Anwendung der Jet Milling-Technologie zur Verbesserung der Prozesseffizienz

Kyle Shanley, Verfahrensingenieur, NETZSCH Premier Technologies LLC | 31. März 2023

In der Welt der Partikelgrößenreduzierung war die Strahlmahlung schon immer ein ideales Mittel zur Erzielung feiner Partikel. Strahlmühlen sind nach ihrer Mahlenergiequelle benannt: komprimiertes Gas, das durch eine oder mehrere Düsen expandiert wird, um einen Gasstrahl mit hoher Geschwindigkeit zu erzeugen. Obwohl es viele Variationen von Ausrüstungsdesigns gibt, die diese Basistechnologie nutzen, weisen moderne Wirbelschicht-Strahlmühlen mit interner Klassifizierung viele Vorteile gegenüber anderen Arten von Strahlmühlen auf.

Sie verwenden entgegengesetzte Düsen innerhalb eines Materialbetts und einen eingebauten dynamischen Luftklassierer zur Steuerung des PSD-Oberschnitts (Partikelgrößenverteilung). Diese Konfiguration führt zu Hochgeschwindigkeitskollisionen zwischen Partikeln innerhalb des Wirbelbetts und begrenzt gleichzeitig den Hochgeschwindigkeitskontakt mit den Innenflächen der Mühle. Dies macht diese Mühlen ideal für die Verarbeitung von Materialien unterschiedlichster Härte und Abrasivität ohne übermäßigen Maschinenverschleiß und Verunreinigungen des Materials, ideal für Materialien, die eine hohe Reinheit oder saubere Farbe erfordern. Die Geschwindigkeiten an den Düsen können auch die höchsten sein, die es in jeder Mahltechnologie gibt, sodass sie Materialien bis zu den feinsten PSDs mahlen können. Da als Mahlmittel ein Gas verwendet wird, ist es außerdem sehr einfach, die Temperatur zu kontrollieren, und es kann praktisch kein Temperaturanstieg im Inneren der Mühle erreicht werden.

Strahlmühlen sind bei weitem die flexibelste und vielseitigste aller Mahltechnologien, werden jedoch häufig von bestimmten Anwendungen und Branchen ausgeschlossen. Ein traditioneller Strahlmahlprozess arbeitet häufig mit einem Mahldüsendruck von etwa 7 barg bei 250 °C. Ein Luftkompressor muss erhebliche Energiemengen aufwenden, um Druckluft mit diesem Druck und dieser Temperatur zu erzeugen. Noch mehr Energie wird verbraucht, wenn die Luft ölfrei und trocken sein muss, was bei Strahlmahlverfahren üblich ist. Aufgrund der hohen Kapitalinvestitionskosten oder hohen Energiekosten verbleibt unter vielen Verfahren die vielseitigste und vorteilhafteste Form der Partikelgrößenreduzierung. Dies hat zu vielen Vorurteilen geführt, dass das Strahlmahlen nur für hochwertige Materialien, Materialien, die feinste PSDs erfordern, oder Materialien, die zum Mahlen eine hohe Energie erfordern, reserviert ist. Die Wahrheit ist jedoch, dass eine Strahlmühle auf unterschiedliche Weise betrieben werden kann und für viele Anwendungen ideal sein kann, die sich in der Vergangenheit von dieser Technologie abgewendet haben. Hier untersuchen wir die Möglichkeiten zur Schaffung eines effizienten Strahlmahlprozesses für ein breites Anwendungsspektrum, wobei der Schwerpunkt auf der Wirbelschichtstrahlmühle liegt.

Wenn wir Wege finden wollen, die Energieeffizienz und die Kosten eines Strahlmahlprozesses zu verbessern, müssen wir uns auf die Hauptquelle des Energieverbrauchs konzentrieren: den Luftkompressor. Es ist in der Branche allgemein bekannt, dass die Verdichtung von Luft per se kein effizienter Prozess ist, da viele Hochdruckkompressoren einen Wirkungsgrad von 40–60 % haben. Um dieses Problem zu lösen, verwenden wir einen standardmäßigen zweistufigen, ölfreien Luftkompressor (Abbildung 1). Um den gewünschten Druck und die gewünschte Temperatur zu erreichen, wird die Umgebungsluft zunächst auf etwa 4 barg komprimiert und dort auf etwa 2.000 °C erhitzt. Diese Luft wird dann abgekühlt und erneut komprimiert, wobei sie einen Druck von bis zu 8,0 barg erreicht und erneut auf etwa 1.600 °C erhitzt wird (genaue Werte können variieren). Wenn Schleifluft mit Umgebungstemperatur benötigt wird, muss diese Luft nun wieder abgekühlt werden, so dass uns noch vier Schritte bleiben, um Hochdruck-Druckluft mit Umgebungstemperatur zu erreichen. Was wäre also, wenn wir anfangen würden, einige dieser Stufen vom Luftkompressor zu entfernen?

Abbildung 1: Stufen des ölfreien Luftkompressors

Wir können zwei Hauptszenarien in Betracht ziehen: Entfernen der letzten Kühlstufe, wodurch wir bis zu 8 barg und 1.600 °C Luft erhalten, oder Entfernen beider Kühlstufen und der zweiten Kompressionsstufe, wodurch wir bis zu 4 barg und 2.000 °C erhalten. Aber wir müssen verstehen, welche Auswirkungen dies auf den Betrieb unserer Strahlmühlen haben wird? Nachfolgend sehen Sie einige Werte, die mit einer Wirbelschichtstrahlmühle herkömmlicher Bauart erreicht werden können.

Abbildung 2: Strahlmühlenszenarien auf der Wirbelschichtstrahlmühle CGS 50 von NETZSCH

Wir sehen hier, dass die Lufttemperatur einen direkten Einfluss auf die Luftgeschwindigkeit nach den Düsen und damit auf die Mahlenergie hat. Jetzt haben wir nicht nur Schritte aus dem Luftkompressionsprozess entfernt, sondern auch den Energieeintrag für unseren Mahlprozess mit weniger Gasvolumen verbessert. Dies wird drastisch deutlich, wenn wir Schleifgas mit 3,2 barg und 200 °C betrachten, manchmal auch als „E-Jet“-Prozess bekannt, bei dem wir im Vergleich zu Schleifgas mit 7,0 barg und 25 °C höhere Geschwindigkeiten und einen höheren Energieeintrag sehen werden. Hier haben wir also einen Vorteil für den Betrieb der Strahlmühle, aber wie wirkt sich das auf den Betrieb des Luftkompressors aus? Unten sehen Sie einige gängige Wirkungsgrade von Luftkompressoren für verschiedene Luftkompressorkonfigurationen.

Abbildung 3: Übliche Wirkungsgrade von Luftkompressoren

Es zeigt sich, dass wir durch den Wegfall von Kühl- und Verdichtungsstufen die Effizienz des Kompressors verbessern, wobei ein einstufiger, ungekühlter Kompressor theoretisch 100 % erreicht. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Kapitalkosten des Kompressors jedes Mal gesenkt werden, wenn eine Stufe entfernt wird, sowie Einsparungen bei den in den Kühlstufen verwendeten Kühlmedien.

Natürlich sind einige Modifikationen an den Strahlmühlen selbst erforderlich, um Hochtemperaturgas zu verarbeiten und bei diesen Temperaturen und Drücken optimal zu funktionieren. Strahlmühlen, die mit Heißgas betrieben werden, können eine ölgeschmierte Lagerkonstruktion verwenden, die bei diesen höheren Temperaturen sowohl eine längere Lebensdauer als auch eine höhere Zuverlässigkeit gegenüber gefetteten Lagern aufweist. Aber insgesamt wird man – selbst bei einigen Modifikationen an der Ausrüstung – immer eine Kosten- und Energieeinsparung feststellen.

Wir haben jetzt eine Möglichkeit gesehen, die Effizienz des Strahlmahlens mithilfe der Kompressoreffizienz zu verbessern, aber kann diese weiter genutzt werden? Es wurde festgestellt, dass es Anwendungen gibt, bei denen wir den Schleifdüsendruck noch senken können. Es gibt eine Reihe von Anwendungen, in der Regel Materialien, die eine Desagglomeration erfordern oder bei deren Mahlung sehr wenig Energie benötigt wird, und die in der Vergangenheit mithilfe einer Art mechanischer Prallmahlung verarbeitet wurden (Windsichtermühlen, Hammermühlen, Stiftmühlen usw.). Bei den meisten Mahlvorgängen, bei denen mechanische Stöße zum Einsatz kommen, werden Geschwindigkeiten zwischen 100 und 250 m/s verwendet, um die Partikel zu beschleunigen. Was wäre, wenn der Mahldüsendruck einer Strahlmühle weniger als 1 barg oder sogar nur 0,3 barg beträgt? In diesem Bereich sind mittlerweile Strahlgeschwindigkeiten zwischen 150 und 300 m/s zu beobachten, was bedeutet, dass die Düsengeschwindigkeit der Strahlmühle der bei mechanischen Mahlprozessen ähnelt. Doch die bloße Abstimmung von Geschwindigkeit und Energieeintrag bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Gesamtprozesse im Hinblick auf die Effizienz vergleichbar sind. Wir müssen uns nun Vergleichsdaten ansehen und sehen, was wir für die Effizienz beim Strahlmahlen mit diesen niedrigen Drücken tun können.

Eine in Betracht gezogene Lösung besteht darin, den Luftkompressor vollständig zu entfernen und ihn durch ein Verdrängergebläse, typischerweise ein Rotationskolbengebläse, zu ersetzen. Dies ermöglicht uns eine nahezu 100-prozentige Effizienz bei der Erzeugung von Luftdruck bis zu 1 barg, senkt die Kapitalkosten und senkt den Stromverbrauch im Vergleich zu einem Schraubenkompressor. Wir müssen uns auch Vergleichstests zwischen mechanischen Mühlen und Strahlmühlen ansehen. Der Schwerpunkt dieser Vergleiche lag speziell auf Windsichtermühlen, bei denen der Energieeintrag über Rührwerke an einem Rotor erfolgt und die Partikelgröße durch einen eingebauten dynamischen Windsichter gesteuert wird. In einigen Anwendungen sind höhere Produktionsraten der Niederdruckstrahlmühle bei gleicher Endmaterialqualität zu beobachten. Dies variiert natürlich je nach Material und Anwendung, aber viele wurden durch verschiedene Tests festgestellt. Wenn wir uns nun den gesamten Prozess ansehen, können wir eine allgemeine Verbesserung der spezifischen Mahlenergie und -effizienz feststellen. Ähnliche Ergebnisse können mit Schleifdüsendrücken zwischen 1 und 3 barg erzielt werden. In diesen Fällen müssen wir auf einen Luftkompressor zurückgreifen, aber wir können einstufige Kompressoren verwenden und eine viel geringere installierte Motorleistung verwenden, um diese niedrigeren Drücke zu erreichen.

Jetzt haben wir die Vorteile, eine Strahlmühle zu betreiben und zu warten, insbesondere im Vergleich zu mechanischen Mühlen, die auf lange Sicht immer mehr Verschleißteile haben und mehr Wartung erfordern und dennoch über einen energie- und kosteneffizienten Prozess verfügen. Diese Vorteile werden noch deutlicher, wenn es um harte und abrasive Materialien oder Prozesse geht, die eine hohe Reinheit und eine begrenzte Kontamination erfordern. Es gibt viele Kostenvorteile und weniger Einschränkungen bei der Implementierung von Verschleißschutz oder eisenfreier Verarbeitung in einer Strahlmühle im Vergleich zu mechanischen Mühlen, oder genauer gesagt, Windsichtermühlen. Es ist zu beachten, dass die meisten Standard-Strahlmühlenkonstruktionen bei diesen niedrigen Mahldüsendrücken, insbesondere unter 1 barg, nicht optimal funktionieren und einige Modifikationen an der Basismaschine vorgenommen werden müssen. In diesem Bereich wurde in der Industrie geforscht und es sind spezielle Ausführungen von Wirbelschichtstrahlmühlen auf dem Markt, die sich ideal für diese niedrigen Drücke eignen.

Wir haben uns nun zwei verschiedene Möglichkeiten angesehen, wie der Strahlmühlenbetrieb geändert werden kann, um ihn an mehr Anwendungen anzupassen, aber in beiden Fällen haben wir uns hauptsächlich mit dem Luftstrahlmahlen befasst (könnte auch für Inertgase gelten). Es gibt jedoch noch ein anderes Medium, das beim Strahlmahlen verwendet werden kann und das erforscht werden kann, und zwar Dampf. Hier werden wir untersuchen, wie sich das Dampfstrahlmahlen auf die Prozesseffizienz auswirken kann, wiederum unter besonderer Berücksichtigung des Designs einer Wirbelschichtstrahlmühle. Dieses Design einer Dampfstrahlmühle mit Wirbelschicht und dynamischer Luftklassierung ist einzigartig in der Branche und spielt eine wichtige Rolle bei den Möglichkeiten der Dampfnutzung.

Aufgrund der Notwendigkeit eines hohen Energieeintrags wird häufig das Dampfstrahlmahlen in Betracht gezogen. Überhitzter Dampf wird oft mit bis zu 40 barg und 350˚C erzeugt, in manchen Fällen sogar noch höher. Diese Temperaturen und Drücke ermöglichen sehr hohe Schleifdüsengeschwindigkeiten, in manchen Fällen bis zum 2-3-fachen der Schallgeschwindigkeit. Dampf weist im Vergleich zur Umgebungsluft außerdem eine geringere Viskosität auf, wodurch eine dynamische Luftklassifizierung zur Klassifizierung noch feinerer Partikel möglich ist. Diese beiden Punkte bedeuten, dass eine sehr häufige Anwendung des Dampfstrahlmahlens das Feinstmahlen ist, aber vielleicht lässt sich mit Dampf noch mehr erreichen?

Wie wir beim Luftstrahlmahlen gelernt haben, ist der Prozess der Luftkomprimierung bei höheren Drücken relativ ineffizient. Wo ist also die Dampferzeugungseffizienz vergleichbar? Wenn wir hier 40 barg Dampf bei 350 °C berücksichtigen, kann dieser mit einem Wirkungsgrad von bis zu 90 % erzeugt werden, viel höher als bei herkömmlichen Hochdruck-Luftkompressoren. Nun müssen wir uns den direkten Vergleich mit dem Luftstrahlfräsen ansehen.

In vielen Fällen kann beobachtet werden, dass beim Mahlen eines Materials mit derselben PSD und derselben physischen Größe und Konstruktion von Luftstrahlmühle und Dampfstrahlmühle ein höherer Durchsatz bei der Dampfstrahlmühle erzielt wird. Natürlich bringen wir mit Dampf viel mehr Energie in das Material ein, das ist also zu erwarten, aber hier besteht auch die Möglichkeit einer Prozessverbesserung. Auch wenn der Durchsatz zunimmt, verfügen wir fast immer über eine vergleichbare spezifische Mahlenergie, sodass es oberflächlich betrachtet nicht den Anschein hat, als ob die Prozesseffizienz beeinträchtigt wurde. Wenn wir nun jedoch die Leistung und Effizienz der Dampferzeugung im Vergleich zur Drucklufterzeugung betrachten, stellen wir häufig einen verbesserten Energieverbrauch im gesamten System fest.

Dampfstrahlmühlen und Dampferzeuger sind oft mit höheren Kapitalinvestitionen verbunden, aber für Anwendungen, bei denen eine hohe Produktion wichtig ist, ohne den Energieverbrauch völlig außer Acht zu lassen, bietet der Einsatz von Dampf viel Potenzial. Wie bei anderen Strahlmahlverfahren können einige Prozessoptimierungen durch Tests dazu beitragen, die idealen Dampfdrücke und Temperaturen zu erreichen, die für eine spezifische Verbesserung der Mahlenergie erforderlich sind. Dampf bei hohem Druck und hoher Temperatur hat auch einige einzigartige Eigenschaften: Er ist in der Lage, Feuchtigkeit aus vielen Materialien zu entfernen und unter bestimmten Bedingungen sogar Aufschlämmungen von Materialsuspensionen zu trocknen. In diesen Fällen verwenden wir für unsere Dampfstrahlmühlen auch Wirbelschicht-Strahlmühlenkonstruktionen, sodass wir die Vorteile dieser Konstruktion für Verschleißschutz und kontaminationsfreies Mahlen weiterhin nutzen können, was bedeutet, dass eine breite Palette von Anwendungen diese Technologie nutzen kann.

Während die vielen verschiedenen Formen des Feinmahlens immer für eine Vielzahl von Anwendungen benötigt werden, haben wir gelernt, dass das Strahlmahlverfahren für viele Branchen und Anwendungen hervorragend geeignet sein kann. Wir müssen immer noch die Einschränkungen verschiedener Prozesse berücksichtigen, z. B. können Materialien mit Temperaturbeschränkungen nicht von den Vorteilen des Dampf- oder Heißgasstrahlmahlens profitieren. Wir wissen auch, dass es Materialien gibt, die unterschiedliche Arten von Schlag- und Scherkräften erfordern, die in einer Strahlmühle möglicherweise nicht immer auftreten. Durch neue Innovationen und die Erforschung des Strahlmühlenbetriebs könnten jedoch auch Anwendungen, von denen früher angenommen wurde, dass sie außerhalb des Strahlmahlbereichs liegen, die richtige Lösung sein.

Der wichtigste Aspekt bei der Bestimmung dessen, was möglich ist, ist die Prozessoptimierung durch Materialtests. Es ist wichtig zu verstehen, wie sich unterschiedliche Temperaturen und Energieeinträge auf den Mahlprozess eines bestimmten Materials auswirken. Mithilfe der Branchenerfahrung und der verfügbaren Testlabore kann jederzeit eine spezifische Mahlenergieoptimierung erreicht werden, die uns den besten Strahlmühlenprozess aufzeigt. Idealerweise können Testlabore mit mehreren Formen der Feinvermahlung genutzt werden, was nicht nur die Optimierung von Strahlmahlprozessen ermöglicht, sondern auch den Vergleich mit anderen Geräten, um wirklich den optimalen Prozess zu finden. Die wichtigste Erkenntnis aus den präsentierten Informationen und der umfangreichen Forschung in dieser Branche ist, dass das Strahlmahlen nicht sofort als kostspieliger und energieintensiver Prozess betrachtet werden sollte und dass wir jeden Tag neue Wege finden, Prozesse durch Erkundung zu verbessern des Strahlfräsens.

Kyle Shanley ist Verfahrensingenieur bei NETZSCH Premier Technologies LLC mit mehr als einem Jahrzehnt Erfahrung in der Trockenverarbeitung. Er überwacht Kundenlabortests in den Kundentestlabors in Exton, PA. Er ist verantwortlich für das High-Level-Prozessdesign sowie die Skalierung und Prozessoptimierung von Trockenanlagen. Außerdem überwacht er die Entwicklung und Installation neuer Geräte in den Testlabors. Weitere Informationen finden Sie unter www.netzsch.com/de.

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