Wpływ wybranych parametrów na wydajność młyna strumieniowo-fluidyzacyjnego.pdf

GOSPODARKA

SUROWCAMI

MINERALNYMI

Tom 23

2007

Zeszyt 1

DANIEL ZBROÑSKI*, ALEKSANDRA GÓRECKA-ZBROÑSKA*

Analiza oddzia³ywania wybranych parametrów procesu na osi¹gi

m³yna strumieniowo-fluidyzacyjnego.

Czêœæ I: Wydajnoœæ m³yna

S³owa kluczowe

Mielenie, fluidyzacja, m³yn strumieniowo-fluidyzacyjny, wydajnoœæ m³yna, kamieñ wapienny

Streszczenie

W artykule zaprezentowano podstawy teoretyczne i wyniki badañ rozdrabniania próbek kamienia wapiennego

w warunkach burzliwej warstwy fluidalnej m³yna strumieniowo-fluidyzacyjnego. Celem badañ by³o ustalenie

wp³ywu wybranych parametrów procesu, takich jak: masa i uziarnienie nadawy, nadciœnienie powietrza ro-

boczego, prêdkoœæ obrotowa wirnika klasyfikatora przep³ywowego i czas trwania mielenia na uzyskan¹ wydajnoœæ

m³yna (czêœæ I artyku³u) oraz na sk³ad ziarnowy produktu mielenia (czêœæ II artyku³u).

Wprowadzenie

Obserwowane od lat zainteresowanie nowoczesnymi technologiami mechanicznej prze-

róbki materia³ów sta³ych wynika z koniecznoœci zapewnienia ekologicznie bezpiecznego

i ekonomicznie uzasadnionego przetwarzania substancji pochodzenia mineralnego i orga-

nicznego oraz materia³ów przemys³owych i surowców odpadowych (Koch, Noworyta 1992;

Stiess 1995). Stosowane obecnie technologie nie zawsze umo¿liwiaj¹ uzyskanie ¿¹danego

efektu koñcowego. Dlatego te¿ podejmowane w tym wzglêdzie dzia³ania zmierzaj¹ g³ównie

do poszukiwania takich warunków pracy przemys³owych urz¹dzeñ rozdrabniaj¹cych, jakie

* Dr in¿., Wydzia³ In¿ynierii Mechanicznej i Informatyki, Katedra Kot³ów i Termodynamiki, Politechnika

Czêstochowska, Czêstochowa; e-mail: zbronski@kkt.pcz.czest.pl

Recenzent prof. dr hab. Tadeusz Tumidajski

154

z jednej strony zapewni¹ gwarantowane parametry i czystoœæ uziarnienia otrzymanych

produktów mielenia, z drugiej zaœ zmniejszenie energoch³onnoœci procesu i poprawê wy-

magañ dotycz¹cych ochrony œrodowiska naturalnego (Korzeñ, Rink 1999).

W ostatnim okresie du¿e nadzieje wi¹¿e siê z badaniami procesu rozdrabniania ma-

teria³ów ziarnistych w warunkach wysokoenergetycznej warstwy fluidalnej. Proces ten

polega na wytworzeniu ogniska zderzeñ przeciwstrumieni powietrznych w nieruchomej

warstwie, inicjuj¹cego powstanie i utrzymanie stanu fluidyzacji burzliwej w komorze mie-

lenia m³yna strumieniowo-fluidyzacyjnego. W dolnej strefie warstwy fluidalnej wystêpuje

stan fluidyzacji pulsacyjnej, w górnej zaœ – stan fluidyzacji fontannowej. W strefie fluidy-

zacji pulsacyjnej powstaj¹ obszary pêcherzy gazowych i aglomeratów ziarnowych, które

intensyfikuj¹ mieszanie i rozdrabnianie ziaren. Natomiast w strefie fluidyzacji fontannowej

obserwuje siê unoszenie ziaren w obszarze du¿ych prêdkoœci w rdzeniu komory, a nastêpnie

grawitacyjne opadanie grubszych ziaren w strefie ma³ych prêdkoœci w pobli¿u œcian, b¹dŸ

trwa³e porywanie drobnych ziaren do uk³adu separacji zewnêtrznej przez strumieñ prze-

p³ywaj¹cego powietrza. Taki rozk³ad stref fluidyzacji zapewnia powstanie wysokoener-

getycznej warstwy fluidalnej, która gwarantuje efektywne rozdrabnianie badanego materia³u

ziarnistego (Korzeñ i in. 1997; Zbroñski 2005). Na rysunku 1 przedstawiono obszary

Rys. 1. Zjawiska wystêpuj¹ce w komorze mielenia m³yna strumieniowo-fluidyzacyjnego

1 – ognisko zderzeñ przeciwstrumieni powietrznych, 2 – obszar burzliwej warstwy fluidalnej, 3 – strefa

fluidyzacji pulsacyjnej, 4 – strefa fluidyzacji fontannowej, 5 – fontannowy unos ziaren, 6 – zawrót ziaren

grubych, 7 – wylot produktu mielenia, 8 – dysze powietrzne, 9 – komora mielenia, 10 – przep³ywowy

klasyfikator wirnikowy

Fig. 1. Phenomena occurred in the grinding chamber of the fluidized bed opposed jet mill

1 – collision source of air counter-fluxes, 2 – zone of turbulent fluidized layer, 3 – zone of pulsatory

fluidization, 4 – zone of fountain fluidization, 5 – fountain carryover of the grains, 6 – reversal of coarse

grains, 7 – outlet of milling product and air, 8 – air nozzles, 9 – grinding chamber, 10 – rotational flow

classifier

155

wystêpowania wspomnianych zjawisk w komorze mielenia m³yna strumieniowo-fluidy-

zacyjnego.

M³yny strumieniowo-fluidyzacyjne stosowane w wielu ga³êziach przemys³u od ponad

15 lat (przemys³ farmaceutyczny, chemiczny, spo¿ywczy, przeróbki minera³ów itp.) produ-

kowane s¹ przez znane firmy, miêdzy innymi: Netzsch, Hosokawa-Alpine i Kurimoto.

W odniesieniu do innych typów m³ynów strumieniowych urz¹dzenia te wykazuj¹ nastê-

puj¹ce korzyœci: wysoki stopieñ rozdrobnienia, ma³e zu¿ycie energii, niski poziom ha³asu,

znikome zu¿ycie materia³ów i niewielkie gabaryty urz¹dzenia (Vogel 1991). Jednak¿e

projektowanie i przewidywanie osi¹gów tego typu urz¹dzeñ w du¿ej mierze oparte jest na

z³o¿onych badaniach eksperymentalnych, które prowadzone s¹ miêdzy innymi: w Niem-

czech (Vogel 1991; Stiess 1995; Benz i in. 1996), we Francji (Berthiaux i Dodds 1999;

Godet-Morand i in. 2002), w Wielkiej Brytanii (Tasirin i Geldart 1999), w USA (Hogg

1999), w Japonii (Wang i in. 1999), w Chinach (Zhang i in. 2003) i w Polsce (Korzeñ i in.

1997–1999; Rink i Konieczny 1997; Zbroñski i in. 2005–2006). G³ównym celem rea-

lizowanych badañ jest optymalizacja procesu rozdrabniania i klasyfikacji oraz ustalenie

wp³ywu istotnych parametrów na uzyskany produkt mielenia.

1. Cel i zakres badañ

Celem podjêtych badañ by³o ustalenie wp³ywu wybranych parametrów procesu na

uzyskan¹ wydajnoœæ m³yna strumieniowo-fluidyzacyjnego. Zakres pracy obejmowa³ prze-

prowadzenie badañ wstêpnych i zasadniczych (Zbroñski 2005). Badania wstêpne potwier-

dzi³y poprawn¹ pracê m³yna, pozwoli³y ustaliæ zakres zmiany parametrów procesu i okreœliæ

skutecznoœæ rozdrabniania wybranych materia³ów ziarnistych (kamieñ wapienny, piasek

kwarcowy, korund). Badania zasadnicze umo¿liwi³y ustalenie oddzia³ywania takich para-

metrów procesu, jak: pocz¹tkowe uziarnienie nadawy, pocz¹tkowa masa zasypowa nadawy,

nadciœnienie powietrza roboczego, prêdkoœæ obrotowa wirnika klasyfikatora przep³ywo-

wego i czas trwania mielenia na uzyskan¹ wydajnoœæ m³yna strumieniowo-fluidyzacyjnego

(czêœæ I artyku³u) oraz na sk³ad ziarnowy produktu mielenia (czêœæ II artyku³u).

2. Opis stanowiska badawczego

Eksperymentalny charakter badañ wymaga³ przygotowania stanowiska badawczego,

którego schemat przedstawiono na rysunku 2.

Podstawowym elementem stanowiska jest laboratoryjny m³yn strumieniowo-fluidyza-

cyjny. Strumienie powietrza zasilaj¹ce stanowisko badawcze generowane s¹ jako powietrze

robocze – przez sprê¿arkê t³okow¹ 1 oraz powietrze uszczelniaj¹ce – przez dodatkowe

urz¹dzenie t³ocz¹ce 13. Nadawa materia³u ziarnistego o ustalonej granulacji podawana jest

grawitacyjnie ze zbiornika zasypowego 8 do cylindrycznej komory mielenia m³yna 6, gdzie

156

Nadawa

Produkt II

Produkt I

Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego

1 – sprê¿arka t³okowa, 2 – rotametr, 3 – kolektor powietrza roboczego, 4 – manometr sprê¿ysty, 5 – dysze

powietrzne, 6 – komora mielenia, 7 – przep³ywowy klasyfikator wirnikowy, 8 – zbiornik zasypowy nadawy,

9 – cyklon, 10 – zbiornik produktu mielenia I, 11 – filtr tkaninowy (produkt mielenia II), 12 – urz¹dzenie

wyci¹gowe, 13 – dodatkowe urz¹dzenie t³ocz¹ce

Fig. 2. Schematic diagram of the experimental stand

1 – compressor, 2 – rotameter, 3 – collector of working air, 4 – elastic pressure gauge, 5 – air nozzles,

6 – grinding chamber of the mill, 7 – rotational flow classifier with electric motor, 8 – filling container of

the fed material, 9 – cyclone, 10 – container of milling product I, 11 – cloth filter (milling product II),

12 – vacuum cleaner, 13 – pressure fan

ulega ona intensywnej fluidyzacji za poœrednictwem zespo³u dysz powietrznych 5, koncen-

trycznie wdmuchuj¹cych strumienie powietrza o sterowanym wydatku i nadciœnieniu. Po-

miar strumienia objêtoœci powietrza roboczego umo¿liwia rotametr 2, zaœ pomiar nadciœ-

nienia – manometr sprê¿ysty 4. Symetryczna konstrukcja kolektora powietrznego 3 za-

pewnia jednakowy rozdzia³ powietrza na poszczególne dysze. Klasyfikator przep³ywowy 7

dziêki mo¿liwoœci automatycznej regulacji prêdkoœci obrotowej wirnika zapewnia wstêpny

rozdzia³ produktu na klasê drobn¹ (unoszon¹ do cyklonu) oraz klasê grub¹ (nawracan¹ do

komory mielenia) na poziomie ¿¹danego ziarna granicznego. W cyklonie 9 nastêpuje roz-

dzia³ dwufazowej mieszaniny wyp³ywaj¹cej z klasyfikatora na strumieñ produktu mielenia I,

kierowany do zbiornika odbiorczego 10, oraz strumieñ zapylonego powietrza roboczego,

kierowany do filtra tkaninowego 11 (produkt mielenia II). Produkty mielenia (I + II)

stanowi¹ ca³kowity produkt mielenia strumieniowo-fluidalnego. Podciœnienie w uk³adzie

zapewnia urz¹dzenie wyci¹gowe 12.

157

3. Metodyka badañ

Przyjêta metodyka badañ eksperymentalnych obejmowa³a: w³aœciwy dobór i przygo-

towanie materia³u ziarnistego, ustalenie zakresu i sposobu realizacji prób mielenia oraz

wyznaczenie masy nadawy i produktu mielenia. Do badañ u¿yto kamienia wapiennego

pochodz¹cego z Kopalni Wapienia „Czatkowice” w Krzeszowicach, charakteryzuj¹cego siê

du¿¹ podatnoœci¹ na rozdrabnianie i szerokim zastosowaniem w przemyœle. W celu uzys-

kania w¹skich klas ziarnowych nadawy kamieñ wapienny przesiano za pomoc¹ zestawu

znormalizowanych sit wykorzystuj¹c wstrz¹sarkê mechaniczn¹ firmy Retsch. Podczas ba-

dañ próbki nadawy: N1 (400–630)

m, N2 (500–800)

m, N3 (630–1000)

miN4

m poddawano kolejno okresowemu procesowi strumieniowo-fluidalnego roz-

drabniania. Badania przeprowadzono dla próbek nadawy o masach

m n

= 1500 g, 3000 g

= 150 kPa, 250 kPa

i 350 kPa i prêdkoœci obrotowej wirnika klasyfikatora wynosz¹cej

p n

= 2000 1/min,

4000 1/min i 6000 1/min. Próby zrealizowano dla wstêpnie dobranych parametrów: opty-

malna konfiguracja dysz powietrznych (3 dysze pochylone pod k¹tem 30° do poziomu,

równomiernie rozmieszczone na obwodzie komory mielenia i 1 dysza umieszczona pionowo

od do³u) (Rink, Konieczny 1997), strumieñ objêtoœci powietrza roboczego

=80m 3 /h i czas

mielenia

= 0–30 min i 30–60 min. Ponadto, zmierzono tak¿e parametry otoczenia: ciœnienie

= 55%. Przebieg

poszczególnych prób mielenia by³ nastêpuj¹cy. Porcjê nadawy N o znanej masie po-

cz¹tkowej

= 995 hPa, temperaturê

t ot

= 25 °C i wilgotnoœæ powietrza

wsypywano do komory mielenia m³yna, uruchamiano klasyfikator wirnikowy

do ¿¹danej wartoœci prêdkoœci obrotowej

m n

i sprê¿arkê t³okow¹ do ustalonej wartoœci

. Na koñcu w³¹czano urz¹dzenie wyci¹gowe i do-

datkowe urz¹dzenie t³ocz¹ce, uszczelniaj¹ce wirnik klasyfikatora. Po ka¿dej próbie sta-

nowisko badawcze by³o wy³¹czane i czyszczone. Zmielony materia³ z komory m³yna oraz ze

zbiornika pod cyklonem (produkt I) i z filtra tkaninowego (produkt II) wa¿ono na elek-

tronicznej wadze laboratoryjnej AD 2000 firmy Axis z dok³adnoœci¹ do 0,01 g (czêœæ I

artyku³u), a nastêpnie w ca³oœci poddawano analizie granulometrycznej na przesiewaczu

sitowym AS 200 Control firmy Retach (czêœæ II artyku³u). Pomiary sk³adu ziarnowego

przeprowadzono w oparciu o normê PN-71/C-04501, okreœlaj¹c¹ warunki i sposób wy-

konania analizy sitowej substancji ziarnistej na sucho. Wyznaczone rozk³ady ziarnowe

poszczególnych produktów umo¿liwi³y ocenê skutecznoœci przeprowadzonych prób mie-

lenia.

p n

4. Wyniki badañ

Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono wyniki pomiaru masy produktu mielenia, pocho-

dz¹cego z cyklonu (produkt I) i z filtra (produkt II), otrzymanego po czasie

(800–1250)

i 4500 g, przy nadciœnieniu powietrza roboczego wynosz¹cym

p ot

nadciœnienia powietrza roboczego

=30min

i 60 min rozdrabniania próbek nadawy kamienia wapiennego w m³ynie strumieniowo-flui-

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: