CC BY
67
---------------------------------------------- © Ю.Е. Прошунин, 2004
УДК 622.788.36:622.33 Ю.Е. Прошунин
К МЕТОДУ РАСЧЕТА БАРАБАННЫХ ГРАНУЛЯТОРОВ ДЛЯ УГОЛЬНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ
¥ ¥ аиболее перспективными в настоя-1-1 щее время являются технологии переработки угля, позволяющие исключить образование отходов путем направленного изменения их свойств и получения продукции улучшенного потребительского качества, имеющей стабильный спрос на рынке. К числу таких технологий относится процесс гранулирования мелких классов (отсевов) угля в барабанных окомкователях, который достаточно глубоко в свое время изучался в СССР [1-4]. В лабораторных и полупромышленных условиях было показано, что этот процесс обладает рядом серьезных преимуществ по сравнению с технологией брикетирования. Его достоинствами являются: простота, надежность, относительно малая энергоемкость, а также наличие стабильно работающего стандартного оборудования (производительностью от нескольких тонн до тысячи и более тонн в час) в смежных отраслях промышленности [5-9].
В ГУП «Кузнецкий центр ВУХИН» в лабораторных и полупромышленных условиях под руководством автора был выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований [10-14], связанных с разработкой технологии частичного гранулирования угольных концентратов ОАО «ЗСМК» и ОАО «КМК» (Новокузнецк).
В ходе выполнения работ создана универсальная лабораторная и полупромышленная база для изучения технологии гранулирования углей. В лабораторных и полупромышленных условиях (диаметр барабанных грануляторов 0,2 и 1 м) были определены оптимальные технологические параметры процесса: скорость вращения и степень заполнения гранулятора, время обработки материала, количество и способ подачи связующего. Установлено, что выход гранул из флотационного концентрата может быть доведен до 80-90 % при достаточно высокой ударной прочности: 60-80 % (оценивали по выходу класса < 3 мм после пятикрат-
ного сбрасывания с высоты 1 м). Величина кажущейся плотности гранул изменяется в пределах 1,05-1,1 г/см3, размер 3-20 мм. Показано, что насыпная плотность угольного концентрата с введением в нее гранул возрастает на 3-4 % (в пересчете на сухую массу). Заметно улучшается качество получаемого из частично гранулированного концентрата кокса: показатель М40 возрастает на 0,5-1,0 %, М10 - снижается на 1,0-1,4 %; структурная прочность увеличивается, а значение реакционной способности несколько уменьшается [11, 12, 14].
При разработке технологической схемы процесса частичного гранулирования обогащенного угля наиболее сложной оказалась проблема расчета и подбора основного оборудования - барабанных грануляторов.
Анализ литературных данных показал, что в настоящее время не существует универсальной и надежной теории, позволяющей получить информацию о технологических показателях процесса окомкования сыпучих материалов в промышленных условиях на основе изучения их физико-механи-ческих характеристик [6, 15-17].
В основном преобладают два подхода к построению математических моделей. В случае реализации одного из них закономерности образования, уплотнения, роста и разрушения гранул описываются аналитическими соотношениями [8, 16, 18]. Эти зависимости позволяют определять и задавать параметры оборудования любой производительности. К достоинствам метода относится возможность применения системного анализа, позволяющего детализировать структуру процесса гранулирования до уровня простейших физико-механических эффектов и одновременно рассматривать процесс и его аппаратурное оформление как сложную физико-механическую систему [18]. Однако использование кинетических уравнений, описывающих изменение гранулометрического состава сыпучего материала во времени, во-
первых, предполагает при их составлении применение различных «идеализированных» представлений, а во-вторых, для конкретных материалов требует введения экспериментально определяемых констант, физическая сущность которых не вполне ясна [6, 9].
В настоящее время чаще реализуется модельный подход с использованием методов физического и математического моделирования. Его применение предполагает экспериментальное определение основных технологических параметров процесса гранулирования с помощью лабораторных установок и перенесение полученных результатов на агрегаты промышленной мощности [6, 9].
Следует заметить, что применение теории подобия к сыпучим материалам, напряженно-деформированное состояние которых подчиняется весьма сложным закономерностям, чрезвычайно затруднительно [19, 20]. Для преодоления затруднений приходится использовать модельные вещества с различной плотностью, модулем деформации и крупностью, либо применять принципы центробежного моделирования, позволяющие увеличить величину объемных сил в требуемой степени. Однако при этом возникают новые трудности, связанные с изменением сил внутреннего трения и, кроме того, указанные методы очень сложны и трудоемки.
Как правило, при моделировании процесса гранулирования используют упрощенный подход. Так, в ряде работ (обзор приведен в [9]) за основной параметр при проектировании промышленного оборудования предлагают принимать определенные в лабораторных условиях оптимальные длины пути соответственно перемещения и скатывания по наклонной плоскости гранул. Несмотря на оригинальность замысла, целесообразность использования подобных методов вызывает сомнение, так как они совершенно не затрагивают величины усилий, прилагаемых к сыпучему материалу. В самом деле, ведь одну и ту же длину пути гранул можно получить при различной скорости вращения барабана и, следовательно, разном времени обработки вещества.
Наиболее обоснованным, с нашей точки зрения, является подход, разработанный П. В. Классеном [9]. В качестве основных параметров он предлагает использовать скорость скатывания гранул и время пребывания их в аппарате. При изменении размеров барабанного гранулятора величина этих параметров должна
оставаться неизменной (имеются в виду, конечно, среднестатистические значения). Экспериментальное определение указанных величин значительно проще, чем расчет пути скатывания.
Основные расчетные соотношения, полученные П.В. Классеном из условия неразрывности потока, определяющего равенство количеств поднимающегося и скатывающегося материала:
Уск = (2лЯм>^зту/2)/(1-щ1р (1)
Уос = -а) (2)
б = 1.8 Уос(р- ятд>)рЯ2 (3)
где Уск - поперечная скорость скатывания материала, м/с; Уос — скорость перемещения материала вдоль оси барабана, м/с; д — производительность барабанного гранулятора, т/ч; Я — радиус барабанного гранулятора м; р — насыпная плотность материала, кг/м3; (5, -угол естественного откоса материала, рад; а - угол наклона барабанного гранулятора, рад; <р - центральный угол, образованный радиусами, проведенными через крайние точки засыпки материала (определяется степенью заполнения барабана), рад; у/ - отношение количества поднимающегося материала к общему количеству материала в засыпке; - число оборотов бара-
банного гранулятора, с"1.
Соотношения (1) - (3) выгодно отличаются простотой и легкостью определения опытных констант для любых материалов. Экспериментально показано [9], что они обладают достаточной для инженерных расчетов точностью, то есть, если мы задаемся определенными значениями скорости скатывания, то можем рассчитать производительность и длину барабанного гранулятора. Кроме того, к достоинствам метода можно отнести и применимость его для расчета как периодических, так и непрерывных процессов.
Однако, по нашему мнению, слабое место методики заключается именно в выборе среднестатистической величины скорости скатывания гранул в качестве одного из основных параметров процесса. При этом предполагается, что она служит мерой величины усилий, прикладываемых к сыпучему материалу в процессе гранулирования. Фактически же, составляющая сил, воздействующих на гранулу, определяется не величиной скорости скатывания, а величиной радиального, ускорения, то есть значением
Расчет технологических параметров процесса гранулирования
квадрата расчетной скорости скатывания или пропорциональной ей скорости подъема.
Таким образом, нам представляется [13], что в лабораторных условиях следует определить оптимальную для данной установки величину скорости скатывания, рассчитать значение радиального ускорения по выражению (4) и сохранять его постоянным при переходе к аппаратам любых размеров, т. е.
а = У2сЛ (4)
В дальнейшем расчет ведется по выражениям (1) - (3).
Для проверки выдвинутых положений был выполнен комплекс исследований. Использованы лабораторный и полупромышленный грануляторы диаметром соответственно 0,2 и 1 м. В процессе исследований число оборотов грануляторов в минуту в первом случае изменяли от 10 до 60, во втором - от 7 до 30. Установлено, что наиболее благоприятные результаты (выход гранул 90-95 %) получаются при скорости вращения лабораторного барабана 38, полупромышленного 15 об/мин. Результаты пересчета режима лабораторного гранулятора для аппаратов различных размеров приведены в таблице.
Анализ представленных данных показывает, что результаты, полученные с использованием различных методов, существенно разнятся. Однако данные полузаводских испытаний точнее описываются при фиксировании величины радиального ускорения: скорость вращения барабана 17,6 мин-1 против 15 мин-1, найденных экспериментально. Отчетливо видно, что при использовании первого метода с увеличением размеров гранулятора при постоянной скорости скатывания резко снижается расчетная величина усилий, действующих на гранулу (прямо пропорциональная значению QR), в конечном счете и определяющая процессы роста и уплотнения гранул. Второй метод позволяет рассчитать параметры гранулятора, сохраняя величину усилий неизменной [13].
Не должны смущать неправдоподобно большие значения производительности гранулятора. Фактически это условная величина, характеризующая максимально возможную пропускную способность аппарата заданного диаметра. Правда, для обеспечения необходимого времени пребывания в нем обрабатываемого материала гранулятор должен иметь весьма внушительную длину (таблица). В реальных условиях производительность барабана может
быть задана скоростью подачи в него сыпучего материала. При этом важно сохранить требуемую степень его заполнения и обеспечить выполнение расчетных требований.
На основании проведенных исследований рассчитаны основные параметры оборудования для гранулирования обогащенных углей, по отраслевому каталогу [5] выбран серийно выпускаемый ПО «Уралмаш» (г. Екатеринбург)
1. Kaнaвeц П.И. Проблемы получения металлургического кокса из слабоспекающихся углей и их решение методом предварительного гранулирования угольных шихт перед коксованием // Сб. науч. тр. / ИГИ. -1965. - Т. XXII. - С. 1 - 54.
2. Алимов Н.Е., Жданова М.М., Сысков К.И. О механизме образования угольных гранул // Сб. науч. тр. / МХТИ. - 1959. - Т. XIX. - С. 19 - 28.
3. Сысков KM., Царев В.Я., Мошенков О.Я. Гранулирование и коксование бурых углей / - М.: Металлургия, 1968. - 165 с.
4. Никитин ИН, Сургучев В.Н. Поверхностные свойства угля и кинетика его гранулирования // Кокс и химия. - 1989. - №11. - С. 63 - 64.
5. Отраслевой каталог 18-1-86. Агломерационное и обжиговое оборудование. - ЦНИИ информации и технико - эконом. иссл. по тяж. и трансп. машиностроению. - М.: Машиностроение, 1986. - 182 с.
6. Генералов М.Б., Классен П.В. Расчет оборудования для гранулирования - М.: Машиностроение, 1984. -205 с.
7. Бережной Н.Н. Производство окатышей на барабанных и чашевых окомкователях - М.: Машиностроение, 1984. - 205 с.
8.Минаев Г.А., Першин В.Ф. Моделирование процесса гранулирования методом окатывания // Теоретические основы химической технологии. - 1990. - т. XXIX.
- № 1. - С. 10 -17.
9. Классен П.В., Гришаев ИГ, Шомин ИП. Гранулирование- М.: Химия, 1991. - 240 с.
10. Частичное гранулирование угольной шихты перед коксованием: перспективы использования в промышленных условиях / Ю.Е. Прошунин, М.Н. Глад-штейн, М.Н. Пелих, М.Б. Школлер // Кокс и химия. -
1993. - №11 - 12. - С. 4 - 7.
барабанный окомкователь ОБ7-3,2*12,5 (расчеты показывают, что при нагрузке по флотационному концентрату 200 т/ч и степени заполнения барабана 20% среднестатистическое время пребывания концентрата в аппарате составляет - 3,5 мин) и подготовлено технологическое задание «Исследование, разработка и внедрение технологии окомкования флотокон-центрата ЦОФ ЗСМК».
------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
11. Разработка технологии частичного гранулирования угольной шихты / Ю.Е. Прошунин, М.Н. Глад-штейн, М.Н. Пелих и др. // Кокс и химия. - 1994. - №3. -С. 12 - 14.
12. Выбор связующего для технологии частичного гранулирования угольной шихты / Ю.Е. Прошунин, М.Н. Гладштейн, М.Н. Пелих и др. // Кокс и химия. -
1994. - №4. - С. 2 - 3.
13. Расчет основного оборудования для гранулирования угольных шихт / Ю.Е. Прошунин, М.Н. Гладштейн, М.Н. Пелих и др. // Кокс и химия. - 1994. - №5. -С. 32 - 35.
14. Выбор технологической схемы процесса частичного гранулирования угольной шихты / Ю.Е. Прошунин, Г.И. Усова, В.З. Николаева и др. // Кокс и химия.
- 1997. - №1. - С. 12 - 18.
15. Классен Я.В., Гришаев Я.Г., Шомин И.П. Гранулирование - М.: Химия, 1991. - 240 с.
16. Коротич В.И. Теоретические основы окомкования железорудных материалов. - М.: Металлургия, 1966.
- 152 с.
17. Процессы гранулирования в промышленности / Н.Г. Вилесов, В.Я. Скрипко, В.Л. Ломазов, И.М. Танчен-ко. - Киев: Техника, 1976. - 192 с.
18. Пазюк М.Ю. Моделирование работы барабанных окомкователей // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. -1988. -№4. - С. 25 - 30.
19. Дементьев И.В., Химич А.А., Бахмутов В.М. О подобии в игдантиновых моделях при исследовании напряженного состояния горного массива методом фотоупругости // Изв. ВУЗов. Горный журнал. -1968. - № 5. - С. 30 - 34.
20. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды / В.В. Соколовский. - М.: Физматгиз, 1960. - 244 с.
— Коротко об авторах ------------------------------
Прошунин Ю.Е. - кандидат технических наук, г. Новокузнецк.
