Тепловая изоляция на основе легких пористых наполнителей — вермикулита и перлита

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов является одной из приоритетных задач в развитии российской энергетики, и важная роль в решении проблемы энергосбережения принадлежит высокоэффективной промышленной тепловой изоляции.

Эффективная тепловая изоляция обеспечивает не только возможность проведения технологических процессов при заданных параметрах, но и позволяет создать безопасные условия труда.

В энергетике объектами тепловой изоляции являются котлы, турбины, теплообменники, баки-аккумуляторы горячей воды, дымовые трубы и трубопроводы.

Наибольшее распространение получили волокнистые теплоизоляционные материалы, представленные традиционно применяемыми матами минераловатными прошивными безобкладочными или в обкладках плитами и изделиями минераловатными.

Одним из перспективных видов тепловой изоляции являются материалы и изделия на основе легких пористых наполнителей — вермикулита и перлита. В рамках выполнения задачи по внедрению в практику новых эффективных теплоизоляционных материалов и конструктивных технических решений, обеспечивающих снижение тепловых потерь, в 2019 году реализован проект по строительству в г. Ступино Московской области завода по производству теплоизоляционных материалов и фасонных изделий на основе вспученного вермикулита.

В настоящее время предприятие выпускает сухие штукатурные теплоизоляционные смеси и плиты на основе вспученного вермикулита. Свойства вспученного вермикулита позволяют использовать материалы и изделия, изготовленные на его основе, при температуре до 1100 °С включительно.

При проектировании было определено, что теплоизоляционные смеси будут использоваться в качестве напыляемой тепловой изоляции турбоагрегатов и барабанов котлов, в качестве штукатурного покрытия в теплоизоляционных конструкциях на вибрирующем оборудовании (насосы, дымососы, мельницы, вентиляторы, шатер котла, газо-воздухопроводы), а также в качестве покровного слоя по основному слою, как альтернативная замена асбестосодержащих составов.

Плиты теплоизоляционные на основе вермикулита должны были полностью заменить перлитоцементные, перлитокерамические, перлитофосфогелиевые изделия.

Подробнее о вермикулите

Термин «вермикулит» вплоть до середины 30-х годов XX века не имел четкого минералогического определения. К ним относили все слюдоподобные минералы, вспучивавшиеся при обжиге. Все так называемые «технические» вермикулиты являются продуктами изменения (гидратации) флогопита и биотита. При нагревании в интервале температур 400-1000 °С они дегидратируются и вспучиваются, увеличиваясь в объеме в несколько раз.

Сравнительно редкое распространение в земной коре крупных месторождений вермикулита, на базе которых может быть создано высокорентабельное производство, привело к тому, что развитую отрасль вермикулитовой промышленности имеют только две страны мира — США и ЮАР. Реальные перспективы создания вермикулитовой промышленности в нашей стране возникли в середине 60-х годов прошлого века в связи с открытием на Кольском полуострове крупнейшего в Европе Ковдорского вермикулитового месторождения. В настоящее время страны СНГ по разведанным запасам вермикулита занимают первое место в мире, балансовые и прогнозные запасы по открытым 30 месторождениям оцениваются более чем в 200 млн. тонн. Распределение запасов вермикулита по крупным экономическим районам Российской Федерации представлено в табл.1Объединение независимых экспертов в области минеральных ресурсов, металлургии и химической промышленности. Обзор рынка вермикулита и продукции на его основе в СНГ / Объединение независимых экспертов в области минеральных ресурсов, металлургии и химической промышленности. Москва.: INFOMINE Research Group, 2011. 215 с.

Таблица 1. Распределение запасов вермикулита по крупным экономическим районам РФ

Район

Запасы, млн. т

%

Северо-запад России

85

68

Южный Урал

22

17,6

Западная и Восточная Сибирь

8

6,4

Дальний Восток

10

8

Проблемы сырьевой базы

При проектировании предприятия рассматривалось несколько месторождений вермикулита. Несмотря на обширную «в теории» сырьевую базу, количество действующих месторождений на территории России ограничено. Ковдорское месторождение — основное по количеству запасов вермикулита — в настоящее время не разрабатывается, что в большой степени обусловлено различным минералогическим составом руды на разных его участках и значительным содержанием пустой породы при отсутствии экономически эффективных способов обогащения. Месторождения Дальнего Востока Кокшаровское и Татьяновское также в настоящее время не разрабатываются.

В качестве основного сырья при проектировании завода был принят вермикулит Татарского месторождения в Красноярском крае, на долю которого приходится 3-4% запасов вермикулита в России. В качестве альтернативы рассматривался вермикулит Потанинского месторождения (Урал). Из-за высокой стоимости доставки и логистических сложностей использование сырья импортного производства (Китай и ЮАР) не представлялось целесообразным. Необходимо уточнить, что доля транспортных расходов концентрата из Красноярска составляет 38% от конечной стоимости сырья, также необходимо принять во внимание сезонность поставок, а следовательно, необходимость резервирования складских площадей для хранения.

Многочисленные исследования, данные лабораторных испытаний и данные производства показали, что «технический вермикулит» различных месторождений дает значительные колебания в показателях объемного коэффициента вспучивания (Квсп). Так, например, у «истинных вермикулитов» Квсп = 5-10; «вермикулит-гидрофлогопитный» и «вермикулит-гидробиотитовый» — гидрослюды высокой степени гидратации имеют Квсп = 3,5-5,0 и, наконец, для низкогидратированных гидрофлогопитов и гидробиопитов характерен Квсп = 2,0-3,5.

При массовом производстве было установлено, что коэффициент вспучивания концентрата Татарского месторождения составляет 4,5-5,5, и существенное влияние на этот показатель влияет влажность сырья, которая меняется в зависимости от сезона. Для вермикулита Потанинского месторождения коэффициент вспучивания находится в пределах 6.

Одной из проблем, с которыми нам пришлось столкнуться, было содержание в концентрате частиц, которые не вспучиваются, так называемой «пустой породы», а также мелких и пылевидных частиц. Установлено, что с увеличением содержания пустой породы в сырье производительность установки снижается с 1,8 до 0,9 м3/час, что приводит к повышению затрат на обжиг. При увеличении содержания пустой породы до 30% себестоимость вспученного вермикулита возрастает на 35% по сравнению с производством вермикулита из концентрата, содержащего около 10% пустой породы. Количество неизбежно образующихся потерь при вспучивании концентрата Татарского месторождения составляет более 25%. Для концентрата Потанинского месторождения данный показатель ниже, но насыпная плотность конечного продукта на 30-40 единиц выше, что связано с формой частиц вспученного вермикулита — другим важным и проблемным параметром.

Вспученные вермикулиты, в зависимости от исходного сырья, имеют не только разный цвет, но и разную форму гранул. Было установлено, что оптимальной формой для производства штукатурных теплоизоляционных смесей является кубообразная или сферическая форма зерен, которая обеспечивает необходимую плотность упаковки, равномерность структуры и конечную прочность продукта. Получение зерен данной формы и плотность вспученного вермикулита в диапазоне от 100 до 150 кг/м3 обеспечивает Татарский концентрат, но большое содержание мелких и пылевидных частиц во вспученном вермикулите увеличивает плотность конечных продуктов и изделий.

Потанинский концентрат, который относится к группе биотитов, при вспучивании образует частицы пластинчатой, чешуйчатой формы (рис.1). Плотность вспученного вермикулита составляет 120-180 кг/м3.

Использование Потанинского вермикулита в штукатурных смесях обеспечивает получение установленных показателей теплопроводности, плотности и прочности смесей, но слоистая структура препятствует формованию прессованных изделий. Плиты расслаиваются, их структура неоднородная, а равномерное распределение связующего не обеспечивается. Также теплопроводность пластинчатых частиц несколько меньше, чем у кубообразных. Смешивание вермикулита из различных концентратов также не принесло положительных результатов.

Все вышеуказанные проблемы позволяют рассмотреть частичную замену вермикулита другим пористым наполнителем — перлитом.

Подробнее о перлите

Перлиты относятся к вулканическим силикатным стеклам. Собственно перлитами называют породы, состоящие из стекловидной массы в виде шариков. Аморфная структура перлитов связана с остыванием магмы — лавы — продукта жизнедеятельности вулканов. Одним из главных классификационных признаков вулканических стекол принято считать содержание воды в пределах 3,5-6,3%, а также способность вспучиваться при температурах 900-1200 °С. Коэффициент вспучивания перлитовых пород колеблется от 5 до 13,7. Степень вспучивания обусловлена их микроструктурными особенностями, содержанием воды, пористостью и другими факторами. Перлиты отличает относительно высокое постоянство состава сырья, колебания химического состава перлитового сырья различных месторождений незначительны.

Крупнейшими производителями перлита в мире являются США, Греция, Венгрия. Экспортирует перлит Украина. В настоящее время основным экспортером перлитового сырья в России является Армения, на территории которой есть несколько крупных месторождений, обеспечивающих производство вспученного перлитового песка плотностью 50-150 кг/м3.

Важнейшим преимуществом данного материала помимо постоянства состава является его стоимость. Так, стоимость перлитового сырья Арагацкого месторождения (Армения) в 2,5-3 раза ниже, чем стоимость вермикулитового концентрата Татарского месторождения (данные приведены с учетом доставки до завода ООО «ИТЦ»).

Зерна вспученного перлита имеют форму, близкую к сферической. Также, как и вермикулит, зерна перлита имеют высокую пористость, но при этом перлит имеет меньшие показатели водопоглощения, чем у вермикулита. В то же время достоинством вермикулитовых частиц можно считать большую упругую деформацию.

Характерной особенностью зернового состава перлита является большая стабильность показателей насыпной плотности по фракциям по сравнению с вермикулитом (рис.2).

Основным показателем эффективности теплоизоляционных материалов является их теплопроводность. По ГОСТ 12865 теплопроводность вспученного вермикулита составляет 0,05-0,09 Вт/м·К при насыпной плотности 105-200 кг/м3. Для вспученного перлита этот показатель составляет 0,046-0,07 Вт/м·К при насыпной плотности 50-150 кг/м3.

Единственным показателем, по которому перлит значительно уступает вермикулиту, — температура применения, которая не превышает 700 °С, что во время проектирования завода и определило преимущество вермикулита.

Новые возможности

Как показывает опыт применения материалов на основе вспученного вермикулита производства ООО «ИТЦ» на объектах, температура, при которой данные материалы используются, не превышает 600 °С, поэтому рассматривать вариант замены вермикулитового сырья на перлитовое не только возможно, но и исходя из вышесказанного целесообразно. Использование вспученного перлита снизит стоимость готовых материалов и изделий, а также улучшит ряд характеристик, в том числе объемный вес и теплопроводность, а также упростит монтаж.

С конца 2020 года в ООО «ИТЦ» ведутся экспериментальные работы по частичной замене вспученного вермикулита вспученным перлитом.

При лабораторных испытаниях установлено, что замена 20% вермикулита в штукатурной смеси позволяет на 6-10% снизить объемный вес затвердевшего покрытия и снизить коэффициент теплопроводности до 0,085 Вт/м·К. Добавление в смесь большего количества перлита ухудшает ее технологичность и затрудняет нанесение. В настоящее время уточняется возможность реализации ввода перлита в штукатурные смеси на действующем оборудовании.

Хороших результатов удалось добиться при изготовлении плит из вспученного перлита и неорганического связующего. Полученные образцы плит имеют плотность 250-260 кг/м3 и теплопроводность при температуре 25 °С по ГОСТ 7076 — 0,075 Вт/М·К.

Ведутся работы по изготовлению тестовых образцов двухслойных плит, в которых используются одновременно и перлит, и вермикулит.

В настоящее время ожидается поставка перлитового сырья Арагацкого месторождения, для оценки возможности вспучивания перлита на имеющейся технологической линии.

Как уже говорилось выше, замещение вермикулита перлитом способствует решению целого ряда задач: снижению себестоимости готовых материалов и изделий, а также повышению эффективности теплоизоляции за счет снижения объемного веса и теплопроводности. Тестовые партии материалов и изделий будут переданы потенциальным потребителям. В случае получения положительных результатов, ООО «ИТЦ» направит усилия на взаимодействие с заинтересованными организациями для проведения мониторинга объектов в части их тепловой изоляции. так как организация натурных наблюдений, сбор, анализ и обобщение информации об эксплуатационных свойствах новых теплоизоляционных материалов, используемых в конструкциях промышленной тепловой изоляции, необходима и обязательна.