Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ способов подготовки фрезерного торфа к сжиганию 9
1.1. Основные свойства фрезерного топливного торфа 9
1.2. Особенности работы технологических топок для фрезерного торфа 12
1.3. Влияние технологических и конструктивных факторов на процесс размола дисперсных материалов в молотковой мельнице 18
1.4. Анализ методов расчета молотковых мельниц, моделирование их работы 30
2. Теоретические предпосылки интенсификации процесса измельчения торфа в подсушиващеы устройстве с молотковой мельницей 36
2.1. Кинетика процесса измельчения дисперсного материала в подсушивающем устройстве с молотковой мельницей 36
2.2. Влияние основных факторов на энергозатраты и конечный продукт процесса измельчения 42
2.3. Влияние размольной поверхности мельницы на эффективность процесса измельчения торфа 54
3. Методика и аппаратура экспериментальных исследований . 62
3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 62
3.2. Описание экспериментальной установки и принцип ее работы 63
3.3. Методика проведения экспериментов и обработки опытных данных 65
4 Результаты лабораторных и промышленных испытаний молотковой мельницы 74
4.1 Оценка влияния частоты вращения ротора и площади размольной поверхности на процесс измельчения торфа в молотковой мельнице 74
4.2. Результаты промышленных испытаний молотковой мельницы с гребенчатой декой в системе подсушки топливного 86
4.3 Методика инженерного расчета молотковой мельницы с гребенчатой декой 89
5. Практическое использование результатов исследований 97
5.1. Использование молотковой мельницы с гребенчатой декой в системе подготовки фрезерного торфа перед сжиганием 97
5.2. Специфика подбора типоразмера молотковой мельницы с гребенчатой декой 102
5.3 Применение молотковой нельвицы с гребенчатой декой в народном хозяйстве 105
Выводы 106
Список литературы 108
Приложения 119
- Влияние технологических и конструктивных факторов на процесс размола дисперсных материалов в молотковой мельнице
- Влияние основных факторов на энергозатраты и конечный продукт процесса измельчения
- Методика проведения экспериментов и обработки опытных данных
- Методика инженерного расчета молотковой мельницы с гребенчатой декой
Введение к работе
Руководствуясь решениями исторического ХХУП съезда КПСС по выполнению задач дальнейшего улучшения благосостояния народа на основе развития научно-технического прогресса в социалистическом производстве и "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1986-90 годы и на период до 2000 года", нашей стране предстоит перевести все отрасли промышленности на преимущественно интенсивный путь развития, последовательно усиливать режим экономии, превратить ресурсосбережение г решающий источник удовлетворения растущих потребностей народного хозяйства. Решение поставленных задач во многом зависит от использования достижений науки и техники, способствующих "повышению в оптимальных пределах единичных мощностей машин и оборудования при одновременном уменьшении их габаритов, металлоемкости и энергопотребления ...н /I, 2/.
Усилия работников торфяной промышленности и ученых направлены на повышение эффективности технологии и комплексной механизации производственных процессов, реконструкцию и модернизацию действующего оборудования, улучшение качества готовой продукции, увеличение производительности труда и снижение зависимости отрасли от неблагоприятных погодно-клима-тических условий /3, 4, 5/.
За последние годы значительно изменилось качество сырья на торфоперерабатывающих предприятиях (ТПП). Сократились запасы торфа высокой степени разложения в центральных регионах страны /6/. Наибольшее влияние на работу ТПП стали оказывать погодно-климатические условия. На переработку стал поступать
фрезерный торф с содержанием влаги от 52 до 60%, причем его насыпная плотность снизилась от 400-350 кг/м3 до 180-220 кг/и3, а средневзвешенный размер частиц стал от 3,04 до 6,8? мм /7, 8/.
Важное место в торфяной отрасли занимают процессы эффективного сжигания торфа в топках, стабильного выделения тепла в котельных и обеспечения постоянного расхода высокотемпературных газов для сушки торфа на торфобрикетных заводах (ТБЗ).
Сложившееся положение с сырьем привело к ухудшению процесса горения торфа в топках и снижению производительности перерабатывающих агрегатов на 20-50% /9, 10/. Неустойчивость горения такого торфа усугублялась тем, что на сжигание подавался отсев крупнодисперсных фракций /II/. Поэтому актуальность работы заключается в обеспечении ресурсе- и энергосберегающей технологии для генерирования высокотемпературных топочных газов, научном обосновании подготовки фрезерного торфа в заводских условиях, выборе соответствующих конструкций технологического оборудования и оптимальных режимов работы.
Согласно теории горения и результатам производственных испытаний, определяющими факторами получения высокотемпературных газов является содержание влаги, рекомендуемое для фрезерного торфа 40-43%, и средневзвешенный размер частиц от 2,9 до 4,6 мм Д2, 13/. Следует отметить, что уменьшение размеров частиц менее 0,2 мм приводит к взрывоопасной ситуации Д4/,
В настоящее время проблема подготовки топлива перед сжиганием частично решается с помощью подсушивающих систем на базе мелющего вентилятора и молотковой мельницы, работающих
- б -
по замкнутому и разомкнутому циклам /10/.
В котельные перерабатывающих предприятий торф, как правило» поступает без предварительной подготовки /8/. В котельных ТБВ подготовка торфа обеспечивается размолом в молотковых мельницах и мелющих вентиляторах. Существенным недостатком последних является сплошной помол материала. Это приводит к дополнительным затратам анергии, увеличивает износ лопаток мелющего вентилятора и способствует накоплению крупных древесных и растительных остатков на дожигашельной решетке, нарушая процесс горения.
Избирательности измельчения при подготовке хрупких материалов достигают в молотковой мельнице, созданной по принципу влияния свободного удара на материал Д5/. Однако, частицы фрезерного торфа средней степени разложения размером более 10 мм малоэффективно измельчаются при таком воздействии /16/. Это способствует снижению размольной производительности мельницы и увеличению удельных энергозатрат на измельчение такого торфа. Поэтому перед подачей торфа в молотковую мельницу на ТЕЗ предварительно отсеивают крупную фракцию на вибрационных, валководиековшс или барабанных грохотах /17-20/. Однако этим увеличивается неутилизируемый энергетически ценный отсев крупных частиц. Для сжигания такого торфа в фа-кельно-слоевых топках требуется его предварительное измельчение
Наиболее перспективным направлением измельчения торфа, обеспечивающим высокое качество его подготовки, является использование динамического ударного сжатия, среза при ударе и других аналогичных способов, нашедших широкое применение в различных отраслях народного хозяйства при переработке во-
- 7 -локнистых материалов с различным содержанием влаги /16, 21-23/. Достигается это изменением конфигурации и увеличением размольной поверхности камеры дробления за счет установки колосников или дек /16,24/. Наибольший интерес представляют деки, которые в настоящее время нашли широкое применение при измельчении кормов и волокнистых материалов. Однако, отсутствие данных по измельчению торфа с применением дек не позволяет рекомендовать их без соответствующих исследований для подготовки материала в подсушивающем устройстве на ТБЗ или котельной.
Целью настоящей работы являлось обоснование и разработка принципов интенсификации процесса измельчения фрезерного торфа средней степени разложения в молотковой мельнице при его сжигании на торфоперерабатывающих предприятиях.
Диссертация включает в себя пять разделов.
В работе дан анализ поступающего торфяного сырья на переработку, опособов его подготовки и сжигания. Определены пути интенсификации процесса измельчения, обоснована конструкция размольного устройства*
На основании теоретических исследований показана возможность увеличения размольной производительности молотковой мельницы за счет установления гребенчатой деки. Приведены конструкции экспериментальной установки, методика исследований и обработка опытных данных. Изучено влияние основных свойств фрезерного торфа, режимных и конструктивных параметров на размольную производительность молотковой мельницы. Получена экспериментально-статистическая модель процесса измельчения фрезерного торфа в данном агрегате и установлены его оптимальные параметры работы.
На баге молотковой мельницы с гребенчатой декой и ступен
ів чатым ротором разработана замкнутая система подсушки фрезер
ного торфа перед сжиганием в факельно-слоевой топке, которая
внедрена на Когуярском ТБЗ Минтоппрома Чувашской АССР. Факти
ческий годовой экономический эффект при этом составил 43 тыс,
рублей* В котельной Вышневолоцкого ТБЗ внедряется разомкну
тая система подсушки торфа.
Работа выполнена в Калининском политехническом институте в рамках важнейших хоздоговорных НИР в период с 1984-1988г.г.
Влияние технологических и конструктивных факторов на процесс размола дисперсных материалов в молотковой мельнице
Прежде чем рассматривать конструктивные и технологические факторы, влияющие на размольную производительность молотковой мельницы и энергозатраты, следует отметить, что она была создана для измельчения хрупкого материала и без изменений заимствована из угольной и строительной промышленнос-тей (рис. I.I) /49, 51/. Из анализа работ /30» 52-54/ следует, что существенное влияние на размольную производительность и энергозатраты мельницы при требуемой степени измельчения материала оказывают: начальный размер частиц, их форма, прочностные свойства и содержание влаги. Остановимся подробнее на влиянии каждого фактора в повышении размольной производительности измельчающего устройства. Уменьшение крупности исходного материала достигается за счет частичной сепарации крупных частиц перед их подачей в систему подсушки торфа. Однако, это приводит к значительным потерям энергетически ценного топлива. Кроме того, в торфе (см. Приложение I) содержится значительное количество частиц, не требующих измельчения. Они могуя быть направлены, в топку, минуя мельницу. Причем, содержание влаги в них, согласно кинетики сушки мелких частиц /56/, будет удовлетворять условиям процесса горения в факельных топках. Следует отметить, что крупность исходного материала, поступающего в подсушивающе-измельчающее устройство, оказывает существенное влияние не только на кинетику подсушки торфа, расход энергии, износ молотков, но, что особенно важно, и на производительность, стоимость оборудования и ремонтно-эксплуатационные расходы. По заключению многих ученых /16, 53, 57-59/ величина содержания влаги в материале влияет на процесс дробления и значение энергозатрат.
Предварительно подсушенный фрезерный торф измельчается с меньшими энергозатратами /34, 58/. Например, по данным /58/, снижение содержания влаги в торфе ниже 40% приводит к уменьшению энергозатрат на размол более чем на 25%. С другой стороны, при содержании влаги в торфе более 55% наблюдается активное налипание материала на измельчающее устройство, что резко снижает его производительность. Существенное влияние на размольную производительность молотковой мельницы оказывает работа сепаратора. С увеличением скорости потока газовзвеси на выходе из него размольная производительность молотковой мельницы растет, а с уменьшением - падает. По данным /57, 60/, оптимальная скорость в верхней части гравитационного сепаратора молотковой мельницы при ее работе на фрезерном торфе была установлена 4 м/с. При ее увеличении свыше этого значения огрублялся фракционный состав подготавливаемого материала и ухудшались условия его сушки и сжигания. Испытания молотковых мельниц с шахтным сепаратором и тен-генциальным или аксиальным подводом газа показали, что величина размольной производительности практически не зависит от способа подвода сушильного агента.
Улучшение условий вентиляции и эвакуации измельченного материала снижает расход электроэнергии на 12-15% у тангенцианьных, по сравнению с аксиальными /49, 60/. Для достижения минимальных затрат энергии на размол следует проанализировать способы измельчения в молотковой мельнице и дробильно-размольном оборудовании материалов, близких по своим свойствам к фрезерному торфу, поступающему на перерабатывающие предприятия. Для обоснования наиболее рационального способа воздействия на торф средней степени разложения, имеющего повышенное содержание горючих примесей, рассмотрим устройства и способы измельчения дисперсных материалов, имеющих аналогичные свойства. Анализируя способ измельчения в молотковой мельнице, В.П,Ромадин указывает, что размол твердого топлива - бурых и каменных углей, осуществляется, в основном, за счет непосредственного свободного удара молотков о куски материала, повторного удара частиц о броню, истирания их молотком и вза имного соударения /85/. Некоторые исследователи /34/ считают, что дня размола фрезерного торфа высокой степени разложения наибольшее значение имеет удар и истирание. При создании измельчителя для торфа средней степени разложения Н.М .Гришаков, методом скоростной киносъемки, исследовал процесс соударения крупных частиц фрезерного торфа размером 10-15 мм с движущимися молотками.
Влияние основных факторов на энергозатраты и конечный продукт процесса измельчения
При создании измельчающих машин или их модернизации, за основной критерий принимается энергоемкость процесса измельчения, затрачиваемая на разрушение фрезерного торфа С целью наиболее полного отражения процесса измельчения в устройстве применяется комплексный показатель Nyd/i -удельных энергозатрат, отнесенных к единице степени измельчения /16/ Ввиду того, что фрезерный торф средней степени разложения относится к сложной полидисперсной системе сыпучих материалов, теоретически рассматривать процесс его измельчения сложно. Поэтому воспользуемся часто применяемым в инженерной практике приемом замены полидисперсной системы на монодисперсную, состоящую из частиц эквивалентного диаметра. При этом удельная поверхность монодисперсной системы равна сумме поверхности реальных частиц материала /88/ где 5d " удельная поверхность материала; и - размер ячейки і сита; У - коэффициент формы торфяных частиц. Б тоже время удельная поверхность частиц определяется известным выражением где $ , Ум - соответственно, поверхность и объем частиц. Из вышеприведенных уравнений получим поверхность материала, на образование которой тратиться энергия
Энергоемкость дробления твердых тел связана с поверхностью материала следующим образом /57/ І где А - коэффициент, учитывающий все потери энергии, непосредственно связанные с образованием новых поверхностей измельчаемого материала. После подстановки величины $ последнее выражение принимает вид Авторы работы /88/ предлагают определять коэффициент формы частиц следующим образом. Для частного случая, продолговатых частиц ( d h , где d , h , соответственно диаметр и длина частицы, мм) = 4. В фрезерном торфе средней степени разложения частицы недоизмельченной фракции ( tyH + Цнг)171 имеют схожую, продолговатую, волокнистую (цилиндрическую) форму. При этом практически выполняется неравенство d « кш Поэтому можно предположить, что этот коэффициент приемлем при уточнении энергозатрат при измельчении в мельнице фрезерного торфа средней степени разложения /89/ В реальном процессе измельчаемый суммарный объем частиц можно определить по выражению где pgx , рр - соответственно, насыпная плотность исходного материала на входе в систему "мельница-сепаратор" и ре-цирку лят а. Вместе с тем Mgx (Т) можно выразить из уравнения где б» - масса материала, поступающего в молотковую мельницу, определяемая из соответственно, содержание влаги в торфе на входе в подсушивающую систему и молотковую мельницу, %; V4 - скорость поступления материала в молотковую мельницу, м/с; 7} - время нахождения материала в подсушивающем рукаве, с; Lp - длина подсушивающего рукава, м. Тогда После подстановки выражений (2,8) и (2.9) в уравнение (2.7) получим где Lc - длина сепаратора, м. Полученное уравнение (2,10) позволяет прогнозировать энергозатраты процесса измельчения с учетом фракционного состава, структуры и количества материала, формы его частиц, содержания влаги, плотности и скорости его поступления в дробильную камеру. Таким образом, комплексный показатель Nyd/t с учетом уравнения (2.10) выражается
Методика проведения экспериментов и обработки опытных данных
Физико-механические свойства фрезерного торфа в основном обуславливаются типом залежи и комплексом торфодобывающих машин. В настоящее время торфобрикетные заводы и котельные преимущественно работают на торфе средней степени разложения, добытым фрезерным способом, и в перспективе качество поступающего сырья не изменится. Кроме того, при сезонах добычи фрезторфа с неблагоприятными погодно-климатическими условиями возможно поступление на сжигание топлива с повышенным содержанием влаги. Исходя из вышеизложенного, для лабораторных опытов в качестве объекта исследований использовался торф с качественной характеристикой, приведенной в табл. п.1 (Приложение 2),
Отсутствие информации по исследованию процесса измельчения торфа средней степени разложения в молотковой мельнице, требовало на первом этапе проведения пассивных экспериментов /94-, 95/, С их помощью устанавливалось влияние частоты вращения ротора и площади размольной поверхности на размольную производительность мельницы, удельные энергозатраты, отнесенные к единице степени измельчения и средневзвешенный размер измельченного торфа.
На втором этапе для определения оптимальных режимных параметров работы молотковой мельницы с гребенчатой декой опыты проводились с использованием методов планирования активного многофакторного эксперимента /79, 89, 96/, В качестве основного критерия эффективности работы размольной установки был принят комплексный показатель N /i - удельные энергозатраты, отнесенные к единице степени измельчения /16/ и требования к топливу по средневзвешенному размеру частиц для технологических топок.
Для получения математической модели процесса измельчения торфа в молотковой мельнице с гребенчатой декой был принят композиционный рототабельный план второго порядка /89/. В табл. 3.1 приведены основной уровень, интервалы варьирова ния и границы области исследований факторов.
Опыты проводились на холодном (без использования топочных газов) стенде. Соблюдались условия аддитивности процессов измельчения и сушки, так как в подсушивающих рукавах производственных шахгно-мельничных сушилках из торфа испаряется до 40-50% влаги и в мельницу он поступает уже подсушенным /58/, из исходного материала, с помощью кварцевых ламп, удалялась влага. Таким образом, исходный торф подготавливался к эксперименту до значений факторов, указанных в табл. 3.1.
Реализация плана осуществлялась следующим образом. Порции торфа взвешивались на весах и загружались в бункер экспериментальной установки, при этом отбирались пробы для технического анализа /29/. Затем установка запускалась в работу. Каждый опыт продолжался до завершения процесса измельчения материала. При проведении пассивных экспериментов число повторнос-тей опыта было принято, исходя из условий обеспечения надежности результатов и точности оірнки до 5%.
Удельный расход энергии, отнесенный к единице степени измельчения на дробление, устанавливался по методике, изложенной в работе /90/. Затраты энергии определялись при обработке диаграмм, записанных ваттметром Н-348 с учетом нормированной методики /91/,
При обработке результатов опытов получалось уравнение регрессии, математически отражающее процесс измельчения фрезерного торфа в усовершенствованной молотковой мельнице. Оно позволяло оценить влияние содержания влаги в измельчаемом материале, количества перерабатываемого торфа, частоты вращения ротора на минимизацию энергозатрат, отнесенных к единице степени измельчения. При этом значимость полученных коэффициентов регрессии проверялась по критерию
Методика инженерного расчета молотковой мельницы с гребенчатой декой
При определении размольной производительности молотковой мельницы ММТГ учитывалось влияние активной поверхности гребенчатой деки, которая зависела от параметров ьм , $м , т } Ъ и 5/ . Экспериментально-статистическим методом была проверена предложенная в главе 2 эмпирическая зависимость для расчета ее размольной производительности по уравнению (2,24) Qp = у si m-Nid4 -KR K-ur , где D , L - соответственно, диаметр и длина ротора мельницы, м; м - рабочая длина молотка, MMJ им - ширина молотка; ті - количество рядов молотков; /л - количество молотков в одном ряду; п - частота вращения ротора, с ; $ -зазор между боковой гранью молотка и пазом деки, м; 2 -скорость торфогазовой смеси в конце сепаратора (принята 4 м/с); KR и К - соответственно коэффициенты, учитывающие степени разложения и влагу поступающего торфа (применяются по опытным данным, указанным в табл. 4.3 и 4.4). Геометрические параметры ( Ь , L , м , 6М , fy) для мельницы ММТГ 1000x470 и ММТГ 300x141 приведены в табл. 3.4. Количество молотков в ряде соответствовало 4.
Мощность холостого хода ротора при изменении частоты вращения для ММТГ 300x141 приведены на рис. 4.8, что соответствовало предложенной формуле (2.26). При испытаниях мельницы ММТГ 1000x470 она была равна кубу коэффициента геометрического подобия, умноженному на значение N $ , показанное на рис, 4.8 при частоте вращения ротора 16,7 с . Относительная мощность Ntf при изменении частоты вращения ступенчатого ротора ММТГ 300x141 приведена на рис. 4.9, что соответствовало предложенной формуле расчета (2.25). Испытания мельницы ММТГ 1000x470 при частоте вращения ротора 16,7 с показали, что она равна значению 2,39. Поэтому для определения относительной мощности при другой частоте вращения ротора можно воспользоваться кривой, приведенной на рис. 4.9, или расчетной формулой (2.25).
Так как на основании проведенных экспериментов анализ влияния степени разложения показал, что с ее уменьшением до средней 25-30%, для низинного торфа № 3, поправочный коэффициент KR соответствует 0,81 (табл. 4.3), то есть размольная производительность молотковой мельницы ММТГ снизилась на 19%. Обусловливалось это наличием 15% древесных остатков (Приложение 2).
Наличие в верховом пушицево-сфагновом торфе № I волокон растений-торфообразователей (25% пушицы, 20% шейхцерии, 25% $ph. mageifomkum и по 10% Sph. {ибкитж $ph апуи-ъЪ-їоііит) и преобладающее влияние их упругих свойств в данном диапазоне содержания влаги, повлекли за собой снижение размольной производительности ММТГ. При этом поправочный коэффициент соответствовал 0,65 (табл. 4.3).
Для сравнения в ММТГ измельчался торф магелланикум (торф № 2) малой степени разложения 15-20%. При этом поправочный коэффициент соответствовал 0,59 (табл. 4.3). Объясняется это изменением ботанического состава, увеличением волокнистых растительных включений, соответственно на 15% шейхцерии и Sph, Ju-ikum , а также наличием в торфе 10% древесных остатков, по сравнению с торфом № I.
