ÖĞÜTME TEKNOLOJİLERİ ÖZET Öğütme, çimento endüstrisinin en fazla enerji tüketen birim işlemidir. Enerji denkliği anlamında aşırı verimsiz olan öğütme işlemlerinde atılacak küçük adımların ne denli yararlı olacağı açıktır. Bu bağlamda, konu üzerinde çok uzun bir süredir pekçok sayıda sistematik araştırma yapılmaktadır. Bu paralelde, özellikle son 20 yılda, çimento öğütme-separasyon işlemlerinde % 40'lara varan enerji kazanımları sağlanmıştır. Bu not, Bilyalı Değirmenler dışında kalan Dik Değirmenler, Yüksek Basınçlı Merdaneli Presler, Düşey Şoklu Kırıcılar/Değirmenler, CKP Ön Öğütücüler ve Horomill'in gelişimi ve uygulamaları hakkında bir derlemedir. 1. Giriş Katı taneciklerin elastik sınırlarını aşacak düzeydeki gerilmeler sonucu yenilerek daha küçük boyutlara indirgenmesi, bir diğer deyişle yeni yüzeylerin oluşması ufalama, ufalamanın da son aşaması öğütme olarak tanımlanmaktadır. Çoğu kez fiziko-mekanik bir işlem olarak algılanan ufalama özünde fiziko-kimyasal bir işlemdir (1). Konu üzerinde 1867'de Rittinger (2) ile başlayan kuramsal çalışmalar çok yoğun olmasına karşın öğütme, halen somut temellere oturtulamamış, ampiriklikten ya da iyimser bir tanımla yarı kuramsallıktan kurtarılamamıştır. Günümüzde tüm dünyada üretilen toplam elektrik enerjisinin %5 kadarı öğütmede harcanmaktadır (3, 4). Yalnızca çimento
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
ÖĞÜTME TEKNOLOJİLERİ
ÖZET
Öğütme, çimento endüstrisinin en fazla enerji tüketen birim işlemidir. Enerji denkliği
anlamında aşırı verimsiz olan öğütme işlemlerinde atılacak küçük adımların ne denli
yararlı olacağı açıktır. Bu bağlamda, konu üzerinde çok uzun bir süredir pekçok sayıda
sistematik araştırma yapılmaktadır. Bu paralelde, özellikle son 20 yılda, çimento öğütme-
separasyon işlemlerinde % 40'lara varan enerji kazanımları sağlanmıştır.
Bu not, Bilyalı Değirmenler dışında kalan Dik Değirmenler, Yüksek Basınçlı Merdaneli
Presler, Düşey Şoklu Kırıcılar/Değirmenler, CKP Ön Öğütücüler ve Horomill'in gelişimi ve
uygulamaları hakkında bir derlemedir.
1. Giriş
Katı taneciklerin elastik sınırlarını aşacak düzeydeki gerilmeler sonucu yenilerek daha
küçük boyutlara indirgenmesi, bir diğer deyişle yeni yüzeylerin oluşması ufalama,
ufalamanın da son aşaması öğütme olarak tanımlanmaktadır. Çoğu kez fiziko-mekanik
bir işlem olarak algılanan ufalama özünde fiziko-kimyasal bir işlemdir (1). Konu üzerinde
1867'de Rittinger (2) ile başlayan kuramsal çalışmalar çok yoğun olmasına karşın
öğütme, halen somut temellere oturtulamamış, ampiriklikten ya da iyimser bir tanımla
yarı kuramsallıktan kurtarılamamıştır.
Günümüzde tüm dünyada üretilen toplam elektrik enerjisinin %5 kadarı öğütmede
harcanmaktadır (3, 4). Yalnızca çimento endüstrisi göz önüne alındığında bu rakam
%2'dir (4). Bilindiği gibi öğütme çok verimsiz bir işlem olup, değirmene giren toplam
enerjisinin ancak %1 kadarı yeni yüzey oluşumunda harcanmakta; geriye kalan kesimi
ise; ısı, ses, titreşim, sürtünme v.b. enerji türleri olarak kaybolmaktadır. Bu nedenle,
öğütme etkinliğini az da olsa arttıracak bir gelişmenin ekonomik değeri açıktır.
Çimento endüstrisi en büyük enerji tüketici endüstrilerden biridir (5). Üretimin en ağırlıklı
işlemlerinden biri olan öğütmede kullanılan elektrik enerjisi, harcanan toplam elektrik
enerjisinin % 60'ından fazla olup, çimento üretim maliyetinin %30-40’ına karşı
gelmektedir. Tipik bir çimento fabrikasında harcanan elektrik enerjisinin yaklaşık dağılımı
Şekil 1 'de verilmektedir (6) .
70'li yılların petrol şokundan sonra artan enerji fiyatları, artan ürün kalite standardları ve
yüksek kapasiteli çimento fabrikalarına olan talep artışı, öğütme makinaları ve uygulanan
Şekil 1. Tipik Bir Çimento Fabrikasında Harcanan Elektrik Enerjisinin Yaklaşık Dağılımı
proseslerin geliştirilmesi ve optimizasyonu konularında yoğun çalışmalara neden
olmuştur. Özellikle son 20 yıldaki gelişmeler çimento endüstrisini yeni kuru öğütme
teknolojileri geliştirme ve bunları uygulama yönünde lider endüstri konumuna getirmiştir.
Konvansiyonel yöntemler olarak tanımlayabileceğimiz bilyalı ve dik değirmenlerde yapılan
gelişmelere ek olarak, 1985 yılında yüksek basınçlı merdaneli presler ve yine aynı yılda,
yüksek verimli separatörler endüstriyel uygulama bulmuş(7, 8); sonraki yıllarda CKP ön
öğütücüleri, düşey şoklu kırıcılar/değirmenler ve son olarak da Horomill geliştirilerek enerji
tüketimleri çok önemli oranlarda düşürülmüştür (9,10,11).
Bu notta bilyalı değirmenler dışında kalan öğütme sistemleri hakkında bilgiler derlenmiş ve
konuya ilişkin gelişmeler verilmiştir.
2. Dik Değirmenler
Dik değirmenlerin orijini antik çağlara uzanmaktadır. Bu çağlarda taştan yapılmış silindirik
öğütme elemanları, yine taştan yapılmış bir silindirin düz yüzeyinde döndürülmekte ve
özellikle tahıl, zeytin ve hatta bazı minerallerin öğütülmesinde kullanılmaktaydl.
Anadolu'da halen kullanılmakta olan benzer bir değirmen Şekil 2'de verilmiştir.
Günümüz dik değirmenleri Şekil 2'de görülen öğütücünün, temel prensipler açısından,
mekanik olarak geliştirilmesinden başka birşey değildir. Şekildeki ilkel değirmende
malzeme öğütücü silindir altına beslenmekte; ve arzulanan inceliğe bağlı olarak, silindir,
malzeme üzerinden birkaç kez geçirilmektedir. Nemli malzemelerin öğütülmesi için
öğütme tablası diyebileceğimiz alt silindirin yan yüzeyi oyulmuş ve bu oyukta ateş
yakılması imkanı sağlanmıştır. Yakılan ateş ile alt silindir yüzeyi ısıtılmakta ve malzeme
kurutulmaktadır. Yeteri inceliğe ulaştığı kabul edilen malzeme süpürülerek öğütme
yüzeyinden dışarı alınmaktadır. Bu ürün, istenirse, elenerek elek üstü malzeme tekrar
öğütülmek üzere silindir altına beslenebilir.
Şekil 2. İlkel Taş Değirmeni
Bu sistemin en belirgin dezevantajı kesikli çalışmasıdır. Sistemi sürekli kılmanın yolu
malzeme naklini sürekli kılmakla mümkündür. Üst silindir yerine alt silindirin
döndürülmesi buna olanak sağlayacaktır. Bu durumda, dönen silindirin merkezine
beslenen malzeme merkezkaç kuvveti etkisinde dışa doğru hareket edecek ve bu sırada
alt ve üst silindirler arasından geçerken öğütülecektir. İşte bu basit fizik kuramı, modern
dik değirmenlerin geliştirilmesinde ana parametre olmuştur.
Şekil 3'de günümüz dik değirmenlerinden bir örnek görülmektedir. Öğütme ortamı bir
hazne içine alınmış, valslerin üst tarafına da bir separatör yerleştirilmiştir; öğütme tablası
etrafına yerleştirilen bir enjeksiyon halkası sayesinde de değirmen içine hem pnömatik
taşımayı yapacak hem de malzemeyi kurutacak havanın/gazın gönderilmesi sağlan-
mıştır.
Öğütme tablasının zaman içinde nasıl değişerek günümüzde kullanılan hale geldiği
literatürde bulunabilir. Ancak belirgin değişiklikler öğütme tablasının düzleşmesi ve vals
eksenlerinin yatayla yapmış oldukları açının düşmesidir.
Şekil 3. Tipik Bir Dik Değirmeni Kesiti
Öğütme valslerindeki bu gelişmeler paralelinde, valslerin yaylarla bastırılması sistemleri
de geliştirilmiştir. Loesche değirmenlerinin ilk modellerinde herbir vals, kavrama kolu ve
değirmen gövdesi arasına yerleştirilen ayrı bir çelik yay ile bastırılmakta idi. Öğütme
çanağının düzleştirilmesi, daha büyük çaplı valslerin kullanılması ve valslerin artan düşey
hareketleri nedenleriyle, valsler arasındaki kuvvetlerin dengelenerek basınç yatağı
üzerinde sabit bir yükleme yapması arzulanmaktaydı. Bu nedenle, vals başına bir yay
kullanılması yerine, valsler kombine bir yay sistemi ile irtibatlandırılmıştır. Bu yolla,
valslerin öğütme yatağı üzerindeki pozisyonlarından bağımsız olarak, öğütme
kuvvetlerinin dengelenmesi mümkün olmuştur.
Statik santrifüjlü sınıflandırıcıların yerine dinamik sepet sınıflandırıcıların kullanılması ile
daha ince, daha homojen ve daha kontrollu öğütme yapılabilmiş ve daha büyük
Klinker öğütmede sağlanan bu kazanımlar, çimento hammaddesi öğütülmesinde daha
da artmakta ve sırasıyla % 60-120 ve % 25-30 değerlerine ulaşmaktadır (9).
Şekil 21. CKP-R Akım Şeması
Chichibu Cement ve Kawasaki firmaları klinker öğütülmesinde kullandıkları CKP
değirmenler için akışkan yataklı bir separatör geliştirerek öğütme kapasitesini % 10'a
varan oranlarda artırmışlardır. CKP-RS olarak adlandırdıkları bu sistemler CKP-R
sistemlerine göre % 12 mertebesinde spesifik enerji kazanımı sağlamıştır (44). CKP
değirmenlerinin çimentonun son öğütülmesi için de kullanılması konusunda çalışmalar
mevcut olup, sonuçlar olumlu görünmekle birlikte uzun süredir çalışan referans tesisler
henüz yoktur.
CKP sistemleri, geliştirilmelerinden bu yana özellikle Japonya, Uzakdoğu ülkeleri,
Güney Amerika ülkeleri ve Ortadoğu ülkelerinde kabul görmüştür. Ülkemizde herhangi
bir kullanımı yoktur.
Horomill
YBMP'lerin geliştirilmesindensonra ezme mekanizmasının enerji tasarrufu açısından
yararları genel bir kabul görmüştür. Ancak bu preslerde uygulanan yüksek basınçların
makine ömrü ve işletme güvenilirliği açılarından yarattıkları sorunlar, araştırmacıları bu
sorunların aşıldığı, yeni öğütme ekipmanlarının geliştirilmesine yönlendirmiştir.
Sonuçta italyan Fratelli Buzzi ve Fransız FCB firmaları, aşağıda verilen hedefler
doğrultusunda, öğütme teknolojisi açısından son yılların en dikkate değer gelişmesi
olarak tanımlayabileceğimiz Horamill'i geliştirmişlerdir (11).
YBMP'lerin yüksek enerji verimliliği. Dik değirmenlerin farklı malzemelerin
öğütülmesinde gösterdiği esneklik.
Mekanik güvenilirlik.
Bilyalı değirmen ürününün sahip olduğu kalite.
Bu notun 1. kısmında sözü edilen ve 1920'lerde geliştirilen Maxecon değirmenlerin bir
versiyonu olarak görebileceğimiz Horamill de halka ve merdane (ring and roller)
prensibine dayalı bir değirmen olup, öğütme halkası yatayolarak yerleştirilmiş ve
öğütücü merdane sayısı bire indirilmiştir. Maxecon ve Horomill arasındaki temel fark
ise Horomill'de merdanenin değil öğütme halkasının tahrik edilmesidir. Şekil 22'de
görüldüğü gibi Horomill 'in ana elemanları, tahrik edilen bir öğütme halkası ve bu halka
üzerine hidropnömatik yaylarla bastırılan ve öğütme halkasının yatay ekseninden biraz
kayık olarak yerleştirilmiş bir öğütme merdanesidir.
Şekil 22. Horomill
Öğütme Prensibi
Değirmen silindiri ya da öğütme halkası pabuç yataklar üzerine oturtulmuş ve bir çember
dişlipinyon sistemi ile döndürülmektedir. Dönen halkanın her iki tarafındaki kapaklar
sabit olup, çeşitli değirmen elemanlarının bu kapaklar üzerine montajı sağlanmıştır. Ka-
paklar ile halka arasında toz sızdırmaz contalar olup, ayrıca tozlaşmayı önlemek için
değirmen içi negatif basınç altında tutulmaktadır.
Değirmene beslenen malzeme halka ve basınç yüklü merdane arasında ezilerek
öğütülmektedir. Merdanenin halka ile aynı yöndeki dönüşü öğütülen malzemenin oluş-
turduğu sürtünme kuvveti nedeniyledir. Yukarıda da söylendiği gibi bu öğütme prensibi
yeni olmayıp 1920'lerden bu yana bilinmektedir.
Değirmen içinde malzeme akışını sağlamak için halka kritik hızın üzerinde
döndürülmektedir. Yine bilindiği gibi değirmenlerin kritik hız üzerinde çalıştırılması
prensibi de yeni değildir. Hukki R.T. 1950'li yıllarda bilyalı değirmenlerin kritik hızın
üzerinde çalıştırılması ile enerji veriminin arttığını ve daha ince ürün boyutlarına
ulaşıldığını ileri sürmüştür (45). Horomill'in kritik hızın üzerinde döndürülmesi beslenen
tanelerin merkezkaç kuvveti etkisi ile halka iç çeperine yapışmasını sağlar. Değirmen
döndükçe bu taneler merdane ve çeper arasından geçerek öğütülmektedir (Şekil 23a,
b) Ancak burada sorun, öğütülen malzemenin değirmen boyunca yatay hareketini
sağlayarak dışarı alınmasıiçin uygun bir mekanizmanın oluşturulmasıdır. ilgili
literatürden anlaşıldığına göre, çepere yapışan malzemeyi sıyırmak üzere değirmen
içine bir sıyırıcı yerleştirilmiştir. Sıyrılan malzeme, yine değirmen içine yerleştirilen ve
imalatçılar tarafından "patentli taşıma kutusu" olarak adlandırılan taşıyıcı bir sistem
vasıtasıile değirmen dışına alınmaktadır. Değirmen d~şına alınan malzeme, kovalı
elevatör ile bir separatöre taşınmakta, separatör incesi son ürün olarak ayrılırken,
separatör irisi değirmene geri dönmektedir. imalatçı firmalar "patentli taşıma kutusu"
hakkında bilgi vermemekle birlikte, algılandığı kadarıyla bu taşıma sistemi, değirmen
kapaklarına asılmış, enine ve boyuna eğimleri değirmen dışından ayarlanabilen bir
taşıma oluğudur. Sıyrılan malzeme bu oluk üzerine düşmekte ve eğimlerin
optimizasyonu ile malzemenin değirmen içindeki kalış süresi, bir diğer deyişle malze-
menin merdane ve çeper arasından kaç kez geçeceği ayarlanmaktadır.
Şekil 23a. Horomill Öğütme Prensibi
Şekil 23b. Horomill Öğütme Prensibi
Uygulamada tanelerin değirmeni terketmeden önce merdane ve çeper arasından geçiş
sayısı 210 arasında değişebilir. Geçiş sayısının değiştirilmesi ile ürünün incelik ayarı
yanında, belli sınırlar içinde. tane iriliği dağılımı da ayarlanabildiğinden, öğütülen
malzemenin bu özellikleri konvansiyonel bilyalı değirmenlerden elde edilen ürünün
özelliklerine benzemektedir. Bu nedenledir ki, Horamill'de öğütülen çimentonun kalite
parametreleri herhangi bir olumsuzluk göstermemektedir.
Öğütme sırasında merdane tarafından tanelere uygulanan basınçdeğerleri 60-80 MPa
aralığında. olup, bu değerler dik değirmenler ve YBMP'lerde sırasıyla 40-70 MPa ve 70-
250 MPa aralığındadır. Bu mutedil basınç değerleri yanında Horomill'in bir diğer önemli
avantajı da kavrama açısının dik değirmen ve YBMP'lere göre daha büyük oluşudur.
Şekil 24'de verildiği gibi bu açılar sırasıyla 18°, 12° ve 6°'dir. Açının büyük oluşu basınç
uygulamasının daha uzun bir değme yüzeyi boyunca etkin olması demektir.
Uygulanan mutedil basınçlar ve 18°'lik kavrama açısı Horamill'in güvenilirliği ve işletme
ömrü konularında ciddi sorunlar yaratmadığı gibi, öğütme verimliliği açısından da çok
tatminkar sonuçlar vermektedir.
Endüstriyel Uygulama
Endüstriyel boyutta olduğu kabul edilebilir ilk Horomill uygulaması İtalya'da Torino
Çimento Fabrikası'nda yapılmıştır. 2200 mm çap ve 2000 mm uzunlukta 25 ton/saat çi-
mento öğütme kapasiteli bu değirmen Eylül 1993'den bu yana işletiImektedir.
Değirmenin mekanik ve dinamik davranışları beklenenin de üzerinde tatminkar
olmuştur. 3200 Blaine inceliğine öğütülen Portıand çimentosu için değirmenin motor
milinde ölçülen güç 16 kwh/ton gibi fevkalade düşük bir değerdir. Ayrıca çimento kalitesi
üzerinde yapılan testler, bilyalı değirmen ürünü ile karşılaştırıldığında işlenebilirlik de-
ğerlerinin aynı, beton ve harç dayanımlarının daha yüksek olduğunu göstermiştir (11,
46).
Şekil 24. Kavrama Açılarının Karşılaştırılması
Elde edilen verilerin ışığında Horomill'in diğer öğütme sistemlerine göre aşağıda
sıralanan genel avantajları olduğu ileri sürülmüştür.
Bilyalı değirmenlere gore;
% 30-50 arası enerji tasarrufu,
Basitlik, işletme kolaylığı, tepki verme süresinin çok kısa oluşu,
Düşük kirlilik ve gürültü seviyesi.
Kampaklık. Aynı kapasite için HoromiII boyu bilyalı değirmenin yaklaşık 1/3'üdür.
Eşdeğer ya da daha iyi çimento kalitesi.
Yüksek basınçlı merdaneli preslere göre;
Son öğütme için tasarılmış olması.
Yüksek mekanik güvenirlilik, minimum titreşim,
Malzeme dış sirkülasyon yükünün düşük olması, minimum yardımcı ekipman, %
20'ye kadar nemlilikteki malzemelerin öğütülebilmesi,
Benzer güç tüketimleri.
Dik değirmenlere göre; % 20-25 arası enerji tasarrufu, Yüksek mekanik güvenirlilik, Düşük hava hızı, azaltılmış basınç düşmeleri, Öğütmenin hava süpürmeli olmayışı,
Diğer endüstri kollarına göre daha tutucu olarak bilinen çimento üreticileri, Horomill'in
cazibesi karşısında tepkisiz kalmamışlar ve çok kişinin gerçek bir endüstriyel uygulama
olarak kabul etmiyeceği 25 ton/saat'lik değirmenden elde edilen sonuçlar bazında,
gereksinim duydukları kapasitelerde Horomill 'leri ısmarlamaya başlamışlardır. İlk
sipariş 85 ton/saat kapasiteli bir çimento değirmeni için Çimentaş'tan gelmiş olup, bu
durum, bir anlamda ülkemiz çimento sektörünün teknolojik gelişmeleri ne denli
yakından izlediğini de kanıtlamıştır. Kısa aralıklarla Aslan Çimento, Denizli Çimento, ve
Konya Çimento da sırasıyla 100 ton/saat , 2 x 85 ton/saat ve 100 ton/saat kapasiteli
değirmenler tesis ederek Çimentaş'ı izlemişlerdir. Bu değirmenlerin özellikle katkılı
çimento üretimine uygun olduğu yönünde görüşler vardır.
Horomill'in geliştirilmesinin temelinde yatan akılcı mühendislik yaklaşımları dikkate
alındığında bunların başarılı sonuçlar vereceği ve diğer sistemlere çok ciddi bir rakip
olacağı açıktır.
Çimento Endüstrisinde Kullanılan Farklı Öğütme Sistemlerinin Karşılaştırılması
Değirmen Tipi Uygulama
Bilyalı Değirmene Göre
% Kapasite Artışı
% Enerji Tasarrufu
Avantaj Dezavantaj
Bilyalı Değirmen
Son Öğütme - - Basit, güvenilirYüksek spesifik enerji tüketimi
Dik Değirmen Ön öğütme 40-55 15Kompakt, öğütme sınıflandırma aynı
ünitedeHava gereksinimi
Dik Değirmen Son Öğütme - 15-25Kompakt, öğütme sınıflandırma aynı
ünitede
Ürün kabul edilebilirliği
YBMP Ön Öğütme 30-40 10-15 Basit Limitli kapasite artışı
YBMPHybrid
Öğütme60-80 10-20 - Karmaşık kontrol
YBMPYarı-Son Öğütme
80-200 15-30 - Karmaşık kontrol
YBMP Son Öğütme - 35-50 -Ürün kabul edilebilirliği