Broyeur à cylindres

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Broyage par étapes avec broyeur à marteaux et broyeur à cylindres

Optimisation de la structure granulométrique d'un mélange d'aliment pour porcs riche en orge à l'aide du broyage par étape avec un broyeur à marteaux et un broyeur à cylindres installé en aval

Introduction

Les découvertes de la recherche en alimentation animale ont montré que non seulement la formule et les ingrédients contribuent au succès de l'alimentation mais que la structure de l'aliment (spectre granulométrique) et la forme de celui-ci (par exemple granulés, miettes) ont également une certaine influence. L'évaluation des granulés doit prendre en considération que chaque procédé de granulation implique toujours un concassage additionnel des particules plus grossières. S'il s'agit d'évaluer des aliments farineux, comme par exemple les aliments pour porcs, l'analyse de tamisage à sec est suffisante, pendant que l'évaluation des granulés exige l'analyse de tamisage par voie humide pour mesurer aussi l'effet de broyage dans la presse.

Des essais d'alimentation avec les aliments farineux pour porcs effectués durant les dernières décennies ont eu pour résultat qu'une structure de l'aliment plus grossière et surtout une teneur en fines plus faible influencent les résultats d'engraissement et la santé des porcs de manière favorable. Des études scientifiques plus récentes ont montré qu'un produit plus fin entraîne une meilleure digestibilité. Or, les résultats des essais de longue durée ne prennent pas en compte la santé des animaux. Diverses études effectuées dans les années 90 ainsi que des résultats plus récents montrent que le risque d'un développement des ulcères augmente au fur et à mesure que la teneur en fines augmente et que le volume de l'estomac change aussi. Cela mène à une consommation de l'aliment réduite, et au pire à la mort des animaux. Il a été également démontré que la digestibilité améliorée des ingrédients, comme par exemple de l'amidon ou des protéines ou des aliments finement broyés a été surestimée, d'autant plus qu'une digestibilité légèrement plus mauvaise dans l'intestin grêle peut être largement compensée par la digestion fermentative subséquente dans le gros intestin. Le broyage plus grossier aide à la formation d'un gradient de pH dans l'estomac et ainsi à la résistance du système gastro-intestinal aux pathogènes.

Outre les effets nutritionnels, la minimisation des fines mène à une structure granulaire plus homogène, c'est-à-dire que le pourcentage de particules d'une grosseur de grain moyenne augmente. Ainsi, le mélange devient plus stable et il est mieux protégé contre la séparation sur son trajet du mélangeur à la mangeoire. En plus, la minimisation des fines améliore les propriétés d'écoulement dans les cellules de silo et dans les nourrisseurs automatiques.

Pratiquement toutes les usines de production d'aliments composés sont traditionnellement équipées de broyeurs à marteaux utilisés en majorité pour le broyage des mélanges. En dépit du broyage par étapes avec pré-broyeur/post-broyeur et tamisage intermédiaire, il n'est pas possible de tenir le pourcentage de fines à un niveau acceptable. Dans la meunerie, on connait le broyage du blé et du seigle avec une faible teneur en fines dans la première étape de broyage avec cylindres. Cependant, si seulement des broyeurs à cylindres sont utilisés pour le broyage des aliments pour porcs, il faut s'attendre à ce qu'il y ait des problèmes concernant le concassage des balles/enveloppes de l'orge et de l'avoine. On s'est aperçu très tôt que le broyage par étapes avec un broyeur à cylindres dans la deuxième étape est plus approprié pour le broyage d'orge.

Il s'agit donc de trouver un compromis qui combine le broyage avec une faible teneur en fines utilisant des cylindres au concassage sur le broyeur à marteaux, le dernier étant adapté pour le concassage des balles/enveloppes. A cet effet, une usine renommée de production d'aliments composés et le fabricant de machines Amandus Kahl GmbH & Co. KG ont initié un projet qui a été réalisé par des étudiants de l'École Allemande de Meunerie à Braunschweig. Le but était de produire un aliment pour porcs riche en orge avec une faible teneur en fines (maxi. 25 % < 0,5 mm) et un concassage suffisant des balles/enveloppes.

Matériel et méthodes

Pour déterminer l'influence des différentes machines de concassage et systèmes de broyage sur la structure de l'aliment, on a choisi un mélange d'aliment pour porcs typique ayant la composition suivante:

  • Orge, env. 30 %
  • Seigle
  • Blé
  • Farine grossière de soja
  • Farine grossière de colza
  • Sous-produits de meunerie
  • Premixes

La teneur "naturelle" en fines de < 0,5 mm dans le mélange avant le broyage causée par les additifs et les fines des matières premières individuelles, s'élevait à environ 5 %. Toutes les déterminations de la teneur en fines citées par la suite étaient faites à partir du mélange final du mélangeur discontinu.

Pour le concassage, des broyeurs à marteaux et des broyeurs à cylindres ont été utilisés. Le fonctionnement des broyeurs à marteaux est connu. Les broyeurs à cylindres sont utilisés pour concasser les graines en particules plus petites avec une teneur en fines la plus basse possible. L'objectif est donc de produire des miettes granuleuses avec peu de fines au lieu de la farine. A cette fin, les cylindres broyeurs (fig. 1) sont pourvus d'une cannelure "tranchant contre tranchant". Les cylindres ont des vitesses circonférentielles différentes de sorte qu'un effet de coupe soit obtenu au lieu d'un effet de compression. Normalement, la vitesse des cylindres et l'avance sont réglées définitivement. Cependant, il serait idéal de pouvoir régler la vitesse et l'avance pendant le fonctionnement.

Fig. 1: cylindre rapide / lent (de gauche à droite)

La grosseur de grain obtenue avec le broyeur à cylindres (fig. 2) est déterminée entre autres par la cannelure/circonférence, l'avance et l'écart des cylindres. Si les formules sont changées souvent, un système de mesure automatique et un télé-ajustage de l'écartement entre les cylindres sont favorables. Il est important que l'alimentation des cylindres se fasse par un dispositif d'alimentation approprié et sur la largeur totale de sorte que les cylindres subissent un effort uniforme et que le débit maximum puisse être atteint.

Ci-après les caractéristiques des machines de broyage utilisées:

BWS - Broyeur à cylindres double (avec deux paires de cylindres)

  • Diamètre du cylindre: 300 mm
  • Longueur du cylindre: 1500 mm
  • Cannelure: en haut 2,9 cannelures/cm "tranchant contre tranchant", en bas 3,7 cannelures/cm "tranchant contre tranchant"
  • Avance: 1: 1.5
  • Commande: 45 kW

Fig. 2:Broyeur à cylindres (BWS) à une étape, double/à deux étapes

BWS - Broyeur à cylindres simple (avec une paire de cylindres)

  • Diamètre du cylindre: 250 mm
  • Longueur du cylindre: 1000 mm
  • Cannelure: 5 cannelures/cm
  • Avance: 1: 1.3
  • Commande: 15 kW

LMW – Broyeur de laboratoire 100 (fig. 3)

  • Marque: Neuhaus Neotec (Groupe Amandus Kahl)
  • Diamètre du cylindre: 250 mm
  • Longueur du cylindre: 100 mm
  • Cannelure: 4 cannelures/cm et autres options
  • Vitesse: chaque cylindre à ajustage continu
  • Avance: 1:2,3 variable
  • Commande: 2 x 2,2 kW

Fig. 3: Broyeur de laboratoire LMW 100

HM – Broyeur à marteaux

  • Diamètre de la chambre de broyage: 1200 mm
  • Largeur de la chambre de broyage: 640 mm
  • Perforation du tamis: Pré-broyeur 10/6 mm, post-broyeur 2 x 3,5 mm
  • Vitesse: 1000/1500 tr/min
  • Vitesse circonférentielle: 60/90 m/s
  • Commande: 155/210 kW

Analyses de tamisage:

  • Division de l'échantillon en environ 100 g par le diviseur d'échantillon
  • Tamiseur Retsch, amplitude 1,6, durée de tamisage 10 min

Quatre variantes ont été étudiées:

  1. BWS = broyeur à cylindres, (deux étapes/double) sans tamisage intermédiaire
  2. HM + HM = broyage par étapes: broyeur à marteaux avec pré-broyeur/post-broyeur et tamisage intermédiaire
  3. HM + BWS = broyage par étapes: broyeur à marteaux + broyeur à cylindres (à une étape) avec tamisage intermédiaire
  4. HM + LMW = broyage par étapes: broyeur à marteaux + broyeur de laboratoire avec tamisage intermédiaire

La variante broyeur à cylindres + broyeur à marteaux avec tamisage intermédiaire n'est pas incluse dans la comparaison. Des essais préliminaires ont montré qu'en vue du concassage des enveloppes, la disposition "d'abord le broyeur à marteaux et ensuite le broyeur à cylindres" donne de meilleurs résultat que celle, inverse, "d'abord le broyeur à cylindres et ensuite le broyeur à marteaux". Un broyeur à marteaux dans la deuxième étape de broyage produit plus de fines qu'un broyeur à marteaux dans la première étape.

Tous les essais étaient réalisés sous conditions pratiques avec des débits importants, à l'exception de l'essai avec le broyeur à marteaux + broyeur de laboratoire. En ce cas, le produit a été broyé à une haute capacité dans la première étape et ensuite une partie du produit a été post-broyé sur le broyeur de laboratoire.

Résultats

Pour évaluer les résultats de broyage, une division selon les plages granulométriques suivantes a été faite:

  • Fine; désigne la plage < 0,5 mm
  • Moyenne; désigne la plage 0,5 à 1,6 mm
  • Grossière; désigne la plage 1.6 à 2.0 mm
  • Très grossière; désigne la plage > 2.0 mm

L'objectif est d'obtenir une accumulation maximale dans la plage moyenne avec une granulométrie moyenne de 1,0 à 1,1 mm. L'accumulation dans la plage granulométrique fine de < 0,5 mm doit être aussi petite que possible et ne doit pas dépasser 25 %. Dans ce contexte, il faut souligner que l'indication "grosseur de grain moyenne" n'implique aucune information sur la teneur en fines < 0.5 mm d'un mélange. Pour cette raison, il vaut mieux définir et déterminer la plage moyenne, par exemple 0,5 à 1,6 mm.

Ci-après, les arrangements des machines et les résultats des différentes variantes de broyage sont présentés:

Variante 1:

Concassage avec le broyeur à cylindres (BWS) à deux étapes (Fig.4)

Fig. 4: Variante 1, configuration de l'installation + diagramme à colonnes

Le résultat montre que la teneur en fines est inférieure à 25 %. Cependant, il y a un pourcentage de 20 % dans la plage "très grossière", ce qui ne doit pas être considéré comme négatif. La structure granulaire est relativement large. Comme il n'y a pas de tamisage intermédiaire ou de post-broyage, cette fraction grossière se compose principalement de balles/enveloppes.

Variante 2:

Concassage par broyage par étapes avec broyeurs à marteaux, HM + HM (Fig. 5)

Fig. 5: Variante 2, configuration de l'installation + diagramme à colonnes

Bien qu'une grande perforation du tamis dans le pré-broyeur et une petite vitesse circonférentielle aient été choisies, une teneur en fines très importante est produite.

Variante 3:

Broyage par étapes avec broyeur à marteaux et broyeur à cylindres, HM + BWS (Fig. 6)

Fig. 6: Variante 3, configuration de l'installation + diagramme à colonnes

Avec cette variante, un très bon résultat est obtenu et l'objectif est atteint à tous les égards. La teneur en fines de < 0.5 mm est inférieure à 25 % et la "fraction très grossière" est inférieure à 5 %. La plus grande fraction se trouve donc dans la plage granulométrique moyenne. Ainsi, le produit a une structure relativement étroite à l'aspect uniforme.

Variante 4:

Broyage par étapes avec broyeur à marteaux et broyeur de laboratoire, HM + LMW (Fig. 7)

Fig. 7: Variante 4, configuration de l'installation + diagramme à colonnes

La variante 4 représente un perfectionnement de la variante 3 dû à la modification de l'avance et l'ajustage des vitesses circonférentielles des cylindres. Cet ajustage n'a pas été possible avec les broyeurs à cylindres existants qui étaient utilisés. Naturellement, les machines peuvent être équipées ultérieurement du système correspondant. Cette variante montre que la structure granulaire peut être optimisée en ajustant la vitesse circonférentielle des cylindres et l'avance.

Réduction de l'énergie électrique spécifique en kWh/t

Dans toutes les variantes, la dépense d'énergie électrique en kWh/t a été déterminée par la mesure de la puissance effective et par le relevé de compteurs. Les résultats ne seront pas présentés en détail dans cet article. En général, la dépense d'énergie électrique de la variante "BWS double" est d'environ 50 % inférieure à celle de la variante "HM + HM". La dépense d'énergie électrique de la variante "HM + BWS" est d'environ 30 % inférieure à celle de la variante "HM + HM".

Conclusions

Pour obtenir un résumé plus clair, les résultats de broyage des variantes 1 à 3 sont représentés par une fonction de distribution cumulative (Fig. 8). C'est particulièrement la comparaison de la densité de distribution qui démontre quelles variantes assurent une faible teneur en fines.

Fig. 8: Courbe de distribution cumulative pour le broyage par étapes BWS envers HM + HM et envers HM + BWS

Les conclusions suivantes sont possibles:

  • Par le broyage utilisant le broyeur à cylindres ou le broyeur à marteaux + broyeur à cylindres, la teneur en fines est nettement réduite par rapport au broyage avec la combinaison broyeur à marteaux + broyeur à marteaux. La valeur de consigne souhaitée de maxi. 25 % < 0,5 mm a pu être atteinte dans toutes les variantes.
  • Le plus grand pourcentage dans la plage granulométrique moyenne est obtenu avec le broyage par étapes avec broyeur à marteaux + broyeur à cylindres.
  • L'augmentation de l'avance du broyeur à cylindres permet l'optimisation des résultats. Il est donc recommandé de rendre possible l'ajustage de la vitesse pendant le fonctionnement.
  • Dans la variante broyeur à marteaux + broyeur à cylindres, la structure granulaire est plus homogène et sa tendance à la ségrégation est réduite, tout en ayant des propriétés d'écoulement améliorées. Son aspect extérieur suggère également un produit homogène, en particulier par la concentration importante de particules dans la plage granulométrique moyenne. Les balles d'orge sont suffisamment concassées.
  • Les essais ont eu pour résultat que la consommation d'énergie spécifique se réduit nettement grâce à l'utilisation du broyeur à cylindres.
  • Contrairement au broyeur à marteaux, le broyeur à cylindres n'exige pas d'air d'aspiration ou seulement une petite quantité si par exemple un épierreur est installé. Les dépenses pour remplir les exigences ATEX se réduisent donc.
  • Si un broyeur à cylindres est utilisé, les coûts d'énergie se réduiront considérablement par rapport à l'utilisation du broyeur à marteaux.

Prévisions

La présente étude montre que par l'installation des broyeurs à cylindres dans des usines de production d'aliments pour animaux neuves ou existantes, la structure des aliments pour porcs riches en orge est améliorée considérablement et en même temps la consommation en énergie électrique est nettement réduite.

Il est aussi possible de minimiser les balles d'orge grossières par la granulation préalable des graines sur la presse à filière plate et par le mélange ultérieur avant que l'orge traitée soit alimentée dans la section de broyage des mélanges.

Les essais dans notre unité-pilote ont montré que dans les broyeurs-granulateurs (presses à filière plate modifiées) les balles/enveloppes sont défibrées transversalement mais pas longitudinalement comme par exemple sur les broyeurs à marteaux et surtout sur les broyeurs à cylindres.

Avec les machines de blanchiment Schule du type VPC, il est possible d'éliminer un certain pourcentage des balles de la graine entière. Une utilisation alternative de la fraction de balles séparées devrait être considérée.

Résumé

Les découvertes de la recherche en alimentation animale montrent qu'une teneur en fines élevées dans l'aliment farineux pour porcs peut avoir une influence négative sur la santé et la performance des animaux. Ceci est dû au développement des ulcères, à un régime pH pas optimal dans l'estomac et aux problèmes de santé provoqués par des agents pathogènes dans le système gastro-intestinal des animaux. Du point de vue technique, une granulométrie non-uniforme cause la séparation et une teneur en fines importante provoque un mauvais écoulement dans les cellules de silo. Pour éviter les influences négatives mentionnées ci-dessus, une faible teneur en fines de 25 % < 5 mm est envisagée pour les aliments farineux avec une granulométrie moyenne comprise entre 0,5 et 1,6 mm. Il faut concasser les balles/enveloppes d'orge de manière à ce que les effets négatifs sur la consommation des aliments et l'utilisation alimentaire puissent être exclus et que les propriétés d'écoulement ne soient pas entravées.

Les avantages du concassage des mélanges riches en maïs ou blé pour la production des aliments pour volailles à l'aide des broyeurs à cylindres sont bien connus. Reste à clarifier si le broyeur à cylindres peut être utilisé aussi pour la production des aliments pour porcs riches en orge. Dans le cadre d'un projet réalisé par des étudiants de l'École Allemande de Meunerie à Braunschweig avec le soutien d'une usine de production d'aliments composés et le fabricant de machines Amandus Kahl GmbH & Co. KG, diverses variantes de broyage ont été comparées dans des essais pratiques avec une haute capacité de l'installation et une formule commerciale riche en orge. D'un grand nombre d'essais, les variantes suivantes ont été comparées:

  • Broyeur à cylindres double
  • Broyage par étapes: broyeur à marteaux avec pré-broyeur et post-broyeur
  • Broyage par étapes avec broyeur à marteaux et broyeur à cylindres

Les essais démontrent qu'à la différence du broyeur à marteaux, le broyeur à cylindres peut considérablement réduire la teneur en fines < 0,5 mm dans le produit fini à une valeur inférieure à 25 %. Cependant, pour réduire la teneur en fines et pour atteindre un pourcentage important dans la plage granulométrique moyenne de 0,5 à 1,6 mm, le broyage combiné par étapes avec broyeur à marteaux et broyeur à cylindres est mieux approprié car la fraction grossière, c'est-à-dire principalement les balles, sera également suffisamment concassée.

Selon les essais préliminaires, la disposition "d'abord le broyeur à marteaux et ensuite le broyeur à cylindres" est mieux approprié que la disposition inverse, car le post-broyage sur le broyeur à marteaux produit plus de fines que le post-broyage sur le broyeur à cylindres. Les exigences à la structure de l'aliment peuvent varier fortement en fonction de la région et des conditions compétitives, il faut donc étudier chaque application individuellement. L'adaptation de la vitesse et de l'avance ainsi qu'un système de mesure automatique avec télé-ajustage de l'écartement entre les cylindres sont recommandés si les formules sont changées souvent.

L'emploi du broyeur à cylindres, en combinaison avec un broyeur à marteaux ou sans broyeur à marteaux, mène à une réduction significative de la consommation d'énergie spécifique (kWh/t) comprise entre 30 et 50 %. Contrairement au broyeur à marteaux, le broyeur à cylindres n'exige pas d'air d'aspiration ou seulement une petite quantité si par exemple un épierreur est installé. Les dépenses pour remplir les exigences ATEX se réduisent donc.

Marque: Amandus Kahl