Klimaschutz und Energieeffizienz – zentrale Herausforderungen der Zementforschung

Mit über 500 Teilnehmern fand Ende September 2009 in Düsseldorf der 6. Internationale VDZ-Kongress statt (Bild 1). Nach der Eröffnung des Kongresses durch von den VDZ-Vorsitzenden Gerhard Hirth, Schwenk Zement KG, folgte ein Eröffnungsvortrag von Björn Stigson (Bild 2), Präsident des World Business Council for Sustainable Development. Er fasste den Stand der Dinge zum CO₂-Emissionshandel zusammen. In Grundsatzberichten wurde dann die Komplexität neuer, marktgerechter Zemente, der Stand der Technik zur Rohmaterialgewinnung und Mahltechnologien, der Stand der Brenntechnologie sowie Umwelttechnologie und Nachhaltigkeit behandelt. Die Teilnehmer konnten sich in Parallelsitzungen über folgende Themenbereiche informieren.

Zukunftsorientierte Projekte

Als ein solches Projekt wurde das 2009 erfolgreich in Betrieb gegangene Ste. Genevieve Projekt von Holcim vorgestellt. Herausforderungen bei der Abwicklung dieses Großprojektes waren unter anderem die hohe Nachfrage nach Ingenieurleistungen und Material zu Boom-Zeiten. Es wurden aber auch die ersten Betriebsergebnissen der neuen Ofenlinie in Wössingen/Deutschland und eindrucksvolle Beispiele und Anforderungsprofile hochkapazitiver Anlagen vorgestellt. Dass die Herstellung von Weißzement besondere Anforderungen an den Prozess stellt wurde am Beispiel der Bunol-Weißzementlinie gezeigt. Eine etwa 17 % höhere Energieeffizienz konnte im Vergleich zu der Vorlinie durch die Modernisierung erreicht werden. Vorwärmer und Vorkalzinator basieren komplett auf einem Design von Cemex. Aber auch neue Anlagenkomponenten wurden vorgestellt. Eine neue Generation von Vertikalrollenmühlen, die neue QM² von Polysius, kann an die Leistungsdaten des Vorgängermodells anknüpfen, bei deutlich schlankerem Design aber auch zu einem günstigen Preis angeboten werden.

Rohmaterialgewinnung und Mahltechnologie

In dieser Session wurde gezeigt, welche komplexen Anforderungen an den Betreiber gestellt werden, wenn umweltgerecht abgebaut werden soll. Es wurde ausgeführt, welche besonderen Anforderungen aber auch Möglichkeiten die Verwendung von Kreide als Rohstoff, hier am Beispiel des Werkes Lägerdorf von Holcim, bieten. Anschließend wurde am Beispiel des Werkes Saint Pierre La Cour beschrieben, dass mit Vertikalmühlen im Vergleich zu Kugelmühlen bei der Herstellung gleicher Zemente zwar Energie gespart werden kann, ihr Betrieb aber mehr Know-how erfordert. Ein weiterer Aspekt war die Standzeit von Mahlanlagen. Mit entsprechenden Verschleißschutzkonzepten bei Rollenpressen können bis zu 60 000 Betriebsstunden erzielt werden. Aber auch für den Betrieb von Kugelmühlen besteht mit einem ausgefeilten Monitoringkonzept Optimierungspotential. Weitherin können mit numerischen Experimenten Mahlprozesse simuliert und so z.  B. Segregationseffekte der Kugelfüllung, besser verstanden und Verfahren optimiert werden.

Zemente

In dieser Session wurden neue Ansätze zur Zementzusammensetzung vorgestellt. In der Entwicklung befinden sich verschiedene Zemente, darunter der Celitement und M³K-Zemente, die den in Zukunft sich sicherlich ändernden Anforderungsprofilen Rechnung tragen könnten. Aber auch alternative Brennstoffe wurden behandelt. Bedingt durch den wachsenden Anteil von Sekundärbrennstoffen kann ein komplexeres Monitoring z.  B. der Klinkerqualität, des Ascheeintrags und des Sulphatisierungsgrades, notwendig werden. Weiterhin wurde anschaulich nachgewiesen, dass sich in den letzten Jahren, vor allem auch durch die geforderten Emissionsminderungen, Zementtypen mit geringerem Klinkerfaktor durchgesetzt haben. Aber auch neue Erkenntnisse zu altbekannten Themen, z.  B. zur Chromatreduzierung, wurden behandelt. Die gemeinsame Vermahlung hat sich in der Vergangenheit oft als ein effektiver und ökonomischer Ansatz im Vergleich zur nachträglichen Dosierung dargestellt. Bei jeder Dosierungsmethode bietet allerdings nur eine kontinuierliche Ermittlung des wasserlöslichen Chrom(VI)-Gehaltes rechtliche Sicherheit.

Ein weiterer Schwerpunkt war der Zementchemie gewidmet. Das Hydratationsverhalten bzw. die Mikrostrukturentwicklung kann mittlerweile sehr gut bestimmt, vorhergesagt oder modelliert werden. Dieses Know-how bietet eine fundierte Basis für die Entwicklung neuer Bindemittel. Eine Herausforderung ist immer noch, die langfristige Leistungsfähigkeit von zement-basierten Baustoffen zu ermitteln. Dazu sind ganzheitliche Ansätze notwendig, die sowohl die Grundstoffe als auch die fertigen Baustoffe berücksichtigen. Schließlich wurde festgestellt, dass die Leistungsfähigkeit moderner PCE-basierter Bindemittelsysteme nachgewiesen ist und sie aufgrund ihrer Flexibilität einen Beitrag zur Entwicklung neuer Zemente leisten können.

Nachhaltigkeit und Energienutzung

In den Vorträgen wurde deutlich, dass die Zementindustrie im Vergleich zu anderen Industriebereichen bereits eine hohe Effizienz von über 70  % aufweist. Je nach politisch gesetzten Zielen können dabei verschiedene Szenarien zur Reduktion von Treibhausgasen notwendig werden. Mit dem WBCSD-CSI „Getting the numbers right system“ wurde ein Informationssystem vorgestellt, welches für die Zementherstellung weltweit als Basis dienen kann. Vergleichbare Ansätze verfolgt auch das „Asia Pacific Partnership on clean development and climate“. Als ein Schritt zur Erhöhung der Energieeffizienz im Zementwerk kann die Nutzung von Abwärme zur Energierrückgewinnung angesehen werden, was eindrucksvoll am Beispiel chinesischer Werke dargestellt wurde. Während in China die Amortisationszeiten bei derartigen Projekten bei ca. vier Jahren liegen, müssen für Europa oft noch 6 –7  Jahre angesetzt werden. Steigende Energiepreise und Kosten für CO₂-Emissionen würden allerdings auch dort zur Weiterentwicklung derartiger Systeme beitragen. Ein erster Ansatz kann z.  B. die Abgaswärmerückgewinnung sein. So können z.  B. bis zu 100  % der für die Trocknung von Klärschlamm benötigten Energie aus der Abluft des Klinkerkühlers bereitgestellt werden.

Brenntechnologie

Mittlerweile liegt eine Reihe von Ergebnissen zur Leistungsfähigkeit von Brennern bei der Mitverbrennung von Alternativbrennstoffen aus der VDZ-Arbeitsgruppe Drehrohrofenbrenner vor. So sollten z.  B. Alternativbrennstoffbrenner mit einem höheren Primärluftanteil und -moment im Vergleich zu LowNOx-Brenner betrieben werden. Aber auch die Eindüsung von reinem Sauerstoff in den Flammenkern kann eine verbesserte Verbrennung hervorrufen und damit eine höhere Substitutionsrate ermöglichen. Bei der Auswahl eines Ofensystems müssen unter anderem die Parameter Produktionskapazität, Investitionskosten, Betrieb und Wartung, Rohmaterialeigenschaften, Energieeffizienz, Stickstoffminderungspotenzial und Brenneigenschaften eine Rolle spielen. Aber auch die Modernisierung des Klinkerkühlers kann zur Energieeinsparung beitragen. Besonders Satelliten- oder Drehkühler weisen dabei eine vergleichsweise geringe Effizienz bei hohem Wartungsaufwand auf. Anhand von vier Beispielen wurde gezeigt, dass Klinkertemperaturen und Energieverbräuche mit neuen Kühlern signifikant reduziert werden können.

Auch die in letzter Zeit häufig installierten Bypass-Systeme erlauben Effizienzsteigerungen. Eine kosteneffiziente Alternative ist z.  B. die SO_x-Behandlung durch Recycling des Gases im Ofen und Minimierung des Bypass-Staubes durch Homogenisierung und Vorabtrennung. Schließlich fordert der steigende Einsatz von Sekundärbrennstoffen auch seinen Tribut bei der Feuerfestzustellung. Angepasste Materialien sind dann notwendig, um lange Standzeiten der Feuerfestzustellung zu gewährleisten.

Environmental technology

Zum 01.04.2009 wurde die nach Ansicht des Cembureaus sehr zufriedenstellende erste Revision der Zement und Kalk BREF-Dokumente (Best available reference document) vorgestellt. Darin sind die BAT (Best Available Techniques) definiert, die allerdings nicht direkt anzusetzende Emissionsgrenzwerte beinhalten. Weiterhin wurde ein reverses SCR-System in der Halbnass-Linie des Werkes Sarche als Pilotprojekt vorgestellt, welches für derartige Anlagenkonfigurationen gute Ergebnisse geliefert hat. Die Patentierung dieser Technik für trockene Prozesse ist ebenfalls avisiert. Weitere Themen waren die Quantifizierung von Quecksilber im Ofenzyklus. Unter anderem hat sich herausgestellt, dass die Ausschleusung von Ofenstaub zur Quecksilberminderung durch Abscheidung bei ausgestellter Mühle effizienter ist als mit Mühlenbetrieb. Ein weiterer Aspekt war die CO₂-Abscheidung und Verpressung (CCS – Carbon Capture and Sequestration). Pilotanlagen müssen in der Zukunft zeigen, ob und wie diese Technik für die Zementindustrie finanzier- und anwendbar ist. Mittelfristig gilt das gleiche für Großanlagen im Industriemaßstab. Es wurde deutlich, dass die Anwendung damit verbundener Technologien in der Zementindustrie, z.  B. die Oxyfuel-Technology, weiterer Forschung Bedarf, um sicherzustellen, dass Zemente auch in Zukunft mit gleichbleibender Qualität produziert werden können.

Klaus-Dyckerhoff-Preis und Preise für Arbeitssicherheit

Bei dem Galadinner am 2. Konferenztag, durch das Dr. Martin Schneider, Hauptgeschäftsführer des VDZ führte, wurde Professor Henri Van Damme (Bild 3) mit dem Klaus-Dyckerhoff-Preis für herausragende Leistungen auf dem Gebiet der Baustoffforschung ausgezeichnet. Geehrt wurde Van Damme, seit 1999 Professor an der École Supérieure de Physique et Chimie Industrielles in Paris, für sein Lebenswerk. Die Laudatoren, so die erste Preisträgerin von 2007, Professorin Karen Scrivener, hoben vor allem seine außergewöhnliche Leistung hervor, bei der Untersuchung zementhaltiger Materialien eine grundlegende wissenschaftliche Herangehensweise mit Praxisorientierung zu verbinden. Der Preis ist mit 30 000 € dotiert und wird seit 2007 von der Dyckerhoff-Stiftung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft in zweijährigem Turnus vergeben. Weiterhin wurden an diesen Abend die Preise für Arbeitssicherheit vergeben (Bild 4).