Энергетические параметры работы шаровых мельниц замкнутого цикла измельчения Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.926.5

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РАБОТЫ ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

© 2007 г. Р.Р. Шарапов

Использование замкнутого цикла измельчения продуктов цементного производства играет существенную роль в повышении эффективности всего производства в целом и эффективности тонкого измельчения в частности. Предложен способ и конструктивное решение для интенсификации процесса измельчения цементного клинкера и добавок в цементных шаровых мельницах замкнутого цикла, заключающийся в том, что измельченные до определенного размера частицы клинкера принудительно транспортируются в сторону разгрузки и выводятся из барабана мельницы, снижая тем самым число холостых ударов мелющей загрузки по измельчаемой среде. По сравнению с традиционными шаровыми мельницами производительность предлагаемой установки увеличивается на 10 - 15 %. Ниже представлены результаты исследований мощности, потребляемой экспериментальной установкой размером 0,4x1,35 м, оснащенной воздушно-проходным и центробежным сепараторами и работающей в непрерывном режиме измельчения.

Уравнение регрессии, выражающее зависимость потребляемой мельницей мощности Рм от циркуляционной нагрузки с(Х1), скорости аспирационного воздуха в мельнице У(Х2), положения наклонной межкамерной перегородки, выраженной через соотношение длин второй камеры мельницы к первой к(Х3) = /2//ь расположение отверстий на перегородке, выраженное через живое сечение v(Х4), и относительной частоты вращения барабана у(Х5) в кодированной форме имеет вид (Вт):

Рм = 3267 + 69,5Х1 - 4,2Х2 - 10Х3 - 7,7Х4 + 284,5Х5 + + 16,1ХХ2 + 2,5ХХ3 - 14,4Х1Х4 + 16,2ХХ5 + 12,4Х2Х3 -- 13,8Х2Х5 - 7,1ХХ4 - 2,7Х3Х5 + 9,9ХХ +5,Щ2 + Х22 + +0,8Х32 - 4,2Х42 - 69Х52. (1)

Судя по величине и знакам коэффициентов при соответствующих факторах и эффектах взаимодействия в уравнении регрессии (1) следует делать следующие выводы.

Наибольшее влияние на величину потребляемой мощности оказывает количество крупки, находящейся в барабане мельницы, и частота вращения барабана, так как сумма коэффициентов при Х1 и Х2 наибольшая. Положительный знак при Х1 и Х2 подтверждает выводы о том, что с увеличением количества крупки и частоты вращения барана мельницы потребляемая мощность в мельницах замкнутого цикла, оснащенных наклонными перегородками, возрастает. Тождественность получаемого уравнения с реальным процессом подтверждается знаком «минус» при Х52 - при увеличении частоты вращения барабана в мельницах с наклонными перегородками потребляемая мощность

снижается, так как раньше, чем у мельницы с вертикальной перегородкой, наступает маховый режим. Предположения о том, что аспирационный режим, положение наклонной межкамерной перегородки в мельнице и расположение на перегородке отверстий не оказывает существенного влияния на величину потребляемой мощности, подтверждаются тем, что коэффициенты при Х2, Х3 и Х4 малы по сравнению с аналогичными коэффициентами при Х1 и Х5. Все эффекты взаимодействия, кроме Х2Х4, в равной мере влияют на величину потребляемой мощности, так как коэффициенты при них равны по величине. Причем увеличение уровня факторов в каждом из эффектов Х1Х4; Х^Хъ'; Х3Х4; Х3Х5 вызывает снижение потребляемой мощности, а в эффектах ХХ2; ХХ3; ХХ5; Х2Х3; Х4Х5 - увеличение. Мощность, потребляемая вентилятором РВ, рассчитывается по уравнению регрессии (Вт):

РВ = 2739 + 507,8с + 974V- 129,7к - 39650v + 1797,9 у -

- 480с¥ + 192ск + 400сv - 454,7су + 64Vk + 17950Vv -

- 3432Ру - 320ку + 141,7ку + 17300^ +6,4с2 + 1680 V2 -

- 56к2 + 43000v2 - 1002у2 (2)

Из (2) следует, что любой из параметров с, V, у, вызывает рост потребляемой энергии, а увеличение к и у, наоборот, снижает потребление мощности. Анализ уровней и значений коэффициентов при факторах позволяет судить о том, что максимальное увеличение функции отклика РВ вносит фон факторов с и V. Казалось бы, что большое значение коэффициента при у тоже должно вносить существенно большое увеличение, но отрицательный коэффициент при квадратичном эффекте у не приводит к существенному увеличению функции отклика РВ. При увеличении же у от 0,76 до 0,9 РВ все же возрастает, что говорит о том, что при переходе к маховому моменту нагрузка на транспортирующий орган увеличивается. Вывод о том, что величина фактора к не влияет на нагрузку транспортирующего органа и увеличение объема материала в воздушном потоке, подтверждается коэффициентами при эффектах взаимодействия ск; Vk; ку; ку и к2.

Из уравнения (2) следует сделать вывод о том, что максимальную нагрузку на привод вентилятора оказывают факторы с и V и в меньшей степени увеличение значения у. Изменение к и V к существенному увеличению или изменению РВ не ведет, что также согласуется с теоретическими выводами.

На рис. 1 представлена часть результатов экспериментальных исследований, которые выражают, соответственно, зависимости РМ (с; к), РМ (V; у), РМ (у; с).

Рм, кВт

у = 0,69

2,8

Рм, кВт

1

2 \

3

\ 4

5

Рм, кВт

у = 0,83

100 150 200 с, % и = 10 %

3,5

3,3

2

1 \ \

4 3

5

100 150 200 с, % и = 16 %

~ j 5

3,4 3,2 / 4

3,0 3

2,8 2,6 1 2

\

2,4

Рм, кВт

0,7 0,8 V, м/с V = 0,6 м/с

0,6

0,7

0,8

V, м/с

Рм, кВт

V = 0,8 м/с

0,69

0,76

0,83

У

0,69 0,76

0,83

У

Рис. 1. Экспериментальные зависимости: а - Рм(с): V = 0,7 м/с; б - Р^: с = 50 %; к = 1: 7 - у = 0,62; 2 - у = 0,69; 3 - у = 0,76;

2 - с = 100 %; 3 - с = 150 %; 4 -

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

- при любых значениях V, к, V и у увеличение с вызывает незначительный рост потребления энергии;

- увеличение V не вызывает значительного изменения потребления мощности, но при увеличении у и возрастании V наблюдается снижение потребления энергии за счет большого выноса материала из мельницы;

- положение наклонной межкамерной перегородки по длине барабана не влияет на уровень потребляемой мощности;

- конструкция межкамерной наклонной перегородки при неизменном угле ее наклона к оси вращения барабана, её живое сечение и расположение отверстий на перегородке также не влияют на величину потребляемой мельницей мощности;

и = 14 %: 1 - к = 0,5; 2 - к = 0,75; 3 - к = 1; 4 - к = 1,25; 5 - к = 1,5; 4 - у = 0,83; 5 - у = 0,9; в - Рм(у): и = 12 %; к = 1,25: 1 - с = 50 %; с = 200 %; 5 - с = 250 %

- при меньшей частоте вращения барабана мельницы с наклонной перегородкой потребляют большую мощность, следовательно мелющие тела совершают большую работу. При любых значениях с, V, к и V наблюдается больший, по сравнению с традиционными мельницами, рост потребления мощности до уровня у = 0,69. Этот вывод подтверждает теоретические положения и объяснения тем, что у мельниц наклонными перегородками маховый режим работы наступает при меньшей частоте вращения.

Этот вывод является важным - он противоположен тому, что мы наблюдаем при работе обычных мельниц. Дополнительная мощность, потребляемая мельницей, расходуется на перемещение шароматери-альной нагрузки в осевом направлении. Так как производительность барабанных мельниц и эффективность процесса измельчения пропорциональны по-

а

в

требляемой мощности, то полученные результаты дают основание сделать важный вывод: мельницы замкнутого цикла, оснащенные наклонными перегородками, имеют большую эффективность при меньшей частоте вращения барабана - что также подтверждает теоретические выводы, полученные ранее.

Общий удельный расход энергии на помол в замкнутом цикле в мельнице, оснащенной наклонной перегородкой, рассчитывается по уравнению регрессии (Вт ч/т):

дЯх = 371,05 + 42,3с - 274 V + 81,2 к + 1460 V - 438 у -

- 38 с V - 4,8 с к + 100 с V - 8,6 с + 64 V к - 100 V V --343 V V + 460 ку - 62,9ку + 1573vу + 3,2 с2 + 330 V2 -

- 16 к2 + 5750 V2 + 368 у2. (3)

Здесь видно, что увеличение любого из параметров с, к вызывает рост удельного расхода энергии, а увеличение V, V и у, наоборот, снижает удельный расход энергии. Это очевидно. Причем такое положение характерно лишь для данных условий, т. е. тонкость помола готового продукта различная.

Если же производительность мельницы привести к стандартной тонкости помола, равной 10 % на сите 008, то вид уравнения (3) существенно изменяется:

дшо = 209,3 + 20,4с - 10 V - 40к + 710v - 395,4у - 2с V -

- 3,2ск - 400^ + 20су + 56Ук - 200Vv - 243,1 Vу -

- 220^ - 28,6ку + 1072vу + 6с2 + 120 V2 + 21к2 +

+ 5250v2 + 348у2. (4)

По уравнению (3) мы можем судить о влиянии конструктивно-технологических параметров шаровых мельниц замкнутого цикла на её пропускную способность и затрачиваемую ею энергию. Например, с увеличением эффектов V к и V у, имеющих наибольшие по величине положительные коэффициенты, происходит снижение эффективности процесса измельчения, удельный расход энергии возрастает. Данный экспериментальный вывод подтверждает ранее сделанные теоретические предположения о том, что снижение пропускной способности мельниц снижает эффективность процесса измельчения.

Из уравнения (4) следует, что увеличение любого из факторов V, к, у снижает удельный расход энергии на измельчение материала до Я008 = 10 %, а увеличение V - увеличение д. Это очевидно: при уменьшении V увеличивается прохождение из камеры грубого дробления кондиционного материала и при увеличении частоты вращения происходит более интенсивное перемещение готового продукта на сепарацию.

С увеличением V также снижается удельный расход энергии. Казалось бы, это противоречит теоретическим выводам. Но на деле происходит то, что с линейным увеличением скорости воздушного потока в барабане мельницы происходит выход кондиционного продукта за счет вывода его из мельницы. Но повышение скорости воздуха неадекватно сказывается на увеличении мощности потребляемой воздуходувкой.

Это подтверждается положительным коэффициентом при V2. Исходя из этого можно сделать вывод, что повышение скорости воздуха более 0,75 м/с в барабане мельницы не целесообразно. К сказанному можно добавить, что рост д подтверждается коэффициентами при эффектах V к и V у, что снижает эффективность помола в замкнутом цикле.

Удельный расход энергии на измельчение в мельнице рассчитывается по уравнению регрессии (Вт-ч/т):

дмЯх = - 283,4 - 11,4с + 280,7 V + 23,2к - 155 V + 2,7у -

- 4с V - 4ск - 10^ + 20су + 64Уk - 800 Vv - 286 Vу -

- 180^ - 22ку + 2с2 + 230 V2 + 6,4к2 + 300v2 + 122,7у2

(5)

Здесь мы видим, что увеличение любого из параметров V, к, у вызывает рост удельного расхода энергии. Но анализ величин параметров и коэффициентов при них, а также эффектов взаимодействий позволяет сделать вывод о том, что увеличение параметра с ведёт к снижению энергоёмкости процесса измельчения, но при достижении больших значений уровней факторов эффективность процесса образования новой поверхности несколько падает. Параметр V существенно не влияет на удельный расход энергии; увеличение V снижает дМ, но при достижении верхних значений уровня V, дм стабилизируется. Существенных изменений в значении дм параметр к не вносит, но наблюдается наибольший экстремум при к = 1,25. Наибольшее влияние на величину дм оказывает параметр V. Это можно объяснить тем, что отбор и принудительное удаление из камеры грубого измельчения кондиционного материала положительно сказывается на процессе образования новой поверхности более крупных частиц. Экспериментально это подтверждается тем, что перед параметром V и эффектами взаимодействия с V и к V стоит знак «плюс». Положительные значения коэффициентов наводят на мысль, что прямое увеличение частоты вращения барабана мельницы ведет к снижению эффективности измельчения, но знак «минус» при эффекте взаимодействия V у показывает, что наблюдается снижение величины дм при у = 0,69. Все вышесказанное удовлетворяет только для заданных условий.

На основании уравнений (3) - (5) сделаны следующие выводы:

- при снижении скорости воздушного потока V и повышении частоты вращения барабана мельницы достигается большая тонкость помола; при минимальном удельном расходе. Это очевидно, так как при меньшем V эффект удаления готового материала ниже, и чем больше у, тем эффективнее измельчение истиранием;

- минимальный расход на транспортировку обеспечивается при увеличении V и уменьшении с. При увеличении фактора V снижается гидравлическое сопротивление мельницы. При снижении фактора с очевидно то, что общая нагрузка на привод транспортирующего органа снижается.

- положение перегородки практически не влияет на величину удельного расхода электроэнергии.

На основании экспериментальных данных, представленных на рис. 2 и 3 для зависимости дм(с, V, к, V, у) нами сделаны следующие выводы:

- минимальный расход энергии при любых значениях V, к, V и у лежит в области нагружения мельницы 100 < с < 200 %;

- в области малых с меньшим значениям V - скорости воздушного потока - соответствует больший расход энергии и, наоборот, в области больших с, большим V соответствует больший дм',

- при меньших значениях у и увеличении параметра с происходит снижение уровня потребления энергии.

Это согласуется с выводами о том, что максимальная работа мелющей загрузки происходит при меньшей частоте вращения барабана мельницы, а

Ям, кВт-ч/т

74 67 60 53 46 39

V = 0,6 м/с

наибольшая полезная работа образования новой поверхности происходит при увеличении материала в барабане мельницы в 2,5 - 3,0 раза по сравнению с выходом готового материала;

- минимальные затраты энергии на измельчение материала при увеличении параметра V и с достигаются увеличением пропускной способности мельницы, независимо от того, что гидравлическое сопротивление её возрастает, эффективность процесса измельчения растёт;

- при смещении перегородки в сторону камеры грубого помола наблюдается снижение потребления энергии на единицу измельчаемого материала, причем при меньших значениях V происходит более резкое уменьшение дм.

с, %

Ям, кВт-ч/т

46 43 40 37 34 31

V = 0,8м/с

5 \ ^

4

3

2

1

100

150

200

с, %

Ям, кВт-ч/т

80 70 60 50 40 30

у = 0,69

5

4 3

j 2 1 ■ ■

Ям, кВт-ч/т

у = 0,83

0,6

0,7

0,8 V м/с

0,6

0,7

0,8 V м/с

Ям, кВт-ч/т

и = 12 %

56 47 40 33 26 19

1

2

3

4 /

/ —" 5

Ям, кВт-ч/т

99 87 75 63 51 39

и = 16 %

0,75 1 1,25 k

0,75

1,25

Рис. 2. Экспериментальные зависимости а - дм(с): и = 12 %; к = 1,0: 1 - у = 0,62; 2 - у = 0,69; 3 - у = 0,76; 4 - у = 0,83; 5 - у = 0,9; б - д^У): с = 100 %; к = 0,75: 1 - и = 8 %; 2 - и = 10 %; 3 - и = 12 %; 4 - и = 14 %; 5 - и = 16 %; в - дм(к): с = 150 %; у = 0,76: 1 - V = 0,5 м/с; 2 - V = 0,6 м/с; 3 - V = 0,7 м/с; 4 - V = 0,8 м/с; 5 - V = 0,9 м/с

а

б

1

k

в

qM, кВт-ч/т

80 70 60 50 40 30

qM, кВт-ч/т

с = 150 %

12 14 и, % и = 10 %

55 50 45 40 35 30

л

2 //

1 5

3

4

0,69 0,76 0,83 ¥

qM, кВт-ч/т

90 80 70 60 50 40

а

qM, кВт-ч/т

65 60 55 50 45 40

б

с = 250 %

10 12 14 и, % и = 14 %

0,69

0,76 0,83

¥

Рис. 3. Экспериментальные зависимости а - дм(и): у = 0,76; к = 5 - V = 0,9 м/с; б - дм(у): с = 150 %; к = 1,25: 7 - V = 0,5 м/с;

Но при больших значениях V минимум потребления энергии лежит в области 1,25< к <1,5. С увеличением длины камеры тонкого измельчения, при к >1,5 происходит снижение эффективности за счёт того, что во 2 камеру попадают частицы материала крупного размера, на разрушение которого не хватает энергии мелющих тел второй камеры. Данное положение характерно лишь для данной крупности исходного материала и данной тонкости помола на сите Л008;

- функция д^) имеет явно выраженный экстремум, расположенный в области 8 % < V < 10 % для различных значений с, V, к и у. Это можно пояснить тем, что с увеличением пропускной способности мельницы замкнутого цикла измельчения с наклонной перегородкой повышается эффективность работы мелющей загрузки. Своевременное удаление кондиционных по своему размеру частиц, положительно сказывается на измельчении крупного материала, занявшего место мелких, удаленных частиц. Изменение расположения на поверхности перегородки отверстий в сторону снижения её живого сечения также стимулирует выход готового продукта, так как значительная часть его, циркулирующая из первой камеры во вторую и наоборот, имеющая место в открытом цикле, направляется к разгрузке, для значений V > 0,7 имеется экстремум функции д^^) при V = 10 % - все это подтверждает сделанные выше выводы;

1: 1 - V = 0,5 м/с; 2 - V = 0,6 м/с; 3 - V = 0,7 м/с; 4 - V = 0,8 м/с;

2 - V = 0,6 м/с; 3 - V = 0,7 м/с; 4 - V = 0,8 м/с; 5 - V = 0,9 м/с

- минимум значений дм(у) при любых уровнях факторов с, V, к и V достигается уменьшением у при большем уровне потребляемой мощности по сравнению с мельницами, оснащенными вертикальными перегородками наблюдается большая производительность. Все это подтверждает сделанные ранее выводы о том, что при меньшей частоте вращения барабана мелющая загрузка совершает большую работу.

Сравнительный анализ результатов экспериментов для Рм (с, V, к) показывает, что при равных фиксированных значениях массы загрузки и частоты вращения барабана потребляемая мощность мельницы замкнутого цикла измельчения с наклонной перегородкой (при угле в = 55°) больше, чем у мельниц с вертикальной перегородкой (в = 90°) и тех же значениях с V, к. Например, при в = 55°; ф = 0,3; с = 100 %;

V = 0,6 м/с; к = 1,25; V = 12 %; у = 0,62 Рм = 2837 Вт. При в = 90°; ф = 0,3; с = 100 %; V = 0,6 м/с; к = 1,25;

V = 12 %; у = 0,62 Рм = 2570 Вт, т.е. Рм на 267 Вт меньше, чем при в = 55°.

При использовании других типов энергообменных устройств: наклонных колец, футеровок - закономерности изменения функций Рм (с, V, к, V, у) те же, что и в рассмотренных выше случаях.

Таким образом, использование наклонных перегородок в шаровых мельницах замкнутого цикла позволяет существенно интенсифицировать процесс измельчения материалов цементного производства, а также упрощает управление данным процессом.

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

10 ноября 2006 г.