Zur Auslegung von FAM-Spezialhammermühlen zur Zerkleinerung und Trocknung von Schüttgütern

1‌‌‌ Einleitung

Der Bedarf an fein- und feinstkörnigen Pulvern ist in vielen Industriezweigen insbesondere in der Baustoffindustrie in den letzten 40 Jahren weltweit um ein Vielfaches gestiegen. Die Ausgangsstoffe für diese Zerkleinerungs- und Trocknungsprozesse besitzen jedoch im allgemeinen eine Feuchte von 3 bis 12 %. Um definierte, feinkörnige Produkte herzustellen, muss das Zerkleinerungsprodukt durch Windsichtung oder Siebung in die entsprechenden Körnungen klassiert werden. Diese Klassierprobleme lassen sich jedoch nur lösen, wenn das Zerkleinerungsprodukt je nach Korngröße mit einer maximalen Feuchte von 0,1 bis 0,5 % vorliegt.

Die Technologie der Trocknung z.B. in einer Trockentrommel vor der Zerkleinerung wurde in den letzten Jahren immer mehr von der Mahltrocknung in einer Zerkleinerungsmaschine, wie z.B. in einer Hammermühle, verdrängt. Diese Prozessintegra­tion, d.h. mehrere Prozesse finden in einer Maschine bzw. einem geschlossenen Mahl- und Klassiersystem statt, bietet erhebliche verfahrenstechnische Vorteile. Für die Mahltrocknung kommen die verschiedenartigsten Kombinationen von Zerkleinerungsmaschinen, wie z.B. Hammermühlen, Trommelmühlen, Wälzmühlen, Prallmühlen und Klassierern sowie z.B. Sichter und Siebmaschinen zur Anwendung.

Der Einsatz der FAM-Spezialhammermühlen in Mahltrocknungstechnologien mit innerem oder äußerem Materialkreislauf ermöglicht es, einen weiten Bereich der verarbeitbaren Rohstoffe und erreichbare Endproduktfeinheiten abzudecken. Bei der Auslegung der Spezialhammermühlen für Mahltrocknungsanlagen müssen zerkleinerungs- und trocknungstechnische Aspekte berücksichtigt werden. Dabei ist ein verfahrenstechnischer Kompromiss zu finden, der eine optimale Technologie gewährleistet. Während für die zerkleinerungstechnische Dimensionierung halbtechnische Versuche zu bevorzugen sind, kann die thermische Auslegung, wie ein Beispiel belegt, mit dem nachfolgend vorgestellten Rechenprogramm erfolgen.

2 Aufbau und Arbeitsweise von FAM-Spezialhammermühlen und FAM-Stabkorbsichtern

Die FAM-Spezialhammermühlen sind eine Sonderbauart von Hammermühlen (Bild 1), bei denen das Zerkleinerungsprodukt durch den Luftstrom nach oben ausgetragen wird. Das Kernstück der Spezialhammermühle ist der Scheibenrotor, in dem die Hämmer auf Schlägerstangen zwischen den Rotorscheiben „auf Lücke“ angeordnet sind, um eine hochturbulente Strömung im Mahlraum zu erreichen. Die Anzahl der Hammerreihen (6, 8 oder 12 Reihen) hängt vom Rotordurchmesser ab. Die Schlägerstangen bestehen aus rostfreiem und säure­beständigem Stahl. Die Hämmer sind zweigeteilt in Hammerarm und Hammerkopf. Dadurch kann der Wechsel der schneller verschleißenden Hammerköpfe einfacher erfolgen, ohne dass der Hammerarm ausgebaut werden muss.

Bei der Konstruktion des Gehäuses werden auf Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit Wert gelegt, indem die Rückwand ­hydraulisch abklappbar ist und der Mahlraum mit den verschleißfesten Mahlplatten durch große Türen leicht kontrolliert und gewartet werden kann (Bild 2 und Bild 3). Die Geometrie der Mahlplatten wird an das jeweilige Aufgabegut angepasst.

Das Gehäuse in Stahlblech-Schweißkonstruktion dehnt sich beim Aufheizen der Mahltrocknungsanlage schneller aus als die Rotorwelle. Deshalb ist der Einsatz eines zwangsfreien Lagerungssystems – eines Carb-Lagers auf der Loslagerseite – sinnvoll, um die Differenzen in der thermischen Längen­änderung zwischen Gehäuse mit den Lagersitzen und der Welle auszugleichen.

Um die Wälzlagertemperatur unter 80 °C zu halten, werden das Ölbad im Gehäuse des ölgeschmierten Lagers sowie die Rotorwelle gekühlt. Außerdem wird die Temperatur der durchgebohrten Rotorwelle mit einer Kühlflüssigkeit, die über eine spezielle Dreheinführung zugeführt wird, abgesenkt (Bild 4).

Der Antrieb der Spezialhammermühle kann als Keilriemen- oder Direktantrieb ausgeführt werden. Die Rotorumfangsgeschwindigkeit bestimmt im Wesentlichen die Feinheit des Zerkleinerungsproduktes und lässt sich mittels Frequenzumrichter in einem weiten Bereich (z.B. zwischen 40 und 70 m/s) einstellen.

Eine weitere Möglichkeit, die Fertigproduktkorngröße zu beeinflussen, ist der Volumenstrom des Heißgases und damit die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Zerkleinerungsprodukt aus der Spezialhammermühle zum Sichter transportiert wird. Dabei sind der Heißgasvolumenstrom, die Eintrittstemperatur und die Trocknungsluftrückführung in die Spezialhammermühle auf die Materialeigenschaften (z.B. Aufgabefeuchte, Aufgabekörnung) und die gewünschte Endkörnung abzustimmen. Die Verweilzeit des Aufgabematerialswird also bestimmt von den Mate­rialeigenschaften der Aufgabekörnung sowie in weiten Bereichen von den technologischen Parametern.

Die FAM-Spezialhammermühlen arbeiten im geschlossenen Kreislauf mit einem Stabkorbsichter Bauart FAM. Der Sichter (Bild 5) ist konstruktiv so gestaltet, dass durch eine Querschnittserweiterung zwischen Sichterinnen- und Sichteraußenkegel (3 und 4) die Strömungsgeschwindigkeit verringert wird und dadurch ein Teil der Griese (gröberer Anteil des Zerkleinerungsproduktes) abgetrennt werden kann.

Die eigentliche Trennung im Sichter findet am Stabkorb (1) statt. Durch die Frequenzregelung lässt sich die Umfangsgeschwindigkeit des Stabkorbes und damit die „Durchlassfähigkeit“ vom Fertigprodukt zwischen den Stäben und damit letztendlich die Trennkorngröße in weiten Bereichen einstellen. Eine weitere Möglichkeit durch strömungstechnische Maßnahmen die Feinheit zu beeinflussen, ist der verstellbare Leitschaufelkranz (2).

Die durch den Stabkorb abgetrennten Griese werden gemeinsam mit dem Aufgabematerial über eine Zellenradschleuse der Hammermühle zugeführt. Für feuchtes und kohäsives Aufgabematerial haben sich Zellenradschleusen mit Räumarmen bewährt, die z. B. 8 gerundete Kammern haben, die über die Zellenlänge 4-fach geteilt und versetzt sind. Dadurch wird eine quasi-kontinuierliche Beschickung erreicht, die sich vorteilhaft auf die Arbeitsweise des Heißgaserzeugers sowie den Antrieb der Spezialhammermühle auswirkt.

3 Mahltrocknungstechnologien mit ­FAM-Hammermühlen

Je nachdem, wie das Aufgabematerial nach der Zerkleinerung der Klassierung zugeführt wird, unterscheidet man in Mahlanlagen mit äußerem und innerem Materialkreislauf.

Bei FAM-Mahltrocknungsanlagen mit innerem Materialkreislauf wird das Zerkleinerungsprodukt der Spezialhammermühle vom Luftstrom zum Sichter transportiert, im Sichter klassiert und die Griese ins Aufgabematerial zurückgeführt. Es kann ein trockenes Endprodukt mit einer definierten oberen Korn­größe, wie z.B. 15 % > 90 µm, hergestellt werden. Je nach erforderlicher Endproduktkorngröße beträgt die Aufgabekörnung 40 ... 60 mm und der Durchsatz je nach Anlagengröße (bestimmt durch die Größe der Spezialhammermühle) zwischen 4 und 100 t/h.

Die FAM-Mahltrocknungsanlagen mit innerem Materialkreislauf bestehen, wie Bild 6 zeigt, aus folgenden Anlagenteilen: Die Beschickungseinrichtung – eine Dosierbandwaage (3) – regelt in Abhängigkeit vom Motorstrom der Spezialhammermühle (5) die Aufgabemenge aus dem Aufgabebunker (1), die über die Zellenradschleuse (4) dem Zwischenstück vor der Spezialhammermühle zugeführt wird. Die Zellenradschleuse dient der gleichmäßigen Beschickung und der lufttechnischen Abdichtung des Mahlsystems. Das Mühlenaufgabegut wird im Mühlenzwischenteil vom turbulenten Heißgasstrom, erzeugt im Heißgasgenerator (8), erfasst und in der Spezialhammermühle zwischen Hämmern aus Spezialstahlguss und den Mahlplatten zerkleinert und getrocknet.

Die Feinheit des Zerkleinerungsproduktes – im Wesentlichen bestimmt durch die Rotorumfangsgeschwindigkeit – kann mittels Frequenzumrichter in einem weiten Bereich (z. B. zwischen 40 und 70 m/s) variiert werden.

In FAM-Mahltrocknungsanlagen mit äußerem Materialkreislauf arbeiten Prallhammermühlen mit Mahlbahn oder mit Rostaustrag im Kreislauf mit Sichtern und/oder Siebmaschinen. Bei der Zerkleinerung eines z.B. mittelharten Kalksteines von 60 mm auf < 2 mm im Kreislauf lassen sich z.B. Durchsätze bis 120 t/h realisieren. Ein Ausschnitt aus einem Aufstellungsplan einer FAM-Mahltrocknungs­anlage mit äußerem Materialkreislauf zeigt Bild 7.

Neben der Kalksteinmehlherstellung für Rauchgasentschwefelungsanlagen sind weitere Einsatzgebiete für die FAM-Mahltrocknungsanlagen die Tonaufbereitung für grob- und feinkeramische Produkte, die Herstellung von Düngemitteln der Körnung 0 – 1 mm sowie die Mahltrocknung bzw. -kal­zinierung von Natur-, REA-Gips (Gips aus Rauchgasentschwefelungsanlagen) und Gipsproduktionsabfälle.

4 Auslegung von Mahltrocknungsanlagen mit Hammermühlen

Bei Mahltrocknungsanlagen hat die Auslegung so zu erfolgen, dass die Hauptausrüstungen für die Teilprozesse Zerkleinerung und Trocknung ausreichend dimensioniert sind. Dabei ist die Hammermühle hinsichtlich Motorleistung und Maschinengröße so auszuwählen, dass der erforderliche Durchsatz bei gewünschter Produktfeinheit erreicht wird. Die sicherste Methode stellt die Übertragung der Erkenntnisse, insbesondere des spezifischen Energiebedarfes, aus bestehenden Anlagen mit vergleichbaren Ausrüstungen auf die neue Maschine dar. Unter spezifischem Energiebedarf soll hier die elektrische Motorleistung bezogen auf den Durchsatz verstanden werden. Der spezifische Energiebedarf kann auch durch Versuche in halbtechnischen Zerkleinerungsmaschinen bzw. größeren Labormaschinen ermittelt werden. Die Übertragung der Maschinengröße kann überschlägig durch die Proportionalität m. ~ L x D² vorgenommen werden, wobei L die Rotorbreite und D der Rotordurchmesser sind. Unabhängig von diesen „Berechnungen“ sollte letztendlich die eigene Erfahrung zur Festlegung der Maschinengröße führen.

Die Dimensionierung der Hammermühlen muss aber auch unter dem Aspekt der Trocknung die verfahrenstechnischen Bedingungen erfüllen. So ist der Heißgasvolumenstrom auf die Aufgabe- und Fertiggutfeuchte, den Durchsatz und ­weitere Materialeigenschaften festzulegen. Aus der Wärme- und Mengenbilanz kann man den benötigten Wärmebedarf berechnen. Mit Hilfe der Verbrennungsrechnung ergibt sich die Verbrennungs- und Rauchgasmenge, die mit dem Wasserdampf und der Mischgasmenge zur Einstellung der Heißgastemperatur des Gasvolumenstromes im Prozessraum, dem Volumen in der Hammermühle, benötigt wird [1].

Im nächsten Abschnitt wird die trocknungstechnische Aus­legung mittels Rechenprogramm an zwei Beispielen gezeigt.

Bei Mahltrocknungsanlagen sollte die Mindesteintrittstemperatur des Heißgases im Allgemeinen 300 °C und 550 °C bei der Mahlkalzinierung nicht unterschreiten. Die Abgastemperatur bei Trocknungsanlagen liegt meist unter 80 °C und muss eine ausreichende Differenz zum Taupunkt haben. Bei Mahlkalzinierung von Gips sind je nach Gipseigenschaften und Verarbeitungstechnologie die Abgastemperaturen zwischen 160 bis 165 °C. Die Geschwindigkeit am Übergang der Spezialhammermühle zum Steigrohr ist so zu bemessen, dass sie je nach gewünschter Produktfeinheit zwischen 18 und 22 m/s beträgt.

Bei der Mahltrocknung von weichem und feuchtem Aufgabegut wird ein hoher Heißgasvolumenstrom benötigt, d.h. die Hammermühle muss, um die nötige Verweilzeit für die Trocknung zu realisieren, größer sein, als sie für die Zerkleinerung erforderlich wäre. Andererseits bei mittelhartem Aufgabematerial, z.B. Kalkstein, mit geringer Feuchte bis 5 % erfolgt die Auslegung der Spezialhammermühle nach Vorgaben der Zerkleinerung. Wie leicht zu erkennen ist, muss ein Kompromiss bei der Dimensionierung gefunden werden.

5 Auslegungsprogramm von FAM-Spezialhammermühlen

Im ersten Auslegungsbeispiel soll ein harter Kalkstein mit einer Aufgabefeuchte Feuchte von 5 % auf eine Produktfeuchte von 1 % getrocknet werden. Der Durchsatz beträgt 50 t/h. Legt man für die Heißgastemperatur am Mühleneintritt z.B. 400 °C zugrunde, so ergibt sich aus trocknungstechnischer Sicht eine Spezialhammermühle mit einem Rotordurchmesser von 1,2 m und einer Rotorbreite von 1 m. Diese Mühlengröße ist offensichtlich für einen Durchsatz von 50 t/h zu klein. Aus zerkleinerungstechnischer Sicht sollte die Größe der Spezialhammermühle einen Rotordurchmesser von 1,4 m und eine Rotorbreite von 1,8 m besitzen. Für diese Maschinengröße kann nun in der Berechnung die Heißgastemperatur am Mühleneintritt auf 300 °C gesenkt werden. Die sich dabei ergebende Gasaustrittsgeschwindigkeit aus der Spezialhammermühle ist mit 11 m/s zu gering, so dass ein zusätzlicher Frischluftvolumenstrom von 20 000 m³/h zugegeben werden muss. Damit erhöht sich die Austrittsgeschwindigkeit aus der Spezialhammermühle SHM1418 auf 18 m/s.

Besteht die Aufgabe der Mahltrocknungsanlage in der Verarbeitung eines weichen, aber feuchten Kalksteins mit 10 % Feuchte, so muss die Spezialhammermühle groß genug für den erforderlichen Heißgasvolumenstrom gewählt werden. Will man die gleiche Spezialhammermühle SHM 1418 verwenden, dann muss die Heißgaseintrittstemperatur in die Spezialhammermühle auf 350 °C erhöht und die zusätzliche Frischluft auf ca. 10 000 m³/h reduziert werden. Für diese Betriebsbedingungen erhöht sich die Austrittsgeschwindigkeit auf 22 m/s.

Ein wichtiges Ergebnis der Berechnungen ist die Überprüfung, dass die Abgastemperatur den Taupunkt nicht unterschreitet. Mit der Eingabe der umlaufenden Last lässt sich die Beladung des Austrittsgasvolumenstromes kontrollieren. Ein weiterer Vorteil dieses Programms ist die Möglichkeit, die Mahltrocknung von Stein-und Braunkohle im Inertgasbetrieb zu berechnen, wie im nächsten Abschnitt gezeigt wird.

6 Mahltrocknung von Kohle

Bei der Verbrennung von Kohle zum Zwecke der Energie­erzeugung werden zur Mahltrocknung oft Einblasmühlen eingesetzt. Die sinkende Akzeptanz der Kohleverbrennung rückt die stoffliche Verwertung von Kohle immer mehr in den Fokus. Hier bietet sich der Einsatz der Spezialhammermühle an.

Bei der Trocknung von Kohlen in einem Gasgemisch ist das Explosionsverhalten zu berücksichtigen. Eine Entzündung und Verbrennung/Explosion von Kohle kann nur erfolgen, wenn ausreichend feinkörnige Kohle und Sauerstoff und eine wirksame Zündquelle vorhanden sind. Zündquellen in einer Hammermühle können funkenschlagende Metallteile, z. B. Fremdkörper in der Spezialhammermühle, aber auch Funken aus dem Heißgaserzeuger sein. Aufgewirbelter Kohlenstaub mit ausreichender Feinheit und einer Konzentration innerhalb der Explo­sionsgrenzen ist ebenfalls vorhanden. Von den genannten drei Bedingungen für eine Entzündung bleibt also zur Vermeidung einer Explosion in der Hammermühle nur die Reduzierung des Sauerstoffgehaltes übrig.

Da die Rauchgase aus dem Heißgaserzeuger eine 3- bis 4-fache höhere Temperatur als die zur Trocknung benötigte Temperatur in der Hammermühle haben, werden zur Einstellung der Trocknungstemperatur größere Frischluftmengen beigemischt, die den Sauerstoffgehalt über eine zulässige Grenze, die unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration (SGK) liegt, erhöhen. Der im Trocknungsprozess dazu kommende Wasserdampfanteil wirkt zwar inertisierend, reicht aber in der Regel nicht aus, um die erforderliche SGK explosionsschutztechnisch sicher zu unterschreiten.

Aus diesem Grund werden so viel mit Wasserdampf gesättigte Trocknungsgase (Brüden) zurückgeführt bis die SGK erreicht bzw. unterschritten ist. Diese Brüdenrückführung kann aber nur soweit erhöht werden, dass der Taupunkt nicht unterschritten wird. Der Anteil der Brüden, der im Kreislauf gefahren wird, hat auch einen wärmewirtschaftlichen Vorteil, da weniger Frischluft nach dem Heißgaserzeuger zugegeben werden muss.

Das unter Punkt 5 vorgestellte Auslegungsprogramm zur Trocknung ermöglicht die Einstellung des Sauerstoffgehaltes auf die SGK der Trocknungsgase durch die schrittweise Erhöhung der Gasrückführung bei gleichzeitiger Beobachtung der Entwicklung des Taupunktes. Die Taupunkttemperatur wird aus der absoluten Feuchtigkeit der umlaufenden Gase bestimmt und mit der Gastemperatur verglichen. Um eine Taupunktunterschreitung und damit Kondensation des Wasserdampfes sicher zu vermeiden, sollte die Gastemperatur mindestens 20 °K höher sein als die Taupunkttemperatur. Die absolute Feuchtigkeit der Gase ergibt sich aus der verdampften Wassermenge bei der Trocknung der Kohle, dem Wassergehalt aus der Verbrennung im Heißgaserzeuger und der Feuchte des Rücklaufgases.

Für den Nutzer des Auslegungsprogrammes wird bei der Mahltrocknung von Steinkohle als Sauerstoffgrenzwert 9 % und für Braunkohle 8 % angezeigt. Diese Werte sind nur als Anhaltspunkte zu betrachten, die für viele Kohlen eine ausreichende Sicherheit bringen. Bei besonders leicht entzündlichen Braunkohlen oder stark inkohlten Steinkohlen können aber ggf. niedrigere bzw. höhere Grenzwerte erforderlich/zulässig sein.

Diesbezüglich wird von IBExU Institut für Sicherheitstechnik GmbH Freiberg (An-Institut der TU Bergakademie Freiberg) empfohlen, die erforderlichen sicherheitstechnischen Kenngrößen der betreffenden Kohle zu ermitteln (vor allem die Sauerstoffgrenzkonzentration) und sie für die konkreten Temperatur- und Gasbedingungen in der Hammermühle bewerten bzw. abschätzen zu lassen. Sollte als Inertgas Stickstoff in der Hammermühle zum Einsatz kommen (N₂ hat eine geringere Inertisierungswirkung als Wasserdampf), sind auch hierfür die sicherheitstechnischen Kenngrößen zu ermitteln.