Спечённые сферы, способ их получения и их использование
Изобретение относится к спеченным сферам, полученным из красного шлама, которые могут быть использованы в качестве расклинивающего наполнителя в процессах гидроразрывов или в качестве агрегатов или легких мелких агрегатов для строительных целей или для процессов геологических затвердеваний. Спеченные сферы включают красный шлам в количестве более 70% по весу и характеризуются химическим составом, содержащим, по меньшей мере, окись алюминия, окиси железа, окись кремния и окись титана. Округлость и сферичность спеченных сфер превышает 0,6. Способ получения спеченных сфер включает этапы: а) подача красного шлама, являющегося остатком от производства алюминия; b) необязательное регулирование величины рН красного шлама до значения ниже 9; с) гранулирование красного шлама после этапа b) при условии постоянного просушивания; d) спекание гранул после этапа с). В состав исходной смеси могут быть введены добавки минералов полевого шпата, глинозема, силикатов и их смеси. Промежуточный продукт в виде неспечённых сфер может использоваться для процессов геологического затвердевания или для материалов мусорной свалки. 6 н. и 5 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл., 7 пр.
Изобретение касается спеченных сфер, промежуточных продуктов для их получения, способа для их получения и их использования.
Соблюдение экологических требований стоит заводам по переработке алюминия 5-10% от стоимости производимого алюминия из-за постоянного удаления красного шлама. Красный шлам получается из процесса Байера при преобразовании бокситовой руды в алюминий. В 2010 году было произведено примерно 120 миллионов тон красного шлама в мире. В этом же году в Австралии произвели примерно 19 миллионов тонн красного шлама. В среднем утилизируется менее 5% полученного красного шлама, поскольку большая часть из остающихся 95% сбрасывается в отвалы в прудах (лагунах), нанося вред местной экологии. Красный шлам создает огромную проблему, поскольку он занимает огромные площади, и не может быть использован ни в строительстве, ни в сельском хозяйстве, даже в сухом виде. Адекватное складирование и размещение раствора красного шлама является очень дорогим. Дальнейшее развитие законодательства в области защиты экологии и промышленные ограничения способствуют увеличению затрат на адекватное складирование и размещение растворов.
Согласно информации министерства энергетики США Австралия имеет 396 триллионов кубических футов ресурсов технически извлекаемого сланцевого газа, который является эквивалентом 20% от всех ресурсов Канады, Мексики и США. Австралия может оказаться среди основных производителей сланцевого газа, которых в настоящее время возглавляет США, чтобы поставлять его двум вечно нуждающимся в энергоносителях азиатским странам, как Китай и Индия.
Кварцевый песок используется при гидроразрывах для сохранения трещин или микротрещин открытыми, так что нефть из сланцевых горизонтов может поступать на поверхность. Это играет важную роль при добыче сланцевого газа и для экономики.
Песок от гидроразрывов создается уже в течение 500 миллионов лет и сохраняется в форме очень зрелых месторождений песчаника, то есть как Камбриан-Ордовичиан месторождения, доступные в США и Канаде. Эти скальные блоки составлены из кварцевых зерен, которые образовались в результате многочисленных природных циклов и эрозии. Эти скальные блоки являются относительно мягкими и слабо сцементированы. Это позволяет копать кварцевые зерна и разрушать их с минимальными повреждениями.
Однако эти кварцевые зерна не имеют постоянную форму. Непостоянная форма зерен образует неуплотненную структуру и уменьшает поток газа на поверхность. В дополнение к этому следует отметить, что не все месторождения песчаника соответствуют спецификации гидроразрыва API RP 56. Молодые месторождения песчаника производят слабый гидроразрыв, который укорачивает жизнь скважин благодаря мелким трещинам, создаваемым внутренними усилиями.
Джон Кульман в своей работе «Сложный мир выбора расклинивающего накопителя», Южная Дакота, школа шахтных технологий, CARBO, 1 октября 2011 (2011-10-01), страницы 1-65, США (URL:httр://images.sdsmt.еdu/lеarn/sреаkеrpresеntаtiоns-/kullman.pdf) делает обзор использования расклинивающего накопителя с различными свойствами. Так же и Джон Р. Хельман и др. описывает в статье «Расклинивающий накопитель для добычи сланцевого газа» (AMERICAN CERAMIC SOCIETY BULLETIN, том 93, №1, 1 января 2013 (2013-01-01), страницы 28-35, США) использование расклинивающего наполнителя из различных источников и процессы с ним. Авторы описывают потребность в расклинивающем наполнителе и его необходимые свойства, чтобы заменить кварцевый песок естественного происхождения. Для того, чтобы удовлетворить высокую потребность в кварцевом песке было сделано много попыток, чтобы использовать клей или бокситовый клей в качестве исходного материала для производства расклинивающего наполнителя высокого качества. В патентах US 4,668,645 A, US 4,427,068 A, US 2013/0345100 A1, US 2012/0003136 А1 и ЕР 0168479 В1 описываются такие расклинивающие наполнители и способы их получения, примеры.
Много попыток было сделано для того, чтобы рециркулировать или использовать снова красный шлам, но эти попытки не привели к приемлемому решению проблемы ее размещения. Более того, много попыток было сделано для того, чтобы использовать снова красный шлам для получения агентов для поддержки гидроразрыва.
Тиан, X и др. описывает в патенте CN 101085914 А и в статье «Исследование получаемых кислостойких расклинивающих наполнителей, используя красный шлам» (JOURNAL OF HAZARDOUS MATERIALS, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, том 160, №2-3, 30 декабря 2008 (2008-12-30), страницы 589-593) получение расклинивающих наполнителей, используя красный шлам. Помимо красного шлама, который присутствует в количестве, в пределах 20-60%, используются огнеупорные отходы, чтобы увеличить содержание алюминия в конечном продукте. Более того, используются другие существенные добавки как каолин, карбонат бария или фторид кальция, чтобы получить необходимые свойства конечного расклинивающего наполнителя.
В патенте CN 101575503 А описывается другая попытка использования красного шлама в качестве исходного материала для получения расклинивающих наполнителей. При этом количество красного шлама в диапазоне 1-20% используется в комбинации с другими компонентами отходов как керамические роликовые отходы или летучая зола.
Задачей заявленного изобретения является - решение проблемы размещения отходов красного шлама. Другой целью заявленного изобретения является получение полезных материалов, как легкие мелкие агрегаты (LWFA), песок, расклинивающие наполнители и тому подобное, которые получаются непосредственно из красного шлама.
Эта проблема решается путем получения спеченных сфер, включающих материал, присутствующий в красном шламе. Эти материалы, присутствующие в красном шламе, включают, в частности, окись алюминия, окислы железа, окись кремния и окись титана.
Проблема далее решается с помощью способа получения спеченных сфер непосредственно из суспензии красного шлама.
Проблема далее решается с помощью промежуточного продукта, который выделяется из красного шлама, включающего в себя те же самые материалы, которые присутствуют в спеченных сферах в соответствии с заявленным изобретением.
Далее проблема решается благодаря использованию промежуточного продукта в соответствии с заявленным изобретением для получения спеченных сфер в соответствии с заявленным изобретением.
Наконец, проблема решается также благодаря использованию спеченных сфер в соответствии с заявленным изобретением в качестве расклинивающих наполнителей в процессах гидроразрыва или в качестве легкого мелкого агломерата для конструкторских целей или для геологических процессов затвердевания.
Целью заявленного изобретения являются спеченные сферы, получаемые из красного шлама, включающие, по крайней мере, окись алюминия, окислы железа, окись кремния и окись титана, отличающиеся тем, что округлость и сферичность спеченных сфер составляет более, чем 0,6 как для сферичности, так и для округлости. Особым предпочтением является то, что красный шлам, как исходный материал, содержит, по крайней мере, 70% по весу красного шлама, рассчитанный на сухую массу. Также особое предпочтение заключается в том, что используемый красный шлам в качестве исходного материала содержит, по крайней мере, 80% по весу, рассчитанного на сухую массу. Основным признаком заявленного изобретения является то, что спеченные сферы производятся непосредственно из красного шлама, преимущественно в форме суспензии. Красный шлам, из которого получаются спеченные сферы в соответствии с заявленным изобретением, включает в себя, по крайней мере, окись алюминия, окись железа, окись кремния и окись титана. Красный шлам, используемый в соответствии с заявленным изобретением, получается преимущественно из процесса Байера.
Изобретатель неожиданно обнаружил, что возможно конвертировать красный шлам непосредственно в спеченные сферы, которые имеют те свойства, которые требуются для использования их в качестве расклинивающих наполнителей и LWFA. Процесс конверсии оказывается очень простым и требует выполнения только нескольких этапов, которые могут быть легко выполнены путем использования обычного технического оборудования. Более того, никакого другого материала или добавок не надо использовать кроме красного шлама, чтобы осуществить конверсию красного шлама в расклинивающие наполнители или LWFA с заданными свойствами.
Предпочтительными являются спеченные сферы в соответствии с заявленным изобретением, в которых размер спеченных сфер оказывается в пределах от 0,2 до 1 мм. Предпочтительными являются также спеченные сферы в соответствии с заявленным изобретением, в которых абсорбция воды составляет значение до 10%. Предпочтительными являются также спеченные сферы в соответствии с заявленным изобретением, в которых плотность основной массы составляет пределы от 1100 до 1400 кг/м3. Спеченные сферы, показывающие при этом свои свойства как размеры сфер, их способность к абсорбции воды и их плотность основной массы, пригодны для многих случаев их использования. Эти случаи использования включают в себя, например, использование в качестве расклинивающего наполнителя или агрегаты.
Предпочтительными являются также спеченные сферы в соответствии с заявленным изобретением, которые включают в себя добавки и/или связующие средства. Особенно предпочтительными являются спеченные сферы в соответствии с заявленным изобретением, в которых добавки выбираются из групп, содержащих полевой шпат, минералы алюминия, кальцинированные минералы алюминия, глинистые минералы или силикатные минералы или их смеси. Названные добавки являются обычно используемыми добавками при производстве агрегатов и расклинивающих наполнителей. Добавки, используемые в соответствии с заявленным изобретением, включают в себя те минералы, которые способствуют достижению тех преимущественных свойств, как прочность и сопротивляемость конечных материалов. Добавки в соответствии с заявленным изобретением могут использоваться в количествах до 30% в зависимости от желаемых свойств.
Далее предпочтительными являются также спеченные сферы в соответствии с заявленным изобретением, в которые добавляются связующие вещества. В соответствии с заявленным изобретением связующие вещества выбираются из группы, состоящей из поливинилового спирта, поливинилового ацетата, метиловой целлюлозы, декстрина и мелассы. Связующие вещества в соответствии с заявленным изобретением используются для того, чтобы способствовать процессу грануляции, особенно когда используется непрерывно грануляционная аэрозоль.
Другой целью заявленного изобретения является способ получения спеченных сфер в соответствии с заявленным изобретением, включающий в себя следующие этапы, следующие друг за другом:
a), подача красного шлама, являющегося остатком от алюминиевого производства,
b). необязательное регулирования величины рН красного шлама до значения ниже 9,
c). гранулирование красного шлама после этапа в) в условиях просушивания,
d). спекание гранулята после этапа с).
Способ в соответствии с заявленным изобретением, описанный ниже, имеет преимущество в том, что красный шлам, выделенный непосредственно из процесса Байера при производстве алюминия, например, может использоваться как исходный материал для способа в соответствии с заявленным изобретением. Необязательно уменьшать при этом значение величины рН до значения ниже 9, чтобы способствовать выполнению следующих этапов способа.
Особенно предпочтительным является способ в соответствии с заявленным изобретением, когда этап b1) выполняется после этапа b), когда добавки и/или связующие вещества примешиваются к красному шламу и когда добавки выбираются из группы, состоящей из минералов полевого шпата, минералов алюминия, кальцинированных минералов алюминия или силикатных минералов или их смесей, и когда связующие вещества выбираются из группы, состоящей из поливинилового спирта, поливинилового ацетата, метиловой целлюлозы, декстрина и мелассы или их смесей. Особенно предпочтительным является также способ, когда красный шлам присутствует в количествах, по крайней мере, 70% по весу, остаток (до 30% по весу составляют добавки и/или связующие вещества. Преимущества добавок и связующих веществ уже пояснялись в настоящем описании. Те же преимущества достигаются также при выполнении способа в соответствии с заявленным изобретением.
Особенно предпочтительным является также способ в соответствии с заявленным изобретением, когда на этапе b) образуется суспензия из красного шлама при добавлении воды и когда соотношение красного шлама и воды составляет диапазон от 35/65 до 65/35 по весу. Использование красного шлама в виде суспензии оказывается особенно преимущественным, поскольку красный шлам уже имеет большое количество содержания воды. Высокая пластичность красного шлама выгодна для непрерывного процесса с использованием аэрозоли.
Предпочтительным является также способ в соответствии с заявленным изобретением, когда после этапа b) красный шлам просушивается. Этот необязательный признак позволяет легко регулировать содержание воды для получения суспензии.
Особенно предпочтительным является в соответствии с заявленным изобретением также способ, когда после этапа с) процесс прекращается и полученный продукт изолируется как промежуточный продукт. Преимущество этого предпочтительного варианта выполнения настоящего способа в соответствии с заявленным изобретением состоит в том, что можно изолировать промежуточный продукт. Удивительным образом было найдено, что промежуточный продукт уже обладает всеми положительными свойствами продукта, которые представлены в конечном продукте спеченных сфер в соответствии с заявленным изобретением.
Также другой целью заявленного изобретения являются спеченные сферы, получаемые благодаря:
a) подаче красного шлама, являющегося остатком от процесса алюминиевого производства:
b) необязательному регулированию значения рН красного шлама до значения ниже, чем 9:
c) гранулированию красного шлама после этапа b) при условии сушки.
Особенно предпочтительным является то, что гранулирование выполняется с использованием технологии жидкой постели и непрерывной грануляции с использованием аэрозоли.
Другая цель заявленного изобретения заключается в промежуточном продукте для приготовления спеченных сфер, включающего в себя не спеченные сферы и включающем в себя, по крайней мере, окиси алюминия, окиси железа, окиси кремния и окиси титана, когда округлость и сферичность не спеченных сфер оказывается выше, чем 0,6. Удивительным образом было найдено, что промежуточный продукт показывает те же самые физические свойства в отношении округлости и сферичности как и конечный продукт в виде спеченных сфер в соответствии с заявленным изобретением.
Особенно предпочтительным оказывается промежуточный продукт в соответствии с заявленным изобретением, когда плотность не спеченных сфер оказывается в пределах от 800 до 1000 кг/см3. Плотность основной массы не спеченных сфер оказывается ниже, чем плотность спеченных сфер в соответствии с заявленным изобретением. Причина этого состоит в том, что плотность становится выше во время процесса спекания, который не спеченные сферы еще пока не прошли. Промежуточный продукт в соответствии с заявленным изобретением может, вследствие этого, легко использоваться в конечном процессе спекания, чтобы получать спеченные сферы в соответствии с заявленным изобретением, которые затем обладают всеми свойствами спеченных сфер.
Следовательно, другой целью заявленного изобретения является использование промежуточного продукта в соответствии с заявленным изобретением для получения спеченных сфер в соответствии с заявленным изобретением.
Другая цель заявленного изобретения заключается, таким образом, в непосредственном использовании промежуточного продукта в соответствии с заявленным изобретением для процессов геологического затвердевания и как материал для мусорной свалки. Это делает возможным конвертировать красный шлам непосредственно после процесса производства и окончания процесса Байера, например, в промежуточный продукт в соответствии с заявленным изобретением и использовать промежуточный продукт как материал для мусорной свалки без осуществления конечного процесса спекания. Это решает проблему с лагунами красного шлама и трансформирует материал отходов (красный шлам) в промежуточный продукт, который уже не является более вредным для экологии. Поскольку плотность основной массы промежуточного продукта оказывается ниже, чем эта плотность красного шлама, особенно в форме суспензии, то затраты на транспортировку снижаются. Более того, промежуточный продукт может быть трансформирован в спеченные сферы в соответствии с заявленным изобретением в различных местах или позднее, использую конечный процесс спекания.
Наконец, другая цель заявленного изобретения состоит в том, чтобы использовать спеченные сферы в соответствии с заявленным изобретением в качестве расклинивающего наполнителя при процессах гидроразрывов или в качестве легкого мелкого агрегата для конструкторских целей или для процессов геологического затвердевания. Уже описанные в данном описании свойства спеченных сфер в соответствии с заявленным изобретением делают их пригодными для различного использования. Одним из таких использований в соответствии с заявленным изобретением является использование в качестве расклинивающего наполнителя в процессах гидроразрыва. Поскольку спеченные сферы в соответствии с заявленным изобретением показывают свойства, как описано в существующем уровне техники, то они могут использоваться в широком диапазоне при процессах гидроразрыва. Спеченные сферы для использования в качестве расклинивающих наполнителей включают связующие средства, поскольку было показано, что добавление связующих средств улучшает сферичность и округлость гранул. При использовании спеченных сфер в соответствии с заявленным изобретением в качестве агрегата, необходимо использовать большое количество добавок, чтобы обеспечить физические свойства, необходимые для использования их в качестве агрегата. При их использовании в качестве агрегата округлость и сферичность не являются критическими свойствами. Это показывает, что агрегаты могут получаться с широким спектром свойств, как плотность основной массы, твердость и тому подобное.
Заявленное изобретение поясняется более подробно на прилагаемых фигурах.
На Фиг. 1а и 1b показаны фотомикрографии первого промежуточного продукта в соответствии с заявленным изобретением в различных увеличенных видах;
На Фиг. 2а и 2b показаны фотомикрографии второго промежуточного продукта в соответствии с заявленным изобретением в различных увеличенных видах;
На Фиг. 3а и 3b показаны фотомикрографии третьего промежуточного продукта в соответствии с заявленным изобретением в различных увеличенных видах:
На фиг. 4а и 4b показаны для сравнения фотомикрографии промежуточного продукта не в соответствии с заявленным изобретением в различных увеличенных видах;
На фиг. 5а показана фотомикрография спеченных сфер в соответствии с заявленным изобретением, полученных как влажная смесь;
На Фиг. 5b показана фотомикрография спеченных сфер не в соответствии с заявленным изобретением, полученных как сухая смесь и известных из уровня техники.
Способ получения спеченных сфер в соответствии с заявленным изобретением выполняется в соответствии с тремя ключевыми этапами:
a) смешивание сырьевого материала;
b) грануляция;
c) спекание
Процесс грануляции выполняется как грануляция из влажной смеси. Перед грануляцией выполняют рассев, чтобы удалить наиболее крупные частицы, превышающие 100 μm, которые могли бы быть вредными для процесса грануляции.
Для спекания использовалось для испытания газовое пламя, направленное на печь. Максимальная температура печи могла достигать до 1400°С.
Способ в соответствии с заявленным изобретением, описанный ниже, обеспечивает получение огромного количества продуктов, которые могут быть получены. Способ в соответствии с заявленным изобретением способствует получению некоторых параметров, которые позволяют получить обогащенный продукт относительно требуемого качества.
Грануляция из суспензии может осуществляться со связующим веществом или без него. Без связующего вещества получаются гранулы размером менее (~<300 μm). Для того, чтобы увеличить гранулы и выполнить процесс с увеличенными гранулами используется связующее вещество. При величине 2% по весу связующего вещества гранулы растут и наблюдается новое непрерывное образование частиц гранул. Однако, в случае дальнейшего увеличения количества связующего вещества до 5% по весу получаются частицы гранул с шероховатой поверхностью (см. Фиг. 4).
Гранулы, полученные из влажной смеси имеют плотность основной массы 800-900 кг/cm3. Но окончательная плотность основной массы после процесса грануляции может быть отрегулирована параметрами, использованными в процессе грануляции, например, процесс интенсивной грануляции производит компактные гранулы с высокой плотностью основной массы.
Гранулы, полученные из суспензии, оказываются до 30% легче, чем обычный кварцевый песок и керамический расклинивающий наполнитель. Легкие гранулы (расклинивающие наполнители) помогают предотвратить преждевременное оседание вниз в расположенных отверстиях. Дополнительное преимущество от легких расклинивающих наполнителей заключается в следующем: уменьшение потребления дорогих гелей или полимеров; низкое потребление сильно вязких гелей позволяет использовать расклинивающий наполнитель низкой вязкости как жидкий кварцевый носитель; жидкий носитель низкой вязкости позволяет использовать низкоскоростной насос, который уменьшает трение в трубопроводе и возмущение низких слоев жидкости; уменьшает количество оборудования, времени и персонала, необходимого для выполнения химического смешивания, низкие затраты на транспортировку как по земле, так и по воде.
Гранулы, полученные из суспензии, имели первоначально размеры зерен в пределах 500-600 μm. Путем варьирования физических параметров процесса грануляции и при использовании связующих средств размеры зерен могли быть улучшены до желаемого нижнего предела (600-900 μm). Использованный процесс также позволял разделить этот процесс на два этапа: от мелких частиц до 300 μm и от 300 μm до 900 μm. Это доказывает, что может быть выполнен любой заказ для пользователя.
Удивительным образом было найдено, что гранулы, основанные на суспензии, оказывались очень круглыми и сферическими. Сферичность и округлость оказываются очень высокими (обе >0,9) по сравнению с коммерчески доступными на рынке керамическими расклинивающими наполнителями. Это является одним из критических факторов в экономике по добыче сланцевых газов. Это делает продукты в соответствии с заявленным изобретением очень полезными в качестве расклинивающих наполнителей.
Для того, чтобы продемонстрировать преимущества влажного смешивания для грануляции в соответствии с заявленным изобретением был выполнен сравнительный пример. Благодаря высокой пластичности красного шлама грануляция была возможной даже при 100% красного шлама, когда использовалась влажная смесь в соответствии с заявленным изобретением. Это показано на Фиг. 5а. В противоположность этому грануляция из сухой смеси, как известно из уровня техники, была относительно легкой. Однако, мелкие камни внутри смеси были разрушающими для гранул и в то же время генерирующими менее сферические гранулы. Полученные гранулы показаны на Фиг. 5b. Это сравнение показывает преимущества процесса грануляции влажной смеси в соответствии с заявленным изобретением. Этот процесс грануляции влажной смеси в соответствии с заявленным изобретением делает возможным использовать 100% красного шлама для процесса грануляции и конвертировать красный шлам в гранулы с высокой сферичностью и округлостью.
Другим параметром оказывается количество и тип добавок, используемых для смеси с красным шламом. В случае присутствия добавок (до 30% по весу) не наблюдалось заметного эффекта грануляции. По сравнению с 0% добавок наблюдались побочное уменьшение размера главных зерен и ровная поверхность. Это происходит благодаря тому факту, что добавки имеют низкую пластичность, что является результатом медленного роста гранул. Очень мелкая структура добавок создает более ровную поверхность. Добавки, которые используются в соответствии с заявленным изобретением, также известны из уровня техники. Эти добавки включают в себя различные типы материалов. Полезными для выполнения заявленного изобретения являются минералы, которые выбираются из группы, состоящей из минералов полевого шпата, минералов алюминия, кальцинированных минералов алюминия или силикатных минералов или их смесей. Известно, что использование минералов улучшает прочность полученных спеченных сфер. Добавление минералов может также оказывать влияние на процесс грануляции в соответствии с заявленным изобретением. Вследствие этого оказывается возможным, в пределах объема прав заявленного изобретения приводить полученные спеченные сферы в соответствие с потребностями потребителя с учетом использования их в различных целях.
Более того, количество и тип связующего вещества, которое должно быть использовано, также представляет собой существенный параметр. Связующие вещества используются в известном уровне техники для преобразования красного шлама в агенты, поддерживающие гидроразрыв. Связующие вещества оказывают эффект поддержки и усиления процесса грануляции. Полезные и известные в уровне техники связующие вещества являются, например, такие как поливиниловые спирты, поливиниловые ацетаты, метиловая целлюлоза, декстрин и меласса. Далее связующие вещества могут также использоваться и являются частью заявленного изобретения, поскольку они поддерживают и усиливают процесс грануляции.
Удивительным образом было найдено, что количество связующего вещества должно быть ниже 5% по весу. Преимущественно количество связующего вещества, которое должно быть использовано в процессе в соответствии с заявленным изобретением составляет до 2% по весу.
Необходимо указать на то, что выбранные параметры определяют тип продукта (легкий мелкий агрегат или расклинивающий наполнитель) и их свойства как продукта (плотность основной массы, сферичность, округлость).
Как уже было описано в данном случае: основной целью заявленного изобретения является получение промежуточного продукта, который может использоваться для производства конечного материала - спеченные сферы в соответствии с заявленным изобретением. Удивительным образом было найдено, что промежуточный продукт уже обладает всеми параметрами спеченных сфер. Этими параметрами, в частности, являются сферичность и округлость. В зависимости от параметров процесса, используемых во время процесса, промежуточные продукты могут получаться и тестироваться во время процесса их производства в отношении параметров, которые являются существенными для конечного продукта. Промежуточный продукт может быть накоплен и обработан после того, как он был произведен и, следовательно, служить в качестве промежуточного продукта. Используя промежуточный продукт, можно легко получить конечный продукт - спеченные сферы в процессе спекания. Это означает, что в случае, когда лагуны красного шлама должны быть восстановлены, то процесс смешивания и грануляции может быть выполнен рядом с лагунами, в то время как процесс спекания может быть выполнен в другом месте. Следовательно, соответствующие заводы, как печи, не должны располагаться рядом с лагунами, которые должны быть восстановлены. Следовательно, промежуточный продукт является ключевым признаком в соответствии с заявленным изобретением. Промежуточный продукт включает в себя те же самые соединения, что и спеченные сферы в соответствии с заявленным изобретением. Промежуточные продукты являются не спеченными сферами, которые отличаются от спеченных сфер тем, что они еще не спекались.
Описание заявленного изобретения иллюстрируется примерами, описанными ниже. В таблице 1 показан состав промежуточного продукта в соответствии с заявленным изобретением, который описан в соответствующих примерах.
Существенные физические параметры и свойства спеченных сфер в соответствии с заявленным изобретением в данном случае уже описаны. На основе типа смеси спеченные сферы в соответствии с заявленным изобретением могут получаться в широком диапазоне в отношении их плотности основной массы. Тип смеси воздействует также на округлость и сферичность спеченных сфер. Следовательно, представляется возможным получать спеченные сферы с различными физическими и/или химическими свойствами путем простой модификации существенных параметров процесса.
Для того, чтобы определить являются ли физические параметры спеченных сфер в соответствии с заявленным изобретением достаточными, чтобы выполнять требования относительно «кварцевого песка» и расклинивающего наполнителя, то же самое необходимо сравнить со спецификацией, описанной в известном уровне техники. API (Американский институт нефти) опубликовал спецификацию, которая должна быть удовлетворена. Некоторые из физических свойств определяются в нормах ISO 13503-2. В этих спецификациях могут быть также найдены определения относительно сферичности и округлости.
Информация, содержащаяся в заявленном изобретении, обеспечивает получение широкого диапазона преимуществ в отношении проблем окружающей среды. В соответствии с информацией, содержащейся в заявленном изобретении, оказывается возможным использовать красный шлам для производства материалов различного типа для их использования в технологии гидроразрыва, как агрегаты или песок для строительных целей и для использования в качестве мусорной свалки. Используя способ в соответствии с заявленным изобретением, можно производить широкий спектр продуктов, которые могут быть использованы по различным назначениям.
Последующие примеры поясняют заявленное изобретение более подробно. При этом приведенные примеры не ограничивают заявленный объем охраны изобретения.
Ясно, что приведенные примеры не ограничивают заявленный объем охраны изобретения этими представленными примерами. Примеры только упомянуты для того, чтобы продемонстрировать объем охраны заявленного изобретения. Не отклоняясь от принципиальной идеи заявленного изобретения для специалиста в этой области, представляется возможным осуществить заявленное изобретение, чтобы получить другие варианты выполнения изобретения, которые также окажутся в объеме заявленных прав на изобретение.
Общие процедуры.
Для анализа влажности использовался детектор влажности МА 100 (Sartorius AG) с галогеновыми лучами при 105°С в автоматическом режиме. Плотность основной массы в соответствии с нормами DIN ISO 697 и EN ISO 60, используя емкость 100 мл. Для визуального контроля гранул использовался легкий оптический микроскоп Technival 2 (Carl Zeiss Jena). Данные анализа рассева замерялись с использованием анализатора частиц Camsizer XT (Ratsch Technology GmbH, Germany).
Пример 1
Подготовка красного шлама как исходного материала
Был предоставлен образец красного шлама, влажность которого была менее 30%. Образец красного шлама был обработан раствором гидроксида натрия до значения величины рН=9 и затем просушивался в печи в течение ночи при температуре 120°С, чтобы удалить влагу. После просушивания образец аккуратно дробился и измельчался до размеров менее 1 мм. В последующем образец просеивали, используя сито с ячейками 1 мм. Этот продукт служил в качестве исходного сырьевого материала для грануляции на основе влажной смеси и для грануляции на основе сухой смеси для целей сравнения (пример 7). Плотность основной массы материала после дробления и просушивания (менее 1% по весу влажности) составляла 950±100 кг/м3.
Пример 2
Получение промежуточного продукта непосредственно из суспензии красного шлама.
Был использован подготовленный красный шлам из примера 1. Грануляция выполнялась с использованием технологии жидкой постели и непрерывной грануляции с помощью аэрозоли. Эта жидкость аэрозоли содержала, примерно, 50% твердого материала, остаток жидкости составляла вода.
Продукт на выходе в результате этого процесса представлял круглую форму с замеренной плотностью общей массы 1023 кг/м3 и остаточной влажностью, примерно, 2% по весу. Фотомикрография продукта показана на Фиг. 1а.
Пример 3
Получение промежуточного продукта из красного шлама при добавлении связующего средства.
Был использован подготовленный красный шлам из примера 1. Грануляция выполнялась также, как и примере 2. Добавляли поливиниловый спирт (PVA) в концентрации 2% по весу к используемой для аэрозоли жидкости. Использованная жидкость для аэрозолей содержала, примерно, 50% по весу твердого материала, а остаток составляла вода. Фотомикрография продукта показана на Фиг. 2а.
Пример 4
Опять использовали подготовленный из примера 1 красный шлам. Глинистый минерал смешивали в количестве 9,8% по весу с подготовленным красным шламом. Добавляли поливиниловый спирт в концентрации 2% по весу к используемой жидкости для аэрозоли. Используемая жидкость для аэрозоли содержала примерно 50% твердого материала, а остаток составляла вода.
Продукт на выходе из процесса был круглой формы с замеренной плотностью основной массы 813 кг/м3 и остаточная влага составляла 3,7% по весу. Фотомикрография продукта показана на Фиг. 3а.
Пример 5 (сравнительный пример)
Получение промежуточного продукта из красного шлама путем добавления связующего вещества в большой концентрации.
Настоящий пример выполняется таким же способом, как и пример 3, но поливиниловый спирт (PVA) используют в концентрации 4,8% по весу. В результате из процесса выходит продукт круглой формы с измеренной плотностью основной массы 650 кг/м3 и с остаточной влажностью 5,3% по весу.
Фотомикрография этого продукта показана на Фиг. 4а и 4b.
Из этой фотомикрографии очевидно, что сферичность и округлость продукта в соответствии с примером 5 не оказываются в тех же пределах, как и в примерах 2-4. Это доказывает, что количество связующего вещества, добавленного во время процесса грануляции, является критическим в отношении свойств округлости сферичности.
Пример 6
Получение спеченных сфер из промежуточных продуктов.
Процесс спекания промежуточных продуктов, как показан в примерах 2-4, был выполнен в печи, нагреваемой непосредственно газом, Температура печи составляла 1400°С.
Пример 7 (сравнительный продукт)
Получение спеченных сфер, используя сухую смесь.
Использовали подготовленный красный шлам по примеру 1 и необязательно смешивали с добавками. Могли легко получить грануляцию с помощью обычных средств. Однако, благодаря мелким камням внутри смеси они были разрушающими для гранул и в то же время генерирующими менее сферические гранулы. Благодаря высокой пластичности красного шлама грануляция была возможной даже при 100% красного шлама. Процесс спекания выполняли тем же самым образом, как показано в примере 6. На Фиг. 5а и 5b представлены гранулы из влажной смеси и сухой смеси как фотомикрографии. Очевидно, что округлость и сферичность зависят от типа смеси.
Изобретатель обращает внимание на тот факт, что свойства конечных продуктов могут регулироваться благодаря использованию добавок и/или связующих веществ в соответствии с заявленным изобретением.
Использование связующих веществ является существенным для того, чтобы получить надежно необходимые округлость и сферичность. Но количество связующих веществ, которое должно быть использовано, имеет свой максимум, который может быть легко определен с помощью некоторого количества экспериментов, поскольку оптимальное количество также зависит от оригинального исходного материала, а именно красного шлама.
С другой стороны, использование добавок является существенным для достижения физических свойств как твердость и плотность общей массы. Количество добавок, используемое для получения спеченных сфер в соответствии с заявленным изобретением, также может определяться экспериментально.
Это означает, что планируемые свойства спеченных сфер и промежуточный продукт в соответствии с заявленным изобретением могут легко достигаться путем выполнения небольшого количества экспериментов, чтобы определить оптимальный состав композиции красного шлама, добавок и связующих веществ, причем количество красного шлама составляет, по крайней мере, 70%, на основе сухой массы, а количество связующих веществ и добавок составляет остаток от 100% выхода.
Изобретатель предлагает простой и конкурентный способ конвертирования красного шлама, являющегося вредным отходным материалом для окружающей среды, в спеченные сферы с ценными полезными свойствами в качестве расклинивающих наполнителей, агрегата для целей мусорной свалки.
1. Спеченные сферы, получаемые из красного шлама в качестве исходного материала, включающие в себя, по крайней мере, окись алюминия, окиси железа, окись кремния и окись титана, отличающиеся тем, что исходный материал содержит более 70% по весу красного шлама, рассчитанного на сухую массу, и что округлость и сферичность спеченных сфер составляет выше, чем 0,6.
2. Спеченные сферы в соответствии с п. 1, отличающиеся тем, что размер спеченных сфер составляет диапазон от 0,2 до 1 мм, и/или что абсорбция воды составляет предел до 10% по весу, и/или что плотность общей массы находится в диапазоне от 1100 до 1400 кг/м3.
3. Спеченные сферы в соответствии с любым из предшествующих пунктов, отличающиеся тем, что сферы далее включают в себя добавки и/или связующие вещества, причем добавки выбираются из группы, включающей в себя минералы полевого шпата, минералы алюминия, кальцинированные минералы алюминия, глинистые минералы или силикатные минералы или их смеси, и при этом связующие вещества выбираются из группы, включающей в себя поливиниловый спирт, поливиниловый ацетат, метиловую целлюлозу, декстрин и мелассу.
4. Способ получения спеченных сфер в соответствии с пп. 1-3, включающий в себя следующие этапы:
a) подают красный шлам, являющийся остатком от алюминиевого производства,
b) необязательно регулируют величину рН красного шлама до значения ниже чем 9,
b1) смешивают добавки и/или связующие вещества с красным шламом, причем красный шлам присутствует в количестве более 70% по весу, остаток составляют добавки и/или связующие вещества,
c) гранулируют влажную смесь из этапа b1) при непрерывном просушивании,
d) спекают гранулы после этапа с).
5. Способ в соответствии с п. 4, отличающийся тем, что добавки выбирают из группы, включающей в себя минералы полевого шпата, минералы алюминия, кальцинированные минералы алюминия или силикатные минералы или их смеси, и при этом связующие вещества выбирают из группы, включающей в себя поливиниловый спирт, поливиниловый ацетат, метиловую целлюлозу, декстрин и мелассу или их смеси.
6. Способ в соответствии с любым из пп. 4, 5, отличающийся тем, что на этапе b) формируют суспензию из красного шлама путем добавления воды, и при этом соотношение красного шлама к воде составляет в диапазоне от 35/65 до 65/35 по весу.
7. Способ в соответствии с любым из предшествующих пп. 4-6, отличающийся тем, что после этапа b) красный шлам просушивают.
8. Способ производства промежуточного продукта, имеющего неспеченные сферы, включающий в себя этапы:
a) подают красный шлам, являющийся остатком от алюминиевого производства,
b) регулируют величину рН красного шлама до значения ниже чем 9,
b1) смешивают добавки и/или связующие вещества с красным шламом, причем красный шлам присутствует в количестве более 70% по весу, остаток составляют добавки и/или связующие вещества,
c) гранулируют влажную смесь после этапа b1) при непрерывном просушивании, и
при этом неспеченные сферы включают в себя, по крайней мере, окиси железа, окись титана, окись кремния и окись алюминия, отличающийся тем, что округлость и сферичность неспеченных сфер является выше чем 0,6 и плотность неспеченных сфер составляет диапазон от 800 до 1000 кг/м3.
9. Использование промежуточного продукта в соответствии с п. 8 для производства спеченных сфер в соответствии с пп. 1-3.
10. Использование промежуточного продукта в соответствии с п. 8 для процессов геологического затвердевания или для материалов мусорной свалки.
11. Использование спеченных сфер в соответствии с пп. 1-3 в качестве расклинивающего наполнителя для процессов гидроразрывов, или агрегатов, или легких мелких агрегатов для строительных целей, или для процессов геологического затвердевания.
