2.3.2. Пути интенсификации и снижения энергозатрат при помоле в барабанных мельницах

Анализируя конструкции и принцип работы барабанных мельниц, легко заметить, что они просты по устройству, принципу действия и надежны в эксплуатации. Поэтому они нашли широкое применение в крупнотоннажных производствах. Однако эти мельницы обладают существенным недостатком, заключающемся в том, что по мере повышения тонины помола снижается их производительность и повышается удельный расход электроэнергии. Расчеты показывают [1], что при тонком измельчении в барабанных мельницах на образование новых поверхностей расходуется менее одного процента подводимой энергии. Такое нежелательное явление объясняется тем, что при помоле часть частиц, достигнув требуемого размера, не выводится из мельницы, а, оставаясь в общей массе материала, воспринимает на себя часть ударов мелющих тел, гасит их и сама переизмельчается. Кроме того, при достижении очень мелких размеров частицы начинают взаимодействовать друг с другом и коагулироваться. На разрушение коагуляционных структур также затрачивается значительная доля энергии.

Несколько улучшить процесс и снизить энергозатраты на единицу размолотого материала в длинных барабанных, например трубных мельницах, можно путем разбивки их по длине на несколько камер, путем установки решетчатых перегородок. Так как крупность измельчаемого материала уменьшается по мере его продвижения от входной цапфы выходной, то в соответствии с этим каждую камеру следует загружать мелющими телами, размер которых соответствует крупности измельчаемого материала. Самые крупные тела будут в первой камере, а самые мелкие  в последней.

Значительно увеличить производительность и снизить энергозатраты при помоле в барабанной мельнице можно путем перевода ее работы с открытого цикла на замкнутый. Схемы работы барабанной мельницы по открытому и замкнутому циклам представлены на рис. 2.3.

Более простой является схема работы по открытому циклу, когда весь измельчаемый материал пропускают через барабан один раз (рис. 2.3,а). При такой схеме отсутствуют устройства, обеспечивающие отбор готового продукта, а следовательно, весь материал находится в мельнице до полного его измельчения, в результате чего будут наблюдаться неоднородность измельчения готового продукта, часть материала будет переизмельчена. Естественно, при работе по открытому циклу будет низкая производительность мельницы и высокий удельный расход энергии на помол. Однако следует отметить, что установки с мельницами, работающими по открытому способу, просты по конструкции и не сложны в эксплуатации, что обеспечивает им применение и до настоящего времени.

При замкнутом цикле помола не стремятся довести весь материал до требуемой тонины помола, а на выходе из мельницы его направляют на разделение в сепараторы  при сухом способе помола (рис. 2.3, б, в), на грохоты или в гидроциклоны  при мокром помоле (рис. 2.3, г, д). После разделения мелкая фракция как готовый продукт выводится из схемы, а крупная вновь направляется в мельницу на домол. Загрузка свежего и недоизмельченного материала в мельницу осуществляется через полую цапфу. Выгрузка материала может осуществляться через вторую полую цапфу (рис. 2.3, б, г, д) или готового продукта через полую цапфу ,а недоизмельченного  через специальные отверстия в средней части стенки барабана (рис. 2.3, в).

Андреевым С. Е. [11] теоретически доказано, что производительность мельницы, работающей в замкнутом цикле с классификацией, пропорциональна содержанию в ней зерен крупного класса. В то же время легко доказать, что содержание в мельнице зерен крупного класса прямо пропорционально зависит от кратности циркулирующей нагрузки. Однако увеличение кратности циркуляции приводит к повышению энергозатрат на стадии классификации и транспортировки материала по схеме мельница - классификатор - мельница. Оптимальными считаются условия, когда материал совершает от трех до шести проходов [6] через мельницу. При этом производительность мельницы в сравнении с открытым циклом повышается на 20% при снижении энергозатрат на 15  25%, также снижается удельный расход мелющих тел и удлиняется срок службы футеровки.

Учитывая достоинства замкнутого цикла помола, в большинстве стран в производстве цемента и других крупнотоннажных производствах барабанные мельницы перевели на данный способ.

Эффективность работы мельниц по замкнутому циклу можно еще более повысить, если обеспечить высокоэффективную классификацию продуктов измельчения, выводимых из мельницы. Многие исследователи, на основании обследований существующих промышленных сепараторов [16, 18], отмечают, что применяемые конструкции обладают низкой эффективностью разделения и около 40  70% готового тонко измельченного материала снова возвращают на помол. Применение грохотов и гидроциклонов при мокром способе помола также не обеспечивает высокого качества классификации, так как эти устройства хорошо работают при высокой влажности шлама [16].

Таким образом, вопросы классификации при помоле являются весьма актуальными, и некоторые направления в решении этой проблемы рассмотрим в специальном разделе.

Практика [19] и исследования [20] показывают, что продувка барабанной мельницы воздухом оказывает положительное влияние на процесс помола по сухому способу. Причем установлено, что с повышением интенсивности аспирации до определенного предела весьма существенно увеличивается производительность мельницы. На рис. 2.4 приведен график, взятый из монографии [16], из которого видно, что с увеличением скорости воздуха в свободной полости барабана до 0,17 м/с производительность мельницы при помоле портландцемента повысилась на 25%. При дальнейшем увеличении скорости воздуха роста производительности не наблюдалось. При расчете скорости воздуха авторы принимали, что только 30% сечения барабана будут занимать шары и материал, т.е. как в мельнице в неподвижном состоянии. В рабочем состоянии шары и материал будут занимать несколько более 50% сечения. Конечно, между отдельными шарами и частицами материала будет воздушная прослойка, однако она со свободной полостью барабана связана слабо, и, таким образом, по нашим расчетам скорость воздуха, приведенная на графике рис. 2.4, занижена в 1,5  2 раза.

Повышение производительности мельницы при продувке ее воздухом можно объяснить несколькими факторами, степень влияния каждого из которых на процесс до сих пор не установлена. Некотрые исследователи считают [20, 21], что повышение производительности трубных мельниц при интенсивной их аспирации происходит благодаря удалению из сферы помола мелкой фракции размалываемого материала, что приводит к возрастанию доли крупных фракций и к увеличению относительной скорости измельчения.

Также известно, что при тонком помоле наблюдается агрегирование и налипание мелких частиц на мелющие тела и футеровку, что отрицательно сказывается на процессе. Обследование промышленных мельниц при помоле клинкера показывает, что с повышением интенсивности аспирации температура в мельнице снижается на 35  40 ⁰С, уменьшается агрегирование и налипание мелких фракций материала на мелющие тела и футеровку, а при помоле сравнительно холодного клинкера (60  70 ⁰С) налипание отсутствует вовсе. Налипание частиц происходит вследствие действия электростатических зарядов на поверхности частиц. Водяные пары, содержащиеся в воздухе, омывая мелкие частицы материала, образуют временные “мостики”, являющиеся своего рода проводниками, через которые осуществляется нейтрализация электростатических зарядов. Таким образом устраняется агрегирование и налипание и тем самым интенсифицируется процесс измельчения.

Повышение степени измельчения при возрастании скорости воздуха в мельнице некоторые исследователи [1] объясняют не только выносом мелких фракций материала из зоны помола, но и влиянием окружающей среды на процесс помола. Адсорбция паров воды, которые в данном случае являются поверхностно-активным веществом, из воздуха, проходящего через мельницу, облегчает деформацию и разрушение твердого тела. Эффект адсорбционного понижения прочности обусловлен прежде всего тем, что поверхностно-активные вещества, уменьшая поверхностную энергию материала, способствуют развитию разнообразных дефектов при меньших напряжениях. Адсорбционному воздействию подвергаются прежде всего поверхностные дефекты структуры  слабые места, которые всегда имеются в любом твердом теле и даже в наиболее хорошо образованных кристаллах. В дефекты структуры  микротрещины, присутствующие в твердом теле и возникающие в процессе воздействия на него мелющих тел, проникают с воздухом пары воды и покрывают внутри деформируемого тела доступную им поверхность равномерным адсорбционным слоем. Когда жидкость подходит к устью микротрещины, то ее молекулы распространяются по обеим поверхностям микротрещины вплоть до самых узких мест, где их дальнейшему проникновению препятствуют размеры самих молекул. Адсорбционный слой молекул воды препятствует смыканию микрощелей и таким образом понижает твердость размалываемого материала.

Таким образом, продувка камеры барабанной мельницы воздухом может благоприятно влиять на процесс помола по следующим причинам:

1. за счет непрерывного удаления мелкой фракции из зоны помола;

2. за счет снятия электростатических зарядов с поверхности очень мелких частиц и тем самым уменьшения их агрегатирования и предотвращения налипания на мелющие тела и футеровку;

3. за счет адсорбционного воздействия влаги воздуха на дефектные структуры частиц и тем самым понижения прочности материала.

Все эти факторы несомненно оказывают положительное влияние на процесс помола, и очень сложно отдать предпочтение какому-либо из них. Ясно одно, что чем более тесный контакт будет в мельнице воздуха с частицами измельчаемого материала, тем более эффективно будет сказываться на помол влияние этих факторов. Если мы рассмотрим движение потоков в барабанной мельнице в поперечном сечении, то мы заметим, что в рабочем состоянии мелющие тела и материал занимают немногим более 50% сечения (низ и боковую часть по ходу вращения мельницы). Если мы будем подавать в мельницу воздух, то он будет двигаться в ее свободном пространстве без достаточно хорошего контакта с материалом. Конечно, при подъеме и падении мелющих тел и материала будет происходить их интенсивное перемешивание и, естественно, определенная часть тонкодисперсного материала будет выбрасываться в свободное пространство, где мелкие частицы будут подхватываться воздушным потоком и уноситься из мельницы. Однако хорошей продувки всей массы материала воздухом при существующем конструктивном оформлении не будет и поэтому основная часть измельченного материала будет находиться в общем потоке.

При решении задачи тесного контакта материала с воздухом в барабанной мельнице необходимо учесть рекомендации Андреева С. Е. и Сиденко П. М. [7, 11], которые неоднократно отмечают, что в барабанной мельнице нецелесообразно вести процесс с высокой степенью измельчения в одной камере. Более экономично вести его в нескольких последовательно установленных камерах с обязательным промежуточным отбором фракций, не нуждающихся в измельчении в последующей камере. Также важно, чтобы в камеру измельчения поступал материал с узким интервалом крупности, а кратность разрушения в ней была минимальной. Так, Андреев С. Е. отмечает, что с теоретической точки зрения идеальным был бы способ измельчения материала в последовательном ряде шаровых мельниц, работающих каждая в замкнутом цикле с классификатором и настолько коротких, что материал, проходя через мельницу, подвергался бы ограниченному числу ударов шаров и весь образовавшийся готовый продукт сразу удалялся бы из цикла классификации.

На основании вышеизложенного нами предлагается более совершенный вариант барабанной мельницы. Весь барабан мельницы по длине следует разделить решетчатыми перегородками на большое количество камер, с расстоянием между камерами, например, 1,5  3 метра. Между камерами установить не одну решетчатую перегородку, а две с расстоянием между перегородками 0,25  0,4 м. В пространстве между перегородками к стенке барабана закрепить лопасти, аналогично как в барабанной сушилке и как показано на рис. 2.5.

В этом случае материал измельчается в камере, проходит через первую решетчатую перегородку и, попадая на лопасти, поднимается вверх и сверху просыпается вниз. Так как лопастей много, то падающими частицами будет перекрываться практически все поперечное сечение мельницы. Воздух, двигаясь в продольном направлении, будет пронизывать падающий поток частиц, охлаждать их и, в зависимости от скорости, будет подхватывать частицы определенных размеров и уносить с собой. Такой процесс сепарирования будет наблюдаться после каждой камеры. Скорость воздуха должна быть такой, чтобы частица граничного размера, подхваченная воздушным потоком, прежде чем успела осесть, смогла пролететь всю длину камеры. Скорость воздуха в камере несложно рассчитать. Для этого необходимо рассчитать скорость осаждения в барабане частицы граничного размера из следующей зависимости:

(2.4)

где:

 скорость осаждения частицы , м/с;

 плотность частицы, кг/м³;

 вязкость среды (воздуха), н.с./м²;

 ускорение силы тяжести, м/с².

Зная скорость осаждения частицы и диаметр мельницы, определяем время осаждения частицы. За это время частица должна успеть пройти всю длину камеры. Зная длину камеры и время осаждения, определяем скорость воздуха в камере. По нашим ориентировочным расчетам, для промышленных мельниц, применяемых для помола цемента, скорость воздуха в свободной полости барабана должна быть в пределах 0,7  1,4 м/с.

Таким образом, с помощью такого несложного усовершенствования барабанной мельницы будет осуществляться непрерывное удаление измельченных частиц заданного диаметра, интенсифицируется процесс охлаждения частиц, а также адсорбции влаги на их поверхности, что значительно повысит производительность мельницы при снижении энергозатрат.