книги / Тепломассообменные процессы в производстве гипсовых и гипсобетонных строительных материалов

2. Сушка пропаренного гипсового камня

При сушке пропаренного гипсового камня сухим газообразным теплоносителем сброс давления в аппарате приводит к резкому по­ нижению температуры материала. Так как кривая насыщения (Р — ^-зависимость) гипсового раствора мало отличается от кривой насы­ щения для чистой воды, то температура материала выходит на темпе­ ратуру мокрого термометра, зависящую от параметров сушильного агента и условий сушки. Этот эффект называется в технологической литературе «температурным провалом» и вызывает ряд дискуссий по поводу его влияния на качество материала. В дальнейшем, по мере удаления от материала избыточной влаги, его температура растет, приближаясь к температуре теплоносителя.

Многие авторы [6, 39, 51] справедливо указывают ыа отрицатель­ ное влияние понижения температуры гипсового материала в процес­ сах сушки на качество конечного продукта. Возможность оводнения полуводного гипса в этом случае может привести к значительной не­ равномерности получаемого материала по составу (наличие всех модификаций полугидрата и двугидрата), что отражается на основных технических характеристиках гипсового вяжущего.

Влияние температурного провала на качество конечного продук­ та исследовалось в процессах конвективной сушки газообразным теплоносителем: сухим воздухом, перегретым водяным паром атмо­ сферного давления, а также перегретым паром, давление которого соответствовало давлению пропарки. Характерные термограммы дан­ ных процессов приведены на рис. 36, а результаты полных испытаний полученного продукта — в табл. 13.

Проанализировав параметры теплоносителя в процессах сушки, важно отметить, что основным показателем является температура материала, которую он принимает при различных способах сушки и параметрах сушильного агента. Как показали наши опыты, эта тем­ пература может достигать 50—60 °С при сушке сухим воздухом тем­ пературой Ю0—200 °С.

Анализ экспериментальных данных, приведенных в табл. 13, позволяет сделать некоторые выводы.

Варьирование температурой сухого газообразного носителя в про­ цессах сушки (100—200 °С) не отражается на качестве конечного про­ дукта при одинаковом исходном сырье. Это объясняется тем, что ми­ нимальная температура высушиваемого материала при этом колеб­ лется в незначительных пределах (50—60 °С), а более значительное обезвоживание верхних слоев материала при повышенных темпера­ турах (160—200 °С) не приводит к перекристаллизации полуводного гипса и не ухудшает прочностных показателей получаемого вяжущего. При сушке пропаренного материала перегретым паром (атмосферного и повышенного давления) замечено некоторое понижение прочностных показателей конечного продукта, что можно объяснить наличием в высушиваемом материале абсорбционной влаги, так как известно, что даже незначительное содержание в полугидрате сульфата кальция воды сверх стехиометрического приводит к ухудшению характери-

71

/Л3Л

L .

!

1

f

б

;рами, то конечный продукт будет содержать до 30 % Р-полугидрата. Прочностные характеристики данного материала будут значительно ниже таковых единичного образца, подвергнутого сушке сразу же после пропарки. Эти данные проясняют недостатки технологии [511, JB которой процессы пропарки и конвективной сушки материала про­ водились в одном аппарате.

Рассмотрим, какие процессы возможны при сушке полугидрата

.в условиях понижения температуры пропаренного материала. Уста­ новлено, что полугидрат остается устойчивым по отношению к двугидрату в присутствии жидкой воды при понижении температуры системы

.до 80—90 °С. При этих температурах термодинамически наиболее устойчив двуводный гипс. Устойчивость полугидрата при 80—90 °С показывает, что перенасыщение гипсового раствора относительно двугидрата в этих условиях еще невелико, чтобы могли возникнуть центры кристаллизации двуводного гипса (с понижением температуры перенасыщение резко увеличивается).

Выпаривание воды в процессах сушки обеспечивает сколько угод­ но значительное перенасыщение водного раствора сульфата кальция, что приводит к выпадению наиболее термодинамически устойчивой твердой фазы. Выпаривание гипсового раствора при температурах более низких, чем 103 °С, приводит к образованию двугидрата суль­ фата кальция. Следовательно, наличие гипсового раствора обязатель­ но приводит к образованию двугидрата или вторичного Р-полугидра­ та в процессах сушки материала при снижении его температуры. Этот эффект слабо ощутим в количественном отношении (низкая jpacтвэримость сульфата кальция в воде), но может оказать влияние на

74

такие показатели вяжущего, как сроки схватывания и прочность. Кроме того, гипсовый раствор в пропаренном материале перенасы­ щен относительно двугидрата сульфата кальция. Кристаллизация из него при низких температурах двуводного гипса может привести к растворению полученных кристаллов полугидрата. При этом возмож­ на частичная дефектация этих кристаллов с последующим образова­ нием нежелательных продуктов.

Все зависит от того, сколько времени будет существовать обмен­ ная среда при температурах, соответствующих термодинамической устойчивости двугидрата, ее количество, а также размеры зерен по­ лугидрата, т. е. важную роль играют соотношения скоростей испа­ рения гипсового раствора и растворения гипсового материала. По­ добный механизм процессов, протекающих при сушке гипсового ма­ териала сухим теплоносителем, находит подтверждение в опытах ВНИИСТРОМа, которые показали, что на менее плотном гипсовом камне более заметно отрицательное влияние температурного провала. Это объясняется тем, что количество гипсового раствора в материале после пропарки больше, а кристаллы полугидрата меньше, чем в более плотном гипсовом камне. Следовательно, понижение температуры материала в процессах сушки приводит к нежелательным результа­ там даже без учета прямого затворения полугидрата.

Наши опыты по сушке материала в большом объеме с температур­ ным провалом и без него показали преимущества последнего. Выпар­ ка гипсового раствора без снижения его температуры приводит к кристаллизации из него а-полугидрата. Это гарантирует полную однородность получаемого конечного продукта,

75

Г л а в а п я т а я

СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНОГО ГИПСА

И ЭФФЕКТИВНЫХ ГИПСОВЫХ ВЯЖУЩИХ

1.Высокопрочный гипс

Исследования процессов, протекающих при гидротермальной обра­ ботке гипсового камня, позволили перейти к разработке технологии производства высокопрочного гипса из природного сырья.

Автоклавная обработка предусматривает два основных процесса: пропарку природного кускового двугидрата сульфата кальция на­ сыщенным водяным паром повышенного давления в герметичном ап­ парате и последующую сушку пропаренного материала.

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы. Природный двуводный гипс должен обладать максимальной чистотой, высокой плотностью и определенной кристаллической структурой. Чисто кристаллическая структура преобладает над чистотой гипсо­ вого сырья для получения гипсового вяжущего с максимальными прочностными характеристиками. Вяжущее, полученное из 100 %- ного по двугидрату селенита, имеет худшие прочностные показатели, чем вяжущее из 85 %-ного сырья Каменец-Подольского месторожде­ ния. Необходимая плотность и структура исходного природного гип­ са выражается в повышенном давлении диссоциации без инкубацион­ ного периода при автоклавной обработке.

плотности исходного сырья. Давление пропарки должно быть не ниже

не давление пропарки, а темп подвода теплоты, который зависит как от давления пропарки, так и от фракционного состава природного сырья и его структурных характеристик.

Для получения вяжущих с оптимальными характеристиками необ­ ходимо стремиться к минимальной скорости перекристаллизации двугидрата сульфата кальция в полугидрат в процессе пропарки, учи­ тывая технологичность рекомендуемых методов обработки.

Разработанная методика позволяет точно определить нужное вре­ мя пропарки кускового материала. Время автоклавной обработки за­ висит не только от давления термообработки и фракционного состава обрабатываемого материала, но и от структурных характеристик при­ родного двугидрата. Исследования показали, что время автоклавной обработки в описанных в литературе технологиях производства вы­

76

Из сказанного выше очевидно, что для достижения наилучших результатов необходимо стремиться к монофракционному составу пропариваемого материала, но следует не забывать о технологичности процесса пропарки и количества отходов ценного сырья.

Установлено, что в процессе развитой перекристаллизации двугидрата сульфата кальция в полугидрат при оптимальном давлении можно увеличить давление автоклавной обработки и сократить время пропарки, не ухудшая характеристик получаемого вяжущего. Допол­ нительные затраты теплоты при этом легко реализуются для удале­ ния свободной влаги, облегчая процесс последующей сушки материала.

Процесс сушки пропаренного материала, т. е. удаление 1,5 моле­ кулы свободной влаги, является второстепенным по сути, но техноло­ гически очень важным процессом в производстве высококачественных гипсовых вяжущих. Если бы мы могли удалить выделившуюся в про­ цессе термической диссоциации двугидрата свободную воду (раствор CaSO,) каким-либо технологическим путем, не снижая температуру гипсового камня после пропарки, то качество получаемого вяжущего зависело бы только от первоначальной стадии процесса.

Многие специалисты совершенно справедливо указывают на от­ рицательное влияние понижения температуры гипсового материала в процессе сушки на качество конечного продукта. Возможность оводнения полуводного гипса в этом случае может привести к значительной неравномерности получаемого материала по составу (наличие всех модификаций полугидрата и двугидрата), что отражается на основных технических характеристиках гипсового вяжущего.

Результаты исследований полностью подтвердили преимущества сушки пропаренного материала без снижения его температуры ниже температуры устойчивости полугидрата сульфата кальция по отно­ шению к жидкой воде. Эта температура получена теоретически иэкс­ периментально и составила ЮЗ °С.

Отработка параметров процесса получения высокопрочного гипса проводилась на пилотной установке, схема которой приведена на рис. 37. Установка состоит из автоклава 3, паровоздушного тракта и паровых котлов 1. Автоклав имеет обогреваемую обечайку и внут­ ренний трубчатый теплообменник 5. В процессе сушки пары влаги удаляются из автоклава и конденсируются в конденсаторе 4. Коли­ чество воды измеряется мерным цилиндром 7. В процессе опытов тем­ пература гипсового камня и теплоносителя измеряется хромельалюмелевыми термопарами и потенциометром 9. Гипсовый камень после пропарки может быть высушен контактно-конвективным спо­ собом под давлением в среде перегретого пара и конвективно перегре­ тым паром, циркулирующим по замкнутому контуру, или сухим воз­ духом, нагретым в электрокалорифере 6. На данной установке иссле­ довалось сырье Каменец-Подольского, Верничанского, Кудренецкого, Деконского, Мамалыжского, Кривского, Щедокского, Сауриешского, Свердловского и других месторождений СССР, а также место­ рождений НРБ, ГДР, Италии и ФРГ с целью определения парамет­ ров процесса, обеспечивающего получение высокопрочного гипса с оптимальными прочностными показателями. Исследования показали,

77

что для создания производства высокопрочного гипса на Украине наиболее приемлем гипсовый камень западных областей Украины/ из которого по технологии ИТТФ АН УССР можно получить вяжущее по ГОСТ 125-79 (СТ СЭВ 826-77) марок Г22-Г25:

Из Деконского гипсового камня с содержанием двугидрата поряд­ ка 75—80 % можно получить гипсовое вяжущее Г10—Г13 (25—30 МПа в сухом состоянии). Из гипсового камня Нырковского месторождения можно получить вяжущее Г16 (40 МПа в сухом состоянии), но оно еще не введено в промышленную эксплуатацию.

Результаты этих исследований послужили основой создания новой технологии производства высокопрочного гипса, которая исходя из технико-экономических соображений была реализована в промыш­ ленном цехе Деконского комбината стройдеталей Минстройматериалов УССР. В этой технологии полная тепловая обработка материала от сырья до конечного продукта ведется в одном аппарате. Параметры процессов данной технологии теоретически обоснованы и полностью

78

подтвердились в промышленных условиях. Технологическая схем» приведена на рис. 38. Общий цикл тепловой обработки составляет 12 ч. Сушка вынужденной конвекцией перегретого пара в этой тех­ нологии, где теплоносителем является соковый пар свободной влаги пропаренного материала,— достаточно интенсивный и наиболее эко­ номичный метод сушки с теплотехнической точки зрения [21, 35L

Проведенные исследования показали также возможность дальней­ шей интенсификации процесса сушки пропаренного гипсового камня. Интенсификация процесса достигается разделением его на две стадии. На первой стадии можно повысить температуру перегретого пара и поддерживать ее в течение определенного времени. Это приводит к значительной интенсификации процесса сушки и не ухудшает качест­ во нижних (по ходу движения теплоносителя) слоев гипса. Увеличе­ ние времени сушки свыше установленного приводит к получению а-обезвоженного полугидрата, что ухудшает качество получаемого вяжущего. Во второй стадии температура теплоносителя снижается и сушка ведется в течение 2,5—3 ч. В автоклаве на обеих стадиях под­ держивается скорость теплоносителя 5—6 м/с. Предложенный способ позволяет сократить срок сушки а-полугидрата без ухудшения ка­ чества материала. Для его внедрения на Деконском КСД будут уста­ новлены рекуперативные теплообменники для перегрева сокового пара, работающие на природном газе.

Рассматриваемая технология направлена на получение гипсово­ го вяжущего с оптимальными характеристиками. Как уже отмеча­ лось, она позволяет получить гипсовое вяжущее Г22—Г25 из сырья западных областей Украины и Молдавской ССР (Кривского месторож­ дения). По имеющимся данным, только технология ГДР приближает­ ся к ней по основным техническим показателям получаемого вяжуще­ го, значительно уступая ей по трудоемкости, производительности, экономичности и т. д. Учитывая это, специалисты ГДР обратились с предложением о покупке лицензии на данную технологию и обору­ дование. Проведенные совместно со специалистами ГДР испытания гипсового камня месторождения Роттелебероде на установке Деконского комбината подтвердили возможность получения из него вяжу­ щего Г22—Г25.

Для сравнения оценки различных способов получения гипсовых вяжущих технология ИТТФ АН УССР имеет следующие показатели:

Следует отметить, что рассматриваемая технология является оп­ тимальной — с точки зрения уноса пыли и потерь вяжущего в техно* логическом цикле.

Установлено, что при автоклавной обработке природного гипсово­ го камня фракции 30—60 мм при давлении насыщенного водяного пара 0,12—0,13 МПа времени пропарки 1,5—2 ч достаточно для образова­ ния центров перекристаллизации двугидрата в полугндрат во всем

79