автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Электрофизический метод снижения энергопотребления и аспирационных выбросов при измельчении неорганических материалов

h i > 'J ~ 0 / $ Л r? ^ Л

i «v- / 7 / I ^ w w

^ 4 / (X. ь/ ^ CK. - ^

Санкт - Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)

На правах рукописи

СУКМАНОВ АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЙ МЕТОД СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ И АСПИРАЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ ПРИ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

05.14.16 - Технические средства и методы защиты окружающей среды (химическая технология)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.х.н., профессор ИвахнкжГ.К. Научный консультант:

к.т.н., доцент Болкунов O.A.

Санкт - Петербург 1999

Оглавление

Стр.

Введение .................................................................................................. 5

1. Аналитический обзор ......................................................................... 7

1.1. Энергоёмкость процессов измельчения ......................................... 7

1.1.1 Способы расчета удельных энергозатрат при измельчении

материалов ................................................................................... 9

1.1.2 Технологии и оборудование, применяемые в процессах измельчения ..................................................................................... 14

1.1.3 Явления, обуславливающие увеличение удельных

энергозатрат в процессах измельчения ......................................... 18

1.2 Влияние процессов измельчения на окружающую среду и санитарно-гигиеническую обстановку в производственных помещениях ....................................................................................... 23

1.2.1 Выбросы вредных веществ в атмосферу и их воздействие

на окружающую среду .................................................................. 23

1.2.2 Загрязнение воздуха пылью и ее воздействие на организм человека при измельчении твердых материалов........................... 25

1.3 Статическое электричество - как фактор, снижающий производительность размольного оборудования и эффективность работы пылеочистительных установок ............................................ 29

1.3.1 Механизм электризации измельчаемого материала ...................... 29

1.3.2 Влияние статического электричества на производительность

оборудования и на физические свойства готового продукта ...... 33

1.3.3 Способы нейтрализации зарядов статического электричества ...... 34

1.4 Методы интенсификации процессов измельчения и снижения выбросов вредных веществ в атмосферу .......................................... 36

1.5 Цель и постановка задач исследования ............................................. 40

2. Характеристика материалов и методики исследований ..................... 42

2.1 Характеристика материалов .............................................................. 42

2.2 Методики исследования и обработка результатов эксперимента ... 44

3. Теоретические основы электрофизического метода снижения энергопотребления и аспирационных выбросов в атмосферу ........... 52

3.1 Зависимость степени измельчения твёрдых материалов от физико-химических свойств ................................................................ 53

3.2 Влияние электрических и магнитных полей на процесс измельчения..55

3.3 Механизм образования и воздействия диэлектрического пограничного слоя (ДПС) на накопление и отвод заряда...................60

3.4 Поляризация измельчаемого материала ............................................. 67

3.5 Снижение электростатического заряда измельчаемого материала с помощью генератора переменного частотно-модулированного сигнала (ПЧМС).................................................................................... 70

3.6 Механизмы разупрочнения измельчаемых материалов...................... 77

4. Экспериментальная часть ..................................................................... 80

4.1 Обоснование выбора промышленных материалов для исследования. 80

4.2 Исследования влияния ПЧМС на электрофизические свойства материалов ............................................................................................ 81

4.2.1 Определение удельной электропроводности исследуемых материалов.......................................................................................... 81

4.2.2 Определение диэлектрической проницаемости исследуемых материалов ......................................................................................... 85

4.2.3 Определение емкостного, активного и общего сопротивления диэлектрического пограничного слоя (ДПС) промышленной мельницы........................................................................................... 87

4.3 Исследование влияния ПЧМС на физико-химические свойства, гранулометрический состав и кинетику накопления заряда на измельчаемых материалах ................................................................. 98

4.3.1 Исследование воздействия ПЧМС на кинетику процесса

измельчения, накопление заряда и физические свойства дефторированного фосфата кальция (ДФФ) при измельчении его в шаровой и вибрационной мельницах..................................... 99

4.3.2 Исследование воздействия ПЧМС на кинетику процесса измельчения, накопление заряда и физические свойства

извести в процессе её измельчения ............................................... 111

4.3.3 Исследование воздействия ПЧМС на кинетику процесса измельчения, накопление заряда и физические свойства фосфоритной руды в процессе её измельчения ............................ 116

4.3.4 Исследование воздействия ПЧМС на кинетику процесса измельчения, накопление заряда и физические свойства природного цеолита в процессе его измельчения ........................ 121

4.3.5. Заключение .................................................................................... 126

5. Промышленные испытания ................................................................ 127

5.1 Промышленные испытания электрофизического метода снижения удельного энергопотребления и аспирационных выбросов в атмосферу в процессе измельчения дефторированного фосфата

кальция (ДФФ) на ОАО «Фосфорит»................................................ 127

5.2. Определение выбросов в атмосферу и эффективности процесса аспирационной очистки воздуха от пыли ДФФ под воздействием ПЧМС ................................................................. 134

5.3 Промышленные испытания влияния ПЧМС на процесс измельчения цементного клинкера .................................................. 135

5.4 Оценка экономического эффекта от применения генератора ПЧМС в производстве кормовых обесфторенных фосфатов

на ОАО «Фосфорит», г. Кингисепп................................................. 138

Выводы .................................................................................................. 139

Список используемых источников........................................................ 141

Приложения .......................................................................................... 149

Введение

Процесс измельчения твердых неорганических веществ является одной из самых распространенных операций в химической промышленности, в производстве строительных материалов и в ряде других областей народного хозяйства. Эти производства являются высокоэнергоемкими и одними из основных источников загрязнения окружающей среды вредными отходящими газами и пылью, нанося ей тем самым значительный вред. Кроме того, запыленность воздуха в цехах ухудшает санитарно-гигиенические условия труда и вызывает профессиональные заболевания.

В настоящее время мировое производство порошков достигает миллиарда тонн в год, на это затрачивается около 10 % всей вырабатываемой электроэнергии, а количество выбросов пыли в атмосферу достигло гигантских размеров: при измельчении извести - 312,4 тыс. т/г; гипса - 99,4 тыс. т/г; фосфоритной руды - 81,9 тыс. т/г; [1].

Применяемые пылеулавливающие аппараты обеспечивают существенное снижение концентрации пыли в воздухе и отходящих газах, однако запыленность технологических выбросов часто превышает предельно допустимые выбросы, поэтому большинство исследований по снижению техногенной нагрузки и интенсификации процесса измельчения направлены на усовершенствование и создание нового технологического оборудования, а также использование различных интенсификаторов. Однако, при определенной дисперсности измельчаемого материала основное влияние на интенсификацию процесса измельчения оказывает его электризация. Существующие методы отвода электрического заряда направлены на использование антистатиков поверхностноактивных веществ и увлажнение наэлектризованных продуктов. Эти способы малоэффективны, экономически не выгодны и приводят к ухудшению физических свойств готового продукта, кроме того, они не учитывают негативного влияния пограничного буферного слоя, образующегося за счет налипания наэлектризованных

частиц на стенках мельницы. Буферный слой препятствует полезной механической работе мелющих тел и отводу электростатического заряда с измельчаемого материала через заземленные стенки мельницы, в результате это приводит к забивке секционирующих решеток мельницы, пневмокамерных насосов, циклонов и рукавных фильтров.

В связи с этим разработка нового электрофизического метода повышения эффективности очистки газовоздушных потоков от пыли и снижения энергопотребления является весьма важной и актуальной проблемой.

Целью данной работы является разработка нового метода отвода электростатического заряда с измельчаемого материала, позволяющего интенсифицировать эффективность очистки отходящих технологических газов от пыли и снизить удельные энергозатраты на стадии измельчения твердых неорганических продуктов. Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие вопросы:

1. Предложен электрофизический метод отвода электростатического потенциала с измельчаемого материала и разработан его механизм воздействия на процесс измельчения.

2. Изучено влияние переменного частотно-модулированного сигнала (ПЧМС) на кинетику накопления электростатического заряда на исследуемых материалах в процессе их измельчения и его отвод через диэлектрический пограничный слой (ДПС).

3. Исследовано влияние генератора ПЧМС на интенсификацию процесса измельчения и на физические свойства измельчаемого продукта.

4. В промышленных условиях испытано влияние генератора ПЧМС на процесс измельчения и стадию очистки газовоздушного потока в производстве дефто-рированного фосфата кальция на ОАО "Фосфорит" и на процесс измельчения портландцементного клинкера на цементных заводах фирмы "Nesher Israel Cement Enterprises Ltd.", (Израиль) и «Cement Hranice», (Чехия).

1 Аналитический обзор 1.1. Энергоёмкость процессов измельчения

Измельчение материала до небольших кусков или в порошок достигается операциями дробления и помола. Процесс измельчения имеет большое значение для многих отраслей промышленности. При этом преследуются различные цели: для цементной промышленности, например, важно только увеличение удельной поверхности материала и повышение его реакционной способности, а для горнорудной необходимо облегчить дальнейшее разрушение фракций.

В настоящее время мировое производство порошков достигает миллиарда тонн в год. На это затрачивается около 10% всей вырабатываемой энергии в год. Одна только цементная промышленность потребляет около 2% электроэнергии, где удельный расход энергии составляет 100 - 115 кВтч/т, при этом на долю помола сырья и клинкера затрачивается до 75% всей расходуемой энергии. Потребность в энергии при помоле цементного клинкера составляет 35-50 кВт-ч на тонну [1].

Техника помола находится еще на недостаточно высоком уровне. Энергия, расходуемая непосредственно на помол, составляет небольшой процент от расходуемой энергии, остальная - теряется в виде тепловой, звуковой и т.д. Например, при помоле материалов в шаровой мельнице полезно используется 5 - 6 % потребляемой энергии, в струйной мельнице - 15 % [2]. Важно также отметить, что доля выбросов в атмосферу некоторых отраслей производства, являющихся наиболее сильными загрязнителями воздушной среды, характеризуется следующими цифрами: теплоэлектроцентрали - 27.0 %, черная металлургия - 24.3 %, нефтедобыча и нефтехимия - 15.5 %, автотранспорт -13.3 %, цветная металлургия - 10.5 %, производство стройматериалов - 8.1 %, химическая промышленность - 1.3 % [3].

Из приведенных данных видно, что химическая промышленность и производство стройматериалов, оказывает большое влияние на загрязнение воздушной среды пылью и токсичными газами.

Большинство выбросов аэрозолей, загрязняющих окружающую среду, в химической промышленности производится при дроблении и помоле, а не в результате химических реакций. Например, производство извести связано с разрушением кусковых материалов (карбонатного сырья, известняка и извести), которое сопровождается интенсивным выделением пыли. Заводы по производству извести среди предприятий строительных материалов стоят на 3-ем месте по количеству выбрасываемой в атмосферный воздух пыли [2,4].

Технологические выбросы производств строительных материалов с содержанием пыли, превышающей ПДВ, наносят значительный вред природным ресурсам. Кроме того, запыленность воздуха в цехах ухудшает санитарно-гигиенические условия труда, снижает его производительность и вызывает профессиональные заболевания.

Применяемые пылеулавливающие аппараты обеспечивают существенное снижение концентрации пыли в воздухе и отходящих газах, однако, до сих пор запыленность технологических выбросов, как правило, превосходит расчетные максимально допустимые выбросы.

Ниже приведены данные по количеству вредных выбросов на ряде производств, тыс-т/год [4]: извести - 312.4; гипса - 99.4; фосфоритной руды - 81.9; выработка электричества со сжиганием ископаемых топлив - 14135.00.

1.1.1 Способы расчета удельных энергозатрат при измельчении материалов

Задачей теории измельчения является установление взаимосвязи между дисперсностью измельчаемого материала, которому присущи некоторые известные физические и химические свойства, и затратами энергии измельчителей с заданными конструктивными параметрами. Измельчение представляет собой сложный процесс. Его кинетика определяется существенным и одновременным влиянием сразу многих факторов, таких, как пластическое и упругое деформирование, взаимодействие частиц между собой и с окружающей средой, масштабным изменением прочности, конструктивными особенностями измельчителей и др. Этими особенностями процесса обусловлена сложность задачи теории измельчения, которая до настоящего времени не решена полностью. Известные из литературных источников соотношения Риттенгера, Кика, Бонда и многие другие основаны на одностороннем учете какого-либо одного из указанных параметров и потому оказались весьма ограниченно применимыми для описания экспериментальных данных. Очевидно, что теория измельчения должна быть связана, прежде всего, с теорией прочности твердых тел и с физи-кохимией поверхностных явлений, определяющих взаимодействие частиц [5].

Исследования проблемы измельчения условно разделены на три группы. В первой представлены исследования процесса разрушения твердых тел под действием ударных и сдавливающих воздействий, в какой-то мере имитирующих таковые при измельчении. Этот цикл исследований базируется на достижениях физики твердого тела - физики прочности и пластичности. Во вторую группу входят исследования гранулометрического состава порошков. Их целью является установление закономерностей распределения частиц по размерам в зависимости от условий измельчения. К третьей группе относятся работы, посвященные установлению взаимосвязи между одной из характеристик дисперс-

ности порошков и затратами энергии на помол. Все три группы исследований тесно связаны между собой, но каждая из них имеет и самостоятельное значение для конструирования измельчителей, обработки технологических режимов измельчения и технологии использования его продуктов. Анализ теоретических исследований и новые экспериментальные результаты в этой области изложены в трудах первого и второго конгрессов по измельчению, в монографиях Сиден-ко П.М., Ходакова Г.С. и Гийо Р., а также в трудах НИИ цемент [5 - 12].

В мельницах частицы разрушаются в результате воздействий разного рода, отличающихся локализацией приложения внешней силы - разлом, раздавливание, раскалывание, резание, а также скоростью нарастания напряжений -от медленного сжатия до высокоскоростного удара. Причем, удар может быть приложен к свободным частицам, движение которых в момент удара не ограничено препятствием, и к частицам, перед ударом покоящимся на каком-либо препятствии, полностью или частично ограничивающим возможность их перемещения после удара. В каждом из названных типов воздействий для осуществления разрушения частиц затрачивается определенное количество энергии. Очевидно, что наиболее экономичны из них такие, для которых предельное напряженное состояние локализовано в ограниченном объеме тела. К ним относятся резание, разлом и раскалывание острым инструментом. Однако создание таких локализованных предельных напряжений в машинах, предназначенных для измельчения, когда размеры мелющих тел велики по сравнению с размерами частиц, весьма затруднительно. В процессах же дробления размеры кусков материала сопоставимы с размерами рабочих органов машины, что и позволяет осуществлять наиболее выгодные способы приложения напряжений. Экономичность дробилок, выражаемая затратами энергии на создание единицы дисперсности (обычно - удельной поверхности), поэтому заметно выше, чем у мельниц [9].

Когда напряжение в материале превышает внутренние силы сцепления частиц, он распадается на более �