СПОСОБ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2006 года по МПК B02C19/18 B02C23/08 

Изобретение относится к технологии измельчения пористых материалов и может быть использовано в рудо- и углеобогатительной и химической промышленности, а также в индустрии строительных материалов.

Известен способ разрушения пористых и трещиноватых материалов, преимущественно углей, путем создания повышенного давления пара в камере с материалом при этом давлении и последующего резкого сброса пара (Тимрот Д. Дробление угля паром. "Известия ВТИ", 1934, № 6, с.1-8).

Недостатком известного способа является невысокая эффективность разрушения, неоднородность измельченного угля и цикличность процесса измельчения.

Известен способ измельчения материалов, заключающийся в том, что материал, способный поглощать жидкость вследствие наличия в нем пор и трещин, насыщают жидкостью, например водой, помещают в замкнутую камеру, в которую подают насыщенный пар с давлением до 14 атм. В камере определенное время поддерживают заданное давление до достижения равновесного состояния между паром и материалом, то есть до полного насыщения пор, трещин и других дефектов структуры материала водой, после чего давление в камере резко сбрасывают до атмосферного. Во время сброса давления происходит взрывообразное испарение воды. Измельченный материал, извлекаемый из камеры, направляется затем на сепарацию (патент США № 2078933, кл. 241-1, 1937, опубл. 1932).

Недостатком известного способа являются большие энергозатраты, связанные как с использованием насыщенного водяного пара, так и отсутствием утилизации теплоты, содержащейся в извлекаемом материале, большом расходе жидкости и потери потенциальной механической энергии, содержащейся в насыщенном паре при давлении до 14 атм. Недостатком является также цикличность процесса измельчения, что снижает его производительность.

Известен способ измельчения пористых материалов, заключающийся в насыщении материала водой в количестве, соответствующем его влагоемкости, при нагревании до 360°С и давлении до 25 МПа, последующего сброса давления до атмосферного, в результате чего происходит измельчение твердых частиц, которое усиливается за счет соударения частиц материала друг с другом и соударением с поверхностью пластины, установленной в расширительном аппарате, типа струйной мельницы. После сброса давления водяные пары конденсируют и направляют в начало процесса (авторское свидетельство СССР № 1031508, кл. В 02 С 19/00; 19/06, 1982 г.).

Недостатком известного способа является невозможность регулирования процесса измельчения материала, поскольку все осколки частиц, раздробленных внутренним взрывом, вызванным переходом воды из жидкого в парообразное состояние, при последующих соударениях подвергаются дальнейшему измельчению в равной степени. Например, при измельчении частиц угля будет измельчаться и его минеральная часть, что нежелательно, в частности, в процессах обогащения угля, его сжигания и т.п. Кроме того, данный способ требует больших энергозатрат, поскольку нагреву подвергается не только насыщенный водой материал, но и дополнительная часть воды, которая является несущей средой по отношению к частицам твердого материала.

Известен также способ измельчения твердых материалов, заключающийся в том, что материал предварительно классифицируют по крупности, затем обрабатывают (насыщают) веществом, легко переходящим в другое термодинамическое состояние с расширением (например, насыщают водой или газом). После этого формируют тонкую плоскую струю материала для исключения теневого взаимодействия частиц в рабочем поле и подвергают ударному термическому воздействию, например, струей высокотемпературного газа, подаваемого под углом к струе материала. При этом вещество, насыщающее поровый объем каждой частицы материала, резко расширяется, что способствует разрыву частиц по ослабленным зонам. Кроме того, ударное термическое воздействие вызывает накопление термических напряжений в теле частиц. Затем материал подвергается ударным деформациям, которые возникают за счет взаимодействия струи с твердой преградой, а потом - резкому охлаждению, что приводит к полному разрушению частиц исходного материала (авторское свидетельство СССР № 1669548, кл. В 02 С 19/00, 1989 г.).

Недостатками указанного способа является его низкая эффективность, определяемая тем, что процесс насыщения материала водой или газом и последующее ударное термическое воздействие происходит при постоянном давлении (сброс давления осуществляется после этих операций), вследствие чего эффективность разрушения материала низка. Кроме того, ударному термическому воздействию могут подвергаться только тонкие плоские струи материала, толщина которых соизмерима с размером частиц материала, что также снижает эффективность указанного способа. Результатом термического воздействия, кроме ожидаемого разрушения частиц, является также и физико-химическое взаимодействие веществ, входящих в состав частиц, с высокотемпературной струей газа, что является нежелательным. Например, в случае измельчения угля, руд металлов часть их прореагирует с газом, что приведет к потерям измельчаемого материала.

Известен способ обработки пористых влажных материалов путем нагрева, заключающийся в том, что нагрев материала производят путем пропускания его через факел высокоэнергетического источника, например плазмотрона (авторское свидетельство СССР № 1763016, кл. В 02 С 19/18, 1990 г.).

Недостатком данного способа является его низкая эффективность и ограниченность применения. Низкая эффективность связана с тем, что поскольку нагрев частиц производится снаружи, крупные частицы материала, которые прогреваются медленно, будут или совсем не разрушаться или разрушаться не под действием внутрипорового парообразования, в а результате термического удара, при котором частица распадается на сравнительно небольшое число частиц. Ограниченность применения связана с тем, что наличие высокой температуры в факеле высокоэнергетического источника является неблагоприятным фактором, так как практически все вещества составляющие частицы при высоких температурах вступают в химические реакции с высокотемпературной струей и могут претерпевать различные физические превращения, например оплавляться и т.п.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ измельчения ископаемого угольного топлива, заключающийся в силовом воздействии на измельчаемый материал в виде кусков типа "орех" (25-50 мм) - "семечко" (6-13 мм) сверхвысокочастотного (СВЧ) - электромагнитного поля, удельную поглощаемую мощность Р которого выбирают из условия Р=С_р(Т₂-T₁)/t, где С_р - удельная теплоемкость угля; T₁, T₂ - начальная и конечная температура угля, a t - время нагрева угля от температуры T₁ до температуры Т₂≥125°С составляет t,5 с (RU 226208).

Недостатком известного способа является его низкая эффективность, поскольку сформулированное условие, определяющее удельную поглощаемую мощность СВЧ - электромагнитным полем, не учитывает затраты энергии, расходуемые на парообразование воды, содержащейся в исходных частицах угля, а само влагосодержание угля специально не контролируется.

При теплоемкости угля С_р=1,26 кДж/(кг°К) и максимальной разности температур (Т₂-T₁)=125°К энергия, идущая на нагрев частицы угля, составляет С_р(Т₂-T₁)=157,5 кДЖ/кг. При влажности угля, равной W=0,1 (10%) и теплоте парообразования, q_и=2256 кДж/кг, энергия, идущая на парообразование, составит Q_и=W q_и=225,6 кДж/кг. Отсюда следует, что основная часть поглощаемой энергии расходуется не на нагрев частицы, а на парообразование воды, находящейся в поровом пространстве, что не отражено в условии, определяющем удельную поглощающую мощность, создаваемую электромагнитным СВЧ-генератором.

По этой причине процесс измельчения будет носить случайный характер, а именно при выбранной указанным образом удельной поглощаемой мощности частицы угля с повышенным влагосодержанием будут измельчаться незначительно ввиду того, что подводимая мощность не обеспечивает переход всей воды в парообразное состояние, в связи с чем измельчится до нужной крупности лишь часть угля. Если частицы содержат минимальное количество свободной влаги или не содержат ее вовсе, то возможно только малоэффективное термическое растрескивание частиц. Лишь частицы, имеющие некоторое среднее значение влажности, будут измельчаться с наибольшей эффективностью. Но поскольку величина влажности специальным образом не поддерживается на заданном уровне, в целом эффективность процесса измельчения будет мала, значительно отличаться от оптимальной, поскольку в реальных условиях величина влагосодержания, зависящая от многих, трудноконтролируемых факторов (условий хранения, влажности и температурного состояния атмосферы и т.п.), будет иметь случайный характер.

Кроме того, в известном способе измельчения не определена связь между исходным размером измельчаемых частиц и темпом их нагрева (ростом температуры в единицу времени), который также определяется мощностью, поглощаемой частицей, что также снижает эффективность реализации данного способа. Ясно, что если темп нагрева мал, то даже частицы больших размеров, порядка сантиметра и более, будут только нагреваться и подсушиваться электромагнитным полем СВЧ-генератора без измельчения. При увеличении поглощаемой мощности начинают дробиться крупные частицы, поскольку хотя парообразование сравнительно невелико, но так как оно происходит во всем объеме частицы, то при данном размере приповерхностных пор, имеющих определенную пропускную способность по насыщенному пару, внутри пор будет развиваться давление, достаточное для раздробления материала. Однако частицы, имеющие примерно на один и более порядок меньшие размеры, измельчаться по-прежнему не будут, поскольку парообразование в них будет происходить с небольшой интенсивностью, а пропускная способность пор оказывается достаточной, чтобы развиваемое внутри пор давление не превосходило давления, при котором частицы разрушаются. Для того чтобы разрушать частицы меньших размеров, темп нагрева должен быть таким, чтобы парообразование превосходило пропускную способность поровых каналов, в результате чего развиваемое в них давление достигало давления, при котором происходит разрушение частиц. В указанных в прототипе размерах обрабатываемых кусков "орех" - "семечко" при различии линейного размера более чем в 8 раз существенно различно распределение влаги по его объему. Например, частица крупностью 6 мм может быть полностью лишена свободной влаги, а у частицы крупностью 50 мм подсушенным будет лишь поверхностный слой толщиной 3 мм, а возможна и противоположная ситуация, когда мелкая частица полностью насыщена водой, а у крупной частицы вода заполнила только приповерхностный слой. Таким образом, можно констатировать, что при фиксированной мощности СВЧ-генератора эффективному измельчению подвергаются частицы определенной крупности и влажности. При прочих равных условиях частицы меньшей крупности почти не измельчаются, а частицы большей крупности дробятся на более мелкие частицы, но не измельчаются до нужной крупности.

Однако излишний перегрев частиц также неприемлем, поскольку при перегреве частиц выше температуры начала выхода летучих из угля (130°С (бурые угли) - 400°С (антрацит) в зависимости от типа угля (Белосельский Б.С., Барышев В.И. Низкосортные энергетические топлива: Особенности подготовки и сжигания. М., Энергоатомиздат, 1989 г., с.108)) уменьшится количество летучих в измельченном угле, что отрицательно скажется как при его последующем использовании в энергетических целях (понизится теплотворная способность, увеличится температура воспламенения), так и ухудшатся экологические показатели самого технологического процесса измельчения в СВЧ-генераторе, поскольку в газообразных продуктах появятся органические летучие, являющиеся вредными вещества.

Основной вывод, который следует из проведенного анализа, что подводимая к частице поглощаемая мощность электромагнитного поля СВЧ-генератора, должна соответствовать частицам определенного размера с определенной влажностью, что не учитывается в известном способе, вследствие чего его использование для измельчения угольных частиц неконтролируемой крупности и влажности будет малоэффективным.

Целью предлагаемого изобретение является повышение эффективности способа измельчения пористых материалов, преимущественно углей, путем регулирования размера измельчаемых частиц и влажности.

Предлагаемый способ измельчения пористых материалов, преимущественно ископаемого угля, включающий подготовку угля к измельчению до класса, соответствующего максимальной крупности частиц, подвергающихся воздействию сверхвысокочастотным (СВЧ) электромагнитным полем, и определение его удельной поглощаемой мощности, в отличие от прототипа подготовку к измельчению ископаемого угля проводят дроблением до класса крупности "-D", затем классифицируют дробленный уголь по классам крупности "+D", "-D" - "+d" и "-d", материал класса крупностью "-d" направляют в гомогенизатор, материал класса крупностью "+D" направляют на повторное дробление, а материал класса крупностью "-D" - "+d насыщают до заданного уровня влагосодержания и направляют в рабочую камеру СВЧ-генератора, где проводят его измельчение, после чего материал смешивают с классом крупностью "-d" и направляют на обогатительную установку, откуда органическую часть ископаемого угля направляют в резервуар готового продукта, а минеральную часть - в хвостохранилище, при этом удельную поглощаемую мощность СВЧ - электромагнитным полем (Р, кВт/кг) выбирают из условия: Р=(С_р(Т₂-T₁)+Wq_исп)/t; где С_р - удельная теплоемкость угля, кДж/(кг град); T₁ и Т₂ - начальная и конечная температура угля, °С; W - массовая доля воды в измельчаемом угле; q_и - теплота испарения воды, 2253 кДж/кг; t - время нагревания частицы от температуры T₁ до температуры Т₂, сек.

При этом ископаемый уголь дробят до класса крупностью "-D", равным 10 мм, а крупность готового продукта "-d" выбирают равным 0,05 мм.

Величины D и d связаны условием, что D=dК_из, где К_из - коэффициент измельчения в СВЧ-генераторе, равный отношению характерного размера частиц, поступивших в СВЧ-генераторе, к характерному размеру измельченных частиц d, при заданном значении насыщения жидким компонентом.

Сформулированное условие, определяющее удельную поглощаемую материалом мощность, излучаемую СВЧ-генератором, учитывает как энергию, затрачиваемую на нагрев частицы, так и энергию, затрачиваемую на испарение жидкой среды, заполняющей поровое пространство измельчаемого материала, что не учитывается в прототипе.

Частицы размером от "-D" до "+d", направляемые в СВЧ-генератор, насыщаются жидким компонентом (водой), что позволяет стабилизировать режим работы СВЧ-генератора.

Классификация размера частиц, направляемых в СВЧ-генератор, необходима для того, чтобы подводимая мощность расходовалась оптимальным образом. А именно частицы, размер которых соответствует требованию заданной степени измельчения "-d", использовались по прямому назначению без дополнительного измельчения в СВЧ-генераторе, а максимальный размер частиц, направляемых в СВЧ-генератор, ограничивается размером D, которые измельчаются наиболее эффективно.

На чертеже приведена принципиальная схема, характеризующая предложенный способ измельчения пористых материалов.

На чертеже показан бункер 1, дробильное устройство 2, классификатор 3, резервуар 4, в котором находится жидкий компонент (вода), смеситель 5, резонаторная камера СВЧ-генератора 6, гомогенизатор 7, обогатительная установка 8, резервуар 9 готового продукта и соединительные трубопроводы 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 и 18.

Способ осуществляется следующим способом. Пористый материал, подлежащий измельчению, из бункера 1 направляют и дробильное устройство 2, например молотковую дробилку, где раздробляют до заданной крупности "-D", откуда он по соединительному трубопроводу 10 поступает в классификатор 3, где его разделяют по классам крупности "+D", "-D" - "+d" и "-d". Из классификатора 3 материал класса крупностью "+D" по соединительному трубопроводу 11 подают на повторное дробление, материал класса крупностью "-d" по соединительному трубопроводу 12 в гомогенизатор 7. Материал класса крупностью "-D" - "+d" по соединительному трубопроводу 13 направляют в смеситель 5, куда из резервуара 4 подают жидкий компонент (воду). Насыщенный жидкостью измельчаемый материал по соединительному трубопроводу 14 подают в резонаторную камеру СВС-генератора 6, откуда измельченный материал по соединительному трубопроводу 15 поступает в гомогенизатор 7, где его смешивают с материалом класса крупности "-d" и далее по трубопроводу 16 в обогатительное устройство 8, откуда органическую часть ископаемого угля направляют по трубопроводу 17 в резервуар готового продукта 9, а минеральную часть угля по трубопроводу 18 направляют в хвостохранилище.

При реализации заявляемого способа измельчения должна быть задана величина максимальной крупности частиц "-d", до которой должен быть измельчен материал и определены экспериментальные значения К_из и определяемые экспериментально величины минимальной крупности измельченных частиц "d_мин" и времени нагрева, в зависимости от крупности исходного материала при максимальном содержании в нем жидкого компонента при различных мощностях, создаваемых СВЧ-генератором. Способ может быть реализован, если величины минимальной крупности измельченных частиц "d_мин" меньше заданной величины крупности частиц "d".

Исходя из располагаемой мощности СВЧ-генератора, по экспериментальным данным для D, d_мин и времени нагрева t определяется значение опытного коэффициента измельчения К_из, а затем по формуле D=d_мин К_из, определяется величина крупности частиц, которая должна быть получена на стадии предварительного дробления материала.

В случае, если рассчитанное таким образом значение крупности D меньше чем достижимое на стадии дробления, необходимо использование более мощного СВЧ-генератора, обеспечивающего возрастание величины К_из, а следовательно, и величины D=dК_из.

Выбор обогатительной установки зависит от способа использования готового продукта. Например, если измельченный и обогащенный уголь предназначен для последующего приготовления водоугольного топлива, то целесообразно использовать гидравлические обогатительные установки. Если потребителю необходим сыпучий готовый продукт, то возможно использование установок пневматического обогащения (Фоменко Т.Г., Бутовецкий B.C., Погарцева Е.М. Технология обогащения углей. М.: Недра, 1985 г., с.98-135 и с.136-143).

Пример реализации. Производительность установки 1 т/час. Измельчается уголь до крупности d="- 0,05 мм". Влажность угля W=0,1, С_р=1,26 кДж/(кг°С), q_и=2256 кДж/кг. Начальная температура T₁=288°С, примем, что конечная температура Т₂=383К в первом варианте расчета и Т₂=398К во втором варианте расчета. Величину удельной поглощаемой мощности определяем по формуле Р=(С_р(Т₂-T₁)+Wq_и)/t, (кВт/кг). В первом случае она равна P₁=345,3/t, (кВт/кг), а во втором Р₂=364,2/t, (кВт/кг). Из сравнения этих величин следует, что различие в оценке степени нагрева до Т₂=383°С или Т₂=398°С мало сказываются на расчете потребной величины удельной поглощаемой мощности, поскольку ее основная составляющая связана с парообразованием. На основании опытных данных принимаем, что d_мин=0,020 мм, а К_из=500 при t= ≤1с. Следовательно, величина D=d_мин К_из=10 мм. Из характеристики измельчительного устройства для предварительного дробления известно, что при дроблении до класса "-10 мм", 5% от исходного количества материала измельчается до класса "-0,05 мм". Следовательно, производительность СВЧ-генератора должна составлять 0,95 т/час. Если принять, что величина удельной поглощаемой мощности равна максимальному значению Р=364,2/t, (кВт/кг), то полезная (выходная) мощность СВЧ-генератора составляет 96,11 кВт. Частота СВЧ-генератора определяется исходя из обеспечения глубины проникновения электромагнитной волны по всей толщине слоя измельчаемого материала. Так, для воды глубина проникновения составляет 70,5 см на частоте 433 МГц и 23,4 см на частоте 915 МГц и лишь 3,5 см на частоте 2375 МГц (Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. Изд-во СГУ, 1983 г., с.9), что позволяет выбрать частоту излучения СВЧ-генератора с учетом геометрических размеров резонаторной камеры СВЧ-генератора.

Изобретение предназначено для измельчения пористых материалов. Способ включает подготовку угля к измельчению до класса, соответствующего максимальной крупности частиц, подвергающихся воздействию сверхвысокочастотным электромагнитным полем, и определение его удельной поглощаемой мощности. Подготовку к измельчению ископаемого угля проводят дроблением до класса крупности "-D". Затем дробленый уголь классифицируют по классам крупностью "+D", "-D" - "+d" и "-d". Материал класса крупностью "-d" направляют в гомогенизатор, материал класса крупностью "+D" направляют на повторное дробление. Материал класса крупностью "-D" - "+d" насыщают до заданного уровня влагосодержания и направляют в рабочую камеру СВЧ-генератора, где проводят его измельчение. Измельченный материал смешивают в гомогенизаторе с классом крупностью "-d" и направляют на обогатительную установку, откуда органическую часть ископаемого угля направляют в резервуар готового продукта, а минеральную часть в хвостохранилище. Удельную поглощаемую мощность СВЧ - электромагнитным полем выбирают из приведенной зависимости. Изобретение позволяет повысить эффективность измельчения пористых материалов. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ измельчения пористых материалов, включающий подготовку угля к измельчению до класса, соответствующего максимальной крупности частиц, подвергающихся воздействию сверхвысокочастотным (СВЧ) электромагнитным полем, и определение его удельной поглощаемой мощности, отличающийся тем, что подготовку к измельчению ископаемого угля проводят дроблением до класса крупности "-D", затем классифицируют дробленый уголь по классам крупностью "+D", "-D" - "+d" и "-d", материал класса крупностью "-d" направляют в гомогенизатор, материал класса крупностью "+D" направляют на повторное дробление, а материал класса крупностью "-D" - "+d" насыщают до заданного уровня влагосодержания и направляют в рабочую камеру СВЧ-генератора, где проводят его измельчение, после чего материал смешивают в гомогенизаторе с классом крупностью "-d" и направляют на обогатительную установку, откуда органическую часть ископаемого угля направляют в резервуар готового продукта, а минеральную часть в хвостохранилище, при этом удельную поглощаемую мощность СВЧ-электромагнитным полем (Р, кВт/кг) выбирают из условия

Р=(С_р(Т₂-Т₁)+Wq_исп)/t,

где С_р - удельная теплоемкость угля, кДж/(кг град);

T₁ и Т₂ - начальная и конечная температура угля, °С;

W - массовая доля воды в измельчаемом угле;

q_исп - теплота испарения воды, 2253 кДж/кг;

t - время нагревания от температуры T₁ до температуры Т₂, с.