь молотого боксита и кукурузного крахмала. Обожженный молотый боксит (≈ 450 кг) и зерна крахмала (≈ 15 кг) перемешивают в смесителе-грануляторе при низкой скорости вращения мешалки около 15 секунд, во время которых добавляют ≈ 135 кг воды. После добавления воды мешалку переключают на высокие обороты для придания необходимой плотности смеси. Через 1-2 минуты при низких оборотах мешалки добавляют ≈ 180 кг молотого обожженного боксита. После того, как добавка завершена, перемешивание продолжают 10-15 секунд, затем сформованные сырые частицы выгружают из смесителя-гранулятора, сушат и обжигают при 1480-1500^oC в течение 45 минут во вращающейся печи.

Недостатком данного способа является перемешивание шихты и формирование гранул во время подачи воды при постоянной скорости мешалки. Такой режим грануляции не позволяет получить равномерное уплотнение увлажненной массы, и, соответственно, равномерной по плотности структуры обожженных гранул. Кроме того, невозможность плавного изменения скорости вращения роторной мешалки не позволяет получить максимальный выход заданной фракции гранул. К тому же, использование в качестве связующего компонента кукурузного крахмала требует раздельной подачи порошка и воды во время перемешивания, т.к. водный раствор крахмала не может быть предварительно приготовлен из-за быстрой его коагуляции. Это усложняет процесс грануляции в связи с тем, что сухой компонент труднее равномерно распределить в объеме шихты, чем жидкий.

Предлагаемый способ приготовления гранул из алюмокремниевого сырья в сравнении с прототипом позволяет устранить недостатки, присущие прототипу, и решить следующие задачи: увеличение прочности гранул и выхода заданной фракции гранул, упрощение процесса распределения органического связующего путем введения в жидком виде - водном растворе, вместо введения его в твердом виде. Указанный технический результат достигается тем, что алюмокремниевое сырье загружают в смеситель-гранулятор, его увлажняют, перемешивают и гранулируют в смесителе-грануляторе с вращающейся с постоянной скоростью тарельчатой чашей и роторной мешалкой. При увлажнении сырьевой смеси скорость вращения роторной мешалки увеличивают прямо пропорционально количеству введенного увлажнителя от 300 до 3000 оборотов в минуту (от 5 до 50 м/сек), а после образования гранул в смеситель-гранулятор дополнительно вводят измельченное алюмокремниевое сырье в количестве 10-50 мас.% от массы шихты при скорости вращения роторной мешалки 300-1500 оборотов в минуту (5-25 м/сек). В качестве увлажнителя используют водный раствор органического связующего из группы: карбоксиметилцеллюлоза, метилцеллюлоза, лигносульфонаты технические в количестве 10-30 мас.% от массы исходного алюмокремниевого сырья.

Формирование центров (зародышей) грануляции начинается при увеличении влажности исходной шихты. Наличие жидкого компонента в шихте позволяет увеличить подвижность частиц исходной шихты, что дает возможность получить высокую плотность гранулируемой массы. С увеличением диаметра формируемых гранул необходимо увеличение усилия для уплотнения их структуры. Искомые силы, уплотняющие гранулы, возникают при высоких линейных скоростях движения частиц по траектории завихрения гранулируемой массы. Кроме, того, необходимые структура и форма гранулы получаются за счет вращения ее вокруг собственной оси. Таким образом, составляющие вектора скорости, зависящие от скорости вращения роторной мешалки, определяют основные характеристики образующихся гранул и параметры процесса грануляции. Потому возможность изменения скорости вращения роторной мешалки пропорционально влажности шихты и в зависимости от стадии процесса грануляции является важным отличительным признаком предлагаемого способа получения гранул из алюмокремниевого сырья.

Для производства гранул предлагается использовать боксит, содержащий (мас. %): Al₂O₃ - 65,0-75,0: SiO₂ - 16,0-20,0; Fe₂O₃ - 1,5-3,0; TiO₂ - 2,5-5,0; Na₂O + К₂О - 0,5-3,0; CaO + MgO - 0,25-2,0, измельченный до среднего размера частиц 3 - 5 мкм, с водопоглощением 15-45%, обожженный при температуре не выше 1150^oC, т.е. до начала процесса кристаллизации структуры, затрудняющей помол боксита и делающей его менее пластичным. Грануляцией такого боксита в лабораторном грануляторе EIRICH R02 установлено, что именно таксой боксит способствует быстрому образованию зародышей гранул, в результате чего получаются хорошо скатанные гранулы заданного размера. Использование в качестве связующего компонента 1,0-5,0% водного раствора карбоксиметилцеллюлозы позволяет легко достичь равномерного распределения связующего компонента во время перемешивания в смесителе-грануляторе.

Для получения гранул с минимальной внутренней пористостью, во время грануляции варьируют скоростью вращения роторной мешалки. После загрузки измельченного обожженного боксита скорость вращения роторной мешалки составляет (предпочтительно) 700-800 об/мин (11,5-13,3 м/сек). Затем в гранулятор вводится связующее в количестве (предпочтительно) 12,0-15,0 мас.% от алюмокремниевого сырья. При подаче связующего скорость вращения роторной мешалки увеличивают (предпочтительно) до 1800-2000 об/мин (30-33 м/сек) по мере увеличения количества введенной связки. После 2-5 минут грануляции при высоких оборотах роторной мешалки, когда появляются мелкие гранулы с размерами 0,1-0,3 мм, скорость вращения роторной мешалки снижают (предпочтительно) до 700-800 об/мин (11,5-13,5 м/сек). В это время в смеситель-гранулятор добавляют измельченный боксит (опудривание) со скоростью 20-100 кг/мин в количестве (предпочтительно) 15-20 мас.% от массы шихты, необходимом для получения гранул заданного размера. Через 1-5 минут после опудривання сырые гранулы выгружают, сушат при температуре 110-320^oC в течение 20-60 минут до остаточной влажности менее 1,0% и обжигают при температуре 1350-1600^oC в течение 30-70 минут до водопоглощения менее 1,5%, плотности 2,5-3,2 г/см³ и насыпного веса 1,3-1,85 г/см³.

Пример 1. Для грануляции используют боксит, содержащий (мас.%): Al₂O₃ - 71,3; SiO₂ - 16,9; Fe₂O₃ - 1,7; TiO₂ - 4,2; Na₂O + K₂O - 1,1; CaO + MgO - 1,3 (во всех примерах использовался боксит одинакового химического состава). Боксит, предварительно дробленный на валковой дробилке до крупности кусков не более 60 мм, обжигают до водопоглощения 30% (1100^oC). Обожженный боксит измельчают в шаровой мельнице до крупности 2-3 мм. Тонкий помол боксита проводят в трубной мельнице до среднего размера зерен 3-5 мкм. В качестве связующего применяют 3% водный раствор карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), который приготавливают в реакторе с центральной вертикальной мешалкой при температуре 65-75^oC.

В смеситель-гранулятор, чаша которого вращается с постоянной скоростью 20 об/мин, загружают 300 кг молотого боксита и подают 50 кг 3% водного раствора КМЦ в течение 80 секунд при увеличении скорости вращения роторной мешалки от 300 об/мин (5 м/сек) до 3000 об/мин (50 м/сек), т.е. со скоростью изменения оборотов 33,75 об/мин в секунду. Затем в течение 1,5 минут проводят интенсивное перемешивание при скорости вращения роторной мешалки до 3000 об/мин (50 м/сек) до образования гранул с размерами 0,1-0,3 мм. Далее уменьшают скорость вращения роторной мешалки до 300 об/мин (5 м/сек) и в смеситель-гранулятор подают измельченный боксит в количестве 100 кг со скоростью 50 кг/мин. Вращение чаши смесителя-гранулятора и роторной мешалки в данных условиях продолжается 4 минуты до формирования хорошо окатанных гранул. Количество образовавшихся гранул с размерами 0,4-1,4 мм составляет 60-65 масс.% от общей массы гранул.

Полученные гранулы рассевают, выделяют фракцию 0,4-1,6 мм, сушат во вращающемся сушильном барабане при температуре 150-180^oC в течение 50 минут. Фракции гранул +1,6 и -0,4 мм возвращают на помол в шаровую мельницу. Высушенные гранулы с влажностью 0,6% обжигают во вращающейся печи до водопоглощения 0,6-0,8% при температуре 1550^oC в течение 45 минут. Полученные гранулы с плотностью 2,95 г/см³ и насыпным весом 1,65 г/см³ рассевают на товарные фракции. Характеристика гранул приведена в таблице.

Пример 2. Способ производства гранул как в примере 1, отличающийся тем, что скорость вращения роторной мешалки при подаче связующего компонента увеличивают от 800 об/мин (13,3 м/сек) до 1800 об/мин (30 м/сек) со скоростью изменения оборотов 12,5 об/мин в секунду.

Характеристика гранул приведена в таблице.

Пример 3. Способ производства гранул как в примере 1, отличающийся тем, что скорость вращения роторной мешалки при подаче связующего компонента увеличивают от 250 об/мин (4,2 м/сек) до 3050 об/мин (50,8 м/сек) со скоростью изменения оборотов 35,0 об/мин в секунду.

Характеристика гранул приведена в таблице.

Пример 4. Способ производства гранул как в примере 2, отличающийся тем, что скорость вращения роторной мешалки при дополнительной подаче измельченного боксита (опудривание) и до окончания грануляции составляет 1500 об/мин (15 м/сек).

Характеристика гранул приведена в таблице.

Пример 5. Способ производства гранул как в примере 2, отличающийся тем, что скорость вращения роторной мешалки при дополнительной подаче измельченного боксита (опудривание) и до окончания грануляции составляет 800 об/мин (13,3 м/сек).

Характеристика гранул приведена в таблице.

Пример 6. Способ производства гранул как в примере 2, отличающийся тем, что скорость вращения роторной мешалки при дополнительной подаче измельченного боксита (опудривание) и до окончания грануляции составляет 1550 об/мин (25,8 м/сек).

Характеристика гранул приведена в таблице.

Пример 7. Способ производства гранул как в примере 2, отличающийся тем, что скорость вращения роторной мешалки при дополнительной подаче измельченного боксита (опудривание) и до окончания грануляции составляет 250 об/мин (4,2 м/сек).

Характеристика гранул приведена в таблице.

Пример 8. Способ производства гранул как в примере 5, отличающийся тем, что количество подаваемого в гранулятор связующего составляет 30 кг (10 мас. % от веса шихты).

Характеристика гранул приведена в таблице.

Пример 9. Способ производства гранул как в примере 5, отличающийся тем, что количество подаваемого в гранулятор связующего составляет 90 кг (30 мас. % от веса шихты).

Характеристика гранул приведена в таблице.

Пример 10. Способ производства гранул как в примере 5, отличающийся тем, что количество подаваемого в гранулятор связующего составляет 25 кг (8,3 мас. % от веса шихты), скорость вращения роторной мешалки при дополнительной подаче измельченного боксита (опудривание) и до окончания грануляции составляет 1500 об/мин (15 м/сек).

Характеристика гранул приведена в таблице.

Пример 11. Способ производства гранул как в примере 5, отличающийся тем, что количество подаваемого в гранулятор связующего составляет 95 кг (31,7 мас. % от веса шихты), скорость вращения роторной мешалки при дополнительной подаче измельченного боксита (опудривание) и до окончания грануляции составляет 1500 об/мин (15 м/сек).

Характеристика гранул приведена в таблице.

Пример 12. Способ производства гранул как в примере 5, отличающийся тем, что количество подаваемого в гранулятор измельченного боксита (опудривание) составляет 30 кг (10 мас.% от веса шихты).

Характеристика гранул приведена в таблице.

Пример 13. Способ производства гранул как в примере 5, отличающийся тем, что количество подаваемого в гранулятор измельченного боксита (опудривание) составляет 150 кг (50 мас.% от веса шихты).

Характеристика гранул приведена в таблице.

Пример 14. Способ производства гранул как в примере 5, отличающийся тем, что количество подаваемого в гранулятор измельченного боксита (опудривание) составляет 25 кг (8,3 мас.% от веса шихты).

Характеристика гранул приведена в таблице.

Пример 15. Способ производства гранул как в примере 5, отличающийся тем, что количество подаваемого в гранулятор измельченного боксита (опудривание) составляет 155 кг (51,7 мас.% от веса шихты).

Характеристика гранул приведена в таблице.

Гранулы, полученные в условиях, описанных в примерах 1-15, исследованы на основные показатели качества. Прочность на сжатие исследовали при четырех давлениях. Реакционную способность определяли растворением в смеси 12% HCl и 3% HF. Для сравнения свойств гранул, полученных по предлагаемой технологии, и свойств гранул, полученных в условиях прототипа, приведены характеристики этих гранул.

Формула изобретения

1. Способ переработки алюмокремниевого сырья, включающий загрузку алюмокремниевого сырья в смеситель-гранулятор, его увлажнение, перемешивание и грануляцию в смесителе-грануляторе с вращающейся с постоянной скоростью тарельчатой чашей и роторной мешалкой, отличающийся тем, что при увлажнении алюмокремниевого сырья скорость вращения роторной мешалки увеличивают прямо пропорционально количеству введенного увлажнителя от 5 до 50 м/с, а после образования гранул в смеситель-гранулятор дополнительно вводят измельченное алюмокремниевое сырье в количестве 10 - 50 мас.% от массы шихты при скорости вращения роторной мешалки 5 - 25 м/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве увлажнителя используют водный раствор органического связующего из группы: карбоксиметилцеллюлоза, метилцеллюлоза, лигносульфонаты технические.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что водный раствор органического связующего вводят в количестве 10 - 30 мас.% от массы исходного алюмокремниевого сырья.

РИСУНКИ

Рисунок 1