공정 효율성 향상을 위한 제트밀링 기술 적용

Kyle Shanley, 프로세스 엔지니어, NETZSCH Premier Technologies LLC | 2023년 3월 31일

입자 크기 감소 분야에서 제트 밀링은 항상 미세한 입자를 얻는 이상적인 수단이었습니다. 제트밀은 분쇄 에너지원에서 이름이 붙여졌습니다. 즉, 고속 가스 제트를 생성하기 위해 노즐을 통해 팽창된 압축 가스입니다. 이 기본 기술을 사용하는 장비 설계에는 다양한 변형이 있었지만 내부 분류를 갖춘 최신 유동층 제트 밀은 다른 유형의 제트 밀보다 많은 이점을 보여줍니다.

PSD(입자 크기 분포) 상단 컷 제어를 위해 재료 베드 내의 반대 제트와 내장된 동적 공기 분류기를 사용합니다. 이 구성은 유동층 내에서 고속 입자 간 충돌을 제공하는 동시에 밀 내부 표면과의 고속 접촉을 제한합니다. 이로 인해 이러한 밀은 과도한 기계 마모 및 재료 오염 없이 다양한 경도 및 마모성 재료를 처리하는 데 이상적이며 고순도 또는 깨끗한 색상이 필요한 재료에 이상적입니다. 제트의 속도는 모든 밀링 기술에서 가장 높을 수 있으므로 재료를 가장 정밀한 PSD로 분쇄할 수 있습니다. 또한 분쇄 수단으로 가스를 사용하기 때문에 온도 조절이 매우 쉽고 밀 내부의 온도 상승이 본질적으로 0이 될 수 있습니다.

제트밀은 모든 밀링 기술 중에서 가장 유연하고 다재다능하지만 종종 특정 응용 분야 및 산업에 사용되지 않는 경우가 많습니다. 전통적인 제트 밀링 공정은 250˚C에서 약 7barg의 분쇄 노즐 압력으로 작동되는 경우가 많습니다. 공기 압축기는 이 압력과 온도에서 압축 공기를 얻기 위해 상당한 양의 에너지를 사용해야 합니다. 공기에 오일이 없고 건조해야 하는 경우에는 훨씬 더 많은 에너지가 사용됩니다. 이는 제트 밀링 공정에서 흔히 발생합니다. 이는 높은 자본 투자 비용 또는 높은 에너지 비용으로 인해 많은 공정 중에서 가장 다양하고 유익한 입자 크기 감소 형태를 남깁니다. 이로 인해 제트 밀링은 고가의 재료, 최고의 PSD가 필요한 재료 또는 밀링에 높은 에너지가 필요한 재료에만 사용된다는 많은 선입견이 생겼습니다. 그러나 사실 제트밀은 다양한 방식으로 작동할 수 있으며 역사적으로 이 기술을 외면했던 많은 응용 분야에 이상적일 수 있습니다. 여기에서는 유동층 제트밀을 중심으로 다양한 응용 분야에 적합한 효율적인 제트 밀링 공정을 만들 수 있는 가능성을 검토합니다.

제트 밀링 공정의 에너지 효율성과 비용을 개선하는 방법을 찾으려면 에너지 소비의 주요 원인인 공기 압축기를 살펴봐야 합니다. 많은 고압 압축기의 효율 범위가 40~60%이므로 공기 압축은 본질적으로 효율적인 프로세스가 아니라는 점은 업계에서 잘 알려져 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 표준 2단계 오일 프리 공기 압축기를 고려합니다(그림 1). 원하는 압력과 온도에 도달하기 위해 주변 공기는 먼저 약 4 barg까지 압축되어 약 2,000˚C까지 가열됩니다. 그런 다음 이 공기는 냉각되고 다시 압축되어 최대 8.0barg에 도달하고 다시 약 1,600˚C로 가열됩니다(정확한 값은 다를 수 있음). 주변 온도 연삭 공기가 필요한 경우 이제 이 공기를 다시 냉각해야 하며, 고압, 주변 온도 압축 공기에 도달하려면 4단계를 거쳐야 합니다. 그렇다면 공기 압축기에서 이러한 단계 중 일부를 제거하기 시작하면 어떻게 될까요?

그림 1: 오일 프리 공기 압축기 단계

두 가지 주요 시나리오를 고려할 수 있습니다. 최종 냉각 단계를 제거하여 최대 8barg 및 1,600˚C 공기를 제공하거나 냉각 단계와 두 번째 압축 단계를 모두 제거하여 최대 4barg 및 2,000˚C를 유지합니다. 하지만 이것이 우리 제트밀의 작동에 어떤 영향을 미칠지 이해해야 합니까? 아래에서는 일반적인 설계의 유동층 제트밀에서 달성할 수 있는 몇 가지 값을 볼 수 있습니다.

그림 2: NETZSCH CGS 50 유동층 제트밀의 제트밀 시나리오