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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermahlung von Aufgabematerial mit hohem Wassergehalt mittels Pendelmühlen.
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Bei der Mahltrocknung von klebrigem, feuchtem Aufgabematerial, wie Silikaten, Karbonaten und anderen anorganischen Salzen, treten zwei Hauptprobleme auf.
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Zum einen neigt das klebrige Aufgabegut dazu, die Aufgabeeinrichtung zu verkleben und sich an die Mahlwerkzeuge anzulegen, worunter der Durchsatz der Anlage und die Qualität des Produktes leiden.
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Zum anderen muss die Mahltrocknungsanlage eine sehr hohe Wasserverdampfungsleistung erbringen, um den hohen Feuchtigkeitsgehalt des Aufgabegutes bei der Mahltrocknung aus der Mühle auszutragen. Die Wasserverdampfungsleistung ist abhängig von der Mühlenluftmenge und der eingetragenen Wärmemenge, die sich aus der Differenz zwischen Mühleneintritts- und Mühlenaustrittstemperatur der Mühlenluft ergibt. Diese Temperaturen sind dabei aber nicht beliebig veränderbar. Die maximale Mühleneintrittstemperatur der Mühlenluft ist konstruktionsbedingt von der Mühle abhängig. Die Mühlenaustrittstemperatur muss immer noch so hoch sein, dass die Luftmenge dazu in der Lage ist, die verdampfte Wassermenge ohne Unterschreitung des Taupunktes d. h. ohne Kondensation, auszutragen.
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Bisher werden drei Grundverfahrenstechniken für die Mahltrocknung von feuchtem Aufgabegut angewandt. Ein erstes Verfahren ist die Mahltrocknung mittels einer beheizten Prallmühle, wobei Rohmaterial mit Wassergehalt von bis zu 65% in einem einzigen Verfahrensschritt zu pulverförmigen Schüttgut vermahlen wird. In Prallmühlen kann mit hohen Mühleneintrittstemperaturen gearbeitet werden, so dass das Aufgabegut im Heißluftstrom von 250 bis 600°C getrocknet und gemahlen und anschließend durch Zyklone oder Filter aus dem Heißluftstrom abgetrennt werden kann. Problematisch ist bei diesem Verfahren die Vermahlung von nassen, klebrigen Aufgabegut, wie z. B. quellfähigen Schichtsilikaten wie Bentoniten. Das klebrige Aufgabematerial kann die Aufgabevorrichtungen verkleben oder an der Gehäusewand der Mühle anbacken und dadurch den Rotor blockieren. Um diese Problem zu vermeiden wird bereits getrocknetes Mahlprodukt, das durch einen Zyklon oder Filter aus dem Heißluftstrom abschieden wurde, oder Grobgut, dass aus dem Luftstrom nach der Mühle mittels Sichter abgetrennt wird, zur Aufgabevorrichtung vor der Mühle zurückgeführt wird. Dort wird dieses Grobgut in Durchlaufmischern, vorzugsweise Doppelwellenmischern, mit dem klebrigen Aufgabematerial vermischt, so dass der Wassergehalt des Aufgabegutes bis auf unter 20% abgesenkt wird, wobei die Oberflächen des klumpigen oder stückigen Aufgabematerials „abgepudert” werden.
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Da die quellfähigen Schichtsilikate wegen ihrer physikalischen Eigenschaften (weich, nicht spröde, hoher Wassergehalt, mit harten mineralischen Verunreinigungen) schlecht mahlbar sind und durch unbefriedigende Mahlleistung der Anlagendurchsatz durch eine Mahltrocknung (t/h) niedrig ist wird parallel zu der eigentlichen Mahltrocknung zusätzlich eine Mahlkapazität meist durch Installation einer zusätzlichen Pendelmühle oder Einrollenmühle betrieben. Dies verteuert die Investition in solchen Anlagen, die vom Gesichtspunkt der Produktqualität (geringe und kurze Temperaturbelastung des Materials) und des Energieverbrauchs Vorteile aufweisen. Vermutlich wurde aus diesen Gründen in den letzten Jahrzehnten einer der nachfolgend beschriebenen Grundprozesstypen bei Neuanlagen realisiert.
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Das zweite Verfahren ist ein zweistufiger Prozess, bei dem das Rohmaterial zunächst in einem Trommeltrockner bei 500 bis 1000°C und Verweilzeiten von 20 bis 120 min vorgetrocknet wird, wobei keine oder nur geringe mechanische Zerkleinerung des Aufgabegutes erfolgt. Die getrockneten Granulate werden zwischengelagert und dann einer getrennten Prozessstufe der Vermahlung zugeführt. Diese erfolgt auf verschiedenen Typen von Mühlen wie Pendelmühlen, Walzenschüsselmühlen, Kugelmühlen, Stiftmühlen, Ultrarotormühlen. Dieser zweistufige Prozess ist einfacher zu beherrschen, hat jedoch einen hohen Platzbedarf. Die Betriebskosten sind hoch, da die Wärmeenergieeffizienz in der Trocknung geringer ist und ein fast doppelter Elektroenergiebedarf dadurch entsteht, dass eine große Luftmenge für die Trocknung und nochmals für die Mahlung bewegt werden muss. Durch die längere Temperaturbelastung bei deutlich höherem Temperaturniveau wird die Produktqualität bei gleicher Qualität des Ausgangsmaterials bei dieser Verfahrensvariante gegenüber der Mahltrocknung negativ beeinflusst. Auch ist der Energie- und Platzbedarf höher als bei der Mahltrocknung. Der geringere Investitionsbedarf und die einfache Betriebsweise gaben jedoch in den letzten Jahren den Ausschlag dafür, dass diese Verfahrensvariante bevorzugt installiert wurde.
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Ein letztes Verfahren besteht aus der Kombination eines Pralltrockners und einer Pendelmühle. Dabei wird angestrebt, die Nachteile der beiden vorgenannten Verfahren zu überwinden. Ein mit Heißluft von 400 bis 500°C beaufschlagter Pralltrockner (ein- oder zweirotorige Hammermühle mit Materialfluss in Axialrichtung der verlängerten Rotorwellen z. B. Schnelltrockner Fa. HAZEMAG) zerkleinert und mahlt das Aufgabematerial von bis zu 65% Wassergehalt vor. Im Ergebnis fällt ein Feingranulat an, das durch die Rotoren durch den Trockner in axialer Richtung gefördert wird. Der Wassergehalt dieses Zwischenproduktes ist nach dem Pralltrockner bereits auf 10 bis 15% gesunken, wodurch in der nachfolgenden Vermahlung eine gute Vermahlbarkeit des Materials bei geringer Temperaturbelastung der Mühle erreicht wird. Die austretende Trocknerluft mit einer Temperatur von 100 bis 150°C und mit dem darin in der Trocknung entstandenen Staub wird nun direkt einer Pendelmühle als Mahlluft zugeführt. Das Feingranulat aus dem Trockner gelangt über ein Becherwerk und Vorbunker, in dem auch der ggf. abgeschiedene Trocknerstaub aufgegeben wird ebenfalls in die Pendelmühle. Dort wird, wie herkömmlich, das Material bis zur gewünschten Produktfeinheit und -feuchte getrocknet und gemahlen. Der wesentliche Unterschied dieses Verfahrens besteht darin dass die Trocknerluft direkt als Mahlluft einer entsprechend dimensionierten Pendelmühle zugeführt wird, d. h. wie bei der zuerst beschriebenen Mahltrocknung nur einmal eine Luftmenge zu transportieren ist. Nachteilig ist jedoch der hohe spezifische Investitionsaufwand, da die Durchsatzmenge einer solchen Kombination Pralltrockner/Pendelmühle durch den im Vergleich zu einem Trommeltrockner geringen Durchsatz einer Pendelmühle bestimmt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die spezifischen Kosten bei der Mahltrocknung von feuchtem Aufgabegut mit einem Wassergehalt von über 20% reduziert werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird feuchtes Aufgabematerial in einer Pendelmühle mit aufgesetztem Sichter gemahlen und getrocknet. Dabei wird die Mühlenluft mit einem Heißgaserzeuger auf bis zu 500°C erhitzt. Der Sichter dient dazu, das Mahlprodukt von nicht ausreichend gemahlenem Grobgut zu trennen.
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Bislang wurden Pendelmühlen nur mit Mühleneintrittstemperatur von unter 200°C betrieben, wodurch ihre Wasserverdampfungsleistung sehr stark limitiert war. Da es jedoch bei der Mahltrocknung von feuchten Aufgabegut in einer Pendelmühle bei dem Kontakt des feuchten Aufgabegutes mit der heißen Mühleneintrittsluft durch die Wasserverdampfung zu einer plötzlichen Abkühlung der Mühlenluft kommt, ist die Mühlenlufttemperatur in den hitzeempfindlichen Bereichen der Mühle bereits deutlich reduziert. Bei der Mahltrocknung von feuchtem Aufgabegut können daher auch bei herkömmlichen Pendelmühlen Mühleneingangstemperaturen von 180 bis 500°C im Dauerbetrieb eingesetzt werden, ohne dass es zu temperaturbedingten Verschleißerscheinungen der Pendelmühle kommt.
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Vorzugsweise wird die Mühlenluft auf Temperaturen von 250 bis 500°C und noch vorzugsweise auf Temperaturen von 300 bis 400°C erhitzt.
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Die Wasserverdampfungsleistung ist ein limitierender Faktor für einstufige Mahltrocknungsprozesse wie für die hier vorgestellte Mahltrocknung in einer Pendelmühle. Die Luftmenge muss bei einer bestimmten Mühlenaustrittstemperatur in der Lage sein, die verdampfte Wassermenge sicher ohne Unterschreitung des Taupunktes d. h. ohne Kondensation, auszutragen. Um die Wasserdampfmenge, die bei der Mahltrocknung eines Aufgabematerials mit 35% Wassergehalt zu einem Mahlprodukt mit 10% Wassergehalt bei einem Aufgabematerial/Mühlenluft-Verhältnis von 0,53 kg/Nm3 entsteht, sicher auszutragen, ist eine relativ geringen Ausgangstemperatur der Mühlenluft von 77°C ausreichend (Taupunkt bei 62,3°C, d. h. Taupunktabstand 14,7°C). Selbst bei diesen Verfahrensbedingungen ist die Rückführung von Mahlluft mit dem Ziel einer effektiven Energieausnutzung von 40% der Abluft zur Mühle möglich. Zur Erhöhung der Verdampfungsleistung und der Trocknungsgeschwindigkeit sollte jedoch auf eine Mahlluftrückführung weitgehend verzichtet werden, um auch eine geringere Ablufttemperatur einstellen zu können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtung ermöglicht es Aufgabegut mit einem Wassergehalt von über 20% ohne Durchsatzverluste zu trocknen und zu vermahlen. Vorzugsweise kann auch Aufgabegut mit einem Wassergehalt von über 30%, noch vorzugsweise von über 40%, vermahlen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden Verklebungen und Verbackungen im Eingangsbereich der Mühle dadurch vermieden, dass Grobgut aus dem Mühlensichter aus der Mühle ausgetragen wird und mit dem feuchten Aufgabegut mittels eines kontinuierlichen Mischers, meist Paddel- oder Doppelwellenmischer, innig vermischt wird. Je nach Menge des vom Sichter abgewiesenen Grobgutes reduziert sich der Wassergehalt des Gemisches Aufgabegut/Grobgut bis auf 20%. Die Oberfläche des klumpigen Materials ist mit trockenem Grobgut bepudert und kann somit nicht die Aufgabeschleuse versetzen. Im Mahlraum, wo dieses Aufgabegutgemisch dem Heißluftstrom ausgesetzt ist, kommt es dadurch auch nicht zu Verbackungen.
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Die Konstruktion eines statischen (Doppelkonus) oder dynamischen Sichters mit einer Austragsvorrichtung des Grobgutes aus dem Sichter- bzw. Mühlengehäuse ist bekannt. Derartige Konstruktionen werden bisher jedoch nur mit dem Ziel eingesetzt, das Mahlgutes von harten, schwer mahlbaren Partikeln, meist mineralische Verunreinigungen, auszureinigen. Dieses Grobgut wird dabei endgültig aus dem Mahltrocknungsprozess ausgeschleust. In der vorliegenden Erfindung wird dagegen dieses Grobgut, in dem sich noch ein hoher Anteil nicht vermahlenen, verwertbaren Produkts befindet, mit dem Aufgabegut vermischt und somit in den Mahlprozess zurückgeführt.
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Eine hohe Trocknungsgeschwindigkeit, die sich vorteilhaft auf die Qualität des Produktes auswirkt, wird dadurch erreicht, dass eine Pendelmühle neben ihrer Mahlfunktion auch die Funktion eines „Rührwerkstrockner” übernehmen kann. Die Hubschaufeln der Pendelmühle „rühren” ständig das Material vom Boden des Mühlengehäuses auf und werfen es in den Heißluftstrom bzw. in den Mahlspalt zwischen den Mahlrollen und dem Mahlring. Damit ist ein intensiver Wärmeaustausch, ein schnelles Abtrocknen des Mahlgutes und Abkühlen der Mahlluft möglich. Konstruktive Vorteile haben hier Pendelmühlen mit oben liegendem Antrieb durch einen größeren Freiraum in der Trocknungs- und Mahlzone.
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Die in den Beispielen genannte Energie- und Investitionskosten zeigen deutlich die geringeren spezifischen Kosten pro t/h Produktionskapazität. Selbst bei abnehmender Durchsatzleistung der Mahltrocknung bei höherem Wassergehalt des Aufgabengutes von über 30 bis 35% und begrenzter Eingangstemperatur der Mühlenluft ist die Installation einer größeren Pendelmühle gegenüber einer herkömmlichen Trocknung und Mahlung zur Erhaltung der geforderten Produktionskapazität gerechtfertigt.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der geringe Platzbedarf. Während die herkömmlichen Mahltrocknungsverfahren die Installation mehrerer separaten Mühlen oder Trockner vorsieht, wird zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur Platz für eine einzige Pendelmühle benötigt.
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Anhand nachfolgender Abbildungen werden das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Pendelmühle zur Mahltrocknung von klebrigen, feuchten Aufgabematerial;
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Eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Mahltrocknung von Aufgabematerial mit hohem Wassergehalt ist in 1 dargestellt. Zentrales Element der Vorrichtung ist eine Pendelmühle 10, die sich in einem Mühlengehäuse 12 befindet. Die Pendel 14 der Pendelmühle 10 werden durch die Zentrifugalkraft gegen den feststehenden Mahlring 16 gedrückt, so dass das das Mahlgut durch Druck und Reibung zwischen den Pendeln 14 und dem Mahlring 16 zerkleinert wird. Hubschaufeln 18 nehmen das Mahlgut vom Mühlenboden auf und befördern es in den Mahlspalt zwischen Pendel 14 und Mahlring 16. Ein Heißgaserzeuger 20 produziert das heiße Gas, das über das Rohr 22 in das Mühlengehäuse eingeleitet wird. Über Fördereinrichtungen 24, 34 wird das feuchte Aufgabegut zu einer Aufgabezellradschleuse 26 befördert und über diese Schleuse 26 der Pendelmühle 10 aufgegeben. Ein der Pendelmühle 10 aufgesetzter, statischer oder dynamischer Sichter 28 dient dazu, Grobgut aus der Mühlenluft abzuscheiden. Das Mahlprodukt wird mit der Mühlenluft über einen Luftkanal 30 aus dem Sichter 28 ausgetragen.
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Um Verklebungen oder Verbackungen im Eingangsbereich der Pendelmühle 10 vorzubeugen, wird das im Sichter 28 abgeschiedene Grobgut mit dem feuchten Aufgabegut vermengt. Dazu wird das Grobgut mittels einer Grobgutschnecke 32 vom Sichter 28 in den Aufgabebereich eines Doppelwellenmischers 34 gefördert, der das Grobgut mit dem feuchten Aufgabegut vermengt. Am auslaufseitigen Ende des Doppelwellenmischers 34 wird das vermischte Aufgabegut wiederum über die Aufgabezellradschleuse 26 der Pendelmühle 10 aufgegeben.
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In Tabelle 1 sind die Energiemengen, die zur Produktion von 1 t Mahlprodukt benötigt werden sowie die Investitionskosten des Verfahrens mit kombinierter Pralltrockner/Pendelmühle und des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgelistet. Das Erfindungsgemäße Verfahren verbraucht mit 40 kW/t Mahlprodukt weniger Energie als das herkömmliche Verfahren, und zeichnet sich zudem durch erheblich niedrigere Investitionskosten aus. Tabelle 1: Vergleich der spezifischen Kosten pro t/h Produktionskapazität:
| | Pralltrockner mit Pendelmühle | Pendelmühle |
| Aufgabematerial |
| | Durchsatz | 6.923 kg/h | 6.430 kg/h |
| Wassergehalt | 35% | 30% |
| Mahltrocknungsprodukt |
| | Durchsatz | 5.000 kg/h | 5.000 kg/h |
| Wassergehalt | 10% | 10% |
| Pralltrockner |
| | Heißluft | Eingang | 38.930 m3/h, 505°C | - |
| Ausgang | 25.120 m3/h, 120°C | - |
| Mühle |
| | Mahlluft | Eingang | 25.615 m3/h, 105°C mit 495 m3/h Rückluft | 32.660 m3/h, 260°C mit 507 m3/h Rückluft |
| Ausgang | 25.120 m3/h, 120°C | 23.990 m3/h, 65°C |
| Installierte elektrische Leistung | 275 kW (55 kW/t Produkt) | 200 kW (40 kW/t Produkt) |
| Investitionskosten (Hauptausrüstung) |
| Schnelltrockner mit Heißgaserzeuger | ~ EUR 470.000.- | - |
| Mühle mit dynamischen Sichter | ~ EUR 370.000.- | - |
| Mühle mit statischen Sichter und Heißgaserzeuger | - | ~ EUR 440.000.- |
| Filter mit Ventilator | ~ EUR 140.000.- | ~ EUR 140.000.- |
| SUMME | ~ EUR 980.000.- | ~ EUR 550.000.- |
