Edellä todettiin, että märkäjauhatuksessa käytetään yleensä helmiä, jotka on valmis-tettu raudasta tai alumiinista. Helmimyllyssä jauhinkappaleena käytetään helmiä, joi-den halkaisija on kokoluokassa 0,5–5 mm. Zheng et al.25 ovat osoittaneet, että ener-giatehokkuuden kannalta paras kokoluokka on 2 mm. Helmet ovat yleensä pallomai-sia, lasista tai zirkoniumista valmistettuja ja niiden täyttöaste suhteessa kiintoaineen-määrään on Zheng et al.25 tutkimusten mukaan 12:1. [25]
Jankovic8 on tutkimuksissaan todennut, että jauhautuminen on voimakkaampaa suu-remmilla jauhinkappaleilla jauhatuksen alkuvaiheessa, mutta pitkällä aikavälillä saa-daan hienojakoisempi tuote, jos jauhatuksessa käytetään pienempiä jauhinkappaleita.
Myös Tuunila21 on päätynyt samanlaisiin tuloksiin omissa tutkimuksissaan.[8,21] Ku-vassa 12 on esitetty jauhautuvuutta helmimyllyssä ajan funktiona käytettäessä eriko-koisia jauhinkappaleita.
Kuva 12 Helmien koon vaikutus jauhautuvuuteen helmimyllyssä ajan funktio-na. [22]
Jauhinkappaleiden tiheydellä ja koolla on myös merkitystä jauhatuksen energiankulu-tuksen kannalta. Jauhinkappaleiden tiheyden kasvaessa lopputuote saadaan hienom-maksi, mutta energiankulutus kasvaa ja energiatehokkuus vähenee. Jankovic8 on ko-keissaan myös osoittanut, että energiankulutus tuotettua tonnia kohti laskee, kun jau-hetaan pienemmillä jauhinkappaleilla. Jauhatuksen energiankulutusta hienonnusas-teen funktiona käytettäessä erikokoisia jauhinkappaleita on esitetty kuvassa 13.[8]
Kuva 13 Jauhatuksen energiankulutus hienonnusasteen funktiona erikokoisilla jauhinkappaleilla. [8]
5 JAUHATUKSEN ENERGIANKULUTUS
Yksi hienonnuksen tärkeimmistä ominaisuuksista on sen energiankulutus. Taulukossa III sivulla 10 on esitetty, että tuotteen hienonnusasteen kasvaessa ominaisenergianku-lutus kasvaa hyvin nopeasti. Lisäksi sivulla 4 taulukossa I on esitetty, että teollisuus-prosessin kulujen jakautumisessa, noin 50 % kuluista aiheutuu jauhatuksesta. Jauhet-taessa kuulamyllyllä, alle prosentti kokonaisenergiasta kuluu itse jauhatukseen, kun taas suurin osa energiasta absorboituu myllyyn. Yleisesti voidaan todeta, että riippuen myllytyypistä ja hienonnusasteesta, noin 1-10 % jauhatusprosessin kokonaisenergias-ta kuluu jauhatukseen. Näin voidaan todekokonaisenergias-ta, että jauhatuksen energiankulutus on suuri ongelmakohta teollisuudessa. Energiankulutus märkäjauhatuksessa on noin 20–30 % alhaisempi kuin kuivajauhatuksessa, mutta huomattavaa on, että kokonaisenergiasääs-tö ei kuitenkaan ole näin suuri, sillä märkäjauhatus vaatii yleensä peräänsä kiintoai-neen ja nesteen erotus- ja kuivausprosessin. [6,10,11,16,23]
Hienontamisen ohella jauhatuksen käyttämästä energiasta suurin osa siis kuluu itse myllyyn, myllyn mekaanisiin häviöihin, lietteen lämpötilan kohottamiseen ja muihin toisarvoisiin asioihin, joten vain murto-osa energiasta saadaan käytettyä hyödyksi.
Nettoenergialla tarkoitetaan pelkästään hienontamiseen käytettyä energiaa, kun taas kokonaisenergia sisältää myllyn koko tehonoton. Jauhettavan aineen parametreista energiankulutukseen vaikuttavat jauhettavan aineen määrä, haluttu tuotekoko ja ai-neen erilaiset ominaisuudet kuten kovuus ja hauraus. Materiaalin kovuutta voidaan kuvata esimerkiksi Mohsin kovuudella. Kovaa materiaalia ovat erilaiset rautaseokset sekä timantit, kun taas pehmeitä materiaaleja puolestaan ovat esimerkiksi talkki ja kipsi. Lisäksi mitä hienommaksi materiaalia jauhetaan, sitä enemmän energiaa kuluu.
[10,13,16,23]
Eri hienonnusasteille on määritetty omat energialakinsa, joilla energian ja hienon-nusasteen välistä suhdetta voidaan kuvata. Nämä yhtälöt perustuvat partikkelien omi-naisuuksiin kuten pinta-alan kasvuun, tilavuuteen ja tuotteen kokoon. Seuraavaksi esiteltävät kolme yhtälöä soveltuvat pääasiassa rumpumaisille myllyille ja perustuvat Grillandin differentiaaliyhtälöön (2)
(2)
jossa E Hienonnustyöhön käytetty energia, kWh/t x Tuotteen hienoutta edustava tekijä
n Prosessin kertalukua edustava eksponentti
C Vakio, jonka numeerinen arvo riippuu materiaalista, hienonnusmene-telmästä ym.
Yhtälöstä 2 voidaan johtaa Rittingerin laki, jonka mukaan hienonnusprosessissa käy-tetty nettoenergia on suoraan verrannollinen saavutettuun pinta-alan lisäykseen. Rit-tingerin laki voidaan esittää yhtälöllä
( ) (3)
jossa x1 Tuotteen alkukoko, m x2 Tuotteen loppukoko, m
Yhtälöstä 2 voidaan johtaa myös murskaukseen hyvin soveltuva Kickin laki, jonka mukaan tarvittava nettoenergian määrä on verrannollinen kappaleen painoon ja tila-vuuteen. Kickin voidaan esittää yhtälöllä
( ) (4)
Kickin ja Rittingerin lakien pohjilta on määritetty hyvin karkeaan jauhatukseen sovel-tuva Bondin laki, jonka mukaan käytetty nettoenergia on kääntäen verrannollinen osaskoon neliöjuureen. Bondin laki voidaan esittää muodossa
(
√ √ ) (5)
Edelle mainitut yhtälöt soveltuivat pääasiassa rumpumaisille myllyille, joten ne eivät ole sellaisinaan sovellettavissa ultrahienojauhatukseen. Helmimyllyn energiankulu-tusta voidaan tarkastella helmimyllyn energiataseen avulla. Kuvassa 14 on esitetty panoshelmimyllyn virtauskaavio.
Tin T out
k, in
v, in
j, in
s, in
k, out
v, out
j, out
s, out
Pm
Kuva 14 Helmimyllyn virtauskaavio.
Helmimyllyn virtauskaavion avulla voidaan kirjoittaa energiatase, joka on esitetty yhtälössä (6)
̇ ̇ ̇ ̇ (6) ̇ ̇ ̇ ̇
jossa hj, in/out Jauhinkappaleiden ominaisenergia sisään/ulos, kJ/kg
hk, in/out Kalkkikiven ominaisenergia sisään/ulos, kJ/kg
hs, in/out Sekoitinelimen ominaisenergia sisään/ulos, kJ/kg
hv, in/out Veden ominaisenergia sisään/ulos, kJ/kg
̇ Massavirta, kg/s Pm Myllyn tehontarve, W
Jauhatuksen ominaisenergiantarve saadaan yhtälöstä
(7)
jossa Em Myllyn energiantarve, kWh/kg t Aika, s
qm,k Kalkkikiven tuotanto, kg/h
Ratkaisemalla yhtälöstä (6) myllyn tehonottotarve ja sijoittamalla se yhtälöön (7) saadaan helmimyllyn nettoenergiantarpeen yhtälöksi
( ) (8)
jossa cp Ominaislämpökapasiteetti, kJ/(kg K)
mj Jauhinkappaleiden massa, kg mk Kalkkikiven massa, kg ms Sekoitinelimen massa, kg mv Veden massa, kg
ΔT Lämpötilan muutos, K
Energiantarve kasvaa nopeasti partikkelikoon pienentyessä. Energiankulutusta jauha-tuksessa ja murskauksessa on kuvattu kuvassa 15.[1,5,7,10,11,12,15]
Kuva 15 Energian ja hienonnusasteen välistä suhdetta edustava hienonnuksen ominaiskäyrä. Pisteillä merkitty käyrä esittää kumulatiivista energian-kulutusta hienonnusasteen funktiona. [7]
Erilaiset myllyt kuluttavat myös eri määrän energiaa. Mitä hienommaksi tuote jauhe-taan, sitä enemmän energiaa mylly kuluttaa. Kuvassa 16 on esitetty eri myllyjen omi-naisenergiankulutus myllyjen hienonnusalueella.
Kuva 16 Eri myllyjen ominaisenergiankulutus myllyjen hienonnusalueella.[2]
II KOKEELLINEN OSA
6 KOKEIDEN TARKOITUS
Työn tarkoituksena oli tutkia hienojakoisen kalkkikiven jauhatusta panostoimisessa helmimyllyssä vertaillen eri sekoitinelimillä. Koetta varten oli suunniteltu uusi la-pasekoitinelin, jota verrattiin jo käytössä oleviin tappimaiseen ja levymäiseen sekoi-tinelimeen. Vertailussa oli tarkoitus selvittää, voiko uudella sekoitinelimellä saavuttaa paremman jauhatusasteen pienemmällä energiankulutuksella.
7 KOELAITTEISTO JA MITTAUSTEN SUORITUS
Tutkittavana materiaalina käytettiin hienojakoista kalkkikiveä, jonka tiheys oli 2700 kg/m3. Kalkin kosteuspitoisuus oli 0,3 %. Jauhatusvaiheessa työssä käytettiin panos-mallista helmimyllyä (V = 5 dm3) ja jauhettu materiaali analysoitiin käyttämällä Beckman Coulter LS 13 320 partikkelikokoanalysaattoria. Kalkkikiven keskiarvoko-ko, moodi ja mediaani määritettiin partikkelianalysaattorin avulla ja tulokset on esi-tetty taulukossa IV.
Taulukko IV Käytetyn kalkkikiven moodi, mediaani ja keskiarvokoot.
Kalkkikivi Mittaus Moodi
[µm]
Mediaani [µm]
Keskiarvo [µm]
Mittaus 1 203,5 177,6 189,1
Mittaus 2 203,5 183,4 194,9
Mittaus 3 203,5 191,4 203,0
Keskiarvo 203,5 184,1 195,7