Стабилизация активности измельчаемого цемента по его эксергии Перунов, Сергей Иванович

Введение к работе

Актуальность проблемы: Работа цементных заводов в рыночных условиях показала, что для их успешного дальнейшего функционирования необходимо решение принципиально новых научно-технических задач, которые традиционным путем решены быть не могут. Эти новые задачи обозначены в работах проф. Вердияна М.А. и заключаются они в следующем:

1. С точки зрения организации выпуска различных цементов - это новая для цемзаводов задача перехода от серийного выпуска и отгрузки цемента одного типа и класса прочности для различных изделий потребителей к единичному или адресному выпуску для отдельно взятого изделия. Особенно актуальна эта задача для отдельных помольных установок, выпускающих цемент на привозном клинкере, и для многоассортиментных производств строительных материалов на основе цемента. Другими словами, речь идет о выпуске цемента по индивидуальному заказу.

2. С точки зрения организации типовых технологических процессов -это переход от непрерывных процессов к циклическим, реализующим оперативное регулирование времени пребывания материала в агрегате.

3. С точки зрения контроля технологических параметров производства - это переход на единый энергетический контроль их значений, т.е. эксергии этих параметров и особенно для цемента.

4. С точки зрения стабилизации качества цемента (СКЦ) - это переход на систему оперативного управления активностью измельчаемого цемента по его эксергии.

5. С точки зрения используемой научной и инженерной идеологии -это переход на системный и эксергетический анализы.

Наиболее значимой и перспективной стадией из этого комплекса задач является разработка процессов одновременного повышения эффективности работы цементных мельниц и оперативной стабилизации качества цемента в ходе его измельчения.

В состав внедряемой на цемзаводах комплексной системы качества продукции входит главная и наиболее эффективная ее часть -технологическая. Ее назначение - это разработка и внедрение технологических решений, обеспечивающих получение цементов, оптимально отвечающих требованиям потребителя. Это возможно, если на заводе, прежде всего, реализована одновременно технологическая система стабилизации качества цемента (СКЦ) и система оперативного управления этим процессом.

Анализ производства цемента с точки зрения задач управления этим объектом показывает, что оперативное управление качеством в принципе достижимо только на переделе ирггпт.чгишд ЦШ&ШиїПр^и этом решение

Q9 т&*ш!

задачи оптимизации процесса стабилизации качества цемента (СКЦ) здесь неизбежно должно сводиться к минимизации дисперсии (Д) колебаний главного контролируемого параметра - активности (А) цемента. Очевидно, что вероятность отрицательного проявления строительно-технических свойств (СТС) цемента в изделиях у потребителя выше у цементов с большей дисперсией колебаний активности цемента, чем с Д(А)_т1П. Поэтому выпуск цементов с Д(А)„,і„ и является главной задачей СКЦ. Последнее можеі быть получено только (при заданном химико-минералогическом составе) при достижении минимума дисперсии дисперсности цемента и естественно с учетом ограничений по технологическим возможностям и требований к конкретному типу и классу прочности цемента. Другими словами СКЦ - это достижение минимальной дисперсии требуемой дисперсности цемента, т.е. распределения частиц по размеру (РЧР), отсюда ясно, что следует получать Д(РЧР)_гаі„.

Традиционные способы организации процессов измельчения и контроля дисперсности цемента по остатку на сите № 008 - R008 и удельной поверхности (S) в принципе не могут решить задачи СКЦ. Главная причина здесь состоит в методе определения действительной активности цемента Ацем. Стандартами большинства стран фактическая А„_е„ определяется по прочностным показателям цемента через 1, 2, 3, 7 и 28 суток. Здесь нужно использовать другие, новые подходы.

Использование в технологии цемента эксергетического метода анализа и мельниц дискретно-непрерывного действия (МДНД) открыло новые возможности по решению целого ряда актуальных для цемзаводов научно-технических задач, традиционным путем не решаемых. Одной их них и является СКЦ. Главный вопрос, который возникает при этом, можно ли обеспечить оперативное управление СКЦ, т.к. с этой точки зрения обычная цементная мельница относится к классу трудноуправляемых объектов по СКЦ.

Таким образом, рассмотрение методической, расчетно-экспериментальной и прикладной части исследуемой проблемы, в которой впервые в технологии цемента используются эксергетический КПД и критерий ЭЗМ в качестве комплексных критериев эффективности работы мельниц и стабилизации качества цемента, представляет актуальную задачу диссертации.

Цель диссертационной работы -.Разработка основных положений эксергетического анализа к задачам одновременного повышения эффективности работы мельниц и стабилизации качества цемента. Доказать в связи с этим, что на типовой промышленной мельнице МДНД 3,2x15 м в принципе можно выпускать требуемый цемент и управлять его активностью в ходе измельчения Для достижения поставленной цели определены следующие направления исследований:

6. Описание процессов измельчения, конструктивно-технологических параметров отечественных и зарубежных мельниц и методов оценки их энергетической эффективности.

7. Разработка методических основ определения эксергии цемента Е_ием, концентрации эксергии цемента E_ue4/d_cp; эксергетического КПД и критерия энергетических затрат мельниц (ЭЗМ).

8. Разработка математической модели процесса измельчения и стабилизации качества цемента по критерию ЭЗМ.

9. Расчет эксергетического КПД и критерия ЭЗМ для типовых цементных мельниц: 2,6x13,0; 3,0x14,0; 3,2x15,0 и 4,0x13,5м; теоретическое обоснование обеспечения стабилизации качества цемента по его эксергии.

10. Разработка технологических решений по одновременному снижению энергозатрат и стабилизации качества измельчаемого цемента; демонстрация эффективности предлагаемой новой схемы подачи материала в мельницу по сравнению с существующей.

Объектом исследования являются технологии получения цемента и типовые цементные мельницы различных размеров.

Методологическая основа исследования - общая стратегия системного анализа процессов химической технологии, предложенная академиками В В Кафаровым, И.Н.Дороховым, и реализованная в стройиндустрии, в т.ч. цементной промышленности, в работах академика М.А.Вердияна.

Научная новизна.

SB работе впервые с позиций системного анализа предложен и разработан эксергетический подход к задачам одновременного повышения эффективности работы мельниц и стабилизации качества измельчаемого цемента.

^Предложены новые критерии оценки качества цемента: эксергия цемента Е„ем ^и концентрация эксергии цемента E„_CM/d_cp. Эксергия цемента - эта комплексная энергетическая характеристика качества порошка цемента, учитывающая его химико-минералогический и дисперсный составы. Концентрация эксергии цемента - это отношение эксергии цемента к среднему диаметру частиц.

^Разработаны методики определения эксергетического КПД и критерия ЭЗМ, учитывающие значения эксергии получаемого цемента и энергетические затраты работы мельницы.

S Разработана математическая модель процесса измельчения и стабилизации качества цемента на пилотной цементной мельнице 1,0x4,0м. по критерию ЭЗМ. Получена система полиномов второго порядка, отражающая влияние независимых переменных, таких как состав мелющих тел; степень заполнения первой и второй камер мельницы; удельная поверхность готового цемента; разряжение в мельнице на производительность У, (кг/час) и удельный расход электроэнергии У₃ (кВт-ч/т) мельницы; остаток на сите №008, У₂ (%); зерновой состав цемента,

оцениваемый содержанием зерен крупностью от 5 до 30 мкм, У₄(%); активность цемента на сжатие через 28 суток, У₅ (кг/см²); эксергию цемента, У₆, У₇ (кДж/кг) и на критерий эксергетических затрат ЭЗМ мельницы, У₈.

^Установлена зависимость Д(А)_т,„=ЯД(РЧЭ)]_т1П -> ЭЗМ_т|„, обосновывающая новый способ стабилизации активности цемента по критерию ЭЗМ. Достижение меньшего значения ЭЗМ приводит к уменьшению значения Д(РЧЭ) и Д(А). Время определения критерия ЭЗМ составляет порядка 0,5 часа, что свидетельствует о возможности реализации оперативного управления процессом СКЦ.

S Выявлена принципиальная возможность определяющего влияния на изменение и целенаправленное формирование Д(РЧР), Д(РЧЭ), критерия ЭЗМ и Д(А) способа подачи в МДНД размалываемого материала, обусловливающего различное распределение времени его пребывания.

Автор защищает. S Методики определения эксергии цемента Е_цсм и концентрации эксергии

цемента E„_eM/d_cp; эксергетического КПД и критерия ЭЗМ мельниц. S Математическую модель процесса измельчения и стабилизации активности цемента на пилотной цементной мельнице 1x4м, связывающую параметры качества цемента и работы мельницы, а так же критерий ЭЗМ с режимными параметрами, как-то: состав мелющих тел, степень заполнения первой и второй камер мельницы, удельную поверхность цемента и разряжение в мельнице. S Инженерную методику расчета эксергетического КПД и критерия ЭЗМ

для типовых цементных мельниц 2,6x13,0; 3,0x14,0; 3,2x15,0 и 4,0x13,5м. S Методику определения численных значений критерия ЭЗМ для промышленной МДНД 3,2x15,0м ОАО «Осколцемент» при различных способах подачи материала в мельницу.

Обоснованность и достоверность результатов.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, определяется корректным применением методов системного и эксергетического анализа, математического моделирования и типовыми экспериментальными исследованиями физико-химических и механических свойств клинкеров и цементов, полученных на МДНД 3,2x15 м АО «Осколцемент».

Практическая ценность результатов работы состоит в конкретных технологических решениях по снижению энергозатрат и стабилизации качества цемента.

S Разработана принципиально новая технологическая схема подачи материала в мельницу двумя клинкерными потоками с различными коэффициентами пульсации от Кп=1 до Кп=2,0. Сравнительная оценка эффективности предлагаемой (циклический режим) и существующей схем подачи материала в мельницу показывает, что дисперсия активности цемента через 28 суток по предлагаемой схеме уменьшается в 2,2 раза.

Среднеквадратичное отклонение составляет при этом 50,6 ±0,82 МПа, что значительно меньше, чем отклонения в активности у пемента, полученного при непрерывной подаче в мельницу материала.

S Предложен критерий ЭЗМ, учитывающий удельный расход электроэнергии мельниц и эксергию получаемого цемента.

S По разработанной методике расчета энергетической эффективности ШБМ получены численные значения эксергетического КПД и критерия ЭЗМ для мельниц 2,6x13,0; 3,0x14,0; 3,2x15,0 и 4,0x13,5м.

S Разработана система оперативного управления СКЦ, которая позволяет решить одновременно задачу энергосбережения и СКЦ в условиях реально действующих возмущений. Специфика такой системы заключается в возможности использования для целей СКЦ переменных - критерия ЭЗМ и Д(РЧЭ) и нескольких управляющих воздействий: соотношение 2-х потоков и параметры их циклической подачи.

S На критерий ЭЗМ и технологию измельчения для достижения ЭЗМ_т,„ получены патенты РФ № 2004113623 от 07 декабря 2004 и № 2004119383 от 15 декабря 2004 г.

Внедрение результатов работы. Внедрение результатов работы выполнено на цементном заводе ОАО «Осколцемент» на МДНД 3,2x15м.

На строительном предприятии «Крафт» ведутся работы по созданию и внедрению многоассортиментного производства по получению цемента и на основе цемента, песка и сопутствующих добавок цементных ССС, пенобетонных блоков и цементно-песчаных плит. В состав этого производства входит отдельный цех «Помола цемента» на привозном клинкере. При этом стоимость изготовленных собственными силами изделий в 2-3 раза меньше, чем покупные.

Результаты работы включены в учебное пособие 1 - «Эксергетический анализ процессов химической технологии (на примере технологии цемента)», Москва. 2004г., 91с; учебное пособие 2 - «Эксергетический анализ в задачах одновременного повышения эффективности работы мельниц и стабилизации качества цемента», Белгород. 2005г., с.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Уральской научно-практической конференции «Строительство и образование», посвященной 50-летию факультета строительного материаловедения УПИ, 18 апреля 2003г.; Международной научно-практической конференции «Наука и технология силикатных материалов - настоящее и будущее», посвященной 70-летию силикатного факультета РХТУ» 14-17 октября 2003 г ; совместных производственно-технических совещаниях ЗАО «Уралнефтегазстрой», ОАО «Свердловскоблгаз», ООО «Строительное предприятие «Крафт», кафедрах «Технологя цемента» и «Оборудование и автоматизация силикатных производств» УПИ, г.Екатеринбург, 2002-2004 г.г.

Публикации. По результатам работы опубликовано 14 печатных работ, включая два патента РФ на изобретение.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ