Raising the output of vertical roller mills as an ... - Gebr. Pfeiffer SE

4Dipl.-Ing. O. Jung,Gebr. Pfeiffer AG, Kaiserslautern, GermanyPROCESSINGSUMMARYVertical roller mills, or roller grinding mills, are used in thecement industry for grinding cement raw material, coal,petroleum coke, granulated blastfurnace slag, pozzolans andcement clinker [1]. The most important reasons for the widedistribution of these mills are the combination of several processsteps within a single machine, the low electrical energyconsumption, the optimum utilization of process gasesand the high level of availability [4]. There is an increasingtendency for vertical roller mills to be used and they alreadyhave a market share of more than 60 %. Vertical roller millsare now also being used to a greatly increasing extent forfinish grinding of cement. In the calendar year 2003 aloneGebr. Pfeiffer AG received orders for six MPS vertical rollermills with drive ratings between 2500 and 5300 kW for suchapplications. In less prospering regions production plantsare mainly being modernized and their capacities are veryoften also upgraded. Increases in output can generally beachieved relatively rapidly; they improve the overall costeffectivenessof an existing grinding plant and require lesscapital investment than a new plant. Gebr. Pfeiffer also hasextensive experience in this field and offers tailor-madesolutions for modernizing existing grinding plants. As a rulethe modernization of clinker production plants also requireschanges to the existing grinding facilities. This need forchanges applies to mills for producing raw meal and pulverizedfuel as well as to cement mills. The grindability as wellas the process and mechanical data are taken into accountwhen determining the conversion or modernization measuresrequired in each case, which depend primarily on theincrease in output required. A description is given of the proceduresand measures for a 45 % increase in output usingthe example of a successfully converted MPS 4150 verticalroller mill for producing cement raw meal in the Gorazdzecement works in Poland.3ZUSAMMENFASSUNGWälzmühlen, nach dem englischen Sprachgebrauch heutehäufig auch als Vertikal-Rollenmühlen bezeichnet, werden inder Zementindustrie für die Mahlung von Zementrohmaterial,Kohle, Petrolkoks, Hüttensand, Puzzolan und Zementklinkereingesetzt [1]. Die wesentlichsten Gründe für den hohenVerbreitungsgrad dieser Mühlen sind die Kombination mehrererVerfahrensschritte innerhalb einer einzigen Maschine,der niedrige elektrische Energieverbrauch, die optimale Nutzungvon Prozessgasen und die hohe Verfügbarkeit [4]. Miteinem Marktanteil von mehr als 60 % gelangen Wälzmühlenmit steigender Tendenz zum Einsatz. Inzwischen werdenauch für die Fertigmahlung von Zement in stark zunehmendemMaße Wälzmühlen eingesetzt. Die Gebr. Pfeiffer AGkonnte beispielsweise im Kalenderjahr 2003 allein für derartigeEinsatzfälle sechs MPS Walzenschüsselmühlen mitAntriebsleistungen zwischen 2500 und 5300 kW in Auftragnehmen. In weniger prosperierenden Regionen werdenProduktionsanlagen überwiegend modernisiert und auchsehr häufig in der Kapazität gesteigert. Durchsatzsteigerungenlassen sich im Allgemeinen relativ schnell realisieren,verbessern die Gesamtwirtschaftlichkeit einer bestehendenMahlanlage und verursachen – im Vergleich zu einer Neuanlage– geringere Investitionskosten. Gebr. Pfeiffer verfügtauch auf diesem Feld über umfangreiche Erfahrungen undbietet maßgeschneiderte Lösungen zur Modernisierungvon bestehenden Mahlanlagen an. Die Modernisierungvon Klinkerproduktionsanlagen erfordern in der Regel auchAnpassungen bei den vorhandenen Mahlkapazitäten. DieseAnpassungserfordernisse gelten sowohl für Mühlen zurRohmehl- und Brennstauberzeugung als auch für Zementmühlen.Die dafür jeweils notwendigen Umbau- oder Modernisierungsmaßnahmenwerden unter Berücksichtigung vonMahlbarkeits-, Verfahrens- und Maschinenbaukenndatenermittelt und hängen in erster Linie von der gefordertenDurchsatzsteigerung ab. Vorgehensweise und Maßnahmeneiner 45 %-igen Durchsatzsteigerung werden am Beispieleiner erfolgreich umgebauten Walzenschüsselmühle MPS4150 für die Erzeugung von Zementrohmehl im polnischenZementwerk Gorazdze beschrieben. 3(Translation by Mr. Robin B.C. Baker)52 CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2004 4 VOL. 2

Raising the output of vertical roller mills as analternative to new capital investmentDurchsatzsteigerung von Walzenschüsselmühlenals Alternative zu Neuinvestitionen1 SituationIn December 2001 Gebr. Pfeiffer AG of Kaiserslauternreceived a contract from Gorazdze Zement S.A., Poland, toincrease the output of an existing grinding plant with MPSvertical roller mill for producing raw meal. The contractincluded not only the supply of all the conversion componentsbut also monitoring the installation, the commissioning, andverification of the performance. The delivery of mechanicalcomponents was scheduled for December 2002 and thecommissioning for May 2003.Gorazdze Zement lies in the south-west of Poland and since1975 has operated two Gebr. Pfeiffer MPS 4150 vertical rollermills for producing cement raw meal. The two mills are eachoperated in conjunction with a dry-process kiln plant and hadguaranteed outputs of 300 t/h raw meal each, with a finenesscorresponding to a residue of ≤ 18 % on 90 µm. As part of theincrease in output one of the two rotary kilns was upgradedfrom 3 500 to 6 000 t/d. The second kiln remained unchangedso that on completion of the conversion work the nominalclinker production capacity was 9 500 t/d.To supply the two rotary kilns with cement raw meal theoutput of one MPS mill was increased by 45 %, i.e. from300 to 440 t/h. This meant that 740 t/h cement raw mealwere available for the two kiln plants. With a theoreticalrequirement of about 635 t/h the raw meal supply to the twokiln plants was therefore ensured at all times and if necessarythe planned capacity could also be exceeded. Fig. 1 showsthe MPS vertical roller mill at Gorazdze Zement.1 AufgabenstellungIm Dezember 2001 erhielt die Gebr. Pfeiffer AG, Kaiserslauternvon Gorazdze Zement S.A., Polen, den Auftrag zur Durchsatzsteigerungeiner bestehenden Mahlanlage mit MPS Walzenschüsselmühlefür die Rohmehlerzeugung. Der Auftragumfasste neben der Lieferung aller Umbauteile auch dieMontageüberwachung, die Inbetriebnahme und den Leistungsnachweis.Die Lieferung der mechanischen Bauteilewar auf Dezember 2002 und die Inbetriebnahme auf Mai2003 terminiert.Gorazdze Zement liegt im Südwesten Polens und betreibtseit 1975 zwei Gebr. Pfeiffer Walzenschüsselmühlen MPS4150 zur Erzeugung von Zementrohmehl. Die beiden Mühlenwerden jeweils im Verbund mit einer Ofenanlage nachdem Trockenverfahren betrieben und waren für einen Durchsatzvon je 300 t/h Rohmehl mit einer Mahlfeinheit entsprechendeinem R90-Rückstand von ≤ 18 % garantiert worden.Im Rahmen von durchsatzsteigernden Maßnahmen wurdeder Durchsatz einer der beiden Drehrohröfen von 3 500 auf6 000 t/d gesteigert. Der zweite Ofen blieb unverändert, sodassnach Abschluss der Umbaumaßnahmen die nominelleProduktionskapazität an Klinker 9 500 t/d betrug.2 BasisThe planned output and the grindability of the mill feedform the essential basis for the process and mechanicalengineering design of a grinding plant. Based on extensiveexperience it has proved advisable to determine thegrindability in a semi-industrial grinding plant in which theconditions of the subsequent operational plant can besimulated as accurately as possible ( Fig. 2). The reliability ofthis test method has been confirmed over many years by thegood correlation between operational and test results [2].PROCESSINGExperience with operational plants of a wide variety of sizeshas also shown that the specific power requirement of avertical roller mill is not dependent on the size of the machinebut only on the material being ground. This means that theoutput of a vertical roller mill can be calculated as follows:Figure 1: View of one of the two MPS 4150 vertical roller mills atGorazdze Zement S.A. in PolandBild 1: Blick auf eine der beiden Walzenschüsselmühlen MPS 4150 beiGorazdze Zement S.A. in PolenCEMENT INTERNATIONAL 4 2/2004 4 VOL. 2 53

the plant was adjusted to suit the feed material, the productto be produced, the project framework conditions and thepossible mill size. The test equipment was also used to findthe limits of unstable operating conditions so that thesecould be avoided in the final design. The results obtainedin this way then served as the basis for determining theconversion measures to raise the output of the existinggrinding plant.3 Conversion measuresTrials were carried out in the Gebr. Pfeiffer research centrebefore making the decision on capital investment; theabove-mentioned variables w T and f T that are predominantlydependent on the material being ground were determinedand the mill mechanics and process engineering werechecked and adjusted with the following result:Mill main drive: Renewed and upgraded to 2375 kWas not adequately dimensioned fortarget output rate of 440 t/h.Nozzle ring:Renewed, as too small for the increasedgas flow.Grinding rollers: Renewed, as not adequately dimensionedfor the increased grindingforces.Pressure frame: Renewed, as not sufficiently dimensionedfor transmitting the increasedgrinding forces.Classifier:Replaced by a 3rd generation classifierwith significantly improved efficiency.Plant fan: Upgraded from 650000 to 720000m 3 /h to create additional controlreserves for future operationCyclone, pipelines: Unchanged, as still adequate forincreased gas flow.Raw material feed Unchanged, as still adequate forand discharge: the increased mass flows.The increase in output that can be achieved by theconversion measures can be determined as follows by usingthe equation described at the beginning for calculating theoutput of vertical roller mills:The variables that have been left as letters remain unchangedafter the mill conversion and can therefore be taken as equalto 1. The increase in output to 145 % follows from theincrease in grinding forces to 131 % and the improvementof the classifier efficiency to 111 %.Various modernization measures were also carried out on themill as part of the increase in output. For example, the Liftand Swing system that has proved so successful for yearswas retrofitted. This system makes it possible for grindingrollers as well as wear segments to be replaced through asingle installation door in the mill housing. Grinding rollersor grinding table wear segments are taken to the installationdoor by means of an auxiliary drive and then swung outof the grinding chamber with the Lift and Swing system. Fig. 3 shows a grinding roller being removed with the aidof this installation tool.(2)Figure 3: View of the MPS Lift and Swing systemBild 3: Blick auf das so genannte MPS Lift-and-Swing SystemFestlegung der Umbaumaßnahmen zur Durchsatzsteigerungder bestehenden Mahlanlage.3 UmbaumaßnahmenIm Vorfeld der Investitionsentscheidung wurden im Technikumvon Gebr. Pfeiffer Versuche durchgeführt, die zuvorbeschriebenen, überwiegend mahlgutabhängigen Größenw T und f T ermittelt, sowie die Mühlenmechanik als auch-verfahrenstechnik mit folgendem Ergebnis überprüft undangepasst:Mühlenhauptantrieb: Erneuert und auf 2375 kW verstärkt,da nicht ausreichend dimensioniertfür 440 t/h Zieldurchsatz.Düsenring:Erneuert, da zu klein für den erhöhtenGasvolumenstrom.Mahlwalzen: Erneuert, da nicht ausreichend di mensioniertfür die erhöhten Mahlkräfte.Druckrahmen: Erneuert, da nicht ausreichend dimensioniertzur Übertragung der erhöhtenMahlkräfte.Sichter:Ersetzt durch einen Sichter der 3. Generationmit deutlich verbessertemWirkungsgrad.Anlagenventilator: Von 650000 auf 720000 m 3 /h verstärkt,um für den künftigen Betriebzusätzliche Regelreserve zu schaffen.Zyklon, Rohrleitungen: Unverändert, da noch ausreichend fürerhöhten Gasvolumenstrom.Rohmaterialzu- und Unverändert, da noch ausreichend-abförderung: für die erhöhten Masseströme.Unter Anwendung der eingangs vorgestellten Gleichung zurBerechnung des Durchsatzes von Walzenschüsselmühlenkann die durch die Umbaumaßnahmen erzielbare Durchsatzsteigerungwie folgt ermittelt werden:(2)PROCESSINGCEMENT INTERNATIONAL 4 2/2004 4 VOL. 2 55

PROCESSINGTorque arms were also retrofitted to provide better controlof the pressure frame.4 Operating resultsThe operating results of the grinding plant are summarizedin Table 1. The output, specific power consumption andfineness matched the preliminary calculations. The specificpower consumption of the overall plant was lowered by 20 %to 11.8 kWh/t due, in particular, to reduced mill air flow.Converted operating plants in the output range from 40 to440 t/h and mills with grinding path diameters of up to 5.6 mhave provided repeated proof of the validity of the test andcalculation methods described above. Fig. 4 shows thechange in output of ten modernized grinding plants beforeand after the implementation of output-increasing measures.The operating data for these modernization projects werecalculated in advance with great reliability.The replacement of a classifier of the 2nd generation by ahigh-performance classifier (3 rd generation) leads in manycases to increases in output of 5 to 15 %. Here again, firstclassprediction of the improvement in classifier efficiencyand the associated increase in output as a rule requiresinvestigations in the test grinding plant. It has often beenfound in practice that increases in output are attributed tothe classifier although they have been achieved primarily byimprovements in the grinding zone.5 Decision criteriaThe decision to replace or modify an existing grindingplant is determined by many factors, but primarily by thecondition of the grinding plant itself, by the available potentialfor increasing the output and by the level of the capitalinvestment required.Under operating conditions mechanical components areusually exposed to random stresses that cannot all bemeasured, so that even in a design that takes durability intoaccount material fatigue phenomena can occur in individualinstances after long operating periods (about 10 8 load cyclescan be assumed for a period of 10 years). The affected partsshould then be replaced by upgraded components to meetthe requirements.The grinding output potential of a vertical roller mill can beestimated roughly on the basis of the power density ofthe mill. The drive rating of the mill main motor is dividedby (D a ) 2.5 and compared with the power value of 75 kW, aguide value for mills of the latest design. The parameter (D a )corresponds to the outer diameter of the grinding table, andthe exponent is derived from familiar model relationships.Die als Buchstaben belassenen Größen bleiben nach demMühlenumbau unverändert und können somit gleich 1 gesetztwerden. Die Durchsatzerhöhung auf 145 % folgt ausder Erhöhung der Mahlkräfte auf 131 % und aus der Verbesserungdes Sichterwirkungsgrads auf 111 %.Im Rahmen der Durchsatzsteigerung wurden auch verschiedeneModernisierungsmaßnahmen an der Mühle durchgeführt.So wurde beispielsweise auch das seit Jahren vielfachbewährte Lift and Swing-System nachgerüstet. Mit diesemSystem können sowohl Mahlwalzen als auch Schleißsegmentedurch eine einzige Montagetür im Mühlengehäuseausgetauscht werden. Mahlwalzen oder Mahltellerschleißsegmentewerden zu diesem Zweck mittels eines Hilfsantriebszur Montagetür gefahren und dann mit dem Lift andSwing-System aus dem Mahlraum geschwenkt. Bild 3zeigt den Ausbau einer Mahlwalze mit Hilfe dieses Montagewerkzeugs.Zur besseren Führung des Druckrahmens wurden auch Drehmomentstützennachgerüstet.4 BetriebsergebnisseDie Betriebsergebnisse der Mahlanlage sind in Tabelle 1 zusammengefasst.Durchsatz, spezifischer Arbeitsbedarf undMahlfeinheit entsprechen den Vorausberechnungen. Derspezifische Arbeitsbedarf der Gesamtanlage konnte, insbesonderewegen einer reduzierten Mühlenbelüftung, um 20 %auf 11,8 kWh/t verbessert werden.Der Gültigkeitsnachweis der vorstehend beschriebenen TestundBerechnungsmethode wurde mehrfach an umgebautenBetriebsanlagen im Durchsatzbereich von 40 bis 440 t/h undan Mühlen mit einem Mahlbahndurchmesser bis zu 5,6 merbracht. Bild 4 zeigt die Durchsatzentwicklung von zehnmodernisierten Mahlanlagen vor und nach der Durchführungdurchsatzsteigernder Maßnahmen. Die Betriebsdaten dieserModernisierungen konnten mit hoher Sicherheit vorausberechnetwerden.Der Austausch eines Sichters der 2. Generation gegen einenHochleistungssichter (3. Generation) führt in vielen Fällenzu Durchsatzsteigerungen von 5 bis 15 %. Eine qualifiziertePrognose über die Verbesserung des Sichtwirkungsgradesund der damit verbundenen Durchsatzerhöhung erfordertauch hier in der Regel Untersuchungen auf der Testmahlanlage.In der Praxis zeigt sich immer wieder, dass Durchsatzsteigerungendem Sichter zugerechnet werden, obgleichsie primär durch Verbesserungsmaßnahmen in der Mahlzoneerreicht wurden.Table 1: Operating results before and after the increase in output of the MPS 4150 vertical roller mill at Gorazdze Zement in PolandTabelle 1: Betriebsergebnisse vor und nach der Durchsatzsteigerung der Walzenschüsselmühle MPS 4150 bei Gorazdze Zement in PolenParameter Units Before conversion After conversionAchieved Guaranteed AchievedOutput t/h 300 440 437Fineness, residue on 90 µm % 18.0 18.0 17.5Spec. power consumption (grinding table drive) kWh/t 4.5 4.3 4.456 CEMENT INTERNATIONAL 4 2/2004 4 VOL. 2

Capacity [t/h]45040035030025020015010050Cost [% of new installation]706050403020100A B C D E F G H I J05.0 … 15.0 5.0 … 30.0 30.0 … 50.0CustomerUpgrade [%]Figure 4: Summary of the increases in output achieved by ten convertedvertical roller millsBild 4: Zusammenstellung der erzielten Durchsatzsteigerungen vonzehn umgebauten WalzenschüsselmühlenFigure 5: Conversion costs for a vertical roller mill in % of a new installationas a function of the increase in outputBild 5: Umbaukosten einer Walzenschüsselmühle in % zu einer Neuinstallationin Abhängigkeit von der DurchsatzsteigerungWhen very moist mill feeds are being ground the output isnot determined solely by the mill geometry; the gas volumeflow and inlet temperature must also be taken into accountin the calculation.The conversion costs are compared with the cost of newpurchase. The cost values in Fig. 5 give a rough indicationand relate to mill, mill foundation and mill installation,assuming central European cost structures. However, projectrelatedcost examination is essential because of widelydiffering influencing factors. As a rule, increases in outputof vertical roller mills can be achieved rapidly. They improvethe overall cost-effectiveness of an existing grinding plantand require less capital investment than the construction ofa new plant.35 EntscheidungskriterienDie Entscheidung über einen Austausch oder die Modifikationeiner bestehenden Mahlanlage wird von vielen Faktoren,jedoch in erster Linie vom Zustand der Mahlanlage selbst,vom vorhandenen Potenzial zur Durchsatzerhöhung sowievon der Höhe der Investitionskosten bestimmt.Maschinenbauteile unterliegen unter Betriebsbedingungenmeist regellosen und nur unvollständig erfassbaren Beanspruchungen,sodass sich selbst bei einer Dimensionierung,welche die Dauerfestigkeit berücksichtigt, nach längererBetriebszeit in Einzelfällen auch Materialermüdungserscheinungeneinstellen können (bei einem Zeitraum von zehn Jahrenist von ca. 10 8 Lastwechseln auszugehen). Den Erfor -dernissen entsprechend sind dann die betroffenen Komponentendurch verstärkte Bauteile zu ersetzen.LITERATUR[1] Reichardt, Y.; Link, G.; Gilabert, H.: Cement finish grindingwith a MPS roller mill at the San Rafael cementplant in Ecuador. ZKG International 55 (2002) No. 11,pp. 54-57.[2] Reichardt, Y.: Grinding, classifying, drying – as used insophisticated pilot-scale trials for capital plant projects.ZKG International 54 (2001) No. 1, pp. 38-43.[3] Jung, O.: Developments and operational experiencewith vertical roller mills in the cement industry. ZKGInternational 52 (1999) No. 8, pp. 452-458.[4] Jung, O.; Schütte, K.-H.: Thermal stressing in verticalroller mills when grinding very moist materials. ZKGInternational 51 (1998) No. 8, pp. 438-443.Das mahltechnische Durchsatzpotenzial einer Walzenschüsselmühlekann auf der Grundlage der Leistungsdichte einerMühle überschlägig ermittelt werden. Zu diesem Zweck wirddie Antriebsleistung des Mühlenhauptmotors durch (D a ) 2,5 dividiertund mit dem Leistungswert 75 kW, einem Orientierungswertfür Mühlen neuester Bauart, verglichen. Der Parameter(D a ) entspricht dabei dem Mahltelleraußendurchmesser, derExponent leitet sich aus allgemein bekannten Modellbeziehungenab. Bei der Mahlung von sehr feuchten Mahlgütern wirdder Durchsatz nicht allein von der Mühlengeometrie bestimmt,sondern muss auch unter Berücksichtigung von Gasvolumenstromund Eingangstemperatur errechnet werden.Die Umbaukosten werden in Relation zu den Neubeschaffungskostengesetzt. Die Zahlenangaben in Bild 5 geben einengroben Überblick und beziehen sich auf Mühle, Mühlenfundamentund Mühlenmontage. Bei der Betrachtung wurde vonmitteleuropäischen Kostenstrukturen ausgegangen. Aufgrundunterschiedlichster Einflussfaktoren sind jedoch projektbezogeneKostenbetrachtungen unumgänglich. Durchsatzerhöhungenvon Walzenschüsselmühlen lassen sich i.d.R. schnell realisieren.Sie verbessern die Gesamtwirtschaftlichkeit einerbestehenden Mahlanlage und verursachen im Vergleich zurErrichtung einer Neuanlage geringere Investitionskosten.3PROCESSINGCEMENT INTERNATIONAL 4 2/2004 4 VOL. 2 57