Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

К концу прошлого века мировой энергетический кризис начал приобретать угрожающий характер, так как было израсходовано [1]:

• 87% мировых запасов нефти;

• 73% мировых запасов природного газа;

• 2% мировых запасов угля.

Несмотря на значительный прогресс в области разработки технологий использования альтернативных источников энергии (солнечная энергия, энергия ветра, морских приливов и пр.), на ближайшие 30 – 40 лет основным энергетическим ресурсом остается уголь.

Основой эффективной замены дорогостоящих экологически чистых природных энергоносителей (природного газа и нефти) в ближайшее время может стать сравнительно новый вид жидкого топлива – водо–угольное топливо (ВУТ). ВУТ – это смесь воды с частицами угля и специальными добавками. К настоящему времени определился основной состав ВУТ [2] (масс. %): уголь – 70…75, вода 24…29, присадки – до 1.

Приготовление ВУТ из шламов или рядового угля сопряжено с приданием водоугольной суспензии приемлемой вязкости и статической стабильности. Классическая схема приготовления ВУТ, разработанная ещё в СССР в середине 60–х годов, предусматривает помол угля и одновременное смешивание его с водой в шаровых или стержневых мельницах. Для повышения стабильности в водо–угольное топливо добавлялись различные реагенты, которые одновременно снижали вязкость. В совокупности удавалось достичь содержания твёрдого в ВУТ до 60…65%.

В случае перехода на сжигание ВУТ вместо угля решается ряд существенных проблем [3]:

• расширяется диапазон регулирования производительности угольных котлоагрегатов;

• улучшаются экологические показатели при сжигании углей;

• золошлакоудаление переводится на пневмотранспорт;

• снижается окисление (потеря калорийности) топлива во время хранения;

• отсутствуют взрыво– и пожароопасность угольной топливоподачи;

• обеспечивается возможность сжигания на одном объекте различных видов углей.

Интересным представляется и такой факт: в США использование ВУТ выбрано в качестве части национальной энергетической политики, а в Японии и Китае выработка тепла и электричества на ВУТ исчисляется миллионами кВт*ч [4].

1. Состояние вопроса

ВУТ может быть приготовлено из углей практически любых марок: от длинно–пламенных и газовых до слабоспекающихся и даже антрацитов. Считается, что для приготовления ВУТ может быть использована речная вода, канализационные стоки, вода угольно–шахтных предприятий и промышленные отходы [5].

Классическая схема приготовления ВУТ не изменилась с момента появления технологи и состоит из трёх этапов (рис. 1): дробление (обычно до фракции 10…13 мм), мокрый помол (обычно до фракции <100…150 мкм), классификация и гомогенизация [6].

Схема приготовления ВУТ

Рисунок 1 – Схема приготовления ВУТ

Измельчение осуществляется мокрым методом до крупности 100...150 мкм. Этап измельчения является основным при приготовлении ВУТ, поскольку именно он определяет дальнейшие характеристики ВУТ (грансостав, вязкость, стабильность и т.д.) [2, 3]. Кроме того, данный этап является и самым энергозатратным.

Основными технологическими машинами в традиционных технологиях подготовки ВУТ являются шаровые или стержневые мельницы, вибромельницы, планетарные, гидроударные и кавитационные мельницы, осуществляющие измельчение сухим или мокрым способом. Мокрый метод измельчения является более экономичным т.к. для сухого измельчения необходимо предварительно высушить уголь.

Анализ исследований по тонкому измельчению позволяет сделать вывод, что наиболее эффективным средством для получения продукта с гранулометрическим составом –50 мкм при исходном питании крупностью 2…10 мм и относительно небольшой производительности (до 10 т/ч) является вибрационная мельница [7].

Применение вибрационных мельниц по сравнению с другими типами мельниц позволяет уменьшить расход электроэнергии, повысить производительность, уменьшить износ помольных тел и помольной трубы, использовать помольные тела из различных материалов, достичь высокой тонины помола, получить более чистый конечный продукт, осуществлять процесс измельчения в вакууме, инертной среде, при разных температурах [8]. Наиболее распространены инерционные однотрубные, двухтрубные и многотрубные горизонтальные вибромельницы с гармоническими однородными колебаниями по траекториям, близким к кругу или эллипсу. Однако круговая циркуляция помольных тел, возникающая за счет однородного поля траекторий движения корпуса помольной трубы, не создает достаточно интенсивного перемешивания помольных тел и измельчаемого материала. Вследствие этого образуются застойные зоны (рис. 2), происходит сегрегация помольных тел и измельчаемого материала, что является существенным недостатком вибрационных мельниц указанного типа [9].

Схема движения измельчаемого материала в барабанной вибрационной мельнице [9]

Рисунок 2 – Схема движения измельчаемого материала в барабанной вибрационной мельнице [9]

Водо–угольная суспензия, полученная на выходе из мельницы, подлежит контрольной классификации (для выделения частиц угля с размером больше оптимального) и гомогенизации, придающих водо–угольной суспензии необходимые реологические свойства [10]. Более крупные частицы направляются на рециркуляцию для повторного помола.

Промышленное использование вибромельниц для приготовления ВУТ позволило установить, что общее удельное энергопотребление доходит до 103 кВт*ч/т [11], а на процесс виброизмельчения расходуется до 55 кВт*ч/т. Причем, при оптимизации режимов работы оборудования линии по приготовлению ВУТ удельную энергоёмкость можно снизить до 85…90 кВт*ч/т, но и эти величины по–прежнему высоки.

Таким образом, снижение энергозатрат при подготовке ВУТ является актуальной задачей.

2. Цель и задачи исследования

Цель данной работы – разработка технических и технологических решений, снижающих энергозатраты при подготовке ВУТ.

Основные задачи исследования:

– изучить и проанализировать существующие подходы к энергосбережению процесса измельчения полезных ископаемых;

– рассмотреть и изучить вибрационную мельницу нового типа;

– исследовать преимущества измельчения в бигармоническом поле колебаний по сравнению с гармоническим.

Объект исследования: процесс тонкого измельчения углей и других полезных ископаемых.

Предмет исследования: динамика и технология вибрационного измельчения с использованием бигармонического режима колебаний.

3. Основные направления интенсификации процесса тонкого измельчения полезных ископаемых

Интенсификация процесса тонкого измельчения может осуществляться по ряду направлений, например, путем использования в конструкциях вибромельниц горизонтального типа двумерных и трехмерных сложных колебаний, возбуждающих переменную скорость движения мелющих тел [12] или использования мельниц с нетрадиционной формой рабочей камеры. Эти инновации позволяют «турбулизировать» движение загрузки, вовлечь в процесс т.н. малоподвижное ядро и, в конечном счете, значительно снизить энергозатраты процесса измельчения [13]. Так, в ФРГ разработана конструкция вибрационной горизонтальной мельницы с неоднородным полем колебаний рабочего органа за счет возбуждения гармонических колебаний внецентренно установленным дебалансным вибровозбудителем [14]. Благодаря существенным технологическим преимуществам, по сравнению с центрированными системами [15], эта вибромельница получила широкое распространение при измельчении разнообразных материалов и послужила аналогом для производства идентичных машин во многих странах мира.

В последние годы экспериментальными исследованиями установлено и промышленной практикой подтверждено, что полигармонический состав рабочего воздействия на обрабатываемый технологический продукт существенно более эффективен, чем простой гармонический [16]. Чем богаче спектральный состав используемых вибрационных воздействий, тем выше достоверность формирования в структурах обрабатываемой среды высокоэффективных резонансных и близких к резонансным режимам перемещений и деформаций, и тем шире обхват активного объема [17].

Однако в результате сложности формирований поличастотних режимов колебаний на данном этапе развития вибрационной техники в качестве достаточно простого, но эффективного решения, могут быть успешно использованы бигармонические режимы работы.

Таким образом, исследования, способствующие разработке новых конструкций вибромельниц, интенсифицирующих тонкое измельчение разнообразных материалов, носят актуальный характер.

4. Совершенствование технологии и техники для приготовления ВУТ с целью снижения удельной энергоемкости процесса

Установка по производству ВУТ (рис. 3) представляет собой классификационно–измельчительный комплекс, в который входят: бункер исходного продукта 1, дробилка 4 и вибромельница 9 с системами подачи и дозирования угля 2, виброгрохоты 3, 7 и гидроциклон 10 для основной и контрольной классификации, емкости 5 и насосы 6.

Для получения угольной фракции менее 10…13 мм осуществляется дробление исходного угля в молотковой дробилке. Если в качестве сырья используется угольный шлам или уголь сортов «штыб» или «семечко», то данная стадия исключается из общей линии приготовления ВУТ.

Рисунок 3 – Схема цепи аппаратов установки по приготовлению ВУТ:

1 – бункер исходного угля; 2 – питатель; 3 – грохот (d=12…13 мм);

4 – молотковая дробилка; 5 – емкость; 6 – насос; 7 – струйное брызгало;

8 – грохот (d=100…150 мкм); 9 – вибромельница; 10 – батарейный гидроциклон

(анимация: 24 кадра, циклы повторения ∞, 298 килобайт)

В качестве перспективного измельчительного оборудования в технологической схеме подготовки ВУТ предлагается применение принципиально новой конструкции бигармонической вибромельницы с неоднородным полем колебаний [18–20] (рис. 4).

3D-модель экспериментального образца бигармонической вибромельницы нового типа

Рисунок 4 – 3D–модель экспериментального образца бигармонической вибромельницы нового типа

Рассматриваемая вибрационная мельница нового типа (рис. 5) состоит из рабочего органа, включающего помольную трубу 1 и помольные тела 2, рабочий орган соединен при помощи опорных упругих элементов 3 с неподвижным основанием 4. Мельница снабжена двумя дебалансными виброприводами 5, каждый из которых включает приводной вал 6 с индивидуальным приводом вращения 7, выполненным с возможностью независимого изменения угловой скорости и направления вращения приводного вала и дебалансов 8.

Рисунок 5 –Конструкция бигармонической вибромельницы

Моделированием динамических процессов вибромельницы бигармонического типа установлено [21], что изменяя частоты вращения, модули возбуждающих сил, а также изменяя направление вращения одного из электродвигателей привода вибровозбудителей можно управлять в широком диапазоне силовым воздействием на помольные тела и измельчаемый материал. Этим расширяются возможности вибромельницы по созданию рациональных условий процесса измельчения конкретного измельчаемого материала, что в итоге способствует снижению энергоемкости процесса переработки на 20…30%.

Выводы, направления дальнейших исследований

В настоящее время все большее развитие получают новые технологии создания и применения ВУТ. Неотъемлемой частью технологической схемы подготовки ВУТ является операция измельчения угля. Многочисленные исследования по тонкому измельчению доказали, что наиболее эффективным средством для получения продукта, отвечающего современным требованиям, предъявляемым к ВУТ, является вибрационная мельница. Анализ работы серийно выпускаемых вибромельниц с однородным полем колебаний показал повышенную энергоемкость процесса измельчения угля при подготовке ВУТ. Установлено, что интенсификация процесса тонкого виброизмельчения может идти по ряду направлений, одним из которых является реализация в конструкциях вибромельницы сложных колебаний, возбуждающих переменную скорость движения мелющих тел. Разработана конструкция мельницы с неоднородным полем бигармонических колебаний, режим работы которой предполагает существенно снизить энергозатраты на подготовку ВУТ. Проверить данную гипотезу возможно после изготовления экспериментального образца мельницы и проведения технологических испытаний.

Примечание

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение – декабрь 2015 г. Полный текст и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Перечень ссылок

  1. Овчинников Ю.В. Искусственное композиционное жидкое топливо из угля и эффективность его использования / Ю.В. Овчинников, С.В. Луценко. Новосибирский государственный технический университет //[ Электронный ресурс].
  2. Круть О.А. Водовугільне паливо: Монографія [Текст] / О.А. Круть // – Київ: Наукова думка, 2002. – 169 с.
  3. Морозов А.Г. Гидроударные технологии для получения водоугольного топлива [Текст] / А.Г. Морозов, Н.В. Коренюгина // Новости теплоснабжения, №7, 2010. – С. 18–21.
  4. Жидкий уголь. Водоугольное топливо [ Электронный ресурс].
  5. Углепровод Белово–Новосибирск [ Электронный ресурс].
  6. История ВУТ в России[ Электронный ресурс].
  7. Vibrating mills for brown coal [Text] // “Colliery Guard.”, 1980, 228, №1. – P.32.
  8. Мельницы вибрационные ООО "Вибротехцентр–КТ"[ Электронный ресурс].
  9. Потураев В.Н. Технологические испытания вертикальной вибрационной лабораторной мельницы МВВЛ–3 [Текст] / В.Н. Потураев, В.П. Франчук, А.А. Тарасенко, П.П. Королев // Проблемы вибрационной техники: Мат. науч. семинара ИГТМ АН УССР. – Киев: Наукова думка, 1970. – С. 181–187.
  10. Жидкий уголь. Приготовление [ Электронный ресурс].
  11. Жидкий уголь. Использование вибромельниц для приготовления ВУТ [ Электронный ресурс].
  12. Овчинников П.Ф. Новое оборудование для измельчения [Текст] / П.Ф. Овчинников, Н.Д. Орлова // Материалы конф. «Теория и практика процессов измельчения и разделения». – Одесса. 1994. – С. 36–40.
  13. Арсентьев В.А. Методы динамики частиц и дискретных элементов как инструмент исследования и оптимизации процессов переработки природных и техногенных материалов [Текст] / В.А. Арсеньев, И.И. Блехман, Л.И. Блехман, Л.А. Вайсберг, К.С. Иванов, А.М. Кривцов // Обогащение руд. 2010. №1. – С. 30–35.
  14. Патент ФРГ на изобретение № 3224117 [Текст]. В02С 19/16. Заявл. 29.06.1982.
  15. Gock E. Eccentric vibratory mills – theory and practice [Text] / E. Gock, K.–E. Kurrer // Powder Technology. 105. – 1999. S. 302–310.[ Электронный ресурс].
  16. Букин С.Л. Интенсификация технологических процессов вибромашин путем реализации бигармонических режимов работы [Текст] / С.Л. Букин, С.Г. Маслов, А.П. Лютый, Г.Л. Резниченко // Збагачення корисних копалин: Наук.–техн. зб. – 2009. – Вип. 36 (77) – 37 (78). – С. 81–89.
  17. Гончаревич И.Ф. О повышении производительности и рентабельности промышленных нанотехнологий. М.: РИА. Секция «Горное дело». – 2010. [ Электронный ресурс].
  18. Патент України на винахід. №100756. Вібраційний млин [Текст] / С.Л. Букін, А.С. Букіна // Заявка а 2011 01521, В02С 19/16. Бюл. №15, 2012 р.
  19. Патент Российской Федерации на изобретение №2501608. Вибрационная мельница [Текст] / С.Л. Букин, А.С. Букина // Заявка 2012104105/13, В02С 19/00. Бюл. №35, 2013 г.
  20. Букін С.Л. Нова конструкція бігармонійного вібромлина для тонкого подрібнення різноманітних матеріалів [Текст] / С.Л. Букін, А.С. Букіна // Збагачення корисних копалин: Наук.–техн. зб. – 2012. – Вип. 50 (91). – С. 60–65.
  21. Букин С.Л. Динамические возможности инерционной бигармонической вибромельницы нового типа [Текст] / С.Л. Букин, А.С. Букина // «Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжн. зб. наукових праць». – Донецьк: ДонНТУ, 2013. Вип. 1– 2 (44–45). – С.61–71.