Aktuelle Modernisierungs- und Instandhaltungskonzepte in der ­Zementindustrie

1 Einleitung

Die Zementkapazität ist in den letzten Jahren schneller gestiegen als der Zementabsatz [1]. Die globale Wirtschaftskrise und Rezession haben dabei deutlich gemacht, dass in zahlreichen Zementmärkten Überkapazitäten vorhanden sind. Diese wurden zuletzt in erheblichem Maße durch dauerhafte und vor­übergehende Stillegungen von Werken abgebaut. Betroffen waren insbesondere unwirtschaftliche Werke mit Nassöfen oder schlechter Auslastung in Nordamerika, West- und Osteuropa, aber auch teilweise in Asien und Südamerika. Außerdem wurden dort Kapazitätsanpassungen vorgenommen, wo neue Zementlinien in nächster Zeit in Betrieb gehen. In einigen Fällen betrieb man Zementwerke vorübergehend nur als Mahlanlagen, wobei Klinker aus anderen Werken zugeliefert wurde. Die gesamte Situation hat aber auch gezeigt, welche wichtige Rolle die Produktionskosten in diesem Szenario spielen.

In den großen Zementunternehmen wird für eine Effizienzsteigerung zunehmend ein konsequentes Benchmarking eingesetzt, um die einzelnen Werke trotz ihrer regionalen Unterschiede miteinander vergleichen zu können und Schwachstellen besser beseitigen zu können. Als wichtiger Parameter dienen die Produktionskosten, die je nach Region und Markt und der Anlagentechnologie sehr unterschiedlich sind und über die akkumulierte Kapazität aufgetragen werden (Bild 1). Als Beispiel wurde die Holcim Gruppe gewählt, die in 2009 über Zementkapazitäten von etwa 210 Mio. Jahrestonnen (Mta) verfügt. Ein solches Benchmarking der einzelnen Werke ist selbstverständlich nur eine Momentaufnahme, da die Kosten sehr stark von den Energiekosten in den Ländern abhängen, wobei die jeweilige Werksauslastung die Verteilung von fixen und variablen Kosten stark beeinflusst. Man unterscheidet dabei Quartile mit den niedrigsten, mittleren, hohen und höchsten Produktionskosten.

Die Produktionskosten von Holcim- Anlagen unterscheiden sich um den Faktor 3. Benchmark mit 25 US$/t sind Anlagen in China und Indien. Auch die Anlagen im 1. Quartil stammen aus dieser Region. Im 2. Quartil hat man es mit Produktionskosten von 30 –35 US$/t zu tun. Hier sind Anlagen mit modernen Trockenlinien aber auch Anlagen in low-cost-Ländern mit modernen und konventionellen Trockenverfahren ohne Kalzinator enthalten. Im 3. Quartil mit Produktionskosten von 41– 48 US$/t nehmen Anlagen mit Nassverfahren und höheren Energiekosten zu und im 4. Quartil mit Produktionskosten von 50 bis 74 US$/t ist die Anlagenwirtschaftlichkeit gefährdet. Zum einen sind darin Nassanlagen und konventionelle Trockenanlagen enthalten, zum anderen relativ kleine Anlagen (Economy of Scale) und allgemein Anlagen mit einem hohen Kostenniveau wie z.  B. in Westeuropa oder Nordamerika.

Für den Kostenvergleich sind identische Ansätze erforderlich. Zu den spezifischen Produktionskosten werden die Kosten für Rohmaterialen (bei reinen Mahlwerken selbstverständlich auch die für die Klinkerbeschaffung), Energie- und Elektrizität, Personal, Wartung, Instandhaltung, Reparatur, Abschreibungen, Finanzierung, Transport, Vertrieb und Verwaltung (vor Steuern und Abgaben) gerechnet. Die Kostenstruktur ist von Region zu Region auch bei sonst gleichen Rahmenbedingungen sehr unterschiedlich. Energiekosten können dabei einen Anteil von 10 bis 50  % ausmachen. Die Kosten für Wartung, Instandhaltung und Reparaturen hängen in hohem Maße von den Personalkosten bzw. Stundensätzen für Mitarbeiter oder Fremdpersonal ab. Je älter Anlagen sind, umso höher fallen in der Regel Modernisierungs- und Instandhaltungskosten aus, weil Zementanlagen einem hohem Verschleiß ausgesetzt sind.

2 Modernisierungskonzepte

Die Möglichkeiten zur Modernisierung von Zementanlagen sind vielfältig, insbesondere weil die Anlagen eine relativ lange Lebensdauer haben und sich dabei unterschiedlichste technologische und wirtschaftliche Veränderungen und Rahmenbedingungen ergeben. Die wichtigsten Gründe für Modernisierungen sind:

– die Rehabilitierung kompletter Werke und Linien

– Engpassbeseitigungen/Leistungssteigerungen/
höhere Verfüg­barkeit

– Maßnahmen zu Energieeinsparungen/Energieeffizienz

– Umrüstungen von Anlagen und Komponenten

– Emissionsreduzierung/Nachhaltigkeit

Entsprechend können von einer Modernisierung die gesamte Anlage oder nur einzelne Komponenten betroffen sein. Unterschiedlich sind auch die Konzepte und verwendeten Begriffe wie Upgrade, Retrofit, Umbau, Umstellung, Umrüstung, Ertüchtigung, usw. Rehabilitierungen von Produktionslinien oder ganzen Anlagen werden nach vorherigen längeren Stillsetzungen vorgenommen oder wenn die Anlage nur auf einen Bruchteil der nominellen Leistung kommt. In den letzten Jahren waren derartige Projekte (Bild 2) infolge des Neubaubooms eher selten. Dennoch gibt es einen hohen Bedarf wie zuletzt insbesondere in Ländern wie Russland oder dem Irak. In diesem Bericht werden Rehabilitierungen nicht weiter betrachtet: Stattdessen werden die wichtigsten gezielten Maßnahmen und Konzepte für Modernisierungen dargestellt.

Die Zahl der vorhandenen Nassofenlinien und Trockenanlagen ohne Kalzinator ist immer noch relativ groß. Bei Lafarge, dem weltweit führenden Unternehmen mit 120 integrierten Zementwerken, einer Kapazität von 230 Mta und einer Produktionsmenge von 141 Mta werden 88  % der Ofenanlagen nach dem Trockenverfahren betrieben. Aufgrund der hohen Energiekosten für Nassanlagen sind derartige Linien (Bild 3) oft als erstes betroffen, wenn in einem Land aufgrund mit von Neubauten oder geringer Auslastung Kapazitätsanpassungen vorgenommen werden müssen. Umbauten von Nass- auf Trockenverfahren erfordern eine komplett neue Rohmaterialaufbereitung und sind daher meist sehr kostspielig im Vergleich zu Neubauten. Deshalb sind in den letzten 30 Jahren des öfteren Halbtrockenverfahren ins Spiel gekommen, bei denen die Rohmaterialaufbereitung weitgehend beibehalten wird. Für Anlagen nach dem Halbtrockenverfahren (Bild 4) können sich insbesondere Vorteile bei hohen Rohmaterialfeuchten [2] oder beispielsweise hohen Schwefelanteilen [3] ergeben, die ansonsten aufwändige Gaswäschen bei Trockenverfahren nach sich ziehen.

Die derzeitig wichtigsten Ofenmodernisierungen betreffen die Leistungssteigerung von Trockenanlagen. Eine große Anzahl von Trockenanlagen wird noch ohne Kalzinator und mit Satellitenkühlern betrieben (Bild 5). Teilweise existieren auch Anlagen mit Ofenluftbetrieb, wo die Luft für den Kalzinator begrenzt ist und durch den Ofen gezogen wird [4]. In solchen Fällen sind mit einem Rostkühler und Tertiärluftleitung sowie einen auf die Anlage zugeschnittenen Kalzinator signifikante Leistungssteigerungen von 30 bis 50  % möglich [5, 6]. Bild 6 zeigt zwei Ofenlinien von Gorazdze Cement, bei der die Leistung eines Ofens von 3500 t/d auf 6100 t/d gesteigert wurde. Auch der Wärmeverbrauch und die Emissionen konnten signifikant reduziert werden. Die Ofenabmessungen können oftmals beibehalten werden, weil Drehrohröfen früher mit einer Ofenraumbelastung von 2,5 t/d m³ ausgelegt wurden. Heute werden Öfen mit über 5 t/d m³ betrieben.

Neue Anlagen (Bild 7) haben zur Entwicklung der Zyklonvorwärmer und Kalzinatoren in den letzten 10 Jahren deutlich beigetragen. Der Abscheidegrad der Zyklonstufen wurde erhöht, der Druckverlust gesenkt, Standzeiten verbessert. Bei den Kalzinatoren sind inzwischen leistungsfähige Low-NO_x-Verfahren auf dem Markt, die durch eine gestufte Verbrennung und Zuführung von Brennstoff, Verbrennungsluft und Rohmehl einstellbare Reduktionszonen ermöglichen [7]. Auch für die Verbrennung wenig reaktiver und stückiger Brennstoffe wie Petrolkoks und Anthrazit existieren Lösungen. Marktdaten zu der Entwicklung der Kalzinatoren werden in [8] berichtet. Modernisierungskonzepte für Zyklonvorwärmer nutzen diese Entwicklungen. Dabei geht es vor allem um die Verwendung alternativer Brennstoffe, was auch eine Modifikation des Ofens, der Ausmauerungstechnik und der Brenner nach sich zieht. Zur Rückführung von Ofenstaub aus dem Filter in den Drehrohrofen werden Bypasssysteme erforderlich, um Chlor und Alkalien aus dem System auszuschleusen.

Bei Ofenmodernisierungen (Bild 8) wird hauptsächlich den Gegebenheiten des Rohmaterials, der Art der Vorkalzinierung und den verwendeten Brennstoffen Rechnung getragen. Moderne 2-Stützen-Drehrohröfen erlauben L/D Verhältnisse von <  12 für Kurzdrehöfen bis hin zu 15 wie beim klassischen 3-Stützenofen. Mit verzahnten Laufringen wird der Ofenzylinder auf kippbeweglichen, d.  h. sich selbst zentrierenden Laufrollen gelagert. Systemvorteil ist, dass sich das Ofengewicht auf der Innenverzahnung tangential abstützt und dass durch die Art der Lastübertragung eine Ovalität des Ofenmantels reduziert bzw. vollständig vermieden wird und die Ofenlaufringe nahezu wartungsfrei sind. Ein solches System führt außerdem zu längeren Standzeiten für die feuerfeste Ofenauskleidung. Für moderne Öfen beträgt der spezifische Feuerfestbedarf durchschnittlich etwa 150 –350 g/t produzierten Klinker, je nach Ofenfahrweise, Steinequalität, verwendeten Sekundärbrennstoffen und Sekundärlufttemperatur. Pneumatische Ofenein- und Auslaufdichtungen verbessern im Vergleich zu konventionellen Federblechausführungen zudem die Ofenabdichtung.

Kühlermodernisierungen erfolgen in erster Linie in drei Richtungen und betreffen den Umbau von Satellitenkühlern auf komplett neue Schubrostkühler (Bild 9), statische Einlaufroste bei Schubrostkühlern und den vollständigen oder teilweisen Ersatz von veralteten Schubrostkühlern durch moderne Konzepte. Über aktuelle Kühlerentwicklungen wurde in [7] berichtet. Eine Marktstudie über die Entwicklung der Zementindustrie bis zum Jahr 2013 kommt zu dem Ergebnis, dass in den Jahren 2007 und 2008 eine Zahl von 82 Kühlerumbauten in Auftrag gegeben wurde [9]. Die meisten Aufträge stammten aus Länden in Osteuropa, dem Mittleren Osten und Afrika. Bei dem Ersatz von Satellitenkühlern durch Schubrostkühler mit Tertiärluftleitungen (Bild 10) und allen übrigen Kühlermodernisierungen geht es darum, den Kühlerumbau in möglichst kurzen Ofenstillstandsphasen zu realisieren [10 –12]. Hierzu ist eine detailgenaue Ablaufplanung erforderlich, wobei der Erfahrung der Anlagenbaufirmen eine hohe Bedeutung zukommt.

Bei der Modernisierung und Optimierung von Mahlanlagen geht es zumeist um Energieeinsparungen und Durchsatzsteigerungen. Hier stehen in erster Linie Klinker- bzw. Zementmahlanlagen im Blickpunkt [13]. Für Leistungssteigerungen und Energieeinsparungen bei vorhandenen Kugelmühlen werden Kombimahlverfahren mit Walzenpressen bevorzugt. Die Walzenpressen (HPGR = High Pressure Grinding Rollers) (Bild 11) werden den Kugelmühlen vorgeschaltet oder arbeiten im Verbund mit einer Kugelmühle und ermöglichen je nach Schaltung eine Vormahlung, Hybridvermahlung und Teilfertigmahlung [14]. Die Optimierungspotenziale sind groß. Je größer der Anteil der Fertigmahlung in der Walzenpresse ist, umso größer ist die Energieeinsparung für den Prozess [15]. Berichtete Leistungssteigerungen mit Kombimahlverfahren belaufen sich auf 100  % und Energieeinsparungen bis zu 50  %.

Modernisierungen von Kugelmühlen betreffen eine ganze Reihe von Maßnahmen. Auf der einen Seite stehen verfahrenstechnische Änderungen wie die Umrüstung von Mühlen in offenen Kreisläufen auf geschlossene Kreisläufe mit Sichtern. Vorhandene Sichter werden zunehmend durch trennscharfe Hochleistungssichter ersetzt [16], die erhebliche Energieeinsparungen liefern und daneben nachgeschaltete Zyklone und Filter minimieren. Auch die Optimierung der Mahlkammern in Abhängigkeit der gewünschten Mahlfeinheit und die verbesserte Gattierung der Mahlkugeln [17] gehören zu der Mühlenverfahrenstechnik. Bei den mechanischen Umbauten und Optimierungen geht es beispielsweise um neue Stirnwände, Panzerungen, Mühlentrennwände und Austragwände mit Materialstromregelungen oder neue Mühlenantriebe. Derartige Umbauten werden meist zu einer kompletten Mühlensanierung zusammengefasst, wobei Montagen (Bild 12) aufgrund beengter Platzverhältnisse oftmals außerhalb des Mühlengebäudes erfolgen müssen.

Vertikalmühlen liefern dagegen ein kleineres Potenzial zur Modernisierung. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass die Mühlen bereits sehr effizient sind und Mahleinrichtungen von einem Hersteller nicht auf das System eines anderen Herstellers änderbar sind. Anders ist dies bei den integrierten Mühlensichtern. Zum einen werden statische Sichter auf sogenannte dynamische Sichter von den jeweiligen Mühlenlieferanten umgerüstet (Bild 13). Zum anderen scheint es ein erhebliches Potenzial bei der Optimierung von Sichtern durch Fremdfirmen zu geben. Der Hochleistungssichter wurde ursprünglich von Onoda unter dem Markennamen O-Sepa auf den Markt gebracht. Inzwischen existieren zahlreiche Kopien und Verbesserungen. Dabei geht es immer um die Themen Trennschärfe bzw. Abscheideleistung, Druckverlust, Verschleiß und den elektrischen Antriebsbedarf.

Automatisierungslösungen in der Zementindustrie zeichnen sich durch einen rasanten Fortschritt aus. Generell kann konstatiert werden, dass etwa alle 5 Jahre neue Produkt-Generationen auf den Markt kommen, und damit ist der Lebenszyklus für die Elektrotechnik deutlich kürzer als für das mechanische Equipment. Für die Automatisierung von Zementwerken wird heute ein durchgehendes Produkt- und Systemspektrum angeboten, welches vor einigen Jahren noch nicht existierte. Infolge der langen Betriebszeit eines Zementwerkes von über 30 Jahren ergeben sich daraus immer wieder neue Aspekte zur Modernisierung der einzelnen Automationslösungen und elektrischen Komponenten. So ist gemäß einer neuen Marktstudie [9] der Anteil der Elektrotechnik an dem Modernisierungsmarkt in Zementwerken im Verhältnis zum Neuanlagengeschäft gegenüber dem mechanischen Equipment deutlich größer.

Ein wichtiger Bereich betrifft beispielsweise die Modernisierung der Prozessleittechnik [20 –23]. Dabei setzen sich immer mehr Prozess-Leitsysteme (PLS bzw. Distributed Control System DCS) auf Basis von Siemens PCS7, ABB 800xA oder beispielsweise Rockwell/AB SLC 500/ControlLogix^® durch, die weniger spezialisiert und dafür mehr durchgängig und verbreitet sind. Aus Modernisierungssicht ist dabei wichtig, dass unterschiedliche Technologiegenerationen ineinander greifen können und dass Migrationen auf die neueste Version praktisch ohne Stillstandszeiten möglich sind. In dem Prozessleitsystem (Bild 14) laufen alle Informationen zu den Produktions- und Hilfsprozessen mit über 50 000 Signalen zusammen und es erfolgt die notwendige Steuerung und Synchronisation der Prozesse. Prozessleitsysteme wie das CEMAT liefern über eine Schwachstellenanalyse auch Empfehlungen für Modifizierungen und Modernisierungen der Anlage.

Ofenlinien erhalten im Rahmen von Modernisierungen oft eine neue Energie-, Antriebs- und Automatisierungstechnik sowie eine neue Prozessinstrumentierung, die mit alten Bausteinen verkettet werden. Dabei wird zunehmend darauf geachtet, dass eine Implementierung nach Industriestandard erfolgt, so dass die Entwicklung spezieller Schnittstellen für Geräte und Komponenten von Drittlieferanten hinfällig wird. Bei den Antriebslösungen sind insbesondere frequenzgeregelte Antriebe im Trend und liefern eine breite Basis für Modernisierungen [24]. Zu dem Sektor der Automation zählen auch alle Online-Analyse-Systeme. Neben der Abgasanalytik ist hier in erster Linie die Materialanalytik (Bild 15) zu nennen, die sich von der reinen Qualitätssicherung hin zur Prozesssteuerung entwickelt [25]. Hier existiert ein hoher Bedarf zur Modernisierung und Nachrüstung von Anlagen.

Die Liste der sonstigen Modernisierungsmöglichkeiten in einem Zementwerk ist lang. Meist werden Modernisierungen von beispielsweise Filtern, Gebläsen, Lager- und Transport-, Verlade- und Packeinrichtungen im Zusammenhang mit einer Leistungssteigerung oder größeren Umrüstung einer Ofenlinie vorgenommen. Doch je nach dem jeweiligen Engpass in einem Werk erfolgen solche Modernisierungen auch separat. Eine Umrüstung auf Hochleistungsbecherwerke (Bild 16) erfolgt fast ausschließlich im Zusammenhang mit der Leistungssteigerung einer Ofenlinie. Allein bei der Rohmehlbeschickung des Rohmehlsilos und des Wärmetauschers können gegenüber pneumatischen Fördersystemen Einsparungen im dreistelligen kWh-Bereich erzielt werden [18]. Silomodernisierungen (Bild 17) erfolgen dagegen eher unabhängig von Leistungssteigerungen. Dies ist immer der Fall, wenn aufgrund von Anbackungen im Silo nur noch ein Bruchteil der Lagerkapazität zur Verfügung steht oder wenn es fortwährend zu Auslaufproblemen kommt.

3 Instandhaltungskonzepte

Reparatur-, Wartungs- und Instandhaltungskosten von Zementwerken sind sehr unterschiedlich und hängen von einer Reihe von Einflussgrößen ab wie dem Anlagenalter und -zustand, der Anzahl und Größe einzelner Ofenlinien, der Anlagenauslastung, der Fahrweise der Anlage, Personal- und Fremdkosten und dem verfolgten Instandhaltungskonzept. In der Regel belaufen sich Reparatur-, Wartungs- und Unstandhaltungskosten zwischen 5 –20  % der Betriebskosten bzw. absoluten Kosten von 4 bis 15 US$/t. Am Sachwert bzw. dem Wiederbeschaffungswert einer Anlage (WBW) machen die jährlichen Kosten etwa 2– 4  % aus. Bild 18 zeigt am Beispiel eines 4,5 Mio. € Budgets einer Zementanlage, wie sich die dortigen Kosten verteilen [26]. In dem Beispiel entfallen etwa 5  % auf reine Störungsbeseitigung und jeweils 30  % auf Reparaturen sowie die Wartung/Instandhaltung. Die restlichen 35  % verteilen sich auf den geplanten Jahresstillstand und Optimierungen.

Aus dem Bild kam man zusätzlich entnehmen, wie die Verteilung der Kosten für Personal und Material zu den einzelnen Maßnahmen geplant sind und ob die Personalleistungen eher durch Eigen- oder Fremdleistung erbracht werden. Solche Budgetansätze sind von Unternehmen zu Unternehmen aber sehr unterschiedlich und insbesondere für das vergangene Krisenjahr ist anzumerken, dass die Budgetansätze bei vielen Unternehmen drastisch auf Minimalleistungen bzw. solche Leistungen reduziert wurden, die unmittelbar erfolgswirksam sind. Dabei ist die Planung von Instandhaltungsmaßnahmen nur möglich, wenn durch Inspektionen der aktuelle Ist-Zustand der Anlagen bekannt ist [27]. In der Praxis setzen sich bei den meisten Zementunternehmen Instandhaltungsmaßnahmen aus einem Mix aus geplanten und ungeplanten Maßnahmen zusammen.

Ein auf eine hohe Anlagenverfügbarkeit ausgelegtes Konzept unter Einbeziehung von vorbeugender Wartung, Zustands­überwachung, proaktiver und reaktiver Wartung ist in Bild 19 dargestellt. Die vorbeugende Wartung gilt in der Zementindustrie noch immer als der am meisten akzeptierte Ansatz. Allerdings wird das Konzept im Wesentlichen für kritische Anlagenteile mit einer langen Stillstandszeit angewendet. Um einen hohen Nutzungsgrad der entsprechenden Anlagenteile zu gewährleisten, ist eine regelmäßige Inspektion erforderlich. Gemäß den Inspektionen wird entschieden, ob erforderliche Wartungsarbeiten beim jährlichen Anlagenstillstand oder zwischendurch eingeplant werden müssen. Bei der reaktiven Wartung werden die Anlagenteile bzw. Komponenten gefahren, bis eine Störung oder ein Bauteilversagen eintritt. Meist können solche Störungen ohne einen Anlagenstillstand behoben werden. Anders ist dies bei kritischen Komponenten wie beispielsweise großen Antriebsmotoren, Großlager für Mühlen, Getriebe und Gebläse. Um solche Teile nicht grundsätzlich zu früh vor dem Ende der geplanten Lebensdauer auszuwechseln, wird eine Zustandsüberwachung der Aggregate vorgenommen. Zustandsüberwachungen (Condition Monitoring) können auf die unterschiedlichsten Arten vorgenommen werden. In praktisch allen Fällen werden dazu verschiedene Parameter aufgezeichnet und auf Versagensmöglichkeiten hin interpretiert. In der letzten Zeit wurde ein regelrechter Boom zu solchen Verfahren registriert, unterstützt durch fortschrittliche Automationslösungen. Die Zustandsüberwachung von Aggregaten wird durch aktive Wartungskonzepte unterstützt. Dabei geht es darum, Fehlermechanismen und Folgeschäden zu erkennen und herauszufinden, welchen Einfluss beispielsweise Fehlbedienungen oder fehlerhafte Wartungen haben.

Bei der vorbeugenden Wartung muss die Instandhaltung stets einen umfassenden und aktuellen Überblick über den Zustand der Anlagen haben (Bild 20), wobei es insbesondere darum geht, den teuren planmäßigen Austausch voll funktionsfähiger Komponenten mit langer Restlebensdauer zu vermeiden. Auf der anderen Seite soll die Zahl der ungeplanten Anlagenstillstände möglichst minimiert werden, weil Anlagenstillstände immer problembehaftet sind und einen entscheidenen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage haben. Mittels Inspektionen an kritischen Anlageteilen wie Ofen, Kühler, Mühlen, Großgebläsen usw. wird festgestellt, wie es um die Laufruhe der Maschinen bestellt ist, ob Vibrationen auftreten, erhöhte Oberflächentemperaturen, Korrosionserscheinungen usw. auftreten und es werden Kontrollen von Ölständen und Schmiermitteln vorgenommen.

Außerdem wird mittels Inspektionen geprüft, ob die Anlagensicherheit gegeben ist, ob sämtliche nachgeschalteten Anlagenteile wie beispielsweise Filter, Abgaskonditionierungen (Bild 21) und andere Einrichtungen zur Umwelttechnik funktionieren. Dabei ist ersichtlich, dass Vor-Ort Prüfungen nur ein Sicherheitsbaustein sind. Auf der anderen Seite ist es erforderlich, dass gerade die Anlagenemissionen durch Sensoren ständig überwacht und im Leitstand registriert bzw. angezeigt und ggfs. Alarme oder Abschaltungen ausgelöst werden. Ebenso kann durch Inspektionen und Funktionskontrollen nicht in die Maschinen hineingesehen werden. Es kann passieren, dass trotz einer Inspektion ein plötzliches Bauteilversagen eintritt, welches zu einem Anlagenstillstand führt. Um dieses zu vermeiden, wird eine Zustandsüberwachung von Aggregaten und Bauteilen vorgenommen.

In den letzten Jahren haben sich verschiedene wirkungsvolle Methoden zur Zustandsüberwachung in Zementwerken etabliert. Die wichtigsten Verfahren des Condition Monitoring sind [29]:

– Ofenscan-Verfahren

– Schwingungsmessungen

– Abriebuntersuchungen usw.

Mit der zustandsorientierten Instandhaltung gelingt es, immer komplexere Maschinen und Anlagen mit immer weniger Personal zuverlässig zu betreiben und die Themen Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Verfügbarkeit in Einklang zu bringen [28]. Eines der am längsten genutzten Verfahren in der Zementindustrie sind computerunterstützte Thermographien des Drehrohrofens. Allein von FLSmidth wurden bisher über 650 Systeme ausgeliefert und kontinuierlich verbessert. Bei den neuesten Verfahren, wie sie von einer ganzen Reihe von Ofenlieferanten und Spezialisten angeboten werden, verwendet man Infrarot-Sensoren, die die gesamte Ofenlänge scannen und dreidimensionale Bilder und Auswertungen (Bild 22) liefern, um daraus Rückschlüsse für die optimale Erneuerung von Ausmauerungen oder die thermische Belastung von Lager- und Antriebseinrichtungen zu gewinnen [30]. Allerdings ist wegen einer fehlenden Zugänglichkeit die unmittelbare Messung des Wärme- und Verschleißverhaltens an Bauteilen selten gegeben. Häufig ist es aber möglich, Bauteilschädigungen an einer Zunahme oder Veränderung der mechanischen Schwingungen oder beispielsweise durch Partikelgrößenveränderungen im Schmieröl zu erkennen. Schwingungsmessungen zur Maschinenüberwachung haben sich insbesondere bei Gebläsen und Systemventilatoren, Großmotoren und Großgetrieben bewährt. In der Regel erfolgt dabei die Überwachung der Lagerschwingungen mittels Schwinggeschwindigkeits- und Beschleunigungsaufnehmern. Bild 23 zeigt die Zustandsüberwachung eines Mühlengetriebes bei Lafarge in Dunbar. Durch die Schwingungsmessung mit einer computergestützten Analyse des Frequenzspektrums konnte ein Lagerschaden lokalisiert und das defekte Lager während eines geplanten Anlagenstillstandes ausgetauscht werden.

Mit Partikelgrößenverteilungszählern werden metallische Verunreinigungen bei Schmierölkreisläufen erfasst, um Lager- oder Getriebeschäden frühzeitig zu erkennen. Andere Anwendungen betreffen Ausrichtkontrollen für Antriebe (Bild 24) oder den Drehrohrofen [31, 32]. Aus den Zustandsmessungen werden computergestützt Zustandsdiagnosen für Bauteile abgeleitet. Die Datenerfassung selbst kann Online oder durch zyklische manuelle Messungen erfolgen und einem Datensammler zugeführt werden. Von den Anbietern für Prozessleittechnik werden inzwischen Condition-Monitoring-Systeme (CMS) und Telediagnosemöglichkeiten angeboten, die den Anlagenbetrieb weitgehend vollautomatisch überwachen und automatische Warnungen, Alarmierungen oder Abschaltungen auslösen. Bevor solche Systeme eingesetzt werden, bietet es sich an, Fehlerursachenanalysen (RCFA) und Fehlermöglichkeiten-Einflussanalysen (FMEA) durchzuführen, um Schwachstellen für einen störungsfreien Anlagenbetrieb herauszufinden.

4 Industrielle Lösungen und Ausblick

Mit Modernisierungs- und Instandhaltungskonzepten beschäftigt sich eine Vielzahl von Unternehmen. Auf der einen Seite sind es die Zementproduzenten, denen es darum geht, die Zuverlässigkeit ihrer Anlagen zu erhöhen und eine maximale Verfügbarkeit der Maschinen zu erreichen. Daneben gibt es die Maschinen- und Anlagenlieferanten, die ebenfalls die Zuverlässigkeit ihrer Technologie im Blickfeld haben. Darüber hinaus existieren zahlreiche Serviceanbieter. Verfahrenstechnische Untersuchungen bzw. Audits (Bild 25) sind Basis für Effizienzbetrachtungen von Gesamt- und Teilprozessen in einem Zementwerk und möglichen Werksmodernisierungen bzw. der Behebung von Schwachstellen. Auch für den gesamten Bereich der Instandhaltung werden von Maschinenlieferanten und Serviceanbietern Audits angeboten, um die Instandhaltungsplanung zu verbessern oder um eine Ist-Analyse des Maschinenzustandes zu ermitteln. Von der Aumund-Gruppe wird beispielsweise schon seit längerer Zeit der PREMAS-Service (PREMAS = Preventive Maintenance Services) geliefert. Dabei werden in erster Linie Anlageninspektionen (Bild 26) vorgenommen, die mit einem Sachstandsbericht und Vorschlägen zur Situationsverbesserung abschließen. Derartige Services werden gut von den Zementkunden angenommen. Wartungskosten werden reduziert und Maschinenlaufzeiten deutlich verlängert. Ein anderes Thema betrifft das Management von geplanten Anlagenstillständen [33]. Dabei geht es darum, nicht nur den Anlagenstillstand zu planen und geeignetes Fremdpersonal einzubinden, sondern gleichzeitig Prozessverbesserungen vorzunehmen. Dass hier noch ein breites Servicefeld existiert, zeigt auch der Trend
zur Auslagerung der Verantwortung für den Anlagenbetrieb und von Wartung- und Instandhaltungsleistungen. Die ­
Marktführer FLSmidth und Polysius verfügen dazu jeweils über mehrere Servicecenter (Bild 27) auf verschiedenen Kontinenten.