Zementmahlung in Vertikalmühlen verbessern

1 Einleitung

Hauptsächlich auf Grund des geringeren spezifischen Energieverbrauchs (gemessen in KWh/t produzierten Materials) und der höheren Produktionswerte (t/h) verdrängen Vertikalzementmühlen langsam aber stetig die „traditionellen“ horizontalen Kugelmühlen. Die sofort ins Auge fallenden Vorteile dieser Mühlen können leicht unter folgenden Hauptpunkten zusammengefasst werden:

– Mit vertikalen Zementmühlen können Produktionswerte erreicht werden, die wesentlich höher sind als die, die mit herkömmlichen Kugelmühlen erreicht werden. Während letztere ein Maximum von 180 –200 t/h erreichen können, können Vertikalmühlen bis zu 300 t/h erreichen.

– Geringerer Energieverbrauch, der zu geringeren spezifischen Kosten (€/kg) führt.

– Während herkömmliche Mühlen zuerst vom Hersteller zusammengebaut und dann zur Baustellen transportiert werden müssen mit allen dazugehörigen Kosten und logistischen Problemen, werden Vertikalmühlen normalerweise auf der Baustelle zusammengebaut. Dadurch können Mühlengrößen (und damit Produktionswerte) erreicht werden, die mit herkömmlichen Kugelmühlen nicht erreicht werden.

– Vertikalmühlen besitzen eine größere Anpassungsfähigkeit als herkömmliche, z.B. sind Zwischensilos zur Reinigung nicht erforderlich, da die Übergangszeiten zwischen den unterschiedlichen Zementarten wesentlich kürzer sind, wenn überhaupt vorhanden.

– Außerdem sind Vertikalmühlen weniger empfindlich gegenüber einem eventuell hohen Feuchtigkeitsgehalt der Rohmaterialien (vorausgesetzt, eine ausreichende Energiequelle ist vorhanden).

Dennoch haben Vertikalmühlen auch gewisse Nachteile im Vergleich zu herkömmlichen Mahlanlagen. Diese Aspekte können wie folgt schwerpunktartig zusammengefasst werden:

– Es sind hohe Drücke der Walzenpressen erforderlich, wenn hohe Blainwerte gewünscht werden.

– Vertikalmühlen sind empfindlicher gegenüber Materialien, die eine sehr hohe Feinheit haben (der Schwellenwert liegt bei einem Maximum von 50  % Material < 4 mm).

– Es muss eine beachtliche Menge an Wasser dem Mahlprozess zugeführt werden, um die Schwingungswerte der gesamten Mahlanlage jederzeit gering zu halten. Das hat größere Auswirkungen auf die Zementtemperatur. Daher wird eine externe Wärmezufuhr benötigt, um eine gewisse Austritts-temperatur zu garantieren, was wiederum die spezifischen Produktionskosten erhöht.

2 Auswirkungen von traditionellen Mahlhilfen

auf die Leistung von Vertikalmühlen

Mahlhilfen sind polare Verbindungen bzw. Mischungen, die aus der Vermahlung von Zementrohmateralien entstehende Oberflächenladungen reduzieren. Mahlhilfen für herkömmliche Mühlen, eingesetzt in Vertikalmühlen, ermöglichen es, Leistungsziele (z.B. Feinheit, Produktion, Druckfestigkeiten) zu erreichen, die sonst nur sehr schwer zu erreichen wären. Die positiven Wirkungen von Mahlhilfen sind heutzutage derartig hoch, dass bereits die Hersteller von Zementmühlen selbst Einbauvorrichtungen dafür vorinstallieren. Seit kurzem geschieht das auch für vertikale Mahlanlagen.

Praktische Erfahrungen auf diesem Gebiet haben aber gezeigt, dass traditionelle Mahlhilfen (d.  h. für Kugelrohrmühlen entwickelte Mahlhilfen) sich als viel weniger wirksam oder unwirksam erweisen, wenn sie in Vertikalmühlen eingesetzt werden. Das traf auch dann zu, wenn genau das gleiche Produkt in zwei unterschiedlichen industriellen Szenarios verwendet wurde.

Nach sorgfältigen Beobachtungen und Untersuchungen durch die Techniker von Mapei kam man zu der Schlussfolgerung, dass dieser signifikante Unterschied im Verhalten einer Reihe von Ursachen zuzuschreiben ist, wobei aller Wahrscheinlichkeit nach am wichtigsten davon das in Vertikalmühlen angewendete unterschiedliche Belüftungskonzept ist. Genauer gesagt ist die Belüftung (ausgedrückt als das Verhältnis von Luft zu Material) in Vertikalmühlen wesentlich stärker als in herkömmlichen Mühlen. Das führt zu dem Ergebnis, dass beim Eintrag traditioneller Mahlhilfen an normalen Stellen, wie z.  B. auf dem Förderband des Rohmaterials und/oder direkt in der Zementmühle, ein Stripping-Phänomen auftritt, wobei eine größere Menge der Mahlhilfe physikalisch entfernt wird, bevor sie während des Mahlvorgangs selbst wirksam werden kann. Außerdem trägt die stärkere Belüftung in Vertikalmühlen auch zu einer frühen Verdampfung der Mahlhilfe bei, wenn diese auf traditionelle Weise eingeführt wird.

3 Die Reihe Mapei VM – spezifische Mahlhilfen für Vertikalmühlen

Unter Berücksichtigung der zunehmenden Verbreitung von Vertikalmühlen in der Zementproduktion sowie der o.  a. technischen Probleme, die sich aus dem Einsatz traditioneller Mahlhilfen in Vertikalmühlen ergeben, hat die Abteilung Forschung und Entwicklung „Zementbeimischungen“ von Mapei eine neuartige Kategorie von Mahlhilfen für den Einsatz in Vertikalanlagen entwickelt. Diese speziellen Produkte enthalten zusätzlich zu den „klassischen“ Verbindungen, wie Ethanolamine, Glykole, anorganische Salze usw., eine bestimmte Menge (von 3 bis 10 M.-%) einer speziellen Mischung von hochsiedenden Verbindungen und Eindickmitteln.           

Die charakteristische niedrige Flüchtigkeit solcher Verbindungen sorgt dafür, dass diese Mahlhilfen nicht von der starken Belüftung in Vertikalmühlen beeinträchtigt werden und unverändert bleiben, bis sie am Mahlprozess selbst teilnehmen. Außerdem bleibt die spezielle chemische Aktivität von Ethanol-aminen, Glykolen, anorganischen Salzen und deren Wirkung auf die Druckfestigkeit und Zementfeinheit völlig unbeeinträchtigt durch das Vorhandensein dieser Substanzen.

Die im vorangegangenen Punkt aufgeführten Gründe zeigen, dass die Stelle des Eintrags der Mahlhilfe bei Vertikalmühlen eine wesentliche Rolle spielt. In mehreren industriellen Versuchen in unterschiedlichen Zementanlagen hat Mapei ein innovatives Eintragssystem entwickelt, womit das durch die starke Belüftung verursachte „Stripping“ verhindert wird. So werden die positiven Wirkungen der Mapei VM-Beimischungen maximiert. Wie allgemein bekannt ist, erfordert das Mahlen von Zement in Vertikalmühlen die Anwesenheit eines kontinuierlichen Wasserstrahls, um das Bett des Mahlguts zu stabilisieren und damit die Entwicklung übermäßiger Schwingungen zu verhindern. Das dafür benötigte Wasser wird in normalen Tanks gelagert und über eine entsprechende Rohrleitung auf dem Mahlteller direkt in die Mühle gepumpt. Die von Mapei dazu entwickelte spezielle Technologie besteht darin, dass die Mahlhilfe in die Wasserleitung eingeführt wird, bevor sie in die Mühle gelangt. Auf diese Weise wird der Strom von Mahlhilfen zusammen mit dem Wasser direkt unter die Walzen gepresst. So kann die Beimischung sofort im Mahlprozess wirksam werden. Die Einspritzanlage von Mapei wird in den Bildern 1–3 gezeigt.

Um die Wirksamkeit der neuen Technik, die im vorliegenden Artikel beschrieben wird, zu demonstrieren, d.  h. die Kombination aus den Beimischungen der Reihe Mapei VM und des neuen Eintragsystems, berichten wir über die Ergebnisse eines besonders repräsentativen Industrieversuchs, der im April 2010 in einem großen Zementwerk im Mittleren Osten durchgeführt wurde.

4 Fallstudie – traditionelle Mahlhilfe im Vergleich zu MA.G.A/VM 12 in einer Vertikalzementmühle

Der industrielle Versuch mit der Mahlhilfe MA.G.A./VM 12 wurde bei folgenden durchschnittlichen Betriebsbedingun­gen durchgeführt: Typenbezeichnung der Vertikalmühle: LM 56 3+3 C/S; Nenndurchmesser 5600 mm; Anzahl der Walzen: 3+3; installierte Leistung: 5300 kW; Leistungsaufnahme: 3500 kW; Belüftung: 680 000 m³/h; ΔP der Mühle: 50 mbar; Wassereindüsung: 2,1 %; Walzendruck: 75 bar.

Ein Zement vom Typ CEM I (92  % Klinker; 4  % Gips; 4  % Kalkstein) wurde entsprechend der europäischen Norm DIN EN 197-1 bei vier unterschiedlichen Mahlbedingungen hergestellt: rein (ohne Einführung von Beimischungen), mit einem Vergleichsprodukt (herkömmliche Mahlhilfe), mit dem gleichen Vergleichsprodukt, das direkt auf dem Mahlteller dosiert wurde (in Übereinstimmung mit dem Eintragssystem, das im folgenden Absatz beschrieben wird) und schließlich mit der Beimischung MA.G.A./VM 12 aus der Reihe VM. Dieses Produkt ist sowohl eine Mahlhilfe als auch ein Leistungsverstärker sowohl für die Früh­festigkeit als auch die späte­ren Druckfestigkeiten (Bild 4). Reine Mahlhilfen, Leistungsverstärker, Mittel zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit und sechswertige chromreduzierende Mittel, die speziell für den Einsatz in Vertikalmühlen entwickelt wurden, sind auch bereits erhältlich. Daten zu den Parametern der Zementproduktion und zur Zementqualität sind in Tabelle 1 enthalten.

Es ist deutlich zu erkennen, dass das Vergleichsprodukt, das an herkömmlichen Eintragsstellen hinzudosiert wird (in diesem Fall auf dem Klinkerförderband), wenig oder keine Verbesserungen bezüglich des Produktionsprozesses und der Zementqualität mit sich bringt. Der Eintrag des gleichen Vergleichsprodukts mit der gleichen Dosierung zusammen mit dem Wasserstrahl direkt unter die Walzen führt schon zu einer gewissen Verbesserung, was den Wert dieser neuen Eintragstechnik demonstriert. Die Mahlhilfe MA.G.A./VM 12 ragt jedoch klar heraus und zeigt starke Verbesserungen bezüglich der Mühlenproduktion sowie der Zementqualität. Bild 4 zeigt einen Vergleich zwischen den unterschiedlichen Druckfestigkeiten, die aus den vier unterschiedlichen Szenarios resultieren.

5 Schlussfolgerungen

Es wurde eine neuartige Kategorie von Mahlhilfen speziell für Vertikalmühlen vorgestellt. Diese Beimischungen wurden entwickelt auf der Grund der Schwierigkeiten, mit denen die Zementhersteller weltweit beim Einsatz herkömmlicher Mahlhilfen zu kämpfen haben. Beimischungen aus der Reihe MA.G.A./VM zusammen mit dem neuen Eintragssystem, das in der Praxis von den Technikern von Mapei entwickelt wurde, haben sich beim Überwinden dieser speziellen Schwierigkeiten bewährt. Die daraus resultierenden Leistungen in Form einer Verbesserung der Druckfestigkeit, einer Erhöhung der Feinheit/Produktion usw. sind vergleichbar mit denen, die für den Einsatz von traditionellen Zementbeimischungen in der Produktion mit Horizontalmühlen charakteristisch sind, wenn sie ihnen nicht sogar überlegen sind. Die Wirksamkeit dieser neuen Mahltechnik wurde mit Daten demonstriert, die während eines der vielen Versuche in der Industrie gesammelt wurde, die mit diesen speziellen Produkten durchgeführt wurden.