Анализ зависимости производительности и удельного расхода электроэнергии от диаметра шаровой мельницы

Министерство по образованию РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Белгородский Государственный технологический университет им. В. Г. Шухова Институт строительного материаловедения Кафедра Технологии цемента и композиционных материалов.

Курсовая работа.

По дисциплине: «Оптимизация производства цемента».

На тему: «Анализ зависимости производительности и удельного расхода электроэнергии от диаметра шаровой мельницы».

Белгород 2011.

В цементном производстве измельчение сырьевых материалов, твердого топлива, клинкера и добавок является основным и наиболее энергоемким процессом.

Измельчение материалов оказывает решающее влияние на качество выпускаемых клинкера и цемента, а также на экономику всего производственного процесса в целом.

Между тем проблема измельчения цементных материалов пока еще недостаточно разработана теоретически. Известно, что от способа и степени измельчения сырьевых материалов зависит как ход реакций клинкерообразования, так и использование тепловой энергии впроцессе обжига.

Рядом исследований установлена прямолинейная зависимость между содержанием свободной СаО в клинкере и процентом остатка сырья на сите № 008. Установлено также, что высокая степень тонкости измельчения сырья обеспечивает равномерный состав клинкера. Известно к тому же, что на качество клинкера излишне тонкий размол сырья с большим содержанием в смеси частиц размером 2−3 мкмвлияет отрицательно.

Чрезмерно тонкий помол повышает водопотребность шлама, что снижает производительность печей и вызывает перерасход топлива. При этом надо иметь в виду, что такое измельчение связано со снижением производительности мельницы, высоким расходом электроэнергии и повышенным износом мелющих тел и бронефутеровки.

В свою очередь предварительное дробление материала существенно влияет на последующий процесс измельчения, сушку и на работу помольной установки.

Оптимальная тонкость измельчения для различных видов сырья будет, очевидно, неодинаковой, так как она зависит от его минералогического состава. Так, для мергелей, в которых контакт между глинистыми и карбонатными частицами более тесный, допустимо более грубое измельчение, чем для сырьевой шихты, состоящей из известняка и глины.

Доказана соответствующая связь между необходимым измельчением частиц известняка и его минералогической характеристикой, в связи с чем рекомендуется применять сырьевые смеси с содержанием не более 0,5% частиц кальцита крупнее 150 мкм и только в мергелях процент крупных частиц может быть повышенным.

Установлено, что необходимая по условиям технологии степень тонкости помола сырьевой смеси изменяется при измельчении одного и того же известняка с различными глинами. При этом измельчение известняка с запесоченными глинами вызывает необходимость более тонкого помола сырья.

Большое влияние на обжиг клинкера оказывает гранулометрический состав сырьевой смеси.

В зарубежной литературе приводятся данные о том, что при помоле сырья по замкнутому циклу с сепараторами или классификаторами общее количество крупных частиц в конечном продукте снижается и получается сырьевая смесь, однородная по гранулометрическому составу, чем достигается лучшее ее спекание.

Чрезвычайно большое значение для экономичного измельчения цементного клинкера в зависимости от его физико-химических свойств и необходимой марки цемента имеет правильный выбор технологической схемы измельчения. В последние годы у нас и за рубежом исследуются роль и влияние степени дисперсности отдельных компонентов сырьевой смеси на процессы клинкерообразования, качество клинкера и готового продукта, значение зернового состава и отдельных фракций цемента. Ведутся исследования по усовершенствованию технологии измельчения твердых карбонатных пород, обеспечивающей рациональный фракционный состав, при котором быстро и полно усваивается известь при наименьших затратах тепла на обжиг и формируется заданный зерновой состав цемента в процессе его измельчения.

Внедряется автоматизация работы отдельных агрегатов. Ведутся исследования в области комплексной автоматизации и создания полностью автоматизированных цементных заводов.

1. КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Во многих отраслях промышленности в процессе производства большие количества твердых материалов перерабатываются в тонкодисперсный порошок. Для интенсификации процессов производства и увеличения скорости химических реакций в ряде случаев необходимо повышать удельную поверхность материалов путем их измельчения. При этом наряду с совершенствованием и улучшением существующих производственных процессов возникает возможность получения качественно новых свойств, которые невозможны без тонкого измельчения.

В цементном производстве тонкому измельчению подвергаются сырьевые материалы, твердое топливо, цементный клинкер и различные добавки.

Для измельчения материалов в различных отраслях промышленности применяется много типов измельчающих машин, различных по конструкции и эффективности. Однако до сих пор еще не разработана единая методика, позволяющая сравнивать эти измельчающие машины и точно определять области их применения.

Для помола всевозможных материалов используют барабанные, среднеходные, ударные, вибрационные, струнные мельницы и мельницы самоизмельчения.

В барабанных мельницах материал измельчается внутри полого вращающегося барабана. При вращении барабана мелющие тела (шары, стержни) и измельчаемый материал (называемые «загрузкой») сначала движутся по круговой траектории вместе с барабаном, а затем падают по параболе. Часть загрузки, расположенная ближе к оси вращения, скатывается вниз по подстилающим слоям. Материал измельчается в результате истирания при относительном перемещении мелющих тел и частиц материала, а также вследствие удара.

По линейным размерам барабанные мельницы делятся на:

Шаровые — отношение диаметра к длине мельнице до 1 (D/L =1);

Трубные — отношение диаметра к длине мельнице более 1 (D/L>1).

Классификация барабанных мельниц:

по режиму работы — периодического и непрерывногодействия;

по способу помола — сухого и мокрого помола;

по форме мелющих тел — шаровые, стержневые и самоизмельчения (без мелющих тел);

по способу разгрузкис механической и пневматической разгрузкой;

по конструкции загрузочного и разгрузочного устройствас загрузкой и выгрузкой через люк, с загрузкой и выгрузкой через полые цапфы, с периферийной разгрузкой;

по конструкции приводас центральным и периферийным приводом;

по характеру работымельницы, работающие по открытому и замкнутому циклу.

При работе мельницы по открытому циклу, весь измельчаемый материал пропускается через барабан один раз.

У этих мельниц отсутствуют дополнительные устройства, обеспечивающие промежуточный отбор готового продукта, что снижает эффективность помола, поскольку готовый продукт, не удаленный своевременно из мельницы, затрудняет измельчение частиц не размолотого материала. Все это снижает производительность мельницы и увеличивает удельный расход электроэнергии на помол. Одновременно имеет место относительно повышенная неоднородность готового продукта, в котором часть материала переизмельчается, а другая недоразмалывается, будучи окружена тонкой пылью.

Необходимо, однако, отметить, что установки, работающие по открытому циклу, просты по конструкции и менее сложны в эксплуатации в сравнении с мельницами, работающими по замкнутому циклу.

При замкнутом цикле помола материал выходит из мельницы частично недоизмельченный и затем с помощью сепараторов при сухом способе помола, грохотов и гидроциклонов при мокром помоле разделяется на готовый продукт и крупку, которая вновь направляется в мельницу на домол.

При работе по замкнутой схеме, измельчаемый материал подается в загрузочный конец барабана продвигается в процессе помола вдоль барабана по направлению к разгрузочному концу, выпадает из него и элеватором подается в сепаратор, где происходит разделение материала на готовый продукт и крупку, которая вновь направляется в мельницу для последующего совместного помола с новой порцией материала. Готовый продукт транспортируется в силосы.

Материал также может отводиться на разделение и из средней части мельницы через специальные отверстия в стенке барабана и при посредстве элеватора направляются в сепаратор, откуда готовый продукт направляется в силосы, а крупка загружается в мельницу — в среднюю часть ее или частично в загрузочную часть. Мельницы, работающие с сепараторами, называются сепараторными.

В процессе измельчения по замкнутому циклу материал совершает от трех до шести проходов через мельницу.

Непрерывное выделение из размалываемого материала готового продукта ускоряет процесс измельчения, эффективность помола и производительность мельницы повышается на 15−20% при сухом способе помола.

Барабанные мельницы сравнительно просты по конструкции и удобны в эксплуатации. Однако они имеют существенные недостатки: малые скорости воздействия мелющих тел на материал, в работе участвует только часть мелющих тел, рабочий объем барабана используется на 35−40%, расход энергии составляет 35−40 кВтч/т.

Шаровые мельницы предназначенные для помола материалов средней твердости, выпускают двух исполнений: для сухого и мокрого способа помола. Различаются они между собой конструкцией загрузочных и разгрузочных устройств.

Трубные мельницы применяют для помола в открытом цикле клинкера и сырья требующих тонкого измельчения, как при сухом, так и при мокром помоле.

Повышение тонкости измельчения материала обычно приводит к значительному снижению производительности мельниц. Это обстоятельство вызывает необходимость разработки наиболее рациональных и экономичных схем помола.

Производительность цементных мельниц зависит от сопротивления материала размолу, его гранулометрического состава, влажности и температуры, коэффициента заполнения, ассортимента мелющих тел, режима их работы (высота подъема, классификация по размерам по длине мельницы), интенсивности аспирации, адсорбционных свойств среды и ряда других факторов.

2. Расчетная часть.

2.1 Определение производительности мельницы.

(2.1).

где.

Dм — диаметр шаровой мельницы, м;

Lм — длина мельницы, м;

Кd — коэффициент, учитывающий размер исходного куска,.

(2.2).

где.

dис — диаметр исходного куска клинкера, dис=0,03 м;

Ks — коэффициент, учитывающий удельную поверхность готового продукта,.

(2.3).

где.

S — удельная поверхность готового продукта, S=300 м2/кг;

Кр — коэффициент, учитывающий размалываемость материала,.

(2.4).

где.

C2S — процентное содержание белита в клинкере, %.

МП — процентное содержание минералов плавней (С3А и С4АF),.

(2.5).

Коэффициент размалываемости клинкера Kрснижается с увеличением содержания белита и минералов плавней МП.

mм. тел — масса мелющих тел,.

(2.6).

где.

? — коэффициент загрузки мельницы, ?=0,24−0,32.

г — объемная масса загрузки мелющими телами, для шаров — г=4,65 т/м3;

для цильпебсов — г=4,85 т/м3;

2.2 Определение потребляемой мощности.

(2.7).

где Кз — коэффициент, учитывающий загрузку мелющими телами, где.

? — коэффициент загрузки мельницы;

2.3 Определение максимального размера шара.

(2.8).

2.4 Выбор ассортимента загрузки первой камеры.

Ассортимент загрузки первой камеры принимается исходя из массы мелющих тел и максимального размера шара.

Таблица 2.1 — Ассортимент загрузки.

Вторая камера загружается цильпебсом.

2.5 Определение средневзвешенного шара первой камеры.

(2.9).

где.

dшi — диаметр соответствующего размера шара, мм.

nш i — содержание соответствующего размера шара, %.

dсрвзвеш=72мм Исходные данные представлены ниже: примем клинкер следующего минералогического состава (масс. %):C3S — 50,00; C2S — 30,00; C3A — 8,00; C4AF — 12,00. Исходный размер кусков dис=0,03, необходимая удельная поверхность Sуд=300 м2/кг.

Для дальнейших расчетов выбираем следующие типоразмеры мельниц (Dм х Lм, м): 2,00×10,50; 2,20×13,00; 2,40×13,00; 2,50×14,00; 2,60×13,00; 3,00×14,00; 3,20×14,00; 3,20×15,00.

1 Мельница 2,00*10,50 м.

а) Mn=8+12=20%.

б) Кp=(1,13−5,8*10−2*30−2*10−4*301,94)*(1,8−5*10−2*20+6,2*10−4*202)=0,84.

в) Кs=1,3−1,3*10−3*300=0,91.

г) mmт=0,785*0,30*22*10,5*4,65=45,98 т д) Кd=300*0,032−29,3*0,03+1,76=1,151.

е) Кз=9−4,6*0,30−6,78*0,302=7,01.

ж) Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*2*10,5*45,980,8=7,9т/ч з) Nпот=7,01*45,98*20,5=455,83кВт ч/т и) dmaxм=470*(0,03/2,00)1/3=116мм.

2 Мельница 2,20*13,00 м а) mmт=0,785*0,30*2,22*13*4,65=68,90 т б) Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*2,2*13*68,900,8=10,84т/ч в) Nпот=7,01*48,90*2,20,5=716,39кВт ч/т г) dmaxш=470*(0,03/2,20)1/3=112мм.

3 Мельница 2,40*13,00 м а) mmт=0,785*0,30*2,42*13*4,65=82т б) Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*2,4*13*820,8=18,65т/ч в) Nпот=7,01*82*2,40,5=890,97кВт ч/т г) dmaxш=470*(0,03/2,40)1/3=109мм.

4 Мельница 2,50*14,00 м а) mmт=0,785*0,30*2,52*14*4,65=95,81 т б) Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*2,5*14*95,810,8=23,69т/ч.

в) Nпот=7,01*95,81*2,50,5=1061,94кВт ч/т г) dmaxш=470**(0,03/2,50)1/3=107мм.

5 Мельница 2,60*13,00 м а) mmт=0,785*0,30*2,62*13*4,65=96,23 т б) Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*2,6*13*96,230,8=22,96т/ч в) Nпот=7,01*96,23*2,60,5=1087,71кВт ч/т г) dmaxш=470**(0,03/2,60)1/3=106мм.

6 Мельница 3,00*14,00 м а) mmт=0,785*0,30*32*14*4,65=137,97 т б) Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*3*14*137,970,8=38,06т/ч в) Nпот=7,01*137,97*30,5=1675,18кВт ч/т г) dmaxш=470**(0,03/3,00)1/3=101мм.

7 Мельница 3,20*14,00 м а) mmт=0,785*0,30*3,22*14*4,65=156,98 т б) Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*3,2*14*156,980,8=45,01т/ч в) Nпот=7,01*156,98*3,20,5=1968,51кВт ч/т г) dmaxш=470**(0,03/3,20)1/3=99мм.

8 Мельница 3,20*15,00 м а) mmт=0,785*0,30*3,22*15*4,65=168,20 т б) Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*3,2*15*168,200,8=50,96т/ч в) Nпот=7,01*168,20*3,20,5=2108,19кВт ч/т г) dmaxш=470**(0,03/3,20)1/3=99мм В зависимости от принятых исходных данных получены следующие значения величин (табл. 2.2):

Таблица 2.2.

Результаты расчетов сводим в таблицу (табл. 2.3).

Таблица 2.3 — Результаты расчетов.

По результатам расчета строим график Рис. 2.1.

Из графика видно, что при возрастании диаметра мельницы, производительность и потребляемая мощность возрастают, и описывающие их изменение кривые, имеют схожий характер.

Для второго варианта расчета принимаем мельницу 3,2×15 м и изменяем коэффициент загрузки мельницы в пределах 0,25−0,32. Все остальные параметры оставим неизменными.

1 Коэффициент загрузки 0,25.

а) Кз=9−4,6*0,25−6,78*0,252=7,43.

б) Масса мелющих тел:

mмт=0,785*0,25*3,22*15*4,65=140,17 т в) Производительность мельницы.

Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*3,2*15*140,170,8=44,05т/ч г) Потребляемая мощность.

Nпот=7,43*140,17*3,20,5=1862,13 кВт*ч/т.

2 Коэффициент загрузки 0,26.

а) Кз=9−4,6*0,26−6,78*0,262=7,35.

б) Масса мелющих тел:

mмт=0,785*0,26*3,22*15*4,65=145,77 т в) Производительность мельницы.

Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*3,2*15*145,770,8=45,46т/ч.

г) Потребляемая мощность.

Nпот=7,35*145,77*3,20,5=1915,68 кВт*ч/т.

3 Коэффициент загрузки 0,27.

а) Кз=9−4,6*0,27−6,78*0,272=7,26.

б) Масса мелющих тел:

mмт=0,785*0,27*3,22*15*4,65=151,38 т в) Производительность мельницы.

Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*3,2*15*151,380,8=46,85т/ч г) Потребляемая мощность.

Nпот=7,26*151,38*3,20,5=1965,04 кВт*ч/т.

4 Коэффициент загрузки 0,28.

а) Кз=9−4,6*0,28−6,78*0,282=7,18.

б) Масса мелющих тел:

mмт=0,785*0,28*3,22*15*4,65=156,99 т.

в) Производительность мельницы.

Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*3,2*15*156,990,8=48,23т/ч г) Потребляемая мощность.

Nпот=7,18*156,99*3,20,5=2015,41 кВт*ч/т.

5 Коэффициент загрузки 0,29.

а) Кз=9−4,6*0,29−6,78*0,292=7,09.

б) Масса мелющих тел:

mмт=0,785*0,29*3,22*15*4,65=162,6 т в) Производительность мельницы.

Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*3,2*15*162,60,8=49,60т/ч г) Потребляемая мощность.

Nпот=7,09*162,6*3,20,5=2061,27 кВт*ч/т.

6 Коэффициент загрузки 0,30.

а) Кз=9−4,6*0,30−6,78*0,302=7,01.

б) Масса мелющих тел:

mмт=0,785*0,30*3,22*15*4,65=168,20 т в) Производительность мельницы.

Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*3,2*15*168,200,8=50,96т/ч г) Потребляемая мощность.

Nпот=7,01*168,20*3,20,5=2108,19 кВт*ч/т.

7 Коэффициент загрузки 0,31.

а) Кз=9−4,6*0,31−6,78*0,312=6,92.

б) Масса мелющих тел:

mмт=0,785*0,31*3,22*15*4,65=173,81 т в) Производительность мельницы.

Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*3,2*15*173,810,8=52,32т/ч г) Потребляемая мощность.

Nпот=6,92*173,81*3,20,5=2150,54 кВт*ч/т.

8 Коэффициент загрузки 0,32.

а) Кз=9−4,6*0,32−6,78*0,322=6,92.

б) Масса мелющих тел:

mмт=0,785*0,32*3,22*15*4,65=179,42 т в) Производительность мельницы.

Gш=2*10−2*1,151*0,91*0,84*3,2*15*179,420,8=53,32т/ч г) Потребляемая мощность.

Nпот=6,92*179,42*3,20,5=2191,08 кВт*ч/т Результаты расчетов представлены в табл. 2.4.

Таблица 2.4.

По результатам расчета строим график:

Рис. 1.2.

Из графика видно, что увеличивая коэффициент загрузки на 0,01, мы незначительно увеличиваем производительность, при этом потребляемая мощность увеличивается на много больше, следовательно значительного эффекта по увеличению производительности мельницы одним только изменением коэффициента загрузки не добиться.

3. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ТРУБНОЙ ШАРОВОЙ МЕЛЬНИЦЫ.

Рис. 3.1 — Схема традиционной шаровой трубной мельницы: 1 — исходный материал, 2 — входная горловина, 3 — корпус, 4 — самосортирующая бронефутеровка, 5 — межкамерная перегородка, 6 — бронефутеровка, 7 — мелющие шары, 8 — выходная решётка, 9 — выходная горловина, 10 — размолотый материал, 11 — цильпебс цементный мельница мощность производительность Помол клинкера с добавками осуществляется в шаровых трубных цементных мельницах. Цементная мельница предназначена для тонкого помола клинкера и добавок (шлак, гипс). Она представляет собой пустотелый сварной цилиндрический барабан, защищенный внутри от износа бронефутерованными плитами. Барабан разделен на две камеры двойной межкамерной перегородкой. В первой камере может устанавливаться прокатная, самосортирующая, волновая бронефутеровка, во второй — конусно-каблучковая и гребенчатая.

К фланцам барабана на болтах крепятся две торцевые крышки (загрузочная и разгрузочная), выполненные заодно с пустотелыми цапфами, которыми мельница опирается на два самоустанавливающиеся подшипника скольжения. В пустотелых цапфах установлены шнека, предназначенные для подачи материала на помол и удаления готового продукта из мельницы.

Подшипники скольжения имеют вкладыши с баббитовой заливкой и каналами для прохода охлаждающей воды. Смазываются подшипники жидкой циркуляционной смазкой. Подача масла на цапфу осуществляется поливом сверху.

Кроме этого в период пуска и остановки мельницы осуществляется гидроподпор цапф. В этом случае масло под высоким давлением подается снизу под цапфы через карманы, выполненные во вкладыше подшипника.

После выхода мельницы на рабочий режим гидроподпор отключается.

К разгрузочной крышке мельницы крепятся разгрузочный патрубок и сито. Мельница приводится во вращение асинхронным электродвигателем главного привода через втулочно-пальцевую муфту, одноступенчатый редуктор главного привода и промежуточное соединение.

При ремонтах мельница поворачивается асинхронным вспомогательным электродвигателем через втулочно-пальцевую муфту с принудительным включением.

Наличие тормоза позволяет фиксировать мельницу в любом положении при работе на вспомогательном приводе.

Цементный клинкер, шлак и гипс со склада подается грейферными кранами в расходные бункера мельниц. Для подачи клинкера в цементную мельницу применяется тарельчатый питатель, для добавок — ленточный питатель, с автоматическим управлением. Материалы из расходных бункеров равномерно подаются в мельницу. На бункере находится решетка, через которую пропускается материал определенной фракции, а крупные остаются на решетке и убираются ковшом, а далее в отвал.

Подлежащий измельчению клинкер, шлак и гипс попадают в течку загрузочной части мельницы. Из течки материал скатывается в пустотелую загрузочную цапфу с трубошнеком, который жестко связанный с ней. При вращении мельницы винтовые лопасти трубошнека перемещают материал в первую камеру мельницы.

Первая камера загружена большими шарами (различными по диаметру), которые осуществляют измельчение и предварительный помол материала.

Материал после первой камеры проходит через межкамерную перегородку и попадает во вторую камеру.

Вторая камера загружена цильпебсом. В этой камере осуществляется окончательный помол цемента.

Через щели разгрузочных секторов, установленных в конце второй камеры, и диафрагму материал попадает на футеровку разгрузочной крышки.

Затем, при вращении мельницы, материал транспортируется к окнам разгрузочного патрубка.

Из окон материал попадает на сито, закрепленное на разгрузочном патрубке и вращающееся вместе с патрубком.

Размолотый материал проходит через сито и попадает в конус разгрузочной камеры.

Не домолотый материал и остатки мелющих тел отделяются ситом от готового продукта, и по отдельному патрубку в разгрузочной камере разгружается по мере поступления.

Поступающий из мельницы под действием разряжения, создаваемого вентилятором запыленный воздух после грубой очистки в аспирационной шахте, поступает в циклоны (блок из шести циклонов), затем отправляется для окончательной очистки в рукавный фильтр, из которого отсасывается вентилятором и сбрасывается в атмосферу. Цемент, осажденный в циклонах и рукавном фильтре, направляют в бункер для дальнейшей транспортировки пневмокамерным насосом в силоса. Цементные силоса оснащены установками, производящими очистку избыточного в них воздуха с помощью рукавных фильтров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

После произведенных расчетов и анализа полученных данных, можно сделать следующие выводы:

чем больше диаметр мельницы, тем больше производительность и потребляемая мощность;

чем выше коэффициент заполнения мелющими телами, тем больше производительность и потребляемая мощность.

1. Дуда В. Цемент / Пер. с нем. Е. Ш. Фельдмана; Под ред. Б. Э. Юдовича. -М.: Стройиздат, 1981. — 464 с.

2. Дешко Ю. И., Креймер М. Б., Крыхтин Г. С. Измельчение материалов в цементной промышленности. — М.: Стройиздат, 1966. — 272 с.

3. Классен В. К. Оптимизация производства цемента. Методические указания к курсовой работе. Белгород, 2006. — 27 с.

4. Проектирование цементных заводов / Под ред. Зозули П. В. и Никифорова Ю. В. и др. — С-П.: Изд-во «Синтез», 1995. — 446 с.

5. Бауман В. А., Клушанцев Б. В., Мартынов В. Д. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. — М.: Машиностроение, 1981. — 324 с.