ateliers de broyage optimisation et modélisation

Ateliers de Broyage Optimisation et Modlisation

(CEMTECH 93 , St Petersburg)

Alain Cordonnier - Christophe Obry

CRCM Centre de Recherches Cimenterie & Minralurgie

CEMTECH 93 - St Petersburg Page 2/12

1. Introduction

FCB a ralis ces dernires annes d'importants travaux de recherche dans le domaine du broyage et notamment de la simulation numrique du broyeur boulets. Une partie de ces travaux, mens l'poque en collaboration avec la Socit des Ciments Franais, a fait l'objet d'une publication prsente aux "journes d'tudes sur les nouvelles techniques de broyage et conomie d'nergie" les 25 et 26 octobre 1989 Paris et reproduite dans les numros d'Aot et de Septembre 1991 de la revue "World Cement". Cette publication expose les principes thoriques fondamentaux de la modlisation et de la simulation d'un circuit quelconque de broyage quip d'un broyeur boulets.

A l'issue de ces travaux, FCB se trouvait dot de deux nouveaux outils :

Un test de broyabilit (FCB Index) prcis, fiable et parfaitement reprsentatif du mcanisme de fragmentation tel qu'il se passe dans un broyeur boulets industriel. Ceci nous permet de dfinir le rendement relatif de l'atelier par rapport au FCB Index baptis (sigma) :

=FCB Index Specific EnergyIndustrialSpecific Energy

Un programme de calcul de simulation d'atelier de broyage avec broyeur boulets comportant notamment une nouvelle formulation des fonctions de broyage. Ce programme prend en compte toutes les configurations et conditions de fonctionnement d'un atelier industriel (sparateur, charge en boulets et son classement, ventilation etc).

Nous apportons aujourd'hui un certain nombre de complments concernant les derniers dveloppements thoriques d'une part et les rsultats obtenus sur le terrain d'autre part.

Enfin, le succs remport aujourd'hui dans tous les cas o nous avons appliqu la modlisation nous a permis de dfinir deux mthodes d'investigation utilises dornavant en routine.

2. Avances Thoriques

2.1. Modle de Blaine

2.1.1. Objectif La simulation numrique repose sur le calcul et l'volution des diffrentes granulomtries dans un circuit,

mais ignore la notion de surface spcifique Blaine qui est le critre le plus couramment employ pour le broyage du ciment. Il tait donc important de pouvoir calculer le Blaine directement partir de la distribution granulomtrique complte. En effet, les corrlations simples (Blaine vs R8 et autres) sont insuffisantes car elles ne prennent pas en compte l'homognit des granulomtries (pente Rosin Rammler par ex.) qui dpend de l'atelier (sparateur, charge circulante etc).


2.1.2. Moyens

Une tude systmatique de corrlation entre le Blaine et la distribution granulomtrique pour diffrents produits a montr qu'il est impossible de raliser un modle indpendant de la matire tudie. La solution passe par un complment de calcul au test de broyabilit (FCB Index) et la dtermination des fonctions S et B (cf figure 1).

The Blaine Model in the FCB's Modelisation Method

FCB index SIZEDistributions

BLAINE

FBS

CalculatedSize

Distributions

Mill Simulator

Grinding PlantSimulation

MODELISATION

Without Blaine ModelWith Blaine Model Blaine

Model

Figure 1 : Intgration du modle de Blaine dans la mthode de modlisation

En effet, le FCB Index nous donne, pour des conditions standard, un ensemble de mesures (granulomtries et Blaine) couvrant la plage tudie (ciment de 2000 4000 Blaine environ). Cet ensemble est ensuite consolid (dpouillement FCB Index et calcul des granulomtries par FBS : premire tape de la modlisation). Ceci nous permet de caler les deux paramtres du modle de Blaine sur des donnes cohrentes.

2.1.3. Conclusions

Le modle de Blaine complte la carte d'identit du produit tudi.

Intgr dans notre simulateur de broyeur boulets, il nous permet d'associer toutes les granulomtries calcules le Blaine correspondant.

Nous pouvons dornavant imposer au simulateur de rechercher une solution de circuit permettant de produire un Blaine donn. Par exemple, si on choisit le Blaine et la charge circulante, le simulateur dtermine le rglage du sparateur et le dbit de produit fini, tout comme le ferait l'oprateur d'un circuit industriel.


2.2. Modle de Courbe de partage de sparateurs granulomtriques FCB a mis au point, test et aujourd'hui valid une formulation mathmatique universelle de la courbe de

partage d'un sparateur granulomtrique (Cf figure 1). Cette fonction nous donne la valeur du rendement Ri pour la maille Xi. Elle consiste en la combinaison de deux sigmodes (courbes en S), l'une dcrivant la coupure granulomtrique et l'autre le soutirage dans les fins.

Les paramtres de cette fonction ont un sens physique :

Mc : Maille de coupure du sparateur. Pt : Pente. Ms : Maille "de coupure" du soutirage. Pts : Pente de soutirage. St : Soutirage maximum. Stg : Soutirage global.

Leur signification est explicite sur la figure 2. La figure 3 nous montre dans quelle mesure les paramtres permettent de simuler n'importe quel type de sparateur.

Modelised Partition Curve

Ms

(1-Stg)/2

(St+Stg)/2

StgMc

1.0

0.0

0.5

s

St

Size

M = ln(10)=2.3tg=Pt.M/4tgs=Pts.M/4

Typical Partition Curves

Size

Effic

ien

cy

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1 10 100

FirstGenerationSecondGenerationThirdGeneration

Figure 2 : Signification des paramtres Figure 3 : Les trois gnrations de sparateur sont modlisables

( )

StgStgStStrAvec

XMc

MsX

Str

MsX

StrStgStgR Pt

i

Ptsi

Ptsi

i

=

+

+

+

+

+=

1:

1

11

11

Figure 1 : Formule universelle FCB de calcul de rendement

First Generation

Second Generation

Third Generation

mc 20 20 20

pt 2.5 3.5 6

Ms 6 5 6

Pts 1.5 2 2.5

St 0.7 0.5 0.2

Stg 0.4 0.3 -0.05


Deux cas pratiques de modlisation de courbe de partage partir de granulomtries industrielles sont rassembls dans la figure ci-dessous. La courbe concernant le Surtevant nous montre un exemple de sparateur de type "Premire gnration" tandis que l'autre (TSV) nous montre le sparateur de type "troisime gnration" FCB.

Industrial and modelised Classifier Partition Curves

Size

Sele

ctiv

ity Va

lues

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 m 10 m 100 m 1000 m

LASER

Alpine Sieve

Sturtevant First Generation

LASER

TSV Third Generation

2.3. Distribution des temps de sjour Les diffrents bilans industriels raliss pendant la priode de validation du simulateur nous ont montr

que l'coulement de la matire dans un broyeur est complexe et fortement dpendant de sa conception.

En effet, dans un broyeur industriel l'coulement n'est pas du tout du type "piston" (coulement en masse) mais prsente un taux de mlange important: on peut dans la pratique assimiler le broyeur une succession de mlangeurs parfaits dont chacun un ratio longueur sur diamtre d'environ 0,5.

Cependant d'autres phnomnes viennent compliquer cette approche :

Ventilation du broyeur qui provoque un avancement diffrentiel des fines par rapport aux grossiers.

Tendance au coating qui se traduit par un ralentissement et un surbroyage d'une partie des fines.

Bourrage du broyeur qui se manifeste par une traverse sans effet de broyage d'une partie de la matire.

Effet de cloison qui augmente d'une part localement la vitesse des gaz et donc les envoles, mais aussi crible le produit.

Ces diffrents phnomnes sont simuls de la manire suivante :

Le broyeur est dcoup en tranches lmentaires

Chaque tranche lmentaire est quipe de deux sparateurs virtuels permettant de simuler les diffrents points cits prcdemment.


Part n-1 Part n+1

Elementary Theoretical Tube Part

Part n

D

V

M

V : Simulation de la ventilation et/ou d'un "by-pass" (bourrage). D : Simulation d'une grille et/ou de coating

M : Tranche lmentaire de broyeur assimile un racteur parfaitement mlang.

Cette approche de broyeur en "tranches" a permis une programmation modulaire et simple du simulateur, et donne une grande souplesse l'utilisation.

3. La modlisation sur le terrain

3.1. Prconisation de charge en boulets Pour un exploitant en Belgique, dsireux d'augmenter sa capacit de production d'un ciment de 3700

Blaine 48.5% de laitier, nous avons ralis une modlisation complte comportant un bilan industriel, une simulation de l'atelier actuel et plusieurs simulations thoriques dont l'objectif tait de trouver des solutions d'optimisation du fonctionnement. A partir de ces simulations deux propositions concrtes ont vu le jour :

Prconisation d'une nouvelle charge en boulets.

Proposition d'implantation d'un TSV la place des deux sparateurs de premire gnration Sturtevant.

Nous avions annonc un gain potentiel de 7,2% avec la nouvelle charge. L'exploitant a modifi sa charge suivant nos prconisations. Aujourd'hui, les statistiques sur plus de 6 mois de fonctionnement font apparatre un gain moyen de 7% avec cette nouvelle charge !

En ce qui concerne le sparateur nous pouvons annoncer avec certitude un gain supplmentaire de 10%. Nous n'avons pas encore de retour industriel puisque le changement de sparateur est encore en projet.


Balls charge and Separator Influence

Recirculating Load (Rejects / Fines)

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Initial Industrial Production 17/12/91

Initial Modelisation

Modelisation

Modelisation

Modelisation 01/93

NEW Industrial Production after01/93

TSV and Optimized Balls Charge

TSV and Initial Balls Charge

3.2. Broyage en prsence de "sur-remplissage" Lors de la modlisation d'un atelier classique de production de ciment portland localis au Canada, nous

avons identifi puis quantifi un sur-remplissage en deuxime chambre. Ceci a t ralis avec les sparateurs thoriques de type "V" (cf figure du paragraphe 2.3) des parties lmentaires de la deuxime chambre. Nous avons alors retrouv avec une excellente prcision non seulement les granulomtries du circuit mais aussi celles l'intrieur du broyeur.

Modelisation w ith OverfillingPortland Cement - 3600 cm/g - 80 t/h

Size

Cum

ula

tive

Res

idu

e

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

1 m 10 m 100 m 1000 m

Normal RTD (Fines)Normal RTD (Rejects)Overfilling (Fines)Overfilling (Rejects)Industrial Fines (Alpine)Industrial Fines (LASER)Industrial Rejects (Alpine)Industrial Rejects (LASER)


Grainsize distribution along the Mill

Position along the Mill (m)

Cum

ula

tive

Res

idu

e

0

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Second Compartment

Diaphragm

63 m

100 m

250 m

630 m

First Compartment

3.3. Broyage en prsence de collage (ou enrobage) sur les boulets Un atelier de broyage de Ciment Portland avec 20% de calcaire localis en France, nous a permis d'aller

encore plus loin dans la simulation de dysfonctionnements. En effet, la deuxime chambre prsentait un sur-remplissage important mais malgr l'intgration de ce paramtre (comme pour l'atelier du Canada) la simulation n'tait pas totalement satisfaisante. Elle ne l'est devenue qu'avec la prise en compte dans le modle du problme de collage (enrobage des boulets) dont le bilan de l'atelier faisait tat. Cette fois, les sparateurs thoriques utiliss sont ceux de type "D".

Modelisation with Overfilling and CoatingPortland Cement - 4000 cm/g - 60 t/h

Size

Cum

ula

tive

Resi

due

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

1 m 10 m 100 m 1000 m

Normal RTD (Fines)Normal RTD (Rejects)Overfilling & Coating (Rejects)Overfilling & Coating (Fines)Industrial Fines (Alpine)Industrial Fines (LASER)Industrial Rejects (Alpine)Industrial Rejects (LASER)


La modlisation de ces types de dysfonctionnements (collage et sur-remplissage) permet bien sr de mieux comprendre le fonctionnement de l'atelier tudi, mais surtout de quantifier les effets sur le dbit et le produit fini et donc d'apprcier objectivement l'intrt d'une modification ventuelle.

3.4. Quantification de l'influence d'un sparateur

3.4.1. Cas d'un Bi-Broyeur cru.

Pour un projet d'implantation d'un TSV dans un atelier de broyage de cru de cimenterie localis en Grande Bretagne, nous avons t amen modliser un circuit plus complexe, savoir un circuit quip d'un bi-broyeur. La simulation du circuit existant a t en tout point cohrente avec le bilan industriel. Elle a permis de quantifier les possibilits d'augmentation de production en installant un TSV et en optimisant la charge en boulets.

Double-Rotator Mill on Raw MealSpecific Energy = f(Sieve Residue at 90 m)

Sieve Residue at 90 m

SE

kWh/t

5

7

9

11

13

15

1 10

Industrial Production

Modelised Industrial Production

Mod. with TSV - RL 2.5

FCB Index

3.4.2. Cas d'un atelier de broyage de charbon.

La simulation de deux ateliers de broyage charbon dans l'industrie sidrurgique a t ralise pour tudier et quantifier l'intrt de sparateurs dynamiques TSV la place des sparateurs statiques existants. Il s'agit de broyeurs boulets ventils FCB avec extraction pneumatique du produit la sortie.

Le modle s'avre tout fait capable de simuler ce type de broyeur dont la ventilation trs leve (3 4 m/s dans le tube) modifie fortement la distribution des temps de sjour. Nous obtenons une parfaite cohrence aussi bien pour les granulomtries du circuit que pour le dbit.

La simulation a permis de quantifier l'impact d'un sparateur TSV sur le dbit de l'atelier et sur la courbe granulomtrique du produit fini. Ainsi, pour un mme d80 de 80, et charge circulante constante, le TSV permet une augmentation du dbit de 25% et donne un produit fini avec une distribution granulomtrique plus resserre; le refus 40 passe de 48% 54%, tandis que celui 160 passe de 4,3% 0,7%.


Air swept coal mill with static separator (41t/h)

Size

cumulative

residue

%

efficiency

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10 100 1000

industrial partition curve

modelised partition curve

industrial rejectsmodelised rejectsindustrial fines

modelised fines

rejects/fines=1.56

Air swept coal mill MODELISATION

Size

cumulative

residue

%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10 m 100 m 1000 m

with TSV Separator 17 kWh/t

with Static Separator 21.2kWh/t

rejects/fines = 1.5

Influence of separator on fines product

L'installation des deux TSV a t ralis en fin d'anne 1992 et a confirm les calculs.


4. Les mthodes d'investigation FCB

Deux mthodes sont aujourd'hui suivies en routine. La premire concerne les audits d'ateliers existants des fins d'optimisation ou de remplacement d'quipement. La seconde permet de dfinir prcisment un atelier neuf au stade du projet et de la ralisation.

FCB's Milling Plant Audit Method

Normal Energetic ConsumptionAbnormal Energetic Consumption

First Step

Second (optional) Step

FBS +Mill Simulator

IndustrialSpecificEnergy

Comparing

Milling PlantFCB Index

Data BaseCRCM

Milling PlantCheck-Up

MalfunctionIdentification

andQuantification

BallsSeparator...

FCB's Milling Plant Design MethodFirst Step (Project Level)

Second Step (Realisation Level)

Complete Milling Plant SpecificationsFBS +Mill Simulator

Ball ChargeDiaphragms

Separator CharacteristicsInstalled powerInternal Liners

...

&Generals

ModelisationResults

Data BaseCRCM

Basics GuaranteesMilling PlantFCB Index

ProjectedMilling Plant

Design

Il est trs important de souligner que l'ensemble des caractristiques de broyabilit du produit sont dtermines avec le test de broyabilit (FCB Index) et le que simulateur permet ensuite de dterminer le dbit et les granulomtries sans qu'il soit pour cela ncessaire de "caler" le modle avec un bilan industriel.

Les donnes du fonctionnement industriel ne sont utilises que pour prendre en compte les particularits du circuit :

Courbe de partage du sparateur. Anomalies ventuelles telles que bourrage et coating. Ventilation du broyeur.


5. Conclusions

Le modle est performant pour toutes les configurations rencontres dans les ateliers de broyage ciment ou autre.

Le modle permet la simulation d'ateliers prsentant des dysfonctionnements. Nous ne simulons pas uniquement des ateliers standards parfaits ! En effet, nous pouvons simuler et QUANTIFIER des phnomnes aussi complexes que le sur-remplissage, l'enrobage des boulets ou encore les trs fortes ventilations de broyeur.

Le modle est applicable, et aujourd'hui appliqu, de nombreuses matires : Clinker, bien sr, mais aussi charbon, cru, calcaire, laitier, coke, minerai de phosphate, etc.

Fort de ces rsultats avec le broyage classique en broyeur boulets, FCB continue ses efforts dans le domaine de la modlisation afin d'tendre son champ d'application au cas du broyage par compression. Ceci devrait donner naissance un modle complmentaire qui nous permettra d'intgrer nos ateliers de broyage numriques des presses cylindres bien sr, mais aussi de nouveaux appareils bass sur des principes similaires dont certains, en phase finale de dveloppement chez FCB, verront le jour la fin de cette anne.

ateliers de broyage optimisation et modélisation

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