Auslegung von Mahltrocknungs­anlagen

1 Einleitung

Die Mahltrocknung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei Prozesse – Feinzerkleinern und Trocknen – in einem Prozeßraum ablaufen. Sie besitzt in Verbindung mit dem pneumatischen Transport und der ständigen Vergrößerung der spezifischen Oberfläche sowie Mahlgutauflockerung Vorteile gegenüber einer konventionellen Trocknung, wie z.B. in Trockentrommeln und zeichnet sich durch die energetisch günstige Nutzung von Abwärme anderer technologischer Prozesse aus.

Bei Mahltrocknungsanlagen wird die Rohrmühle nach zerkleinerungstechnischen Grundsätzen ausgelegt, da die Minimierung der aufzuwendenden Zerkleinerungsarbeit Priorität hat. Für das hier vorgestellte Rechenprogramm hat das die Konsequenz, dass in einem ersten Teil die maschinen- und verfahrenstechnischen Daten der Zerkleinerung, also auch die ­Größe der Mühle festgelegt werden. Im zweiten Teil werden die verfahrenstechnischen Daten der Mahltrocknung ermittelt. Die Rechengänge die den beiden Teilen zugrunde liegen, ­werden nicht im Einzelnen angegeben, da sie als bekannt vorausgesetzt werden können, bzw. den Umfang des Artikels sprengen würden. Das Besondere des vorzustellende Rechenprogramm ist, das für alle auftretenden verfahrenstechnischen Varianten die praktischen Erfahrungen in das Rechenprogramm eingearbeitet sind, bei einer weitestgehenden Freiheit des Nutzers durch die Eingabe eigener Auslegungs- und Erfahrungswerte
(Bilder 1 und 2). Das Rechenprogramm lässt damit eine Optimierung und Anpassung an betrieblich gegebene Randbedingungen des Anwenders bzw. Erbauers von Mahltrocknungsanlagen zu.

2 Rechenprogramm Rohrmühlen

Zur Auslegung einer Rohrmühle sind die Pflichteingabewerte Mühlendurchsatz, Aufgabekorngröße, Fertiggutkorngröße, Dichte oder Schüttdichte des Mahlgut und die Mahlbarkeit nach Bond, Zeisel oder Hardgrove einzugeben.

Dem Nutzer werden dabei zum Beispiel für die Eingabe der Korngrößen verschiedene Möglichkeiten gegeben. Die Aufgabekorngröße kann wahlweise bei 80  % Durchgang oder als maximale Aufgabekorngröße angegeben werden. Die Fertiggutkorngröße kann wahlweise bei 80  % Durchgang oder mit einer prozentualen Angabe der Fertiggutfeinheit bei einer frei wählbaren Korngröße angegeben werden. Die interne Umrechnung erfolgt mit Hilfe der RRSB-Verteilung, wobei der Richtungsfaktor gegebenenfalls geändert werden kann. Weiterhin ist zwischen einer nass oder trocken arbeitenden und einer im Durchlauf oder Kreislauf arbeitenden Mühle zu unterscheiden.

Je nach Mühlentyp – als Durchlaufmühle, Trommelmühle, lange Kreislaufmühle oder kurze Kreislaufmühle arbeitend – können mit der Variation des Drehzahlverhältnisses, des Länge/Durchmesser-Verhältnisses und des Mahlkörperfüllungsgrades, der Mühlendurchmesser, die Mühlenlänge, der Leistungsbedarf, und die Mühlendrehzahl bestimmt werden. Durch die Möglichkeit der Veränderung einzelner Parameter ist die Bestimmung einer Mühlengröße entsprechend den Wünschen des Nutzers gegeben. Das Rechenblatt (Bild 1) zeigt eine so ausgelegte Mühle, wobei die blauen Eingabefelder die einzugebenden Pflichtparameter und die grünen Eingabefelder die frei wählbaren Parameter enthalten.

Zur Bestimmung der Gattierung wird eine vom Autor entwickelte und im mehrjährigen Praxistest bestätigte Methode [1] genutzt. Ausgangspunkt ist das experimentelle Ergebnis, dass die Korngröße über der Mahlbahnlänge nach einer Exponentialfunktion abnimmt. Da der Kugeldurchmesser entsprechend der Korngröße zu wählen ist, folgt die Mahlkörperverteilungsfunktion ebenfalls einer Exponentialfunktion:

d_K = d_{K f ikt} · e ^–  gl

d_K = Kugeldurchmesser in cm

d_{K f ikt} = fiktiver maximaler Kugeldurchmesser in cm

l = Mahlbahnlänge in m

g = Gattierungsexponent in m^-1

Da praktisch eine stetige Zuordnung der Kugelgröße zur Mahlbahnlänge nicht möglich ist, erfolgt wie im Bild 3 dargestellt, eine stufenweise Zuordnung entsprechend der vorhandenen Kugelgrößen. Die Länge einer Stufe entspricht dem Mahlkörperanteil der entsprechenden Kugelgröße. Der maximale Kugeldurchmesser wird nach Bond und der minimale in Abhängigkeit der Fertiggutfeinheit berechnet. Die Mahlkörpermassen pro Kugeldurchmesser werden tabellarisch erfaßt. Eine Variation der verfügbaren Kugeldurchmesser ist durch das Setzen von Häkchen zwischen der Tabelle der Mahlkörpermassen und der Mahlkörperposition möglich. Bei der Angabe der Mahlkörperposition wird vom Einsatz einer Klassierpanzerung ausgegangen. Diese Angabe der Mahlkörperposition ermöglicht die Ermittlung der Mahlraumlänge bei Mehrkammerrohrmühlen. Die Füllhöhe mit Mahlkörpern und die Mahlkörpermasse werden in Abhängigkeit des gewählten Mahlkörperfüllungsgrades und der Länge des Mahlraumes für jeden Mahlraum berechnet. Da das Rechenprogramm auch ohne Trocknung, d.h. nur zur zerkleinerungstechnischen Auslegung eingesetzt werden kann, werden für diesen Fall die Werte für die Entstaubung der Mühle angegeben.

3 Rechenprogramm Mahltrocknung

Als Pflichtwerte sind die Aufgabefeuchte, die ­Endfeuchte, die spezifische Wärme des Mahlguts sowie der Heizwert des Brennstoffs einzugeben. Die Trocknungsgase können im Durchlauf aber auch im Kreislauf, d.h. wie bei einer Luftstrommühle geführt werden. Im Folgenden soll zuerst der Rechengang bei Führung der Trocknungsgase im Durchlauf betrachtet werden. Auf Grund der eingangs genannten Priorität der zerkleinerungstechnischen Auslegung ist die Aufgabefeuchte Begrenzungen unterworfen, die in Abhängigkeit der Führung der Trocknungsgase angezeigt werden.

Eine Quelle der Trocknungsgase sind die Rauchgase einer separaten Feuerung. Eine weitere Quelle besteht in der Nutzung von ausreichend temperierten Abgasen anderer technologischer Prozesse, wie z.  B. Abgasen aus Öfen, Vorwärmern und Kühlern. ­Diese oft in größerer als verwertbarer Menge vorliegenden Abgase werden hier heißer Zuluftvolumenstrom genannt. Mit dieser Bezeichnung wird einer möglichen Verwechslung mit dem Begriff des Abgases das die Mahltrocknung verlässt vorgebeugt. Die Temperatur der heißen Zuluft ist mit anzugeben. Da die spez. Wärme von Abgasen aus anderen technologischen Prozessen von der des Rauchgases einer separaten Feuerung, die im Rechenprogramm schon mit eingearbeitete sind, abweichen kann, ist die Eingabe als spez. Wärme oder ersatzweise als CO₂-Gehalt möglich.

Für die Aufstellung der Wärmebilanz und den daraus abgeleiteten Gasvolumenströmen ist die Festlegung einer Mühleneintrittsgastemperatur erforderlich. Die minimale Mühleneintrittsgastemperatur ist die Gastemperatur bei der die gewünschte Trocknung noch erreicht wird. Die maximale Mühleneintrittsgastemperatur ist die Temperatur, die die Bauteile der Rohrmühle ohne Schaden zu nehmen noch zulassen. Für den Fall, dass die Trocknungsgase im Durchlauf geführt werden, werden in Abhängigkeit der Aufgabefeuchte Mühleneintrittsgastemperaturen vorgeschlagen, die bei Erfordernis, oder anderseits vorliegenden Erfahrungen geändert werden können.

Für den in einer separaten Feuerung eingesetzten Brennstoff kann gasförmiger Brennstoff (z.  B. Erdgas), flüssiger Brennstoff (z.  B. Erdöl) bzw. fester Brennstoff (z.  B. Kohle) gewählt werden. Mit dem Heizwert und dem Luftüberschuss wird mit Hilfe der statistischen Verbrennungsrechnung der spez. Verbrennungsund Rauchgasvolumenstrom ermittelt. Die Berechnung und Aufteilung der Gasvolumenströme erfolgt durch Iteration der aufzustellenden Wärmebilanz unter Beachtung folgender zwei Bedingungen:

– die Gasvolumenströme müssen mit ihrer Enthalpie den Wärmebedarf decken

– die Mühleneintrittsgastemperatur muß zwischen dem min. und max. Wert liegen

Damit ergeben sich der Rauchgasvolumenstrom der separaten Feuerung, der Anteil der von dem vorhandenen heißen Zuluftvolumenstrom benötigte heiße Zuluftvolumenstrom, der bei Bedarf erforderliche Frischluftvolumenstrom und der Abgasvolumenstrom. Die Wärmebilanz weist als Ausgabeposten die Wasserverdampfung, die Materialerwärmung, die Restwassererwärmung, die Abgaserwärmung sowie Wandverluste aus.

Zur Ermittlung des Wärmebedarfs wird von der Summe der Anteile der Wärmebilanz die Mahlwärme als zusätzlicher Eingabeposten abgezogen. Die Mahlwärme stellt den Teil der Mahlenergie dar, der in Wärme umgesetzt wird. Die Eingabeposten bei der Ermittlung des Wärmebedarfs setzen sich aus Brennstoffwärmemenge, Zuluftwärmemenge, und Mahlwärme zusammen. Mit Hilfe des Heizwertes wird die Brennstoffwärmemenge, die Brennstoffmenge und der auf die verdampfte Wassermenge spez. Brennstoffbedarf ermittelt.

Der Auslegungsalgorithmus bietet zum Schluß die Möglichkeit eine verfahrenstechnische Überprüfung durchzuführen und bei Bedarf bis zur Erreichung der Zielgröße Änderungen vorzunehmen. Die Taupunktüberprüfung soll sicherstellen, dass in der Mühle und im Abgasbereich keine Kondensationserscheinungen auftreten. Dazu wird aus der verdampften Wassermenge und dem Abgasvolumenstrom die Taupunkttemperatur ermittelt und mit der Abgastemperatur verglichen. Die Mühlengasgeschwindigkeitsüberprüfung vergleicht die Gasgeschwindigkeit in der Mühle mit einer zulässigen Gasgeschwindigkeit. Die Mühlengasgeschwindigkeit wird auf den freien Querschnitt, d. h. unter Berücksichtigung des Mahlkörperfüllungsgrades bezogen. Beide Überprüfungen zeigen eine Warnung bei Überschreiten der Grenzwerte an.

Für den Fall, dass die Trocknungsgase im Kreislauf geführt werden, ist nicht die Bestätigung oder Eingabe der Mühleneintrittsgastemperatur sondern der Heißgastemperatur zweckmäßig. Die Heißgastemperatur ist die Temperatur des Gasvolumenstrom vor der Mischung mit dem Rückgasvolumenstrom. Da beim Gasumlauf ein Freiheitsgrad bei der Berechnung dazukommt, wird als weitere Größe die zu bestätigen, bzw. einzugeben ist, der spez. Umgasvolumenstrom eingeführt. Der spez. Umgasvolumenstrom ist das Verhältnis des Umgasvolumenstrom im Betriebszustand zum Mühlendurchsatz. Des Weiteren wird der Gasumlauf, der das Verhältnis des Umgasvolumenstrom zum Abgasvolumenstrom darstellt, berechnet.

Aufgrund des großen Energiebedarfs werden Mahltrocknungsanlagen, die die Trocknungsgase im Kreislauf führen – d.  h. Luftstrommahlanlagen – nur noch für spezielle Fälle eingesetzt. Ein solcher Fall wäre die Mahltrocknung von Kohle für die eine inerte Atmosphäre aus Sicherheitsgründen gefordert wird. Das Auslegungsprogramm trägt dem Rechnung, indem der Sauerstoffgehalt im Mühlengas berechnet wird. Der Sauerstoffgehalt wird unter Berücksichtigung der inertisierenden Wirkung des Rauchgases und des Wasserdampfes ermittelt.

4 Optimierungsbeispiele

Drei Anwendungsbeispiele sollen für die vielfältigsten Möglichkeiten der optimalen Auslegung von Mahltrocknungsanlagen stehen:

– Die optimale Aufteilung der Mühle in zwei oder drei Mahlräume ist unter Berücksichtigung der Mahlkörperposition möglich. Unter der Annahme des Einsatzes selbstsortierender Mahlplatten werden, wie unter Punkt 2 erläutert, den einzelnen Kugelgrößen die entsprechenden Aufenthaltsorte sprich Mühlenlängen zugeordnet. Für die Wahl der Länge des Mahlraumes werden die Längenangaben der Mahlkörperposition hinzugezogen, wenn man davon ausgeht, dass in jedem Mahlraum bestimmte Kugelgrößen enthalten sein sollen. Im Rechenblatt der Rohrmühlenauslegung wird davon ausgegangen, dass im 1. Mahlraum Kugeln von 80 bis 60 mm sein sollen, d.  h. der 1. Mahlraum ist 2 m und der 2. Mahlraum ist 5 m lang. Aufgrund der großen Eintragsschnecke in den 1. Mahlraum darf die Füllhöhe mit Mahlkörpern nur
70 cm betragen, d.  h. der Mahlkörperfüllungsgrad ist zu ­reduzieren. Im 2. Mahlraum ist er zur Erreichung des gewünschten Durchsatzes zu erhöhen. Die Mahlkörpermasse wird in Abhängigkeit des gewählten Mahlkörperfüllungsgrad und der Länge des Mahlraumes für jeden Mahlraum berechnet.

 – Steht zur Trocknung heiße Zuluft zur Verfügung, ist das Optimierungskriterium die Verwendung eines möglichst großen Zuluftvolumenstromes der mit einem minimalen zusätzlichen Brennstoffbedarf verbunden ist. Die Grenzen der Mühleneintrittsgastemperatur sind hier zu beachten. Da die hoch temperierten Abgase anderer technologischer Prozesse vorzugsweise einer höheren thermischen Verwertung zugeführt werden, z.  B. der Dampferzeugung oder Verstromung, wird die obere Grenze zur Trocknung nicht über 500 °C liegen. Die untere Grenze der Verwendung von Abwärme unterliegt wirtschaftlichen Erwägungen. So wird es sich kaum lohnen, extra Lüfter und Rohrleitungen für Abgase  < 150 –200 °C zu installieren.

Unter Beachtung des zur Verfügung stehenden Zuluftvolumenstromes und dessen Temperatur werden vom Rechenprogramm folgende 4 Fälle berücksichtigt:

– Großer Zuluftvolumenstrom mit einer Temperatur die zwischen der minimalen und der maximalen Mühleneintrittsgastemperatur liegt:

Der benötigte heiße Zuluftvolumenstrom deckt den Wärmebedarf ab.

– Großer Zuluftvolumenstrom mit einer Temperatur die über der maximalen Mühleneintrittsgastemperatur liegt:

Der benötigte heiße Zuluftvolumenstrom deckt den Wärmebedarf ab, es muss aber Frischluft zugeführt werden um die Mühleneintrittsgastemperatur auf die maximal Zulässige abzusenken.

– Großer Zuluftvolumenstrom mit einer Temperatur die unter der minimalen Mühleneintrittsgastemperatur liegt:

Auch wenn der Zuluftvolumenstrom den Wärmebedarf abdeckt, ist eine Zuheizung zur Erreichung der minimalen Mühleneintrittsgastemperatur erforderlich.

– Kleiner Zuluftvolumenstrom

Eine Zuheizung zur Deckung des Wärmebedarf und zur Erreichung der minimalen Mühleneintrittsgastemperatur ist erforderlich.

Wie das oben genannte und hier weitergeführte Beispiel im beigefügten Rechenblatt zur Mahltrocknung (Bild 2) zeigt, ist der Zuluftvolumenstrom so groß, das er die Enthalpie abdeckt, das aber die Mühleneintrittsgastemperatur von 350 °C nicht hoch genug ist, d.  h. es muß durch eine separate Feuerung zugeheizt werden.

Bei der Erhöhung des Gasumlaufes einer Luftstrommahlanlage erhöht sich die Mühlengasgeschwindigkeit bei gleichzeitig sinkender Mühlengaseintrittstemperatur. In Bild 4 ist der Arbeitsbereich für den Gasumlauf, charakterisiert durch den spez. Gasumlaufvolumenstrom, dargestellt. Wenn man davon ausgeht, dass die Mühlengasgeschwindigkeit nicht größer als 4,5 m/s und die Mühlengaseintrittstemperatur nicht tiefer als 250 °C sein soll, ergibt sich ein Arbeitsbereich für den spez. Gasumlaufvolumenstrom von 1,3 bis 1,7 m³/kg.