Моделирование систем осаждения цемента и пылеочистки в помольных агрегатах с шаровыми мельницами Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.926.5

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОСАЖДЕНИЯ ЦЕМЕНТА И ПЫЛЕОЧИСТКИ В ПОМОЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ С ШАРОВЫМИ МЕЛЬНИЦАМИ

© 2008 г. Р.Р. Шарапов

Белгородский государственный технологический университет

State Technological University, Belgorod

Представлена матричная модель процесса осаждения цемента в системе пылеочистки, выносимого из шаровых мельниц с аспирационным воздухом, на основе экспериментальных исследований в промышленных и лабораторных установках.

Ключевые слова: шаровые мельницы, осаждение цемента, эффективность обеспечивания, рукавный фильтр.

Represented the matrixal model ofprocess cement sedimentation carring away from ball mills with circulated air, based on research in industrial and experimental units.

Keywords: ball mill, cement sedimentation, dedusting efficiency.

Просасываемый через шаровую мельницу аспира-ционный воздух необходимо очистить от пыли по двум причинам:

- технологической, поскольку вместе с аспирационным воздухом из мельниц выносится свыше 20 % измельчаемого материала с преобладанием высокодисперсных фракций (менее 30 мкм);

- экологической, так как содержание пыли в выбросах цементного производства не должно превышать заданного уровня.

Из-за высокой запыленности аспирационного воздуха (от 500 г/м3 и выше) его одноступенчатая очистка в циклонах или рукавных фильтрах малоэффективна. Для осаждения основной массы пыли перед циклонами или фильтрами используются аспирационные шахты [1-3]. Аспирационная шахта представляет собой воздуховод прямоугольного сечения размерами а х в, установленный, как правило, вертикально. Высота шахты в зависимости от способа разгрузки мельницы и входной запыленности аспирационного воздуха выбирается от 4,5 до 6 Dэ, где Dэ - эквивалентный гидравлический диаметр сечения шахты:

Dэ =

а + в

Здесь а - размер сечения шахты, параллельный оси мельницы. Размеры поперечного сечения шахты выбираются так, чтобы скорость газоматериального потока составляла 2...2,2 м/с. Для мельниц производительностью 50 т/ч при рекомендуемой интенсивности аспирации 0,35 м3 воздуха на 1 кг цемента площадь поперечного сечения аспирационной шахты составляет 2,1.2,5 м2

Опытным путем установлено, что каждой скорости воздуха в аспирационной шахте соответствует определенная выходная концентрация пыли, не зависящая от количества поступающего в шахту цемента. Эта концентрация может быть найдена по эмпирической формуле, г/м3 [4]:

Свых = 26 и2,8е. (1)

Согласно формуле (1), при скорости воздуха и = 1,7 м/с выходная концентрация пыли достигает 44 г/м3, что соответствует общей эффективности осаждения пыли в аспирационной шахте на уровне 90 %.

Осаждение пыли в аспирационной шахте происходит в основном под действием коагуляционно-седиментационного механизма. В результате турбулентных пульсаций транспортирующего газового потока происходит сближение, столкновение и коагуляция (слипание) частиц цемента.

При этом происходит не только укрупнение самих частиц, но и образование достаточно крупных (до 1 мм) рыхлых образований - агрегатов пыли.

Установлено [5], что если плотность твердой фазы в этих агрегатах больше некоторого критического значения, то их обтекание потоком газа мало отличается от обтекания непроницаемой сферы такого же объема. Скорость оседания агрегатов намного больше скорости оседания отдельных частиц, что и объясняет наблюдаемую достаточно высокую эффективность очистки запыленного газа в аспирационных шахтах.

Кроме гравитационного осаждения, определенный вклад в обеспыливание аспирационного воздуха вносит турбулентное осаждение тонкодисперсных частиц на стенки аспирационной шахты. Эффективность осаждения частиц размерами менее 10 мкм можно найти по формуле [6]:

П = 1 - exp

f -0,23НЛ

D,Re

1/8 D У

(2)

где ReD = uDэpг/ц - число Рейнольдса для потока запыленного воздуха в аспирационной шахте.

В соответствии с формулой (2) эффективность турбулентного осаждения частиц на стенки шахты достигает 20 %. Эффективность осаждения частиц пыли зависит от их размера, поэтому аспирационная шахта выполняет также определенную сепарационную функцию, в результате которой на выходе из шахты возрастает содержание более тонких фракций (табл. 1) [4].

Таблица 1

Изменение дисперсного состава пыли в аспирационной шахте

Место отбора проб пыли Содержание (в %) фракций размерами, мкм

0-10 10-20 20-30 30-40 40-60 60-90 90-200 >200

На входе в шахту, АД 30,2 19,9 19,8 13,6 7,4 7,6 1,3 0,03

На выходе из шахты, АД' 61,7 15,7 11,8 3,6 1,5 0,08 - -

Таблица 2

Значения коэффициентов уноса отдельных фракций пыли из аспирационной шахты (п = 0,9)

Наименование Распределение по фракциям размером, мкм

0-10 10-20 20-30 30-40 40-60 60-90 90-200 >200

Средний размер частиц di, мкм 5 15 25 35 50 70 145 250

Коэффициент уноса 0,2 0,08 0,05 0,026 0,020 0,01 0,003 0,001

Коэффициенты уноса отдельных фракций пыли из аспирационной шахты могут быть найдены по формуле

=(1 - П)^,

пУ ДД

(3)

где п - общая эффективность осаждения пыли в шахте, определяемая по формуле (2), АД, АД' - относительные доли отдельных фракций на входе в шахту и выходе из нее. Значения фракционных коэффициентов пылеуноса приведены в табл. 2.

Для вывода аналитической зависимости коэффициента уноса частиц пыли от их размера данные, приведенные в табл. 2, аппроксимировались формулой

S,, = S(d,) =-

1

1 + (^^ 0,5) *

где d0,5 - размер частицы, для которых коэффициента уноса равен 0,5, т.е. 50 %.

Эмпирические параметры d0,5 и р определялись путем обработки опытных данных методом наименьших квадратов: d0,5 = 1,587 мкм и р = 1,083.

Таким образом, пылезадерживающие и классифицирующие показатели аспирационных шахт для типичных условий их эксплуатации характеризуются зависимостью:

Sn = S (d,.) =

1

1 + (dt /1,587)

1,083

(3)

С помощью формулы (3) может быть рассчитана диагональная матрица пылеуноса из аспирационной шахты необходимая для исследования закономерностей формирования дисперсного состава материала в ТСИ замкнутого цикла.

Для осаждения цемента после сепараторов, а также в качестве первой ступени очистки аспирационно-го и сепарационного воздуха применяются цилиндрические циклоны типа НИИОГАЗ ЦН-15 различных диаметров. Эти циклоны специально разработаны для очистки больших объемов сильно запыленных газов. Исходя из оптимальных производительностей циклонов и объема подлежащего очистке воздуха, циклоны объединяют в группы различных компоновок.

Применяемый в настоящее время метод определения полного коэффициента очистки запыленного воздуха в циклонах (метод НИИОГАЗ) основан на предположении о логарифмически-нормальном распределении частиц улавливаемой пыли. Однако это предположение для частиц слипающейся цементной пыли, прошедшей через аспирационную шахту, не выполняется. Кроме того, метод НИИОГАЗа не может быть использован для определения фракционных коэффициентов очистки и не позволяет учитывать конструктивные и технологические особенности циклонов. В связи с этим для прогнозирования фракционной эффективности циклонов будем использовать метод Дейча [7]:

n(d,) = 1 - exp

2nR0V0(d, )H 0x L

(4)

где Ro, Н0 - условный радиус и высота поверхности осаждения, соответственно; У0(Л) - скорость осаждения частиц размером d;, - коэффициент неоднородности распределения концентрации пыли в циклоне; Ь - объемный расход очищаемого газа.

В результате компьютерного моделирования циклонного процесса [8] установлено, что скорость осаждения частиц можно представить в виде:

V0(d,) = 43,82 Stk^ц

(5)

где иц = 4L/кD - скорость газа в плане циклона (фиктивная скорость); D - диаметр циклона; Stk - число Стокса:

Stk =

d2 Uц рм 9ц0Ф (d1

(6)

где Ф(^г) - коэффициент формы частиц.

Для размеров поверхности оседания частиц найдены следующие соотношения:

Н0 = Нкк+ НКм = 4,26D; (7)

R = DHkk + dl + DHK

2 Н

4 Н

= 0,4D.

(8)

Учитывая формулы (5)-(8) и условия оптимального режима работы циклонов, приведем соотношение (4) для их фракционной эффективности к виду

n(d) = 1 - exp (-0,064d2k (dl})

(9)

где размер частиц di измеряется в мкм, а вид зависимости

к (dг) = ^ )/Ф(^.), определяется путем обработки экспериментальных данных (табл. 3).

Таблица 3

Пофракционная степень улавливания цементной пыли в циклоне ЦН-15

Размеры фракций, мкм 0-10 10-20 20-40 40-60 >60

Фракционная степень очистки, % 65,1 98,0 98,5 99,2 99,7

По данным, приведенным в табл. 3, методом наименьших квадратов найдена зависимость

k (d) = 0,67 exp (-0,048d).

(10)

Общая эффективность очистки запыленного технологического воздуха может быть найдена по фракционным степеням очистки и заданному составу улавливаемой пыли ЛО^,)

При определении площади фильтрации решающее значение имеет удельная пылевая нагрузка, т.е. масса пыли, подаваемая на 1 м2 фильтрующей поверхности в единицу времени. Удельная пылевая нагрузка должна находиться в пределах 0,2-0,3 г/(м2-с). Во избежание больших потерь давления в фильтре она не должна превышать 0,033 м3/(м2-с).

Отличительной особенностью рукавных фильтров является практически одинаковая пофракционная степень очистки, которая для потоков, прошедших осадительные или очистные циклоны, равняется п ~ ~ 97 %. Поэтому матрица пропуска пыли через рукавный фильтр имеет вид:

Ф =

1 - п 0 0 ... 1 - п 0 ...

0

0

00

0 0

1 - п

т.е. Ф,,. = 1 - п.

В настоящее время в системе очистки аспираци-онного воздуха широко применяются рукавные фильтры типии ФРКД на основе иглопробивного лавсанового войлока и других синтетических фильтровальных тканей. Регенерация рукавов в этих фильтрах осуществляется импульсами сжатого воздуха. Скорость фильтрования в них примерно равна 1,0 м/мин, а общая степень очистки достигает 99,8 %. Гидравлическое сопротивление в конце межрегенерационного периода составляет 1200.1800 Па, что находится в приемлемых пределах.

Предложенная матричная модель осаждения цемента и пылеочистки в помольных агрегатах может явиться составной частью математической модели формирования зернового состава цемента, получаемого в технологической системе измельчения с шаровыми мельницами замкнутого цикла.

Литература

П = Е )АО(4).

,=1

Если дисперсный состав пыли не известен, то общая степень осаждения частиц цементной пыли в циклонах ЦН-15 после вертикальных аспирационных шахт принимается равной 80 % [4].

С помощью соотношений (9), (10) можно рассчитать элементы диагональной матрицы И коэффициентов пропуска отдельных фракций пыли циклонами, применяемыми для осаждения тонкого продукта сепарации и очистки аспирационного и сепарационного воздуха Иг = ехр (-0,064^к(^г)).

В качестве второй ступени очистки потоков запыленного воздуха в ТСИ замкнутого цикла применяются рукавные фильтры.

Поступила в редакцию

1. Сатарин В.М., Перли С.В. Движение и обеспыливание газов в цементном производстве. М., 1960.

2. Банит Ф.Г., Малыгин А.Д. Пылеулавливание и очистка газов в промышленности строительных материалов. М., 1979.

3. Лапшин А.Б. Технология обеспыливания в производстве цемента. Новороссийск, 1995.

4. Петров Б.А., Сидяков П.В. Обеспыливание технологических цехов цементного производства. М., 1965.

5. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М., 1961.

6. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М., 1981.

7. Справочник по пыле- и газоулавливанию / Под общ. ред. А.А. Русанова. М.,1983.

8. Шаптала В.Г. Математическое моделирование в прикладных задачах механики двухфазных потоков. Белгород, 1996.

2 июля 2008 г.

Шарапов Рашид Ризаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры механического оборудования Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. Тел. (4722) 309939.