CC BY
22
УДК 66.03:621.926
М. Р. Вахитов, Е. Г. Хакимова, А. В. Толмачева, М. Г. Кузнецов, А.Н. Николаев
ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ УГЛЯ В КОНУСНЫХ МЕЛЬНИЦАХ С КРУПНОМАСШТАБНОЙ
ИСКУССТВЕННОЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ
Ключевые слова: уголь, измельчение, конусные мельницы.
Экспериментально и математически исследован процесс мокрого измельчения угля в конических мельницах. Проведен анализ влияния размеров конструкции мельницы и технологических параметров на гранулометрический состав измельченного материала на основании кинетической модели измельчения. Сделаны выводы об эффективности применения подобных машин в процессах мокрого помола угля. Даны рекомендации по проектированию мельниц.
Keywords: coal, shredding, cone mills.
Mathematically and experimentally investigated the process of wet grinding of coal in conical mills. The influence of the design dimensions of the mill and process parameters on the particle size distribution of particulate matter on the basis of a kinetic model of grinding. The conclusions on the effectiveness of these machines in the process of wet grinding of coal. Recommendations for the design of mills.
Введение
Интерес к мокрому тонкому помолу угля возрос в последнее десятилетие в связи с развитием рынка водоугольного топлива. Процессы мокрого помола обычно проводят в дезинтеграторах и барабанных мельницах. Но стремление сделать процесс помола более эффективным заставляет искать новые технические решения в этой области, основанные на новых принципах.
Одной из конструкций, хорошо зарекомендовавших себя при мокром помоле и эмульгировании, является коническая мельница с крупномасштабной искусственной шероховатостью.
Коническая мельница [1], исследованная авторами, принципиально состоит из следующих основных узлов: корпуса 1, ротора 4 и 5, статора 7 (рис. 1).
Суспензия измельчаемого материала различного размера подается через входной патрубок 3 во внутреннюю полость мельницы. В дальнейшем, за счет перепада давлений на входе и выходе мельницы и частично центробежных сил, возникающих при вращении ротора 4 и 5, поток попадает в кольцевой зазор между диском ротора 5 и диском статора 7, а соответственно на их гарнитуру, где происходит процесс измельчения. Суспензия с измельченным материалом выводится через выводной штуцер 8.
Промышленные мельницы обычно
изготовляются многодисковыми, угля наклона зубьев в которой чередуются. Наклон зубьев сделан для увеличения времени пребывания двухфазной смеси в аппарате, что приводит к увеличению степени измельчения твердой фазы.
Кроме ударных сил в ней на измельчение идет энергия гидродинамических и отрывных напряжений жидкости, а по некоторым исследованиям - энергия схлопывания возникающих кавитационных пузырьков. По нашим расчетам движения жидкости в канале мельницы кавитация возникает только в местах перехода
жидкости с диска на диск при изменении угла наклона зубьев.
\
щ 7'ЯН
Щщ. fill
I
Щ 1 1 •
Рис. 1 - Схема конической мельницы: 1 -корпус; 2 - крышка корпуса; 3 - входной патрубок; 4 - колесо ротора; 5 - диск ротора; 6 - прокладка; 7 - диск статора; 8 -выводной патрубок
Для теоретического анализа была построена кинетическая модель измельчения. Модель замыкалась двумя параметрами - измельчаемостью материала и энергонапряженность объема жидкости. Первый определялся экспериментальным путем. Второй связывался с величиной средних касательных напряжений в жидкости и определялся путем математического моделирования движения жидкости в канале мельнице путем решения фундаментальных законов сохранения и теории взаимопроникающих континуумов с
использованием скользящих сеток [2].
На основе разработанной кинетической модели был проведен анализ влияния различных факторов на процесс мокрого измельчения угля.
1. Влияние измельчающей гарнитуры мельницы на процесс помола.
По данным производственников кольцевой зазор меняется от 0,1 до 1 мм. Размер впадины меняется от 3 до 7 мм. Остальные размеры менее эффективны либо по технологическим соображениям, либо в связи с трудностями в технологии изготовления.
Величина зазора влияет на скорость движения суспензии вдоль мельницы, правда незначительно, и на величину касательных напряжений. Размер впадины вместе с минимальным диаметром ротора определяет число их на дисках ротора и статора.
С увеличением размера впадин величина среднего диаметра измельченного материала уменьшается, однако это увеличение очень незначительно (при разных диаметрах разница составляет от 16 до 24 %). Скорость уменьшения среднего диаметра падает с ростом размера впадины. Величина этой скорости практически не зависит от величины зазора. Увеличение среднего диаметра измельченного материала при уменьшении размеров впадины связано с уменьшением проходного сечения мельницы в продольном направлении.
При уменьшении размера впадины наблюдаются две тенденции, противоположным образом влияющие на процесс измельчения:
1. При уменьшении размера впадины увеличивается энергонапряженность потока. Это положительно сказывается на процессе измельчения.
2. При уменьшении размера впадины уменьшается проходное сечение мельницы в продольном направлении, т. е. происходит уменьшение времени пребывания суспензии в мельницы.
Для уменьшения негативного влияния второго фактора можно рекомендовать увеличивать число впадин на дисках путем некоторого уменьшения размера зубьев гарнитуры.
Анализа влияния величины зазора дал следующие результаты. Величина среднего диаметра измельченного материала увеличивается с ростом зазора до некоторой величины. После этого становится заметным влияние увеличения проходного диаметра мельницы в поперечном направлении. Однако величина этих изменений не превышает 1,5 %. Это объясняется тем, что величина касательных напряжений в исследуемом диапазоне зазоров намного превышает величину разрушающих напряжений среднепрочных углей. Малое влияние зазора в исследуемом диапазоне на средний диаметр измельчаемого материала облегчает изготовление и проектирование дисков мельницы, т.к. зазор можно выбирать в зависимости от выбранного при прочностных и динамических расчетах квалитета точности.
Вообще влияние размера измельчающей гарнитуры в исследуемом диапазоне не влияет определяющим образом на процесс помола. Т.е. размеры гарнитуры можно выбирать исходя из конструктивных соображений.
2. Влияние диаметра и конусности диска мельницы на процесс измельчения.
Исследовался диапазон диаметров от 70 до 200 мм. Меньшие размеры не эффективны с точки зрения измельчения, большие - с точки зрения динамики и прочности.
Анализ показывает, что с увеличением среднего диаметра и конусности качество помола значительно улучшается. Увеличение
эффективности при росте среднего диаметра связано с двумя факторами:
1. Увеличение среднего диаметра ведет к увеличению скорости жидкости и ее энергонапряженности. Аналогичный процесс происходит при увеличении числа оборотов ротора, однако, этот параметр на практике практически не изменен и равен 3000 об/мин.
2. Увеличение среднего диаметра ведет к увеличению проходного сечения мельницы в продольном направлении. Это приводит к росту времени пребывания суспензии в мельнице.
При увеличении конусности наблюдаются две тенденции:
1. Увеличение времени пребывания частиц за счет увеличения длины каналов в продольном направлении.
2. Уменьшение времени пребывания частиц за счет уменьшения сечения в продольном направлении. Это обусловлено уменьшением начального диаметра дисков и как следствие уменьшением количества впадин на нем.
Первая тенденция оказывает решающее влияние на процесс протекания помола при малых углах конусности, вторая - при больших. Кривая конечного среднего диаметра имеет явно выраженный максимум, который соответствует наиболее благоприятному углу с точки зрения процесса измельчения. При рассмотренных диаметрах этот максимум приходится угол конусности равный примерно 60 градусам.
Выводы
1. Проведенные исследования показали эффективность мокрого помола угля в конусной мельнице с крупномасштабной искусственной шероховатостью.
2. Определяющее влияние на процесс измельчения имеют средний диаметр ротора и обороты его вращения.
3. При изменении конусности ротора имеется часто ярко выраженный минимум среднего диаметра при углах 60-65 градусов. Именно этот угол конусности рекомендуется нами к использованию в промышленных установках.
4. Для уменьшения дисперсности конечного продукта нами рекомендуется либо увеличения диаметра ротора, а в случае невозможности (по технологическим или другим соображениям) -увеличение количества ступеней мельницы.
Литература
1. Н.П. Кириллова, М.Г. Кузнецов, П.А. Петрушенков, П.А. Кириллов, Н.А. Николаев, В сб. Материалы II всероссийской конференции «Химия и технология растительных веществ». Казань, 2002. С. 6-9.
2. М.Г. Кузнецов, А.О. Панков, И.А. Шарапов, В сб. тр. XIX международной научной конференции «Математические методы и технике и технологии». Т.5. Воронеж. гос. технолог. академия, Воронеж, 2006. С. 142-145.
© М. Р. Вахитов - вед. инженер-технолог, ГосНИИХП, лаборатория 1053, mkstu@mail.ru, Е. Г. Хакимова - ст. препод. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ, opp-srv@rambler.ru, А. В. Толмачева - ст. препод. каф. электропривода и электротехники КНИТУ; М. Г. Кузнецов - доц. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ; А. Н. Николаев - проф., зав. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ.
© M. R. Vakhitov, leading engineer, the «State research institute of chemical products» FCP, the laboratory in 1053, mkstu@mail.ru, E. G. Khakimova, lecturer, «Equipment for food production» department, KNRTU, opp-srv@rambler.ru, A. V. Tolmacheva, lecturer, «Electric drive and electrical engineering» department, KNRTU, M. G. Kuznetsov, associate professor, «Equipment for food production» department, KNRTU, A. N. Nikolaev, head of department, professor, « «Equipment for food production» department, KNRTU.
