Rohmehl und Ersatzbrennstoff­dosierung in der Zementindustrie

1 Einsatz von Zellenradschleusen in der Zementindustrie

Zellenradschleusen werden in der Zementindustrie als kontinuierliches Austragsgerät bzw. Dosiergerät unter leichtem Unter-/Überdruck als Luftabschluss eingesetzt. Die Zellenradschleusen können regelbar sehr große Förderleistungen von verschiedensten fließfähigen Schüttgütern vordosiert aus Fördergeräten oder aus dem Vollen aus Behältern, Bunker oder Silos volumetrisch bei geringem Verschleiß austragen. Der Vorteil von Zellenradschleusen liegt in der verhältnismäßig kleinen Baugröße bei großer Förderleistung, dem Einsatz in verschiedenen Temperaturbereichen, bei unterschiedlichen Druckdifferenzen und relativ geringen Energiekosten. Die Verwendung von Motoren mit der Effizienzklasse EEF 1 kann diese noch reduziert werden. Weiterhin können Zellenradschleusen noch als Explosions­sperre nach RL 94/9/EG für Schüttgüter mit Kst-Wert <  300 in Anlagen nach dem Explosionsschutzdokument eingesetzt werden.

Ein Beispiel für das Einsatzgebiet von Zellenradschleusen ist der Rohmehltransport. Die wesentlichen Ausgangsstoffe für Zement sind Kalkstein, Ton und Mergel-Gesteine. Das Rohmaterial wird abgebaut, gebrochen, getrocknet, in einem bestimmten Massenverhältnis miteinander gemischt und anschließend zum Rohmehl fein gemahlen. Rohmehl für Zement wird in Silos homogenisiert und anschließend über Fördereinrichtungen wie z. B. Becherwerke, Luftförderinnen und Zellenradschleusen zum Vorwärmer transportiert. Anschließend wird das Rohmehl zu Zementklinker gebrannt, gekühlt und in Silos gelagert. Der Zementklinker wird dann mit Sulfatträger und hydraulischen Stoffen fein zu Zement gemahlen. Die weltweite Produktion von Zement im Jahr 2007 ist auf ca. 2,7 Mrd. t angewachsen. Die größten Zementproduzenten der Welt sind China, Indien, Vereinigte Staaten, wobei Russland, Türkei, Brasilien, Mexiko und Indonesien ebenfalls Steigerungen aufweisen.

Oftmals fordert der Markt höhere Durchsätze in Verbindung mit störungsarmem Betrieb und eine hohe Verfügbarkeit. Die höheren Durchsätze der Zementanlagen haben zur Folge, dass auch die Fördergeräte z.  B. die Zellenradschleuse erhöhte Austragsleistungen erzielen müssen und durch einen entsprechenden Verschleißschutz und Wartungsmöglichkeit die höhere Verfügbarkeitsanforderungen gerecht zu werden.

Hohe Austragsleistungen realisiert JAUDT durch die neue Zellenradschleusen-Baureihe Typ XXL die mit der Nennweite
700 x 700 mm, Bauhöhe 1000 mm und einer Förderleistung von 230 t/h/(Schüttgewicht Rohmehl = 0,7 kg/l) beginnt und mit der Nennweite 1300 x 1300 mm, Bauhöhe 1800 mm und einer Förderleistung von 980 t/h endet (Bild 1). Die technische Ausführung ist den Anforderungen derart großer Schleusen angepasst. Eine ATEX Zertifizierung nach RL 94/9 EG liegt vor.

2 Ausführung der Schleusen

Die Konstruktion der XXL-Zellenradschleusen basiert auf der seit mehr als 50 Jahren bewährten JAUDT Vario-Schleusenbaureihe. Gehäuse und Lagerschilde sind in einer massiven Schweißkonstruktion ausgeführt und mit Verrippungen verstärkt (Bild 2). Die Lagerung erfolgt über außen liegende, einstellbare Wälzlager. Die Welle wird über Stopfbuchspackung mit standardmäßigen Schmierring, Spül- oder Sperrluftanschluss nach Außen abgedichtet. Das Zellenrad besitzt auswechselbare Dichtleisten. Die Taschenanzahl gewährt eine 2–fache Überdeckung und somit für eine hohe Dichtigkeit im Durchgang bei niedrige Leckage. Das für die spezifische Ausführung und gemäß Kundenanforderung erstellte Leckage­diagramm für die Zellenradschleuse zeigt die Leckagewerte in Abhängigkeit von Druck. Die theoretischen Werte basieren auf einen praxis­erprobte Versuche in unseren JAUDT-Technikum. Der Reibverschleiß zwischen Gehäuse/Lagerschilde und Dichtleisten des Zellenrades wird mit einer Chromstahl-Schicht (Härte ca. 600 HV) vermindert, und ein höherer Verschleißschutz kann durch eine Wolframcarbit-Beschichtung (Härte ca. 1300 –1400 HV 0,3) oder eine komplette Verschleißstahlkonstruktion des Gehäuse und der Lagerschilder erreicht werden. Die Philosophie von JAUDT ist, dass immer die Dichtleisten verschleißen sollen und somit die Verschleißpaarung Gehäuse/Lagerschilde zu den Dichtleisten genau ausgelegt werden müssen. Die richtige Auswahl des  Verschleißpaketes richtet sich nach der Mohshärte des Rohmehls (Mohshärte 4–5), wobei je nach Lager­stätte noch Korrekturstoffe wie z.  B. Eisenerz oder Sand zugefügt werden, was die Härte beeinflusst. Die Härte des verwendeten Rohmehls ist nicht immer eindeutig ermittelbar, wenn es sich um ein Gemisch mit unterschiedlichen Härtengraden handelt. In einem solchen Fall kann ein Verschleißkennwert im Technikum von JAUDT über ein Verschleißmessgerät ermitteln werden. Die Verwendung unterschiedlich beschichteter Messflächen ermöglicht eine Vergleichsaussage zu bestehenden Mohshärteangaben (Tabelle 1).

Aufgrund der vorgegeben Produkttemperatur über T  >  150 °C werden geeignete Werkstoffe wie zum Beispiel 16  Mo3 (1.5412)
oder Kesselblech H  II (1.0425) für die Stahlteile ausgewählt ­(Tabelle 2). Eine Überschlagswärmedurchgangsberechung ermöglicht den Ingenieuren die Auslegung der richtigen Werkstoffkombination, Dichtung und Wälzlager. Die Wärmeausdehnung der einzelnen Werkstoffe wird bei der Spaltmaß­vorgaben von Zellenrad zu Gehäuse und Lagerschilde berücksichtigt (Tabelle 2), so dass es während der Inbetriebnahme nicht zum „fressen des Zellenrades“ aufgrund zu engen Spaltes kommen kann.

Zur schnellen Störungsbehebung z.  B. aufgrund von Fremdkörpern und Wartungsinspektion kann die XXL-Schleuse mit zwei großzügige Wartungsöffnungen ausgeführt werden und auf  Wunsch mit einer zusätzliche über die gesamte Breite laufende Öffnung die den vorteilhaften Tausch der Dichtleisten im eingebauten Zustand ermöglicht (Bilder 3 und 4).

3 Dosierung von Ersatzbrennstoffen

Die Ressourcenschonung, Energieeinsparung und die Minderung der CO₂-Emissionen zwingt die Zementhersteller kontinuierlich an die Verfahrenstechnik weiter zu entwickeln und mehr Sekundärbrennstoffe zu verwenden deren Einsatz auch Betriebskosten spart. Mehr als 80  % der Zementhersteller setzten bis zu 70 –100  % Ersatzbrennstoffe (EBS) für die Primär/-Sekundär und Kalzinatorfeuerung ein. Die für die Klinkerherstellung notwendigen hohen Temperaturen führen zu einer vollständigen Verbrennung der organischen Bestandteile. Reststoffe werden dauerhaft in die Klinkermatrix eingebunden. Durch den hohen Heizwert von z.  B. Altreifen, technischen Elastomeren von über 30 MJ/kg und der damit verbundenen günstigen Abfallentsorgung sowie durch die Substitution von fossilen Energieträgern wird der zunehmenden Einsatz von EBS in Zementwerken immer sinnvoller. Die Ersatzbrennstoffe werden in der Regel über Zellenradschleusen zudosiert. Aufgrund des niedrigen Schüttgewichtes und groben Körnung kommen auch hier JAUDT XXL-Zellenradschleusen zum Einsatz. In Abhängigkeit von der Körnung (Kantenlänge) bzw. Schüttgut, z.  B. Altholz,  werden auch XXL-Zellenradschleusen in der Ausführung als Messerschleusen eingesetzt. In diesen Fall werden die Dichtleisten durch gehärtete und geschliffene Messerleisten mit insgesamt vier verwendbaren Schneidkanten ersetzt. Weiterhin werden noch zwei Festmesser im Einlauf- und Auslaufbereich vorgesehen, um überstehende Teile abzuscheren. Die Anordnung der Messer gewährleistet einen „ziehende Schnitt“ trotz vollkommen gerader Messer die dadurch preiswert nachgeschliffen werden können.

Der Antrieb der nach der notwendigen Schneidkraft ausgelegt wird, erfolgt über die getrennte Kombination von Getriebe und Motor das über einen Riementrieb die Kraft überträgt. Wenn der EBS über die XXL-Messerschleuse pneumatisch weiter gefördert werden soll, ist ein Einsatz der axialen Randscheiben-Abdichtung des Zellenrades erforderlich, um die Leckage zu vermindern und eine gute Materialführung im Einlaufbereich zu erreichen. Die Randscheibe des Zellenrades kann mit einem auswechselbaren Verschleißring ausgestattet werden, weil an der Dichtstelle zum Gehäuse der größte Verschleiß durch hohe Luftgeschwindigkeit entsteht. Analog kann auch das Gehäuse an dieser Stelle einen auswechselbaren Verschleißring erhalten. Eine Zwangsabführung der Leckageluft auf der Leerlaufseite des Gehäuses mit einer Luftgeschwindigkeit von 15 –17 m/s ist möglich und zu empfehlen.

4 Auslegung von XXL-Zellenradschleusen

Die Auslegung der Zellenradschleuse XXL wird in Abhängigkeit des Förderleistung, Schüttgutes, Schüttgewicht, Schüttguttemperatur und die Schüttgutkörnung ermittelt. Voraussetzung für einen ausreichenden Austrag ist ein einwandfrei fließfähiges und förderwilliges Schüttgut, welches der Schleuse in aufgelockertem Zustand übergeben werden muss. Die Druckdifferenz in den Zellenradschleusen spielt ebenso eine wichtige Rolle wie die Einbausituation der Zellenradschleuse wie z.  B. nach einer Förderrinne, Becherwerk usw. die den Füllungsgrad der Schleuse beeinflusst. Diese Auslegungsdaten werden in einer Aufgabenstellung für unseren Kunden festgehalten, so dass dem Projektleiter konkrete Daten zur Überprüfung zur Verfügung stehen. Anhand der Auslegungswerte und der optimalen Umfangsgeschwindigkeit wird dann die geeignete Zellenradschleusengröße ermittelt bzw. die Kundenvorgaben der Größe geprüft und ggf. Änderungsvorschläge gemacht um die Vorgaben der Gesamtanlage mit der Erfahrung von JAUDT mit verschiedensten Schüttgütern aus unterschiedlichen Branchen sicher zu erfüllen.

Auf der interaktiven Homepage www.jaudt.de sind Formulare verfügbar, in denen die Aufgabenstellung ausgefüllt und daraus der jeweilige Angebotswunsch abgeleitet werden kann. Vorab können zur Anlagenplanung Maßblätter von Zellenradschleusen als pdf- oder dxf-Datei runterladen werden.