ÇATALAĞZI TERMİK SANTRAL KATI FOSİL YAKITI KIRILMA DAVRANIŞININ KARIŞTIRMALI DEĞİRMEN VE BİLYALI DEĞİRMENDE KARŞILAŞTIRILMASI

Transkript

1 Madenclk, Clt 49, Sayı 1, Sayfa 31-44, Mart 2010 Vol.49, No.1, pp 31-44, March 2010 ÇATALAĞZI TERMİK SANTRAL KATI FOSİL YAKITI KIRILMA DAVRANIŞININ KARIŞTIRMALI DEĞİRMEN VE BİLYALI DEĞİRMENDE KARŞILAŞTIRILMASI Comparson of the Breakage Behavor of Catalağzı Thermal Power Plant Sold Fossl Fuel n Strred Mll and Ball Mll Gelş (receved) 12 Ekm (October) 2009; Kabul (accepted) 25 Kasım (November) 2009 Selçuk SAMANLI (*) ÖZET Dar tane boyut gruplarında hazırlanmış fosl yakıt, karıştırmalı değrmende 360 dev/dak ve Bond değrmennde 70 dev/dak le kuru olarak öğütülmüştür. Karıştırmalı değrmende Blya çapı/değrmene beslenen maksmum tane boyutu arasında yaklaşık 2,5 gb oransal yaklaşım olduğunda, kırılma hızı maksmum olarak gerçekleşmştr. Değrmenlerde, blyalar arası boşluğun %90 ı malzeme le doldurulmuştur. Değrmene bağlı kırılma parametre değer, a T, karıştırmalı değrmende 1,08 ve blyalı değrmende 0,53 dür. Bu, µm ve µm dar tane boyut gruplarında karıştırmalı değrmen lehne, yaklaşık 7 ve 5,5 kat hızlı gerçekleşen kırılma davranışının sonucudur. Karıştırmalı değrmende özgül kırılma hızı 425 µm tane boyutunda maksmum ken, blyalı değrmende bu boyut 2360 µm dr. Anahtar Sözcükler: Öğütme, Katı Fosl Yakıt, Karıştırmalı Değrmen, Bond Değrmen, ABSTRACT The sold fossl fuel prepared at mono sze groups were ground as dry n a strred mll operated at 360 rpm speed and the Bond ball mll operated at 70 rpm speed. In the strred mll, breakage rate reached ts maxmum when the rato of Grndng medum sze/maxmum sze of the materal ground was approxmately 2.5. The sample charged n the mlls occupes as much as 90% of the vod volume between the balls n the mlls. The parameter a T, an mportant parameter dependng on mll specfcatons, was found as 1.08 and 0.53 n the strred mll and the Bond ball mll, respectvely. Ths stuaton s the result of the ncreased specfc rates of breakage n the strred mll, whch were 7 and 5.5 tmes faster than those n the ball mll for the mono sze fractons µm and µm, respectvely. The specfc rate of breakage reached ts maxmum at 425 µm n the strred mll and at 2360 µm n the ball mll. Keywords: Grndng, Sold Fossl Fuel, Strred Mll, Bond Mll (*) Yrd. Doç. Dr. Selçuk SAMANLI, Zonguldak Karaelmas Ün. Müh. Fak. Maden Müh. Böl İncvez/Zonguldak, selcuksamanl@karaelmas.edu.tr 31

2 1. GİRİŞ Dünya enerj üretmnde katı fosl yakıt tüketm artan br öneme sahptr. Yüksek rezerve sahp enerj kaynağı olması, kömürle lgl çalışmaların artmasına neden olmuştur. Kömüre dayalı termk santrallerde yüksek ısıl kapaste ve yüksek yanma vermllğ elde etmek çn, pülvarze enjeksyon yöntem kullanılmaktadır. Bu yöntemde, mkronze boyutta öğütülen katı fosl yakıt, santraldek yakma kazanlarına gönderlmektedr. Tane boyutu küçüldükçe tanelern kırılmaya karşı olan drençlernn artmasıyla brlkte tüketlen enerj mktarları da aşırı br şeklde artmaktadır. Bu bağlamda; öğütme, enerjnn en yaygın ve en vermsz olarak kullanıldığı şlem brmdr. Öğütme konusunda yapılan çalışmaların çoğunda enerj-boyut küçültme arasındak lşk belrlenmeye çalışılarak en az enerj le en uygun boyuta küçültme yapablmenn olanakları araştırılmaktadır (Bond, 1951; Mankosa vd, 1989; Gao ve Forssberg, 1993, Yang vd, 2006). Konvansyonel değrmenlerde, öğütme verm 75 µm altındak boyutlarda oldukça azalmakta ve öğütmede harcanan enerjnn öneml br bölümü faydalı br ş yapmadan (boyut küçültme) ısı ve ses olarak kaybedlmektedr. Kömür, konvansyonel değrmenlerde (blyalı, çubuklu ve dğer) öğütebldğ gb, son zamanlarda çok nce boyutlarda dah etkl öğütme yapablen karıştırmalı değrmenlerde de öğütüleblmektedr. Blyalı değrmenlerde 10 µm altında öğütme yapmak neredeyse mkânsız ken, karıştırmalı değrmenlerde bu olasıdır. Bunun neden, karıştırmalı değrmen çersnde brm zaman ve hacmde açığa çıkan enerj mktarının çok yüksek olması nedenyle enerj tüketmlernn tamburlu değrmenlere kıyasla oldukça düşük kalmasıdır (Kwade, 1999; Wang ve Forssberg, 2000; Jankovc, 2003; Dkmen ve Ergün, 2004; Blgl vd, 2006; Dng vd, 2007). Artan enerj tüketmyle brlkte blyalı değrmenlerde elde edlen tane boyutu >10 μm ken, karıştırmalı değrmenlerde <10 μm ürün boyutuna ulaşılablmektedr. Karıştırmalı ve blyalı değrmenlerde tane boyu le enerj tüketm değşm Jankovc (2003) tarafından aşağıda sunulan Şekl 1 de grafksel olarak oldukça açık fade edlmştr. Şekl 1. Karıştırmalı ve blyalı değrmenlerde tane boyu le enerj tüketm değşm (Celep ve Alp den (2008) alıntı yapılmıştır). Bununla brlkte, kullanılan karıştırmalı değrmenlern büyük ölçekte yapılması, ortam aşınmasının fazla olması ve şlem sırasında blyaların çıkış ızgarasını tıkaması gb problemlern çözümü veya öğütme yardımcılarının etks de gelecekte yapılacak araştırma konularının temelnde yer alacaktır (Celep ve Alp, 2008). Karıştırmalı değrmenlerde aşındırma ve kesme kuvvetler etkldr. Özellkle nce tanelern öğütülmesnde kesme kuvvetnn dğer kuvvetlere göre daha etkl olduğu blnmektedr. Küçük tanelern ufalanmasında basınç ve burulma kuvvetler gerekldr. Çarpma ve aşınma kuvvetlernn baskın olduğu blyalı değrmenlerde öğütme r boyutta kalmaktadır. Blyalı değrmenlern ekonomk öğütme sınırları 100 µm ye kadardır. Bu sınırların altına nldğnde blyalı değrmenlern özgül enerjlernn üstel olarak artış gösterdğ belrtlmştr (Lddell, 1986; Jankovc, 2003; Fuerstenau vd, 2004; Makokha vd, 2006). Karıştırmalı değrmenler, mkronze malzeme üretmnde çok etkl öğütücülerdr. Dğer nce öğütme yapan chazlara göre kolay şletm, bast konstrüksyon, yüksek boyut küçültme oranı, malzemenn öğütme ortamı tarafından az krlenmes ve düşük enerj sarfyatı yönünden son yıllarda oldukça büyük önem kazanmıştır ve dar tane boyut grubunda ürün stenen endüstr alanlarında terch edlmektedr (Mranda ve Yaeger, 1998; Wang ve Forssberg, 2000; Snnott vd, 2006). Brçok üstünlüklernden ötürü mneral, 32

3 seramk, metalürj, elektronk, boya, kmya, gıda, hayvan besn, byoteknoloj, lastk, zraat, laç, fotoğraf, kömür ve enerj endüstrlernde yaygın olarak kullanılmaktadır (Mankosa vd, 1986; Fadhel ve Frances, 2001; Kwade ve Schwedes 2002). Karıştırmalı değrmen, sabt br slndrk yapı çersnde slndr eksen üzernde dönen br rotordan oluşmaktadır. Rotor üzerne belrl aralıklarla yerleştrlmş çubuk veya dskler yardımıyla slndr dolduran ortam hareket ettrlerek öğütme yapılmaktadır. Öğütme ortamı, genelde seramk, çelk, bazen de cam, alümnyum gb uygulama alanına bağlı değşk malzemelerden mal edlen blyalardır (Blgl vd, 2006; Dng vd, 2007). Blyalar değrmen hacmnn %70 80 n doldurmaktadır (Tuzun vd, 1995; Blecher ve Schwedes, 1996; Karbsten vd, 1996). Öğütücü ortam olarak brkaç yüz mkrondan brkaç mlmetreye kadar değşeblen blyalar kullanılmaktadır. Ortam boyutları uygulamaya göre 0,2 le 8 mm arasında değşeblr. Beslenen cevhern verml öğütüleblmes çn 100 µm den nce olması gerekr. Ürün boyutu, blya boyutu azaldıkça ve/veya karıştırma hızı arttıkça orantılı olarak ekonomk ve verml br şeklde mkronze boyuta nmektedr. Karıştırıcı dsk sayısının ve değrmen hacmnn artışı, öğütmeye verlen gücün artışı ve blya sarfyatının azalmasıyla sonuçlanmaktadır (Young ve Gao, 2000). Karıştırmalı değrmendek blyaların, blyalı değrmenlerdek ortamın hareket ve kend ağırlığı le kazandığı knetk güce erşeblmes çn hızının yeterl ölçüde artırılması gerekmektedr. Karıştırma üntes dskl, pnl ve halkalı olmak üzere üç tpden oluşur. Bu değrmenler yatay veya dkey olarak kullanılabldkler gb, yaş veya kuru olarak farklı cevherlern öğütülmesnde kullanılmaktadır (Tuzun vd, 1995; Kwade, 1999; Jankovc ve Snclar, 2006; Snnott vd, 2006; Dng vd, 2007). Karmaşıklaşan cevher yapısının nce boyutta serbestleşme gerektrmesnden ötürü çok nce öğütme kaçınılmaz hale gelmştr. Klask blyalı değrmenler le bu boyutta serbestleşme mümkün olamayacağı çn yüksek kapastel karıştırmalı değrmenlern malatı zorunlu hale gelmştr. Bazı esk tesslerdek öğütme sstemlernn yenleştrlmesnde, öncek blyalı değrmenlere ek olarak tekrar öğütme devrelernde karıştırmalı değrmenlere de yer verlmektedr (Tuzun vd, 1995). Endüstryel kullanımı yaygınlaşmaya başlayan karıştırmalı değrmenlerden 6 µm (d 50 ) ürün boyutunda 20 ton/saat kapasteye varanları mevcuttur (Mankosa vd, 1986). Bu değrmende yapılan öğütmede özgül enerj sarfyatı da blyalı değrmenlere oranla %60 daha az olablmektedr. Tane boyutu 15 µm altına yapılacak öğütmelerde dğer yöntemlere oranla daha ekonomk şlemler mümkün kılmaktadır (Orumwense ve Forssberg, 1992). Günümüzde, yatay karıştırmalı değrmen Isa mll, %70-80 öğütücü blya doluluk oranı le, %40-50 pülp katı oranında, lt/dk pülp çalışma debsnde, 1120 kw güçle yüksek kapasteyle çalıştırılmaktadır (Yaung ve Gao, 2000). Dğer taraftan; günümüzde kullanılmakta olan blyalı (kamaralı tp) değrmenlerde boy/çap oranı genellkle 2,5 ten büyüktür. Tüp değrmen olarak da adlandırılan ve brnc kamarada r, knc kamarada daha nce blyaların kullanıldığı bu tp değrmenler, kuru öğütme yaparlar. Açık devre, kapalı devre ve yüksek basınçlı merdanel değrmenlerle brlkte kullanıldığı devrelerde uygulama alanı bulmaktadırlar (Erdem vd, 2007). Brm ağırlık çn blya yüzey alanı çubuklardan daha fazla olduğu çn blyalı değrmen nce öğütme çn daha uygundur. Bunların uzunluk/ çap oranı 1 1,5 le sınırlıdır. Blyalı değrmenler, öğütme tamburu ve öğütme gövdelernn (blyalar veya mller) dönüşü yoluyla malzemey öğütür. Blyalı değrmenlerde, blyalara ufalama etksn sağlayacak knetk enerj kazandırmak daha kolaydır. Çünkü ortam boyutu oldukça rdr. Blyalı değrmenlerde kullanılan blya ebadı mm arasındadır. Şarj mktarı değrmen ç hacmnn %40 50 s kadardır. Değrmene verlmes gereken enerj, şarj mktarı le artar. Değrmen hacmnn %50 s kadar şarj verlrse harcanması gereken enerj maksmum olur. Optmum değrmen hızı da şarj hacm le artar. 2. KIRILMA DAVRANIŞININ TANIMLANMASI Knetk modelde ufalama brm şlem br hız sürec olarak ele alınmıştır. Bu model lk olarak ler süren Roberts (1950) dr. Roberts brm kütle başına değrmenn çektğ güç le elek üstündek malzemenn değşm hızı arasındak lşky ncelemş ve yaş öğütme teors olasılığını önermştr. Daha sonra Bowdsh (1960) Roberts ın çalışmasını gelştrmş ve br blyalı değrmendek r malzemenn kırılma hızının, 33

4 değrmende bulunan r malzeme konsantrasyonu le orantılı olduğunu göstermştr. Yan, br blyalı değrmendek belrl br boyuttak parçaların öğütülmes brnc derece hız sürec olarak kabul edlr (Lynch vd, 1986; Fuerstenau vd, 2004) Kırılma Davranışının Knetk Modelde Tanımı Doğrusal brleştrlmş parametre modelnde değrmen, r tane boyutunda malzemenn kırılarak, nce tane boyutunda ürünün oluştuğu br reaktör olarak düşünülmektedr. Bu durumda değrmene bell br boyutta veya br boyut aralığında beslenen malzemey de reaktant olarak tanımlamak mümkündür. Beslemenn boyut dağılımı grafksel olarak fade edleblr. Bu yöntemde, brkml % ağırlık mktarının elek boyutuna karşı logartmk ölçekl göstermyle brnc derece kırılma hızı elde edlr. Gaudn Schuhmann eğrs olarak smlendrlen grafksel tanımlama yöntemnde özellkle boyutlar daha y tanımlanır. Belrl tane boyu dağılımına sahp besleme malzemesnde her tane boyu aralığındak malzemenn kırılma hızları brbrnden farklı olmaktadır (Klmpel ve Austn, 1970; Austn vd, 1984; Fuerstenau vd, 2004). Değrmende etkn br şeklde kırılma olduğu zaman belrl br tane boyu aralığında olan malzemenn kırılması genellkle brnc derece öğütme kuramına uymaktadır. Brnc derece fades, reaksyonun yavaşlamadan devam etmes anlamını taşır. Reaksyonun yavaşlaması durumunda, knc ve üçüncü derece reaksyon hızları oluşur. Öğütme şlemnde brnc derece öğütme hpotezn daha y anlayablmek çn, çn W mktarda numune konulmuş bast br değrmen dkkate alınır. Buradak malzemenn boyut dağılımı 2 veya 4 2 geometrk elek serlernden 1, 2, 3 j,, boyut aralıklarında tanımlandığı düşünülmektedr. Bu besleme malzemes br ser artan zaman aralıklarında öğütüldüğünde, bunların öğütülme hızları genellkle brnc derece öğütme knetğne uyacaktır. Buna göre;, tane boyu aralığının kırılma hızı = S w W olacaktır. Burada S, tane boyu aralığındak malzemenn brm kütlesnn brm zamanda kırılma hızı; w, tane boyu aralığındak malzeme fraksyonu ve W se değrmende öğütülen malzemenn toplam ağırlığıdır. Eğer başlangıç beslemesnn tamamı 1. boyut aralığı le tanımlanan üst boyut aralığında yan en r boyut fraksyonunda se; kırılmayla 1. boyut aralığının kaybolma hızı w 1 (t) W le orantılı olacaktır. Toplam kütle, W, sabt olduğundan aşağıdak Eştlk 1 elde edlr; dw (t) = S 1 w 1 (t)...(1) dt Burada, S 1 özgül kırılma hızı olarak adlandırılır ve bu değer oransal olarak sabt se ve zamanla değşmyorsa, aşağıdak Eştlk 2 le fade edlr. w 1 (t)=w 1 (0)exp(-S 1 t)...(2) Sonuçta; Eştlk 3 le verlen ve brnc derece öğütme knetğ olarak fade edlen formül elde edlr. log[w ı (t)]=log[w ı (0)]-S 1 t/2,3)...(3) Burada, w 1 (0) ve w 1 (t) öğütmenn başlangıcındak ve t anındak 1. boyut aralığında bulunan malzemenn yüzdesn, S ı 1. boyut aralığındak malzemenn kırılma hızını ve t se zamanı göstermektedr. Brnc derece kırılma davranışı Şekl 2 de gösterlmştr. Şekl 2. Brnc derece kırılma davranışı Kırılma Hızının Tane Boyu le Değşm Tek br çaptan oluşan blyaların öğütücü ortam olarak kullanılmasıyla, özgül kırılma hızı le tane boyu arasındak lşk, aşağıda Eştlk 4 le fade edleblr; 34

5 S = a T x x 0 α, x «d (4) Burada; a T değrmen koşullarına bağlı br parametre ken α malzemeye göre değşklk gösteren karakterstk br parametredr. Ayrıca; x ve d sırasıyla tane boyu ve blya çaplarıdır, x 0 se 1000 mkrondur. Çatlak teorsne göre tanelern boyutları küçüldükçe dayanımları artmaktadır. Çünkü büyük boyutlarda görülen çatlaklar tane boyu küçüldükçe ortadan kalkmaktadır. Aynı zamanda, geometrk etk nedenyle, r tanelere oranla küçük tanelern blyalar tarafından kavranmaları zor olmaktadır. Böylece tane boyu küçüldükçe kırılma olayı zorlaşmaktadır. İr tane boyunda malzeme başlangıçta hızlı, daha sonra yavaşlayan br hız le kırılarak brnc derece öğütme knetğnden sapmaktadır. Öğütmenn başlangıcında özgül kırılma hızı, tane boyu le artarken belrl br tane boyundan sonra yavaşlamaya başlar. Bunun k neden olablr. Brncs, oluşan nce taneler yastıklama etks yaparak r boyların kırılmasını engeller. Genellkle nce kuru öğütmede ve vskoztes yüksek yaş öğütmede görülmektedr, bu olaya ortam etks denlmektedr. İkncs se, öğütülecek malzeme tane boyunun blya çapından çok büyük olması durumunda normal olmayan kırılma bölgesnde oluşan sapmalardır. Bu durumda r taneler blyalar tarafından kavranamamaktadır. Malzemenn br mktarı nspeten daha zayıf, br mktarı da daha dayanıklı malzeme gb davranmaktadır (Austn, 1971; Austn ve Bhata, 1971; Austn vd, 1982; Zhenhua vd, 1998; Fuerstenau vd, 2004). Brnc derece öğütme knetğne uyan nce malzemelern kırılması normal kırılma bölges olarak adlandırılırken, brnc derece öğütme knetğne uymayan kırılma se normal olmayan kırılma bölges olarak adlandırılmaktadır. Tane boyunun büyümesyle blyaların sahp olduğu enerjnn, tanelern verml br şeklde kırılmasına yetmemes le özgül kırılma hızının düşmeye başlaması öğütmede doğrudan vermszlk olarak adlandırılır. Blyaların aktarma enerjs le etkn br şeklde kırılamayan taneler, öğütme çn büyük kabul edlrler. Bununla brlkte büyük taneler arzu edlen ürün kaltesnde ve mktarında azalmaya sebep olarak çentme ve aşındırma le nce ürün oluşturablrler. Özgül kırılma hızının belrl br tane boyu değernden sonra düşmeye başladığını fade etmek çn, özgül kırılma hızı le tane boyu arasındak lşky Q düzeltme faktörü le çarpmak gerekmektedr. Sonuçta kırılma hızı (S ) aşağıdak Eştlk 5 le fade edlr, S = a T x α Q ( 5) Q, nce taneler çn 1 değern alırken, tane boyutu büyüdükçe bu değer küçülmektedr. Q nn aşağıdak Eştlk 6 ya uyduğu bulunmuştur, 1, Q = Λ 0. (6) Λ 1+ (x / µ ) Burada µ, düzletme faktörünün 0,5 olduğu tane boyu olup öğütme şartlarıyla değşmektedr. Λ, se tane boyunun büyümesyle kırılma hızının azalmasını gösteren poztf değere sahp br parametredr. Λ değernn büyümes le kırılma hızı değer düşmektedr. Λ malzeme özellkler, µ se değrmen şletme koşullarıyla değşen parametrelerdr (Austn vd, 1976; Austn vd, 1984). Özgül kırılma hızının maksmum olduğu tane boyu malzeme özellkler le değşr. Malzeme sertlğ azaldıkça, özgül kırılma hızının maksmum olduğu tane boyu değer büyür (Austn vd, 1976; Austn vd, 1984; Prasher, 1987; Sönmez, 1992; Yerlkaya, 1994; Teke vd, 2002; İpek vd, 2005). 3. MALZEME VE YÖNTEM Çatalağzı termk santralında (ÇATES) yakıt TTK nın Kozlu, Üzülmez ve Çatalağzı lavvarlarından ve özel sahalardan temn edlmektedr. ÇATES yakıtı, kül oranı yüksek yıkama artıkları le düşük küllü temz kömürlern ÇATES şartname değerlerne uygun yakıt elde edecek şeklde (kül ve kalor bazında; %46±2 kül ve 3200±100 Kkal/kg alt ısıl değer) harmanlanması le elde edlr. ÇATES stok harmanından değrmenlere besleme yapan bantlardan numune alma standartlarına uygun olarak numune alınmış, harmanlanarak santral çnde havada kurutulmuştur. ÇATES numunesnn kuru bazda aşağıda Çzelge 1 de verlen özellklere sahp olduğu belrlenmştr. 35

6 Çzelge 1. Fosl Yakıt Kısa Analz Sonuçları Numune Kül Uçucu Kükürt Ü. Isıl Kül Madde Kükürt Değer (%) (%) (%) (Kkal/kg Katı fosl ,20 0, yakıt Ayrıca; pknometre le yapılan yoğunluk belrleme testler sonucunda, ÇATES numunesnn 1,8 gr/ cm 3 yoğunluğa sahp olduğu belrlenmştr. Karıştırma hızını ve deney süresn hassas ayarlayablmek çn PC bağlantısı yapılmıştır. Ayrıca ssteme bağlı elektrk sayacından çeklen enerj de ölçüleblmektedr. Aşağıda Şekl 3 de laboratuar ölçekl karıştırmalı değrmen bütün ekpmanları: (a), karıştırıcı ml ve pnler (b), gövde ve öğütücü blyalar (c) görülmektedr Öğütme Deneyler Bu çalışmada, konk kırıcıda kontrollü olarak 3,35 mm altına kırılmış olan katı fosl yakıtından hazırlanan dar tane boyut aralıklarında, laboratuar ölçekl dkey pnl karıştırmalı değrmen ve Bond blyalı değrmende kuru olarak öğütme deneyler yapılmıştır. Öğütme deneylernde kullanılmak üzere ÇATES numunes, Russell elek kullanılarak µm, µm, µm, µm ve µm dar tane boyut gruplarında hazırlanmıştır. Deneysel çalışmalarda; değşen parametreler altında, söz konusu dar tane boyut gruplarındak katı fosl yakıtın kırılma davranışı ncelenmş, karıştırmalı değrmen ve blyalı değrmende öğütme knetğ açısından karşılaştırmalı olarak değerlendrlmştr. Ayrıca; ÇATES numunesnn öğütüleblrlğ k kategorde yapılan deneyler sonucunda değerlendrlmştr. Brncs, Bond blyalı değrmennde yapılan deneyler sonucunda belrlenen Bond ş ndeks dr. İkncs se, Hardgrove chazı le yapılan deneyler sonucunda belrlenen Hardgrove ndeks dr. Şekl 3. Bu çalışmada kullanılan laboratuar ölçekl karıştırmalı değrmen. Karıştırmalı değrmen gövde hacm 2945 cm 3 olarak ölçülmüştür. Değrmen karıştırıcı ml ve slndrk karıştırıcı pnlern hacm çıkarıldığında kalan etkn değrmen hacmnn yaklaşık % 40 ı öğütücü ortam le doldurulmuştur. Kullanılan numune ağırlığı se, blyalar arası boşluğun %90 ını dolduracak oranda belrlenmştr Laboratuar Ölçekl Blyalı Değrmen le Yapılan Keskl Öğütme Deneyler Öğütüleblrlk deneyler aşağıda Şekl 4 de görülen Bond blyalı değrmende yapılmıştır. Blyalı değrmende öğütme deneylernde kullanılan malzeme ağırlığı, Austn vd. ne göre (1984) hesaplanmış olup, yaklaşık 1650 gr olarak belrlenmştr Laboratuar Ölçekl Karıştırmalı Değrmen le Yapılan Keskl Öğütme Deneyler Karıştırmalı değrmen; gövde, AC motor, nverter, güç sayacı ve blgsayar donanımı olmak üzere beş ana ekpmandan oluşmaktadır. Değrmen 2,2 kw lık güce sahp maksmum devr 1500 dev/dak olan br motorla karıştırılmaktadır. Farklı karıştırma hızlarında deney yapablmek çn Semens Md Master 1500 model sürücü (frekans nventer) motora bağlanmıştır. (a) (b) Şekl 4. Bu çalışmada kullanılan laboratuar ölçekl Bond blyalı değrmen; (a) Gövde-motorkayış kasnak, (b) Öğütücü blyalar. 36

7 Blyalı değrmene at karakterstk özellkler ve öğütücü ortam özellkler Çzelge 2 de verlmştr. Çzelge 2. Bond Blyalı Değrmen ve Öğütücü Ortam Karakterstk Özellkler 4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 4.1. Karıştırmalı Değrmende Kırılma Davranışının Belrlenmes µm, µm, µm, µm ve µm dar tane boyut gruplarında hazırlanan ÇATES numunes, laboratuar ölçekl karıştırmalı değrmende değşen sürelerde öğütülerek, kırılma davranışları ncelenmştr. Karıştırmalı değrmen öğütme deneylerne, karıştırma hızı (dev/dak) ve en uygun blya boyutu nun (mm) belrlenmesne yönelk yapılan deneyler le başlanmıştır. Deneylerde kırılma davranışı ncelenrken, her br öğütme peryodu sonunda en üst tane boyutu eleğnn üstünde kalan mktar sırasıyla %80, %50, %10 ve %5 oranlarında olacak şeklde seçlmeye çalışılmıştır. Söz konusu bu oranlar, daha önce de değşk araştırmacılar (Klmpel ve Austn, 1970; Austn vd, 1984; Ozkan ve Yekeler 2003; Fuerstenau vd, 2004; Denz, 2004; Yue ve Klen, 2005; İpek vd, 2005; Blgl vd, 2006) tarafından yapılan deneysel çalışmalarda, kırılma davranışı hızını belrlemede kullanılmıştır Karıştırma Hızının Kırılma Davranışına Etksnn İncelenmes Karıştırma hızının değşm, motor gücü değştrlerek sağlanmıştır dev/dak, 720 dev/dak ve 360 dev/dak olmak üzere 3 farklı karıştırma hızında çalışılmıştır. Karıştırmalı değrmende, %100 motor gücüne karşılık gelen karıştırma dönüş hızı 1440 dev/dak olarak gerçekleşmektedr. Karıştırmalı değrmen karıştırma hızının belrlenmes çn 5 sn, 10 sn ve 15 sn olmak üzere 3 farklı öğütme süresnde çalışılmış, her öğütme süres sonunda alınan ürünlern boyut dağılımları belrlenmştr. Karıştırmalı değrmende aşağıda belrtlen deney koşullarında öğütme çalışmaları gerçekleştrlmştr: Kullanılan malzeme boyutu: µm 1700 µm elek üstü mktarı: % 91,51 Malzeme mktarı: 472 gr Karıştırma hızı : 1440, 720, 360 dev/dak Öğütücü ortam çapı: 6 mm Öğütücü ortam mktarı: 5594 gr Öğütme süreler: 5, 10, 15 sn Öğütme sonuçları aşağıda Çzelge 3, Çzelge 4, ve Çzelge 5 de sunulmuştur; Çzelge dev/dak Karıştırma Hızında Yapılan Deneylern Sonuçları Çzelge dev/dak Karıştırma Hızında Yapılan Deneylern Sonuçları 37

8 Çzelge dev/dak Karıştırma Hızında Yapılan Deneylern Sonuçları Çzelge 6. 6 mm Blya le Öğütme Deney Sonuçları 15 sn öğütme sonunda; 1440 dev/dak, mm boyutlu blya le aşağıda verlen deneysel dev/dak ve 360 dev/dak karıştırma hızlarında koşullarda öğütme deneyler gerçekleştrlmş ve sırasıyla; 18,42 kws/t, 6,84 kws/t ve 2,63 kws/t sonuçlar Çzelge 7 le sunulmuştur: enerj çekldğ hesaplanmıştır. Kırılma davranışı belrlemede stenen elek üstü oranları, karıştırma Malzeme mktarı: 480 gr hızı 360 dev/dak da elde edlmştr. Öğütücü ortam mktarı: 5693 gr Öğütme süreler: 5, 15 sn, 5, 8 dak Öğütücü Ortam Boyutunun Kırılma Davranışına Etksnn İncelenmes Çzelge 7. 4 mm Blya le Öğütme Deney Sonuçları Karıştırma hızı 360 dev/dak sabt olmak üzere, 1700 µm elek üstü mktarı % 91,51 olan µm dar tane boyut grubunda, yapılan öğütmelerde, öğütücü ortam olarak 6 mm, 4 mm ve 2,36 mm çaplı blyalar kullanılmıştır. Ayrıca her üç boyuttan ağırlıkça 1/3 oranında karıştırarak hazırlanan blya karışımı le öğütme deneyler yapılarak, öğütücü ortam boyutunun kırılma davranışına etkler araştırılmıştır. 6 mm boyutlu blya le aşağıda verlen deneysel koşullarda öğütme deneyler gerçekleştrlmş ve sonuçlar Çzelge 6 le sunulmuştur: 2,36 mm boyutlu blya le aşağıda verlen deneysel koşullarda öğütme deneyler gerçekleştrlmş ve Malzeme mktarı: 472 gr sonuçlar Çzelge 8 le sunulmuştur: Öğütücü ortam mktarı: 5594 gr Öğütme süreler: 5, 15 sn, 1, 5, 12 dak. Malzeme mktarı: 485 gr Öğütücü ortam mktarı: 5752 gr Öğütme süreler: 15 sn, 1, 8 dak. 38

9 Çzelge 8. 2,36 mm Blya le Öğütme Deney Sonuçları Şekl 5. Farklı boyutlu blyalar le yapılan öğütme deneylernde kırılma davranışları. 2, mm boyutlu blyaların ağırlıkça 1/3 oranında Tane Boyutunun Kırılma Davranışına karışımları le aşağıda verlen deneysel koşullarda öğütme deneyler gerçekleştrlmş ve Etksnn İncelenmes sonuçlar Çzelge 9 da sunulmuştur: Dar tane boyut gruplarında ( µm, µm, µm, µm Malzeme ve mktarı: 479 gr µm) hazırlanmış malzemeler Öğütücü karıştırmalı değrmende, 360 dev/dak karıştırma ortam mktarı: 5680 gr Öğütme hızı ve 6 mm blya boyutu le değşen sürelerde süreler: 15 sn, 8, 12 dak. öğütülmüştür. Öğütme süres sonunda üst tane boyu aralığında kalan malzeme fraksyonlarının Çzelge 9. 2, mm Blya Karışımı le Öğütme öğütme sürelerne karşı yarı logartmk grafkler Deney çzlmştr. Grafğn doğrusal olarak azaldığı bölge Sonuçları brnc derece kırılma bölgesn temsl etmektedr ve bu doğrunun eğmnden de malzemenn o tane boyu aralığındak özgül kırılma hızı (S ) belrlenmştr. Sonuçta; söz konusu boyut gruplarında, tane boyutunun kırılma davranışına etks değerlendrlmştr. Elde edlen sonuçlar aşağıda Şekl 6 da sunulmuştur. ÇATES numunesnn kırılma davranışlarının ncelenmes sonucunda; 6 mm boyutlu blya le yapılan karıştırmalı değrmen deneylernde öğütmenn 4 mm, 2,36 mm ve bunların 1/3 ağırlıksal oranlı blya karışımlarından daha hızlı gerçekleştğ sonucuna varılmış ve sonuçlar aşağıda Şekl 5 de sunulmuştur. Şekl 6. Karıştırmalı değrmende dar tane boyut gruplarında kırılma davranışı. 39

10 Karıştırmalı değrmende brnc derece kırılma Özgül kırılma hızı 425 µm tane boyutunda davranışı µm ve µm maksmuma ulaşmıştır. Grafkten a T =1,08 ve dar tane boyut gruplarında gerçekleşmştr. α=0,51 olarak hesaplanmıştır µm dar tane boyut grubunda kısmen doğrusal hareket söz konusu ken, µm le µm dar tane boyut gruplarında 4.2. Bond Blyalı Değrmende Kırılma doğrusal kırılma davranışından uzaklaşılmıştır. Davranışının Belrlenmes Şekl 6 da görülen bütün dar tane boyut Dar tane boyut gruplarında ( µm, grupları çn kırılma davranışının doğrusallıktan µm, µm, uzaklaştığı kısımlar göz ardı edlr ve her br µm ve µm) hazırlanmış olan dar tane boyut grubu çn brnc derece kırılma malzemeler değşen sürelerde öğütülmüştür. davranışının var olduğu süreler dkkate alınırsa; Kırılma davranışları aşağıda Şekl 9 da tüm dar elde edlen brnc derece kırılma davranışları tane boyut grupları çn brlkte sunulmuştur. Şekl 7 de verlmştr. Şekl 7. Karıştırmalı degrmende brnc derece kırılma davranışı. Doğruların eğmlernden özgül kırılma hızları hesaplanmış ve aşağıda Şekl 8 de verlmştr. Şekl 8. Karıştırmalı degrmende kırılma hızlarının tane boyutu le değşm. Şekl 9. Blyalı değrmende dar tane boyut gruplarında kırılma davranışı. Blyalı değrmende öğütmede brnc derece kırılma davranışı µm, µm ve µm dar tane boyut gruplarında gerçekleşmştr µm ve µm dar tane boyut gruplarında doğrusal kırılma davranışından kısmen uzaklaşılmıştır. Şekl 9 da görülen bütün dar tane boyut grupları çn kırılma davranışının doğrusallıktan uzaklaştığı kısımlar göz ardı edlmş ve her br dar tane boyut grubu çn brnc derece kırılma davranışının var olduğu süreler dkkate alınmıştır. Elde edlen brnc derece doğrusal formdak kırılma davranışları Şekl 10 da verlmştr. 40

11 5. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Karıştırmalı değrmen ve blyalı değrmende gerçekleşen özgül kırılma hızları Çzelge 10 da brlkte sunulmuştur. Çzelge 10. Özgül Kırılma Hızlarının Karşılaştırılması Şekl 10. Blyalı değrmende brnc derece kırılma davranışı. Doğruların eğmlernden özgül kırılma hızları hesaplanmıştır. Hesaplanan özgül kırılma hızlarının, elek aralıklarının üst değerlerne göre logartmk olarak grafkler çzlerek Şekl 11 de sunulmuştur. Şekl 11. Blyalı değrmende kırılma hızlarının tane boyutu le değşm. Özgül kırılma hızı 2360 µm tane boyutunda maksmuma ulaşmış, sonrasında azalmaya başlamıştır. Doğrusal olmayan regresyon yöntemyle ölçülen le hesaplanan değerler arasındak farkları en aza ndrecek şeklde ÇATES numunes çn blyalı değrmende a T, α, μ ve Λ parametreler belrlenmştr. Sonuçta; blyalı değrmende özgül kırılma hızı model parametre değerler a T =0,53, α=0,57, μ=3,97 ve Λ=2,62 olarak bulunmuştur. Karıştırmalı değrmende özgül kırılma hızı 425 µm tane boyutunda maksmuma ulaşırken, blyalı değrmende özgül kırılma hızı 2360 µm tane boyutunda maksmum yapmış sonrasında azalmaya başlamıştır. Öğütme deneyler sonunda elde edlen kırılma hızı parametre değerler, karıştırmalı değrmende; a T =1,08 ve α=0,51 olarak hesaplanırken, blyalı değrmende; a T =0,53 ve α=0,57 olarak hesaplanmıştır. Değrmene bağlı br parametre olarak tanımlanan a T değernn büyük olması karıştırmalı değrmende blyalı değrmene kıyasla daha hızlı öğütmenn, başka br deyşle daha nce öğütme ürünü eldesnn br sonucudur. Lteratürde farklı malzemeler çn çeştl araştırmacılar tarafından yapılan çalışmalarda karıştırmalı değrmenlerde öğütme şlemlernde, doğrusal olmayan öğütme knetğ gelştğ belrtlmştr (Mankosa vd, 1986; Orumwense, 1992; Gao ve Forssberg, 1993; Tüzün vd, 1995; Cho vd, 1996; Karbsten vd, 1996; Zhenhua vd, 1998; Blgl vd, 2006; Blgl 2007). Başka br deyşle, kırılma hızı öğütme süres arttıkça yavaşlama göstermektedr. Karıştırmalı değrmende ÇATES numunes le yapılan öğütme deneylernde karşılaşılan bu sapmanın, blyalı değrmende de gerçekleşmes, malzeme özellğnn kırılma davranış hızının yavaşlamasında etks olableceğn beklentsn ortaya çıkarmıştır. ÇATES numunesnde, 41

12 homojen olmayan yapısı gereğ daha kolay kırılmaya uğrayan düşük küllü kısmın (kömür özellkl) artan öğütme süresne paralel olarak nce boyuta geçtğ ve oluşan nce ürünün de gerek öğütücü ortam ve gerekse de r tanelern üzern kaplayarak öğütme hızında yavaşlamaya neden olduğu düşünülmüştür. Bu savı desteklemek amacı le karıştırmalı değrmende çalışılan beş dar tane boyut grubunda 30 sn öğütme yapılmış ve alınan öğütme ürünler, üst elek boyutunda elenmş, elek üstü ve elek altı olmak üzere sınıflandırılmıştır. Söz konusu elek altı ve elek üstü ürünlern kül değerlerne bakılmış ve sonuçlar Çzelge 11 de verlmştr. Çzelge 11. Karıştırmalı Değrmende 30 sn Öğütme Sonuçları Çzelge 11 ncelendğnde, beş dar tane boyut grubunda kırılarak elek altına geçen kısımlara at kül değerler elek üstünde kalanlardan daha düşük bulunmuştur. Yan, ÇATES numunesnde mevcut homojen olmayan yapı çndek düşük küllü (kömür özellkl) kısım yüksek küllü (şst özellkl) kısma göre daha hızlı kırılmaya uğramıştır. Sonuçta; gelşen öğütme süresne paralel olarak, elek üstünde kalan kısım daha zor öğütüleblr özellkl olan şstlerden baret olmakta, kırılma davranışı yavaşlamakta ve doğrusal kırılma davranışından sapma ortaya çıkmaktadır. Ayrıca; ÇATES numunesnn Bond blyalı değrmende yapılan deneyler sonucunda Bond ş ndeks 16,93 kws/t ve Hardgrove chazı le yapılan deneyler sonucunda da Hardgrove ndeks (HGI) 77,45 olarak belrlenmştr. 6. SONUÇLAR Değrmene bağlı kırılma parametre değer olarak tanımlanan a T, karıştırmalı değrmende 1,08 ve blyalı değrmende 0,53 olarak hesaplanmıştır. Karıştırmalı değrmene at a T değernn daha yüksek çıkması µm ve µm dar tane boyut gruplarında, karıştırmalı değrmen lehne yaklaşık olarak sırasıyla 7 ve 5,5 kat hızlı gerçekleşen kırılma davranışının, başka br deyşle daha nce öğütme ürünü eldesnn br sonucudur. Laboratuar ölçekl karıştırmalı değrmende, Blya çapı/değrmene beslenen maksmum tane boyutu arasında yaklaşık 2,5 gb oransal yaklaşım olduğunda kırılma hızının optmal değere ulaşableceğ belrlenmştr. ÇATES numunesnde, homojen olmayan yapısı gereğ, kırılma davranışında gerçekleşen doğrusallıktan sapma, lteratürde belrtlen malzeme özellğnn kırılma davranış hızının yavaşlamasında etks olableceğ savını desteklemektedr. TEŞEKKÜR Yazar, katkıları çn Yrd. Doç. Dr. Dlek Çuhadaroğlu, Doç. Dr. Sat Kızgut, Prof. Dr. İhsan Toroğlu/ Zonguldak Karaelmas Ün. Maden Müh. Böl., Prof. Dr. Levent Ergün/Hacettepe Ün. Maden Müh. Böl., Doç. Dr. Hall İpek, Prof. Dr. Yaşar Uçbaş/Osmangaz Ün. Maden Müh. Böl. ve karıştırmalı değrmen deney setnn kurulmasını sağlayan Dr. C. Cengz Plevnel ye teşekkürü br borç blr. KAYNAKLAR Austn, L. G., 1971; A revew ntroducton to the mathematcal descrpton of grndng as a rate process, Powder Technology, 5, Austn, L. G. ve Bahata V. K., 1971; Expermental methods for grndng studes n laboratory mlls, Powder Technology, 5, Austn, L. G., Shoj K., Bahata V. K., Jndal V., Savage K. ve Klmpel R. R., 1976; Some results on the descrpton of the sze reducton as a rate process n varous mll, Ind. Eng. Chem. Process Des. Devel, 15,

13 Austn, L. G., Shoj K. ve Bell D., 1982; Rate equatons for non-lnear breakage n mlls due to materal effects, Powder Technology, 31, Austn, L. G., Klmpel R. R. ve Lucke P. T., 1984; The process engneerng of sze reducton: ball mllng, SME-AIME, New York, 561. Blgl E., 2007; On the consequences of nonfrst-order breakage knetcs n commnuton processes: absence of self-smlar sze spectra, Partcle&Partcle Systems Characterzaton, 24, Blgl E., Hamey R. ve Scarlett B., 2006; Nanomllng of pgment aglomerates usng a wet strred meda mll: Elucdaton of the knetcs and breakage mechansm Chemcal Engneerng Scence, 61, Blecher L. ve Schwedes J., 1996; Energy dstrbuton and partcle trajectores n a grndng chamber of a strred ball mll, Internatonal Journal of Mneral Processng, 44, Bond F. C., 1951; Thrd theory of commnuton, Trans. AIME, 193, Bowdsh F. K., 1960; Theorcal and expermental studes of knetcs of grndng n a ball mll, Trans. SME/AIME, 217, Celep O. ve Alp İ., 2008; Karıştırmalı değrmenler le nce öğütmenn refrakter altın cevherlerne uygulanablrlğnn ncelenmes, Madenclk, 47(3), Cho H., Waters M. A. ve Hogg R., 1996; Investgaton of the grnd lmt n strred meda mllng, Internatonal Journal of Mneral Processng, 45, Denz V., 2004; Relatonshp between bond s grndablty and breakage parameters of grndng knetc on lmestone, Powder Technology, 139, Dkmen S. ve Ergün Ş. L., 2004; Karıştırmalı blyalı değrmenler, Madenclk, 43(4), Dng Z., Yn Z., Lu L. ve Chen Q., 2007; Effect of grndng parameters on the rheology of pyrtehaptane slurry n a laboratory strred meda mll, Mnerals Engneerng, 20, Erdem A. S., Ergün Ş. L. ve Benzer H., 2007; Modelleme ve smulasyon yardımıyla çmento öğütme devres tasarımı ve kamaralı blyalı değrmen seçm, Madenclk, 46(4), Fadhel H. ve Frances C., 2001; Wet batch grndng of alumna n a strred bead mll, Powder Technology, 119, Fuerstenau D. W., De A. ve Kapur P. C., 2004; Lnear and nonlnear partcle breakage process n commnuton systems, Internatonal Journal of Mneral Processng, 74, Gao M. W. ve Forssberg E., 1993; A study on the effect of parameters n strred ball mllng, Internatonal Journal of Mneral Processng, 37, İpek H., Üçbaş Y., Yekeler M. ve Hoşten C., 2005; Dry grndng knetcs of bnary mxtures of ceramc raw materals by bond mllng, Ceramc Internatonal, 31(8), Jankovc A., 2003; Varables affectng the fne grndng of mnerals usng strred mlls Mnerals Engneerng, 16, Jankovc A. ve Snclar S., 2006; The shape of product sze dstrbutons n strred mlls, Mnerals Engneerng, 19, Karbsten H., Müler F. ve Polke R., 1996; Scaleup for grndng n strred ball mlls, Aufberetungs- Technck, 37(10), Klmpel R. R. ve Austn L. G., 1970; Determnaton of selecton for breakage functons n the batch grndng equaton by nonlnear optmzaton, Ind. Eng. Chem. Fundam, 9(2), Kwade A (1999) Wet commnuton n strred meda mlls-research and ts practcal applcaton. Powder Technology, 105, Kwade A. ve Schwedes J., 2002; Breakng characterstcs of dfferent materals and ther effect on stress ntensty and stress number n strred meda mlls, Powder Technology, 122, Lddell K. S., 1986; Machnes for fne mllng to mprove the recovery of gold from calcnes and pyrte, Proceedng of the nternatonal conference 43

14 on gold, Extractve Metallurgy of Gold, 2, Lynch A. J., Whten W. J. ve Narayanan S. S., 1986; Ball mll models: Ther evaluaton and present status. Advances n Mneral Processng, SME/AIME Pub., Lttleton, C O, Makokha A. B. ve Moys M. H., 2006; Towards optmsng ball-mllng capacty: effect of lfter desgn, Mnerals Engneerng, 19, Mankosa M. J., Adel G. T. ve Yoon R. H., 1986; Effect of meda sze n strred ball mll grndng of coal, Powder Technology, 49, Mankosa M. J., Adel G. T. ve Yoon R. H., 1989; Effect of operatng parameters n strred ball mll grndng of coal, Powder Technology, 59, Mranda S. ve Yaeger S., 1998; Homng on the best sze reducton method, Chemcal Engneerng, 105, Orumwense O. A. ve Forssberg E., 1992; Superfne and ultra-fne grndng - a lterature survey, Mneral Processng and Extractve Metallurgy Revew, 11(1), Özkan A. ve Yekeler M., 2003; Fne dry grndng of zeolte n a laboratory ball mll, Partcle&Partcle Systems Characterzaton, 20, Prasher C. L. 1987; Crushng and Grndng Process Handbook, John Wley&Sons Ltd., GB, 474. Roberts E. J. 1950; The probablty theory of wet ball mllng and t s applcatons, Trans. SME/ AIME, 187, Teke E., Yekeler M., Ulusoy U. ve Canbazoğlu M., 2002; Knetcs of dry grndng of ndustral mnerals: calcte and barte, Internatonal Journal of Mneral Processng, 67, Tuzun M. A., Loveday B. K. ve Hnde A. L. 1995; Effect of pn tp velocty, ball densty and ball sze on grndng knetcs n a strred ball mll, Internatonal Journal of Mneral Processng, 43, Wang Y. ve Forssberg E., 2000; Product sze dstrbuton n strred meda mlls, Mnerals Engneerng, 13, Yang R. Y., Jayasundara C. T., Yu A. B. ve Curry D., 2006; DEM Smulaton of the flow of grndng meda n Isa mll, Mnerals Engneerng, 19, Yerlkaya A., 1994; Blyalı Değrmenlerde Blya Dağılımının Matematksel Model Yardımıyla Belrlenmes, Yüksek Lsans Tez, Hacettepe Ünv., Fen Blmler Ensttüsü, Maden Mühendslğ Anablm Dalı, Ankara, 88. Young M. F. ve Gao M., 2000; Performace of the Isa Mlls n the George Fsher flowsheet, Proceedngs of AusIMMM Seventh Mll Operators Conference, Australa, Yue J. ve Klen B., 2005; Partcle breakage knetcs n horzontal strred mlls, Mnerals Engneerng, 18, Zhenhua M., San H., Shaomng Z. ve Xnzhang P., 1998; Breakage behavor of quartz n a laboratory strred ball mll, Powder Technology, 100(1), Snnott M., Clearly P. W. ve Morrson R., 2006; Analyss of strred mll performance usng DEM smulaton: Part 1- meda moton, energy consumpton and collsonal envronment, Mnerals Engneerng, 19, Sönmez B., 1992; Gümüş Cevhernn Kırılma Parametrelernn Deneysel Olarak Belrlenmes ve Öğütme Devresnn Benzetm, Yüksek Lsans Tez, Hacettepe Ünv., Fen Blmler Ensttüsü Maden Mühendslğ Ana Blm Dalı, Ankara,