Глава 3

ФОРМИРОВАНИЕ И СИНТЕЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ

И ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ТС И ХТС

НА ОСНОВЕ БЛОЧНО-МОДУЛЬНОГО ПОДХОДА

(НА ПРИМЕРЕ ПОРОШКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В ПРОИЗВОДСТВЕ СТЕКЛА И СТЕКЛЯННОГО ВОЛОКНА)

Принцип системности на основе блочно-модульного подхода (не зависимо от сферы производства) заключается в сборе и учете необходимых, достаточных и приоритетных факторов или компонентов, которыми определяется экологическая безопасность любых технологий.

Важнейший принцип системного анализа сводится к следующему: процесс принятия решений должен начинаться с выявления и четкого формулирования конечных целей; всю проблему необходимо рассматривать как единое целое; необходим анализ альтернативных путей достижения целей; подцели не должны вступать в конфликт с общей целью (подробно см. главу 2, а также[1-4]).

Подсистемы, в которых должны учитываться требования промышленной экологии, образуют полный цикл производственной деятельности: научный замысел; исходные и технико-экономические данные; научно-исследовательская работа; проект; промышленное производство; эксплуатация - модернизация - ремонт; ликвидация. Выполнение условий безопасности на каждой стадии предопределяется не только техническими и экономическими показателями, но и экологической ответственностью в системе «биосфера - человек - техносфера».

Рассмотрим вариант формирования и синтеза энергосберегающих и экологически безопасных ТС и ХТС на примере использования порошковых материалов (ПМ) в производстве стекла и стекольного волокна.

3.1. Подсистема подготовки сырья Измельчение

Процесс измельчения сыпучих материалов - один из основных типовых процессов ХТС на первой ступени иерархической структуры химического производства [2 - 4]. Степень дисперсности сыпучих материалов во многом предопределяет их дальнейшее поведение в последующих химико-технологических процессах, а подходящие методы измельчения, как правило, способствуют увеличению поверхности частиц в результате уменьшения их средней крупности в узких пределах гранулометрического состава при незначительном отклонении от средней величины. Требования, предъявляемые к методу измельчения, зависят от ряда параметров.

Известно, что основными ингредиентами полидисперсной многокомпонентной стекольной шихты являются частицы тугоплавкого кварцевого песка (52-60 масс. %, твердость по Моосу 6,5 ÷ 7,0) и карбонатного сырья (35-40 масс. %., твердость по Моосу 3,0-4,0). Их размеры и степень дефектности кристаллических решеток существенно влияют на скорости отдельных стадий процесса стекловарения.

Кварцевый песок и карбонатное сырье, измельчают в газоструйных, аэробильных, шapoвыx и валковых мельницах.

На рис. 3.1 представлен аппарат серии JOМ (Япония) для измельчения порошков типа кварцевого песка и известняка. Сырьевой материал выгружается из сырьевого бункера, разгоняется до сверхзвуковой скорости поступающим из сопла трубки Вентури сжатым воздухом, и подается во внутреннюю часть аппарата. В зоне измельчения, образованной текучей средой, нагнетаемой , из сопел, установленных в нижней части аппарата, сырьевой материал разрушается за счет энергии удара и трения. После измельчения порошок поднимается по восходящей трубе и подводится в узел классификации, где мелкие фракции отделяются направляющей лопаткой, а крупные спускаются по нисходящей трубе и смешиваются с загруженным сырьевым материалом для повторного измельчения.

Тип JOM 0101С4С 0202С4С 03044С 04054С 06084С 08084С

Давление, МПа 0,6 5-0,70

Расход воздуха,

м^З/мин 1,0 2,6 7,6 16,1 26,4 35

Потребляемая электро-

энергия, кВт/ч 11 22 55 125 150 220

Производитель-

ность кг/ч 0,5-2,0 2,0-20 20-100 50-300 200-600 400-1000

Достоинства струйных измельчителей - низкая металлоемкость, однородный гранулометрический состав измельченного материала и возможность полной автоматизации процесса.

Отечественной промышленностью разработан пневмоимпульсный измельчитель серии ИП, входящий в установку УИП для переработки порошков [5]. В основу его работы заложен метод нестационарного движения под действием перепада статического давления и ударного взаимодействия с отбойной поверхностью высококонцентрированных поршневых масс дисперсного материала. Помол осуществляется самоизмельчением частиц материала в области отбойной поверхности измельчителя. Аппарат позволяет совмещать измельчение и внутрицеховой пневмотранспорт продукта помола на расстояния до 50 м. Производительность по измельчению, например, кварцевого песка достигает 200 кг/ч при удельном расходе сжатого воздуха 0,48 кг/кг материала и рабочем давлении 0,6 - 1,0 МПа, а средний размер частиц D (50 %) составляет 73 мкм.

На основе уравнения баланса концентрации компонентов в корпусе аппарата показано, что процесс помола многокомпонентных смесей стремится к установившемуся режиму, при котором концентрации компонентов в продукте помола равны исходным. Получено выражение, Еу - концентрация i-того компонента j-той фракции в корпусе измельчителя при установившемся режиме

Eij = Еi_O/[ K_i∑(E_iO/K_j)} _i = 1, 2, ..., т; j = 1,2, ..., N),

где К - параметры, характеризующие относительный выход из аппарата измельченного i-того компонента; ЕiO - объемное содержание i-того компонента в исходной смеси; N - количество фракций.

Модификацией широко известных струйных мельниц являются газоструйные противоточные для тонкого и сверхтонкого измельчения продуктов. Мельница СММ-39 позволяет получать частицы готового продукта от 2 до 200 мкм при удельных энергозатратах порядка 35 кВт ч/т. Разновидностью этой мельницы - установка, разработанная Днепропетровским горным институтом. Энергоносителем в ней является нагретый воздух или газовоздушная смесь. Исходный кварцевый песок с частицами размером <= 0,8 мм и влажностью до 0,5 масс. % через дозатор по течкам поступает в инжекционные узлы, где увлекается скоростным потоком горячего воздуха (сжатого до 0,35---0,40 МПа) с одновременным термическим ударом (Δţ - 500⁰С) и в разгонных трубках ускоряется до 300-400 м/с. Измельчение в пересечении потоков струй происходит вследствие лобового удара и истирания одних частиц о другие, а также о футеровку помольной камеры. В классификаторе недоизмельченный порошок отделяется и поступает на повторное измельчение. Годные фракции улавливаются в циклонах готового продукта. Отработанный воздух после очистки в фильтре выбрасывается в атмосферу. Мельница может работать в разных аэродинамических и температурных диапазонах. Рассмотренная схема газоструйного измельчения компактна, легко вписывается в габариты подготовительных цехов, а, главное, позволяет непрерывно измельчать компоненты шихты.

Ударно-отражательные измельчающие устройства (аэробильные мельницы) используются для получения мелкодисперсных порошков доломита, известняка и мела. В отличие от других измельчающих устройств эти мельницы (например, «Dгу Мill», Италия) при простоте конструкции имеет меньшие энергозатраты и позволяет получать тонкоизмельченный продукт, прошедший частичную декарбонизацию. Этот факт можно объяснить доминирующим влиянием на процесс ударного высокотемпературного измельчения трех разных скоростей взаимодействия частиц материала с рабочими элементами машины, определяемых движением исходного материала, газовой и дисперсной фаз. Результат анализа степени влияния разных факторов на осредненное движение частицы - уравнение:

т-=Fc+FU_б+Fкор+ тр (3.2)

где т и V - масса и скорость частицы соответственно; Fc - сила аэродинамического сопротивления; FU6 - центробежная сила инерции; FKop -- Кориолисова сила; FTP. - сила трения скольжения, возникающая при движении частицы материала вдоль рабочих элементов мельницы.

Зона зависимости изменения скорости воздушного потока в роторе мельницы от скорости его вращения, а также граничные условия, можно определить энергетические характеристики движения частиц материалов в любой зоне измельчителя и, следовательно, скорость их взаимодействия с рабочими элементами мельницы.

Проведенные исследования показали возможность получения в газоструйных и аэробильных мельницах тонкомолотых материалов с заданной для стекловарения гранулометрией, исключая наличие в шихте частиц карбонатного сырья размером> 200 мкм и кварцевого песка> 400 мкм.

Для эффективного измельчения порошков с разными физико-механическим свойствам и получения заданных в дальнейшей технологии их характеристик рекомендуется использовать вибрационные и валковые мельницы, не нашедшие пока широкого применения в промышленности.