dr inż. Tomasz Dzik Kraków 30.04.2015 ul. Heila 9/2 30-654 Kraków Z pracy badawczej pt; Raport końcowy Opracowanie procesu granulacji siarczanu wapnia wraz z opracowaniem receptury lepiszcza Realizowanej w ramach projektu pt. Badanie laboratoryjne granulacji zadanie nr. 7, dofinansowanego przez NCBiR i NFOŚiGW, w ramach Programu GEKON Generator Koncepcji Ekologicznych
Zakres zadania a) Opracowanie procesu granulowania odpadowego siarczanu wapnia. b) Uzyskanie parametrów: -klasa ziarnowa d g =2-6 mm; -czas rozpadu w wodzie t roz < 5h -wytrzymałości na nacisk >100 N/g. c) Opracowanie receptury lepiszcza Raport końcowy według załącznika nr.1 d) Opis zadania badawczo rozwojowego (cel zadania) i. cel realizacji zadania ii. opis metody badawczej iii. opis użytego sprzętu, aparatury i software e) Opis wykonanych czynności oraz uzyskanych wyników i. uzyskane mierzalne efekty ii. analiza wyników, z podaniem sposobu jej przeprowadzenia f) Wnioski z przeprowadzonych badań Opis zadania badawczo rozwojowego. Pracę badawczą nt Opracowanie procesu granulacji siarczanu wapnia wraz z opracowaniem receptury lepiszcza wykonano na zlecenie Spółką EKOTECH INŻYNIERIA POPIOŁÓW Sp. z o.o., z siedzibą w Warszawie przy ulicy Gen. Skalskiego 1/U16. Stanowi ona część projektu pt Badania laboratoryjne granulacji, który jest zadaniem nr 7 i jest dofinansowana w ramach Programu GEKON-Generator Koncepcji Ekologicznych. Zakres zleconego zadania obejmował zadania: 1. Opracowanie procesu granulowania odpadowego siarczanu wapnia. 2. Uzyskanie parametrów: a. klasa ziarnowa d g =2-6 mm; b. -czas rozpadu w wodzie t roz < 5h c. -wytrzymałości na nacisk >100 N/g. 3. Opracowanie receptury lepiszcza Cel realizacji zadania W wyniku procesów odsiarczania spalin powstaje odpadowy siarczan wapnia w postaci osadu drobnoziarnistego. Surowiec ten może być wykorzystany dla celów rolniczych jako materiał wzbogacający glebę w wapń i siarkę. Forma odpadu i jej postać nie pozwalają na użycie go w formie pierwotnej. Warunkiem wykorzystania jest doprowadzenie odpadu do formy granulatu o określonych rozmiarach i wytrzymałości. Pozwoli to na zapewnienie dobrych warunków jego przechowywania, przewożenia i wysiewania z użyciem urządzeń mechanicznych stosowanych do rozsiewu zgranulowanych nawozów mineralnych. Proces granulacji może być realizowany na kilka sposobów, z których najistotniejsze to :
a) granulacja obtaczająca nawarstwiająca bezciśnieniowa b) granulacja ciśnieniowa c) granulacja w stanie zawieszenia O zastosowanej metodzie granulacji decydują właściwości fizyczne surowca. Główne jego cechy to: 1) skład ziarnowy oraz maksymalny jego rozmiar 2) wilgotność początkowa nadawy 3) zdolność nadawy do uzyskania trwałych połączeń poprzez wywierany nacisk, zacieranie, tworzenia połączenia za pomocą filmu wodnego Do realizacji procesu granulacji wykorzystywane są urządzenia w postaci granulatorów talerzowych i bębnowych, prasy walcowe o walcach gładkich lub profilowanych, wyciskarki hydrauliczne i ślimakowe, granulatory pierścieniowe i talerzowe. Pomimo, że prasy walcowe pozwalają na uzyskanie granulatu w postaci płatków lub brykietu mogą być one zastosowane do produkcji drobnego granulatu po wprowadzeniu tzw granulacji dwustopniowej. Polega ona na wytworzeniu w prasie walcowej produktu zestalonego o określonej wytrzymałości i rozdrobnienie go wtórnie w celu uzyskania pożądanej klasy ziarnowej. Dla materiałów nie wykazujących właściwości pozwalających na uzyskanie trwałych połączeń stosowane są metody scalania z dodatkiem substancji mogących stanowić klej umożliwiający trwałe połączenia cząstek. Jako kleje wykorzystywane są związki organiczne, mineralne, ceramiczne i chemiczne. W zależności od oczekiwanego efektu procesu granulacji granulat może posiadać właściwości odporne na działanie wody (nie podlegają rozpuszczaniu i rozkładowi ), lub reagujące z wodą ewentualnie ulegające rozpadowi granul na ziarna pierwotne. Celem głównym zadania badawczego było opracowanie warunków procesowych granulowania odpadowego siarczanu wapnia umożliwiających wytworzenie granul o maksymalnej zawartości klasy ziarnowej 2-6 mm, wytrzymałości nacisku na gram zgranulowanej nadawy powyżej 100N oraz zapewnienie rozpady granul pod działaniem wody w czasie nie mniejszym niż 5 godzin. Opis metody badawczej Procedura doboru warunków procesu granulacji siarczanu wapnia wraz z opracowaniem receptury lepiszcza obejmowała kilka etapów z których każdy kolejny wynikał z poprzedniego. Etap I polegał na identyfikacji surowca pod względem jego właściwości wpływających na możliwość uzyskania stałych granul. W tym celu oznaczone zostały: 1) wilgotność początkowa dostarczonego surowca, 2) rozmiar ziaren, 3) gęstość nasypowa w stanie dostawy, 4) gęstość nasypowa wysuszonego surowca. Do kreślenia wilgotności wykorzystano wagę analityczną oraz suszarkę
laboratoryjną. Badania przeprowadzono zgodnie z normą PN-B- 06714/17:1977 Kruszywa mineralne. Badania. Oznaczanie wilgotności w temperaturze 80 C. Rozmiar ziaren ustalono w oparciu o zestaw sit laboratoryjnych. Badania gęstości nasypowej wykonano zgodnie z normą PN-EN 1097-3:1998 Etap II polegał na próbie uzyskania granulatu metodą wyciskania hydraulicznego w celu uzyskania stałych granul. Przeprowadzono badania z surowcem w stanie surowym (dostarczonym od zleceniodawcy) oraz po zwiększeniu jego wilgotności do 30%, jak również po dodaniu lepiszcza MP- 450 do 5%, lepiszcza WM-2 do3%. Mieszankę umieszczono w cylindrze z dnem perforowanym otworami 6 mm i wywierano na nią za pomocą stempla nacisk do 100kN. Szczegóły podano w części badania. Stanowisko opisano w części zatytułowanej opis użytego sprzętu i aparatury. Etap III polegał na próbie uzyskania wytworzenia plastra poprzez walcowanie a następnie jego rozdrobnienie w stanie plastycznym sposobem ciecia na odpowiedniej wielkości kawałki. Plastry wytworzono z mieszanki surowca z dodatkiem 5% lepiszcza MP-450. Surowce mieszano intensywnie za pomocą mieszadła łopatkowego. W czasie mieszania dodawano wody do chwili w której zauważono tworzenie się struktur połączonych. Następnie tak przygotowaną mieszankę rozwalcowano do postaci plastra o grubości 3 mm. Plaster pocięto za pomocą noża na kwadraty o boku około 6mm. Tak przygotowane próbki pozostawiono na 24 godziny w pomieszczeniu ogrzewanym w celu ich wysuszenia. Etap IV polegał na próbie uzyskania granulatu w postaci walców o średnicy 6mm i długości <6mm. W tym celu wykorzystano granulator laboratoryjny z płaska matrycą. Opis granulatora znajduje się w części raportu zatytułowanej opis użytego sprzętu i aparatury. W badaniach wstępnych starano się na drodze kolejnych prób ustalić przybliżone wartości zawartości wilgoci, udziału lepiszcza MP-450 oraz WM-2 jak również TR-200. Po wytworzeniu mieszanek poddano je próbie nawarstwiającej granulacji ciśnieniowej w granulatorze z płaską matrycą Etap V obejmował badania zasadnicze w którym na drodze eksperymentu określono wytrzymałość otrzymanych granul na nacisk, gęstość usypową uzyskanego granulatu, wytrzymałość granul na zrzut, czas rozkładu pod działaniem wody. Badania przeprowadzono według schematu; za każdym razem odważano 950 g dostarczonego surowca o wilgotności wstępnej wyznaczonej w etapie I. Następnie odważano po 30g lepiszcza MP-450 i po 20 g lepiszcza WM-2 i TR-200. Otrzymane zestawy przedstawiono w tablicy 1. Do każdego zestawu dodawano taką ilość wody wyliczoną teoretycznie aby wilgotność końcowa obliczona dla wilgotności początkowej 18% zmieniała się w granicach 17-22,5%.
Tablica 1. Skład zestawów przygotowanych do granulowania w granulatorze z płaska matrycą. Lp. Masa surowca [g] Masa MP- 450 [g] Masa WM-2 [g] Masa TR- 200 [g] Wilgotność [%] 1 950 30 20-17 2 950 30 20-19 3 950 30 20-20 4 950 30 20-22,5 5 950 30-20 17 6 950 30-20 18 7 950 30-20 20 Każdy zestaw poddano granulacji w granulatorze z płaską matrycą którego charakterystykę przedstawiono w części zatytułowanej opis użytego sprzętu i aparatury. W każdej próbie oznaczano ilość nadawy która nie uległa scaleniu i stanowi tak zwany zawrót powodujący spadek wydajności procesu. Wszystkie próby wykonano w pomieszczeniu o temperaturze 22 o C. Po każdej próbie granulat rozsypano na powierzchni płaskiej i pozostawiono do dojrzewania w czasie 24 godzin. W wyniku naturalnego suszenia granulat nabywał odpowiedniej wytrzymałości. Po 24godzinach z każdej próby wybrano losowo po 10 granul i poddano je ściskaniu w prasie laboratoryjnej. Parametry prasy zaprogramowano tak, że każdy spadek siły nacisku powyżej 10% uzyskanej maksymalnej jej wartości zwalniany był nacisk i rejestrowana wartość maksymalna. Przed każdą próbą obciążenia wyznaczano masę granulki. Przyjęto, że wytrzymałość na nacisk określony jest jako iloraz wartości siły nacisku przy którym następuje rozkruszenie do jej masy. Wytrzymałość ta ma wymiar [N/g]. Następnie wyznaczono gęstość usypową otrzymanych granulatów zgodnie z nomą PN-EN 1097-3:1998. W dalszej kolejności wykonano próbę wytrzymałości na zrzut dla każdej wykonanej mieszanki. Badania prowadzono na stanowisku opisanym w części zatytułowanej opis użytego sprzętu i aparatury. Badanie polegało na pomiarze masy granulatu poddawanego próbie a następnie zrzucaniu na stalową płytę z wysokości 2 m. Zebrany z płyty granulat ponownie zrzucano z wysokości 2m. Próbę powtarzano trzykrotnie dla każdej mieszanki. Po ostatnim zrzucie próbka przesiana była na sicie 2 mm (założenie z którego wynika zawartość klasy ziarnowej 2-6mm, produkt poniżej 2 mm stanowi kryterium oceny wytrzymałości na zrzut). Wyznaczono masę granul pozostałych na sicie 2 mm. Wytrzymałość na zrzut określono jako iloraz masy próbki, która nie zmieniła rozmiaru poniżej 2 mm do masy przed wykonaniem próby. Wytrzymałość tę określono w procentach. Po wykonaniu czynności opisanych powyżej przystąpiono do badania czasu rozkładu granulatu w wodzie. W tym celu pobrano losowo pewną ilość granul z każdej próby i umieszczono ja w naczyni porcelanowym a następnie zalano wodą o temperaturze otoczenia. Próbki odpowiednio oznaczono. Próbki obserwowano po czasie 15minut, po 1 godzinie i po 5 godzinach. Po upływie każdego okresu wykonano dokumentację fotograficzną. W tym czasie woda
pozostawała w stanie spoczynku. Następnie ciecz z granulatem lekko zamieszano i po czasie koniecznym do sedymentacji wykonano kolejną dokumentację fotograficzną. Użyte lepiszcza Do badań jako lepiszcza podstawowego gwarantującego otrzymanie wymaganej wytrzymałości użyto lepiszcza organicznego w postaci kleju roślinnego węglowodanowego o symbolu MP-45. Jako lepiszcza uzupełniającego którego głównym celem jest zapewnienie rozkładu granul pod działaniem wody zastosowano zmodyfikowaną postać celulozy w postaci waty oznaczonej symbolem WM-3 oraz celulozy pierwotnej rozdrobnionej <0,2 mm oznaczonej symbolem RT-200. Widok postaci użytych lepiszczy przedstawia rys.1. MP-450 TR-200 WM-2 Rys.1. Lepiszcza użyte do procesu granulowania Opis użytego sprzętu, aparatury Stanowisko do badania procesu granulacji poprzez wytłaczanie. Stanowisko składa się z prasy o napędzie mechanicznym z możliwością wywierania nacisku do 100 kn. Na części nieruchomej prasy umieszczana jest matryca o średnicy stempla 30 mm. Stanowisko przedstawiono na rys.2. Matryca poprzez dolną część połączona jest ze zbiornikiem produktu w którym w części górnej umieszczane mogą być wkładki o różnej ilości otworów i różnych ich średnicach. Do eksperymentu wykorzystano wstawki z 13 otworami o średnicy 6 mm oraz z jednym pogłębionym otworem o średnicy 10mm. Widok matrycy, podstawkę, stempel, oraz wstawki przedstawiono na rys.3.
Rys.2. Stanowisko do granulacji przez wyciskanie Rys.3. Widok matrycy wraz ze wstawkami
Stanowisko do granulacji nawarstwiająco ciśnieniowej Stanowisko składa się z granulatora z płaską matrycą. Napęd stanowi silnik o mocy 2,2 kw. W ruch obrotowym z prędkością 300 obr/min wprowadzana jest matryca. W komorze granulatora znajdują się dwie rolki o średnicy 80mm z nacięciami o szerokości 3mm i takiej samej głębokości. Stanowisko wyposażone jest w wymienne matryce o średnicach otworów 5 do 10 mm i grubościach 25 do 35 mm. W eksperymencie wykorzystano matrycę o średnicy otworów 6mm, grubości 25 mm i współczynniki prześwitu 0,39. Stanowisko wraz z wyposażeniem dodatkowym w postaci mieszadła łopatkowego, zestawu do nawilżania oraz użytych lepiszczy przedstawia rys.4. Do mieszania użyto mieszadła o średnicy 90mm i prędkości obrotowej 3000 obr/min Rys.4. Stanowisko do granulacji nawarstwiająco ciśnieniowej Stanowisko do wyznaczania wytrzymałości na nacisk Stanowisko składa się z programowanej prasy o maksymalnym nacisku 2 kn, cyfrowej wagi analitycznej z dokładnością pomiar do 0,001 g. Stanowisko przedstawiono na rys.5.
Rys.5. Stanowisko do wyznaczania wytrzymałości na nacisk Stanowisko do wyznaczania wytrzymałości granulatu na zrzut Stanowisko składa się z kosza zasypowego umieszczonego na wysokości 2m nad stalową płytą oraz obudowy, której zadanie polega na gromadzeniu granulatu spadającego z wysokości 2m. Stanowisko przedstawiono na rysunkach 6 i 7.
Rys.6. Widok stanowiska do badania wytrzymałości na zrzut.
Rys.7. Widok płyty stalowej i obudowy stanowiska do badania wytrzymałości granul na zrzut. Opis wykonanych czynności oraz uzyskanych wyników W etapie pierwszym zostały określone właściwości dostarczonego surowca. Badania wykonano w zakresie 1) wilgotność początkowa dostarczonego surowca, która została no średnim poziomie 18 % 2) rozmiar ziaren, dostępny rozmiar oczka sita wykazał, ze wszystkie ziarna wykazują rozmiar < 0,1 mm 3) gęstość nasypowa w stanie dostawy, ustalona w wyniku pomiarów średnia gęstość usypowa wynosi 1,25 kg/dcm 3 4) gęstość nasypowa wysuszonego surowca, ustalona w wyniku pomiarów średnia gęstość nasypowa wynosi 1,07 kg/dcm3 Do kreślenia wilgotności wykorzystano wagę analityczną oraz suszarkę laboratoryjną. Badania przeprowadzono zgodnie z normą PN-B-06714/17:1977 Kruszywa mineralne. Oznaczanie wilgotności wykonano w temperaturze 80 C. Rozmiar ziaren ustalono w oparciu o zestaw sit laboratoryjnych. Badania gęstości nasypowej wykonano zgodnie z normą PN-EN 1097-3:1998 W etapie drugim, który polegał na próbie uzyskania granulatu metodą wyciskania hydraulicznego nie uzyskano pomyślnych rezultatów. Za każdym razem bez względu na
skład mieszanki, jej wilgotność i użytą wstawkę dla nacisku stempla do 100 kn zaobserwowano brak możliwości formowania. Następowała blokada przepływu z wyciskaniem wody. Tym samym wsad pozostający w matrycy ulegał wysuszeniu. Badania wykazały, że ten sposób granulacji nie może być zastosowany dla tego surowca. W etapie trzecim, który polegał na próbie uzyskania wytworzenia plastra poprzez walcowanie a następnie jego rozdrobnienie w stanie plastycznym sposobem ciecia na odpowiedniej wielkości kawałki uzyskano zespolenie surowca. Uzyskana masa o cechach plastycznych wykazywała dużą lepkość zarówno w stosunku do walców jak i ostrza. Własności te wykluczają metodę w warunkach przemysłowych. Na rys. 8 przedstawiono uzyskane efekty. Rys. 8. Widok uzyskanych plastrów i granulatu po ich cięciu nożem W etapie czwartym, który polegał na próbie uzyskania granulatu w postaci walców o średnicy 6mm i długości <6mm wykonano badania dla zakresu wilgotności nadawy w przedziale 17-28%.. Badania wstępne pozwoliły na ustalenie zakresu zmian wilgotności. Wilgotność <17% nie stwarzała możliwości zestalenia nadawy bez względu na typ i zawartość lepiszcza. Wilgotność >28% powodowała powstawanie plastycznej lepkiej masy powodującej oblepianie elementów granulatora i sklejanie się zaformowanych granul. W badaniach wstępnych ustalono ponadto, że najkorzystniejsza ze względów procesowych i ekonomicznych zawartość lepiszcza MP-450 powinna wynosić około 3%. Lepiszcza WM-2 i TR-200 powinny być domieszane w ilości około 2%. Etap piąty badania zasadnicze Etap V obejmował badania zasadnicze w którym na drodze eksperymentu określono wytrzymałość otrzymanych granul na nacisk, gęstość usypową uzyskanego granulatu, wytrzymałość granul na zrzut, czas rozkładu pod działaniem wody. Wyniki przedstawiono w postaci tablic i wykresów poniżej.
Wytrzumałość [N/g] Mieszanka z dodatkiem 3% MP-450 i 2% WM-2 o wilgotności 17 %. Tablica. 2. Wyniki pomiaru wytrzymałości na nacisk granulatu z mieszanki z dodatkiem 3% MP-450 i 2% WM-2 o wilgotności 17 %. 17% Masa granuli m [g] Siła niszcząca F [N] Wytrzymałość na nacisk s [N/g] Wartość oczekiwana [N/g] Lp 1 0,377 297 788 100 2 0,339 295 870 100 3 0,431 167 387 100 4 0,295 59 200 100 5 0,402 364 905 100 6 0,361 213 590 100 7 0,420 519 1236 100 8 0,350 100 286 100 9 0,350 40 114 100 10 0,257 84 327 100 Wartość średnia 570,4 [ N/g] Odchyłka standardowa 348,1 [ N/g] Odch. Standardowe 307,5 [ N/g] Wartość maksymalna 1235,7 [ N/g] Wartość minimalna 114,3 [ N/g] Gęstość usypowa 921,4 kg/m^3 Wytrzymałość na zrzut ( 3 razy z wysokości 2,0 m na płyte stalową R = 89,2 % Zawrót 32% Wytrzymałość na nacisk [N/g]: w-17% 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 wynik 788 870 387 200 905 590 1236 286 114 327 wartość oczekiwana 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 średnia w populacji 570 570 570 570 570 570 570 570 570 570 Rys. 9. Wytrzymałość na nacisk dla wilgotności mieszanki 17 %.
Wytrzumałość [N/g] Mieszanka z dodatkiem 3% MP-450 i 2% WM-2 o wilgotności 19 %. Tablica. 3. Wyniki pomiaru wytrzymałości na nacisk granulatu z mieszanki z dodatkiem 3% MP-450 i 2% WM-2 o wilgotności 19 %. 19% Masa granuli Lp m [g] Siła niszcząca F [N] Wytrzymałość na nacisk s [N/g] Wartość oczekiwana [N/g] m [g] F [N] s [N/g] 1 0,353 330 935 100 2 0,389 457 1175 100 3 0,340 119 350 100 4 0,246 37 150 100 5 0,314 116 369 100 6 0,227 36 159 100 7 0,272 74 272 100 8 0,307 250 814 100 9 0,229 83 362 100 10 0,355 336 946 100 Wartość średnia 553,3 [ N/g] Odchyłka standardowa 355,4 [ N/g] Odch. Standardowe 331,4 [ N/g] Wartość maksymalna 1174,8 [ N/g] Wartość minimalna 150,4 [ N/g] Gęstość usypowa 935,7 kg/m^3 Wytrzymałość na zrzut ( 3 razy z wysokości 2,0 m na płytę stalową) R = 94,5 % Zawrót 20% Wytrzymałość na nacisk [N/g]: w-19% 1200 1000 800 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 wynik 935 1175 350 150 369 159 272 814 362 946 wartość oczekiwana 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 średnia w populacji 553 553 553 553 553 553 553 553 553 553 Rys. 10. Wytrzymałość na nacisk dla wilgotności mieszanki 19 %.
Wytrzumałość [N/g] Mieszanka z dodatkiem 3% MP-450 i 2% WM-2 o wilgotności 20 %. Tablica. 4. Wyniki pomiaru wytrzymałości na nacisk granulatu z mieszanki z dodatkiem 3% MP-450 i 2% WM-2 o wilgotności 20 %. 20 % Lp Masa granuli m [g] Siła niszcząca F [N] Wytrzymałość na nacisk s [N/g] Wartość oczekiwana [N/g] 1 0,400 74 185 100 2 0,285 31 109 100 3 0,297 48 162 100 4 0,405 489 1207 100 5 0,286 72 252 100 6 0,343 287 837 100 7 0,365 193 529 100 8 0,350 467 1334 100 9 0,454 630 1388 100 10 0,393 148 377 100 Wartość średnia 637,9 [ N/g] Odchyłka standardowa 485,0 [ N/g] Odch. Standardowe 442,9 [ N/g] Wartość maksymalna 1387,7 [ N/g] Wartość minimalna 108,8 [ N/g] Gęstość usypowa 930,4 kg/m^3 Wytrzymałość na zrzut ( 3 razy z wysokości 2,0 m na płytę stalową) R = 91,9 % Zawrót 17 % Wytrzymałość na nacisk [N/g]: w-20,0% 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 wynik 185 109 162 1207 252 837 529 1334 1388 377 wartość oczekiwana 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 średnia w populacji 638,0 638,0 638,0 638,0 638,0 638,0 638,0 638,0 638,0 638,0 Rys. 11. Wytrzymałość na nacisk dla wilgotności mieszanki 20 %.
Wytrzumałość [N/g] Mieszanka z dodatkiem 3% MP-450 i 2% WM-2 o wilgotności 22,5 %. Tablica. 5. Wyniki pomiaru wytrzymałości na nacisk granulatu z mieszanki z dodatkiem 3% MP-450 i 2% WM-2 o wilgotności 22,5 %. 22,5 % Masa granuli m [g] Siła niszcząca F [N] Wytrzymałość na nacisk s [N/g] Lp 1 0,323 155 480 2 0,315 221 702 3 0,358 86 240 4 0,350 185 529 5 0,357 183 513 6 0,341 225 660 7 0,329 136 413 8 0,189 73 386 9 0,312 96 308 10 0,278 217 781 Wartość oczekiwana [N/g] 100 Wartość średnia 501,1 [ N/g] Odchyłka standardowa 164,7 [ N/g] Odch. Standardowe 135,6 [ N/g] Wartość maksymalna 780,6 [ N/g] Wartość ninimalna 240,2 [ N/g] Gęstość usypowa 939,8 kg/m^3 Wytrzymałość na zrzut ( 3 razy z wysokości 2,0 m na płytę stalową) R = 97,5 % Zawrót 14 % Wytrzymałość na nacisk [N/g]: w-22,5% 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 wynik 480 702 240 529 513 660 413 386 308 781 wartość oczekiwana 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 średnia w populacji 501 501 501 501 501 501 501 501 501 501 Rys. 12. Wytrzymałość na nacisk dla wilgotności mieszanki 22,5 %.
Wytrzumałość [N/g] Mieszanka z dodatkiem 3% MP-450 i 2% TR-200 o wilgotności 20% Tablica. 6. Wyniki pomiaru wytrzymałości na nacisk granulatu z mieszanki z dodatkiem 3% MP-450 i 2% TR-200 o wilgotności 20 %. m [g] F [N] s [N/g] 1 0,368 132 359 2 0,268 94 351 3 0,361 155 429 4 0,456 137 300 5 0,328 81 247 100 6 0,308 53 172 7 0,370 183 495 8 0,243 76 313 9 0,338 122 361 10 0,278 95 342 Wartość średnia 336,8 [ N/g] Odchyłka standardowa 84,8 [ N/g] Odch. Standardowe 63,0 [ N/g] Wartość maksymalna 494,6 [ N/g] Wartość ninimalna 172,1 [ N/g] Gęstość usypowa 942 kg/m^3 Wytrzymałość na zrzut ( 3 razy z wysokości 2,0 m na płytę stalową) R = 97,0 % Zawrót 17% Wytrzymałość na nacisk [N/g]: w-20,0% 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 wynik 359 351 429 300 247 172 495 313 361 342 wartość oczekiwana 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 średnia w populacji 336 336 336 336 336 336 336 336 336 336 Rys. 13. Wytrzymałość na nacisk dla wilgotności mieszanki 20 %.
Mieszanka z dodatkiem 3% MP-450 i 2% TR-200 o wilgotności 18% Tablica. 7. Wyniki pomiaru wytrzymałości na nacisk granulatu z mieszanki z dodatkiem 3% MP-450 i 2% TR-200 o wilgotności 18 %. 18% Masa Siła Wytrzymałość Wartość Lp granuli niszcząca na nacisk oczekiwana m [g] F [N] s [N/g] [N/g] 1 0,228 2 9 100 2 0,261 49 188 100 3 0,322 58 180 100 4 0,259 8 31 100 5 0,249 2 8 100 6 0,352 24 68 100 7 0,297 18 61 100 8 0,301 64 213 100 9 0,284 17 60 100 10 0,312 46 147 100 Wartość średnia 96,4 [ N/g] Odchyłka standardowa 73,9 [ N/g] Odch. Standardowe 68,4 [ N/g] Wartość maksymalna 212,6 [ N/g] Wartość minimalna 8,8 [ N/g] Wytrzymałość na zrzut ( 3 razy z wysokości 2,0 m na płytę stalową) R = 77, % Zawrót 30 % Rys.14. Wytrzymałość na nacisk dla wilgotności mieszanki 18 %.
Wytrzumałość [N/g] Mieszanka z dodatkiem 3% MP-450 i 2% TR-200 o wilgotności 17% Tablica. 8. Wyniki pomiaru wytrzymałości na nacisk granulatu z mieszanki z dodatkiem 3% MP-450 i 2% TR-200 o wilgotności 17 %. 17 % Lp Masa granuli m [g] Siła niszcząca F [N] Wytrzymałość na nacisk s [N/g] Wartość oczekiwana [N/g] 1 0,308 25 81 100 2 0,344 18 52 100 3 0,277 5 18 100 4 0,317 46 145 100 5 0,294 101 344 100 6 0,296 6 20 100 7 0,342 81 237 100 8 0,294 26 88 100 9 0,325 29 89 100 10 0,218 31 142 100 Wartość średnia 121,7 [ N/g] Odchyłka standardowa 96,5 [ N/g] Odch. Standardowe 76,2 [ N/g] Wartość maksymalna 343,5 [ N/g] Wartość ninimalna 20,3 [ N/g] Gęstość usypowa 939,8 kg/m^3 Wytrzymałość na zrzut ( 3 razy z wysokości 2,0 m na płytę stalową) R = 70,7 % Zawrót 33 % Wytrzymałość na nacisk [N/g]: w-17,0% 350 300 250 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 wynik 81 52 18 145 344 20 237 88 89 142 wartość oczekiwana 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 średnia w populacji 122 122 122 122 122 122 122 122 122 122 Rys. 15. Wytrzymałość na nacisk dla wilgotności mieszanki 17 %.
Wyniki badania rozkładu granul pod działaniem wody przedstawiają zamieszczone poniżej fotografie. Przedstawiono na nich działanie wody na granule po upływie określanego czasu. Wygląd próbek z chwilą ich zalania wodą przedstawia rys.16
Rys.16. Wygląd próbek po zalaniu wodą Wygląd próbek po czasie 15 minut od ich zalania wodą przedstawia rys.17
Rys 17. Wygląd próbek po czasie 15 minut od ich zalania wodą przedstawia
Wygląd próbek po czasie jednej godziny od ich zalania wodą przedstawia rys.18
Rys.18.Wygląd próbek po czasie jednej godziny od ich zalania wodą Wygląd próbek po czasie pięciu godzin od ich zalania wodą przedstawia rys.19
Rys.18.Wygląd próbek po czasie pięciu godzin od ich zalania wodą Wygląd próbek po czasie pięciu godzin od ich zalania wodą i zamieszaniu przedstawia rys.20
Rys.20. Wygląd próbek po czasie pięciu godzin od ich zalania wodą i zamieszaniu.
Analiza wyników, z podaniem sposobu jej przeprowadzenia Do analizy przyjęto wyniki badania właściwości granul uzyskanych w procesie nawarstwiającej granulacji ciśnieniowej. W tablicy 9 zestawiono najistotniejsze parametry wytworzonych granul a mianowicie : 1. średnią wytrzymałość na nacisk [N/g], 2. odchylenie standardowe [N/g], 3. gęstość usypową [kg/m 3 ], wytrzymałość na zrzut (3 krotni z wysokości 2m) [%], 4. zawrót (konieczność zawrócenia nadawy do ponownego granulowania) [%] w zależności od wilgotności względnej nadawy dla mieszanek składających się z 95% dostarczonego surowca o średniej wilgotności względnej równej 18% i dodatków lepiszcza MP-450 w ilości 3% oraz Lepiszcza WM-2 w ilości 2%. Tablica 9. Zestawienie najistotniejszych parametry wytworzonych granul z lepiszczem uzupełniającym WM-2 Wilgotność mieszanki [%] 17,0 19,0 20,0 22,5 Średnia wytrzymałość na 570 553 638 501 nacisk [N/g] Odchylenie standardowe [N/g] 348 355 485 164 Gęstość usypowa granulatu [kg/m 3 ] 921 936 930 940 Wytrzymałość na 89,2 91,1 94,1 97,5 zrzut [%] Zawrót [%] 32 20 17 14 Stosunek odchyłki do wartości 61,0 64,2 77,0 32,7 średniej [%] uwagi W tablicy 10 zestawiono najistotniejsze parametry wytworzonych granul a mianowicie : 1. średnią wytrzymałość na nacisk [N/g], 2. odchylenie standardowe [N/g], 3. gęstość usypową [kg/m 3 ], wytrzymałość na zrzut (3 krotni z wysokości 2m) [%], 4. zawrót (konieczność zawrócenia nadawy do ponownego granulowania) [%] w zależności od wilgotności względnej nadawy dla mieszanek składających się z 95% dostarczonego surowca o średniej wilgotności względnej równej 18% i dodatków lepiszcza MP-450 w ilości 3% oraz lepiszcza TR-200 w ilości 2%.
Tablica 10. Zestawienie najistotniejszych parametry wytworzonych granul z lepiszczem uzupełniającym TR-200 Wilgotność mieszanki [5%] 17,0 18,0 20,0 Średnia wytrzymałość na 122 96,4 337 nacisk [N/g] Odchylenie standardowe [N/g] 96 74 85 Gęstość usypowa granulatu [kg/m 3 ] 939 936 942 Wytrzymałość na zrzut [%] 71,7 77,0 97,0 Zawrót [%] 33 30 17 Stosunek odchyłki do wartości średniej [%] 78,7 77,0 25,0 uwagi Z przeprowadzonej analizy badania wytrzymałości na nacisk wynika, ze w przypadku zastosowania lepiszcza uzupełniającego w postaci rozdrobnionej celulozy TR-200 w próbach o wilgotności 17 i18% założonej wytrzymałości nie uzyskało dla około 60% granul. Wyklucza to zastosowanie tych wilgotności dla tego lepiszcza. W próbie o wilgotności 20% wszystkie granule osiągnęły wytrzymałość powyżej 100 [N/g], a rozkład wytrzymałości w badanej populacji nie przekroczył 25%. Badania wytrzymałości na zrzut wykazały, że zadawalający wynik tj powyżej 95% posiadały granule wytworzone z mieszanki o wilgotności 20%. Analizując ilość zawrotu który wpływa niekorzystnie na wydajność granulatora ustalono, że wartość najniższą wykazywała mieszanka o wilgotności 20% dla której zawrót wynosił 17% Z przeprowadzonej analizy badania wytrzymałości na nacisk wynika, ze w przypadku zastosowania lepiszcza uzupełniającego zmodyfikowanej do postaci waty celuloz WM-2 we wszystkich próbach o wilgotności 17, 19, 20 i 22,5% wszystkie granule osiągnęły założoną wytrzymałość powyżej 100 [N/g]. Najkorzystniejszy rozkład wytrzymałości w populacji wykazała próba o wilgotności 22,5%, dla której stosunek odchyłki do wartości średniej wyniósł 32,7%. Badania wytrzymałości na zrzut wykazały, że zadawalający wynik tj powyżej 95% posiadały granule wytworzone z mieszanki o wilgotności 22,5%. Analizując ilość zawrotu który wpływa niekorzystnie na wydajność granulatora ustalono, że wartość najniższą wykazywała mieszanka o wilgotności 22,5% dla której zawrót wynosił 14%.
Wykonanej próbie czasu rozkładu otrzymanych granul pod działaniem wody stwierdzono, że po czasie 5 godzin wszystkie badane granulaty uległy rozpadowi (patrz rys.19). Po lekkim zmieszaniu najlepszy rozkład wykazały granulaty z 3% dodatkiem lepiszcza MP-450 i 2% dodatkiem lepiszcza WM-2 o wilgotności 19 i 20 % (patrz rys.20) We wszystkich badanych próbach o wilgotności do 19% stwierdzono dużą zmienność wytrzymałości na nacisk. Może to oznaczać brak homogenności mieszanki pod względem zawartości lepiszcza i wilgoci. Zaobserwowano również, że dla wilgotności powyżej 20% wytrzymałość poszczególnych granul ulega wyrównaniu. Jednak podnoszenie wilgotności spowoduje wzrost kosztów suszenia granulatu w okresie dojrzewania. Spowoduje także kłopoty z nalepianiem się nadawy na elementy granulatora jak również kłopoty z odcinaniem granulatu od matrycy i sklejanie się już wytworzonych granul. Wnioski z przeprowadzonych badań i receptura lepiszcza Na podstawie przeprowadzonych badań można wyciągnąć następujące wnioski: 1. W granulatorze z płaska matrycą można skutecznie wytworzyć granulat z odpadowego siarczanu wapnia. 2. W celu uzyskania możliwości zestalenia odpadowego siarczanu wapnia w granulatorze z płaską matryca konieczne jest dodanie lepiszcza. 3. Użyte lepiszcza w udziale 3% MP-450 z dodatkiem 2% lepiszcza WM-2 lub lepiszcza TR-200 zapewnia otrzymanie stałych granul w przedziale ziarnowym 2-6 mm. 4. Użycie lepiszcza z podanym udziałem stwarza możliwość wytworzenia granul o wytrzymałości >100N/g, wytrzymałości na zrzut >95% i czasie rozkładu w wodzie < 5 godzin. 5. Warunkiem otrzymania granul jest zapewnienie wilgotności nadawy w przedziale 21-23% 6. Przyjmując jako kryteria oceny następujące parametry: wytrzymałość na nacisk >100 N/g, wytrzymałość na zrzut >95%, ilość zawrotu (jak najmniejsza), zdolność do rozkładu pod działaniem wody oraz koszty suszenia granulatu proponuje się przyjąć jako rozwiązanie docelowe nadawę o składzie: 95% odpadowego siarczanu wapnia o średniej wilgotności około 18% z dodatkiem 3% lepiszcza MP-450, 2% lepiszcza WM-2 i wilgotności nadawy w zakresie 21-23%. 7. Bardzo istotnym czynnikiem jest zapewnienie dobrej homogenizacji składników nadawy pod względem składu i wilgotności.
8. Należy podkreślić, że pracę prowadzono w warunkach laboratoryjnych i przejście do technologii przemysłowej wymaga przeprowadzenia prób w skali półtechnicznej np. linii o wydajności 500kg/godzinę. Próby te pozwolą na wyeliminowanie problemów związanych z mieszaniem, dozowaniem lepiszcza i wody, jak również z przepływem nadawy i granulatu oraz ustaleniu warunków jego dosuszani i dojrzewaniem. Receptura lepiszcza Lepiszcze oznaczone symbolem MP-450 jest klejem roślinnym na bazie węglowodanów i jego zadaniem jest zapewnienie spójności granul po ich sprasowaniu. Lepiszcze to jest dostępne na rynku w cenie hurtowej 1,5-1,8 zł/ kg. Lepiszczem pomocnicze oznaczonym symbolem WM-2 jest zmodyfikowaną do postaci waty celulozą. Lepiszcze to stanowią dodatek mający na celu zapewnienie rozpadu uzyskanego granulatu pod wpływem działania wody. Pełni także rolę pomocniczą przy klejeniu cząstek siarczanu wapnia. Lepiszcze WM-2 jest wytwarzane z kartonu opakowaniowego w technologii znanej wykonawcy badań. Lepiszcze TR-200 jest produktem mielenia drewna do rozmiaru poniżej 200 mikrometrów i stanowi dodatek umożliwiający rozpad granul pod działaniem wody. Lepiszcza należ stosować przy najmniejszym ich udziale procentowym także ze względów ekonomiczny. Udział ten nie powinien być mniejszy niż 3% MP- 450, niż 2% WM-2 lub 2 % TR-200. Badania przeprowadził i raport sporządził dr inż. Tomasz Dzik