Für die Grob- und Mittelzerkleinerung der sich überwiegend zäh verhaltenden Abfälle und Schrotte werden verbreitet Rotorscheren und -reißer eingesetzt. Um die für die Optimierung dieser Maschinen erforderlichen Kenntnisse über die Einzugs- und Zerkleinerungsvorgänge zu erlangen, wurden Untersuchungen zur Schneid-, Scher- und Reißbeanspruchung mit verschiedenen Modellapparaturen sowie Versuche mit kleintechnischen ein- und zweirotorigen Rotorscheren und -reißern durchgeführt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass in Rotorscheren und -reißern komplexe Beanspruchungen auftreten, die in Abhängigkeit von der Anordnung und Gestalt der Zerkleinerungselemente auf eine Überlagerung von Schneid-, Scher- und/oder Reißbeanspruchungen zurückzuführen sind. Gleichzeitig treten Reibungs- und Verformungsvorgänge auf, die den Gesamtenergiebedarf erheblich erhöhen können. Das Zerkleinerungsergebnis der ein- und zweirotorigen Rotorscheren und -reißer wird zusätzlich von einer Vielzahl konstruktiver, stoffbedingter und betriebsbedingter Parameter beeinflusst.

Kegelbrecher zählen zu den Standardzerkleinerungsmaschinen für die Zerkleinerung von mineralischen Rohstoffen. Die bisher vorliegenden Modelle zur Vorhersage von Durchsatz und Produktkorngrößenverteilung sind noch mit großen Unsicherheiten verbunden, wodurch Prognosen nur bedingt verlässliche Aussagen liefern. In der vorliegenden Arbeit werden zwei physikalisch begründete Modelle vorgestellt, die den Materialstrom durch den Kegelbrecher mit Hilfe physikalischer Ansätze beschreiben und auf dieser Grundlage den Durchsatz und die Korngrößenverteilung vorhersagen. Dabei wird eine Trennung von maschinellen und stofflichen Einflüssen vorgenommen. Durch umfangreiche Versuche an einem industriellen Kegelbrecher werden die maschinellen und stofflichen Parameter bestimmt und getestet. Der verbleibende Restfehler zwischen Mess- und Prognosewerten liegt im selben Bereich wie die Mess- und Analysefehler.

Kegelbrecher zählen zu den Standardzerkleinerungsmaschinen für die Zerkleinerung von mineralischen Rohstoffen. Die bisher vorliegenden Modelle zur Vorhersage von Durchsatz und Produktkorngrößenverteilung sind noch mit großen Unsicherheiten verbunden, wodurch Prognosen nur bedingt verlässliche Aussagen liefern. In der vorliegenden Arbeit werden zwei physikalisch begründete Modelle vorgestellt, die den Materialstrom durch den Kegelbrecher mit Hilfe physikalischer Ansätze beschreiben und auf dieser Grundlage den Durchsatz und die Korngrößenverteilung vorhersagen. Dabei wird eine Trennung von maschinellen und stofflichen Einflüssen vorgenommen. Durch umfangreiche Versuche an einem industriellen Kegelbrecher werden die maschinellen und stofflichen Parameter bestimmt und getestet. Der verbleibende Restfehler zwischen Mess- und Prognosewerten liegt im selben Bereich wie die Mess- und Analysefehler.

Für die Grob- und Mittelzerkleinerung der sich überwiegend zäh verhaltenden Abfälle und Schrotte werden verbreitet Rotorscheren und -reißer eingesetzt. Um die für die Optimierung dieser Maschinen erforderlichen Kenntnisse über die Einzugs- und Zerkleinerungsvorgänge zu erlangen, wurden Untersuchungen zur Schneid-, Scher- und Reißbeanspruchung mit verschiedenen Modellapparaturen sowie Versuche mit kleintechnischen ein- und zweirotorigen Rotorscheren und -reißern durchgeführt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass in Rotorscheren und -reißern komplexe Beanspruchungen auftreten, die in Abhängigkeit von der Anordnung und Gestalt der Zerkleinerungselemente auf eine Überlagerung von Schneid-, Scher- und/oder Reißbeanspruchungen zurückzuführen sind. Gleichzeitig treten Reibungs- und Verformungsvorgänge auf, die den Gesamtenergiebedarf erheblich erhöhen können. Das Zerkleinerungsergebnis der ein- und zweirotorigen Rotorscheren und -reißer wird zusätzlich von einer Vielzahl konstruktiver, stoffbedingter und betriebsbedingter Parameter beeinflusst.

Rotorschleuderbrecher werden zur Herstellung von Natursteinprodukten eingesetzt. Dabei beeinflussen die konstruktiven, betrieblichen und aufgabebezogenen Größen die Produktqualität entscheidend. Die komplexen Zusammenhänge zwischen den am Zerkleinerungsprozess beteiligten Haupteinflussgrößen und den anwenderspezifischen Qualitätsanforderungen wurden mit Hilfe analytischer und mathematisch-statistischer Methoden untersucht. Die Analyse der physikalischen Abläufe im Brecher ermöglichte ein tieferes Verständnis der Funktionsweise der Maschine. Unterstützt durch experimentelle Untersuchungen an einem Rotorschleuderbrecher wurden die Abhängigkeiten zwischen Einfluss- und Zielgrößen mit Hilfe der Methode der neuronalen Netze modelliert. Die Simulationsmodelle ermöglichen die Vorhersage der Produktqualität, die Optimierung der Parametereinstellung, die Beschreibung des Wirkungszusammenhanges und die Identifizierung der dominanten Parameter von Rotorschleuderbrechern.

Rotorschleuderbrecher werden zur Herstellung von Natursteinprodukten eingesetzt. Dabei beeinflussen die konstruktiven, betrieblichen und aufgabebezogenen Größen die Produktqualität entscheidend. Die komplexen Zusammenhänge zwischen den am Zerkleinerungsprozess beteiligten Haupteinflussgrößen und den anwenderspezifischen Qualitätsanforderungen wurden mit Hilfe analytischer und mathematisch-statistischer Methoden untersucht. Die Analyse der physikalischen Abläufe im Brecher ermöglichte ein tieferes Verständnis der Funktionsweise der Maschine. Unterstützt durch experimentelle Untersuchungen an einem Rotorschleuderbrecher wurden die Abhängigkeiten zwischen Einfluss- und Zielgrößen mit Hilfe der Methode der neuronalen Netze modelliert. Die Simulationsmodelle ermöglichen die Vorhersage der Produktqualität, die Optimierung der Parametereinstellung, die Beschreibung des Wirkungszusammenhanges und die Identifizierung der dominanten Parameter von Rotorschleuderbrechern.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erarbeitung analytischer beziehungsweise semi-empirischer Modellansätze zur Abbildung der mahltrocknungstypischen Prozesse Zerkleinerung, Trocknung und Beförderung innerhalb der in konventionellen Kohlekraftwerken zur Brennstoffaufbereitung genutzten Kohlemühlen. Die Modellansätze wurden anschließend in jeweils einem Kohlemühlenmodell zur Steinkohleaufbereitung (Walzenschüsselmühle) und zur Braunkohleaufbereitung (Schlagradmühle) zusammengeführt. Eine Validierung wurde für das Walzenschüsselmühlenmodell anhand von Mahltrocknungsversuchen im Technikumsmaßstab und im Kraftwerksmaßstab durchgeführt. Das Abbildungsvermögen des Modells beläuft sich hierbei auf die Partikelgrößenverteilung des aufgemahlenen Kohlestaubes am Mühlenaustrag, dessen Restfeuchtegehalt, die Druckdifferenz zwischen Mühlenein- und -auslass, dem Ein- und Ausspeichervermögen, sowie der Traggastemperatur am Mühlenauslass. Die Validierung ergab hierbei gute Übereinstimmungen der berechneten und gemessenen Werte im Technikumsmaßstab. Im Kraftwerksmaßstab zeigten sich Defizite hinsichtlich des Restfeuchtegehalts des Kohlestaubes am Auslass und der Druckdifferenz über dem Mühlenkörper.:Inhalt 1. MOTIVATION 1 2. GRUNDLAGEN DER MAHLTROCKNUNG 2 2.1. Mahltrocknung 3 2.2. Zerkleinerung und Bruchtheorie 4 2.3. Trocknung 6 2.4. Stand des Wissens – Walzenschüsselmühlen 10 2.5. Stand des Wissens – Schlagradmühlen 13 2.6. Vorhandene Mühlenmodelle 14 2.6.1. Analytische Walzenschüsselmühlenmodelle 14 2.6.2. Parametermodelle Walzenschüsselmühle 19 2.6.3. Numerische Schlagradmühlenmodelle 20 2.6.4. Analytische Schlagradmühlenmodelle 22 2.7. Zwischenfazit 23 3. MODELLIERUNG MAHLTROCKNUNGSSPEZIFISCHER PROZESSE 24 3.1. Zerkleinerung und Aufmahlung 24 3.2. Trocknung 30 3.2.1. Stoffübergang im ersten Trocknungsabschnitt 31 3.2.2. Stoffübergang im zweiten Trocknungsabschnitt 34 3.2.3. Thermische Wechselwirkungen zwischen Traggas und suspendierter Kohle 41 3.3. Partikeltransport 43 3.3.1. Transportgleichung 43 3.3.2. Charakterisierung des Strömungsprofils und Stoffwerte 45 3.3.3. Ermittlung der Traggastemperatur 46 3.3.4. Druckverlust 49 4. MODELLIERUNG WALZENSCHÜSSELMÜHLE 49 4.1. Modellanforderungen 49 4.2. Walzenschüsselmühle - Aufbau und Modellierung 50 4.3. Walzenschüsselmühle – Aufmahlungsprozess 54 4.4. Walzenschüsselmühle – Trocknungsprozess 59 4.5. Walzenschüsselmühle – Partikeltransport 62 4.5.1. Lösung Transportgleichung und Erfassung von Größen 62 4.5.2. Druckverlust durch Reibung und Partikeltransport 66 4.5.3. Sichtungsprozess Walzenschüsselmühle 67 5. MODELLIERUNG SCHLAGRADMÜHLE 70 5.1. Schlagradmühle - Aufbau und Modellierung 70 5.2. Schlagradmühle – Zerkleinerungsprozess 73 5.3. Schlagradmühle – Trocknungsprozess 77 5.4. Schlagradmühle – Partikeltransport 79 5.4.1. Transport im Rauchgasrücksaugschacht 80 5.4.2. Transport in Partikelsteigleitung 81 5.4.3. Sichtungsprozess Schlagradmühle 81 6. VALIDIERUNG 83 6.1. Plausibilitätsprüfung 84 6.1.1. Parametervariation im Teilmodell „Zerkleinerung“ 84 6.1.2. Parametervariation im Teilmodell „Trocknung“ 101 6.1.3. Analyse der Dynamik im Teilmodell „Transport“ 111 6.1.4. Zwischenfazit Plausibilitätsprüfung 119 6.2. Validierungsversuche im Mühlenlabor Stuttgart 119 6.2.1. Versuchsanlage und Brennstoffe 119 6.2.2. Isokinetik der Probenahme 123 6.2.3. Versuchsaufbau und -durchführung 125 6.2.4. Simulationsergebnisse Versuchsplan 126 6.3. Mühlenversuche Großkraftwerk Mannheim 142 6.3.1. Versuchsanlage und Brennstoffe 142 6.3.2. Versuchsaufbau und -durchführung 145 6.3.3. Simulationsergebnisse Versuchsplan 145 7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 152 I. FORMELVERZEICHNIS 155 II. QUELLENVERZEICHNIS 161 III. ABBILDUNGS- UND TABELLENVERZEICHNIS 167 ANHANG 174 a. Ergebnisse Plausibilitätsprüfung Teilmodell „Zerkleinerung“ 175 b. Plausibilitätsprüfung Teilmodell „Trocknung“ 200 c. Ergebnisse Plausibilitätsprüfung Teilmodell “Transport” 228 d. Bestimmung Regressionspolynom Sichtung 236

Für die Weich- und Mittelhartzerkleinerung von Primär- und Sekundärrohstoffen werden zunehmend Profilwalzenbrecher eingesetzt. Trotz relativ geringer Zerkleinerungsgrade zeichnen sie sich durch einen geringen spezifischen Leistungsbedarf, hohe Durchsätze, eine einfache Konstruktion und Instandhaltung sowie eine störungsfreie Betriebsweise aus und sind auch bei adhäsivem Aufgabematerial anwendbar. Trotz der Bedeutung dieser Maschinen gibt es bisher nur unzureichende Auslegungsmethoden. Die theoretisch begründete Modellierung der Zerkleinerung in markant profilierten Walzenbrechern ist deshalb Gegenstand dieser Arbeit, um dadurch die Dimensionierungsgrundlagen zu verbessern und Einsatzmöglichkeiten in der Hartzerkleinerung abzuschätzen. Dazu werden im Rahmen einer Systembetrachtung zunächst die wesentlichen Prozessparameter der Zerkleinerung ermittelt und die Bauarten von Profilwalzenbrechern klassifiziert (Kapitel 2). Die Darstellung der bekannten Berechnungsmodelle für die Hauptzielgrößen „Grenzdurchsatz“, „Produktgranulometrie“ und „Leistungsbedarf“ ist Gegenstand von Kapitel 3. Darauf aufbauend wird in Kapitel 4 ein neues, physikalisch begründetes Auslegungsmodell vorgestellt und das Untersuchungsfeld hinsichtlich der zu analysierenden Aufgabestoffart und Maschinengeometrie eingegrenzt. Die für dieses Modell erforderlichen Zerkleinerungstest- und Simulationsergebnisse werden in Kapitel 5 und 6 dargestellt, bevor die Arbeit in Kapitel 7 mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick abschließt.

Zur Auslegung von profilierten Doppelwalzenbrechern werden bisher recht einfache Modelle verwendet, wobei wichtige Einflussfaktoren unberücksichtigt bleiben. Daher werden im Rahmen dieser Dissertation auf Basis experimenteller Untersuchungen verbesserte Auslegungsmodelle für die wichtigsten Zielgrößen von Doppelwalzenbrechern entwickelt, welche präzisere Prognosen ermöglichen. Das Versuchsprogramm sieht dabei die Variation von Aufgabematerial sowie –partikelgröße, Walzenumfangsgeschwindigkeit und Spaltweite in einem großen Wertebereich vor. Das zur Prognose der Produktpartikelgrößenverteilung entwickelte Modell basiert dabei auf der Swebrec-Funktion. Mit diesem lässt sich abhängig von der Spaltweite und der Aufgabepartikelgrößenverteilung die Produktpartikelgrößenverteilung bestimmen. Des Weiteren kann mit Hilfe des in dieser Arbeit aufgestellten Bilanzmodells der Grenzmassedurchsatz unter Kenntnis der Masse¬anteile für beliebige Mischungen von Einzelfraktionen prognostiziert werden. Dabei werden auch übergroße, nicht sofort einziehbare Partikel berücksichtigt, welche den Durchsatz signifikant senken können.

Für die Weich- und Mittelhartzerkleinerung von Primär- und Sekundärrohstoffen werden zunehmend Profilwalzenbrecher eingesetzt. Trotz relativ geringer Zerkleinerungsgrade zeichnen sie sich durch einen geringen spezifischen Leistungsbedarf, hohe Durchsätze, eine einfache Konstruktion und Instandhaltung sowie eine störungsfreie Betriebsweise aus und sind auch bei adhäsivem Aufgabematerial anwendbar. Trotz der Bedeutung dieser Maschinen gibt es bisher nur unzureichende Auslegungsmethoden. Die theoretisch begründete Modellierung der Zerkleinerung in markant profilierten Walzenbrechern ist deshalb Gegenstand dieser Arbeit, um dadurch die Dimensionierungsgrundlagen zu verbessern und Einsatzmöglichkeiten in der Hartzerkleinerung abzuschätzen. Dazu werden im Rahmen einer Systembetrachtung zunächst die wesentlichen Prozessparameter der Zerkleinerung ermittelt und die Bauarten von Profilwalzenbrechern klassifiziert (Kapitel 2). Die Darstellung der bekannten Berechnungsmodelle für die Hauptzielgrößen „Grenzdurchsatz“, „Produktgranulometrie“ und „Leistungsbedarf“ ist Gegenstand von Kapitel 3. Darauf aufbauend wird in Kapitel 4 ein neues, physikalisch begründetes Auslegungsmodell vorgestellt und das Untersuchungsfeld hinsichtlich der zu analysierenden Aufgabestoffart und Maschinengeometrie eingegrenzt. Die für dieses Modell erforderlichen Zerkleinerungstest- und Simulationsergebnisse werden in Kapitel 5 und 6 dargestellt, bevor die Arbeit in Kapitel 7 mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick abschließt.:Symbolverzeichnis III Tabellenverzeichnis XX Abbildungsverzeichnis XXI 1 Einleitung und Problemstellung 1 2 Systemanalyse von Profilwalzenbrechern 3 2.1 Einfluss- und Zielgrößen von Profilwalzenbrechern 3 2.2 Systematisierung und Einordnung von Profilwalzenbrechern 7 2.2.1 Klassifizierung von Profilwalzenbrechern 8 2.2.1.1 Klassifizierung nach konstruktiven Maschinenparametern 9 2.2.1.2 Klassifizierung nach der Belastungsart 18 2.2.2 Abgrenzung von Profilwalzenbrechern 25 3 Erkenntnisstand zur Zerkleinerung in Profilwalzenbrechern 29 3.1 Wertebereiche der Einfluss- und Zielgrößen von Profilwalzenbrechern 29 3.2 Auslegungsmodelle von Profilwalzenbrechern 32 3.2.1 Ermittlung des Grenzdurchsatzes 32 3.2.1.1 Einzugsbedingung für das Einzelkorn 32 3.2.1.2 Theoretisch begründete Ansätze für den Grenzdurchsatz 38 3.2.1.3 Empirische Ansätze für den Grenzdurchsatz 47 3.2.2 Ermittlung der Produktkorngrößenverteilung 49 3.2.3 Ermittlung des Leistungsbedarfs 54 3.2.3.1 Theoretisch begründete Ansätze für den Leistungsbedarf 57 3.2.3.2 Empirische Ansätze für den Leistungsbedarf 68 3.3 Wertung des Erkenntnisstandes und Präzisierung der Aufgabenstellung 75 4 Neues Auslegungsmodell für Profilwalzenbrecher 77 4.1 Aufbau des Modells 77 4.2 Voruntersuchungen zu den Einflussgrößen des Modells 78 4.2.1 Analyse maschinenbezogener Parameter 78 4.2.1.1 Primäroptimierung der Profilwalzengeometrie 79 4.2.1.2 Sekundäroptimierung der Profilwalzengeometrie 86 4.2.2 Analyse aufgabestoffbezogener Parameter 95 4.2.3 Analyse systembezogener Parameter 99 4.3 Bestimmung der Zielgrößen des Modells 101 4.3.1 Simulation der Einzelkornzerkleinerung in einem Modellwalzenbrecher 101 4.3.2 Aggregation der Simulationsergebnisse auf die Massestromzerkleinerung 102 4.3.3 Skalierung der Simulationsergebnisse auf den Originalwalzenbrecher 110 5 Zerkleinerungsversuche für das neue Auslegungsmodell 115 5.1 Grundlagen zur Einzelkorndruckzerkleinerung 115 5.1.1 Physikalische Beschreibung von Deformations- und Bruchprozessen 115 5.1.2 Empirische Analyse von Deformations- und Bruchprozessen 121 5.1.2.1 Einfluss- und Zielgrößen der Einzelkorndruckzerkleinerung 121 5.1.2.2 Korngrößeneffekt der Einzelkorndruckzerkleinerung 124 5.1.2.2.1 Versuchsergebnisse zum Korngrößeneffekt 124 5.1.2.2.2 Mathematisch-statistische Ansätze zum Korngrößeneffekt 128 5.2 Experimentelle Untersuchungen zur Einzelkorndruckzerkleinerung 132 5.2.1 Aufbau der Versuchsapparaturen 132 5.2.2 Durchführung der Versuche 134 5.2.3 Auswertung der Versuche 136 6 DEM-Simulationen für das neue Auslegungsmodell 141 6.1 Grundlagen zur DEM-Simulation 141 6.1.1 Beschreibung der DEM 141 6.1.2 Bisherige DEM-Simulationen von Zerkleinerungsprozessen 151 6.2 Kalibrierung des DEM-Gesteinsmodells 154 6.2.1 Statistische Simulationsplanung 156 6.2.2 Simulationsdurchführung 159 6.2.3 Voroptimierung 161 6.2.4 Nachoptimierung 164 6.3 Walzenbrechersimulationen mit dem kalibrierten DEM-Gesteinsmodell 166 6.3.1 Aufbau des Walzenbrechersimulationsprogramms 166 6.3.2 Ergebnisse der Walzenbrechersimulationen 169 6.3.2.1 Simulationsergebnisse zum Massedurchsatz des Walzenbrechers 169 6.3.2.2 Simulationsergebnisse zur Produktkorngrößenverteilung des Walzenbrechers 171 6.3.2.3 Simulationsergebnisse zum Leistungsbedarf des Walzenbrechers 174 7 Zusammenfassung und Ausblick 178 Literaturverzeichnis XXIV Anlagenverzeichnis XXXV