Wpływ prędkości kątowej i nacisku elementów mielących na pracę młyna pierścieniowo-kulowego

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 121

1994 Nr kol. 1261

Kazimierz MROCZEK

Instytut M aszyn i U rządzeń Energetycznych Politechnika Śląska

WPŁYW PRĘDKOŚCI KĄTOWEJ I NACISKU ELEMENTÓW MIELĄCYCH NA PRACĘ MŁYNA PIERŚCIENIOWO-KULOWEGO

S tr e sz c z e n ie . Przedstaw iono zarys m etod doboru optym alnej pręd

kości kątowej młynów pierścieniow o-kulowych. Porów nano wyniki obli

czeń dla typowej geom etrii pierścienia m iażdżącego i wyznaczonych współczynników tarcia. Omówiono współzależność optym alna prędkość - nacisk elem entów mielących. Przedstaw iono w yniki pom iarów wpły

wu prędkości m ielenia i nacisk u n a pracę m łyna przemysłowego.

THE INFLU ENCE OF THE ANGULAR VELOCITY AND TH E PRESSURE OF THE M ILLING ELEM ENTS ON THE WORKS OF TH E RING-BALL MILL

Sum m ary. The m ethods of selecting th e a n g u la r velocity of the rin g -b a lls m ills h a s been described. The num erical resu lts w ith thypical geom etry of th e crushing rin g an d determ ined coefficients of friction h a s been compared. It w as shown th a t exists a correlation betw een th e optim um velocity an d th e balls pressu re. The resu lts of m easurem en ts of th e influence of m illing ra te an d th e p ressu re on the w orking perform ance of in d u stria l m ill have been presented.

EINFLUß DER W INKELGESCHW INDIGKEIT UND DES MAHLDRUCKES DER M AHLELEM ENTE AUF DEN BETRIEB DER KUGELRINGMÜHLEN

Z u ssam m en fa ssu n g . Eine M ethode zu r B ew ertung d er optim alen W inkelgeschw indigkeit von K ugelringm ühlen w urde dargestellt. Ein Vergleich von U ntersuchungsergebnisse, fü r eine typische M ahlringgeom etrie, bei festgesetzten Reibungskoeffizienten der Kohle w urde durchgeführt. Der Z usam m enhang zwischen der G eschw indigkeit und dem M ahldruck als auch die M essungen des

(2)

178 Kazimierz Mroczek

Einflußes der M ahlgeschw indigkeit u nd des M ahldruckes auf den B etrieb einer Industriem ü h le w urden gezeit.

W STĘP

Niskoemisyjne spalanie, jakie wprow adza się w kom orach paleniskowych kotłów energetycznych, z reguły wym aga obniżenia granulacji pyłu do palni

ków. Bezpośrednio wiąże się to ze spadkiem m aksym alnej wydajności młyna, której towarzyszy w zrost oporów przepływu, zużycia energii n a przemiał i obniżenie trw ałości elementów. Z tych powodów istnieje problem właściwego doboru cech geometrycznych komory przem iałowej, prędkości kątowej i naci

sku elem entów mielących w celu intensyfikacji i optym alizacji procesu prze

m iału. Problem atyka ta je st przedm iotem b adań n a stanow isku doświadczal

nym z m łynem średniobieżnym, prowadzonych w Instytucie M aszyn i Urzą

dzeń Energetycznych. O siągane wyniki są podstaw ą w ykonyw ania ukierun

kowanych pomiarów, a następnie doskonalenia k onstrukcji młynów przemy

słowych.

W artość optymalnej prędkości m ielenia młynów pierścieniowo-kulowych nie je s t jednoznacznie określona. W ystępują duże różnice w jej ocenie na podstaw ie dostępnych danych literaturow ych. Praktycznie stosow ane prędko

ści w krajowych m łynach pierścieniow o-kulowych są znacznie wyższe niż pracujące np. n a podobnej zasadzie m łyny typu MPS. Celem zbadania tego zagadnienia, we współpracy z FPM w Mikołowie, przeprowadzono pomiary m łyna E M -70 z nom inalną i obniżoną prędkością obrotową. Zweryfikowano także wpływ nacisku n a efektywność procesu przem iału.

2. OPTYMALNA PRĘDKOŚĆ M IELENIA

W litera tu rz e je s t kilk a m etod w yznaczania optym alnej prędkości kątowej m łyna pierścieniowo—kulowego. W celu porów nania tych m etod przyjęto takie sam e współczynniki tarcia, których w artości m ają wpływ n a obliczone wyniki.

Prędkość kątow a pierścieniowo-kulowego u k ład u mielącego (co) [1] jest w yznaczana n a podstaw ie swobodnego ru ch u cząstki węgla po obrotowym stole, z uwzględnieniem w arun k u równości stru m ieni węgla mielonego przez kule i węgla dostającego się n a bieżnię z k ieru n k u promieniowego. Wprowa

dzając bezwym iarową prędkość pierścienia - liczbę F rouda (Fr = m2r/g), opty

m alna prędkość pierścienia, odniesiona do prom ienia podziałowego bieżni rp - rys. 1, wyniesie:

4 pb (4 - a B - ocA)

F rp = 7/ " ~ , (1)

(3)

Wpływ prędkości kątowej i nacisku elementów mielących. 179

(2)

gdzie:

aA; a B ~ odpowiednio w ew nętrzny i zew nętrzny k ą t op asania kuli,

\\i - k ą t ta rc ia węgla po stali.

Współczynnik pb (2) m a c h a ra k te r uogólnionej liczby tarcia, uw zględniają

cej kształt bieżni pierścienia.

Dla danych 10-kulowego u k ład u mielącego o bieżni sym etrycznej, a A = aB = 0,785(45°) i k ą ta ta rc ia \|/ = 0,423 (24°), optym alna liczba F rp = 1,59.

W publikacjach [6, 8, 9] postawiono hipotezę, że m ielenie nie zachodzi na pełnym luku opasania kuli, lecz n a jego części. P odstaw ą do w yznaczenia optymalnej prędkości m ielenia [6] (nie analizow ano zmienności strum ien ia mielonego przez kule) je s t teoretyczna krzyw a zalegania w ęgla n a bieżni - rys. 1.

Lokalne nachylenie powierzchni stożkowej wyznacza się z w a ru n k u równo

wagi sil działających n a elem ent m asy znajdujący się n a pow ierzchni zalega-

Rys. 1. Czynny lu k bieżni w m odelow aniu m ielenia Fig. 1. Active racew ay arc in m illing sim ulation

(4)

1 8 0 Kazimierz Mroczek

nia. M ieleniu podlega węgiel zaw arty m iędzy krzyw ą zalegania a bieżnią, k tóry porusza się z prędkością pierścienia. U praszczająco przyjm ując, że linia EB je s t prostą, m ożna wyznaczyć m aksym alną grubość w arstw y zalegającej n a bieżni, f ” = p (l - cos e). Równocześnie m aksym alna wysokość warstwy wciąganej pod kulę, n a podstaw ie eksperym entalnych danych [9], f™ = 0,10 p Porównując obie wielkości oblicza się w artość średniego k ą ta nachylenia e = 0,45 (26°). Uwzględniając, że a = ag - e i podstaw iając do rów nania powierzch

ni zalegania, optym alną bezwym iarową prędkość u kładu mielącego określa wzór:

tg (otB - e) + hw ,

F 1 - hw tg (a B - e) gdzie:

[iw = tg \|/w - w ew nętrzny współczynnik ta rc ia węgla.

Należy zaznaczyć, że optym alna liczba Frouda dotyczy prom ienia r F = rp + + (p - i™) sin (ocB - e) - rys. 1. Przykładowo, dla danych 10-kulowego układu mielącego o bieżni symetrycznej i w ew nętrznego w spółczynnika tarc ia węgla

|iw= 0,75 optym alna liczba F rF = 1,47. Odpowiadająca wartość bezwymiarowej prędkości, odniesiona do promienia podziałowego bieżni r p, wyniesie F rp = 1,34.

W pracy [8] przedstaw iono tezę, że m ielenie tak że zachodzi n a pewnej części lu k u bieżni CD - rys. 1. Czynny luk bieżni je s t określony n a podstawie m odelu ruchu cząstki węgla w segm entach m iędzykulowych bieżni. Począt

kiem luku m ielenia (początek w ciągania) je s t miejsce u padku cząstki węgla n a bieżnię (pkt. C). Końcowy p u n k t czynnego lu k u (pkt. D) wyznaczono z m aksym alnego przem ieszczenia się cząstki(wchodzącej n a bieżnię z kierunku promieniowego) przed wejściem pod kolejną kulę. Przy tym założeniu ulega rozdrabnianiu tylko „świeży” węgiel napływ ający n a bieżnię. W podobny spo

sób m ożna wyznaczyć optym alną prędkość m ielenia n a podstaw ie modelu przepływu w arstw y węgla [9]. Początkowy p u n k t czynnego lu k u bieżni w tym opisie w ynika z założenia, aby obwodowa prędkość stru g i w ęgla była większa od prędkości kul. Końcowy p u n k t określa zew nętrzny k ą t opasania kuli. W obu rozpatryw anych modelach początkowy p u n k t w ciągania węgla pod kule je s t uzależniony od w arunków napływu m ieliwa n a bieżnię (wartości i kierun

ku prędkości elem entu w pkt. A), n a które m a wpływ geom etryczne ukształto

w anie w ew nętrznej części obrotowego stołu m łyna. O ptym alna prędkość mie

lenia, przy której w ystąpi m aksym alna wydajność 10-kulowego symetryczne

go u k ład u mielącego, wynosi od Frp = 1,4 (dla stołu płaskiego [9]) do F rp = 2,2 (dla stołu wgłębionego [8, 9]).

Przytoczone modele procesu przem iału są zbudowane n a głównym założe

niu, że mieliwo porusza się pod wpływem sił bezwładności i tarcia. W rzeczy

(5)

Wptyw prędkości kątowej i nacisku elementów mielących... 181

wistości przem ieszczanie się cząstek n astęp u je częściowo pod wpływem bez

władności, a częściowo drogą w yciskania spod kul. O udziale wym ienionych czynników decydować będą w artości F r oraz średniego k ą ta nachylenia bieżni.

Przy niskich prędkościach m ielenia i dużych pochyleniach bieżni (np. w m ły

nach typu BM) decydujący będzie m echanizm w yciskania. Pomimo tych nie

doskonałości mogą one być p rzydatne przy w yznaczaniu kierunków zm ian parametrów konstrukcyjnych pierścieniow o-kulow ych układów mielących ce

lem poprawy efektywności przem iału. J a k w ynika z powyższego przeglądu, występuje pew na rozbieżność w ocenie optym alnej prędkości m ielenia, a w większości sposobów obliczeń bezwym iarowa prędkość pierścienia m iażdżące

go przybiera niższą w artość (Fr = 1,34 - 1,59) w porów naniu do przyjętej w krajowych m łynach węglowych (Frp = 1,9 — 2,1).

3. NACISK ELEMENTÓW MIELĄCYCH

W m łynach średniobieżnych istotnym p a ra m etrem konstrukcyjnym je s t wartość jednostkowego n acisku n a powierzchnię m iażdżenia, określonego przez stosunek całkowitej siły do pola przekroju poprzecznego elem entów mielących. Z p u n k tu w idzenia procesu ro zd rab n iania bardziej w łaściw a jest formuła (4), uw zględniająca długość lu k u bieżni.

1 = a p - długość luku m iażdżenia.

Przy kącie opasania kuli a = n /2 obie form uły są równoważne.

B adania doświadczalne [4, 9] w ykazują liniowy w zrost wydajności m łyna wraz z powiększaniem nacisku do pewnej granicy, po czym następ uje jej powolna stabilizacja. G raniczne w artości jednostkow ego nacisku mogą osią

gać w artości ok. 180 - 200 kPa. Ponieważ są one zależne od własności p rze

miałowych węgla, dlatego powinny być wyznaczone doświadczalnie. W krajo

wych m łynach pierścieniow o-kulow ych stosow ane są naciski nom inalne Sf = 125 kPa. Są one niższe od w artości granicznych.

O ptym alna prędkość m ielenia je s t praw dopodobnie zw iązana z w artością jednostkowego nacisku. W spółzależność tę m ożna zinterpretow ać za pomocą opisu procesu przem iału, w którym rzeczywisty lu k m ielenia zm ienia się wraz z prędkością kątow ą pierścienia. W p rzypadku zastosow ania dużych prędko

ści m ielenia, przy których czynny luk bieżni je s t relatyw n ie m ały, a jednostko

we naciski osiągają w artości graniczne, dalsze ich zw iększanie nie powoduje

S (4)

gdzie:

z - liczba kul.

(6)

1 8 2 Kazimierz Mroczek

już w zrostu wydajności młyna. Przy obniżeniu prędkości kątow ej, ze względu n a w ydłużanie się czynnego łuku m iażdżenia, jednostkow e naciski spadają poniżej w artości granicznych. W tych w aru nk ach należałoby je podnieść do poziomu granicznego uzyskując przyrost wydajności m łyna. Tezę tę potwier

dzają b ad an ia n a stanow isku doświadczalnym [7], gdzie powiększenie naci

sku spowodowało obniżenie w artości optym alnej F rp, a funkcja maksymalnej wydajności sta ła się słabo zależna od prędkości kątowej. S tąd m ożna wniosko

wać, że zadanej wartości F r powinien odpowiadać określony nacisk elemen

tów mielących ze względu n a k ryteriu m największej efektywności produkcji pyłu w układzie mielącym.

4. WYNIKI BADAŃ PRZEMYSŁOWYCH

Omówione wyniki teoretyczne i bad an ia n a stanow iskach doświadczalnych zostały cząstkowo zweryfikowane w m łynie EM -70. U kład m ielący tego mły

n a posiada 9 k u l o średnicy 0.54 m, w spółpracujących z sym etrycznym pier

ścieniem miażdżącym o całkowitym kącie opasania a = Jt/2. N acisk elemen

tów mielących je s t realizow any za pomocą sprężynowych zespołów docisko

wych. Podczas pomiarów tego m łyna zastosowano trzy w artości nacisków: sf = 104, 125 (nominalny) i 156 k P a oraz dwie prędkości kątowej co = 5,08 (nomi

n alna) i 3,96 s . Odpowiada to zm ianie bezwymiarowej prędkości z F rp = 2,07 n a F rp = 1,26.

Młyn posiadał zabudowany odsiewacz dostosowany do drobnego przemiału, wym aganego dla palników niskoem isyjnych. W tych odsiewaczach granulacja produkowanego pyłu słabo zależy od stru m ien ia czynnika susząco-trans- portującego. Zastosowane ustaw ienie łopatek regulacyjnych odsiewacza na a = 35° umożliwiało osiągnięcie granulacji pyłu, określonej pozostałością na sicie 90 pm - R90 = 20%. Dla tego poziomu jakości przem iału dokonano porów nania m aksym alnych wydajności młyna.

M aksym alna obciążalność m łyna Bm je s t funkcją (oprócz cech konstrukcyj

nych układu mielącego) ustaw ien ia elem entów regulacyjnych odsiewacza (np.

k ą ta ustaw ien ia łopatek) i własności przem iałowych węgla. W artości te mogą być również ograniczone między innym i zbyt niskim i p a ra m etram i wentylato

ra młynowego.

4.1. W pływ p r ę d k o śc i ką to w ej

Przebiegi podstawowych wielkości wynikowych pracy m łyna w funkcji jego obciążenia dla nom inalnej i obniżonej prędkości obrotowej pierścienia miaż

dżącego przedstaw iono n a rys. 2. Pom iary w ykonano przy podwyższonym jednostkowym nacisku do Sf = 156 kPa. Przy nom inalnej prędkości kątowej m łyna (co = 5,08 s-1) osiągnięto m aksym alną wydajność Bm = 3,17 kg/s (11,4 t/h, przy m ieleniu węgla o własnościach: Q[ = 23,4 MJ/kg; Ar = 19,2%;

(7)

Wt = 8,0%; G rH = 49°H. Jakość przem iału, określona pozostałością n a sicie 0,2 mm, wyniosła R = 1,3% (liczba polidyspersji pyłu n = 1,30). W przypadku obniżenia prędkości do co = 3,96 s~x, m aksy m aln a wydajność spadła do Bm = 2,92 kg/s (10,5 t/h), dla podobnej ch arak tery sty k i podawanego węgla. Należy zaznaczyć, że osiągnięte wydajności były ograniczone m aksym alnym sprężem wentylatora młynowego, którego w artość nie pozw alała n a osiągnięcie w ym a

ganych w entylacji przy relatyw nie wysokich oporach przepływ u w instalacji.

ryw ane - 0) 2 = 3,96 l/s

Fig. 2. The influence of th e an g u lar velocity on th e m ill w ork effects: F ull 1. - coi = 5,08 1/s, broken 1. - 0) 2 = 3,96 1/s

Porównując wyniki badanych układów m ielących, m ożna stw ierdzić, że w przypadku m łyna z obniżoną prędkością obrotową je s t produkow any pył drob

niejszy, pomimo stosow ania tych sam ych w entylacji i ustaw ień elem entów regulacyjnych odsiewacza. Pozostałość n a sicie 0,2 m m w pyle w yniosła R <

0,9, przy większej jego jednorodności (n ~ 1,35). M ożna przypuszczać, że m a to związek z liczbą m iażdżeń danej porcji węgla w czasie jej przechodzenia przez komorę m ielenia (tzw. krotnością m ielenia). W obszarze średnich wydajności silnik o mniejszej prędkości obrotowej pobiera niższą moc elektryczną (m.in.

ze względu n a zm niejszenie p rąd u biegu jałowego). Je d n a k z obciążeniem

(8)

pobierana moc n a ra s ta szybciej w stosun k u do jej zm ian dla silnika stan

dardowego. W ynika to z faktu, że grubość w arstw y pod kulam i rośnie szybciej z obciążeniem w raz z obniżaniem prędkości kątow ej [5], co bezpośrednio rzu tuje n a przebieg mocy silnika m łyna.

4.2. W pływ n a c isk u

Zwiększanie nacisku sprężyn, w granicach możliwości technicznych, powo

dowało liniowy w zrost m aksym alnej wydajności m łyna Bm - rys. 3. Przy niezm ienionym ustaw ieniu łopatek regulacyjnych odsiewacza maksymalna wydajność m łyna wzrosła z 2,72 kg/s (9,8 t/h) do 3,17 kg/s (11,4 t/h), przy

zm ianie jednostkowego nacisku sf z 104 k P a n a 156 kPa.

Rys. 3. Wpływ nacisku n a w yniki pracy m łyna Fig. 3. The influence of th e p ressure on th e mili work effects

W przypadku w ystąpienia ograniczeń w pracy instalacji może to być prosta m etoda zwiększenia wydajności lub zm niejszenia oporów przepływ u w mły

nie. Należy się przy tym liczyć z pewnym wzrostem zużycia energii elektrycz

nej n a przem iał i obniżeniem trw ałości elem entów mielących. Skuteczność tej m etody zależeć będzie od własności mielonego węgla.

(9)

5. PODSUMOWANIE

Pomiary m łyna wykazały, że przy u trzy m an iu tego samego nacisku obniże

nie prędkości m ielenia o ok. 22% spowodowało spadek m aksym alnej wydajno

ści m łyna jedynie o 8%. Towarzyszyło tem u polepszenie jakości przem iału.

Aby utrzym ać m aksym alną wydajność n a niezm ienionym poziomie, w przy

padku obniżenia prędkości kątow ej, należałoby odpowiednio zwiększyć nacisk elementów mielących. O siągnięte wydajności były ograniczone m aksym alnym sprężem w en ty lato ra młynowego, którego w artość nie pozw alała n a osiągnię

cie wym aganych wentylacji.

W celu dokładnego w yznaczenia optym alnej prędkości m ielenia należałoby przeprowadzić b ad ania po zainstalow aniu silnika z regulow aną prędkością obrotową i w entylatora umożliwiającego uzyskanie zakładanych wentylacji przy wysokich obciążeniach m łyna. W artość prędkości kątow ej m a wpływ n a poziom drg ań i trw ałość podzespołów m łyna. M ożna przypuszczać, że przy jej obniżeniu oprócz zm niejszenia d rg ań ulegnie w ydłużeniu czas pracy elem en

tów pomimo zw iększenia nacisku. Słuszność tej tezy powinny potwierdzić doświadczenia eksploatacyjne.

Na podstaw ie danych literaturow ych i b a d a ń doświadczalnych właściwy poziom n acisku elem entów m ielących je s t zależny od własności przem iało

wych węgla. W niektórych instalacjach przygotow ania pyłu, w przypadku ograniczeń zdolności przem iałowej, zwiększenie n acisku może być p ro stą m e

todą podwyższenia m aksym alnej wydajności m łyna. W cześniej należałoby wykonać odpowiedni te s t spraw dzający.

LITERATURA

[1] Rom adin W.P.: Pyleprigotowlenije. G osenergoizdat, M oskwa - Lenin

grad 1953.

[2] Spraw ozdanie z pom iarów młynów E M -70 o typowej i zwiększonej p ręd kości obrotowej zespołu mielącego. Opracowanie ZPBE „Energopom iar”.

Gliwice 1980.

[3] L etin L.A., Roddatis K.F.: Srednechodnye i tichochodnye mielnicy. Ener- goizdat, M oskwa 1981.

[4] Osokin W.P.: Sraw nitelnoje stendowyje ispy tan ija srednechodnych m iel

nic razlicznoj konstrukcji. Elektriczeskije stancji N r 6, 1984.

[5] Czepiel J., Mroczek K.: B adania modelowe wpływu prędkości kątowej i średnicy k ul n a wydajność m łyna pierścieniow o-kulowego. M ateriały II konferencji naukow o-technicznej „Budowa i eksploatacja młynów do przem iału węgla”. Rydzyna 1988.

(10)

[6] Osokin W.P., Uszakow S.G., Pesnochorowa O.A.: O ptim alnaja skorost w raszczenija stola srednechodnych mielnic. Energomaszinostroenije N r 6, 1989.

[7] Czepiel J., M roczek K : B adania modelowe m łyna 7M115. Opracowanie In sty tu tu M aszyn i U rządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej (nie publikowane). Gliwice 1989.

[8] Czepiel J.: Wpływ prędkości kątowej u k ład u mielącego n a wydajność m łyna pierścieniowo-kulowego. P raca doktorska. Gliwice 1990.

[9] Mroczek K.: A naliza wpływu geom etrii u k ład u mielącego n a wydajność m łyna pierścieniowo-kulowego. Zeszyty Naukow e Politechniki Śląskiej s. E nergetyka z. 113. Gliwice 1990.

[10] Czepiel J. Mroczek K.: Procesy przygotow ania w ęgla w paleniskach kotłowych w aspekcie ochrony środowiska. Opracowanie In sty tu tu Ma

szyn i U rządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej (nie publikowa

ne). Gliwice 1991.

Recenzent: Prof. dr hab. inż. W ładysław GAJEWSKI

Wpłynęło do Redakcji 18.08.1994 r.

A b stract

The comparison or th e m ethods of selecting th e a n g u la r velocity of the crushing rin g ptoved th a t, w ith determ ined coal coefficients of friction, the optim um m illing speed generally acquires lower values th a n th e one used in polish rin g -b a ll mills. On th e basis of experim ental research an d theoretical d a ta it w as shown th a t th e re exists a correlation betw een th e optimum velocity and the m illing elem ents pressure. The analysis resu lts were verified in an EM -70 mill (9 balls, 530 mm in diam eter). It w as observed th a t a 22%

decrease in the an g u lar velocity in proportion to th e nom inal speed causes only an 8% fall of th e m ill output. A t th e sam e tim e, th ere w as obserwed the decreasing of d u st granulation. For th e coal used, th e change u f unitary pressure (the ratio of total power to th e balls section area) from 103 into 156 k P a causes a linear increase on m ill output. In case of an g u lar velocity decrease, to m ain tain th e m axim um o u tp u t a t an unchanged level, it is necessary to increase th e balls pressure. It m ay be surm ised th a t, a p a rt from decrease in vibration, th e elem ents w orking tim e will be longer despite increase in pressure.