DE102012107740A1

DE102012107740A1 - Verfahren zum Mahlen

Info

Publication number: DE102012107740A1
Application number: DE102012107740.1A
Authority: DE
Inventors: Ralf Haase
Original assignee: GFB GES fur BEMESSUNGSFORSCHUNG MBH; Gfb Gesellschaft fur Bemessungsforschung Mbh
Current assignee: GFB GES fur BEMESSUNGSFORSCHUNG MBH; Gfb Gesellschaft fur Bemessungsforschung Mbh
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2014-02-27
Also published as: WO2014029809A3; JP6261585B2; EP2888052A2; WO2014029809A2; CN104582854A; JP2015530922A; US20150238973A1; US9981270B2; EP2888052B1; DK2888052T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mahlen eines Mahlguts in einer Mühle (2) mit einem Mahlkörper (3), und mit mindestens einer Rolle (7), die unter einem Mahldruck auf dem Mahlkörper (3) abrollt, wobei das Mahlgut in einem Mahlgutstrom als Mahlbett (9) zwischen den Mahlkörper (3) und die Rolle (7) gebracht und im Mahlbett (9) von der Rolle (7) zermahlen wird, beim Mahlen kontinuierlich eine Mahlbetthöhe des Mahlbetts (9) zwischen dem Mahlkörper (3) und der Rolle (7) gemessen wird, und die Mühle (2) anhand von Stellgrößen auf einen vorgegebenen Sollzustand geregelt wird, wobei die Stellgrößen mindestens den Mahldruck und den Mahlgutstrom umfassen und der Sollzustand mindestens einen Sollwert für die Mahlbetthöhe umfasst.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass beim Mahlen kontinuierlich ein mechanischer Zustand der Rolle (7) und daraus eine Festigkeit des Mahlbetts (9) bestimmt wird, und der Sollzustand mindestens einen Sollwert für die Festigkeit des Mahlbetts (9) umfasst.

Description

Einleitung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mahlen eines Mahlguts in einer Mühle mit einem Mahlkörper, und mit mindestens einer Rolle, die unter einem Mahldruck auf dem Mahlkörper abrollt, wobei das Mahlgut in einem Mahlgutstrom als Mahlbett zwischen den Mahlkörper und die Rolle gebracht und im Mahlbett von der Rolle zermahlen wird, beim Mahlen kontinuierlich eine Mahlbetthöhe des Mahlbetts zwischen dem Mahlkörper und der Rolle gemessen wird, und die Mühle anhand von Stellgrößen auf einen vorgegebenen Sollzustand geregelt wird, wobei die Stellgrößen mindestens den Mahldruck und den Mahlgutstrom umfassen und der Sollzustand mindestens einen Sollwert für die Mahlbetthöhe umfasst.
Stand der Technik
Ein Verfahren der vorgenannten Art wird beispielsweise realisiert durch die Steuerungssoftware LMmaster der Loesche GmbH, Düsseldorf.
Eine in ein einem solchen Verfahren steuerbare Vertikalmühle offenbart beispielsweise DE 1 507 759 B . Solche Vertikalmühlen dienen insbesondere in der Zementindustrie und in Kohlekraftwerken zum Mahlen von sprödem Mahlgut, beispielsweise Rohmehl (als Vormaterial der Zementherstellung), Zementklinker, Kalkstein allgemein, Kohle, Ton, Gips oder Hüttensand (Schlacke).
Eine Vertikalmühle besteht im Wesentlichen aus einer oder mehreren Mühlen mit einem rotierenden Mahlteller als gemeinsamen Mahlkörper und je einer auf diesem Mahlkörper abrollenden Rolle. Die Rollen können geometrisch Kugeln oder zylindrische, kegelige oder ballige Walzen sein. Die verschleißenden Oberflächen des Mahlkörpers und der Rollen können mit hoch verschleißfesten Auflagen beispielsweise aus Hartguss versehen sein.
Im Betrieb solcher Vertikalmühlen wird das Mahlgut in der Regel von oben auf die Mitte des Mahlkörpers aufgegeben, bewegt sich von dort unter seinem Eigengewicht und durch Fliehkräfte radial nach Außen und wird von den Rollen vermahlen. Hierbei bildet sich auf dem Mahlkörper ein Schicht aus teilweise vermahlenem Mahlgut in verschiedenen Körnungen, das sog. „Mahlbett“, das sich kontinuierlich zum Rand des Mahlkörpers und darüber hinaus bewegt. Je nach Mahlgut und Anwendungszweck wird zusätzlich Wasser auf den Mahlkörper aufgegeben.
Am Rand des Mahlkörpers fallen Partikel des Mahlguts in die darunter befindliche Mahlschüssel der Vertikalmühle. Je nach Anwendungszweck werden die Partikel aus der Mahlschüssel nach Korngrößen gesiebt, wobei besonders grobe Partikel erneut auf den Mahlkörper geführt werden. Häufig werden zudem mittels eines vertikal aufsteigenden Luftstroms staubförmige Partikel aus dem Mahlbett nach oben in einen oberhalb des Mahlkörpers angeordneten Sichter ausgetragen.
Der mechanische Zustand des Mahlbetts beim Überrollen – seine Festigkeit und seine Mahlbetthöhe auf dem Mahlkörper – bestimmt wesentlich die Effektivität des Mahlvorgangs. Das bekannte Verfahren überwacht die Mahlbetthöhe sowie Feinheit und Menge der ausgetragenen Partikel und passt bei Abweichung von einem für die gemessenen Parameter definierten Sollzustand der Vertikalmühle automatisch deren Stellgrößen an.
Die typischen Stellgrößen einer Vertikalmühle – der Mahlgutstrom und je nach Anwendung ein einstellbarer Mahldruck auf die Rollen, ein Maß des auf den Mahlkörper aufgebrachten Wassers oder des Luftstroms und eine Sichterdrehzahl – sind nur sehr mittelbar und in hohem Maße nichtlinear mit den gemessenen Regelgrößen der Feinheit und der Menge der ausgetragenen Partikel verknüpft. Die richtige Anpassung der Stellgrößen ist daher sehr komplex und auch fehlerträchtig.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein anderes Verfahren zur Anpassung der Stellgrößen vorzuschlagen.
Lösung
Ausgehend von dem bekannten Verfahren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass beim Mahlen kontinuierlich ein mechanischer Zustand der Rolle und daraus eine Festigkeit des Mahlbetts bestimmt wird, und der Sollzustand mindestens einen Sollwert für die Festigkeit des Mahlbetts umfasst.
Die bekannten Verfahren beschränken sich auf die Messung der Mahlbetthöhe, weil die darüber hinaus die Effektivität des Mahlvorgangs wesentlich bestimmende Festigkeit des Mahlbetts nicht unmittelbar messbar ist. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Festigkeit des Mahlbetts unter einer Rolle über die Bewegungsgleichungen mit deren mechanischem Zustand korreliert und sich aus diesem berechnen lässt. Der mechanische Zustand der Rolle – Bewegungszustand, angreifende Kräfte und auftretende Verformungen – ist über allgemein bekannte Verfahren messbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt für die Regelung des Mahlvorgangs mit dem vollständigen mechanischen Zustand des Mahlbetts eine Regelgröße zur Verfügung, die mit den Stellgrößen der Vertikalmühle in einem wesentlich direkteren Zusammenhang steht. Die automatische Anpassung der Stellgrößen wird damit erst möglich.
Bevorzugt umfasst in einem erfindungsgemäßen Verfahren der mechanische Zustand der Rolle eine aus dem Mahlbett auf die Rolle wirkende Kraft und einen Ort und/oder einen Drehwinkel der Rolle um eine Drehachse der Rolle. Vorzugsweise wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren die Kraft und ggf. der Ort mindestens in radialer Richtung der Rolle bestimmt. Über die Radialkomponenten der Kraft und des Orts der Rolle lässt sich die Steifigkeit des Mahlbetts senkrecht zum Mahlkörper, über die Tangentialkomponente der Kraft und den Drehwinkel in Bewegungsrichtung des Mahlbetts ermitteln.
Besonders bevorzugt wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens eines aus Geschwindigkeit, Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung der Rolle bestimmt.
In einer vorteilhaften Ausprägung eines erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Festigkeit des Mahlbetts mindestens eine Dämpfung des Mahlbetts und/oder eine Steifigkeit des Mahlbetts. Durch die Bestimmung der Bewegungskomponenten und der Kraft in den drei Raumrichtungen und um die drei Raumachsen sind alle möglicher Weise linear unabhängigen Komponenten zur Bestimmung der Festigkeit erfasst.
Je nach Anwendungsfall können in einem Mahlprozess verschiedene Komponenten dieser Parameter des mechanischen Zustands der Rolle weniger relevant sein. In einem erfindungsgemäßen Verfahren kann entsprechend die Bestimmung der weniger relevanten Komponenten entfallen.
Bevorzugt werden in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kalibrierung zunächst anhand von Messwerten durch multidimensionale nichtlineare Regression Proportionalitätskonstanten zur Bestimmung der Stellgrößen aus der Festigkeit des Mahlbetts ermittelt. Die Kalibrierung der Proportionalitätskonstanten anhand von Messwerten erlaubt insbesondere die Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an verschiedene Vertikalmühlen.
Besonders bevorzugt werden in einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren beim Mahlen die Proportionalitätskonstanten kontinuierlich ermittelt. Da sich die Proportionalitätskonstanten im Regelbetrieb einer Mühle nicht – oder nur sehr langsam – ändern sollten, gewährt ihre fortlaufende Überwachung einen guten Einblick in den Verschleißzustand insbesondere der Rolle. Eine sprunghafte Änderung der Proportionalitätskonstanten kann auf eine Störung im Betrieb hinweisen und als Kriterium für eine automatische Notabschaltung dienen.
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann mit dem Mahlgut Wasser zwischen den Mahlkörper und die Rolle gebracht werden, wobei die Stellgrößen eine Menge des aufgebrachten Wassers umfassen. Weiterhin kann das gemahlene Mahlgut von im Wesentlichen vertikal strömender Luft in einen Sichter gefördert und dort nach Kriterien mindestens aus Partikelgröße, Dichte, Trägheit und Schwebe- oder Schichtungsverhalten klassifiziert werden, wobei die Stellgrößen eine Menge der strömenden Luft und eine Sichterdrehzahl des Sichters umfassen.
Ausführungsbeispiel
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
1: eine Vertikalmühle,
2: ein Detail der Vertikalmühle und
3: eine Prinzipskizze zu den Bewegungsgleichungen.
Die in 1 gezeigte Vertikalmühle 1 weist vier Mühlen 2 mit einem Mahlteller als gemeinsamen Mahlkörper 3 auf. Die vier Mühlen 2 und der Mahlkörper 3 sind auf einem gemeinsamen Fundament 4 verankert. Eine Grundplatte 5 des Mahlkörpers 3 ist fest mit dem Fundament 4 verbunden. Der Mahlkörper 3 ist um eine vertikale Achse 6 rotierbar gelagert und wird im Betrieb der Vertikalmühle 1 angetrieben. 2 zeigt im Detail eine einzelne Mühle 2 der Vertikalmühle 1. Jede Mühle 2 weist eine Rolle 7 auf, die um eine horizontale Achse 8 rotiert und auf dem Mahlkörper 3 abrollt.
Der mechanische Zustand der Rolle 7 lässt sich durch die Bewegungsgleichung der Strukturdynamik F = cf(x) + kf(v) + mf(a) mathematisch beschreiben, die in 3 veranschaulicht ist: An der Rolle 7 greift die Kraft F an, die Rolle 7 weist einen Radius R, eine Masse m und zu jedem Zeitpunkt einen Abstand x zu einem (nicht dargestellten) Nullpunkt, eine Geschwindigkeit v und eine Beschleunigung a auf. Die Konstanten k und c der Bewegungsgleichung entsprechen der Steifigkeit und der Dämpfung des Mahlbetts 9. Alle Größen sind Vektorgrößen. In der Geschwindigkeit v und der Beschleunigung a im (idealisierten) Kontaktpunkt mit dem Mahlbett 9 sind in tangentialer Richtung Anteile aus den Ableitungen des Winkels φ enthalten.
In der Vertikalmühle wird ein Grundstoff für die Zementherstellung gemahlen, der zu etwa 90 vH aus Kalkstein besteht. Weitere Zuschlagstoffe sind insbesondere Mergel, Kohlenstaub und Aluminium, wobei die letzteren bereits in feinkörniger Form in die Vertikalmühle gegeben werden. Das Mahlgut wird vor dem Aufgeben auf etwa 200 °C geheizt, um ein frühzeitiges Zusammenbacken zu vermeiden.
An den Mühlen 2 werden zunächst Messwertaufnehmer zum fortlaufenden Bestimmen des mechanischen Zustands der Rollen 7 angebracht und die Bewegung und die Kräfte sowie die Regelgrößen Mahlbetthöhe, Antriebsleistung, Differenzdruck, Sichtertemperatur und Heizleistung und die dazu gehörenden Werte von Mahldruck, Mahlgutstrom, Sichterdrehzahl und Wasser- und Luftmenge als Stellgrößen über mehrere Wochen aufgenommen. Aus dem mechanischen Zustand wird über die Bewegungsgleichung fortlaufend die Festigkeit des Mahlbetts 9 berechnet.
Zum Kalibrieren der Regelung werden durch multidimensionale nichtlineare Regression die Proportionalitätskonstanten bestimmt, die den Zusammenhang zwischen der Festigkeit des Mahlbetts 9 und den Stellgrößen der Mühlen 2 beschreiben.
Für den Betrieb der Vertikalmühle 1 ist ein Sollzustand des Mahlbetts 9 vorgegeben, bei dem das Mahlverfahren nach den Erfahrungen der vorherigen Messung mit optimaler Effektivität aufbereitet. Weicht im Betrieb der aus den Messwerten bestimmte mechanische Zustand des Mahlbetts 9 von dem Sollzustand ab, wird mit dem nun bekannten mathematischen Zusammenhang eine entsprechende Anpassung der Stellgrößen ermittelt und in einer Leitwarte der Vertikalmühle 1 als Sollwert vorgegeben, die den Sollzustand wiederherstellt.
Im Betrieb der Vertikalmühle 1 ist der Winkel α der Kraft F ein wichtiges Maß für die Energieeffizienz des Verfahrens.
Ein weiterer Mühlentyp, zu dessen Regelung sich das erfindungsgemäße Verfahren gleichfalls eignet, ist die Gutbett-Walzenmühle (auch: „Rollenpresse“), bei der die Rolle auf einer zweiten, gleich großen oder mit gleicher Umfangsgeschwindigkeit rotierenden Rolle als Mahlkörper 3 abrollt. Das Mahlgut wird im Wesentlichen von oben in den Zwickel zwischen den beiden Rollen aufgegeben, zermahlen und fällt nach unten in die Mahlschüssel.
Bezugszeichenliste

1: Vertikalmühle
2: Mühle
3: Mahlkörper
4: Fundament
5: Grundplatte
6: Achse
7: Rolle
8: Achse
9: Mahlbett

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1507759 B [0003]

Claims

Verfahren zum Mahlen eines Mahlguts in einer Mühle (2) mit einem Mahlkörper (3), und mit mindestens einer Rolle (7), die unter einem Mahldruck auf dem Mahlkörper (3) abrollt, wobei – das Mahlgut in einem Mahlgutstrom als Mahlbett (9) zwischen den Mahlkörper (3) und die Rolle (7) gebracht und im Mahlbett (9) von der Rolle (7) zermahlen wird, – beim Mahlen kontinuierlich eine Mahlbetthöhe des Mahlbetts (9) zwischen dem Mahlkörper (3) und der Rolle (7) gemessen wird, und – die Mühle (2) anhand von Stellgrößen auf einen vorgegebenen Sollzustand geregelt wird, wobei die Stellgrößen mindestens den Mahldruck und den Mahlgutstrom umfassen und der Sollzustand mindestens einen Sollwert für die Mahlbetthöhe umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – beim Mahlen kontinuierlich ein mechanischer Zustand der Rolle (7) und daraus eine Festigkeit des Mahlbetts (9) bestimmt wird, und – der Sollzustand mindestens einen Sollwert für die Festigkeit des Mahlbetts (9) umfasst.
Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Zustand der Rolle (7) eine aus dem Mahlbett (9) auf die Rolle (7) wirkende Kraft (F) und einen Ort (x₁, x₂) und/oder einen Drehwinkel (φ) der Rolle (7) um eine Drehachse der Rolle (7) umfasst.
Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft (F) und ggf. der Ort (x₁) mindestens in radialer Richtung der Rolle (7) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines aus Geschwindigkeit, Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung der Rolle (7) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeit des Mahlbetts (9) mindestens eine Dämpfung (c_r, c_t) des Mahlbetts (9) und/oder eine Steifigkeit (k_r, k_t) des Mahlbetts (9) umfasst.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung zunächst anhand von Messwerten durch multidimensionale nichtlineare Regression Proportionalitätskonstanten zur Bestimmung der Stellgrößen aus der Festigkeit des Mahlbetts (9) ermittelt werden.
Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beim Mahlen die Proportionalitätskonstanten kontinuierlich ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Mahlgut Wasser zwischen den Mahlkörper (3) und die Rolle (7) gebracht wird, und dass die Stellgrößen eine Menge des aufgebrachten Wassers umfassen.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gemahlene Mahlgut von im Wesentlichen vertikal strömender Luft in einen Sichter gefördert und dort klassifiziert wird, und dass die Stellgrößen eine Menge der strömenden Luft und eine Sichterdrehzahl des Sichters umfassen.