EE01620U1 - Meetod osakeste suuruse järgi fraktsiooni klassifitseeritud põlevkivituha saamiseks - Google Patents

Abstract

Käesolev leiutis käsitleb meetodit põlevkivituha klassifitseerimiseks osakeste suuruse järgi. Klassifitseeritud ja vajadusel jahvatatud põlevkivituha osakeste läbimõõt on määratud, soovitatavalt D(97) põlevkivituha osakeste läbimõõt on kuni 8 µm. Põlevkivituha klassifitseerimiseks suunatakse see klassifikaatorisse, kus eraldatakse määratud suurusega osakesed. Suuremad osakesed suunatakse jahvatamisele. Peale jahvatamist klassifitseeritakse põlevkivituhk uuesti. Klassifitseeritud põlevkivituhka kasutatakse polümeerkomposiitmaterjalides, milles komposiit sisaldab 10 kuni 99 massiprotsenti polümeeri ja 1 kuni 90 massiprotsenti klassifitseeritud põlevkivituhka.

Description

 TEHNIKAVALDKOND

Käesolev leiutis käsitleb põlevkivituha klassifitseerimist ja jahvatamist.

TEHNIKA TASE

Tehnika tasemest on teada, et aastal 1956 on põlevkivi lendtuhka jagatud tera suuruse järgi järgmiselt: jämefraktsioon tera suurusega kuni 150 μm; peenfraktsioon tera suurusega kuni 30 μm ning peenim fraktsioon tera suurusega alla 15 μm. Vaata artikkel „Portland-põlevkivitsemendi sünni- ja arengulugu", autorid TTÜ emeriitprofessor Verner Kikas ja TTÜ Ehitustöötluse Instituudi direktor Toomas Laul.

Varasemast tehnilisest lahendusest teada olev kõige peenema fraktsiooni tera suurus 15 pm on liiga suur selleks, et tagada polümeeride piisavad tugevusomadused.

Tehnika tasemest on tuntud patent EE5806, Mineralplast OÜ, 22.04.2016 ja kasulik mudel EE01371, Mineralplast OÜ, 22.04.2016, mis käsitlevad põlevkivituhka sisaldavat polümeerkomposiitmaterjali. Nimetatud leiutistes on pakutud komposiit, mis sisaldab 70 kuni 90 massiprotsenti põlevkivilendtuhka. Välja pakutud komposiit on ette nähtud lisamiseks polümeermaterjalile selle omaduste muutmiseks, armatuuri tekitamiseks tootes ja/või kasutamiseks täiteainena valmistoote hinna alandamiseks.

Tehnika tasemest kõige lähem lahendus on tuntud dokumendist Yang Dong, Jinfer Jow, Jianhui Su ja Shih-Yaw Lai, National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy „Fly Ash Separation Technology and its Potential Applications", kus eraldatakse kivisöe lendtuha osakesed läbimõõdu järgi, kasutades seadet, mis koosneb tsentrifugaalseparaatorist (klassifikaator), tsüklonseparaatorist ja kottfiltrist (vt nimetatud dokument joonis fig 2). Dokumendis on näidatud, et klassifitseerimise tulemusena saadakse algsetest kivisöe tuhaosadest, mis olid enne sorterimist mõõtudega vahemikus 0,5 μm kuni paarsada mikromeetrit, peale

klassifitseerimist osakesed, mille mõõdud jäävad alla 10 μm. Selle dokumendi puuduseks on, et selliselt klassifitseeritakse kivisöetuhka, mitte põlevkivituhka, mis on kivisöetuhast oma omadustelt erinev. Lisaks on puuduseks, et osi, mille läbimõõt on üle 15 μm, ei hakata jahvatama kuulveskiga väiksemaks, selleks et neid pärast uuesti klassifitseerida.

Põlevkivilendtuhana kasutatakse nendes leiutistes filtrituhka, selle fraktsioone, milles osakeste suurus on 1 kuni 130 μm.

LEIUTISE OLEMUS

Käesoleva leiutise eesmärk on muuta põlevkivituhk sobivamaks täitematerjaliks polümeerides, kõrvaldades eelloetletud puudused.

Käesoleva leiutise eesmärk on välja pakkuda meetod kasuliku mudeli taotluses nr U201900002 (taotleja on Kukermiit OÜ, esitatud 17.01.2019) kirjeldatud osakeste suuruse järgi klassifitseeritud põlevkivituha valmistamiseks.

Parimate tugevusomaduste saavutamiseks tuhk-polümeeri komposiidis peab klassifitseeritud ja jahvatatud põlevkivituha osakeste läbimõõt olema vähem kui 15 μm, soovitavalt oleks D(97) 0,1 μm kuni 8 μm, ja osakeste eripind üle 1000 m2/kg, täpsemalt vahemikus 2000 m2/kg kuni 6000 m2/kg, määratud Malvern Mastersizeri osakeste suuruse analüüsijaga.

Põlevkivituhka võib eri fraktsiooni jagada klassifitseerimise ja jahvatamise teel.

Klassifitseerimine ia jahvatamine

Kuna tuhka saab jahvatada mitmesse fraktsiooni, siis näitena klassifitseerime ja jahvatame tuhka D(97) 15 μm. Tuhk suunatakse klassifikaatorisse, kus eraldatakse tuhas naturaalsel kujul olevad alla 15 μm osakesed, mis moodustavad klassifitseeritud põlevkivituha. Klassifitseerimiseks kasutatakse õhkklassifikaatorit. Ülesuured osakesed, mis on suuremad kui 15 μm, suunatakse kuulveskisse jahvatamiseks. Peale kuulveski läbimist suunatakse jahvatatud tuhk klassifikaatorisse, kus toimub taas etteantud suurusega osakeste eraldamine suurematest osakestest. Lähtematerjali niiskus peab olema väiksem kui 3%.

Tsüklonsüsteemi abil eemaldatakse õhust klassifitseeritud tuha väiksemad kui 15 μm osakesed, mis säilitatakse saadusena.

Kui samaaegselt valmistatakse mitmes fraktsioonis toodet, võib korraga kasutada mitut klassifikaatorit ja tsüklonsüsteemi.

Protsessis kasutatava õhu puhastamiseks on vaja kasutada õhu filtreerimise süsteemi. Klassifitseeritud põlevkivituha, mille osakeste läbimõõt on alla 15 μm, valmistamisel on õhu puhastamiseks parim lahendus kottfilter. Tsüklonsüstemist väljuv õhk suunatakse kottfiltrisse, kus õhust eemaldatakse klassifitseeritud põlevkivituha väiksemad osakesed. Kõik tehnilised tugiseadmed (nt punkrid, rennid, tigukonveierid, kaalud, ventilaatorid jne) on valitud kogu tehase täisvõimsusele koostatud arvutuste järgi.

Jahvatatud ja klassifitseeritud põlevkivituhka kasutatakse polümeerkomposiitmaterjalides, milles komposiit sisaldab 10 kuni 99 massiprotsenti polümeeri ja 1 kuni 90 massiprotsenti põlevkivituhka.

ILLUSTRATSIOONIDE LOETELU

Leiutise ülalnimetatud ning muid omadusi ja eeliseid kirjeldatakse üksikasjalikumalt allpool koos viitega lisatud joonistele, mis illustreerivad eelistatavaid teostusviise, milles

joonisel fig 1 on näidatud tõmbetugevuse muutumise kohta erinevate osakeste suurusega põlevkivituhaga täidetud polüpropüleenis (PP);

joonisel fig 2 on näidatud kõige levinumad osakeste suuruse näitajad D(10), D(50) ja D(97);

joonisel fig 3 on näidatud jahvatamata põlevkivituha osakeste suuruse diagramm; joonisel fig 4 on näidatud klassifitseeritud ja jahvatatud põlevkivituha osakeste suuruse diagramm;

joonisel fig 5 on näidatud mineraalse täiteaine efekt sõltuvalt osakeste kujust, suurusest, eripinnast ja kleepuvusest;

joonisel fig 6 on näidatud osakeste kuju;

joonisel fig 7 on näidatud osakeste suurust, kuju ja eripinda; ning

joonisel fig 8 on näidatud klassifitseerimise ja jahvatamise skeem.

TEOSTUSNÄIDE

Osakeste suurus on tahkeid osakesi hõlmava protsessi olulisim füüsikaline omadus. Osakeste suuruse mõõtu vajatakse tavaliselt paljudes tööstusvaldkondades ja see on paljude toodete tootmisel kriitiline parameeter. Osakeste suurusel on vahetu mõju materjali mitmele omadusele.

Jahvatatud ja klassifitseeritud põlevkivi lendtuhk on:

- määratud suuruses fraktsiooniga

- vastavalt fraktsioonile erineva osakeste eripinnaga

Polümeerid:

- sünteetilised polümeerid (fossiilsetest ressurssidest - nt maagaas, toornafta) - biopolümeerid (taastuvatest ressurssidest - nt tselluloos, tärklis, mais)

Põlevkivituha kasutusvaldkonnad polümeerides on näiteks:

- plastid (termoplastid)

- vaigud (reaktoplastid)

- elastomeerid (kautšukid ja kummid)

- adhesiivid (liimid, silikoonid, lakid, värvid)

Need on ainult mõned näited. Klassifitseeritud põlevkivituhka saab kasutada palju rohkemates kohtades.

Diagrammil joonisel fig 1 on näidatud tõmbetugevuse muutumise kohta erinevate osakeste suurusega põlevkivituhaga täidetud polüpropüleenis (PP), määratud Krumme testiga. Diagrammilt on näha, et osakeste suurusest sõltub oluliselt tõmbetugevus. Kui 30% täiteaine maht polüpropüleenis osakestega 5 μm praktiliselt ei mõjuta tõmbetugevust, siis sama täiteaine mahuga osakeste suurus 130 μm mõjutab juba oluliselt tõmbetugevust. Mida väiksemad on täiteaine osakesed, seda väiksem on mõju tõmbetugevusele. Seega on osakeste suuruse mõju oluline polüpropüleeni tõmbetugevusele.

Kõige enam levinud osakeste suuruse näitajad D(10), D(50) ja D(97) on näidatud diagrammis joonisel fig 2, kus:

D tähistab osakese läbimõõtu;

sulgudes olev arv näitab osakaalu protsentides pulbrilises materjalis; sulgudele järgnev arv näitab osakeste suurust kuni märgitud mõõduni.

Näiteks D(97) 130 μm tähendab, et pulbrilises materjalis on 97% osakeste suurus 130 μm või väiksem.

Jahvatamata põlevkivi lendtuha osakeste D(97) on liiga suur andmaks polümeerides piisavaid tugevusomadusi. Loomulikul kujul põlevkivi lendtuha osakeste suuruste jagunemine on alljärgnev:

D(97) 130 μm;

D(50) 32 μm;

D(10) 8 μm.

Spetsiifiline eripind: 453 m2/kg

Jahvatamata põlevkivi lendtuha osakeste suuruse diagramm on näidatud joonisel fig 3.

Suuremad kui 20 μm osakesed toimivad suurema stressikontsentratsiooni punktidena segatuna polümeerides, milles pragunemine või purunemine toimub koormuste mõjul oluliselt kergemini.

Vastupidavus löögitugevusele muutub märgatavalt kõrgemaks alla D(97) 20 μm osakeste suurusega materjali kasutamisel polümeerides.

Näiteks vähendades fraktsiooni suurust D(97) 25 μm allapoole kuni D(97) 5μm suureneb Notched Impact löögitugevus 125% (20% põlevkivituha sisaldusega polüpropüleenis).

Paremate tugevusomaduste saavutamiseks polümeerides peab polümeerides kasutatav põlevkivituhk koosnema võimalikult väikestest ja ühtlase suurusega osakestest. See saavutatakse kui põlevkivituhk eelnevalt jahvatada ja klassifitseerida vajalikku fraktsiooni. Põlevkivituha osakeste suurusel üle D(97) 20 pm vähenevad eriti järsult põlevkivituhk-polümeerides toote mehhaanilised tugevusomadused. Soovitavalt on osakeste suurus D(97) 10 μm või väiksem.

Mida väiksemad on osakesed, seda suurem on osakeste eripind ja seda tugevam struktuur tekib põlevkivituha ja polümeeri vahel.

Soovitatav osakeste suuruste jagunemine materjalis on järgnev:

D(97) 7,41 μm;

D(50) 2,57 μm;

D(10) 0,737 μm.

Diagrammil joonisel fig 4 on kujutatud jahvatatud ja klassifitseeritud põlevkivi lendtuha osakeste suuruse diagramm.

Kui põlevkivituhk on liiga väikeste osakestena - nanoosakestena -, võib tekkida vastupidine efekt. Nanoosakesed võivad hakata segamisel üksteise külge „kleepuma", moodustades ise üle 20 μm suuruseid kobaraid, mis ei anna enam piisavaid tugevusomadusi. Kui tavaline põlevkivi lendtuha osakeste eripind on alla 500 m2/kg, siis peenendatud fraktsiooni osakeste eripind on üle 1000 m2/kg (üldiselt 2000 - 6000 m2/kg). Osakeste eripind on määratud Malvern Mastersizeri osakeste suuruse analüüsijaga.

Jahvatamata põlevkivituhk suunatakse esmalt klassifikaatorisse. Klassifikaatoris eraldatakse vajaliku suurusega osakesed suurematest osakestest ja neid ei jahvatata.

Suuremad ( oversized) osakesed liiguvad edasi kuulveskisse, kus need jahvatatakse. Kuulid kukuvad veskis põlevkivituha osakeste peale ja „murravad" osakeste küljest väiksemaid osakesi. Murtud osakesed ei ole enam sama kujuga võrreldes „murdmata" osakestega. Tänu osakeste erinevusele on erinevad ka materjali omadused. See on näidatud joonisel fig 5.

Omadused, mida lisaaine/täiteaine annab komposiidile, sõltuvad osakeste kujust, osakeste suurusest, osakeste eripinnast ja osakeste võimest polümeeriga kleepuda.

Joonisel fig 6 on näidatud osakeste kuju. Enamiku mineraalsete täiteainete osakeste kuju on ümar, kandiline, nõeljad, plaatjas või fiiberkiuline. Mõned täiteained sisaldavad ka nimetatud kujude segu. Erinevate osakeste kuju

iseloomustab ka nende kuvasuhe. Kuvasuhe on osakese laiuse suhe kõrgusesse (inglise keeles aspect ratio).

Joonisel fig 7 on näidatud osakeste suurus, kuju ja eripind.

Komposiidis kandub polümeermaatriksilt koormus mineraalini. Koormustaluvus on parem, kui osakesed on väiksemad, kuna väikeste osakeste kontsentratsioon on suurem, seeläbi on suurem ka kokkupuutepind polümeeriga. Samuti on oluline osakeste kuju - kiulised või plaatjad osakesed suudavad paremini kinni pidada koormuse edasikandumist komposiidis.

Joonisel fig 8 on näidatud klassifitseerimise ja jahvatamise skeem. Klassifitseerimiseks saab kasutada seadmeid, mis kasutavad vajaliku osakeste suuruse saamiseks gravitatsioonijõudu, tsentrifugaaljõudu või peent sõela.

Igas protsessi etapis kasutatavate seadmete suurus sõltub algses ülesandes seatud tootmisvõimsusest, lähtematerjalide omadustest ja lõppsaaduse nõuetest, mis on vastava ala asjatundja jaoks tavapärane teave.

Lähtematerjal viiakse klassifikaatorisse 1 ja sealt suunatakse ülesuured osakesed jahvatamiseks kuulveskisse 2. Sealt suunatakse jahvatatud materjal taas klassifikaatorisse 1 , milles kasutatakse väikeste ja suurte osakeste eraldamiseks taas õhkklassifikaatorit. Lähtematerjali niiskus peab olema väiksem kui 3%. Tsüklonsüsteemi 3 abil eemaldatakse õhust klassifitseeritud tuha keskmised ja suuremad osakesed, mis säilitatakse saadusena. Tsüklonsüsteemist 3 suunatakse õhk edasi kottfiltrisse 4. Osa klassifitseeritud tuha väiksematest osadest kandub tsüklonsüsteemist 3 õhuga kaasa kottfiltrisse 4. Kottfiltrisse 4 minevate klassifitseeritud tuha väiksemate osakeste suurus sõltub tsüklonsüsteemi 3 seadistusest ja tsüklonsüsteemi 3 läbiva õhu kiirusest. Kottfiltris 4 püütakse filtrite abil kinni ka klassifitseeritud tuha väiksemad osakesed ja need säilitatakse saadusena. Puhastatud õhk väljutatakse. Kui samaaegselt valmistatakse mitut toodet, võib korraga kasutada mitut tsüklonsüsteemi 3 ja klassifikaatorit 1. Võib panna mitu klassifikaatorit 1 ja tsüklonsüsteemi 3 üksteise järele, mis eraldavad järjest väiksemaid klassifitseeritud tuha osakesi. Protsessis kasutatava õhu puhastamiseks on vaja kasutada õhu filtreerimise süsteemi. Klassifitseeritud tuha

lendtuha valmistamisel on õhu puhastamiseks parim lahendus kottfilter 4. Kottfiltrisse 4 minevate klassifitseeritud tuha osakeste suurus sõltub tsüklonsüsteemist 3 või tsüklonsüsteemide 3 seadistusest.

Klassifitseerimise ja jahvatusprotsesside põhikomponendid on:

- sisselaskesüsteem;

- klassifitseerimine:

- jahvatamine:

- väikeste osakeste (tolmu) eemaldamine õhust;

- õhu puhastamine.

Etteandevoo kontrollimiseks kasutatakse materjali laadijal 5 sagedusmuundurit, et tagada klassifitseeritud põlevkivituha stabiilne kvaliteet.

Juhtudel, kui lähtematerjal on homogeenne või lõppsaadusele pole väga rangeid nõudeid, on võimalik kasutada vaba etteandevoogu, mida ei kontrolli sagedusmuundur.

Suletud süsteemis, kus pärast klassifitseerimist viiakse liiga suured osakesed tagasi lähtematerjali hulka, on sagedusmuunduriga etteandesüsteem vajalik, et kuulveskit 2 mitte üle täita.

Lähtematerjali punkrist viiakse lendtuhk klassifikaatorisse 1 ja sealt viiakse osakesed, mis on nõutust suuremad, jahvatamiseks kuulveskisse 2.

Kuulveski 2 on parim lahendus lendtuha jahvatamiseks osakeste suuruseni alla 15 μm. Kuulveski 2 kuulide välispinnal on lendtuha peenendamise protsessile suurim mõju ja see mõjutab vahetult tootmisvõimsust. Mida suurem on kuuli pindala, seda väiksemaks kuul osakesed peenendab. Kuulveski 2 kuulid võivad olla erinevate kujudega, näiteks koonilised, silindrilised või ümarad.

Parima tootmisvõimsuse ja tootekvaliteedi saamiseks on hea kasutada sagedusmuundurit, mis reguleerib kuulveski 2 pöörlemise kiirust.

Kuulveski 2 kuulid võivad olla terasest, kummist või keraamilised. Materjalil endal on tootmisele väike mõju, aga väga suur mõju kulumiskiirusele ja kuluvate osade

peale tehtud kulutustele. Kuulveskis 2 kasutatavaid materjale võib segada nii, et kuulid ja sisevooder on erinevast materjalist. Materjal valitakse sõltuvalt toodetava materjali kulutavast mõjust. Kuna lendtuhk ei ole suure abrasiivsusega, võib kuulveskis 2 eelistatavalt kasutada mangaanterasest kuule ja mangaanist sisevoodrit.

Jahvatamisest suunatakse lendtuhk taas klassifikaatorisse 1, et eraldada lendtuha osakesed, mis on vajalikus suuruses. Suuremad osakesed suunatakse taas kuulveskisse 2 jahvatamisele. Sama klassifikaatoriga 1 saab eraldada ka rohkem fraktsioone või võib tootmisliinile lisada rohkem klassifikaatoreid 1.

Klassifikaator 1 on aparaat mineraalosakeste jaotamiseks klassidesse nende suuruse, kuju ja tiheduse järgi (klassifitseerimiseks). Olenevalt jaotuskeskkonnast eristatakse hüdro- ja pneumoklassifikaatoreid. Olenevalt rakendatavatest jõududest gravitatsioon- ja tsentrifugaalklassifikaatoreid ning elektrilisi separaatoreid.

Väiksemad osakesed kantakse rootoriga õhuvoolu abil üles tsüklonsüsteemi 3. Suurimad osakesed kukuvad gravitatsiooni mõjul alla ja naasevad kuulveskisse 2 uuesti jahvatamisele.

Klassifitseerimine viiakse läbi klassifikaatoris 1 ja seda tänu tsentrifugaaljõule, õhu poolt avaldatavale jõule ja iga osakese massile. Klassifikaatoril 1 on sagedusmuundur, mis võimaldab muuta pöörlemiskiirust ja reguleerida väljalaske peenust.

Klassifikaatorist 1 kantakse saadus õhuvooluga tsüklonsüsteemi 3, milles õhust eraldatakse klassifitseeritud põlevkivituhk.

Tsüklonsüsteemis 3 kasutatakse saaduse õhust eraldamiseks tsentrifugaaljõudu. Tsüklonsüsteemi 3 liikuv õhuvool peab olema ventilaatori kiirusega hästi kontrollitud. Kasutatava õhuvoolu maht ja kiirus sõltuvad otse saaduse massist, tootmisvõimsusest, tsüklonsüsteemi 3 geomeetriast ja materjali puhtusest.

Tsüklonsüsteemi 3 sisenev õhuvool hakkab ventilaatori toimel pöörlema ja tahketele osakestele hakkab mõjuma tsentrifugaaljõud. Tsüklonsüsteemi 3

välisosasse jõudnud tahked osakesed kaotavad kiirust ja eemaldatakse õhuvoolust. Tsüklonsüsteem 3 on varustatud pöördklapiga, mis ei lase tsükloni all õhuvoolul koos saadusega väljuda.

Pärast enamuse klassifitseeritud põlevkivituha eemaldamist õhust on vaja õhk lendtuha väikestest osakestest puhastada. Klassifikaatoris 1 ja tsüklonsüsteemis 3 kasutatud õhk kantakse kottfiltrisse 4. Kottfiltris 4 eemaldatakse õhust klassifitseeritud tuha väikesed osakesed ja ladustatakse saadusena, mis on valmis toode 6.

Parim viis õhu puhastamiseks peenest lendtuhast on kasutada õhu filtreerimise süsteemi. Selline seade on varustatud kottfiltritega 4 ja kottide puhastamise süsteemiga. Kottfiltri 4 allosas on setterenn ja tigukonveier eraldunud väikeste osakeste kogumiseks.

Valmistoodang 6 nii klassifikaatorist 1 kui ka kottfiltrist 4 kogutakse kokku mahutisse ja pakendatakse.

Klassifitseeritud ja jahvatatud põlevkivituhka kasutatakse polümeerkomposiitmaterjalides, milles komposiit sisaldab 10 kuni 99 massiprotsenti polümeeri ja 1 kuni 90 massiprotsenti klassifitseeritud põlevkivituhka.

Claims (5)

1. 1. Meetod osakeste suuruse järgi fraktsiooni klassifitseeritud põlevkivituha saamiseks, kus nimetatud fraktsioon koosneb osakestest, mille läbimõõt on alla 15 μm, kus põlevkivituhk suunatakse klassifikaatorisse (1), klassifikaatoris (1) eraldatakse tuhas naturaalsel kujul olevad alla 15 μm osakesed, mis moodustavad ühte või mitmesse klassi klassifitseeritud põlevkivituha; osakesed, mis on suuremad kui 15 μm, suunatakse jahvatamisele; jahvatamise läbinud põlevkivituhk suunatakse klassifikaatorisse (1), kus eraldatakse alla 15 μm osakesed, mis moodustavad ühte või mitmesse klassi klassifitseeritud põlevkivituha; klassifitseeritud osakesed eemaldatakse õhust tsüklonsüsteemis (3).
2. 2. Meetod vastavalt nõudluspunktile 1, mis erineb selle poolest, et ühte või mitmesse klassi klassifitseeritud põlevkivituha klassifitseerimiseks kasutatakse korraga mitut klassifikaatorit (1) ja tsüklonsüsteemi (3).
3. 3. Meetod vastavalt nõudluspunktile 1, mis erineb selle poolest, et jahvatamiseks kasutatakse kuulveskit (2).
4. 4. Meetod vastavalt nõudluspunktile 1 ja 2, mis erineb selle poolest, et klassifitseerimiseks kasutatakse õhkklassifikaatorit.
5. 5. Meetod vastavalt nõudluspunktile 1, mis erineb selle poolest, et tsüklonsüsteemist (3) väljuv õhk suunatakse kottfiltrisse (4), kus õhust eemaldatakse klassifitseeritud põlevkivituha väiksemad osakesed.