автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование и организация циклических режимов для интенсификации работы цементных мельниц

О Гл..... / А

БЕЛГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

IX рукописи

Тынников Иван Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЯ И ОРГАБОИЗАЦИЯ ЦИЮТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РАБОТЫ

ЦЕМЕНТНЫХ МЕЛЬНИЦ

По специальностям: 05.02.13. -Машины и агрегаты (промышленность)

05.^7 ,11. -Технология силикатных и тугоплавких н е м ет ал л ич е с к их м ат ер и ал о в

ИССЕРТА

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Н ау ч н ы е ру ко в о д нт е л и:

доктор технических наук, профессор.

Вердиян М. А, доктор технических наук, профессор

Богданов В. С.-

Белгород - 1999

Оглавление

стр.

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

1. Агрегаты цементной промышленности как объекты импульсной технологии..............................................................................................................11

1.1. Обжиговые и помольные агрегаты...............................................................11

1.1.1. Основные показатели процессов обжига сырьевой смеси и

помола цементной шихты......................................................................11

1.1.2. Взаимодействие преобразующих и преобразуемых потоков....................................................................................................18

1.1.3. Закономерности модуляции потоков при импульсной технологии..............................................................................................22

1.2. Классификация потоков в обжиговых и помольных агрегатах...................27

1.2.1. Обжиговые агрегаты..............................................................................27

1.2.2. Помольные агрегаты................................ ...............................................30

1.3. Системы подачи материалов в обжиговые и помольные агрегаты..........................................................................................................32

1.4. Требования к системам подачи материалов при импульсной технологии......................................................................................................37

1.5. Импульсная технология цементного производства.....................................39

1.5.1. Обжиг цементной сырьевой смеси........................................................39

1.5.2. Помол сырьевой смеси и цементной шихты........................................41

1.6. Выводы по разделу 1......................................................................................47

1.7. Постановка цели и задач исследования........................................................48

2, Теоретические основы циклических режимов работы агрегатов цементной промышленности.................................................................................49

2.1. Особенности циклических режимов работы обжиговых и помольных агрегатов.....................................................................................49

2.2. Основные положения теории циклических технологических

систем..............................................................................................................52

2.3. Теоретический анализ пневматических и шдравлических подсистем........................................................................................................55

2.4. Гидравлические автоколебательные системы..............................................66

2.5. Пульсаторы для потоков твердой дисперсной фазы....................................68

2.6. Выводы по разделу 2......................................................................................69

3. Исследование эффективности импульсной технологии на мельницах в условиях опытно-промышленного производства...........................70

3.1. Исходные предпосылки и предполагаемая эффективность.........................70

3.2. Экспериментальные исследования процессов помола с пульсирующими потоками............................................................................79

3.2.1. Опытно-промышленные исследования на цементной мельнице 3,2x15 м Здолбуковского ЦШК............................................88

3.2.2. Опытно-промышленные исследования на цементной мельнице 4x13,5 м Горнозаводского цементного завода.....................89

3.2.3. Опьггно-промышленные исследования на цементной мельнице 2,2x13, 2,4x13, 3,2x15 м Акмянского ЦШК.........................90

3.2.4. Исследование процесса помола шлама в сырьевой мельнице.................................................................................................98

3.2.5. Импульсная технология на мельницах 3,2x15 м................................101

3.3. Выводы по разделу 3....................................................................................105

4. Разработка и внедрение дискретно-непрерывного способа измельчения клинкера и добавок на ОАО «Осколцемент»...............................107

4.1. Эффективность измельчения твердых тал..................................................107

4.2. Технологические схемы измельчения.........................................................113

4.3. Трубная мельница дискретно-непрерывного действия и замкнутый цикл измельчения......................................................................119

4.4. Промышленное внедрение дискретно-непрерывного способа измельчения на цементной мельнице 3,2х 15 м..........................................125

4.5. Выводы по разделу 4..................................................................................... 141

Общие выводы.........................................................................................................142

Список использованных источников......................................................................144

Приложение..............................................................................................................157

ВВЕДЕНИЕ

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 мельнице; установлена 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 3,2x15 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 дискретно-

непрерывного 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 & Technology; Международной конференции (XIV научные чтения) «Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и 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. АГРЕГАТЫ ЦЕМЕНТНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ КАК ОБЪЕКТЫ ИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

1.1 .ОБЖИГОВЫЕ И ПОМОЛЬНЫЕ АГРЕГАТЫ

1.1.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССОВ ОБЖИГА СЫРЬЕВОЙ СМЕСИ И ПОМОЛА ЦЕМЕНТНОЙ ШИХТЫ

В силу традиционно сложившихся обстоятельств, подробный анализ которых не входит в задачу данного исследования, производство цемента базировалось в основном на описательных, эмпирических методах исследований, на экспериментальных работах по методу «проб и ошибок».

Химическая технология, более «молодая», была поставлена перед необходимостью развития более «сложных», или «тонких» технологий. Кроме того, к ее услугам были «подготовлены» физико-химические и математические аппараты, системотехника и, наконец, кибернетика [30-43],

В результате возникла современная химическая технология и теория реакторов и, как завершение определенного этапа развития науки, - кибернетическая технология [44-53].

Последняя объединяет описание закономерностей и методов управления всеми механо-термохимическими преобразованиями материальных потоков, состоящих из твердой, жидкой и газообразных фаз.

Развитие этой области науки о веществе обязано своим возникновением и становлением трудам школы академика В. В. Кафарова и д. т. н. М. А. Вердияна [54-61].

В настоящей работе анализ априорной информации о технологии цемента и оборудовании цементного производства проводится в свете идей новой технологии цемента, разработанной упомянутыми авторами. Это позволяет включить результаты анализа в общую современную химическую технологию, а также истол-

ковать процессы в обжиговых и помольных агрегатах в понятиях современной теории химических реакторов. Соответственно, будет существенно расширен диапазон научно-конструкторских и промышленных исследований, повышена их эффективность, выявлены принципиально новые методы совершенствования существующих и разработки новых технологий.

Так, мельница рассматривается как гомогенный химический реактор, в котором осуществляется простая химическая реакция псевдопервого порядка Соответственно, на мельницу переносятся новые понятия, характеризующие гидродинамические и кинетические условия протекания процесса преобразования материального потока, присущие химическим реакторам [62-64].

Так, коэффициент продольного перемешивания , представляется безразмерным критерием Пекле:

где 1\ - линейный размер системы-мельницы; иь - линейная скорость материального потока. Числовые значения этого критерия располагаются на интервале от:

Ре = 0 при 01уиь= оо для реактора идеального смешивания, до Ре = , при 0 для реактора идеального вытеснения.

На рис. рис. 1.1 и 1.2 приведены теоретические и экспериментальные зависимости для химических реакторов и мельниц для измельчения цементного сырья. Кривые свидетельствуют о правомочности допущенной аналогии.

Это позволяет отнести мельницы цементной промышленности к типовым реа�