Проблемы новой технологии получении некоторых материалов на основе газострунных процессов

Осуществление больших и важных задач, поставленных решениями XXI съезда КПСС, в области дальнейшего быстрого наращивания объемов производства во всех отраслях народного хозяйства, роста производительности труда и снижения себестоимости продукции вызывает необходимость настойчивого изыскания новых путей и возможностей интенсификации технологических режимов, всестороннего улучшения технико-экономических показателей работы промышленных предприятий. В свете этих задач серьезное значение приобретает, в частности, ряд технических проблем, связанных с повышением коэффициентов использования сырьевых ресурсов (в том числе бедных источников сырья) и резким сокращением потерь материалов и энергии в производстве.

Общепринятые ныне технологические процессы в металлургии, при добыче и сжигании твердого топлива, в производстве строительных материалов и различных синтетических продуктов характеризуются, как известно, сравнительно невысоким химическим кпд, а применяемое технологическое оборудование имеет весьма низкий механический и термический кпд.

Достаточно сказать, что по расчетам советских и зарубежных специалистов кпд шаровых мельниц, широко распространенных на предприятиях, перерабатывающих минеральное сырье, составляет 0,06—0,07. Аналогичны и показатели различных видов станков для механической обработки материалов.

Отношение потребляемой мощности к весу машины или, как говорят, ее энергонапряженность является важным критерием для оценки достоинств того или иного вида оборудования и определения области его наиболее рационального применения.

Физически энергонапряженность соответствует количеству энергии, преобразуемой в теплоту единицей веса машины (например, мельницы) или преобразованной из теплоты в механическую энергию (турбина).

При прочих равных условиях более энергонапряженная машина или аппарат обладают меньшими габаритами и весом. Так, если две мельницы равной производительности обладают энергонапряженностями, отличающимися в 100 раз, то это значит, что одна из них в сто раз легче другой, а габариты ее в I 100 = 4,64 раза меньше.

Большинство машин и аппаратов, применяемых при указанных выше технологических процессах, отличается низкой энергонапряженностью, например, энергонапряженность измельчителей для твердых материалов (типа шаровых мельниц) составляет лишь около 8 т.

Низкая энергонапряженность не только обусловливает громоздкость оборудования, но и вызывает необходимость применения дешевых конструкционных материалов, так как в противном случае большие капитальные затраты делают машину неэкономичной. Использование же таких материалов, обладающих пониженной износостойкостью и малой термостойкостью, вынуждает ориентироваться на низкие температуры рабочих процессов, приводит к значительному удлинению сроков обработки материала, к малым скоростям его перемещения в технологическом цикле .

Следовательно, низкая энергонапряженность оборудования является одной из непосредственных причин, которые обусловливают пониженные показатели термонапряженности, низкий механический, термический и химический кпд технологических процессов.

Невысокие значения химического кпд связаны также с тем, что в недостаточной еще степени используется молекулярная энергия реагирующих веществ; значительно более полное использование молекулярной энергии может быть достигнуто, в частности, при тонком и сверхтонком измельчении сырьевых продуктов и полуфабрикатов.

Однако в случае применения обычных аппаратов с мелющими телами тонкое и сверхтонкое измельчение связано с большими затратами электроэнергии и низкой удельной производительностью оборудования. Ориентировочные подсчеты показывают, что, если в производстве будут использоваться материалы с вдвое большей, чем принято ныне, удельной поверхностью, то затраты энергии на измельчение составят около 50°,о от всего количества энергии, производимой в мире.

Поэтому проблему тонкого измельчения материалов надо поставить в ряд с приведенными с проблемами повышения и - логических процессов.

Автоматическое peагирование должно стать неотемлемым элементом технологического процесс Функции его уже не могут ограничиваться рацией и поддержанием заданного режима идет о необходимости автоматического непрерывного определения и поддержания оптимального режима, при котором агрегат обеспечивает максимальную производительность по продукту заданного качества при минимальной себестоимости производства.

Успешное решение проблемы тонкого измельчения материалов неизбежно связано с повышением энергонапряженности соответствующих машин и аппаратов, сокращением их габаритных размеров и возможностью использования конструкционных материалов, отличающихся высокой термостойкостью и износостойкостью, таких как твердые сплавы, специальные стали, минерало-керамика и др. Это позволит внедрить новые схемы технологических процессов, предусматривающие большие скорости продвижения обрабатываемого материала.

Перечисленные выше обстоятельства обусловливают назревшую необходимость перехода от машин с движущимися деталями к аппаратам, не имеющим таких узлов и деталей, что облегчает работу конструкционных материалов, так как снижаются динамические и ударные нагрузки, упрощается конструкция аппаратов.

В результате перехода на высокие энергонапряженности, температуры и скорости значительно повысится эффективность процессов тонкого измельчения материалов, будут увеличены механический, термический и химический кпд технологических процессов и оборудования.

Исследования, направленные на применение высоких температур, скоростей и дисперсностей, позволили сформулировать ряд положений новой химии и новых технологических процессов, отличающихся от старых не только количественно, но и качественно .

В частности, процессы, протекающие в газовой струе, во многом схожие с процессами обработки материалов во взвешенном состоянии и в кипящем слое, выгодно отличаются от последних возможностью экономичного использования тепловой энергии для термохимических реакций. Этим процессам несомненно принадлежит большое будущее.

Использование кинетической энергии газовой струи для измельчения обрабатываемого продукта позволяет расширить практическое применение достижений этой новой области химии и рассматривать обсуждаемый вопрос как одну из основных проблем современной физико-химической механики.

В промышленности строительных материалов возможны два направления в применении газовых струй: во-первых, для измельчения различных видов сырья и полуфабрикатов, а, во-вторых, для осуществления комбинированных технологических процессов, в которых измельчение сочетается с обжигом. расплавлением и реакциями, сопровождающими эти операции.

В настоящее время за рубежом п у на,, во Всесоюзном научно-исследовательском институте новых строительных материалов (ВНИИНСМе) АСнА СССР разработаны для указанных пелен аппараты, называемые струйными мельницами.

Схема одной из таких мельниц с противоточной помольной камерой приведена на рис. 1.


Измельчаемый материал из бункера 1, подается питателем в течку 2 и направляется в трубу 3, соединяющую помольную камеру 4 с пылераздетителем 5. В последнем тонкая фракция измельчаемого материала отделяется от грубой фракции, которая направляется по течкам б в два струйных эжектора 7.

Струи газа, вытекающие из сопел 8, увлекают частицы материала и сообщают им в разгонных трубках 9 скорости порядка 100—150 м/сек. При истечении в камеру 4 скорость газовой струи падает до 8—10 м/сек. Частицы же материала сохраняют приобретенные скорости и, двигаясь по инерции, сталкиваются друг с другом в центральной зоне помольной камеры, подвергаясь при этом измельчению. Далее запыленный газ направляется по трубе 3 в пылеразделитель. Для успешной работы последнего. через патрубки 10 подсасывается дополнительное количество рабочего газа.

Готовый продукт вместе с отработанным газом направляется в вихревой пылеосадитель И и поступает в приемник 12. Очистка газа от следов пыли осуществляется в рукавном или электростатическом пылеосадителе 13, после чего отработанный газ вентилятором 14 выбрасывается наружу.

Для привода мельницы в действие применяются сжатый воздух или перегретый пар давлением 6 8 от и; температура их выбирается в зависимости от свойств измельчаемого материала н условий тепло отдачи. Разумеется, при измельчении возможность конденсации пара в установке исключается.

Зависимость удельного расхода энергоносителя от его температур показана на рис. 2. Кривая 1 соответствует постоянному количеству энергии, вводимой в помольную камеру: кривая 2 характеризует повышение эффективности измельчения при увеличении скорости движения частиц. Так, при измельчении кварцевого песка Люберецкого месторождения с исходной дисперсностью, характеризуемой остатком на сите 0060, равном 99,9%, и получением продукта, характеризуемого остатком на том же сите 81%, удельный расход перегретого пара давлением 8 атм и температурой 250° составляет 0,25 кг/кг. Эти данные позволяют приблизительно оценить технико-экономические показатели описываемой мельницы.


Наряду с энергозатратами, экономичность измельчителя определяется также его износом.

В описываемой струйной мельнице наиболее изнашиваемой деталью являются разгонные трубки 9 (см. рис. 1). При футеровке трубок твердым сплавом (типа ВК-6) износ их для описанного выше случая измельчения кварцевого песка составляет 0,84 см3 на тонну продукта, а при футеровке минерало-керамикой (микролитом типа ЦМ-232) — 2,4 см3 на тонну. Стоимость же изношенного материала составляет соответственно, 2,34 руб. и 0,46 руб. на тонну продукта, т. е. применение минерало-керамики значительно экономичнее.

В 1959 г. ВНИИНСМом подготовлена к серийно му производству установка типа ЗС производитель ностью 0,2—0,3 r/час по кварцевому песку с десперсностью 1—2% остатка на сите 0060 (рис. 3) Такая струйная мельница может применяться для помола и других абразивных материалов, а также строительных красок, различных химикалиев и др. В настоящее время разрабатываются установки большей производительности, которые несомненно найдут применение для измельчения углей, вяжущих, стекольных шихт и других материалов.

Как это видно из рис. 2, с увеличением темпера туры теплоносителя удельный расход рабочего газа в мельнице снижается Поэтому естественна постановка задачи применения вместо пара перегретого воздуха и продуктов сгорания топлива В по среднем случае эжекторы 7 (см. рис. 1) заменяются двумя камерами сгорания, при этом поток частиц материала ускоряется струями газов, вытекающих из камер до скоростей 1 000—1 500 мсек. что естественно повышает эффективность измельчения.

Одновременно появляется возможность использования высокой температуры (до 2500е) и тепла газовых струй для осуществления термохимических реакций.

Наибольший интерес представляет применение газоструйных установок в производстве стандартных и местных вяжущих. Известно, например , что при быстром нагреве до 1700° кубиков размером 7x7x7 см спрессованных из сырьевых материалов, образование клинкерных минералов длится менее двух минут.

Разработка о во и технологии цемента является реальностью. Замена громоздкого, малоэффективного и дорогого оборудования цементных заводов компактными газоструйными мельницами позволит цементной промышленности осуществит скачок, значение которого трудно переоценить.

Разумеется, придется преодолеть ряд серьезных конструктивных трудностей. Однако все они не носят принципиального характера.

Широкие возможности открываются при использовании газоструйных установок в химической технологии.

Таким образом, газоструйные процессы, наиболее полно отвечающие требованиям, предъявляемым современной технологии и оборудованию, призваны сыграть весьма значительную роль в решении грандиозных задач технического прогресса во многих отраслях промышленного производства.