Управление процессом измельчения с применением пилотной мельницы

Анализ влияния на эффективность процесса измельчения физико-механических и физико-химических свойств исходного материала, конструктивных и режимных параметров процесса и их изменений 13, 5—8, 22—25), а также анализ способов и средств их контроля показал, что существующие способы организации, управления и оптимизации ТСИ, базируются в основном на использовании результатов исследований менее производительных промышленных барабанных мельниц, используют лабораторные методы определения свойств исходного материала, базируются на дискретных и косвенных методах контроля регулируемых параметров, нс в полной мере учитывают основные закономерности и возмущения процесса измельчения, не используют управление по энерготехнологическим показателям.

Очевидно, что в оптимальной ТСИ большой единичной мощности должен предусматриваться непрерывный учет изменений физико-механических свойств измельчаемого материала и изменяющихся режимных условий работы мельниц. В такой ТСИ функции учета свойств материала и режимных условий измельчения возлагаются на технологический процесс, организованный в параллельно работающей малогабаритной пилотной мельнице (9—111. В отличие от существующих систем автоматического управления [4—8, 25—281, в которых используются приближенные и недостаточно адекватные объекту математические модели, в рассматриваемой в данном разделе ТСИ предусматривается замена их физической моделью, работающей в реальных технологических условиях. Такая модель полностью отражает исследуемый процесс, что позволяет для измельчающих агрегатов большой единичной мощности обеспечить оптимальное управление процессом измельчения по важнейшим энерготехнологическим пока;

Рис. 5.10. Структурные схемы построения ТСИ с пилотной мельницей

Рис. 5.11. Блок-схема системы управления процессом измельчения с применением пилотной мельницы для мельпнцы открытого цикла

зателям и непрерывное поддержание оптимального режима с учетом имеющихся возмущений.

Функции пилотной мельницы. В зависимости от конкретной технологической схемы измельчающих агрегатов ТСИ с пилотной мельницей могут быть выполнены в нескольких вариантах, принципиальные схемы которых для мельниц открытого и замкнутого цикла представлены на рис. 5.10. В идеализированной схеме управления помольным агрегатом открытого цикла (рис. 5.11) измельчаемый материал одновременно поступает в обе мельницы, которые, помимо типовых средств контроля, оснащены устройствами, непрерывно определяющими энерготехнологические показатели — удельные расходы электроэнергии Э_м«Э (см. рис. 5.11) (9—11). Поиск оптимума параметра Э осуществляется на оптимально работающей пилотной мельнице. Эта величина характеризует необходимые энергозатраты при измельчении данного материала до заданной дисперсности готового продукта S и обладает по отношению к основной мельнице опережающей информацией об изменяющихся свойствах обрабатываемого материала. Управление основной мельницей направлено на минимизацию разности (Э_м — — Э) —» 0, принятой за критерий оптимизации системы. При этом обеспечивается максимальная производительность основной мельницы при заданном качестве готового продукта и с минимальными затратами расходуемой энергии.

Исходя из объективной сущности взаимосвязи модели с объектом, пилотная. мельница в составе ТСИ выполняет ряд функций: физической модели процесса, комплексной характеристики его эффективности, источника формирования критерия оптимизации, единичного базового элемента для расчета мельниц и технологического аналога регулятора.

Рассмотрим более подробно функции пилотной мельницы.

1. Физическая модель процесса измельчен и я. Пилотная мельница выполняет указанную функцию благодаря ее идентичности основной мельнице по типу измельчителя, принципу измельчения и схеме включения в процесс, по идентичности свойств поступающего материала и непрерывности его подачи, а также за счет соблюдения ее геометрического, кинематического, динамического, кинетического, гидрои аэродинамического подобий основной мельнице. При этом в идеальном случае может быть достигнуто равенство величин удельных затрат электроэнергии основной Э_м и пилотной Э мельниц и значений дисперспости готового продукта на выходе мельниц: Э_м = Э, S_K = 5, /?_м = R.

Однако в реальных условиях из-за неполного соблюдения некоторых видов подобия будет иметь место различие между этими параметрами. па минимизацию которого (Э_м — Э) —? 0 должны быть направлены управление и оптимизация процесса. На основе соблюдения всех указанных видов подобия составим масштабные уравнения (табл. 5.3). Эффективность использования этих уравнений при выборе оптимальных режимов работы мельниц подтверждается большим числом примеров успешного их применения (3, 29—34). В качестве пилотной мельницы выбрана шаровая трубная двухкамерная мельница размерами 1×4 м, выбор которой обусловлен достаточной ее изученностью.

Методами экспериментально-статистических исследований для данной мельницы разработана математическая модельнроцесса, представляющая собой систему полиномов первого и второго порядка (3, 30]. По математической модели определены оптимальные параметры пилотной мельницы: коэффициенты заполнения камер cpj = 0,28, (р₂ = 0.36; частота вращения п = 0,8 л,_<�р = 35,8 об/мин; разрежение на входе II = 6 Па; производительность Q = 0,8 т/ч при матеТаблица 5.3.

О 0 о з н, а ч с н и я. я_а — линейный масштаб; L. D — длина и диаметр барабана мельницы, м; го — окружит скорость, м/с; g — ускорение, м/с*; г — радиус барабана мельницы. м: п — число оборотов, об/с; G — количество мелющих тел, т; V— объем барабана, м": У — насыпная масса мелющих тел, т/м*; % п_Ьр — процент критической скорости; Е — кинетическая энергия мелющего тела (шара), кг. м; Р,_п —диаметр шара, м: d — размер частиц измельчаемого материала на входе в мельницу, м; v_T — линейная скорость газового потока, м/с; Ре_г, Ро_м — число Пекле для газового и материального (измельчаемые частицы) потоков; Н_вх — разрежение по входной горловине мельницы, мм. вод. ст; ср"

t —степень заполнения первой и второй камер мельницы. I — время пребывания материала, с: Р — количество матер tana в барабане, т; «О» — основная мельница; «П» — пилотная мельница.

риале средней размалываемости (удельный расход электроэнергии 25—30 кВт-ч/т) и помоле до тонкости 10%.

Пилотная мельница благодаря поддержанию между ней и основным высокопроизводительным агрегатом геометрического и гидродинамического подобия является достаточно полной физической моделью процесса и воспроизводит основные его особенности. По сравнению с используемыми в традиционных системах управления математическими моделями, приближенно воспроизводящими основные закономерности процесса, использование пилотной мельницы как физической модели — аналога процесса в основной мельнице — позволит обеспечить более высокую степень соответствия такой модели и объекта. При этом следует отметить, что физическая модель не противопоставляется математической. Напротив, предусматриваемое совместное их использование способствует успешному решению задач оптимизации и управления.

2. Комплексная характеристика эффективности процесса и з м е л ь ч е н и я. При поддержании на пилотной мельнице режима постоянной дисперсности готового продукта измеряемая на ней величина удельного расхода электроэнергии характеризует необходимые затраты энергии на измельчение до заданной дисперсности продукта, определяемые в условиях непрерывно изменяющихся свойств исходной шихты. Этот показатель в полной мере отражает размалываемость материала, так как он, но физической сущности согласуется с показателями, принятыми в большинстве промышленных методик определения размалываемости, а его определение производится в условиях, максимально приближенных к условиям работы промышленных мельниц.

Очевидно, что «идеальной» установкой для определения размалываемости является сама промышленная мельница, величина удельных энергозатрат на которой достоверно характеризует показатель размалываемости материала. Понятно, что достижение такого «идеала» в лабораторных условиях невозможно, так как при этом не учитывается гидродинамика процесса, полностью характеризующая геометрические и режимные параметры промышленной мельницы. Поэтому удельный расход энергии на оптимально работающей пилотной мельнице, является не просто характеристикой размалываемости, а может рассматриваться как комплексная характеристика реальной эффективности процесса измельчения.

Для количественной оценки эффективности процесса измельчения в барабанных мельницах может быть использован коэффициент их эффективности, характеризующий степень приближения процесса к режиму идеального вытеснения.

• 3. Источник формирования критерия управления. Полученное оптимальное значение удельного расхода электроэнергии на единицу дисперсности продукта в рассматриваемой ТСИ служит критерием управления, так как оно отражает важнейшую для энергоемких высокопроизводительных мельниц энергетическую характеристику процессов. Отсюда вытекает принцип управления, заключающийся в определении оптимального значения этого показателя на пилотной мельнице и передаче воздействий на управляющие органы основного агрегата с целью максимальногоприближения текущего значения удельного расхода электроэнергии на основной мельнице к ее оптимальному значению. Система управления, построенная по этому принципу, в целом обеспечивает оптимальное ведение процесса по важнейшему технико-экономическому показателю, направленное на минимизацию удельных энергозатрат с учетом реальных систематических и случайных возмущений процесса.
• 4. Технологический аналог регулятора процесса. Являясь своеобразным индикатором размалываемостп материала, пилот"ая мельница позволяет получить информацию о возникших внешних возмущениях процесса до поступления этих возмущении на вход основного агрегата. Управление основной и пилотной мельницами выполняется на основе систем регулирования по отклонению качества выхода процесса, но по отношению к основной мельнице система регулирования пилотной мельницы является контуром, обеспечивающим регулирование по возмущению. Таким образом, использование пилотной мельницы позволяет создать комбинированную систему управления основным агрегатом, что является эффективным средством повышения качества управления процессом (рис. 5.12).

Исходя из определения функций автоматического регулятора, можно считать, что пилотная мельница в данном случае является технологическим аналогом регулятора процесса. Поэтому пилотную мельницу можно использовать не только для одного агрегата, но и для нескольких параллельно работающих мельниц. При этом пилотная мельница должна быть установлена иа общем тракте подачи в мельницы исходной шихты.

5. Единичный базовый элемент для расчета промышленных мельниц. Определяющий конструктивный размер пилотной мельницы имеет единичное значение: диаметр барабана равен 1,0 м. Поэтому она может рассматриваться как аппарат, являющийся основой для расчета промышленных мель-, ниц. Метод расчета сводится к определению конструктивных и режимных параметров помольного агрегата по разработанным формулам масштабирования, позволяющим осуществить перенос опытных данных с пилотной мельницы на промышленные агрегаты.

Технологическая система измельчения с пилотном мельницей. Рассмотрим опытно-промышленную ТСИ с пил отпой мельницей применительно к основной барабанной цементной мельнице размером 4×13,5 м [9—11, 35—39]. Соотношение производительности основной и пилотной мельниц составляет 100. В этой системе (рис. 5.13) предусмотрена одновременная подача шихты с транспортера 6 в обе. мельницы 1 и 2, причем в пилотную мельницу — че? ез решетку 8, отсеивающую крупные фракции. Избыток материала в бункере 9 поступает в основную мельницу 1. Этим обеспечивается идентичность потока шихты, поступающего в обе мельницы. Цемент из пилотной мельницы через ленточный весоизмеритель 11 струйным насосом 12'

Рис. 5.12. Комбинированные системы регулирования процессом измельчения в барабанных мельницах.

а — типовая; б — с пилотной мельницей *.

Рис. 5.13. Схема технологической системы измельчения с пилотной мельницей

1 — основная мельница 4 х X 13,5 м; 2 — пилотная мельница 1 X 4 м; з, 4, 5 — питатели шихты; с — транспортер; ⁷, 9 — бункеры мельниц; 8 — решетка; ю — питатель пилотной мельницы; 11 — ленточные весы ДН-21; 12 — струйный насос; 13 — циклон; 14 — вентилятор. Сплошная линия — движение измельчаемого материала; пунктир — движение газа возвращается на вход мельницы /; аспирационный воздух через циклон 13 вентилятором 14 направляется в газоход основной мельницы.

Такая схема обеспечивает опережающее получение информации о свойствах материала, так как время его пребывания т" в пилотной мельнице примерно в два раза меньше времени прохождения им основной мельницы. Расчетные значения оптимальных параметров основной мельницы, определенные по масштабным соотношениям, составляют: коэффициенты заполнения камер <�р, = 0,26, фг = 0.316; разрежение на входе Я = 96 Па; производительность Q = 92,9 т/ч при тонкости помола Яоов = 13% (Я₀ов — остаток на сите с размером ячеек 80 мкм); удельный расход электроэнергии Э₀ = 31 — 32 кВт-ч/т.

Для непрерывного контроля критерия оптимизации использованы устройства измерения удельного расхода электроэнергии мельниц типа УРЭМ (40).

Для проверки соответствия процессов пилотной и основной мельниц проведена количественная оценка основных видов подобия (табл. 5.4) (9, 10]. Как видно из табл. 5.4, в конкретных условиях данной ТСИ соотношение геометрических размеров LID у пилотной мельницы больше, чем у основной. Этот факт выданном случае играет положительную роль, так как позволяет размалывать в пилотной мельнице материал, близкий по крупности материалу, поступающему в основную мельницу. Так, при оптимальной скорости вращения пилотной мельницы и_кр = 0,8 п_нр и среднем размере гранул шихты, поступающей в основную мельницу d₀ — 3,5 ч- 5 мм, в пилотной мельнице можно измельчать материал крупностью d_n = 2 ч- 2,8 мм вместо 1,4 — 2 мм при геометрическом подобии мельпиц.

Для оценки реальной степени аэрои гидродинамического подобия мельниц с использованием метода радиоактивных индикаторов проведены исследования структуры газового и материального потоков (40, 41] в основной и пилотной мельницах, параметры которых приведены в табл. 5.4. Незначительное расхождение этих показателей свидетельствует о достаточной идентичности гидродинамической обстановки в основной и пилотной мельпицах.

Количественная оценка всех видов подобия показала достаточную степень соответствия процессов измельчения в мельницах рассматриваемой ТСИ. При этом возможно достижение равенства удельных расходов электроэнергии Э₀ = Э" = 32 ч- 35 кВт-ч/т при тонкости помола на основной мельнице Я₀ — 13%, на пилотной Я_п = = 9,5% или одинаковой тонкости Я₀ = Я_и = 13% при разности Э₀ — Э_п = 4,5 кВт*ч/т.

Для проверки реальной эффективности опытно-промышленной ТСИ были проведены экспериментальные исследования режимов совместной работы мельниц системы (9—11]. Исследования проводились при помоле портландцемента на клинкерах различных гранулометрических составов и размалываемости. Средний размер гранул клинкера изменялся от 3,5 до 12 мм, размалываемость клинкера (по лабораторной методике Гипроцемента) в четырех режимах имела значения 39,3; 25,2; 21,5 и 16,8 кВт*ч/т. Пилотная мельница при этом работала как в режиме постоянной производительности Q_n = 1 т/ч, так и в режиме постоянной дисперсности Я_и = 10%. В первом случае при изменении свойств материала Э" изменяется в меньшей мере, что затрудняет управление по разности энергозатрат и требует коррекции по величине потребляемой мощности и анализу тонкости помола.

При ведении режима постоянной тонкости помола удельные затраты на пилотной мельнице составили соответственно 41,9; 29,9; 26,0 и 21,4 кВт*ч/т. Разность этих величин на основной и пилотной мельницах при помоле клинкера средней размалываемости 25 кВт* •ч/т до тонкости Я₀ = Я_п = 10 ± 1% оказалась равной Э₀ — Э_п = = 9,5 кВт-ч/т; в остальных режимах воздействия на подачу клин408.

Таблица 5.4. Условия подобия основной и пилотной мельниц.

ксра осуществлялись при отклонении текущей разности от этой величины. При этом получены значительные изменения производительности: для основной мельницы с 54 до 86 т/ч, для пилотной с 0,75 до. 1.4 т/ч при незначительных расхождениях тонкости помола от заданного поминала.

Полученные] значения Э₀ и Э" отражают изменения размалываемости материала, а их отличие от показателей лабораторного метода объясняется несоответствием гидродинамики периодических лабораторных установок промышленным условиям измельчения. На изменение свойств шихты своевременно реагирует величина потребляемой мощности пилотной мельницы' iV"; ее резкие изменения являются опережающим сигналом о нарушении стабильности процесса измельчения и необходимости осуществления управляющих воздействий. Эффективность функционирования ТСИ можно оценивать по диаграммам энергетических параметров при резком изменении свойств шихты (рис. 5.14): пилотная мельница оперативно реагирует на эти изменения и обеспечивает с опережением введение основной мельницы в новый устойчивый режим.

В условиях стационарного режима колебания свойств клинкера невелики и вызываемые ими изменения величины Э не превышают 2 кВт*ч/т. Необходимость существенных оперативных воздействий возникает не чаще 5—8 раз в смену, что позволяет использовать периодическое включение пилотной мельницы, например, в моменты перехода на клинкер другой печи.

Оптимально настроенная ТСИ с пилотной мельницей в результате непрерывного контроля эффективности процесса отражает изменения физико-механических свойств шихты и режимных условий измельчения за счет опережающего вмешательства в процесс, обеспечивает поддержание энергоэкономичного режима, снижение колебаний топкости помола в 2,5 раза и, в конечном счете, повышение активности цемента.