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Mahlvorrichtung für Mineralien
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Mahlvorrichtung nach dem Oberbegriff
des ersten Anspruches.
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Die Zerkleinerung bestimmter Mineralien auf eine Teilchengröße von
100 bis 400 mesh und noch kleiner, führt zu wesentlichen Verbesserungen bei der
Verwendung der Mineralien und in manchen Fällen sogar zu neuen Verwendungsmöglichkeiten
für die Mineralien.
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Mahlvorrichtungen für die Aufbereitung der Mineralien auf eine genügend
kleine Teilchengröße und in wirtschaftlich vertretbarem Ausmaß sind bisher jedoch
nicht erhältlich.
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Es ist bekannt, daß bei der Zerkleinerung von Kohle auf einen ausreichenden
Feinheitsgrad durch Schwefel und Asche verursachte Unreinheiten aus der Kohle im
wesentlichen entfernt werden können. Es wurde nunmehr gefunden, daß dann, wenn Kohlepartikel
noch weiter auf eine Größe von weniger als etwa 3 Mikron zerkleinert werden, diePartikel
in eine brennbare Mischung eingegeben werden können, die sich unmittelbar als Brennstoff
für Kesselanlagen oder sogar für Verbrennungsmotoren verwenden läßt.
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Zum Stand der Technik gehören zahlreiche Kohleaufbereitungsanlagen.
Die verschiedenen bekannten Mahl-, Misch-, Trocken-, und andere Vorrichtungen, die
zum Beispiel in den Patentanmeldungen Nr. 241 653, 1 577 o52, 975 380 und 2 168
o93 beschrieben sind, zerkleinern die Kohle jedoch nicht so fein, daß sie sich als
Brennstoff für Kessel oder für Benzin- und Dieselmotoren eignet. Kugelmühlen und
ähnlich aufgebaute Horizontalmühlen, beispielsweise solche nach den US-PS'en 699
405, 1 951 823, 1 986 103, 2 822 987, 3 o56 561, 3 202 364, 3 223 336 und 3 682
39~9 ergaben ein ausreichend fein zerkleinertes Erzeugnis, waren jedoch zu langsam
oder zu wenig leistungsfähig, um industriell eingesetzt zu werden.
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Wirbelbett-Mahlvorrichtungen erwiesen sich bei der Aufbereitung von
Kohle oder anderen Mineralien auf kleine Teilchengröße als leistungsfähig. Sie unterscheiden
sich von Kugelmühlen, Steinmühlen, Rollenmühlen, Sandmühlen, Tafelmühlen u. dgl.
Wirbelbett-Mahlvorrichtungen weisen einen Mahlbehälter auf,
in dem
sich ein Bett von Mahlmittelkörpern befindet, Ças durch an einer sich drehenden
Welle angebrachte Rührarme verwirbelt wird. Wirbelbett-Mahlvorrichtungen sind in
den GB-PS'en 716 316 und 1 331 662, den DE-PS'en 1 214 516 und 1 233 237 sowie in
den US-PS'en 2 764 359, 2 779 752, 3 oo8 657, 3 o18 059, 3 131 875, 3 149 789, 3
204 880, 3 332 628, 3 493 182, 3 502 396, 3 601 322, 3 799 455, 3 998 938, 4 244
531 dargestellt und beschrieben.
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In für derartige Mahlvorrichtungen typischer Weise werden die Feststoffteilchen
auf eine Teilchengröße in der Größenordnung von 50 bis o,o5 Mikron, in manchen Fällen
sogar auf eine noch kleinere Größe zermahlen.
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Ein wesentlicher Vorteil der WirbelbettMahlvorrichtungen liegt, verglichen
beispielsweise mit Schwingmühlen, darin, daß die Zerkleinerung in der Hauptsache
zwischen den Mahlmittelkörpern des verwirbelten Mahlmittels vonstatten geht und
die Behälterwandungen nicht in Mitleidenschaft gezogen werden. Die mechanische Abnutzung
an der Rührwelle und der inneren- Wandung des Mahlbehälters ist demzufolge erheblich
herabgesetzt.
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Ein anderer Vorteil der Wirbelbett-Mahlvorrichtungen liegt darin,
daß'der Mahlbehälter in Ruhe bleibt, so daß derartige Mahlvorrichtungen im Betrieb
weniger Schwierigkeiten bereiten als Schwingmühlen.
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Im allgemeinen handelt es sich bei Wirbelbett-Mahlvorrichtungen um
chargenweise, in Zirkulation oder kontinuierlich arbeitende Mahlvorrichtungen. Bei
einer chargenweise arbeitenden Mahlvorrichtung, beispielsweise einer Mahlvorrichtung
nach der
US-PS 2 764 359, wird eine bestimmte Menge eines Mahlgutgemisches
zusammen mit dem Mahlmittel in einen Behälter eingegeben und danach das Mahlmittel
mit Hilfe eines Rührwerkes verwirbelt. Das Mahlmittel wird verwirbelt, bis das Gemisch
in gewünschtem Ausmaß gemahlen, dispergiert und / oder zerflockt ist.
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Ist das Gemisch genügend zerkleinert, so wird die chargenweise arbeitende
Mahlvorrichtung stillgesetzt und das Mahlgut daraus entfernt.
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Die kontinuierlich arbeitende Wirbelbett-Mahlvorrichtung nach der
US-PS 3 149 789 ist der chargenweise arbeitenden Mahlvorrichtung einigermaßen ähnlich,
mit der Ausnahme, daß sie länger ist und das Mahlgut kontinuierlich an einem Ende
des Mahlbehälters-eingeg.eben und am gegenüberliegenden Ende ausgetragen wird. Ublicherweise
wird das Gemisch am Behälterboden eingegeben und an der Oberseite des Behälters
ausgetragen, wobei es sich in vertikaler Richtung durch den Behälter bewegt und
horizontale Schichten bildet, deren Teilchendichte und Größenverteilung in jeder
Höhe des Behälters im wesentlichen die gleichen bleiben.
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Bei einer in Zirkulation arbeitenden Wirbelbett-Mahlvorrichtung, wie
sie z. Bsp. in der US-PS 3 998 938 beschrieben ist, ähnelt der Mahlbehälter dem
der chargenweise arbeitenden Mahlvorrichtung, doch wird das Mahlgut-Gemisch während
des Mahlvorganges wiederholt mit großer Durchlaufgeschwindigkeit durch den Mahlbehälter
geleitet.
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Die hohe Durchlaufgeschwindigkeit, die manchmal als "Strömungsgeschwindigkeit"
bezeichnet wird, führt zusammen mit der Rezirkulation des Gemisches zu einer unerwartet
raschen Zerkleinerung und einem Erzeugnis mit wenig abweichender Verteilung der
Teilchengröße (narrow particle size distribution).
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Obwohl Wirbelbett-Mahlvorrichtungen im allgemeinen dazu geeignet waren,
kleine Mengen Kohle auf kleine Teilchengröße bei zufriedenstellendem Durchsatz zu
vermahlen, sind den bisher bekannten Wirbelbett-Mahlvorrichtungen physikalische
Grenzen gesetzt, die dem Bau von Anlagen solcher Größe entgegenstehen, daß damit
Kohle oder andere Mineralien im industriellen Maßstab verarbeitet werden könnten.
Als man größere Wirbelbett-Mahlvorrichtungen erstellte, wurde der Druck des Mahlmittels
im unteren Bereich des Mahlbehälters so groß, daß die Leistungsaufnahme der Mahlvorrichtung
in PS steil zunahm. Darüber hinaus wurde die Wirksamkeit des verwirbelten Mahlmittels
selbst ungünstig beeinflußt. In dem Ausmaß, in welchem das Problem erkannt wurde,
neigte der zum Beispiel aus der US-PS 3 670 970 bekannt gewordene Stand der Technik
dazu, von der vorliegenden Erfindung wegzuleiten, indem vorgeschlagen wurde, den
Mahlbehälter sehr flach und auch das Mahlmittel im Verhältnis zur Breite niedrig
zu halten.
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Es liegt daher die Aufgabe vor, eine Wirbelbett-Mahlvorrichtung zu
schaffen, mit deren Hilfe es möglich ist, Kohle oder andere Mineralien in Mengen
feiner zu vermahlen als es mit den bisher bekannten Vorrichtungen möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Kennzeichen des ersten
Anspruches angeführten Merkmale gelöst.
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Die Erfindung sieht eine Wirbelbett-Mahlvorr ichtung mit einem Mahlbehälter
vor, in welchem sich Mahl-
mittelkörper befinden und der durch eine
Anzahl übereinander angeordnete Gitterroste in mehrere Behälterabschnitte unterteilt
ist, wobei sich in jedem Behälterabschnitt eine Teilmenge des Mahlmittels befindet.
Ein Rührwerk mit zentraler Welle und radial gerichteten Rührarmen taucht in den
Mahlbehälter ein'und durchgreift die Gitterroste und die einzelnen Behälterabschnitte,
so daß die Mahlmittelkörper durch das laufende Rührwerk verwirbelt werden. In bestimmten
Fällen sind die Mahlmittelkörper von verschiedener Größe, wobei sich im jeden Behälterabschnitt
jeweils Mahlmittelkörper gleicher Größe befinden.
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Vorzugsweise sind auf der zentralen Welle des Rührwerkes zwischen
den Rührarmen die Welle ungreifende Scheiben angebracht und jeder Behälterabschnitt
ist mit einer Durchtrittsöffnung für das Mahlmittel versehen. Vorzugsweise ist der
Mahlbehälter auch mit einem Temperaturregler, z. Bsp. einem Wassermantel, versehen,
um die Temperatur in den einzelnen Behälterabschnitten individuell zu steuern.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung.
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Die Zeichnungsfigur gibt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
wieder und zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau eines Mahlbehälters.
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Die Zeichnungsfigur zeigt einen Mahlbehälter 1o, der durch Gitterroste
14 in eine Anzahl Behälterabschnitte 12 unterteilt ist. Der Mahlbehälter 1o ist
im wesentlichen zylindrisch und seine Höhe beträgt etwa das 3 bis 6fache vom
Durchmesser.
Vorzugsweise ist der Mahlbehälter lo mit einer Einrichtung zum Heizen und Kühlen,
z. Bsp. mit Wassermänteln 16 versehen, wobei jedem Behälterabschnitt 12 jeweils
ein Wassermantel 16 zugeordnet ist.
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Zu dem beschriebenen Aufbau gehört ferner ein Rühwerk 18 mit zentraler
Welle 20 und sich radial von dieser abstreckenden Rührarmen 22. Vorzugsweise stehen
die Rührarme 22 senkrecht zur zentralen Welle 20 und sind im wesentlichen gleichmäßig
über deren Länge verteilt. Vorzugsweise sind die Rührarme 22, -von der Welle 20
aus gemessen, verschieden lang, daß heißt, ein Rührarm an einer Seite der Welle
20 ist länger als der ihm gegenüberliegende Rührarm. Wie aus der Zeichnung hervorgeht,
haben die Rührarme 22 einen runden Querschnitt, doch lassen sich auch Rührarme mit
anderer Querschnittsform verwenden. Bei dem bervorzugten Aufbau sind die übereinander
-angeordneten Rührarme um einen Winkel von etwa 900 zueinander versetzt.
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Für bestimmte Zwecke können die Rührarme auch um andere Winkel zueinander
versetzt sein. Soll beispielsweise die Mahlgutmischung in der Mahlvorrichtung verhältnismäßig
rasch verarbeitet werden, so wählt man vorzugsweise für den über oder unter einem
bestimmten Rührarm an einer Seite angebrachten Rührarm einen Winkel von etwa 2,50,
während man für den Arm an der anderen Seite einen Winkel von etwa 60° wählt. In
jedem Fall wird eine bestimmte Anordnung gewählt, um die hydrodynamische Wirkung
des Rührwerkes 18 auf das Mahlgutgemisch zu vergrößern.
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Das Rührwerk 18 ist darüber hinaus mit Scheiben 24 versehen, welche
die Welle 20 konzentrisch umgreifen und sich zwischen den Rührarmen 22 befinden.
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Zu der beschriebenen Mahlvorrichtung gehört ferner ein Mahlmittel
26, das sich aus einer Vielzahl von Mahlmittelkörpern 28, z. Bsp. runden Körpern
aus Metall oder einem keramischen Werkstoff zusammensetzt. Vorzugsweise sind die
Mahlmittelkörper 28 kugelförmig und haben einen Durchmesser von etwa 14 bis 3 mm,
wobei je nach der Viskosität des Mahlgutgemisches, der Winkelgeschwindigkeit der
Welle 20, der Größe des Mahlbehälters 10 und anderen veränderbaren Parametern auch
kleinere oder größere Mahlmittelkörper zum Einsatz kommen können.
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Das Mahlmittel 26 ist über alle Behälterabschnitte 12 verteilt. Für
manche Zwecke sind die Mahlmittelkörper 28 von gleichem Durchmesser und proportional
auf alle Behälterabschnitte 12 verteilt. Für andere Zwecke setzt sich das Mahlmittel
26 aus Mahlmittelkörpern verschiedener Größe zusammen, wobei sich in einem bestimmten
Behälterabschnitt 12 Mahlmittelkörper bestimmter Größe befinden.
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Das Mahlmittel ist in diesem Fall nicht anteilmäßig auf die Behälterabschnitte
12 verteilt. Wenn ein Mahlmittel 26 mit Mahlmittelkörpern unterschiedlicher Größe
Verwendung findet, so wird es vorzugsweise so verteilt, daß die Größe der Mahlmittelkörper
in den Behälterabschnitten 12 von Boden zur Oberseite des Mahlbehälters abnimmt.
In diesem Fall ist das Mahlmittel 26 ungleichmäßig verteilt, wobei etwa 2 bis 35%
aller Mahlmittelkörper im untersten Behälterabschnitt, und etwa 20 bis 9o 96 aller
Mahlmittelkörper im obersten Behälterabschnitt aufgenommen sind. Diese Anordnung
des Mahlmittels 26 führt zu einer verbesserten Zerkleinerung dahingehend, daß das
ausgetragene Erzeugnis eine feinere Teilchengröße in wesentlich kürzerer Zeit annimmt.
Der Mahlbehälter 1o ist in jedem seiner Behälterabschnitte 1-2 mit einer Durchtittsöffnung
27 versehen, durch welche das Mahlmittel
26 in den betreffenden
Behälterabschnitt 12 eingegeben oder aus diesem herausgenommen wird. Vorzugsweise
sind jedem Behälterabschnitt zwei Durchtrittsöffnungen 27 für das Mahlmittel zugeordnet.
Die eine Durchtrittsöffnung befindet sich im oberen Bereich des Behälterabschnittes
und dient der Eingabe.des Mahlmittels, während sich die andere Durchtrittsöffnung
im unteren Bereich des Behälterabschnittes befindet und dem Herausnehmen des Mahlmittels
dient.
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Das Mahlmittel setzt sich aus so vielen Mahlmittelkörpern 28 zusammen,
daß dann, wenn das Rührwerk 18 stillsteht und die Mahlmittelkörper 28 in Ruhe sind,
diese in jedem Behälterabschnitt 12 mindestens einen der Rührarme 22 bedecken. Eine
größere Anzahl von Mahlmittelkörpern 28 kann ebenfalls zum Einsatz kommen, z.Bsp.
so viele, daß die obersten Rührarme 22 abgedeckt werden, wenn das Mahlmittel in
Ruhe ist. Die am meisten bevorzugte Anzahl der Mahlmittelkörper richtet sich nach
verschiedenen Parametern einschließlich der Viskosität des Mahlgutgemisches, der
Größe, der Dichte und der Form der Mahlmittelkörper, sowie nach der Winkelgeschwindigkeit
des Rührwerkes. Vorzugsweise beträgt. der vertikale Abstand zwischen den übereinander
angeordneten Rührarmen 22 etwa das 2 bis 4fache des Durchmessers der Mahmittelkörper
28, obgleich auch hier die Abstände je nach dem Verwendungszweck veränderlich sind.
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Der Mahlbehälter 1o ist mit einem Einlaß 30, durch den das Mahlgutgemisch
in den Mahlbehälter lo eingegeben wird und einem Auslaß 32 versehen, durch den das
Mahlgutgemisch nach Beendigung des Mahlvorganges abgeleitet wird. Dem Auslaß 32
ist ein Sieb zugeordnet, um die
Mahlmittelkörper 28 von dem zerkleinerten
Mahlgut zu trennen.
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Im Betrieb der bevorzugten Ausführungsform wird das Mahlgut dem Einlaß
3o des Mahlbehälters 1o zugeleitet.
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Im allgemeinen ist das Mahlgut eine wässrige Mischung oder ein ölgemisch
des zu mahlenden Minerals, das in einem Brecher o. dgl. vorbereitet und auf eine
durchschnittliche Teilchengröße zwischen 75 Mikron (200 mesh) und 1ooo Mikron (18
mesh) zerkleinert wurde, wobei die Mineralkonzentration im allgemeinen etwa 20 bis
50 Vol.% und 20 bis 65 Gew.% beträgt.
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Das Rührwerk 18 wird mit vorgegebener Winkelgeschwindigkeit durch
einen Motor und ein nicht dargestelltes Reduziergetriebe in Drehung versezt, so
daß die Rührarme 22 die Mahlmittelkörper 28 verwirbeln und das wirksame oder scheinbare
Volumen des Mahlmittels wesentlich zunimmt und die Mahlmittelkörper im Mahlgutgemisch
verteilt werden. Normalerweise läuft das Rührwerk 18 mit einer Drehzahl zwischen
loo und 400 U/min., so daß die Maximalgeschwindigkeit an den äußeren Enden der Rührarme
22 etwa 200 bis 400 m/min.
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beträgt. Da die Verwirbelung der Mahlmittelkörper 28 kontinuierlich
stattfindet, kommen sie beim Mahlvorgang gemeinsam zur Wirkung.
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Es wird angenommen, daß die verbesserte Zerkleinerung in den chargenweise,
kontinuierlich und in Zirkulation arbeitenden Wirbelbett-Mahlvorrichtungen auf die
Ein wirkung des verwirbelten Mahlmittels und insbesondere auf das Zusammenstoßen
der Mahlmittelkörper zurückgeht.
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Diese Zusammenstöße bewirken Mchläge auf die Feststoff-
teilchen
des Mahlgutes und veranlassen eine physikalische Teilung und Unterteilung dieser
Feststoffteilchen. Darüber hinaus scheint es, daß in bestimmten Fällen auch Veränderungen
der Eigenschaften der Feststoffteilchen vorkommen. Die Wirkung des verwirbelten
Mahlmittels ist im Zusammenhang mit der kinetischen Energie der Mahlmittelkörper
und dem mittleren Freiraum zwischen den Zusammenstößen der Mahmittelkörper wiederholt
beschrieben worden.
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Die Mahlmittelkörper, die in Wirbelbett-Mahlvorrichtungen zur Verwendung
kommen, sind in der Tat im allgemeinen kleiner als die in anderen Mühlenarten verwendeten
Mahlmittelkörper, um die Anzahl der Zusammenstöße zwischen den Mahlmittelkörpern
und somit auch das Ausmaß der Zerkleinerung zu erhöhen.
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Nach seinem Eintritt in den Mahlbehälter 1o bewegt sich das Mahlgutgemisch
durch die Behälterabschnitte 12 des Mahlbehälters in einem stetigen Strom allmählich
nach oben. Die Scheiben 24 halten den kontinuierlichen Durchgang des Mahlgutgemisches
aufrecht, indem sie eine Kanalbildung um die zentrale Welle 20 herum verhindern.
Vorzugsweise setzt sich der Mahlbehälter aus 3 bis 5 Behälterabschnitten 12 zusammen,
-so daß die Gitterroste 14 den Druck der Mahlmittelkörper in den unteren Bereichen
der einzelnen Abschnitte des Mahlmittels 26 begrenzen.
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Der beschriebene Aubau eignet sich daher zur Verarbeitung großer Mineralmengen
im industriellen Maßstab in einer einzigen Mahlvorrichtung. Gleichzeitig verringern
die Gitterroste 14 die für den Motor und das Reduziergetriebe zum Antrieb des Rührwerkes
18 erforderliche Größe.
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Der Wassermantel 16 ist in Abschnitte unterteilt, die den einzelnen
Behälterabschnitten 12 entsprechen, so daß das
Mahlgutgemisch im
erforderlich Ausmaß aufgeheizt oder gekühlt werden kann. In manchen Fällen rist
es nach dem Anlauf der Mahlvorrichtung möglich, den exothermischen Zustand der oberen
Behälterabschnitte 12 als Wärmequelle zu benutzen, um die unteren Behälterabschnitte
12 aufzuheizen, indem man das Kühlwasser aus den oberen Abschnitten zu den unteren
Abschnitten zirkulieren läßt. Bei der Verarbeitung eines Kohle- Öl-Gemisches kann
beispielsweise der unterste Behälterabschnitt 12 Wärme benötigen, um dem Mahlgut
eine ausreichend geringe Viskosität zu verleihen, während die Verarbeitung des gleichen
Mahlgutes in dem obersten Behälterabschnitt bzw. in dem obersten Abschnitt des Wassermantels
16 eine Kühlung erforderlich machen kann, um zu verhindern, daß die Prozeßwärme
die blbestandteile aufbricht oder zersetzt. Da der Wassermantel 16 in Abschnitte
unterteilt ist, kann das Wasser vom obersten Abschnitt zum untersten Abschnitt zirkulieren,
um die im obersten Abschnitt des Wassermantels 16 erzeugte Wärme zum untersten Abschnitt
des Wassermantels 16 zu überführen.
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Das Erzeugnis am Auslaß 32 ist ein Gemisch, in welchem die Feststoffteilchen
eine Größe zwischen 75 Mikron (200 mesh) und 1 Mikron haben, und zwar in Abhängigkeit
von der Größe und Zusammensetzung des jeweils zugeführten Materials und der Geschwindigkeit,
mit der sich das Mahlgutgemisch durch den Mahlbehälter 1o bewegt. Die Verarbeitungszeit
wird in Abhängigkeit von der Zufuhr gesteuert und beträgt im allgemeinen 1o Minuten
bis etwa 2 Stunden. Die genaue Zeit für einen bestimmten Anwendungszweck hängt von-
der Teilchengröße des zuführten Gemisches, der für das ausgetragene Gemisch gewünschten
Teilchengröße, der spezifischen Art des verarbeiteten Minerals sowie von anderen
Faktoren ab.
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Die Beschreibung ist auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
gerichtet. Im Rahmen des Erfindungsgedankens ergeben sich verschiedene Abwandlungsmöglichkeiten.
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