Yeni Karıştırmalı Bilyalı Değirmen İle Çimento Öğütme Performansının Arttırılması

Osman NEMLİ, Ruhi BİLGE, Levent ONAT – Bursa Çimento Fabrikası, Kestel, Bursa

Hakan BENZER, Okay ALTUN – Hacettepe Üniversitesi Maden Mühendisliği Bölümü Beytepe, Ankara

Udo ENDERLE, Hayri ÜNAL – Netzsch Feinmahltechnik, Sedanstr. 70, 95100 Selb, Almanya
Özet

Tüm Dünyada çimento sektörü, materyal ve enerji kaynaklarının korunmasının yanı sıra CO2 salınımlarının azaltılması konularında giderek büyüyen sorunlarla karşılaşmaktadır. Başta gelişmekte olan pazarlar olmak üzere nüfus artışı ve ekonomik büyümeden dolayı tüm dünyada enerjiye duyulan talep hızla artmaktadır. Artan talep, enerji verimli sistemler, makineler ve üretim zincirleri gibi yeni fırsatlar ve beraberinde getirdiği yeni sorunlara yol açmaktadır.
Geçtiğimiz birkaç yılda, HCG’nin önderliğinde, Netzsch tarafından Pamir markalı yatay bilyalı değirmenin, Uçucu Kül ve Çimentonun öğütülmesine öncelik verilmek suretiyle çimento sektöründe uygulanmasına yönelik çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Çok sayıda laboratuvar ve pilot ölçekli deney çalışmalarının sonunda, sektörel ortak olarak Bursa çimento fabrikası, konsorsiyuma katılmış, çimento sektörüne yönelik bilgi üretimine katkıda bulunmuştur.
Bursa Çimento Fabrikasında, endüstriyel boyutlardaki ilk boncuk bilyalı değirmen mevcut değirmen prosesine ilave edilmiş ve son ürün, seperatör geri dönüşü(iri’ler) ve değirmen filtre dönüşü gibi farklı noktalardan çeşitli örnekleme çalışmaları yapılmıştır. Sonuç olarak, çeşitli besleme boyut dağılımları teste tabi tutulmuş, değirmen performansı değerlendirilmiştir. Örnekleme çalışmaları, değirmen tam sabit hale geldiğinde gerçekleştirilmiş olup, değirmenin sabitliği elektrik tüketimi ve üretim hızı izlenmek suretiyle belirlenmiştir. Her iki parametre sabitlendikten sonra örnekler alınmış ve karakterizasyon çalışmalarına tabi tutulmuştur. Karakterizasyon bakımından, boyut dağılımları, yüzey alanı ve mukavemet özellikleri belirlenmiştir. Buna ilaveten, Bursa Çimento teknik personeli tarafından işletim koşulları ölçülerek değerlendirilmiştir.
Bu çalışmada, değirmenin geliştirme aşamaları özetlenirken 1000 L değirmeninin hizmete alındığı öğütme devresinden elde edilen sonuçların paylaşılması amaçlanmaktadır. Bilyalı değirmenin, Seperatör girişinden alınan çimentosunun öğütülmesi ile %18 enerji tasarrufu ve %22 kapasite artışı sağlanmasıyla elde edilen ilk sonuçlar umut verici olmuştur. Enerji tasarruflarına ilaveten, referans ölçümlere göre harç ve beton kalitesinde %10 iyileşme elde edilmiştir. Çalışmada kolaylık ve zorluklar bakımından işletme şartlarıda ele alınmıştır. Ayrıca, yeni değirmenin çimento sektörüne sağlaması beklenen avantajlara ilişkin bir simülasyonda yapılmıştır. Bulgular, avantajların elde edilenlerle sınırlı olmadığını ve sürdürülebilir çimento üretimi adına ilave faydaların elde edilebileceğini göstermektedir.
1. Giriş

Tüm Dünyada çimento sektörü, materyal ve enerji kaynaklarının korunması yanı sıra CO2 salınımlarının azaltılması konularında giderek büyüyen sorunlarla karşılaşmaktadır. Başta gelişmekte olan pazarlar olmak üzere nüfus artışı ve ekonomik büyümeden dolayı tüm dünyada enerjiye duyulan talep hızla artmaktadır. Artan talep, enerji verimli sistemler, makineler ve üretim zincirleri gibi yeni fırsatlar ve beraberinde getirdiği yeni sorunlara yol açmaktadır. [1,2].
Çimento üretimi, farin karıştırma, pirometalürjik işleme ve hem farin hazırlama hem de çimento bölümünde ufalama dahil çok sayıda farklı üretim işlemlerini birleştiren bir süreçtir. Bunlar arasında enerji tüketiminin, %60 ile en çok, ufalama bölümünde harcandığı [3,4,5,6,7,8], ufalama işlemlerinin tüm dünyada enerji tüketiminin %2 4’ünden sorumlu olduğu raporlanmıştır [8,9]. Yüksek miktarlarda enerjinin bu alanda tüketiliyor olmasından dolayı, enerji tüketiminin azaltılmasına ve bu amaçla farklı alternatiflerin geliştirilmesine odaklanılmalıdır. Bu, yeni bir ürün geliştirilerek, mevcut teknolojilerin yenileriyle ikame edilmesi veya işletim koşullarının ve üretim akışlarının optimize edildiği süreç optimizasyonu çalışmaları ile sağlanabilir. Bu seçenekler dikkate alındığında, yaklaşık %20 ila %50 arası tasarruf mümkündür [4,5,6,7,10].
Kuru yatay karıştırmalı değirmenin bu amaçla geliştirilmesine başlanmış olup elde edilen sonuçlardan bazıları yayınlanmıştır [11,12,13]. Geçtiğimiz birkaç yılda, HCG işbirliği içinde, Netzsch tarafından Pamir markalı yatay bilyalı değirmenin Uçucu Kül ve Çimentonun öğütülmesine öncelik verilmek suretiyle çimento sektöründe uygulanmasına yönelik çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Çok sayıda laboratuvar ve pilot ölçekli deney çalışmalarından sonra, sektörel ortak olarak Bursa Çimento Fabrikası, konsorsiyuma katılarak çimento sektörüne yönelik bilgi üretimine katkıda bulunmuştur. Netzsch Pamir değirmenin ilk endüstriyel uygulaması, Bursa Çimento Fabrikasını 1. hattında verimli ince öğütme için yapılmıştır.
2. Fabrika Çalışmaları

Endüstriyel testler, Bursa Çimento Fabrikasının 1. Çimento Öğütme Devresinde Cem I tipi çimento üretimi sırasında yapılmıştır. Öğütme devresi, bir seperatör ile birlikte kapalı devre halinde çalışan bir bilyalı değirmene sahiptir. Bilyalı değirmen iki kamaraya sahip olup, kamaralar diyafram ile birbirinden ayrılmış olup birinci kamaranın yarık boyutundan küçük olan partiküller ikinci kamaraya geçerek burada inceltilmeye devam edilmektedir. 1. Çimento Değirmenine ait Teknik Veriler Tablo 1’de yer almaktadır. 

 
Tablo 1 Çimento Değirmenine ait Teknik Veriler

Şekil 1 Çimento Öğütme Devresinin basitleştirilmiş akış şeması
Şekil 1’de devrenin basitleştirilmiş akış şeması yer almaktadır. Şekil 1’den, değirmendeki ince partiküller bir filtre vasıtasıyla toplanarak sisteme geri döndürülmekte olup değirmende kalan diğer malzemeler taşma yoluyla tahliye edilmektedir. Filtre, değirmenin besleme tarafı ve tahliye tarafı arasında bir basınç farkı oluşturarak malzemenin değirmen boyunca hareket hızını arttırmaktadır. Klinker valsli preste ezildikten sonra 1. Çimento Öğütme Devresine beslenmektedir. Devrede örnekleme çalışması, devre stabil halde iken gerçekleştirilmiş olup her bir akımdan alınan boyut dağılımları 2 mikrona kadar ölçülmüştür. Şekil 2, devredeki tam boyut dağılımlarını göstermektedir.

Şekil 2, CEM I üretiminde 1. Çimento Hattında boyut dağılımları
Her türlü örnekleme çalışmasında, bir hata payı kaçınılmazdır. Bu hatalar, sistemin dinamik doğası, belirli bir noktadaki fiziksel koşullar, rastgele hatalar, ölçüm hataları ve insan hatalarından kaynaklanmaktadır.
Kütle denkleştirme, en uygun akış hızı tahminlerinin elde edilmesi için ham verilerin istatistiksel olarak uyumlaştırılmasını gerektirmektedir. Bu şekilde ancak bir devre veya ekipmanın performansının değerlendirilebilmesi mümkündür. Her bir akımın kütle akışının belirlenmesi amacıyla partikül boyut dağılımları ve yeni beslemenin ton miktarı kullanılarak, kütle denkleştirme çalışması yapılmıştır. Deney ve hesaplanan boyut dağılım veri kümeleri arasındaki uyum Şekil 3’te sunulmuştur. Kütle denkleştirme çalışmasına müteakip hesaplanan akış hızları Şekil 4’te verilmiştir.

Şekil 3 Deney ve hesaplanan partikül boyut değerleri

Şekil 4 Kütle denkleştirme sonrasında devredeki akış hızı
3. Boncuk Bilyalı Değirmen (Pamir) Uygulaması ve Sonuçlar

Karıştırmalı ortam değirmenleri, ince ve çok ince öğütme uygulamalarında kullanılmaktadır. Kullanılan ıslak işlemler, çevresel sorunlardan dolayı gelecekte ön plana çıkması beklenen kuru ortamlı değirmenlerde de yöntemin uygulanabilir olup olmadığı sorusunu akla getirmiştir. Kuru karıştırmalı değirmen teknolojisi ince öğütme gerektiren hallerde kullanılabilir. Çimento kalitesinden ödün vermeden devrenin enerji verimliğinin arttırılmasına yönelik çeşitli devre alternatiflerinin geliştirilmesi mümkündür.
Netzsch Pamir®, değirmen beslemesinin hava akışı kullanılarak öğütme kamarasından geçirildiği bir değirmen tipidir. Karıştırmalı değirmenin içindeki bilyalar, bir karıştırıcı ile hareket ettirilerek daha ince tanecikli değirmen beslemesi elde edilmektedir.
Bursa Çimento Fabrikasında endüstriyel boyutlarda bir bilyalı değirmen -Pamir (Şekil 5)- hizmete alınarak devre, son ürün, seperatör geri dönüşü(iri’ler) ve değirmen filtre dönüşü gibi farklı akımlarda çeşitli örnekleme çalışmaları yapılmıştır. Boncuk bilyalı değirmen, seperatör giriş ürününü öğütmek için çimento hattına yerleştirilmiştir. Mevcut değirmenin kapasitesinden dolayı bu sistemde seperatör giriş ürününün, sadece 1/3’ü öğütülebilmiş olup bu nedenle bilyalı değirmene homojen malzeme akışı için sisteme ayrıca bir tonaj kontrol klepesi de dahil edilmiştir. Sistemin PID fotoğrafı Şekil 6’da yer almaktadır.

     

Şekil 5: Bursa 1. Çimento Hattına ilave edilen boncuk bilyalı değirmenin fotoğrafı ve teknik özellikleri.
Değ. motoru (kW) 400

Etkin uzunluk (m) 1,5

Etkin çap (m) 0,905

Etkin hacim (m3) 0,96

       

Şekil 6: Boncuk Bilyalı değirmenin sistemdeki konumuna ilişkin genel ve detay ekran görüntüsü
Çeşitli besleme boyut dağılımları teste tabi tutularak değirmen performansı değerlendirilmiştir. Örnekleme çalışmaları, değirmen tam stabil hale geldiğinde gerçekleştirilmiş olup, değirmenin stabilliği elektrik tüketimi ve üretim hızı izlenmek suretiyle belirlenmiştir. Her iki parametre sabitlendikten sonra örnekler alınmış ve karakterizasyon çalışmalarına tabi tutulmuştur. Karakterizasyon bakımından, boyut dağılımları, yüzey alanı ve mukavemet özellikleri belirlenmiştir. Buna ilaveten, Bursa Çimento teknik personeli tarafından işletim koşulları ölçülerek değerlendirilmiştir. Sonuçlar, önceki bölümde belirtilen referans verilerle karşılaştırılmıştır.
Boyut dağılım verileri, kütle denkleştirme çalışmasında kullanılmış olup sonuçlar aşağıdaki Şekil 7’de verilmiştir. Değirmenin üretim kapasitesi, 45 tph’den 56 tph’ye çıkarılmıştır. Devrenin ürün boyut dağılımı, karıştırmalı değirmen çalışırken ve çalışmaz iken olmak üzere iki koşul için karşılaştırılmıştır (Şekil 8). Boyut dağılım verileri, iki koşula ait üretim inceliğinin neredeyse benzer olduğunu göstermiştir. Boyut dağılım eğrilerinin benzer olmasından dolayı, iki koşulun kalite sonuçları da benzer çıkmıştır (Şekil 9).

Şekil 7: Kütle denkleştirme sonrasında Pamir devresindeki akış hızı

Şekil 8. Pamirli ve Pamirsiz devrenin ürün boyutu dağılımları

Şekil 9. Pamirli ve Pamirsiz üretimin mukavemet karşılaştırması
Değirmen 6 aydan uzun bir süre işletilerek işletim süresi boyunca kapsamlı sonuçlar elde edilmiştir. Uzun süreli veriler, boncuk bilyalı değirmen çalıştığında 5,38 kWh/ton çimento enerji avantajı sağlandığını, referans veriler ile kıyaslandığında, %15.5 enerji tasarrufu ve % 22,7 kapasite artışına karşılık geldiği bulunmuştur.

Şekil 2 Boncuk bilyalı değirmen çalıştığında ve çalıştırılmadığı (referans) durumda
Bursa teknik personeli bu uzun süreli gözlem boyunca sistemin işletim kolaylığı, aşınma özellikleri ve bakım davranışlarına ilişkin değerlendirmelerde bulundu. Tüm bu gözlemler, son derece sorunsuz ve yüksek kapasiteli bir işletim sürecine işaret etmiştir. Bu sonuçlar ise başka bir teknik çalışmada ele alınacaktır.
4. Sonuç

Bu çalışmada, Boncuk bilyalı değirmenin geliştirme aşamaları özetlenirken, 1000 L değirmenin hizmete alındığı öğütme devresinden elde edilen sonuçların paylaşılması amaçlanmaktadır. Boncuk bilyalı değirmenin seperatör girişinden kendi öğütebildiği (yaklaşık %33’lük) kısmıda dahil, toplamda %16 enerji tasarrufu ve üretim hızında %22 artış sağlanmasıyla elde edilen ilk sonuçlar umut verici olmuştur. Enerji tasarrufuna ilaveten, referans ölçümlere göre harç ve beton kalitesinde %10 iyileşme elde edilmiştir. Çalışmada ayrıca kolaylık ve zorluklar bakımından işletme şartları ele alınmıştır. Bulgular, avantajların elde edilenlerle sınırlı olmadığını ve sürdürülebilir çimento üretimi adına ilave faydaların elde edilebileceğini göstermektedir.
Referanslar:

[1] International energy agency, 2015. Energy technology perspectives mobilising inno vation to accelerate climate action, France, 2015.

[2] U.S. Energy Information Administration, The cement industry is the most energy intensive of all manufacturing industries, Department of commerce, Bureau of economic analysis, 2013.

[3] N.A Madlool, R. Saidur, M.S.Hossain, N.A. Rahim, A critical review on energy use savings in the cement industries, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15 (2011) 2042-2060.

[4] H.O. Njoku, O.R. Bafuwa, C.A. Mgbemene, O.V. Ekechukwu, Benchmarking energy utilization in cement manufacturing process in Nigeria and estimation of savings opportunities, Clean Techn. Environ. Policy, 19 (2017) 1639-1653.

[5] S. Fellaou, T. Bounhamidi, Evaluation of energy efficiency opportunities of a typical Moroccan cement plant: Part I. Energy Analysis, Applied Thermal Engineering, 115 (2017) 1161-1172.

[6] J. Sirchis, Energy efficiency in the cement industr y, Elsevier applied science London and New York, 2005.

[7] B. Afkhami, B. Akbarian, A. Beheshti, A.H. Kakaee, B. Shabani, Energy consumption assessment in a cement production plant, Sustainable energy technologies and assessments, 10 (2015) 84-89.

[8] J. Jeswiet, A. Szeker es, Energy consumption in mining comminution, Procedia C IRP, 48 (2016) 140-145.

[9] R. Batterham, Trend in comminution driven by energy, Advanc ed Powder Technology, 22 (2011) 138-140.

[10] B. Lin, Z. Zhang, F. Ge, Energy conser vation in China’s cement industry, Sustainability, 9-668 (2017) 1-17.

[11] O. Altun, H. Benzer, U. Enderle, Effects of operating parameters on the efficiency of dry stirred milling Minerals Engineering, Volumes 43–44, April 2013, Pages 58-66

[12] O. Altun, H. Benzer, U. Enderle , The effects of chamber diameter and stirrer design on dry horizontal stirred mill performance Minerals Engineering, Volume 69, December 2014, Pages 24-28

[13] D. Altun, O. Altun, S.Zencirci Developing a methodology to model and predict the grinding performance of the dry stirred mill Minerals Engineering, Volume 139, 1 August 2019, Article 105867