Підвищення ефективності тонкого помолу на основі принципу енергетичної селективності дезінтегратора

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ТОНКОГО ПОМЕЛУ НА ОСНОВІ ПРИНЦИПУ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ СЕЛЕКТИВНОСТІ ДЕЗІНТЕГРАТОРА

1. ПРОБЛЕМНІСТЬ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ТОНКОГО ПОДРІБНЕННЯ

селективність подрібнення дезінтегратор млин

Диспергування твердих тіл, що реалізується подрібненням їх до частинок малих розмірів, здійснюється з метою підвищення швидкості гетерогенних процесів [1,2]. Із зростанням ступеня дисперсності речовини збільшується її розчинність та хімічна активність. Змінюючи ступінь подрібнення матеріалів можна впливати на їх технологічні параметри. У більшості випадків практичне використання твердих матеріалів у гетерогенних та твердофазних реакціях без їх попереднього подрібнення взагалі є неможливим. Оскільки майже всі матеріали, що застосовуються у різних галузях виробництва, в звичайних умовах перебувають у твердому стані, подрібнення є однією з основних операцій їх переробки.

Відомі різні способи одержання твердих тіл у дисперсному стані. З них найпростішим, найекономічнішим і, внаслідок цього, найрозповсюдженішим є механічне подрібнення. Технологію здрібнення твердих матеріалів було опановано людством з прадавніх доісторичних часів. У теперішній час, зважаючи на багатотоннажність галузей виробництва, що обслуговуються, подрібнення відноситься до числа найенергоємніших, найматеріалоємніших та найуживаніших процесів.

Основна проблема технології дезінтеграції полягає у парадоксальній залежності між витратами енергії та дисперсністю матеріалу. Ця проблема породжує протиріччя між, з одного боку, відносною досконалістю сучасних технологій та обладнання для подрібнення, та, з іншого, надзвичайно низькою енергетичною ефективністю робочих процесів, коефіцієнт корисної дії яких оцінюється у 0,1-0,001 % [3]. Загострення в останній час глобальної енергетичної кризи, у тому числі та перш за все в національній економіці України, робить таке протиріччя усе більш відчутним, а задачу хоча б часткового його послаблення усе більш актуальною.

Практична актуальність та еврестичність проблеми подрібнення привертає увагу дослідників вже більше 150 років. Було виявлено багато закономірностей процесів, на основі яких розроблено методики розрахунку технологій та обладнання. Емпіричні співвідношення між енергозатратами та дисперсністю Кіка, Ріттингера та Бонда, які прийнято називати законами подрібнення, стали класичними та широко використовуються у виробничій практиці [4].

Однак жодна з раніш опублікованих теорій і жоден з емпіричних законів подрібнення не є коректними в області тонкого та надтонкого диспергування [5].

Загальний вираз емпіричної залежності, що характеризує енергетичні витрати на зниження розмірів частинок, у спрощеній формі маж вигляд [4,6]

(1.1)

де Е - питома енергія, що надається одиниці об'єму тіла, що руйнується, яка є необхідною для приросту енергії поверхні, що заново утворюється; К - коефіцієнт пропорційності; l - середній розмір частинки; n - коефіцієнт, що залежить від діапазону розмірів частинки та способу подрібнення.

Рис. 1.1 Залежності питомої витрати енергії Е від розмірів частинок, що подрібнюються (за [4]).

Закон Кіка-Кирпичова, що встановлює пропорційність між витратами енергії на подрібнення тіла та зміною об'єму, відповідає значенню коефіцієнта n=1. Закон Ріттингера, що встановлює пропорційність між витратою енергії на подрібнення та поверхнею, що заново утворилась, відповідає значенню n=2. Емпіричний закон Бонда відповідає значенню n=1,5.

На рис. 1.1 зображено графічну інтерпретацію виразу (1.1) (за [4]), яка засвідчує, що закон Кіка-Кирпичлва є придатним для процесів дроблення або грубого подрібнення, закон Ріттингера - для середнього подрібнення, закон Бонда - для проміжного випадку і жоден з цих законів не є придатним для процесів тонкого подрібнення.

Як наслідок процес тонкого здрібнення в чисто технологічному аспекті залишається незрозумілим, його закономірності лише наближено на емпіричному рівні сформульованими, а теорія робочих процесів подрібнюючого обладнання не розробленою [7]. Невдачі у пошуках універсальних законів подрібнення зумовлені однобічною механічною інтерпретацією процесів, що відбуваються при руйнуванні твердих тіл, і неврахуванням впливу зовнішнього середовища на процес та енергетику диспергування.

2. СУЧАСНЕ ПОМОЛЬНЕ ОБЛАДНАННЯ

2.1 КЛАСИФІКАЦІЯ ДЕЗІНТЕГРАТОРІВ

Для тонкого подрібнення твердих матеріалів застосовується широка гама млинів різних типів, що є відмінними за принципом дії та будовою. До цього часу не розроблено єдиної методики порівняльної оцінки дезінтеграторів та однозначного визначення області їх застосування.

З огляду на це найзручнішою видається класифікація млинів за величиною швидкості робочих органів, запропонована Таггартом А.Ф. [7,8]. У табл. 1.1 наведено таку класифікацію, що поділяє подрібнювачі на три групи за робочою швидкістю та властивостями подрібнюваних матеріалів.

Таблиця 1.1 Класифікація млинів за Таггартом А.М.

Для чисельної порівняльної оцінки робочих параметрів подрібнювачів доцільно застосувати діаграми їх характеристик за міцністю матеріалів, розміром частинок та ступенем подрібнення, складені Ревнивцевим В.І. [7] (рис. 1.2).

Незважаючи на велику різноманітність дезінтеграторів, основним обладнанням багатотоннажного тонкого подрібнення будівельних та інших матеріалів, внаслідок низки переваг, залишаються барабанні млини.

Рис. 1.2 Порівняльні характеристики млинів за граничною міцністю подрібнюваного матеріалу f, діапазоном розміру частинок вихідного та кінцевого продукту d та ступенем подрібнення К за Ревнивцевим В.І.

Слід зазначити, що в останній час збільшилось використання тарільчасто-валкових або вертикальних валкових млинів, які, завдяки меншій енергоємності, потенційно складають конкуренцію барабанним млинам. Проте внаслідок порівняно низької надійності застосування середньоходових валкових дезінтеграторів обмежується обробкою переважно сировинних матеріалів із обмеженою міцністю та абразивністю [9]. Натомість барабанні млини є універсальним обладнанням і найбільш ефективні для подрібнення твердих абразивних матеріалів, зокрема клінкеру.

2.2 БАРАБАННІ МЛИНИ

Хронологія використання барабанних млинів починає відлік від патенту Німеччини № 62871, отриманого 30 червня 1891 року Коноу та Девідсоном [10]. З того часу варіант запропонованого млина із циліндричною робочою камерою барабана (рис. 3а) не зазнав суттєвих принципових конструктивних змін, що засвідчує доволі високий рівень досконалості запатентованого технічного рішення.

Основними типами сучасних барабанних млинів є кульові, трубні, самоподрібнення та барабанно-валкові. У табл. 1.2 наведено основні технічні характеристики зазначених чотирьох типів млинів.

Кульові млини використовуються для середнього за тониною подрібнення переважно при мокрому помелі. Параметри таких млинів можуть нормуватись за міжнародним стандартом [11]. Як молольні тіла застосовуються стальні кулі [12].

Найпоширенішими в промисловості будівельних матеріалів є трубні млини, що здійснюють тонке подрібнення при сухому та мокрому помелі. Параметри цих млинів можуть нормуватись міжнародним стандартом [13]. Як молольні тіла використовуються кулі, цильпебс та мініпебс. Використовуються одно- та двокамерні трубні млини закритого циклу (рис. 1.4 та 1.5) та сепараторні (рис. 1.6 та 1.7).

Таблиця1.2 Основні технічні характеристики барабанних млинів

Рис. 1.4. Однокамерний млин закритого циклу.

Рис. 1.5. Двокамерний млин закритого циклу.

Рис. 1.6. Однокамерний сепараторний млин.

Рис. 1.7. Двокамерний сепараторний млин.

Млини самоподрібнення використовуються для грубого попереднього подрібнення, без застосування молольних тіл, при сухому та мокрому помелі.

Барабанно-валкові млини є порівняно новим різновидом барабанних млинів і застосовуються для надтонкого подрібнення при сухому помелі. Робочим органом є валок, що притискає вільну поверхню пристінкового шару подрібнюваного матеріалу. Такі млини можуть використовуватись як активатори [14] із застосуванням розпушувачів для інтенсифікації процесу (рис. 1.8).

Рис. 1.8 Схема барабанно-валкового активатора: 1 - барабан, 2 - вантажний лоток, 3 - розвантажний лоток, 4 - валок, 5 - розвантажний ніж, 6 - розпушувач, 7 - притискний пристрій.

Загалом подрібнення в барабанних млинах здійснюється поєднанням ударної, стираючої та роздавлюючої дії робочих органів на матеріал.

а б

Рис. 1.9 Схема осьового пересування подрібнюваного матеріалу: а - в однокамерному барабані, 2 - у багатокамерному барабані.

Більшість таких млинів працюють за безперервним режимом. Матеріал просувається вздовж камери та крізь молольне завантаження під дією тиску нових його порцій, що безперервно надходять. Таке осьове пересування забезпечується змиванням пульпи при мокрому помелі, а при сухому - за рахунок перепаду рівнів завантаженого та розвантаженого матеріалу (рис. 1.9). Продуктивність барабанних млинів визначається кількістю матеріалу, що подається у камеру.

До недоліків барабанних млинів, крім зазначеної високої енергоємності процесу, можна віднести відносно швидке зношування молольних тіл і футерівки та високий рівень шуму і вібрації при роботі.

3. ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ НА ОСНОВІ ПРИНЦИПУ СЕЛЕКТИВНОСТІ ПОДРІБНЕННЯ

3.1 РОЗВИТОК ТЕОРІЇ РУЙНУВАННЯ МАТЕРІАЛІВ

В останній час подальший розвиток теорії руйнування пов'язано переважно із фізико-хімічною механікою, як галуззю науки про закономірності технологічних процесів, результати якої базуються на аналізі великого блоку експериментальних даних [36].

У зв'язку із цим було встановлено, що енергія, необхідна для руйнування частинки, визначається сумою робіт пружної та пластичної граничних деформацій. Механічне руйнування твердого тіла відбувається при створенні у ньому граничних пружних напружень, які на кінцевій стадії руйнування неминуче супроводжуються пластичними деформаціями, на які витрачається значна частина роботи зовнішніх сил. Пластичному деформуванню піддаються тонкі шари частинок, що безпосередньо межують із поверхнею розколювання. Товщина таких шарів та густина витрат енергії на пластичне деформування при граничному руйнівному напруженні визначається лише природою твердого тіла та особливостями умов руйнування, а не розмірами фрагментів, що руйнуються.

Отже, питомі витрати енергії на пластичне деформування є пропорційними площі поверхні вже зруйнованих частинок та збільшуються пропорційно зменшенню їх розмірів, тоді як питомі витрати енергії на граничне пружне деформування від дисперсності не залежать. Пластичне деформування стає визначальним у балансі витрат енергії на подрібнення частинок малих розмірів навіть доволі крихких матеріалів.

Для всіх крихких, а тим більше пластичних твердих тіл, об'ємна густина енергії граничних пластичних деформацій є багаторазово більшою, ніж у пружних. Тому закон Кіка виконується лише коли розміри кусків подрібнюваного матеріалу є на декілька порядків більшими за товщину шару пластичних деформацій.

Крім того, надтонке подрібнення супроводжується утворенням надзвичайно щільних агрегатів високодисперсних частинок. На утворення та руйнування агрегатів витрачається енергія млина, частка якої завжди збільшується зі зростанням дисперсності. Отже, молекулярнощільне агрегування також робить некоректними трактовки процесів механічного подрібнення без урахування цього фактору.

Слід також зазначити, що згідно сучасної теорії дислокацій реальна міцність кристалічних матеріалів є на 2-3 порядки меншою за теоретичну, оскільки реальні тверді тіла містять велику кількість неоднорідностей.

Як наслідок, макро- та мікронеоднорідності частинок матеріалу, адгезія та агрегування дисперсних матеріалів, взаємодія подрібнюваного матеріалу та подрібнюючих поверхонь передбачають стадійність процесу.

Процес помелу такого типового будівельного матеріалу, як цементний клінкер, характеризується трьома стадіями (рис. 1.13) [37].

Рис. 1.13 Залежність витрати енергії Е на помел клінкеру від питомої поверхні S (за [37]).

На першому етапі помелу відбувається розкриття великих і малих пор та подрібнення речовини на окремі кристали. Опір розмелу є невеликим і залежить в основному від пористості частинок. Питома поверхні зростає пропорційно витратам енергії.

При подальшому руйнуванні матеріалу на другому етапі кількість дефектів структури значно зменшується, опірність матеріалу розмелюванню зростає і для подрібнення окремих кристалів потрібно значно більша витрата енергії. На цьому етапі робота руйнування залежить від мікроструктури та фазового складу матеріалу. Зростання питомої поверхні сповільнюється, однак лінійна залежність витрати енергії від приросту питомої поверхні зберігається.

На третьому етапі процес подрібнення окремих кристалів супроводжується явищем налипання та агрегування. Ця стадія характеризується експоненціальним зростанням опору розмелюванню.

Рис. 1.14. Залежність маси крупного класу у розвантаженні млина від часу подрібнення (за [6]).

Зниження енергії дії молольних тіл, витрата енергії на додаткове подрібнення заново агрегованих частинок матеріалу, на пластичні необоротні деформації шару, що налипнув, збільшення кількості роботи на тертя спричинюють зниження продуктивності млинів та підвищення температури в робочих камерах.

При тонкому подрібненні явища налипання та агрегування можуть привести до припинення зростання питомої поверхні або навіть до її зменшення. За такої умови вся енергія, що витрачається на подрібнення, іде не утворення агрегатів і процес помелу загасає (рис. 1.14).

Вираз для загальної роботи руйнування А_р можна представити у вигляді [38]

(1.2)

де у - напруження в робочому середовищі, Е - модуль пружності матеріалу, l - вихідний розмір куска матеріалу, і - ступінь подрібнення, n_ч - кількість частинок куска, що одержується. Аналіз (1.2) засвідчує недоцільність помелу лише в одній камері із високим ступенем подрібнення. Більш економічно проводити подрібнення у декількох послідовно встановлених камерах із обов'язковим відбиранням частинок певної фракції, що не потребують подальшого подрібнення. Як наслідок знижується витрата енергії на подрібнення, збільшується продуктивність та отримується більш однорідний за розмірами кінцевий продукт.

3.2 СТАДІЙНІСТЬ ПОДРІБНЕННЯ

Реалізувати принцип селективності подрібнення для барабанних млинів можна за допомогою внутрішньо- або зовнішньокамерної багатостадійності робочого процесу.

Внутрішньокамерна багатостадійність подрібнення давно і доволі широко застосовується в барабанних і особливо трубних млинах. Вона здійснюється шляхом створення відповідних раціональних режимів руху внутрішньокамерного завантаження. Це досягається за рахунок варіації розміру молольних тіл, ступеня заповнення та фрикційних властивостей поверхні камери, розмірів та форми камери, швидкості обертання барабана.

Застосування класифікуючої бронефутерівки сприяє осьовій сегрегації молольних тіл. При цьому великі молольні тіла прагнуть зосередитись на початку камери для здійснення грубого подрібнення великими ударними імпульсами, а малі тіла прагнуть пересунутись у кінець камери для здійснення тонкого подрібнення стиранням по великим зсувним поверхням.

Робочі камери трубних млинів можуть розділятись перегородками на дві або три підкамери із різними конструктивними параметрами. У напрямку від початку спільної камери до її кінця зменшується розмір молольних тіл, ступінь заповнення камер та висота виступів на поверхні футерівки.

Для посилення ефекту селективності можуть використовуватись млини із конічною [50] (рис. 1.19а) або ступінчастою [51] (рис. 1.19б) формою камери. При цьому в напрямку від початку до кінця камери зменшується розмір молольних тіл, завдяки осьовій сегрегації, ступінь заповнення камери та висота падіння тіл.

а б

Рис. 1.19 Схеми барабанних млинів із нециліндричною формою камери: а - конічна форма (1 - днище, 2 - опора, 3 - циліндрична частина, 4 - конічна частина, 5 - вантажна цапфа, 6 - розвантажна цапфа); б - ступінчаста форма (1 - камера, 2 - вантажна цапфа, 3 - розвантажна цапфа, 4 - перегородка).

Нарешті в барабанних млинах періодичної дії можна використовувати привод зі змінною швидкістю обертання. Тоді на першому етапі подрібнення швидкість підвищується для збільшення висоти падіння та ударної дії молольних тіл, а на другому етапі швидкість знижується для зменшення підкидання та збільшення стираючої дії тіл.

Однак можливості зміни режимів руху завантаження в середині камери одного млина є доволі обмеженими.

Зовнішньокамерна багатостадійність подрібнення дозволяє значно ефективніше реалізовувати переваги селективності дезінтеграції завдяки можливості обертання окремих млинів, що здійснюють стадії помелу, із різними швидкостями. Млин першої стадій грубого подрібнення обертається із підвищеною швидкістю для посилення ударної дії завантаження, а млин останньої стадії тонкого подрібнення із пониженою швидкістю для інтенсифікації стираючої та роздавлюючої дії на матеріал. Разом з тим застосування зовнішньокамерної багатостадійності є ще обмеженим через суттєві капітальні витрати, збільшення габаритності та ускладнення технологічної схеми та обладнання.

Рис. 1.20. Схеми двостадійного помелу із замкненим циклом на окремих стадіях (за [8]): а - замкнений цикл на першій стадії, б - замкнений цикл на другій стадії (1 - млин грубого подрібнення, 2 - груба фракція, 3 - грубо подрібнений матеріал, 4 - сепаратор, 5 - млин тонкого подрібнення, 6 - елеватор).

Рис. 1.21 Схема двостадійного подрібнення із замкненим циклом на обох стадіях (за [8]): І та ІІ - сепаратори, 1 - млин грубого подрібнення, 2 - груба фракція після першого сепаратора, 3 - тонка фракція після першого сепаратора, 4 - млин тонкого подрібнення, 5 - груба фракція після другого сепаратора, 6 - готовий цемент).

Застосування двостадійного подрібнення у двох окремих барабанних млинах було започатковано в середині ХХ століття у цементній промисловості США [8]. Використовувались схеми двостадійного помелу із замкненим циклом на окремих (рис. 1.20) та на обох (рис. 1.21) стадіях.

Рис. 1.22. Схема помольної установки «Мініпебс»: 1 та 2 - подавання клінкеру та гіпсу, 3 - багатокамерний млин грубого подрібнення, 4 - млин тонкого подрібнення «Мініпебс», 5 - готовий цемент, 6 - електрофільтр.

Було розроблено помольну установку двостадійного подрібнення «Мініпебс» (рис. 1.22), де в однокамерному млині тонкого помелу для підвищення тонини було застосовано мініпебс, що є цильпебсом малого розміру - 4-8 мм [30].

Рис. 1.23. Схема помольної установка із двостадійним подрібнення у двох барабанних млинах (за [52]): 1 - подавання клінкеру, 2 - млин грубого подрібнення, 3 - сепаратор млина грубого подрібнення, 4 - подавання тонкої фракції після грубого подрібнення, 5 - сепаратор млина тонкого подрібнення, 6 - млин тонкого подрібнення, 7 - подавання добавок.

Рис. 1.24 Схема тристадійного подрібнення у трьох барабанних млинах. [52] описано сучасну помольну установку в Німеччині (рис. 1.23), що при експлуатації показала доволі високу ефективність. Це дозволило авторам стверджувати про ренесанс застосування двостадійного подрібнення цементу в окремих барабанних млинах.

Подальше підвищення ефективності подрібнення пов'язано зі збільшенням числа стадій. В [53] наведено схему тристадійного подрібнення в трьох барабанних млинах (рис. 1.24).

Разом з тим, незважаючи на доволі широку виробничу апробацію багатостадійності подрібнення в барабанних млинах, на сьогоднішній день відсутня обґрунтована методика вибору технологічних та конструктивних параметрів обладнання. Розробка надійних рекомендацій щодо інтенсифікації такої потенційно перспективної технології можливо лише на основі створення адекватних методів прогнозування динамічної поведінки завантаження в робочій камері барабанного млина.

ВИСНОВКИ

1. Проблемність технологічного процесу тонкого подрібнення полягає у некоректності жодного з емпіричних законів здрібнення в області тонкого та надтонкого диспергування. Вона зумовлена парадоксальною залежністю між витратами енергії та дисперсністю подрібнюваного матеріалу.

2. Проблемність тонкого диспергування породжує протиріччя між, з одного боку, відносною досконалістю сучасних технологій та обладнання для подрібнення, та, з іншого боку, надзвичайно низькою енергетичною ефективністю процесів.

3. Незважаючи на велику різноманітність дезінтеграторів, основним обладнанням багатотоннажного тонкого подрібнення, внаслідок низки переваг, залишаються барабанні млини.

4. Традиційні тенденції розвитку барабанних млинів, пов'язані зі збільшенням габаритів, удосконаленням футерівки, застосуванням внутрішньокамерних енергообмінних пристроїв та поверхнево-активних речовин, вичерпали свої можливості щодо підвищення ефективності процесу подрібнення.

5. Ефективність застосування регульованого безредукторного електроприводу барабанних млинів в значній мірі визначається можливістю адекватного прогнозування режимів руху внутрішньокамерного завантаження в залежності від швидкості обертання.

6. Новим технологічним напрямком радикального підвищення ефективності дезінтеграції є селективність подрібнення, яка передбачає вибіркове за формою та величиною підведення енергії до матеріалу з метою мінімізації витрат на руйнування.

7. Принцип селективності подрібнення для барабанних млинів реалізується шляхом організації внутрішньо- або зовнішньокамерної багатостадійності робочого процесу.

8. Обґрунтування параметрів багатостадійого подрібнення можливе лише на основі створення методів прогнозування динамічної поведінки внутрішньокамерного завантаження.

Размещено на Allbest.ru