CC BY
136
УДК 66.047.75
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУШКИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ ЗА СЧЕТ ИНТЕНСИФИКАЦИИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА
© А.Н. Храмов1, М.Ю. Субботин2
Забайкальский государственный университет, 672039, Россия, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30.
Интенсификация конвективного теплообмена в процессе сушки концентратов сегодня стоит очень остро. Доказано, что его эффективность достигается путем подбора определенной конструкции внутренних устройств барабанных сушилок. По мере движения флотационного концентрата по барабану изменяется и угол его естественного откоса с целью создания более плотной и равномерной завесы на пути движения сушильного агента. Ил. 5. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: термическая сушка; конвективный теплообмен; барабанная сушилка; насадка (внутренние устройства); флотационные концентраты; сыпучие свойства.
IMPROVING BULKY MATERIAL DRYING EFFICIENCY DUE TO CONVECTIVE HEAT TRANSFER
INTENSIFICATION
A.N. Khramov, M.Yu. Subbotin
Transbaikal State University, 30 Aleksandro-Zavodskaya St., Chita, 672039, Russia.
Intensification of convective heat transfer under concentrate drying is a critical issue today. It is proved that its effectiveness is achieved by selecting the specific design of drum dryer internal devices. As flotation concentrate moves in the drum, it changes its natural angle of repose, in order to create a more dense and uniform blanket before the drying agent.
5 figures. 5 sources.
Key words: thermal drying; convective heat transfer; drum dryer; nozzle (internal devices); flotation concentrates; bulk properties.
Термическая сушка - один из самых энергоемких процессов во всей технологической цепочке переработки минерального сырья, необходимый для достижения требуемого качества товарной продукции, в частности влажности флотационных концентратов. Затраты на термическую сушку достигают 10% общих затрат на обогащение минерального сырья и выше при нарушении технологических параметров процесса [1]. Создание высокоэффективных, энергосберегающих режимов сушки и сушильных установок в этих условиях остается актуальной задачей, решение которой возможно в первую очередь при регулировании и оптимизации процессов теплообмена.
Процесс сушки материалов, в том числе продуктов обогащения, как известно, зависит от влажности, размеров частиц материала и способа их укладки, гидродинамических условий обтекания частиц сушильным агентом и параметров среды. Совокупность этих факторов определяет характер протекания процесса сушки.
Известно, что в барабанной сушилке имеют место два вида теплообмена - контактный и конвективный. Причем большая часть передаваемого высушиваемому материалу тепла приходится на конвективный теплообмен. Количество тепла, передаваемого высуши-
ваемому в барабанной сушилке материалу конвективным способом, до 20 раз превышает количество тепла, передаваемого контактным способом. Интенсивность конвективного теплообмена в барабанной сушилке в свою очередь напрямую зависит от раскрытия поверхности частиц. Чем сильнее рассеян материал по сечению барабана, тем больше площадь открытой для конвективного теплообмена поверхности частиц.
Обобщая вышесказанное, мы видим, что эффективность сушки продуктов обогащения (концентратов) в барабанной сушилке существенно зависит от равномерности и площади завесы высушиваемого материала, падающего с лопаток внутренних устройств барабана.
Обеспечить раскрытие поверхности частиц путем их рассеяния по сечению барабана - основное назначение внутренних устройств барабана (насадок) [2]. Стандартная насадка, поставляемая заводом-изготовителем вместе с корпусом барабанной сушилки, недостаточно приспособлена к выполнению этой основной функции, так как не может учитывать физические свойства множества различных рудных флотационных концентратов. Это наглядно демонстрирует схема механизма раскрытия высушиваемого материала для теплообмена по поперечному сечению бара-
1Храмов Анатолий Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры обогащения полезных ископаемых и вторичного сырья, тел.: +79143656970.
Khramov Anatoly, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Minerals and Secondary Raw Materials Processing, tel.: +79143656970.
2Субботин Михаил Юрьевич, аспирант, тел.: +79245724952. Subbotin Mikhail, Postgraduate, tel.: +79245724952.
банной сушилки, приведенной на рис. 1, где представлено сечение барабана, в котором существует зона «А», не закрытая завесой падающего материала.
Рис. 1. Сечение барабана с зоной, не закрытой завесой падающего материала (А)
При этом тепловой агент проходит по пути наименьшего сопротивления, то есть через зону «А». Это приводит к следующим негативным последствиям:
- резко снижается количество теплового агента, проходящего через сечение барабана вне зоны «А», что ведет к снижению количества тепла, получаемого высушиваемым материалом;
- вследствие снижения площади сечения потока теплового агента увеличивается его скорость, что, в свою очередь, ведет к увеличению уноса материала;
- тепло, не отданное высушиваемому материалу на выходе из барабана, перегревает выходной коллектор, дымоходы и преждевременно разрушает уплотнения газовых трактов.
Практика проектирования и эксплуатации барабанных сушильных установок показывает, что регулирование угла наклона стандартных лопаток сушильного барабана не приводит к значительному увеличению площади завесы материала в сечении барабана. При уменьшении угла наклона лопаток относительно касательной к окружности барабана в точке крепления лопатки материал начинает ссыпаться позже, и завеса падающего материала передвигается влево. При увеличении же угла наклона лопаток материал начинает ссыпаться раньше, и завеса материала смещается вправо. При центральном расположении завесы ее площадь будет максимальной, но при этом останется недостаточной, а области справа и слева останутся свободными от завесы.
В числе прочих технических мер, предназначенных для расширения площади завесы, применяются шахматный порядок расположения лопаток и зубчатый край лопатки. На рис. 2 представлена конструкция внутренних перегребающих устройств насадки сушилки барабанной БН 1,6—10НУ—01, модернизированная специалистами обогатительной фабрики ОАО "Малы-шевское рудоуправление".
Применение подъемно-лопастной зубчатой насад-
ки такого типа по всей длине барабана сушилки позволило расширить завесу высушиваемого материала, но не решило проблему в полной мере - область сечения барабана, не закрытая завесой материала, по-прежнему имеет место.
Таким образом, регулирование угла наклона стандартных лопаток сушильного барабана и применение зубчатого края лопаток не способно увеличить площадь завесы ссыпающегося материала выше предела, доступного при данном количестве материала, находящегося одновременно в сечении барабана. Причиной этого служит недостаточное рассеивание материала. Увеличение же количества материала, одновременно находящегося в сечении барабана, повысит влагонапряженность в объеме сушильного барабана, что в свою очередь приведет к снижению эффективности сушки. Повышение сечения барабана для снижения влагонапряженности снова вернет ситуацию к прежнему состоянию: площадь завесы материала, недостаточная для покрытия барабана.
Рис. 2. Общий вид конструкции внутренних устройств сушилки барабанной БН 1,6-10НУ-01: 1 - подъемно-транспортная зубчатая лопасть;
2 - корпус барабана
Кроме усовершенствования стандартной насадки, разработано большое количество многозонных сушильных барабанов, а также барабанов со сложным строением насадки, но их общим недостатком является неспособность разбивать комки влажного материала и склонность к забиванию. Кроме того, большинство сложных насадок являются очень металлоемкими и сложными в изготовлении и обслуживании.
Решение проблемы, то есть обеспечение равномерного распределения завесы по всему сечению барабана, возможно при разделении объема материала на два набора лопаток, один из которых будет иметь пониженный угол наклона относительно касательной к окружности барабана в точке крепления, а другой - повышенный угол наклона. В этом случае за счет разделения материала на два потока происходит рассеивание того же объема материала по большей площади.
Для разработки таких установок необходим ком-
плексный анализ влажных материалов. В первую очередь, это исследование сыпучести и кинетики сушки дисперсного материала.
Основным параметром, отражающим сыпучесть дисперсного материала, является угол естественного откоса. Это максимально возможный угол ф между поверхностями, которыми ограничены склоны массива сыпучего материала, и горизонтальной плоскостью [3].
Для анализа факторов, влияющих на значение угла естественного откоса сыпучего материала, разместим частичку материала на наклонной поверхности из того же материала, имеющей максимальный наклон фст. относительно горизонтали, при котором частичка не соскальзывает со склона. То есть при таком наклоне сила, стремящаяся сместить частичку вниз по склону, уравновешивается силой трения.
В приведенном на рис. 3 случае на частицу действуют следующие силы:
- вес частицы Р;
- сила реакции опоры, N = P cos фст.;
- сила, стремящаяся сместить частицу вниз по склону Q = Р sin фст.;
- сила трения покоя частицы T, определяемая по формуле:
T=k*N , (1)
где Т - сила трения покоя частицы данного сыпучего материала на слое частиц того же сыпучего материала, кг/см2; k - коэффициент трения, определяется по справочным данным или опытным путем; N - нормальная сила реакции опоры, Н.
Рис. 3. Частица, находящаяся на склоне в состоянии предельного равновесия
Поскольку по условию предельного равновесия частицы на склоне Q = T, а сила Q является проявлением действия гравитации, будет справедливо Q = T = Р sin ф.
Теперь рассмотрим зависимость между коэффициентом трения материала и его углом естественного откоса. Поскольку N = P cos ф, k * P cos ф = Т,
а Q = Р sin фст, будет справедливо k * P cos фст = Р sin фст, k = (Р sin фст/ P cos фст),
k = tg фст. (3)
Как видно из выражения (3), коэффициент трения двух поверхностей исследуемого материала является
тангенсом угла, при котором частица находится в состоянии предельного равновесия. Но при этом известно, что коэффициент трения материала не может служить показателем угла естественного откоса сыпучего материала. Для этой цели существует такой показатель, как угол внутреннего трения сыпучего материала, который, по аналогии с выражением (3) возможно представить как коэффициент внутреннего трения сыпучего материала.
Для рассмотрения природы различия между коэффициентом внутреннего трения и коэффициентом трения покоя одного и того же материала рассмотрим модель отдельно взятой частицы на склоне сыпучего материала.
Кроме сил, отраженных на рис. 3, на отдельно взятую частицу на склоне сыпучего материала будут действовать дополнительные силы реакции опор, причем в сумме эти силы будут действовать как дополнительный фактор, удерживающий рассматриваемую частичку на склоне. Обобщенно говоря, частица геометрически «опирается» на лежащие ниже по склону частицы. Следовательно, коэффициент внутреннего трения будет превышать коэффициент трения покоя того же материала.
Заменим нашу модель частицы, изображенную на рис. 3, на модель, находящуюся на склоне, и продолжим анализ. При этом коэффициент трения покоя заменим на коэффициент внутреннего трения, учитывающий дополнительные силы и препятствующий взаимному сдвигу слоев сыпучего материала. Как видно на примере рис. 5, величина данного коэффициента будет зависеть от:
- величины коэффициента трения покоя материала;
- формы частиц сыпучего материала;
- размера частиц сыпучего материала.
В работах, посвященных механике сыпучих тел, данная величина обычно применяется как угол внутреннего трения сыпучего материала (фвн. тр.).
Скорректируем выражение (3): k' = tg фст,
где k' - коэффициент внутреннего трения дисперсного материала.
Путем математических преобразований
tg фвн. тр. N = Р sin фст,.
tg фвн. тр. * P cos фст = Р sin фст,.
фвн. тр. = фст.
приходим к выводу, что угол внутреннего трения должен равняться углу естественного откоса. Но известно, что в реальных условиях угол естественного откоса обычно превышает угол внутреннего трения сыпучего материала. Это обусловлено тем, что в реальных условиях присутствует незначительная влажность сыпучего материала. Даже если проба, высушенная до абсолютно сухого состояния, как правило, за непродолжительный период времени увлажняется парами воды, содержащимися в окружающем воздухе, что приводит к появлению дополнительных связующих сил в массиве сыпучего материала. Причем, величина связующих сил в дисперсном материале будет расти пропорционально влажности материала, пока
материал не приобретет текучие свойства.
Следовательно, для проектирования набора лопаток сушильного барабана, адаптированного к конкретному материалу, необходимо учитывать прирост угла естественного откоса в соответствии с его зависимостью от влажности, которая имеет вид [4]. Экспериментальные исследования различных по минеральному составу концентратов и теоретический анализ статистических данных исследования показали, что эта зависимость имеет вид
а= ф+<в*В, (4)
где а - угол естественного откоса влажного сыпучего материала, град.; <в - влажность испытуемого сыпучего материала, %; ф - угол естественного откоса сухого сыпучего материала, град.; В - коэффициент, отражающий зависимость приращения угла естественного откоса сыпучего материала от его влажности.
На рис. 4 изображен такой график, отражающий эту зависимость для свинцового концентрата, полученного на рудах Ново-Широкинского концентрата. Данный график полностью коррелирует с выражением (4).
щий соотношение и последовательность контактного и конвективного способов сушки, близкие к тем же параметрам промышленной барабанной сушилки (Патент РФ № 2492397 Р11). Данный аппарат позволяет отслеживать изменение влажности материала после известного числа циклов сушки в барабанной сушилке.
После получения данных о зависимости угла естественного откоса от влажности высушиваемого материала и графиком его кинетики сушки становится возможным проектирование внутренних устройств сушильного барабана, адаптированных под конкретный концентрат.
Проектирование лопаток происходит по следующим этапам:
- Измерение угла естественного откоса высушиваемого материала в сухом состоянии.
- Построение графика, отражающего зависимость приращения значения угла естественного откоса материала от приращения влажности.
- Получение данных о кинетике сушки высушиваемого материала.
85 80 75 70 65 60 55 50 45 40
У = 2Д2х + 59,4
и - 0,9961
у - 2,24х + 58,4
К = 0,99^ 19
2,5
7,5
10
влажность , %
Рис. 4. Зависимость угла естественного откоса от влажности свинцового концентрата
Необходимо учитывать, что по мере движения мокрого концентрата по барабану его влажность меняется, соответственно меняются его свойства сыпучести. В таких условиях установленные под одним и тем же углом на всем протяжении барабана лопатки не будут соответствовать свойствам высушиваемого материала в течение всего времени его сушки. Следовательно, угол наклона лопаток должен изменяться по длине барабана в соответствии с динамикой изменения угла естественного откоса высушиваемого материала. Динамика изменения влажности материала на протяжении сушки отражается кинетикой сушки данного материала.
Для исследования кинетики сушки сыпучих материалов спроектирован лабораторный аппарат, имею-
- Выбор числа ступеней изменения угла наклона насадок. С увеличением числа ступеней увеличивается точность соответствия угла наклона насадок углу естественного откоса материала, но при этом увеличивается трудоемкость изготовления насадки.
- В соответствии с кинетикой сушки, определяется влажность материала при поступлении на набор лопаток. Первому набору лопаток соответствует влажность материала при поступлении в сушилку.
- При помощи выражения (4) определяется угол наклона лопаток к горизонту в каждом наборе. Он должен равняться в запроектированной точке окончания ссыпания материала с лопатки углу естественно откоса в данном сечении барабана.
На рис. 5 показано строение и принцип действия
набора лопаток, сконструированных в соответствии с вышеизложенными данными.
Данный набор имеет два типа лопаток, каждая из которых установлена под углом, определенным на основании выражения (4). Лопатки, расположенные ближе к центру сечения барабана, обеспечивают завесу материала в правой части сечения барабана (рис. 5, а). Лопатки же, расположенные ближе к периферии сечения барабана, обеспечивают завесу материала в левой части сечения барабана (рис. 5, б). Такое расположение лопаток насадки барабана обеспечивает полное покрытие сечения барабана завесой высушиваемого материала (рис. 5, в) [5].
Ундур» СО «Монголросцветмет» обеспечило:
- увеличение производительности сушильного аппарата на 65%;
- снижение удельного расхода топлива на процесс сушки на 15%.
Годовой экономический эффект при постоянной работе двух сушильных цепочек составил 108 тыс. дол. США.
Таким образом, интенсификация процесса сушки путем подбора внутренних устройств с учетом физических особенностей конкретных флотационных концентратов обеспечивает повышение производительности барабанной сушилки, снижение удельного рас-
Рис. 5. Строение предлагаемой насадки промышленной барабанной сушилки
Внедрение данной разработки по совершенство- хода топлива и уноса концентрата на выходе из бара-ванию внутренних устройств сушильного барабана бана, увеличение срока службы оборудовании и др. БН-2,8х14 на обогатительной фабрике ГОКа «Бор- Статья поступила 28.04.2014 г.
Библиографический список
1. Жукова Т.А., Алтухов А.В. Пути интенсификации барабанных сушильных аппаратов // Вестник ТГТУ. 2008. № 3.
2. Справочник по обогащению руд. Специальные и вспомогательные процессы / под ред. О.С. Богданова, В.И. Ре-нивцева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1983. С. 121.
3. Клейн Г. К. Строительная механика сыпучих тел. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1977. С. 34.
4. Субботин М.Ю. Насадка сушильного барабана, усовер-
шенствованная с учетом угла естественного откоса влажного сыпучего материала // Материалы XIII Международной научно-практической конференции «Кулагинские чтения». Чита: ЗабГУ, 2013.
5. Храмов А.Н. Интенсификация процесса сушки флотационных флюоритовых концентратов за счет реконструкции насадки барабанной сушилки // ГИАБ. 2009. № 3. С. 290294.
