Исследование и организация циклических режимов для интенсификации работы цементных мельниц

Конкурентоспособность цемента определяется его качеством и себестоимостью. Для успешной конкуренции на внутреннем и внешнем рынках отечественной цементной промышленности предстоит модернизация, в результате которой необходимо достигнуть современного уровня этой отрасли. Процесс этот должен быть осуществлен в кратчайший срок с максимальным использованием существующего оборудования при минимизации капитальных затрат и объема строительно-монтажных работ. Необходимо также учесть специфику отечественной цементной промышленности, когда превалирующее число заводов использует мокрый способ производства [1−5].

Условием решения этой задачи являются научно-обоснованные методы интенсификации процессов термической и механической обработки цементного сырья и шихты [6−17].

Наиболее перспективным в настоящее время является разработанное школой академика РАН В. В. Кафарова и академика Международной Инженерной Академии (МИА) М. А. Вердияна новое направление в технологии цементного производства: применение дискретного, импульсного материального потока в обжиговых и помольных агрегатах взамен традиционного потока с постоянным массовым расходом [54−61]. Основанная на фундаментальных положениях химической технологии и теории химических реакторов [18−53], новая технология, получившая известность, как «импульсная или дискретно-непрерывная технология цемента», успешно внедряется в отечественную и зарубежную цементную промышленность.

Теоретические и экспериментальные разработки частично подтверждены в промышленных условиях на ряде цементных заводов. Показаны возможности снижения удельных энергетических затрат на существующем оборудовании действующих заводов с минимальными затратами материалов, средств и времени [85−100].

Вместе с тем, опыт внедрения предлагаемой новой технологии позволил выявить необходимость регулирования в широких пределах массовых расходов материальных потоков — плотных дисперсных сред и шламов. Регулирование это должно производиться по частоте и форме импульсной подачи материалов в агрегаты, что не всегда может быть осуществлено при помощи системы существующих питателей и дозаторов, предназначенных для работы в материальных потоках с постоянным массовым расходом.

Для успешной реализации новой технологии должна быть разработана новая система подачи и выгрузки материалов в технологической цепочке. Возникает задача разработки теории и методов расчета, а также конструктивного оформления метода импульсной подачи и выгрузки материалов в агрегатах цементного производства, решение которой представляет интерес для цементной промышленности.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом госбюджетных и хоздоговорных НИР научно-исследовательского института АО «НИИЦБМБНТ» (Москва), БелГТАСМ (Белгород) и АО «Оскол-Цемент» (Старый Оскол) «Разработка высокоэффективных технологий получения цемента и других вяжущих материалов».

Цель, работы — повышение эффективности действующих цементных заводов на основе организации циклических режимов, создание системы импульсной подачи и выгрузки материалов в помольных агрегатах.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи.

— Разработать теоретические основы процессов с системами импульсной подачи и выгрузки материалов в помольных агрегатах.

— Экспериментально исследовать основные закономерности импульсного дискретно-непрерывного процесса помола клинкера для максимального снижения удельных энергозатрат и повышения производительности.

— Разработать методы расчета систем импульсной подачи и выгрузки материала в помольных агрегатах для существующих и новых видов дозирующих устройств.

— Разработать патентно чистые конструкции устройств для модулирования материальных потоков цементных мельниц по форме, фазе, частоте и интенсивности.

— Провести экспериментальную проверку эффективности нового способа и устройств в производственных условиях на базе АО «Осколцемент» .

Методы исследования: в работе использовался комплексный метод исследования: кибернетически системный анализ информации об импульсных процессах в химической и цементной промышленности, в частности, импульсной технологии цементного производства.

Рассмотрена и решена задача организации импульсных материальных потоков в системах подачи и выгрузки материала в помольных агрегатах с использованием аппарата аэродинамики пульсирующих реакторов и автоколебательности.

При организации и интерпретации экспериментальных исследований применялись методы математического моделирования и масштабирования, дисперсного и минералогического анализа смесей.

Основные допущения в работе соответствовали общепринятым положениям в области расчетов, моделирования и масштабирования преобразуемых и преобразующих материальных потоков в помольных агрегатах и системах импульсной подачи и выгрузки материала в них.

Экспериментальные исследования проводились на модельных стендах, полупромышленных и промышленных агрегатах с использованием современных методов системной кибернетики — планирования эксперимента, теории моделирования и масштабирования.

Научная новизна работы заключается в следующем.

— Проведено теоретическое обоснование организации процессов обжига и помола клинкера на вращающихся печах и цементных мельницах в единой технологической системе.

— Выявлено, что эффективность процесса измельчения в цементных мельницах формой и абсолютными параметрами пульсации. Проверка циклической, прерывистой и чередующейся форм пульсации потоков в мельницах показала, что период пульсации обусловлен временем пребывания материала в мельницеустановлена необходимость оперативного управления этим параметром.

— Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена необходимость использования принципиально нового дискретно-непрерывного способа измельчения, основанного на организации регулируемого циклического процесса подачи и выгрузки материала в мельнице. Определен диапазон рациональных значений параметров изменяющихся воздействий.

— Проведена оценка целесообразности организации замкнутого цикла в цементных мельницах. Установлено, что в мельнице открытого цикла, переведенной в дискретно-непрерывный режим работы, достигнуты основные показатели и преимущества замкнутого цикла.

Практическая ценность и реализация работы.

— Определены условия внедрения циклических режимов на цементных мельницах с учетом конкретных характеристик используемого типового оборудования.

— На АО «Осколцемент» осуществлено внедрение новой технологии измельчения клинкера с пульсирующим потоком, которая на мельницах 3,2×15 м повышает эффективность и работы, увеличивая производительность на 10—40% при соответствующем снижении удельного расхода электроэнергии и улучшении качества продукции.

— Разработан комплекс конструктивно-технологических решений, позволяющих, с использованием принципиально нового дискретно-непрерывного способа измельчения сырья, клинкера и добавок, создать мельницу дискретнонепрерывного действия МДНД. По сравнению с известными, новый способ позволяет обеспечить повышенную эффективность процесса как по энергетическим затратам, так и по дисперсности готового продукта.

— Предложенные научно-технические решения обеспечивают гибкость технологии измельчения и позволяют получить для каждой мельницы показатели эффективности, значительно превышающие существующие даже без использования сепаратора замкнутого цикла.

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных показателей на всех ступенях исследований и испытыний.

Перспективы использования результатов работы.

Результаты аналитических и экспериментальных исследований в области импульсной технологии цементного производства и технических систем для питания материалами помольных агрегатов подтверждают рентабельность этих систем при модернизации действующих и сооружении новых цементных заводов. Разработанное новое направление в области дозирующих систем является объектом дальнейших научных исследований.

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены и представлены на семинарах по технологии измельчения сырья, клинкера и добавок в НИИСМ (Ханой, 1996, 1997 гг.) — на 1-м Международном совещании по химии и технологии цемента, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Москва, 1996 г.- на Международной конференции по технологии и оборудованию производства цемента, Ханой, 1996 г.- on the 2-nd Int. I Seminar on Cement, 18−20 Nov. 1996, Iran University of Science & TechnologyМеждународной конференции (XIV научные чтения) «Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энергои ресурсосбережение в условиях рыночных отношений», БелГТАСМ, Белгород, 1997.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 статей, получено 3 авторских свидетельства, подано 5 заявок на изобретения.

Объем работы.

Диссертация состоит из: Введения, 4 глав, общих выводов, приложений, списка использованной литературы, включающего 137 наименований. Общий объем диссертации страниц, в том числе 56 страниц текста, 2.2. рисунков,.

34 таблиц.

1.6. ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 1.

1. Проведенный обзор научно-технической литературы показал, что большинство традиционных способов повышения эффективности цементного производства оказались исчерпанными.

2. Одним из перспективных направлений совершенствования технологий производства цемента и, в частности, при помоле клинкера, является организация импульсного дискретно-непрерывного процесса, радикально снижающего удельные энергозатраты и повышающего производительность помольных агрегатов.

3. Для реализации новой технологии необходимы широкомасштабные исследования, как в области циклических режимов, так и при опытно-конструкторском обеспечении помольных агрегатов устройствами модулирования материального потока по форме, фазе, частоте и интенсивности.

4. Окончательные выводы об эффективности новой технологии могут быть еделаны на основе реальных исследований промышленных агрегатов цементного производства.

1.7. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ Цель работы: повышение эффективности действующих цементных заводов на основе организации циклических режимов, создание системы импульсной подачи и выгрузки материалов в помольных агрегатах.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи.

1. Разработать теоретические основы процессов с системами импульсной подачи и выгрузки материалов в помольных агрегатах.

2. Экспериментально исследовать основные закономерности импульсного дискретно-непрерывного процесса помола клинкера для максимального снижения удельных энергозатрат и повышения производительности.

3. Разработать методы расчета систем импульсной подачи и выгрузки материала в помольных агрегатах для существующих и новых видов дозирующих устройств.

4. Разработать патентно чистые конструкции устройств для модулирования материальных потоков в цементных мельницах по форме, фазе, частоте и интенсивности.

5. Провести экспериментальную проверку эффективности нового способа и устройств в производственных условиях на базе АО «Осколцемент».

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИКЛИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АГРЕГАТОВ ЦЕМЕНТНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

2.1. ОСОБЕННОСТИ ЦИКЛИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОБЖИГОВЫХ И ПОМОЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ.

Циклические режимы работы технологического агрегата отличаются переменным по расходу материальным потоком. Последний в общем случае может быть трехфазным — твердым, жидким и газообразнымпричем потоки эти характеризуются регулярными импульсами, отличающимися по амплитуде, частоте, интенсивности и форме. Образуются эти потоки в пульсаторах, которые осуществляют модуляцию потоков по заданной программе.

Цикличные технологические процессы все шире распространяются в химической, цементной и других отраслях промышленности и проявили себя как средство повышения производительности и качества продукции, снижения энергозатрат, повышения технико-экономических показателей, и, что самое главное — как способ разработки принципиально новых технологий.

В цементной промышленности цикличные технологии начали и продолжают разрабатываться сравнительно недавно трудами школы академика В. В. Кафаро-ва и академика МИА, д. т. н. М. А. Вердияна [21−25, 54−61]. Разработаны начала теории и методики расчета цементных технологий обжиговых и помольных агрегатов на действующих цементных заводах с использованием существующего оборудования и ряд принципиально новых технологий и реализующих их агрегатов.

Создана основа теории циклических процессов, которым, в частности, посвящена настоящая работа.

Представляется целесообразным рассмотреть прежде всего цементную технологию в свете традиционных представлений об оптимальных условиях технологических процессов, которые исходят из априорного условия о необходимости поддержания с высокой степенью точности постоянного расхода материальных потоков. Достаточно вспомнить о все более повышающихся требованиях к точности дозирования и весовых дозаторах.

Между тем, это представление, ассоциирующееся с оптимальностью технологического процесса, представляется скорее традиционным, чем научно-обоснованным. По-видимому, целесообразно рассмотреть условия, которые привели к этому мнению. Для этого следует вкратце обратиться к истории развития обжиговых и помольных агрегатов и вообще химических реакторов.

Вначале, естественно, агрегаты эти были по необходимости малопроизводительны, небольшими по объему и габаритам и, самое главное, — отличались периодичным режимом работы: загрузка — технологическая операция — выгрузка. Следовательно, режим технологии был цикличным. Длительность цикла определялась необходимым временем пребывания материала в реакторе, необходимом для осуществления определенных механохимических реакций и, в частности, равномерного распределения компонент материала в реакционном объеме.

Таким образом возник реактор идеального перемешивания с соответствующей математической моделью и отработанной технологией. Последняя характеризовалась значительными потерями времени на загрузку и выгрузку, охлаждение продукта, затруднениями при механизации ручного труда.

Для создания реактора непрерывного действия функции технологической обработки материала были совмещены с функцией транзита материального потока, что было реализовано, например, во вращающихся печах и трубных шаровых мельницах. Возник реактор идеального вытеснения, в котором материальный поток вынужденно перемещается вдоль продольной оси агрегата Однако выяснилось, что эффективность этого реактора оказалась ниже, чем реактора идеального перемешивания. С неизбежностью возникали помехи в гидромеханической структуре потока, такие, как обратные, поперечные и байпасные потоки, застойные зоны, раздельное расслоение материального потока и другие. В частности, ухудшились условия перемешивания. Основной причиной этих нарушений была недостаточная точность поддержания постоянства расхода материального потока.

Однако повышенная точность поддержания расхода потока не привела к существенному улучшению технологических показателей. Поэтому началось конструктивное изменение реакционного производства, приближение условий обработки материала к условиям идеального перемешивания. Мельницы были разбиты на камеры межкамерными перегородками, а затем оснащены кольцевыми перегородками, во вращающихся печах тоже появились пороги и кольца.

Появился «ячеистый реактор» со своей математической моделью. Однако было сохранено постоянство расхода материального потока, хотя по принципу действия ячеистый реактор как одно из условий оптимальности предусматривает цикличное поступление материала для обеспечения необходимой длительности пребывания и перемешивания материала в ячейках реактора Это требование не выполнялось до последнего времени, поскольку противостояло традиции.

Разработка технологии пульсирующих потоков, естественно, возникла в первую очередь в химической технологии в ячеистых реакторах — колоннах и байпасах.

В дальнейшем при разработке кибернетических основ технологии академиком В. В. Кафаровым и академиком М. А. Вердияном было обращено внимание на принципиальную необходимость цикличного материального потока.

Экспериментальные и промышленные исследования позволили установить также благотворное влияние на гидромеханическую обстановку импульсного движения материального потока, препятствующего образованию застойных зон и потоков. Было показано, что переход от потока с постоянным расходом к цикличному потоку позволяет снизить требования к точности дозирования и отказаться от весовых дозаторов.

Таким образом, в настоящее время следует рассматривать технологию, основанную на потоках переменного расхода как наиболее общий, приближенный к оптимальному, режим работы, а технологию с материальным потоком постоянного расхода как частный случаи, который может представлять интерес в особых, специфических случаях.

Следует заметить, что в реальных агрегатах происходит стихийное, хаотичное модулирование материального потока и возникают пульсации. Поэтому актуальна разработка теоретических основ оптимальной организации пульсирующих потоков, создание систем пульсаторов различного назначения.

2.2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ЦИКЛИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

Агрегаты цементной промышленности — помольные, обжиговые и другие, реализующие цикличную, импульсную технологию, и, как частный случай, технологию материальных потоков с постоянным расходом, являются иерархичной подсистемой системы агрегатов с переменным, пульсирующим материальным потоком, широко применяемыми в химической промышленности, называемыми пульсационными системами. Это наименование, по-видимому, предпочтительно и сохранено в настоящей работе [ 30−32- 36−48- 62−64 ].

Создание пульсаторов и пульсационных систем, обеспечивающих заданные режимы пульсации в разнообразных технологических процессах, машинах и аппаратах при минимальных удельных энергозатратах, должно отвечать требованиям как технологии, так и условий модулирования потоков.

Энергетическая оптимизация возможна лишь при совокупном рассмотрении пульсационной системы, состоящей из: гидравлической, гомогенной и гетерогенной подсистемы, собственно технологического аппарата или машины, газодинамической или электрической подсистемы дистанционной передачи импульсов и подсистемы генераторов импульсов с энергетическим источником.

Установлена зависимость эффективности КПД системы от согласованности основных подсистем.

Условия согласования подсистем и конструктивное оформление их для различных технологических аппаратов и машин являются основой разработки теории пульсационного привода, инженерных методов расчета неоднородных пульсационных систем и энергетического обеспечения пульсационных реакторов.

Метод расчета пневматических и гидравлических систем [38, 53] основан на допущении квазистационарности процессов заполнения и опорожнения пульсационного тракта, то есть соответствия мгновенных значений коэффициентов гидравлических сопротивлений их значениям при стационарном режиме потоков.

Вместе с тем сделаны попытки учета нестационарности при оценке распространения волн сжатия и разряжения по пульсопроводам [49, 50] [43]. Расчет не учитывает потери на трение, что для пульсопроводов длиной < 20−30 м не приводит к большим погрешностям [32, 54].

Следовательно, обе части пульсационной системы рассматривались как системы с сосредоточенными параметрами. Использовались графо-аналитические и численные методы расчета, на основе системы трех дифференциальных уравнений: неразрывности, энергии и скорости звука.