Broyeur à cylindres verticaux ou broyeur à boulets : lequel est le meilleur pour votre installation de broyage ?

1. Analyse de la structure des équipements

1. Broyeur à boulets

Le broyeur à boulets est composé d'un cylindre horizontal, d'un arbre creux pour l'alimentation et l'évacuation des matériaux, et d'une tête de broyage. Le cylindre est un cylindre allongé contenant un corps de broyage. Ce corps est généralement constitué de boulets d'acier, chargés dans le cylindre selon différents diamètres et des proportions précises. Le corps de broyage peut également être constitué de segments d'acier.

Figure 1 : Schéma structurel du broyeur à boulets

Le matériau est sélectionné en fonction de sa granulométrie et introduit dans le cylindre par l'arbre creux situé à l'extrémité d'alimentation du broyeur à boulets. Lors de la rotation du broyeur, le corps de broyage se plaque contre la paroi interne du cylindre adjacent grâce à l'inertie, la force centrifuge et le frottement. Le cylindre est alors déplacé et, lorsqu'il atteint une certaine hauteur, retombe sous l'effet de son propre poids. Le corps de broyage, en tombant, broie alors les matériaux contenus dans le cylindre comme un projectile.

Le matériau est introduit de manière spirale et uniforme dans la première chambre du broyeur par l'arbre d'alimentation creux, grâce au dispositif d'alimentation. Cette chambre est revêtue de plaques étagées ou ondulées et contient des billes d'acier de différentes dimensions. La rotation du cylindre génère une force centrifuge qui propulse les billes d'acier à une certaine hauteur. En retombant, elles percutent et broient le matériau. Ce dernier est grossièrement broyé dans la première chambre, puis transféré dans la seconde chambre par un compartiment unique. La seconde chambre, revêtue d'une plaque plane et également remplie de billes, permet un second broyage. La poudre obtenue est évacuée par la grille de décharge, achevant ainsi le broyage.
Lors de la rotation du cylindre, le corps de broyage présente un phénomène de glissement. Ce glissement induit un broyage du matériau. Afin d'optimiser ce broyage, pour les matériaux à granulométrie importante (généralement de 20 mesh), le cylindre est divisé en deux compartiments par une cloison, formant ainsi un double silo. Dans le premier silo, le matériau est concassé par des billes d'acier. Dans le second silo, il est broyé par des pièces forgées en acier, et le matériau finement broyé est évacué par l'orifice de sortie. Pour le broyage de matériaux à granulométrie fine, tels que le sable, le laitier n° 2 ou les cendres volantes grossières, le cylindre peut fonctionner comme un broyeur à silo unique sans cloison, et le volume de broyage peut alors être utilisé pour la fabrication de profilés en acier.

2. Vvertical Mje vais

Le broyeur vertical est un équipement de broyage à grande échelle idéal, largement utilisé dans les cimenteries, les centrales électriques, la métallurgie, l'industrie chimique, l'extraction de minéraux non métalliques et d'autres secteurs. Il intègre le concassage, le séchage, le broyage, le calibrage et le transport, et offre une productivité élevée. Il permet de broyer des matières premières sous forme de blocs, de granulés ou de poudres pour obtenir les produits pulvérulents souhaités.

Figure 2 : Schéma de la structure du moulin vertical

Le broyeur vertical fonctionne comme suit : un moteur entraîne la rotation du disque de broyage via un réducteur. Le matériau est acheminé par un sas au centre du disque rotatif, puis se déplace vers l’extérieur par la force centrifuge dans la zone de broyage. Là, des rouleaux de broyage appliquent une pression hydraulique pour concasser et cisailler le matériau.

(Broyeur à cylindres verticaux)

De l'air chaud s'élève à travers un anneau de ventilation entourant le disque, propulsant le matériau broyé vers le haut. Les particules grossières retombent sur le disque pour être broyées à nouveau, tandis que l'air chaud sèche simultanément le matériau. La poudre fine est acheminée vers un séparateur pour tri : le produit conforme est évacué par le flux d'air et collecté par un dépoussiéreur, tandis que les particules trop grosses retournent sur le disque pour un broyage supplémentaire. Ce cycle achève le processus de broyage complet.

3. Mécanisme de broyage du broyeur à boulets et du broyeur vertical

3.1 Mécanisme de broyage du broyeur à boulets
Comme chacun sait, le broyeur à boulets, équipement de broyage traditionnel, a longtemps occupé une position dominante dans le broyage des matériaux. Cependant, en raison des défauts inhérents à son mécanisme, son rendement énergétique est extrêmement faible, généralement de l'ordre de 1 à 3 %. Par conséquent, l'optimisation énergétique du broyage constitue un enjeu majeur pour la réduction de la consommation d'énergie.

Le mécanisme de broyage du broyeur à boulets est basé sur l'impact et le broyage, et ses caractéristiques sont les suivantes :

(1) Il est nécessaire d’amener simultanément des dizaines, voire des centaines de tonnes de corps et de matériaux de broyage à une certaine hauteur ;

(2) La force du corps de broyage agissant sur le matériau change considérablement, ce qui ne peut être contrôlé par les humains ;

(3) Il y a des collisions inutiles entre les corps de broyage et entre les corps de broyage et le revêtement, et une grande quantité d'énergie est gaspillée ;

(4) Il existe un phénomène de sur-broyage ;

(5) Bruit fort, généralement de 100 à 120 dB (niveau sonore A) ;

(6) Le corps de broyage consomme beaucoup.

Auparavant, la transformation du système de broyage en vue d'économiser de l'énergie se limitait à la transformation du broyeur à boulets lui-même et de son système, par exemple en améliorant le revêtement du broyeur, la plaque compartimentée, en ajustant la granulométrie du corps de broyage, la ventilation à l'intérieur du broyeur, en réduisant la taille des particules du matériau entrant, etc. On obtenait ainsi un certain résultat en termes d'augmentation de la production et d'économie d'énergie, mais cela ne résolvait pas fondamentalement les problèmes existant dans le mécanisme de broyage du broyeur à boulets.
3.2 Mécanisme de broyage du broyeur vertical 

Lorsqu'un broyeur vertical broie des matériaux, il comprime le lit de matériaux formé par les matériaux en vrac à travers les surfaces des deux éléments roulants étroitement pressés à l'intérieur, et les broie ou les réduit progressivement en poudre.

Dans le broyeur vertical, les rouleaux de broyage sont mobiles, et la pression de broyage est transmise par le lit de matériau comprimé qui remplit l'espace entre les rouleaux.

Le fonctionnement d'un broyeur vertical présente les principales caractéristiques suivantes :

(1) La force du rouleau de broyage sur le matériau peut être contrôlée artificiellement pour garantir que la force sur le matériau et l'équipement est uniforme et constante.

(2) La poudre fine qualifiée peut être triée à temps.

(3) Le corps du broyeur vertical permet un fonctionnement silencieux.

(4) Intègre cinq processus de concassage, de broyage, de séchage, de calibrage et de transport.

Grâce à sa structure et à sa méthode de broyage optimisées, le broyeur vertical présente une efficacité de broyage supérieure à celle du broyeur à boulets.

2. Analyse du système de broyage

1. Comparaison des procédés de pulvérisation par broyeur à boulets et par broyeur vertical

1.1 Comparaison des procédés de pulvérisation par broyeur à boulets et par broyeur vertical

Le broyage du calcaire peut être effectué à l'aide d'un broyeur vertical ou d'un broyeur à boulets. La partie supérieure du broyeur vertical est équipée d'un séparateur. Le réglage de la vanne annulaire d'air permet de modifier la finesse du produit et d'assurer une charge uniforme et stable sur le lit de matériau à l'intérieur du broyeur. Après sa sortie du broyeur, la poudre est acheminée vers un dépoussiéreur à manches pulsées, équipé d'un ventilateur d'extraction, puis stockée dans un silo à poudre de calcaire via un système de convoyage horizontal et vertical (voir figure 4). Dans le cas d'un broyeur à boulets, la poudre, après sa sortie, passe d'abord dans un concentrateur de poudre performant pour le tri. Ce concentrateur est équipé d'un rotor entraîné par un moteur à fréquence variable et tournant verticalement. Le réglage de la vitesse du rotor et du débit de ventilation du concentrateur permet d'ajuster la finesse du produit fini. Les particules grossières triées sont renvoyées à l'entrée du broyeur par une vis sans fin pour un broyage plus poussé. La poudre ayant la finesse requise entre dans le dépoussiéreur à sac pulsé avec le flux d'air du ventilateur d'extraction pour la collecte, puis entre dans le silo à poudre calcaire pour le stockage via un équipement de convoyage horizontal et vertical, comme illustré sur la figure 3.

Figure 3 : Diagramme de flux du procédé du système de pulvérisation par broyeur à boulets

Figure 4 : Diagramme de flux du processus du système de broyage vertical de poudre

Le schéma de procédé présenté sur la figure 3 correspond à un système de dépoussiérage à deux étages. Ce procédé complexe comprend de nombreux équipements et présente de nombreux points de défaillance potentiels. Le système se caractérise par une exploitation difficile, de multiples contraintes d'implantation et un encombrement important. Bien que des dépoussiéreurs à haute concentration ne soient pas nécessaires, l'investissement relatif reste conséquent.

Le schéma de procédé illustré à la figure 4 correspond à un système de dépoussiérage primaire. Il présente l'avantage d'un procédé simple, d'un nombre réduit d'équipements et de points de défaillance, d'une utilisation aisée, d'une configuration flexible et d'une absence d'usure de la turbine du ventilateur principal. Cependant, il nécessite la mise en place d'un dépoussiéreur à haute concentration, relativement coûteux.

Par comparaison, on constate que le broyage vertical est un procédé simple, peu encombrant. Intégrant un concentrateur de poudre, il ne nécessite ni concentrateur supplémentaire ni équipement de levage, ce qui réduit le nombre d'équipements nécessaires. Le système présente peu de risques de panne, une utilisation aisée et une grande flexibilité d'agencement. Simple et compact, il peut être installé en extérieur. La surface au sol est environ 70 % inférieure à celle d'un broyeur à boulets, et l'espace occupé est environ 50 à 60 % inférieur à celui d'un broyeur à boulets.

1.2 Comparaison des schémas de broyage par broyeur à boulets et par broyeur vertical 

Le système de pulvérisation à broyeur vertical de type HVM utilisé dans une centrale électrique à combustibles fossiles est comparé au système de pulvérisation à broyeur à boulets d'origine de la centrale.

Tableau 1 : Comparaison des schémas de préparation de la poudre de calcaire

Le tableau 1 montre que l'utilisation d'un broyeur à boulets engendre un investissement supérieur de près de 10 % à celui d'un broyeur vertical. Cependant, tous les indicateurs techniques et économiques restent inférieurs à ceux du broyeur vertical. En particulier, la consommation d'énergie par unité de produit est de 30 à 40 % inférieure pour le broyeur vertical. Il apparaît donc que le broyeur vertical est nettement supérieur au broyeur à boulets en termes d'indicateurs techniques et économiques. De plus, il présente d'autres performances techniques nettement supérieures.

3. Analyse des conclusions

Comparativement aux systèmes de broyage à boulets, les systèmes de broyage vertical présentent les avantages suivants :

1. Coût d'investissement inférieur

Procédé simple, conception compacte et faible encombrement. Grâce à son séparateur de poudre intégré, aucun séparateur ni équipement de levage supplémentaire n'est nécessaire. Sa surface au sol est environ 70 % inférieure et son espace occupé 50 à 60 % inférieur à celui d'un broyeur à boulets.

2. Haute efficacité, économies d'énergie et respect de l'environnement

Grâce au broyage sur lit de matière, la consommation d'énergie est réduite de 30 à 40 % par rapport aux broyeurs à boulets, avec des économies d'énergie encore plus importantes pour les matériaux à forte teneur en humidité. Le bruit est réduit de 20 à 25 dB ; le fonctionnement en circuit fermé sous pression négative garantit l'absence totale d'émissions de poussière.

3. Fonctionnement et entretien pratiques

Le système de commande automatique permet le fonctionnement à distance. Le remplacement rapide des manchons et des chemises de rouleaux par maintenance du cylindre et rotation du culbuteur réduit les temps d'arrêt. La durée de vie accrue des pièces d'usure diminue la fréquence de remplacement.

4. Qualité du produit stable et ajustement rapide

Le temps de séjour des matériaux dans le broyeur n'est que de 2 à 3 minutes (15 à 20 minutes pour les broyeurs à boulets). Ceci permet un contrôle et un ajustement rapides de la composition chimique et de la finesse, garantissant des produits aux composants stables et à la granulométrie uniforme.

5. Faible usure et utilisation élevée des pièces de rectification

L'absence de contact direct métal sur métal entre les rouleaux de broyage et le disque minimise l'abrasion. La consommation de métal est de 5 à 10 g/t de produit fini, et les composants résistants à l'usure ont une durée de vie d'environ 10 000 heures.

6. Forte capacité de séchage

L'air chaud est utilisé pour le transport des matériaux. En ajustant la température de l'air entrant, il est possible de sécher des matériaux dont la teneur en humidité atteint 20 %.