6.3.2. Помол сырьевых материалов

Процесс тонкого измельчения (помол) увеличивает поверх­ность взаимодействия материалов и их реакционную способность. Чем тоньше измельчены сырьевые материалы, тем скорее про­исходят физико-химические процессы в зонах контакта взаимо­действующих частиц.

Для тонкого измельчения материалов применяют различные типы мельниц: шаровые, трубные, валковые и роликовые (коль­цевые), а также мельницы самоизмельчения. В отечественной цементной промышленности измельчение твердых сырьевых ма­териалов для сырьевой смеси осуществляют, в основном, в труб­ных мельницах.

Мокрый и сухой способы помола сырья. При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды до образования водной суспензии — шлама с влажностью от 36 до 50%, в зависимости от физико-химических характери­стик используемых материалов.

При сухом способе дробления сырьевые материалы частично подсушивают, дозируют в заданных соотношениях и подают в мельницу, где они измельчаются до требуемой тонкости. Процес­сы сушки и измельчения могут совмещаться в одном агрегате.

Помол сырьевых материалов осуществляют по открытому или по замкнутому циклу.

В схемах по замкнутому циклу при сухом помоле в качестве классификаторов применяются сепараторы, при мокром — гидро­циклоны и грохоты.

В схеме по открытому циклу (рис. 6.7 а, б) весь размалываемый материал при прохождении через мельницу измельчается до задан­ной тонкости и выходит в виде готового продукта. Применение открытого цикла помола требует длительного пребывания матери­ала в мельнице (для достижения необходимой тонкости), поэтому такой помол осуществляется в длинных трубных мельницах.

В практике работы отечественной цементной промышленности наиболее распространенной схемой мокрого помола сырьевой смеси является схема открытого цикла.

Для мокрого помола по открытому циклу известняков высокой и средней твердости применяются трубные мельницы с. соотно­шением диаметра к длине от 1:4,7 до 1:6, а для помола мягких известняков и мергелей — более короткие трубные мельницы с соотношением D:L порядка 1:2,5—1:2,7.

Кроме шаровых трубных мельниц в цементной промышлен­ности применяются мельницы, в которых первая «мера, да происходит грубое измельчение, заполняется металлическими стержнями, автора» (тонкое измельчение) - металлическими шарами. Эти мельницы имеют более высокие технико-экономи­ческие показатели при помоле твердых сырьевых материалов.

В схемах, работающих по замкнутому циклу, помол в мель­нице сопровождается последующей классификацией материала в сепараторе с выделением крупки и тонкого продукта. При сухом помоле (рис. 6.8 а, б, в, г) весь выходящий из мельницы материал, как крупный, так и мелкий, проходит через сепаратор, в котором мелкие зерна отделяются от крупных; при этом крупные зерна (крупка) из сепаратора возвращаются в мельницу для домола. При мокром помоле (рис. 6.9 а, б) для выделения грубой фракции используют грохоты или гидроциклоны. При этом способе помола применяют более короткие мельницы, чем при помоле по откры­тому циклу. Применение в схемах мокрого помола классифика­торов, при определенных условиях, обеспечивает повышение про­изводительности мельниц и снижение удельного расхода электроэнергии на помол.

К лассификаторы шлама дают существенный эффект при из­мельчении сырья, содержащего трудноразмалывающиеся включе­ния. При однородном составе сырья эффективность классификации снижается. Поэтому выбор той или иной схемы помола нужно про­изводить, учитывая физические свойства сырьевых материалов. Кроме того, классификация шламов после мельницы затрудняется вследствие невысокой влажности шлама (до 40%). Более целесооб­разно применять классификаторы, в частности гидроциклоны, для сепарации грубых шламов и при влажности свыше 40%, т. е. после болтушек или мельниц самоизмельчения с последующим помолом крупных фракций в шаровой мельнице (рис. 6.10).

Использование виброгрохотов ограничивается вследствие их низкой производительности. Чаще на цементных заводах применяются дуговые грохоты, обладающие более простой конструк­цией, чем виброгрохоты. Они являются наиболее эффективными классификаторами плотных шламов при работе на сырьевых ма­териалах с пластичными включениями, частично размучивающи­мися в воде, или же на шламах из твердых кристаллических известняков.

Н есмотря на некоторые преимущества замкнутого цикла мок­рого помола сырьевой смеси, сырьевые цеха крупных цементных заводов преимущественно оборудуются помольными агрегатами для открытого цикла работы, так как он является более надеж­ным при переработке больших масс сырьевых материалов. При использовании в качестве компонентов сырьевой смеси мягких материалов (глины и мела) используют помол в замкнутом цикле в мельнице «Гидрофол» по технологической схеме, приведенной на рис. 6.11. В мельницу «Гидрофол» подается глиноогарочный шлам и мел, которые измельчаются до состояния, когда в шламе содержится ~80% готового продукта. После классификации в гидроциклонах крупка возвращается в мельницу «Гидрофол», а тонкая фракция — через промежуточный бассейн поступает в че­тыре гидроциклона, которые выделяют готовый продукт и круп­ку, далее направляемую в шаровую мельницу для окончательного измельчения.

Для тонкого измельчения сырьевой муки (сухой способ) пре­имущественно применяют технологические схемы с мельницами для одновременного помола и сушки. Этот вопрос рассматрива­ется в разделе «Совмещение помола сырья с сушкой».

Помол и сушка сырьевых материалов. При сухом способе производства высокая влажность сырьевых материалов вызывает необходимость сушки их перед помолом. Определяющими пара­метрами процесса сушки являются влажность (абсолютная и от­носительная) и температура теплоносителя (сушильного агента). Абсолютной влажностью называют количество влаги в граммах, содержащейся в виде пара в 1 м³ воздуха или газа. Относитель­ной влажностью W (%) называют отношение массы водяного пара тп, содержащегося в 1 м³ газа при данной температуре, к массе водяного пара т_н, который может содержаться в 1 м газа при полном его насыщении при той же температуре, т. е.

Материал высушивается только в том случае, когда относи­тельная влажность воздуха или газа менее 100%. Чем она мень­ше, тем быстрее будет проходить процесс сушки.

При охлаждении воздуха с постоянной абсолютной влажно­стью относительная влажность непрерывно увеличивается, дости­гая при определенной температуре 100%. Температура, при ко­торой воздух становится насыщенным, называется точкой росы. При понижении температуры ниже точки росы из воздуха начи­нает выделяться влага в виде капель (роса, туман). Точка росы — важная характеристика теплоносителя.

Скорость высушивания материала при одних и тех же пара­метрах сушки (температуре и влажности теплоносителя) зависит от физических свойств материала и крупности кусков. На сушку материал поступает после предварительного измельчения. Пори­стые и непластичные материалы (например, шлак) высушиваются легче, чем глина, трепел и опока.

Пределы колебаний начальной и конечной влажности мате­риалов, количество стадий сушки и температура сушильных га­зов приведены в табл. 6.4.

На цементных заводах сушку сырья производят в сушильных барабанах, вихревых сушилках с кипящим слоем (псевдоожиженном), агрегатах, совмещающих сушку и вторичное дробление сырья (ударно-отражательных дробилках с сушильной установ­кой), тандемах «сушилка-мельница» (комбинациях молотковой дробилки с шаровой мельницей), воздушных сепараторах, грави­тационных помольных установках (мельницах типа «Аэрофол») и в помольных установках с совмещением помола и сушки.

Сушильные барабаны применяют для сушки сырьевых мате­риалов, добавок и топлива независимо от их начальной влажно­сти и пластичности, что является преимуществом, так как в аппаратах других конструкций сушить пластичные материалы при высокой влажности трудно, а иногда и невозможно. Недо­статок сушильных барабанов — большая затрата тепла на испа­рение влаги материала с влажностью менее 10%. Поэтому су­шильные барабаны целесообразно применять для подсушки материалов до влажности 8-МО%, а затем досушивать их более эффективным способом, например, совмещая сушку с помолом в мельнице (см. табл. 6.4.).

Производительность сушильного барабана характеризуется удельным паронапряжением его сушильного объема, т. е. коли­чеством влаги, удаляемой за 1 ч с 1 м³ сушильного пространства барабана. Удельное паронапряжение зависит от конструкции ба­рабана, физических свойств высушиваемых материалов, грануло­метрического состава, степени заполнения барабана, скорости пе­ремещения материала в барабане, температуры, влагосодержания и скорости движения теплоносителя, поступающего в барабан. Это необходимо учитывать при выборе сушильного барабана. Удельное паронапряжение (паросъем) сушильного барабана нахо­дится в пределах, кг/(м³-ч):

Таблица 6.4.

Пределы колебаний влажности материалов и количество стадий сушки

Материал		Влажность, %		Количество стадий сушки и тип установок		Температура сушильного агента, 0С
	Начальная		Конечная
Глина		20-30	0,5-1,5	Две стадии: I – подсушка в сушильном барабане; II – подсушка в мельнице.		Перед барабаном 800-1000 0С, перед мельницей не выше 400 0С.
Глинистый сланец		15-25	1,0-2,0	То же		То же
Мергель		15-20	0,4-1,2	»		»
Трепел		20-37	0,5-1,5	»		»
Известняк		8-17	0,4-2,0	Одна стадия: в мельнице		400
Опока, туф, пемза		15-28	1,0-2,0	Одна стадия: в сушильном барабане		800-1000
Доменный гранулированный шлак		8-35	0,5-1,5	Одна стадия: в вихревой сушилке		8001-1000
Уголь: антрацит		5-10	1,0-2,0	Одна стадия: в мельнице		Не выше 400
Каменный		14-23	1,0-4,0	Две стадии: I – в сушильном барабане; II – в мельнице		Перед барабаном 500-600; перед мельницей не выше 400

при сушке глины— 20—30,

известняка, опоки — 30—40,

шлака — 45—60,

трепела, диатомита — 40—50,

угля — 35—50.

В зависимости от конструкций сушильного барабана удельный паросъем составляет, кг/(м³ч):

для барабанов без внутрибарабанных устройств — 10—15,

при наличии пересыпателей — 25—30,

при наличии ячейковых устройств — 40—50.

Пластичные сырьевые материалы (глины и суглинки) высушиваются, в основном, в прямоточных сушильных барабанах, где непосредственное воздействие горячих газов на влажный материал предотвращает размазывание и налипание материала у входа в сушилку. При сушке пластичных материалов в противоточных сушилках заметно снижается скорость прохода материала через сушильный барабан и падает его производительность.

Применение прямоточных сушилок для сушки угля в значи­тельной мере снижает опасность его воспламенения. При сушке угля в противоточных сушилках высушенный горячий уголь встречается с очень горячими газами, что может привести к его воспламенению.

Уменьшение размера кусков материала, повышение темпера­туры теплоносителя, снижение его влагосодержания и увеличение скорости движения газа в барабане ускоряет процесс сушки и способствует повышению производительности барабана. При этом нагрев сырья при сушке не должен вызывать никаких хи­мических изменений его состава. При температуре около 800 °С известняк диссоциирует с выделением СОа; глина теряет хими­чески связанную воду при температуре 400—450 °С. Это должно учитываться при расчете массового соотношения компонентов сырья. Гранулированный доменный шлак при 700 °С расстекловывается и теряет свои гидравлические свойства, что следует учитывать при сушке доменных шлаков.

Температуру сушильных газов регулируют путем разбавления их холодным внешним воздухом. Этот процесс протекает в спе­циальной смесительной камере, расположенной между топочной камерой и сушильным барабаном. Обычно температура газов, поступающих в сушильный барабан, составляет 600—700 °С. В прямоточных сушилках в некоторых случаях температура посту­пающих газов может быть повышена до 800—1000 °С.

Температура газов на выходе из сушильного барабана должна быть 120—125 °С, чтобы предотвратить возможную конденсацию водяных паров, содержащихся в газе. Однако на практике тем­пература отходящих газов, как правило, 80—110°С. КПД су­шильного барабана 0,7—0,8.

Коэффициент заполнения объема сушильного барабана зави­сит от его конструкции и составляет, в %:

в барабанах без внутрибарабанных устройств - 5—7;

с пересыпными устройствами — 12—15;

с ячейковыми устройствами — 25—30.

Более высокая степень заполнения материалом обеспечивает в сушилках одинаковых размеров повышение производительно­сти на 30—50%. В цементной промышленности применяют су­шильные барабаны диаметром от 1,6 до 5,6 м.

Примеры технологических схем подсушки сырья в сушильных барабанах представлены на рис. 6.12 и 6.13.

Вихревые сушилки предназначены для сушки различных цемен­тных сырьевых материалов. В отечественной цементной промыш­ленности они применяются, в основном, для сушки гранулированного доменного шлака. Сушка материалов в такой сушилке проис­ходит во взвешенном состоянии. Удельный паросъем вихревых су­шилок в 2,5—3 раза выше барабанных. Так, в 1м³ сушильного объема вихревых сушилок при сушке шлака испаряется до 125— 150 кг влаги за 1 ч, а в сушильных барабанах — 50—60 кг.

В вихревых сушилках в качестве сушильного агента могут использоваться горячий воздух из воздухоподогревателей (топок), колосниковых клинкерных холодильников и отходящие газы вра­щающихся печей. Температура газов, поступающих в сушилку, не должна превышать 600 °С. Количество газа, расходуемое в вихревых сушилках, составляет около 2 м³/кг загружаемого ма­териала. КПД вихревых сушилок составляет 0,65—0,70 при влаж­ности загружаемого материала до 20%. На рис. 6.14 представлена схема сушки материала в вихревой сушилке.

С ушка в кипящем слое. К сушилкам в кипящем слое отно­сятся аэрофонтанные и с русловым кипящим слоем. В аэрофон­танной высокотемпературной сушилке материал (в основном шлаки) сушится в вертикальном реакторе в кипящем слое. При кипящем слое толщиной 500—600 мм производительность суши­лок составляет 70 т/ч по сухому материалу, а удельный паро­съем — 250—300 кг/(м³-ч), т. е. более чем в 10 раз выше, чем в сушильных барабанах. Удельный расход тепла на сушку со­ставляет 4,2 МДж/кг.

В сушилках с русловым кипящим слоем сушке подвергается шлак с размером кусков до 50 мм и влажностью до 25 %. Шлак равномерно распределяется на наклонной решетке слоем до 300 мм. Поток горячих газов с температурой до 1100 °С подается под решетку, переводит шлак в аэрированное состояние, сушит и перемещает его к разгрузочной течке. Технологические схе­мы сушки в кипящем слое представлены на рис.6.15 и 6.16.

Сушка в воздушных сепараторах. Одним из распространенных в США способов сушки сырья в процессе помола является сушка в воздушных сепараторах. Схема такой установки представлена на рис. 6.17. В сепараторе сырье высушивается до влажности 6—8%. Применяются только высокотемпературные (около 550— 600 °С) горячие газы, образующиеся при сжигании жидкого и газообразного топлива. Температура газов на выходе из сепара­тора составляет около 90 °С.

Совмещение вторичного дробления сырья и сушки. Ударно-отражательные дробилки позволяют получить высокую степень измельчения (40—60). Непрерывное дробление обеспечивает по­стоянный рост поверхности материала и благоприятные условия для теплопередачи. Ротор придает потоку газа, проходящему че­рез дробилку, турбулентный характер, что приводит к улучше­нию контакта между газом и материалом. Благоприятные условия теплопередачи позволяют работать с относительно низким тем­пературным градиентом. Сырьевые материалы с исходной влаж­ностью до 6 % могут высушиваться отходящими газами враща­ющихся печей или аспирационным воздухом клинкерных холодильников с температурой 250—350 °С. При исходной влаж­ности материала до 12 % температура горячих газов должна быть 400—750 °С. В этом случае нужно применять подогрев отходящих газов или воздуха, устанавливая дополнительную топку (возду­хонагреватель).

П ри применении горячих газов с температурой около 800 °С и двухроторной дробилки можно осуществлять сушку и дробле­ние пластичных и налипающих материалов с начальной влаж­ностью 25—30 %. Питание и выгрузка материала из ударно-от­ражательной дробилки производится через двойные маятниковые затворы, чтобы избежать подсоса наружного воздуха. Удельный расход тепла на сушку в ударно-отражательных дробилках-су­шилках в зависимости от влажности сырьевого материала со­ставляет 4,0—4,6 МДж/кг (950—1100 ккал/кг) испаряемой влаги.

Для сушки материалов при вторичном дроблении хорошо под­ходят ударно-отражательные дробилки фирмы «Хацемаг» (Гер­мания). Эти дробилки выпускаются одно- и двухроторные, с ко­лосниковыми решетками и без них.

Дробилки-сушилки ударно-отражательного действия приспособ­лены для приема и переработки материала крупностью до 800 мм.

Технологическая схема дробления и сушки в ударно-отража­тельной дробилке-сушилке приведена на рис. 6.18.

В приведенной на рис. 6.19 системе подготовки сырьевой сме­си ударно-отражательная дробилка работает с трубной мельни­цей, оборудованной пневмотранспортным устройством. Материал, выходящий из дробилки и мельницы, пневмовоздушным способом подается в воздушно-проходной сепаратор.

П еред дроблением куски материала размером до 100 мм по­ступают в камеру подсушки, оборудованную двумя маятниковы­ми затворами и отражательными плитами. Сушильный агент по­дают через верхнюю часть камеры подсушки, длина которой зависит от влажности сырьевого материала. Подсушенный сырь­евой материал вместе с сушильным агентом измельчается до размеров 0—10 мм и содержит 15—35% готового продукта, ко­торый выносится струей газа через подъемный трубопровод в воздушный сепаратор и при этом подвергается дополнительной сушке. Крупка из сепаратора поступает в короткую однокамер­ную трубную мельницу, куда поступает часть горячих газов для сушки материала. Из мельницы материал вновь направляется в подъемный трубопровод и воздушный сепаратор.

Сырьевая смесь влажностью до 8% может высушиваться от­ходящими газами запечных теплообменников. При влажности до 15 % требуется дополнительный подогрев воздуха или исполь­зуется горячий воздух из колосниковых холодильников.

Сушильная установка с предварительной сушкой в ударно-от­ражательной дробилке показана на рис. 6.20.

На рис. 6.21 показана сушильная установка, в которой пред­варительная сушка производится в ударно-отражательной дро­билке, а основная сушка — в воздушном сепараторе. Частично сушка осуществляется также в ковшовом элеваторе. Использо­вание ковшовых элеваторов в качестве вспомогательного обору­дования для сушки сырья нашло широкое применение на аме­риканских заводах. Если сушка производится только в сепараторе, то начальная влажность сырьевого материала должна быть не выше 6%. Обогрев дробилки и ковшового элеватора позволяет использовать сырье с начальной влажностью до 8%.

На рис. 6.22 показана сушильная установка фирмы SKET/ZAB (Германия). Особенность этой системы состоит в том, что ударно-отражательная дробилка-сушилка, из которой в трубную мельницу подается большая часть загружаемого материала, связана с сепа­ратором и наружным вентилятором. Поэтому газ, отходящий от дробилки и содержащий 500—800 г/м³ пыли, легко очистить, не оказывая влияния на процесс сепарации. В зависимости от влаж­ности сырья в ударно-отражательной дробилке-сушилке расходу­ется 60—70% горячих газов от топки. При этом влажность сырья может быть снижена до 6%. Остальное количество газов при необ­ходимости может быть пропущено через трубную мельницу и цен­тробежный сепаратор с помощью вентилятора.

Совмещение помола сырья с сушкой. При совмещении помола сырья с сушкой широко используют тепло отходящих газов вра­щающихся печей или клинкерных холодильников. В большинстве случаев приходится повышать температуру сушильных газов, для чего устанавливается выносная топка. Количество тепла, пода­ваемого в мельницу, может быть снижено из-за выделения до­полнительного тепла при помоле.

Н а рис. 6.23 представлена технологическая схема совмещения помола с сушкой в замкнутом цикле с воздушно-проходным и центробежным сепаратором. Для повышения эффективности суш­ки в мельнице предусмотрена камера предварительной сушки, расположенная перед помольной камерой. Более высокой произ­водительности можно достичь в сушильно-помольной установке, где предварительная сушка осуществляется в специальном тру­бопроводе (рис. 6.24). В этой установке часть горячих газов по­ступает в трубопровод предварительной сушки, другая часть — в мельницу. Крупные частицы материала поступают в питательную линию мельницы, а мелкие — выносятся наверх струей го­рячих газов и, высушиваясь, оседают в циклоне 3 и подаются частично в мельницу и в центробежный сепаратор 4.

Схема установки, показанной на рис. 6.25, аналогична пред­ставленной на рис. 6.20, где перед мельницей помещена удар­но-отражательная дробилка. Эта установка предназначена для измельчения крупных частиц ударными воздействиями с ис­пользованием полезного эффекта от совмещения сушки с дроб­лением.

В схемах с воздушно-проходными сепараторами разгрузка и транспортировка материала осуществляются не механическим способом, а за счет интенсивного просасывания через мельницу больших объемов сушильного агента. Преимущество таких уста­новок заключается в возможности утилизации большого количе­ства горячих отходящих газов: около 2,2—2,9 кг газа на 1 кг материала.

В схеме помола, показанной на рис. 6.25, воздушный по­ток выносит измельченный продукт из мельницы и поднимает его вверх — вначале к воздушно-проходному сепаратору, а затем в циклон, что позволяет отделить тонкую фракцию от газа.

Д ля помола сырьевых материалов с высокой влажностью можно применить сушильно-помольную установку, схема кото­рой показана на рис. 6.26. Для подсушки сырье подают в трубопровод предварительной сушки, расположенный вне мель­ницы, поэтому в мельницу попадает подсушенный материал и небольшое количество горячих газов. Для достижения необхо­димой эффективности сушки и помола максимальный размер зерен загружаемого материала не должен превышать 15 мм. Скорость воздуха в таких установках равна 3—4 м/с, а в подъемном трубопроводе после мельницы — 25—35 м/с. Содер­жание твердых частиц в трубопроводе после мельницы состав­ляет 250—500 г на 1 м³ газа.

Сушильно-помольная установка с мельницей «Аэрофол». В мельнице самоизмельчения «Аэрофол» (рис. 6.27) степень из­мельчения материала может составлять от 100 до 1000. Размо­лотый материал выносится из мельницы газовоздушным пото­ком, скорость которого устанавливается в соответствии с требуемой крупностью зерен. В установку входят циклоны для классификации материала. Слишком крупные зерна возвраща­ются в мельницу или измельчаются в шаровой мельнице до необходимого размера. Степень заполнения мельницы «Аэро­фол» — 20—34%. Расход воздуха составляет 2—3 м³/кг раз­малываемого материала. Скорость воздуха в мельнице равна 3 м/с, а скорость воздуха в трубопроводе за мельницей за­висит от гранулометрического состава материала и находит­ся в интервале 15—25 м/с.

С овмещение помола с сушкой в роликовых мельницах. Роли­ковые или валковые мельницы (мельницы Леше, MPS, ТРМ фир­мы «Полизиус» и др.) применяются, в основном, в сушильно-помольных установках. На рис. 6.28 представлена одна из рабочих технологических схем сушильно-помольной установки с ролико­вой мельницей. Влажность материала (сырьевой смеси), загружа­емого в мельницу Леше, может составлять 15—18%. Тонкость помола готового продукта обычно находится в пределах 6—30% остатка на сите 009 (4900 ячеек/см²). Производительность мель­ницы достигает 500 т/ч сырьевой смеси.

По сравнению с трубной мельницей установка с роликовой мельницей дает экономию энергии около 13%.

В роликовых мельницах разных типов теплом отходящих га­зов теплообменников вращающейся печи может быть высушена сырьевая смесь с влажностью до 8%. Для высушивания матери­ала с влажностью 8—18% необходимо подводить дополнительное тепло.