Optimierung der Auslegung der Spezialhammermühle
Zusammenfassung: Die Spezialhammermühle stellt die Integration der Prozesse von Zerkleinerung und Trocknung für feuchte Schüttgüter dar. Die quantitative Betrachtung beider Prozesse ermöglicht die Abstimmung von Zerkleinerung und Trocknung und dabei die Optimierung der Ausrüstungen in Bezug auf Invest- und Betriebskosten. Schwerpunkt dieses Beitrages ist die Zerkleinerung und die Optimierung mit dem Rückgriff auf die Darstellung der Trocknung in einem Fachartikel der AT MINERAL PROCESSING vom vorigen Jahr (11/2019, S. 44-56).
Einleitung
Feuchte, grobstückige Schüttgüter können aus Steinbrüchen aber auch aus vorgelagerten Prozessen industrieller Produktion stammen. Um sie weiterverarbeiten zu können, müssen sie in der Regel zerkleinert und getrocknet werden. Das kann getrennt aber auch gemeinsam erfolgen. Die getrennte Variante hat den Vorteil, dass der Trockner und die Mühle jeweils optimal ausgelegt und betrieben werden können. Nachteilig ist der hohe Investitionsaufwand für die Ausrüstungen und den Bau. Bei der gemeinsamen Trocknung und Mahlung kehren sich Vor- und Nachteile um. Der vorliegende Beitrag soll einen Beitrag zur Nutzung der Vorteile beider Varianten bei der Auslegung der Spezialhammermühle leisten.
Grundlagen der optimalen Auslegung
Als Auslegungskriterium der Trocknung wird bei Krischer, Kröll [1] die raumbezogene Trocknungsgeschwindigkeit als Quotient der verdampften Wassermenge zum Trockenraumvolumen gesetzt. Als bestimmende Größe zur Auslegung der Spezialhammermühle wird als analoges Kriterium eine Trocknungszahl Ktr, die den Gasvolumenstrom V· zu den Apparateabmessungen Rotordurchmesser D und Rotorbreite B ins Verhältnis setzt, definiert.
Ktr = V․
D·B
Die Trocknungszahl wurde anhand ausgeführter Spezialhammermühlen der FAM Bauart ermittelt. Der Gasvolumenstrom wird als Summe aus den Trocknungsgasen und dem zu verdampfenden Wasser gebildet. Die dazu zu erstellende Wärmebilanz setzt sich aus den Posten
Wasserverdampfung
Materialerwärmung
Restwassererwärmung
Abgaserwärmung
Wandverluste
zusammen. Aus der Wärmebilanz ergibt sich die Brennstoffmenge, aus der damit durchgeführten Verbrennungsrechnung der gesuchte Trocknungsgasvolumenstrom und aus obiger Beziehung der Rotordurchmesser und die Rotorbreite.
Für die Bestimmung der Baugröße der Spezialhammermühle ist zum anderen der sich aus der Mahlbarkeit ergebende Leistungsbedarf maßgebend. Nach [2] und [3] lässt sich der Leistungsbedarf P aus dem Durchmesser D, der Drehzahl n, der Hammeranzahl z, und der Hammermasse mH ermitteln.
P = 2,3 × 10(-7) × mH × D2 × n3 × z × f
Der Faktor f ist dabei nur im Bereich der Umfangsgeschwindigkeit zwischen 17 und 40 m/s tabelliert. Für den Einsatz der Spezialhammermühle interessiert aber gerade der Bereich von 40 bis 60 m/s. Anhand von Versuchen wurde der Faktor zu
f = 0,4/vU1,5 bestimmt.
Als ein Auslegungskriterium gilt eine konstante Umfangsgeschwindigkeit von 55 m/s für Fein- und 40 m/s für die Grobzerkleinerung unabhängig von der Baugröße.
vU = D·π·n
60
Durch die Aufteilung der Anzahl der Hämmer in die Anzahl der Hammerreihen ZB und die Schlagreihenanzahl ZD ist eine Optimierung möglich. Die Hammerreihenanzahl ist die parallel auf dem Rotor angeordnete Anzahl von Reihen, und die Schlagreihenanzahl ist die am Umfang des Rotor befindliche Hammeranzahl.
P=1,6·10-3 mH·v3U·ZD·ZB·f
D
Für jede aus der Baureihe der Spezialhammermühle in Frage kommenden Baugrößen werden die Werte D; zD; zB und mH in Form einer Tabelle zusammengefasst und um die Größen vU und f ergänzt. So kann der Leistungsbedarf in der Tabelle nach obiger Gleichung berechnet werden. Dieser wird mit dem erforderlichen Leistungsbedarf, der sich aus dem Mahlgut ergibt, abgeglichen und so die Baugröße mit den Werten D und B ermittelt. Der dazu erforderliche spez. Arbeitsbedarf asp kann aus dem Bondwert Wi berechnet oder direkt eingesetzt werden.
asp = Wi
1 1
√d80F - √d80A
Die Auslegung der Spezialhammermühle mit der Trocknung ist in [4] bereits beschrieben und an Beispielen erläutert. Auf diese Beispiele wird Bezug genommen und um die Auslegung der Spezialhammermühle mit der Zerkleinerung in diesem Beitrag ergänzt.
Fall 1 – Die Trocknung bestimmt die Baugröße
Die in [4] als Beispiel zur Trocknung ausgelegte Spezialhammermühle hat einen Durchsatz von 50 t/h und trocknet Kalkstein von 6 % auf 1 %. Der Rotordurchmesser ist 1,4 m und die Rotorbreite ist 1,8 m und der Leistungsbedarf ist 430 KW. Die im vorliegenden Beitrag mit der Zerkleinerung erfolgte Auslegung ergibt bei einem Bondwert von 5 kWh/t einen spez. Arbeitsbedarf von 3,9 kWh/t und einen Leistungsbedarf von 193 KW. Da dieser geringer als der oben genannte ist, kann die Anzahl der Hammerreihen von den standardmäßig vorgesehenen 16 auf 7 Reihen reduziert werden. Dadurch ergibt sich ein Abstand zwischen den Hammerreihen von 119 mm. Wenn dieser Abstand zu groß ist, besteht die Gefahr, dass gröbere Partikel unzerkleinert durchfallen (Bild 1).
Das Rechenprogramm bietet eine weitere Möglichkeit der Anpassung der eingesetzten Leistung an den erforderlichen Leistungsbedarf an. Die Reduzierung der Hammerreihen wird „nicht bestätigt“, und die Anzahl der Schlägerreihen wird von Voll- auf Halbbestückung gesetzt, d.h. von 8 auf 4 Schlägerreihen. Diese Variante der Optimierung kann angewendet werden, wenn der Leistungsbedarf der Spezialhammermühle ausreichend ist. Sollte das nicht der Fall sein, kann man die Anzahl der Hammerreihen reduzieren (Bild 2).
Fall 2 – Die Zerkleinerung bestimmt die Baugröße
50 t/h Kalkstein werden mit 4 % Feuchte und einem Bondwert von 8 kWh/t getrocknet und gemahlen. Der spez. Arbeitsbedarf beträgt 6.2 kWh/t und der erforderliche Leistungsbedarf 309 kW. Die Auslegung der Spezialhammermühle für die Trocknung hat einen Rotordurchmesser von 1,4 m und eine Rotorbreite von 1,2 m und der Leistungsbedarf ist 269 kW. Da dieser geringer als der oben genannte erforderliche Leistungsbedarf von 309 kW ist, wird eine größere Spezialhammermühle mit einem Rotordurchmesser von 1,6 m und einer Rotorbreite von 1,5 m und einem Leistungsbedarf von 313 kW ausgewählt. Im Fall 1 konnten die Zerkleinerungswerkzeuge dem Bedarf angepasst werden. Diese konstruktiven Möglichkeiten bestehen hier nicht. Eine verfahrenstechnische Anpassung könnte aufgrund der geringen Eingangsfeuchte eine Reduzierung der Trocknungstemperatur und damit eine Verringerung des Wärmebedarfs bedeuten (Bild 3).
Zusammenfassung
Der qualitative Zusammenhang der Optimierung wird im Bild 4 und der quantitative im Bild 5 dargestellt und diskutiert. Es werden 2 Beispiele vorgestellt: Im Ersten wird leicht mahlbarer mergliger Kalkstein betrachtet. Die Baugröße der Spezialhammermühle wird von der Trocknung bestimmt. Es trifft hier das Feld oberhalb der Diagonale, wo die Auslegung der Trocknung und der Zerkleinerung gleich sind, zu. Die Zerkleinerung ist zu optimieren. Im zweiten Beispiel wird schwer mahlbarer Kalkstein eingesetzt, so dass die Zerkleinerung die Baugröße bestimmt, obwohl für die Trocknung eine kleinere Spezialhammermühle in Frage käme. Hier ist das Feld unterhalb der Diagonalen zutreffend.
Mit Hilfe des Rechenprogramms werden im Bild der Durchsatz über der Baugröße, gekennzeichnet durch das Produkt von Rotordurchmesser mal Rotorbreite, aufgetragen. Der Durchsatz für die Zerkleinerung (durchgezogene Linien) wird für verschiedene Werte des spez. Arbeitsbedarf (4; 5; 6 und 7 kWh/t) und der Durchsatz für die Trocknung (gestrichelte Linien) für variable Aufgabefeuchten (3; 6 und 9 %) dargestellt.
Im Bild 5 ist das erste Beispiel für einen Durchsatz von 40 t/h, einer geringen Mahlbarkeit von asp = 5 kWh/t und höheren Feuchtigkeit von 9 % eingetragen. Die Baugröße wird entsprechend der Feuchte mit D · B = 2,5 m² gewählt. Da für die Zerkleinerung eine kleinere Größe ausreichend ist, ist die Zerkleinerung zu optimieren. Wie im Fall 1 gezeigt, kommt z.B. die Reduzierung der Anzahl der Hammerreihen oder der Schlägerreihen in Frage. Das 2. Beispiel bei einem Durchsatz von 70 t/h mit einer schlechteren Mahlbarkeit von asp = 7 kWh/t und einer geringeren Feuchtigkeit von 3 % ist die Zerkleinerung maßgebend für die Baugröße mit D · B = 4,5 m²
In [5] werden die Makroprozesse der mechanischen Verfahrenstechnik in Trenn- und Vereinigungsverfahren mit und ohne Veränderung der Teilchengröße behandelt. In der Praxis werden diese für die vielfältigsten Anwendungen in Einheit mit Methoden der thermischen Verfahrenstechnik genutzt. In der Forschung und der Darstellung gehen diese meist getrennte Wege, obwohl sie sich auch in ihren Mikroprozessen oft gegenseitig beeinflussen. So führt z.B. die Entstehung neuer Oberflächen bei der Zerkleinerung zur Effektivitätsverbesserung der thermischen Prozesse der Trocknung, Erwärmung, Kühlung und der chemischen Reaktionen von Feststoffen. Die dadurch mögliche Abstimmung der Prozesse ermöglicht eine Optimierung der Auslegung der Ausrüstungen. In [6] ist das für die oben genannten Prozesse ausgewählter Ausrüstungen erfolgt, so z.B. für die Mahltrocknung in einer Kugelrohrmühle. Mit diesem Beitrag ist diesem Beispiel mit der optimalen Auslegung der Spezialhammermühle ein weiteres hinzugefügt.
Literatur/Literature:
[1] Kröll, O.; Trockner und Trocknungsverfahren, Springer-Verlag
[2] Höffl, K.; Zerkleinerungs – und Klassiermaschinen, Schlüterische Verlagsanstalt und Druckerei
[3] Duda, H.; Cement – Data – Book, Bauverlag
[4] Hanisch, J.; Schramm, R.; Berechnung – Zur Auslegung von FAM Special hammer mills zur Zerkleinerung und Trocknung von Schüttgütern, AT International Aufbereitungstechnik (2019) No. 11, pp. 44 – 56
[5] Schubert, H.; Handbuch der Mechanischen Verfahrenstechnik; Wiley-VCH Verlag
[6] Schramm, R.; Zusammenhänge bei der Konzeption und Auslegung von Ausrüstungen der mechanischen Verfahrenstechnik für Feststoffe in Kombination mit thermischen Prozessen, Chemie Ingenieur Technik (2013) No. 10, pp. 1597 – 1604
Autor:
Dr.-Ing. Rüdiger Schramm, Zadcon GmbH, Dessau/Deutschland, schramm.dessau@t-online.de
Nach dem Studium der Verfahrenstechnik promovierte Rüdiger Schramm an der Bergakademie Freiberg über den Zusammenhang von Transport- und Zerkleinerungsverhalten in Kugelmühlen. Im Zementanlagenbau in Dessau und dem späteren Werk von KHD in Dessau war er verantwortlich für die Verfahrenstechnik der thermischen und mechanischen Prozesse. Die dort zwischen 1963 und 2000 gesammelten vielfältigen Erfahrungen werden jetzt in einer Honorartätigkeit in der Nachfolgerfirma Zadcon GmbH Dessau genutzt.
