Технология акустико-вихревого измельчения материалов и устойство для его осуществления Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 3

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98

Академик В.А. Чантурия, В.И. Размаитов, инж.,

И.И. Помельников, к.т.н., И.В. Милетенко, д.т.н.,

Институт проблем комплексного освоения недр РАН

ТЕХНОЛОГИЯ АКУСТИКО-ВИХРЕВОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И УСТОИСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Динамика использования природных ресурсов имеет тенденцию на все более глубокую переработку минерального сырья с целью его безотходного использования. Помимо этого большое внимание уделяется утилизации отходов, образовавшихся в результате освоения природных ресурсов, С учетом повсеместного использования морально и физически устаревшего оборудования задачи переработки сырья и утилизации отходов превращаются в насущную проблему, решение которой наталкивается на отсутствие новых технологий,

Одним из самых распространенных способов переработки сырья является его измельчение, Но именно здесь наиболее заметно отставание существующих технологий от предъявляемых к ним требованиям, поскольку во многом современные способы измельчения материалов исчерпали свои возможности.

Все существующие измельчители достаточно эффективны на уровне миллиметрового измельчения, но решение задач глубокой переработки сырья, а также получение качественно новых материалов требует применения новых измельчителей, Некоторые типы современных измельчителей могут опускать границу измельчения до сотни микрон и ниже, но достигается это с большими затратами. Новейшие технологии должны быть экономически выгодными, способными измельчать на микронном и субмикронном уровне материалы любой твердости и в любом агрегатном состоянии.

Такой способ изобретен и за-

патентован в России*. Изготовлены и проходят испытание на различных российских предприятиях промышленные образцы измельчительной установки

“ТОРНАДО”**, получившей свое название в связи с тем, что разрушение материалов осуществляется посредством воздействия мощных акустических полей на вихрь, в котором на огромных скоростях перемещаются частицы материала, вместо традиционного физико-механического истирания частиц, осуществляемого в шаровых, вибрационных, аэродинамических мельницах, дезинтеграторах. В установке “ТОР-НАДО” частицы измельчаемого материала многократно в течение короткого периода времени оказываются поочередно в зонах повышенного и низкого давления, разваливаясь по связям.

Во многих странах предпринимались попытки создания акустических диспергаторов. Однако те или иные недостатки в конструкциях препятствовали решению задачи. Напротив, удачная конструкция установки “ТОРНАДО” позволила соединить целый ряд отдельно известных эффектов, что дало возможность вести процесс очень мощного измельчения непрерывно, используя энергию воздуха для автоматической загрузки материалов любой твердости, в различной очередности и агрегатном состоянии (сыпучие, пасты, жидкости, газы), для разрушения, перемешивания и последующего транспортирования материала. Спектр применения измельчителя “ТОРНАДО” из-за его универсальности необычайно широк.

Одна и та же установка может

разделять нефть и перемалывать в пудру руду, перетирать краски и получать масло из семян, молоть муку из пшеницы и превращать в пыль корунд. Кроме того, возможно применение измельчителя для переработки и “дообогащения” хвостов, отходов плавильных заводов, в теплоэнергетике, в производстве огнеупоров, бумаги, в пищевой, лакокрасочной промышленности и др.

На рис. 1 приведена принципиальная схема акустико-вихревого измельчения материалов на установке “ТОРНАДО”. Под давлением 6-8 атмосфер в установку поступает воздух (пар или газы), являющийся энергоносителем. После первичной подготовки исходный материал (сыпучие, текучие (пасты), жидкие продукты) через дозатор также поступает в установку, где и измельчается.

Для изучения характеристик измельчения различных материалов (корунд, мел, уголь, древесные опилки, железные руды, отходы медеплавильных заводов, стекло, кварцевый песок, пшеница, мазут, лекарственные травы и др.) на установке “ТОРНАДО” был проведен ряд испытаний. Установлено, что независимо от исходного материала, его твердости и агрегатного состояния мощная струя воздуха выносит в осадные циклоны разрушенный в пыль материал, который, имея рваную поверхность частиц, приобретает необыкновенную активность и имеет качественно новые, отличные от исходного сырья физико-механические свойства. Особенно интересными оказались опыты по смешиванию в “ТОРНАДО”

Способ вихревого измельчения материала и газодинамическое устройство для его осуществления (Евразийский патент № 0004 от 05 августа 1997 года).

Устройство для вихревого измельчения материалов (Евразийский патент № 0001 от 15 января 1997 года).

топочных мазутов с водой, что позволяет экономить 15-20 % мазу-табез потери котлами мощности (установка может быть использована и в качестве форсунки для топки). Измельчение углей в “ТОР-НАДО” позволит ТЭЦ экономить до 15% угля и использовать более дешевые угли, поскольку их частицы успевают сгорать в топках практически на 100%.

Обработка интегральных кинетических кривых седиментации угольного порошка, осуществленная на ЭВМ с программным обеспечением “Sigma” (расчеты выполнены по методу Монте-Карло), показала, что средний радиус частиц составил 16 мкм (рис.2), для образцов мела - 13 мкм, для железосодержащих руд - 20 мкм, для смеси электрокорунда и кварцевого песка - 12 мкм с преобладанием фракции 4-20 мкм.

Применительно к флотационным процессам, где шламы в одних случаях не флотируются, в других переходят в пенный продукт без селекции, низки производительность и качество концен-

тратов, велики потери в хвостах. Одной из причин плохой флоти-руемости тонких классов - шла-мов - является низкая вероятность встречи шламовых частиц и пузырьков воздуха и прорыва сольватных оболочек в результате малых сил инерции частиц и малой скорости подъема пузырьков.

Для улучшения флотации шла-мов необходимыми условиями являются образование большого количества тонкодисперсных пзырь-ков и наличие зоны активного перемешивания*. Установка “ТОРНА-ДО” позволяет перемешивать материалы одновременно с их измельчением.

Анализ проведенных исследований позволяет установить следующие преимущества измельчителя “ТОРНАДО”:

♦ сверхактивность измельченных частиц (осуществление разрыва по связям);

♦ долговечность (отсутствие механического истирания и трущихся частей);

♦ возможность использовать в качестве энергоносителя пар, инертные и другие газы, воздух;

♦ автоматическая (непрерывная, поточная) загрузка (использован эффект “подсоса” воздуха вихревой воронкой);

♦ загрузка материалов в любом агрегатном состоянии;

♦ достаточно вы-

сокая крупность иходного материала (до 15-20 мм, по сравнению с 0,5 мм для вихревых

струйных установок типа “Альпина”, Германия);

♦ возможность классифицировать материал после помола по удельному весу с точностью 0,1 в едином технологическом процессе в результате применения оригинального классификатора;

♦ возможность транспортировать измельченный материал посредством энергии сжатого воздуха;

♦ возможность перемешивать материалы с жидкостями и газами одновременно с измельчением частиц, что особенно важно при флотационных процессах;

♦ возможность загружать материалы, нагретые до любых температур;

♦ развиваемая удельная (на 1 м3

объема) мощность установки составляет 75000 кВт.м3 при 14 % акустического разрушения материала (для сравнения современные шаровые измельчители развивают удельную мощность 50 кВт.м3, вибрационные - 1000

кВт.м3, вихревые струйные -15000 кВт.м3)**;

♦ производительность измельчителя зависит только от мощности компрессорной установки, при этом расход воздуха на 1 т перерабатываемого сырья составляет

* Краснов Г.Д. Эффективность пневмопульсационной флотации // Актуальные вопросы разработки и обогащения руд. - М.: ИПКОН АН СССР, 1990, С. 116-125.

**Авторами в настоящее время разрабатывается конструкция, в которой удельная мощность установки будет повышена до 250000300000 кВт/м3, что позволит поднять степень акустического разрушения до 60-70 %.

1200-1500 м3.час (к примеру, у “Альпины” 12000 м3.час);

♦ низкие энергетические затраты - 150-200 кВт.час на 1 т;

♦ измельченного продукта фракции менее 10 мкм (те же показатели для шаровых измельчителей - 900-1000 кВт.час/т, инерционных и вихревых - 500700 кВт.час);

♦ выход фракции менее 10 мкм

- 70-80% (у шаровых мельниц 5%, у вибрационных - 10%, у дезинтергаторов - 15-20%, у

вихревых струйных - 25%);

♦ удельная нагрузка на 1 кг измельченного сырья - 0,3-1,5м3 (у вихревых струйных - 3-10 м3.кг);

♦ небольшой вес - 100 кг при производительности установки 1,5 т.час.

Способ сверхтонкого измельчения материалов на базе установки “ТОРНАДО” нашел

держку и представил научнопрактический интерес для специалистов Управления по надзору за охраной недр и геолого-маркшей-дерскому контролю и отдела по контролю за переработкой минерального сырья Госгортехнадзора РФ, Управления по котлонадзору и надзору за подъемными сооружениями, Государственного института стекла (ГИС), Института строительной керамики, Всероссийского научно-исследовательского института по переработке нефти (ВНИИ НП), Государственного

приятия “Научно-организационный центр “МЕХАНОБР”, АООТ “Научновенное объединение по

следованию и

нию энергетического обо-дования им. И.И.

ва”, Всероссийского

тута минерального сырья (ВИМС), Министерства родных ресурсов РФ,

ковского государственного горного университета (МГГУ), Амурского научного центра ДВО РАН и др.

Указанными организациями даны рекомендации на проведение опытно-промышленных испытаний установки “ТОРНАДО” с целью разработки передовых технологий для различных отраслей промышленности.

Областями возможного применения измельчителя “ТОРНАДО” являются:

♦ горная и перерабатывающая промышленность (переработка и обогащение хвостов; золотодобыча - возможность серьезной конкуренции флотационным способам извлечения рудного золота, особенно в небольших артелях; извлечение ценных материалов из отходов стале- и медеплавильных комбинатов,

что поможет решить экологические проблемы; порошковая металлургия);

♦ теплоэнергетика (измельчение угля, успевающего сгорать в топках практически на 100%; возможность использования более дешевых углей; возможность смешивания топочных мазутов с водой без потери мощности котла; возможность смешивания дизельного топлива с 20-25% воды);

♦ керамика (существует потребность в получении тонкодисперсных порошков для современных керамических материалов, используемых в металлургии, авиастроении, космонавтике, электронике и т.д.; изготовление фарфоров, фаянсов);

♦ стекольное производство;

♦ фармакология;

♦ косметика;

♦ пищевая промышленность (получение сахарной пудры, рисовой, гречневой, овсяной муки, кондитерское производство и пр.);

♦ стройматериалы (получение стройматериалов с новыми свойствами; резкий рост потребности в тонкодисперсном меле - как наполнителе пластмасс, бумаги, лакокрасочных изделий, в шинном и кабельном производствах);

♦ нефтегазодобыча и переработка.

Простая в эксплуатации, универсальная, экономичная, долговечная, легкая, технологичная в изготовлении установка органично вписывается в технологическую цепочку практически любого производства, являясь перспективной технологией XXI века.

© В.А. Чантурия, В.И. Размаитов, И.И. Помельников, И.В. Милетенко