ПРОЦЕССЫ ГРАНУЛИРОВАНИЯ в РОМЫШЛЕННОСТИ

ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ. ПРОЦЕССОВ ОКАТЫВАНИЯ

Производство окатышей в железорудной промышленнос­ти. Простота аппаратурного оформления процесса, возмож­ность управления (до определенных пределов) изменением числа оборотов аппарата, возможность получения грану­лята высокой прочности — все это обусловило широкое распространение гранулирования окатыванием во многих отраслях промышленности. К преимуществам этого про­цесса относятся также малые потери продукта (иногда они вообще отсутствуют).

Многообразные процессы гранулирования все шире при­меняются в традиционной технологии производства. В большинстве случаев на практике начинают с окатывания, потому что оно надежнее и проще других способов, а потом уже переходят к более сложным процессам. Показательна в этом отношении железорудная промышленность, где дол­гое время доминирующим процессом подготовки шихты для доменных печей была агломерация. Но с конца 40-х годов начинается бурное развитие производства окатышей из тонких концентратов обогащения железных руд. В США за 10 лет (1955—1964) производство окатышей возросло с 1,5 до 26,5 млн. т [11]. Быстро растет производство ока­тышей и в нашей стране, что связано с необходимостью гра­нулирования (или, как принято говорить в железоруд­ной промышленности, окускования) все возрастающих количеств тонких концентратов магнитной сепарации и флотации. При этом в соответствии с установленными нами закономерностями то, что было недостатком концен­тратов при агломерации — их малые размеры, приводив­шие к увеличению сопротивления проходу газов, ухудше­нию качества агломерата и снижению производительности установки, при гранулировании становится их преимущест­вом, поскольку позволяет получать гранулы высокой проч­ности, что требуется для успешного осуществления домен­ного процесса.

Окатыванию подвергаются концентраты, 76—100% ко­торых состоит из фракции менее 50 мкм. В качестве связу­ющего вещества применяется вода, суспензии бентонита, известковое молоко, растворы соды, жидкое стекло и т. д. [11].

Широкое применение в железорудной промышленности находят гранулирующие барабаны. Длина барабана 9— 10 м, диаметр 3 м. Отношение длины барабана к диаметру принимается равным 2,5—3. Угол наклона барабана 2—4 , что обеспечивает медленное перемещение материала от мес­та загрузки к разгрузочному грохоту, конструктивно со­единенному с барабаном для предотвращения разрушения окатышей при их падении на грохот. Число оборотов бара­бана в каждом случае (для каждой смеси) подбирают опыт­ным путем, оно составляет 6—15 об/мин., при этом окруж­ная скорость барабана 30—80 м/мин. При меньшей скорос­ти концентрат сползает по стенке без скатывания, при боль­шей — гранулы разрушаются. Размер гранул 20—40 мм.

Для устранения проскальзывания внутренние стенки барабана делают шероховатыми, иногда их покрывают бе­тоном. Производительность барабанных грануляторов пре­вышает 40 т/ч.

Недостатком является неоднородность готового продук­та и вследствие этого большое количество возврата на гро­хоте, который на практике превышает количество шихты в 3—4 раза. Этого лишены тарельчатые грануляторы, все

более вытесняющие барабанные. Диаметр тарельчатых грануляторов до 5 м, скорость вращения 5—15 об/мин. Угол наклона оси вращения к вертикали 30^55°, произво­дительность до 40 т/ч. /

Грануляторы с кольцевым желобом, куда попадают гра­нулы, перевалившиеся через борт, позволяют получать двухслойные гранулы.

В последнее время нашли применение при изготовле­нии окатышей также конические грануляторы, совмеща­ющие в себе элементы барабанных и тарельчатых аппара­тов. Тарельчатые и конические грануляторы обладают более высокой удельной производительностью и легче поддаются регулировке благодаря возможности изменения траектории гранул при окатывании изменением наклона оси аппарата.

Производство удобрений. Процессы гранулирования все шире применяются в одной из наиболее важных и многотоннажных отраслей химической промышленности — производстве удобрений. В производстве гранулирован­ных удобрений совмещены процесс гранулирования и тех­нологический процесс получения продукта. В процессах получения суперфосфата, которые были разработаны в 20-е годы, использовался избыток серной кислоты, что приво­дило к большому тепловыделению на стадии аммонизации. Выделившееся тепло использовалось для удаления влаги. С этой целью процесс проводился во вращающемся сушиль­ном барабане, который одновременно являлся грануля­тором.

При окатывании весьма важную роль играет пластич­ность исходного материала. Как показали исследования, смоченные кристаллические удобрения, в том числе суль­фат аммония, хлористый калий, карбамид и нитрат аммо­ния, гораздо менее пластичны в крупнокристаллическом со­стоянии, чем в тонкоизмельченном. Хорошими пластичес­кими свойствами обладает свежий влажный суперфосфат, состоящий в основном из мелких частиц, объединенных в агрегаты, обладающие высокой гибкостью (рис. 28) [581. Пластичностью суперфосфата объясняется способность его к гранулированию, а также легкость гранулирования сме­сей, содержащих суперфосфат.

Благоприятно сказывается на протекании процесса гранулирования присутствие в исходном материале мел­ких фракций, поскольку при этом повышается координа­
ционное число взаимодействующих частиц. При гранули­ровании происходит перемешивание, перебрасывание и окатывание материала. Ча­стицы многократно сталки­ваются, благодаря чему происходит агломерирова­ние. Этому особенно спо­собствует связующее, кото­рое вводится в удобрение либо перед подачей его в аппарат, либо сразу же после загрузочного устрой­ства. Обычно в качестве связующего используется вода, но при гранулирова­нии смешанных удобрений можно применять аммони­зирующие растворы, фос­форную или серную кисло­ту, а также пульпы удоб­рений.

Основным типом грану­лятора для удобрений по­ка остается горизонталь­ный вращающийся барабан (рис. 29) [48]. Гранулятор включен в технологиче­скую схему производства удобрений. Обычно про­цесс гранулирования сов­мещается с нейтрализаци­ей свободной кислотности твердыми добавками, глав­ным образом, мелом или известняком. После выхода из гранулятора продукт классифицируется на гро­хоте на три фракции: 1 — гранулы размерами более 4 мм подаются на валко-

вую дробилку И после ИЗ' мельчения — вновь на грохот; 2 — готовый продукт, имею­щий размеры от 2 до 4 мм; 3 — мелочь с размерами

гранул менее 2 мм используется в виде ретура для иници­ирования гранулообразования.

В работе 158] описан барабанный гранулятор для удоб­рений, имеющий длину 7,5 и диаметр 1,4 м, установленный с углом наклона 2°; барабан делает 75 об/мин (окружная скорость 0,51 м/с); при объеме суперфосфата в барабане 3 м3 время окатывания составляет 7 мин. Продукт в грануля­торе смачивается до содержания 16—18%, а затем досуши­вается в сушильном барабане.

Барабанные грануляторы все чаще заменяют дисковы­ми, которые способны работать без увлажнения и сушки суперфосфата. В производстве смешанных удобрений в них одновременно с грануляцией проводят аммонизацию (48]. Гранулятор представляет собой плоский цилиндр диамет­ром около 4 м, высотой 0,36 м, расположенный под углом 30—50° к горизонту, вращающийся с частотой 14 об/мин. Как и во всех дисковых грануляторах, в нем происходит классификация материала — крупные гранулы перевали­ваются через борт, а мелкие окатываются до нужных раз­меров.

Аммонизаторы-грануляторы TVA совмещают в себе ам­монизацию и грануляцию [82] и обычно состоят из двух час­тей: в первой — (Vs или 2/3 длины барабана) идет процесс аммонизации, во второй — собственно грануляция. Общая длина — 3—5 м. При производстве удобрений из жид­кого сырья отпадает необходимость в секционировании ба­рабана. В этом случае отношение диаметра к длине состав­ляет 1 : 2, Такие аппараты обеспечивают общую произво­дительность от 40 до 50 т/ч и чистую производительность около 15 т/ч при кратности рецикла 2.

Протекание процессов грануляции и аммонизации за­висит от частоты вращения барабана (об/мин), которая влияет на движение материала и определяется по формуле

где D — диаметр барабана, м.

Установлено, что для - аммонизатора-гранулятора TVA оптимальная частота составляет20 —30% И7крит[82]. При грануляции без аммонизации рекомендуются более высо­кие скорости. Для большинства случаев при Z? Cap ~ 2 м частота вращения равна 10—14 об/мин.

Для очистки стенок применен скребок с возвратно-посту­пательным механизмом, состоящий из отдельных лопаток или зубьев, укрепленных на раме, которая совершает 5—10 циклов в минуту.

В США на установках типа TVA производится около 2/3 гранулированных удобрений.

Производство сажи. Сажа широко применяется в рези­новой промышленности, для производства красок и т. д. В настоящее время основные виды сажи вырабатываются в гранулированном виде, что позволило решить проблему

транспортировки ее в производстве, устранить слеживае - мость при хранении, улучшило санитарные условия тру­да [24].

Сажу гранулируют окатыванием с применением связу­ющего (мокрый способ) или без него (сухой способ). Меха­низм гранулообразования при окатывании порошка сажи соответствует описанному выше. Некоторые исследовате­ли отмечают, что агломерация частиц при этом вызывается также химическими силами, химическая связь при гра­нулировании сажи осуществляется по механизму свобод­ных радикалов, что приводит к необратимым изменениям, обнаруженным в гранулированных сажах. Химическая при­рода агломерирования частиц сажи подтверждена экспе­риментом: сажи, из которых удалены летучие вещества, следовательно, потерявшие большую часть свободных ра­дикалов, гранулируются плохо [241.

По сухому методу сажу гранулируют с обязательной подачей некоторого количества мелких гранул в аппарат. Возврат может составлять до 25% общей подачи сажи в аппарат (рис. ЗО) [24]. Грануляционный барабан / состоит из двух секций, разделенных перегородкой с прикреплен­ной к ней диафрагмой. Барабан опирается на 16 автомо­бильных колес с шинами 2. Сажа подается шнеком 4 в пи­тательный желоб 5, а из него — в первую секцию барабана. Размером отверстий в диафрагме 9 обеспечивается посто­янство уровня сажи в первой секции. Уровень сажи во второй секции барабана регулируется лопастями разгрузоч­ного приспособления 8, которые при вращении барабана зачерпывают готовые гранулы и пересыпают их в выходное

отверстие 6. На неподвижном валу 3 закреплены скребки 10, служащие для удаления со стенок барабана прилипшей сажи. Узлы загрузки и выгрузки барабана герметизиру­ются уплотняющими фланцами 7. Частоту вращения бара­бана можно изменять в пределах 4,2—5,5 об/мин, что позво­ляет влиять на качество гранулята и производительность барабана. Мощность электродвигателя привода составляет 14 кВт. Габаритные размеры аппарата марки АСА-1 4940 х Х5250 х 4100 мм, он обеспечивает производительность 10 т/сут.

Для гранулирования сажи сухим методом разработаны барабаны производительностью 20 и 30 т/сут. В самозатрав - ливающемся барабане (рис. 31) подача пылящей сажи про­изводится шнеком /, а возврат гранул на «затравливание» — ковшами 2, которые захватывают гранулированную сажу и высыпают ее частично в выгрузочную течку 3, а частич­но — в шнек 4, возвращающий сажу в переднюю часть барабана. Преимущества сухого метода заключаются в вы­сокой производительности и простоте аппаратуры, хорошем

качестве гранулята, обладающего достаточной прочностью и не требующего дальнейшей обработки. Однако этим методом можно гранулировать лишь некоторые виды сажи, причем обычно требуется предварительное уплотнение, что ограничивает его применение.

Мокрый метод позволяет гранулировать любые виды сажи без предварительного уплотнения. В качестве сма­чивателя используют воду или 1,5%-ный водный раствор

мелассы — отхода сахарного производства. Процесс грану­лирования сажи протекает в несколько стадий: 1 — сма­

чивание—проникновение вла­ги в пустоты между частицами сажи, смачивание гидрофиль­ных участков частиц и связы­вание их жидкостными мости­ками; 2 — перемешивание и агломерирование, при этом процесс заполнения проме­жутков между частицами ин­тенсифицируется и образуют­ся прочные агломераты саже­вых структур; 3—окатывание агломератов, приобретение ими шаровидной формы 124]. При гранулировании сажи по мокрому методу влага вво­дится в соотношении 1 :1 к количеству подаваемой сажи, поэтому требуется интенсивная сушка гранул.

Смесители-грануляторы сажи различаются числом сту­пеней и размерами. Двухступенчатый смеситель-грануля­тор (рис. 32) состоит из двух барабанов первой ступени /, в которых происходит смешивание сажи с водой или раствором мелассы, и расположенного под ними барабана второй ступени 2, в котором происходит гранулирование сажи. В верхней части смешивающих барабанов устанавли­ваются форсунки 3 для подачи связующего. Корпусы барабанов неподвижные, гранулируемая масса приводится в движение роторами 4, расположенными внутри барабанов, представляющими собой валы с пальцами 5, расположен­ными по осевой линии.

Основные технические характеристики смесителей-гра­нуляторов сажи приведены в табл. 5.

Качество гранулята оценивают по насыпной плотности, содержанию пылевидной фракции (размер частиц до 0,16 мм) и сопротивлению гранул истиранию при встряхивании. Печная сажа ПМ-75 должна иметь насыпную плотность >330 кг/м3, содержание пылевидной фракции <10% и сопротивление гранул истиранию при встряхивании>87%.