Технология микроволнового вспучивания вермикулита

Вермикулит и его использование:

Вермикулит – это природный, экологический чистый материал, из группы слоистых гидрослюд. Благодаря своим уникальным свойствам он находит широкое применение в самых разных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Причем уникальными свойствами обладает именно вспученный вермикулит, который получают путем специальной термической обработки добытого из земных недр вермикулитового концентрата. При термической обработке вермикулит увеличивается в объеме в 7-10 раз и становится похожим на червячка. Именно поэтому он и называется «Vermiculite», что в переводе с латинского языка означает «Червячок». Вспученный вермикулит является отличным теплоизоляционным и огнеупорным материалом, он не гниет и не разлагается, отлично впитывает воду и сохраняет при этом воздухопроницаемость, в нем содержится большое количество микроэлементов и он обладает способностью к ионному обмену. Эти свойства делают его незаменимым материалом в строительстве, сельском хозяйстве, металлургии и экологии. Его используют в качестве наполнителя бетонов, делают из него огнеупорные и теплоизоляционные конструкции, используют в качестве сорбента и наполнителя фильтров, применяют в качестве наполнителя грунтов в сельском хозяйстве и гидропонике, добавляют в качестве подкормки в животноводстве и еще многое другое.

Строение вермикулита

Вышеописанными свойствами вермикулит обладает благодаря своему строению. Частичка вермикулита представляет из себя большое количество плотно прилегающих друг к другу слоев слюды, между которыми находиться вода. Ее можно сравнить с многослойным тортом, состоящим из десятков и сотен плоских слоев. Каждый слой – это плоский и протяженный кристалл слюды. Между слоями слюды, словно крем в торте, спрятана вода. Благодаря такому строению вермикулит по-научному называют гидратированной слюдой (слюда обогащенная водой). Наличие воды в межслоевом пространстве и позволяет получать из обычного вермикулита вспученный: при быстром нагреве вода в межслоевом пространстве закипает, и, под действием давления образовавшегося пара, слои слюды раздвигаются. В результате из маленькой плоской чешуйки кристалла вермикулита образуется длинный и объемный «червячок».

Принято химическую формулу вермикулита обозначать как . Но это только упрошенное обозначение, потому что состав вермикулита определяется в первую очередь месторождением, где его добывают. Наиболее известные месторождения расположены в Южной Африке, Зимбабве, в Китае, в США, Австралии, Бразилии, Кольском полуострове (Ковдор), в Сибири. В силу того, что в каждом месторождении вермикулит образовывался при специфических геологических условиях, химический состав и структура вермикулита из различных месторождений значительно отличается. В результате эти отличия влияют как на и энергозатраты на процесс вспучивания, так и на другие его потребительские качества (коэффициент вспучивания, способность поглощать воду, и т.д.). Например, вермикулит из Китая очень хорошо вспучивается и требует мало энергозатрат на вспучивания, а вермикулит из Бразилии требует для вспучивания наибольших энергозатрат.

Как вспучивают вермикулит

Все существующие технологии вспучивания вермикулита основаны на том, чтобы заставить воду в межслоевом пространстве испариться и давлением пара раздвинуть кристаллические слои. Чтобы вспучивание произошло успешно, нагрев должен быть быстрым. При медленном нагреве, испаряющаяся вода будет успевать диффундировать к краям частички вермикулита и выходить наружу. При медленном нагреве испаряющийся пар выходит и не успевает создать давления достаточного для раздвигания кристаллических слоев. Чем быстрее происходит нагрев вермикулита, тем большее давление создают пары воды, и тем сильнее вспучивается вермикулит.

Традиционные технологии вспучивания вермикулита

Самая распространенная на данный момент технология вспучивания вермикулита основана на нагреве частиц вермикулита раскаленными газами, которые образуются при сжигании природного газа или дизельного топлива. В установках, реализующих эту технологию, вермикулит обдувается продуктами сгорания топлива, имеющими температуру 600 – 1000 °С. Такая значительная температура необходима для того, чтобы обеспечить достаточную скорость нагрева вермикулита. При меньших температурах вермикулит либо вовсе не вспучивается, либо его вспучивание недостаточно для дальнейшего использования. Типовые затраты топлива в подобных установках составляют 100-150 литров дизельного топлива, либо 100 м3 природного газа на 1 тонну продукции.

Плюсами подобного оборудования для вспучивания вермикулита является простая конструкция и относительно низкая стоимость используемого дизельного топлива или природного газа. К недостаткам же данной технологии можно отнести следующие факты:
1. Низкая экологичность технологии из-за необходимости сжигания топлива и вредных газовых выбросов. Размещение такого оборудования на предприятии требует его согласования с Государственными органами и выплатой экологических штрафов;
2. Снижение качества вспученного вермикулита. Вспучивание вермикулита в среде раскаленных газов приводит к повышенной хрупкости вермикулита. Из-за хрупкости вермикулит ломается и образует много пыли. При длительной транспортировке такого вермикулита он также измельчается. Кроме того, вермикулит сорбирует на своей поверхности продукты сжигания топлива, что снижает его качество при использовании в сельском хозяйстве, животноводстве и в качестве сорбирующего материала;
3. Стационарность оборудования. Данное оборудование устанавливается стационарно, имеет большие массо-габаритные показатели из-за наличия массивной теплоизоляции и необходимости создания дополнительной инфраструктуры для сжигания топлива и отвода продуктов его сжигания;
4. Высокие энергопотери. Данная технология является самой энергозатратной из-за того, что большая часть тепловой энергии не используется и уносится выбрасываемыми газами. Помимо тепловых затрат, также необходимо учитывать затраты электроэнергии на работы систем подачи вермикулита, работу вентиляторов и систем очистки воздуха.

Другая технология вспучивания вермикулита основана на его нагреве в электрических печах. Вермикулит подается в тунельную печь, которая разогревается электрическими нагревателями до температур 600 – 800 °С. Проходя по печи вермикулит нагревается горячим воздухом и интенсивным инфракрасным излучением.

Данная технология имеет плюсы относительно предыдущей: существенно упрощается инфраструктура, так как нет необходимости в сжигании углеводородов и выброса продуктов их сгорания; высокая экологичность из-за отсутствия выбросов продуктов сгорания; сниженные массо-габаритные характеристики оборудования.

Но при этом у данной технологии остаются недостатки:
1. Высокая стоимость производства. Затраты на производство вермикулита в данных установках являются высокими из-за высокой стоимости электроэнергии;
2. Высокие энергопотери. Энергопотери в данной технологии сравнимы с потерями в установках, основанных на сжигании газа или дизельного топлива. Это связано с тем, что для нагрева вермикулита требуется высокая температура около 800 °С, которая обуславливает большие тепловые потери в подобных установках.

Микроволновая технология вспучивания вермикулита
Технология микроволнового вспучивания вермикулита является в настоящее время самой перспективной и интересной для внедрения в промышленности. Ее суть заключается в том, что для нагрева вермикулита не нужны теплоносители в виде раскаленного газа или интенсивного инфракрасного излучения. Нагрев вермикулита производиться микроволновым излучением в специальной камере – микроволновом реактора, который можно сравнить с обычной бытовой микроволновой печью. Микроволновое излучение поглощается в частичках вермикулита и вырабатывает в них тепло достаточное для вспучивания. Температура технологического процесса в микроволновых установках составляет всего 150 – 200 °С. Эта особенность делает данный способ вспучивания самым экономичным. Отсутствие посредников для нагрева вермикулита в виде раскаленных газов или электрических нагревателей позволяет в разы снизить энергозатраты и отказаться от массивной теплоизоляции в установках.

Несмотря на все преимущества микроволнового вспучивания вермикулита, до недавнего времени на мировом рынке не было коммерческих образцов установок, которые бы реализовывали данную технологию. Это связано с тем, что первые попытки создания промышленного оборудования для микроволнового вспучивания вермикулита потерпели неудачу. Оказалось, что для надежной работы оборудования и обработки вермикулита различных фракций и месторождений, необходимо было провести научно-исследовательские работы и проектирование специализированных микроволновых реакторов, способных создавать микроволновое поле с высокой напряженностью электрического поля. Такие исследования, которые закончились созданием первых опытных образцов оборудования, были проведены в двух научных центрах в период 2010 – 2015гг. В Великобритании в Университете Ноттингема (The University of Nottingham) был исследован процесс микроволной обработки вермикулита. Эта работа получила хорошее финансирование от Евросоюза и была отмечена премией за создание новой экологически чистой технологии обработки вермикулита. В процессе данной работы была создана экспериментальная установка мощностью до 15 кВт, которая подтвердила высокую эффективность использования микроволнового поля для вспучивания вермикулита. Но внедрить данную технологию в промышленность не удалось, из-за возникших технических сложностей. Немногим раньше коллег из Великобритании, изучение процессов микроволновой обработки вермикулита и разработку промышленного оборудования начали специалисты нашей компании совместно с кафедрой Радиотехнической электроники Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета «ЛЭТИ» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»). Имея богатый опыт в области создания оборудования и технологий микроволновой обработки материалов, нашим специалистам удалось решить поставленную задачу. Вначале были проведены исследования и созданы прототипы оборудования, которые показали принципиальную возможность реализации данной технологии в промышленных условиях. В последствие разработка и внедрение промышленных установок проводилась совместно с предприятиями США и России. В настоящий момент наша компания создала уже третье поколение оборудования для микроволнового вспучивания вермикулита, которые имеют малые размеры, являются самыми экономичными в мире и позволяют получать высокие коэффициенты вспучивания для вермикулита различных месторождений с фракциями super fine, fine, medium, large.