Замкнутый цикл помола (closed circuit grinding) цемента невозможен без сепаратора — устройства, разделяющего поток сыпучего материала на выходе из мельницы — продукта помола¹ (feed) — на цемент (fines) и возврат/крупку (rejects/grits), требующую домола.

На протяжении многих десятилетий в цементной промышленности применяются преимущественно воздушные сепараторы, классифицирующие сыпучий материал посредством воздушных потоков. Эти сепараторы делят на две категории: статические и динамические.

В статических сепараторах (static separators) нет движущихся деталей, поэтому их эффективность относительно низкая. Тем не менее, они получили распространение как в помоле цемента, так и в помоле сырьевой муки. К типичным примерам относятся: циклоны (cyclones), сепараторы с внутренним конусом и тангенциальными лопатками в районе погружной трубы (grit separators), V-образные сепараторы (в виде галочки; их обычно используют для предварительной сепарации). Мы не будем останавливаться на них, поскольку это устаревший и не совсем типовой конструктив в качестве сепарирующего устройства системы помола замкнутого цикла. Следует отметить, что в современных цехах статические сепараторы в основном служат разве только дополнением к динамическим.

Вторая категория — динамические сепараторы (dynamic separators) — это стандарт последних десятилетий для помола цемента. В таких устройствах есть движущиеся детали, которые как раз и обеспечивают классификацию сыпучего материала. По конструктивным особенностям и последовательности их модернизации выделяют три поколения таких аппаратов (см. табл. 1). Первое и второе устарели — их уже не применяют на современных цементных заводах [1, p. 190]. По сравнению с сепараторами третьего поколения они имели:

• значительный байпас;
• высокий коэффициент несовершенства (пологую кривую Тромпа), что приводит к очень широкому распределению частиц цемента по размеру (см. подраздел о распределении RRSB);
• более высокую плотность разделения;
• низкую эффективность сепарации;
• проблемную настройку (для замены сепарирующих лопаток вспомогательного вентилятора требуется останов цеха помола).

Поэтому сепараторы третьего поколения стали называть высокоэффективными (High-Efficiency Separator — HES) и активно внедрять на помоле цемента. Разберем их подробнее.

Поколение (generation)	Первое (dispersion separator)	Второе	Третье (HES)
Отличительные конструктивные особенности	сепарирующие лопатки (вспомогательный вентилятор) и внутренний вентилятор (counterblades and internal fan)	сепарирующие лопатки, циклоны и внешний вентилятор (counterblades, cyclones and external fan)	вращающаяся корзина и внешний вентилятор (rotating cage and external fan)
Годы начала применения в промышленности	1950-е	1970-е	1980-е
Байпас ꚍ [%] (bypass)	30-60	10-35	<10
Коэффициент несовершенства I (imperfection)	0.50	0.35-0.50	<0.35

Принцип работы

Несмотря на множество модификаций высокоэффективных сепараторов, принцип их работы одинаков. На рис. 1 изображена схема одной из типовых моделей. Продукт помола (feed) — подают через два наклонных или вертикальных желоба (feed chutes) на вращающуюся диспергирующую (распределительную) пластину (dispersion/distributor plate). Последняя является составной частью ротора — корзины сепаратора (rotor assembly/cage). Ротор в сборе вращается посредством привода с регулируемой частотой в одном направлении с потоками первичного и вторичного воздуха. Диспергирующая пластина ротора за счет центробежной силы откидывает сыпучий материал либо в буферное кольцо (buffer plate), либо прямиком в зону сепарации — область между направляющими лопатками (guide vanes), закрепленными на корпусе сепаратора, и лопатками вращающейся корзины (adjusting blade). Ударяясь о буферное кольцо, мука из клинкера, гипса и добавки может частично измельчаться и (или) раскомковываться.

В зоне сепарации на частицы продукта помола действуют несколько сил. Во-первых, их подхватывает воздушный поток — так называемый первичный (primary air) и вторичный воздух (secondary air), стремясь унести частицы с собой через корзину в сторону центробежного вентилятора, создающего разрежение как в сепараторе, так и во всей системе помола — сила сопротивления (drag force). Во-вторых, лопатки вращающейся корзины препятствуют протеканию муки между ними, отбрасывая ее в сторону направляющих лопаток, — центробежная сила (centrifugal force). В-третьих, крупные тяжелые частицы или агломераты падают под действием силы тяжести (gravity) в бронированный хоппер. В итоге питание сепаратора разделяется на два потока: тонкодисперсный цемент в воздухе и возврат (крупка), высыпающийся из хоппера через выгрузной затвор (airlock).

Конструктивные особенности

Для наибольшей эффективности разделения сыпучего материала на цемент и крупку важно задействовать всю окружность и высоту зоны сепарации. Поэтому корпус сепаратора часто (но не всегда, есть модели с одним влетом) имеет два влета воздуха (первичного и вторичного), а не один. Без вторичного воздуха поток первичного не долетел бы до последней трети окружности, следовательно, часть сепаратора могла бы “не работать”.

Обычно на влетах (патрубках) первичного и вторичного воздуха для регулировки его расходов и направления потоков предусмотрены жалюзийные заслонки. По умолчанию они должны быть полностью открыты, но, если наблюдается неравномерный износ направляющих лопаток, то стоит попробовать регулировку жалюзийных заслонок или даже установку дополнительных выпрямителей воздушного потока внутри сепаратора. Существенное отклонение воздушных струй от горизонтали влечет за собой снижение площади зоны сепарации, а значит, и ее эффективности.

Аналогичная ситуация с доставкой сыпучего материала в зону сепарации. Очень важно распределить частицы равномерно по ней. Из-за этого в ряде сепараторов используют не один, а два питающих желоба. Практический опыт эксплуатации сепараторов типа O-Sepa показывает, что питание через один желоб может снижать производительность системы помола примерно на 10%.

Чтобы предотвратить нежелательный подсос наружного воздуха через выгрузное отверстие, на хоппере крупки обычно устанавливают одну или две последовательных маятниковых заслонки (pendulum flap), реже — ротационный затвор (rotary airlock).

Регулировки

У оператора ЦПУ есть два рычага управления динамическим сепаратором третьего поколения: 1 — частота вращения корзины, 2 — расход первичного и вторичного воздуха. В основном для рутинной работы достаточно только первого инструмента. Гораздо реже технологи занимаются настройкой расходов первичного и вторичного воздуха. Возможные эффекты таких регулировок указаны в табл. 2.

Изменяемый параметр	тонкость помола	байпас сепаратора	производи-тельность помола
увеличение частоты вращения корзины сепаратора	увеличивается	увеличивается	уменьшается
уменьшение расхода первичного и вторичного (сепарирующего) воздуха сепаратора	уменьшается	уменьшается	увеличивается

Опишем их немного подробнее, начав с корзины сепаратора.

Оператор ЦПУ ежечасно получает от лаборатории данные по тонкости помола цемента. Если она отклоняется от целевого значения (его определяют и устанавливают технологи), то оператор первым делом изменяет частоту вращения корзины (в Гц, об/мин или % от максимума) при помощи частотного преобразователя. Например, целевой полный остаток на сите 45 мкм — 4%, а по данным лаборатории тонкость помола за последний час была 6%. В таком случае оператор должен увеличить частоту вращения корзины, чтобы сепарировать из сыпучего материала более тонкий цемент, тем самым, повысив циркуляционную нагрузку системы (т.е. долю возвращаемого материала) и, следовательно, удельную поверхность продукта помола на выходе из мельницы (подробнее в следующем подразделе). Из принципа работы сепаратора следует: чем интенсивнее вращение корзины, тем сложнее частицам цемента пролететь сквозь щели между ее лопатками в рукавный фильтр ⇒ увеличивается байпас, т.е. больше продукта помола, минуя зону сепарации, падает в крупку. Значит, массовый поток крупки возрастает. Тогда ПИД-регулятор уменьшает свежее питание, чтобы сохранить массовый поток сыпучего материала через мельницу неизменным (этот параметр зависит от шаровой загрузки и, следовательно, большую часть кампании остается константой²). Т.к. при стабильном режиме работы свежее питание равно производительности системы помола по цементу, то она (производительность) также снижается.

Регулировка расхода сепарирующего воздуха (первичного и вторичного) — второй и менее гибкий, чем корзина сепаратора, инструмент. Логично, что при увеличении расхода сепарирующего воздуха возрастает количество пролетающих сквозь лопатки корзины частиц продукта помола. Как следствие, уменьшается байпас в крупку ⇒ понижается циркуляционная нагрузка ⇒ возрастает производительность системы помола. Однако, в таком случае страдает тонкость помола — цементная мука становится грубее. Противоположную ситуацию наблюдают при уменьшении расхода сепарирующего воздуха.

Так почему же регулировка сепаратора через его корзину предпочтительнее настройки расходов первичного/вторичного воздуха?

Во-первых, динамический сепаратор разрабатывают под конкретное оптимальное питание (т.е. под конкретную мельницу и объемную шаровую загрузку) и расход сепарирующего воздуха (в ТТХ сепаратора обязательно должны быть указаны эти два параметра) для достижения наилучших показателей: производительности, эффективности сепарации, гранулометрии цемента. Поэтому разработчик рекомендует эксплуатацию сепаратора при определенном отношении его питания Fd к расходу сепарирующего воздуха Qd (разумеется, речь идет о приблизительном значении или узком диапазоне в районе приблизительного значения). Например, для динамических сепараторов третьего поколения O-Sepa Fd/Qd ≈ 2.5³. Как уже упоминалось ранее, массовый поток сыпучего материала через мельницу, он же питание сепаратора, должен быть более-менее неизменным и стабильным в течение всей кампании шаровой загрузки. Выходит, что и расход сепарирующего воздуха ≈const. Если Fd/Qd близко к рекомендованному разработчиком сепаратора значению, то целесообразно проводить только тонкую настройку (fine-tuning) сепарирующего воздуха по кривой Тромпа. А это уже требует вмешательства технологов и минимум нескольких часов их работы.

Во-вторых, настройка сепарирующего воздуха может быть осложнена технологической схемой системы помола, как, например, в рассматриваемом нами случае. Врезка газохода аспирации цементной мельницы в патрубок первичного воздуха динамического сепаратора создает определенные неудобства, особенно когда на первом отсутствует заслонка для настройки расхода аспирационного воздуха. Так, любое изменение потоков первичного/вторичного воздуха (за счет главного вентилятора системы помола и/или жалюзийных заслонок первичного/вторичного воздуха) будет приводить к пропорциональному ускорению или замедлению потока воздуха через мельницу. Последствия: нарушение температурного режима помола ⇒ возможные проблемы со схватыванием цементного теста, ухудшение продвижения сыпучего материала по мельнице и др.

1. Далее по тексту мы будем применять этот термин или его синоним — цементная мука. ↩︎
2. Шары в первой камере пересортировывают приблизительно раз в год, во второй — раз в два-три года. ↩︎
3. Хотя, в профессиональной среде существует мнение, что приемлемый диапазон для сепараторов третьего поколения — от 1.6 до 1.9 кг/м³. ↩︎

Литература

1. Duda W. H. Cement-data-book. — 3rd ed. — Berlin: Bauverlag, 1985. — Vol. 1. — P. 190.