Moderne Zementherstellungs­verfahren mit Schreibkreide

1 Schreibkreide als Zementrohstoff

Bei herkömmlichen Karbonatgesteinen (Kalkstein, Mergel) werden Fragen der Gewinnung und Aufbereitung nur am Rande betrachtet. Für die Mehrzahl dieser weitverbreiteten Zementrohstoffe gibt es mittlerweile bewährte Standardmethoden, aus denen ohne weiteres ein brauchbares Gewinnungs- und Aufbereitungskonzept zusammengestellt werden kann. Die Schreibkreide erfordert dagegen eine an den Besonderheiten dieses Materials und dem vorliegenden Vorkommen orientierte Herangehensweise bei der Verfahrensauswahl. Viele anderswo funktionierende Methoden und Maschinen zur Gewinnung, zum Transport und zur Lagerung versagen bei diesem feuchten, weichen und klebrigen Karbonatgestein. Es müssen spezielle Lösungen zur Anwendung kommen.

Schreibkreide ist ein weicher (<  5  MPa), hochdisperser
(D50  <  5  µm) und feuchter (15 – 30  %   H₂O) Kalkstein. Sie besteht zum großen Teil aus fossilen, mikroskopisch kleinen Calcitplättchen (Coccolithen), die nur unter einem REM erkennbar sind (Bild 1). Das lockere Gefüge ist die Folge einer unvollständigen Diagenese. In bestimmten Horizonten können Flinteinschlüsse auftreten. Pyritknollen und Makrofossilien (Belemniten, Seeigel u.a.m.) zählen zu weiteren Begleitern der Schreibkreide.

Beim Trocknen geht die grubenfeuchte Schreibkreide in ein Schüttgut mit hoher spezifischer Oberfläche (~  10 000 cm²/g) über. Bei mechanischer Beanspruchung beginnt grubenfeuchte Schreibkreide zu verklumpen. Das nicht kapillar gehaltene Wasser steigt an die Oberfläche, benetzt diese und erzeugt damit eine gewisse Klebrigkeit. Bei Druck und Wasserzutritt geht grubenfeuchte Schreibkreide in Schlamm über. Der CaCO₃-Gehalt liegt gewöhnlich zwischen 85 und 99  %, innerhalb eines Vorkommens liegt die Schwankungsbreite in der Regel bei 5-8  %. Die Karbonatreinheit hat großen Einfluss auf das rheologische Verhalten des Filterkuchens, der bei einigen Verfahren als Ofenaufgabegut dient. Der Weißgrad und die hohe spezifische Oberfläche machen aus weißer Schreibkreide einen wertvollen Füllstoff für viele Anwendungen (z.  B. Papierindustrie). 

2 Kompaktofensystem

„Der Übergang vom Nass- und Halbnassverfahren zum ­Trocken- und Halbtrockenverfahren mit all seinen energetischen und betrieblichen Vorteilen hat bis heute eine große Bedeutung für viele Zementwerke weltweit“. Diese Aussage von Palle Grydgaard [1] ist ohne Zweifel richtig und gilt für
die Mehrzahl der Zementwerke weltweit. Aber keine Regel ohne Ausnahme. „Wenn das Rohmaterial selbst sehr fein
und feucht ist, wie z.B. Schreibkreide, oder wenn der Chlorid­gehalt ein ­zulässiges Maß überschreitet, so hat die Nassauf­bereitung bis heute ihre Daseinsberechtigung“. Für solche feuchten Roh­materialien führte bereits in den 1980er Jahren die Firma FLSmidth das sogenannte „Kompaktofensystem“ ein (Bild 2).

Dieses Verfahren bewährte sich schnell, bald folgten andere Anlagenhersteller (Polysius, KHD) mit verschiedenen Modifikationen. Die Abwärme des Ofensystems wird als Wärmequelle für die Rohstofftrocknung genutzt. Um über ausreichend Trocknungswärme nach dem Zyklonwärmetauscher (8) zu verfügen, muss seine Effektivität eingeschränkt werden, indem die Zahl der Zyklonstufen reduziert wird. Die dadurch ausreichend heißen Ofenabgase werden nach Austritt aus der obersten Zyklonstufe (8) zur Schlägermühle (5) geleitet, wo sie das dort aufgegebene feuchte Rohmaterial (6) mit sich in den Steigrohrtrockner (4) reißen. Dabei erfolgt eine vollständige Trocknung des feuchten Rohmaterials. In Abscheidezyklonen (3) wird das dann getrocknete Rohmaterial aus dem Gasstrom abgeschieden (7) und dem Zyklonvorwärmer (8) aufgegeben. Den Calcinator (9), Drehrohrofen (10) und Kühler (11) durchlaufend entsteht Portlandzementklinker (12). Die Abgase gelangen zum Filter (2). Über ein Abgasgebläse (1) wird der notwendige Systemzug erzeugt. Die Schlägermühle (5) mit angeschlossenem Steigrohrtrockner (4) arbeitet im ständigen Verbundbetrieb mit dem Ofen. In der Schlägermühle (5) wird nicht gemahlen. Dort wird vielmehr das feuchte Aufgabegut über den gesamten Querschnitt des durchziehenden Trockengasstroms verteilt. Daher muss das aufgegebene Rohmaterial bereits eine ausreichende Feinheit besitzen.

In Bild 3 ist der Zusammenhang zwischen Rohmaterialfeuchte und spezifischem Wärmeverbrauch für Kompaktofensysteme mit Kalzinatoren dargestellt. Je höher die Aufgabefeuchte, desto mehr Trocknungswärme wird benötigt, umso weniger Zyklonstufen dürfen installiert sein. Bei über 25  % Feuchte (Schlamm) kann nur ein Zweistufenvorwärmer eingesetzt werden, im Bereich 18–23  % Feuchte entsprechend ein Dreistufenvorwärmer, und bei 10 –18  % gibt sogar noch ein Vierstufenvorwärmer genügend Trocknungswärme ab.

Das Trocknungssystem Schlägermühle/Steigrohrtrockner verfügt über eine Reihe bemerkenswerter Eigenschaften. Es wirkt nicht nur als Trockner, sondern kann auch Rohstoffgemische homogenisieren und Gas waschen (Scrubber). Steigrohrtrockner sind mit und ohne eingebauten Sichtern (statische bzw. dynamische) im Einsatz.

3 Verfahren für kreidebasierte Klinkerherstellung

Gegenwärtig sind sieben verschiedene Verfahren zur Portlandklinkerherstellung bekannt (Bild 4), fünf davon sind im Einsatz (A-E) im Nass-, Halbnass- bzw. Halbtrockenverfahren [2]. Ende 2010 soll bei Mordov-Zement in Russland eine Ofenlinie im Trockenverfahren F in Betrieb gehen (Mordov-3). In Lägerdorf wurde eine Projektstudie für ein Halbnaßverfahren G erstellt. Das klassische Nassverfahren A und das LEPOL^©-Verfahren B werden nicht weiter betrachtet. Die Verfahren C bis G dagegen werden ausführlich mit ihren Vor- und Nachteilen vorgestellt und bewertet.

Der erste Kompaktofen wurde 1982 durch FLS im heute bereits stillgelegten Werk Southam (UK) gebaut. Es folgten Anfang der 1990er Jahre Aalborg (DK) und etwas später Rugby (UK). Beide Werke produzieren seither erfolgreich mit diesen Anlagen. Die Standorte Aalborg und Rugby besitzen eine lange Geschichte, beide wenden bis heute die Nassaufbereitung der Schreibkreide an. Welche Gründe gab es, abweichend vom allgemeinen Industrietrend nicht auf ein Trockenverfahren umzustellen?

Fast das gesamte Schreibkreidevorkommen in Aalborg liegt im natürlichen Grundwasserkörper. Außerdem sollten die bestehenden Nassöfen für Weißzement weiterbetrieben werden. Rugby erhält seine Kreide aus der 95 km entfernten Grube Kensworth. Die hydraulische Förderung erwies sich als die wirtschaftlichste Variante für den Transport von Schreibkreide aus der Grube Kensworth ins Werk. Die Pipeline läuft seit Mitte der 1960er Jahre ohne größere Probleme und wurde erst kürzlich modernisiert [3].

Zur Trocknung des Zementrohschlamms mit 34-36 % Wasser­gehalt im Steigrohrtrockner werden die Ofenabgase eines Zwei­stufenvorwärmers verwendet. Eine Filtration zur vorherigen mechanischen Entwässerung des Zementrohschlammes wurde nicht in Betracht gezogen, erstens, zur Vermeidung zusätzlicher Investitionen, und zweitens, weil die vergleichsweise chloridarme Schreibkreide keine Chloridauswaschung erfordert.

Nach diesem Verfahren produziert Lägerdorf, Mikhailovka (RUS, Sebriakovsk-Zement) und Mordov-Zement (RUS, Projekt Mordov-2).

Die Einführung der LEPOL^©-Technik, aber letztlich auch der hohe Chlorideintrag in die Schreibkreide (bis zu > 0,3 g Cl^-/kg TS Kreide) durch eindringende Grubenwässer zwangen die Lägerdorfer bereits in den 1960er Jahren zur Filtration. Wegen dieser hydraulischen Besonderheit der Lägerdorfer Kreidegruben wurde bei Errichtung der neuen Ofenlinie 11 im Jahre 1995 die bereits vorhandenen Filtration (Bild 5) beibehalten. Beim Schlämmen mit chloridarmen Wasser (<  200 mg Cl^-/l) und nachfolgendem Filtrieren werden Salzauswaschraten von über 60  % [4] aus der Schreibkreide erreicht. Der vergleichsweise niedrige spezifische Wärmeverbrauch von D ist eigentlich nur ein angenehmer Nebeneffekt. Aus verfahrenstechnischer Sicht entschied die Grubensituation über das Aufbereitungskonzept.

Schwierigkeiten und fehlende Erfahrung beim Betrieb der Kammerfiltration führten vor kurzem zu Modifikationen im Verfahren bei Sebriakovsk-Zement. So wird heute ein Teil des Rohmaterials als Schlamm (etwa 15  % bezogen auf TS) in den Steigrohrtrockner eingedüst, der andere Teil wird weiterhin als Filterkuchen aufgegeben. Somit kann man dort heute von einer Art Hybrid der Verfahren C und D sprechen.

Dosierprobleme mit Filterkuchen führten in 2008 zu erheblichen Terminverzögerungen im Projekt Mordov-2. Dort spielt der Auswascheffekt der Filtration offensichtlich keine bestimmende Rolle.

Langjährige Erfahrungen zeigen, je höher der Reinheitsgrad (% CaCO₃) der Schreibkreide, umso schwieriger ist der daraus in Kammerfilterpressen erzeugte Filterkuchens zu handhaben. Das hat natürlich negative Auswirkungen auf das Lager- und Transportverhalten. Im Gegensatz zur Schreibkreide aus dem französischen Dannes (85  % CaCO₃), wo ein LEPOL^©-Ofen läuft, hat die Lägerdorfer Kreide einen spürbar höheren Karbonatgehalt (bis 98  %). Das stellt den anspruchsvollsten Einsatzfall für (Kammer-)Filtration und Filterkuchen dar.

In nunmehr über 40 Jahren Betrieb einer Kammerfiltration für kreidebasierte Zementrohschlämme wurde aber in Lägerdorf genügend Erfahrung bei der Erzeugung und im Umgang mit Filterkuchen gesammelt, um einen stabilen Ofenbetrieb zu gewährleisten. Das Vorhandensein einer Filtration gab darüber hinaus die Möglichkeit, einen ungewöhnlichen Weg zur Verwertung von Cl-Bypassstäuben zu beschreiten. Gegenwärtig werden etwa 50  % des täglich anfallenden Bypassstaubes als Kalkmilchersatz zur Konditionierung des Filterkuchens verwendet. Gegenwärtig laufen Aktivitäten zur Einrichtung einer speziellen Filtration zum Waschen des verbleibenden Bypassstaubes und dessen Rückführung in den Prozess.

Dieses Verfahren erfreut sich derzeit großer Popularität. Es wurde erstmals in Chelm (PL) durch FLS erprobt und unterscheidet sich von allen anderen Verfahren durch das Fehlen einer Kreideschlammerzeugung.

In der Kreidegrube von Chelm lösen Löffelbagger die Schreibkreide in großen Brocken aus der Wand, Züge transportieren diese Stückkreide aus der Grube zur Rohstoffaufbereitung. Nach dem Entladen der Waggons durchläuft die Schreibkreide zwei überdachte Brecherstationen, wo die Kreide auf Stücke mit max. 50 mm Kantenlänge zerkleinert wird. Diese gebrochene Kreide gelangt in ein großes, ebenfalls überdachtes Längslager (Bild 6). Die eingelagerte Kreide wird mittel Bedeschi-Reclaimern (Bild 7) ausgelagert und einem Gurtförderer aufgegeben. Über Dosierboxen gelangt die Schreibkreide gemeinsam mit zusätzlichen Mergelkomponenten gemäß Rezeptur direkt in den Steigrohrtrockner. Zunächst erscheint dieses Verfahren konkurrenzlos schlank im Vergleich zu allen anderen Verfahren. Eine genauere Betrachtung relativiert allerdings dieses Bild:

– Die Kreide muss für eine Einlagerung im Haufwerk grob­stückig abgebaut werden. Feinstückige Kreide würde unter freiem Himmel sehr schnell klebrig werden und das Einlagern in Längslager erschweren. Dadurch ist der Einsatz effektiver Abbaukomplexe in der Kreidegrube (z.  B. Schaufelradbagger + Stetigförderer) behindert, da diese feinstückig gewinnen. Befindet sich die Grube zudem nahe am Grundwasser, so ist auch der Eisenbahn- oder LKW-Transport auf der Schreibkreide eine Herausforderung. Zum Aufrechterhalten derartiger Transportsysteme ist eine große Anzahl an Mitarbeitern erforderlich.  

– Bei langanhaltendem Frost ist ein Betrieb in Chelm praktisch unmöglich. Gefrorene Kreidestücke können nicht vollständig im Steigrohtrockner getrocknet werden, da die Ofenabwärme nach der 3. Zyklonstufe nicht zum Auftauen und Trocknen der Schreibkreide reicht.

– Die natürliche Kreidefeuchte schwankt in Abhängigkeit von den Witterungsbedingungen zwischen 21 und 28  %. Das Verfahren E erlaubt nur eine eingeschränkte Kontrolle über die Aufgabefeuchte, was sich ungünstig auf die Trocknungs- und Brennprozesse auswirkt.

– Das „trockene“ Einlagern von Schreibkreide erlaubt keine sichere Fremdkörperausscheidung (Flinte, Makrofossilien, Baggerzähne etc.). Der Rotor der Schlägermühle in Chelm überlebt keine Ofenreise, sondern läuft nur einige Monate. Zum Rotorwechsel muss der Ofen abgestellt werden.

Das auf den ersten Blick überzeugende Verfahren E erfordert eine genaue Betrachtung des Gesamtprozesses, beginnend mit der Kreidegrube. Einige scheinbare Vorteile können sich schnell in ernsthafte Nachteile wenden, wenn man nicht alle Glieder der Produktionskette in die Analyse einbezieht. An dieser Stelle sei auch bemerkt, dass Verfahren E nicht zu den Verfahren mit dem geringsten spezifischen Wärmeverbrauch zählt, obwohl es sich um ein Halbtrockenverfahren handelt.

Verfügt man über genügend nutzbare Abwärme aus anderen Prozessen, so kann diese für eine Trockenaufbereitung von Schreibkreide genutzt werden. Im Projekt Mordov-3 ist geplant, die Kreide und Tonkomponenten in einer Vertikalmühle zu trocknen und zu mahlen. Das getrocknete Rohmehl soll dann einem konventionellen Vorwärmerofen (keinem Kompaktofensystem) mit fünf Zyklonstufen aufgegeben werden (F). Hier wird keine Schlägermühle mit Steigrohrtrockner benötigt. Der spezifische Wärmeverbrauch wird in der Größenordnung von (800 + 3000) kJ/kg Klinker erwartet. Das Verfahren F macht jedoch nur Sinn, wenn ein sicherer Zugang zu externer Abwärme (800 kJ/kg Klinker) besteht. Das Ofensystem ist damit direkt mit diesem Nebenprozess (Abwärmequelle) verbunden.

In Lägerdorf wurde eine Weiterentwicklung des gegenwärtig am Ofen 11 angewendeten Verfahrens D untersucht. Anstelle einer mechanischen Entwässerung von Kreide-Ton- bzw. Kreide-Korrekturstoffschlämmen (42–45  % H₂O) bis auf 19–21 % Restfeuchte auf Kammerfilterpressen soll im neuen Verfahren reiner Kreideschlamm (40  % H₂O) auf Membranfilterpressen auf 13–14  % Restfeuchte entwässert werden. Ausreichend feine Korrekturstoffe und der Kreidefilterkuchen werden dann separat einem Kompaktofensystem aufgegeben. Die geringere Restfeuchte des Filterkuchens erlaubt die Nachrüstung einer vierten Zyklonstufe.

Ein spezifischer Wärmeverbrauch von etwa 3200 kJ/kg Klinker rückt damit in Reichweite. Dieses Verfahren G würde den niedrigsten Wärmeverbrauchswert aller bisher betrachteten Schreibkreide-Verfahren aufweisen.

Eine Besonderheit des Verfahrens besteht darin, dass sich erst im Steigrohrtrockner das endgültige Rohstoffgemisch durch Zusammenführung einzelner Rohstoffströme (Schreibkreide, Flugasche, fein gemahlene Erze und Sand) ausbildet. Bereits heute (D) kommen in Lägerdorf zwei Stoffströme im Steigrohrtrockner zusammen (Filterkuchen = Schreibkreide + Erz + Sand und die Flugasche). Im Verfahren G werden dann mehr als drei Rohstoffströme dem Steigrohrtrockner aufgegeben. Dadurch wird die stoffliche Flexibilität des Brennprozesses erweitert. Ohne vorherige Umstellungen der Schlammrezeptur kann später die Klinkerchemie praktisch beim Brennen verändert werden. Das Umstellen von einer Klinkerqualität auf eine andere (z.  B. zwischen OPC-Klinker und sulfatresistentem Klinker) kann innerhalb kurzer Zeit erfolgen.

Nach diesem Überblick aller zementbasierten Klinkerherstellungsverfahren werden nun die Besonderheiten der Gewinnung und Aufbereitung von Schreibkreide näher betrachtet.

4 Gewinnung und Aufbereitung für Schreibkreide

Zwischen Gewinnung, Transport und Lagerung von Schreikreide einerseits und dem anschließenden Brennprozess andererseits besteht ein enger Zusammenhang. Weiche Schreibkreide lässt sich grundsätzlich mit jeder Baggerart abbauen [5], selbst Fräsen und Scraper kommen bei trockenen Verhältnissen zu Einsatz. Zumeist werden aber Löffelbagger (LB), Schaufelradbagger (SRB) und Eimerkettenbagger (EKB) verwendet. Diese modernen Abbaugeräte unterscheiden sich im Baggergut: LB reißen das Material aus der Wand, die Schreibkreide ist eher grobstückig, SRB und EKB dagegen schneiden feinstückig.

LB bedingen eher einen diskontinuierlichen Abtransport des Baggergutes. Setzt man dennoch eine Kombination LB-Förderband ein (z.  B. Omya-Kreidewerk Rügen), so ist dafür ein zuteilender Kastenbeschicker mit integriertem Brecher erforderlich. Im Gegensatz dazu arbeiten die kontinuierlich gewinnenden SRB und EKB in Kombination mit Stetigförderern [6]. Der Einsatz von SRB in Kombination mit LKW [7] hat sich dagegen nicht durchgesetzt.

Wie bereits erwähnt hat die Stückigkeit der gewonnenen Schreibkreide entscheidenden Einfluss auf die folgende Lagerung. Das Verfahren E beruht auf einer „Trockenlagerung“ von Schreibkreide in Stückform (Bild 8, obere Zeile, rot). Wählt man dieses Verfahren, so ist damit auch die Art des Gewinnungsgerätes vorbestimmt, es muss ein grobstückig abbauender Bagger sein. Nur so kann sichergestellt werden, dass die durch Niederschläge benetzbare Oberfläche der Schreibkreide pro Tonne Fördergut gering gehalten wird. Die weitere Verarbeitung ­(Brechen und Lagern) muss unter Dach erfolgen.

Je feiner die Schreibkreide aus der Grubenwand gelöst wird, umso spezifisch größer ist die benetzbare Oberfläche des Fördergutes, die zu erhöhter Neigung für Verklumpung und Verklebung führt. Der Einsatz von SRB oder EKB würde eine spätere „Trockenlagerung“ von Schreibkreide erschweren. Entsprechende Versuche mit Eimerkettenbaggergut wurden Anfang der 1990er Jahre in Lägerdorf durchgeführt [8]. Das schlammlose Verfahren E erfordert also grobstückig gebrochene Kreide, die mit Eisenbahn oder LKW abtransportiert werden muss.

Wird der Abbau im Schutze einer Wasserhaltung betrieben, treten Transportprobleme auf. Tritt Grundwasser aus Grubensohle oder –wänden aus, ist ein Transport mit Eisenbahn oder LKW  eine Herausforderung für die Unterhaltung der Fördertrassen. In solchen Fällen hat sich  eine Kombination von kontinuierlich gewinnendem SRB bzw. EKB mit Förderbandsystemen (Bild 8, untere beiden Zeilen) bewährt. Eine „Trockenlagerung“ (wie bei E) ist dann allerdings nicht mehr möglich. Beim Verfahren E fehlt zudem Möglichkeit, Fremdkörper aus der Schreibkreide zu entfernen. Das hat negative Auswirkungen auf das Verschleißverhalten des Rotors in der Schlägermühle.

Es wurde bereits auf die komplizierten Lagerstättenverhältnisse in Lägerdorf hingewiesen: Das gesamte Vorkommen liegt im natürlichen Grundwasserkörper, mit aufsteigenden Tiefenwässern erfolgt der Salzeintrag. Die Horizonte sind durchsetzt mit Flintbänken. Allein diese grubenspezifischen Bedingungen ließen für das Ofenkonzept in Lägerdorf keine andere Wahl als die Verfahren D oder G zu (Bild 8, mittlere Zeile).

Wegen besonderer hydrogeologischer Verhältnisse am Limfjord (keine Wasserhaltung möglich) muss der Großteil der Schreibkreide in Aalborg im Unterwasserabbau gewonnen werden (Bild 8, untere Zeile). Dafür standen seinerzeit nur EKB zur Verfügung. Feinstückige Gewinnung und hohe Feuchte im Baggergut schließen eine „Trockenlagerung“ aus, es stehen nur die Verfahren C, D und G zur Auswahl.

Die wirtschaftlichen Vorteile eines hydraulischen Transportes von Schreibkreide über lange Entfernungen gaben im Fall Rugby den Ausschlag bei der Wahl der Nassaufbereitung, obwohl die über dem Grundwasser liegende Kreidegrube auch eine „Trockenlagerung“ zugelassen hätte. Durch wirksame Entwässerung der Trassen ist ein LKW-Transport möglich (Bild 8, obere Zeile, schwarz).

Erfahrungsgemäß sind bei den hochleistungsfähigen Abbaukomplexen mit SRB oder EKB die Förderbänder das schwächste Glied in der Kette. Sie sind nicht ausreichend flexibel beim Abbau von Schreibkreide in schwer erreichbaren Grubenbereichen. Die Betriebsaufwendungen für Förderbänder sind relativ hoch, bei Frost treten zusätzliche Probleme auf.

In Lägerdorf wird seit Mitte 2009 in einer Pilotanlage die aus der Grubenwand gelöste Schreibkreide gleich am Abbauort aufgeschlämmt und als Kreideschlamm hydraulisch weitergepumpt. Im Rahmen eines gemeinsamen Projektes zwischen Omya/VKD und Holcim (Deutschland) AG wurde diese mobile Schlämmanlage für 150 t Schreibkreide/h konzipiert und gebaut. Der Abtransport aus der 90 m tiefen Grube erfolgt über eine Pipeline direkt ins anderthalb Kilometer entfernte Kreidewerk (Bild 9). Diese neue Technik bringt eine Reihe wichtiger Vorteile:

– hohe Flexibilität im Baggerbetrieb, im Beispiel Lägerdorf erschließen sich zusätzliche 30 – 40 Mio. t Schreibkreide aus anders nicht erreichbaren Grubenbereichen

– spürbare Senkung der Betriebskosten

– These: besseres Aufbereitungsverhalten bei Frost.

Die These einer besseren Frostverträglichkeit geht auf folgende Überlegung zurück. Ein SRB bekommt nur an den Blockrändern gefrorene Schreibkreide zu fassen. Im Wandvolumen ist sie auch bei tiefen Temperaturen weitgehend frostfrei. Im Brecher des Mobilschlämmers wird das Baggergut unter Wasserzugabe zerbröselt. Dadurch erhöht sich die benetzbare Oberfläche, über die der Wärmeübergang vom Schlämmwasser in gefrorene Anteile intensiviert werden kann. Die Gefahr des Einfrierens beim Weitertransport in einer Pipeline ist im Vergleich zu anderen Transportarten leichter beherrschbar (Isolierung, Begleitheizung, Erdverlegung). Jahrzehntelange Erfahrungen in konventioneller Nassaufbereitung erlauben es vielen russischen Werken, den Betrieb der Schlammtanks im Werk auch bei strengem Frost aufrecht zu erhalten, wenn das Material erst einmal im Werk ist. Die Lücke für die Gewinnung in der Grube ließe sich durch die neue Technik schließen. Erstaunlich, aber ausgerechnet die Nassaufbereitung von Schreibkreide kann die bessere Alternative für den Winterbetrieb darstellen. Für die unter ähnlichen klimatischen Bedingungen erfolgende Ölsandgewinnung in Kanada gibt es ähnliche Ansätze [9].

Für Kreidevorkommen, die sich komplett im Grundwasserkörper befinden, ist eine für Schreibkreide noch nie praktizierte Abbaumethode denkbar, das sogenannte „dredge mining“. Ge­meinsam mit der niederländischen Firma IHC-MTI wurde dazu eine Machbarkeitsstudie durchgeführt [10]. Sie ergab, dass bereits heute in Lägerdorf ein Abbau bis zu einer Tiefe von 25 m unter Seespiegel mit Standardschwimmbaggern möglich wäre. Dieses Unterwasserabbauverfahren fand bereits Eingang in die Planungen für ein künftiges Lägerdorfer Abbaugebiet (Bild 10).

5 Stufenplan für Modernisierungen

Das Kompaktofen-Konzept hat sich in nunmehr fünf Werken als zuverlässig erwiesen, es liegen teilweise über 20 Jahre betriebliche Erfahrung damit vor. Bei neuen Projekten bleibt eigentlich nur die Wahl der Modifikation dieses Konzepts offen. Im Folgenden wird eine aus der Sicht des Autors vernünftige Strategie für Modernisierungsprojekte speziell in Osteuropa vorgestellt, wo in den kommenden Jahren die meisten Projekte für Schreibkreide anstehen.

Vom Vorgehen her ist zunächst zu entscheiden, ob man die Nassaufbereitung der Rohstoffe beibehält (C, D, G), oder von der Kreideschlammherstellung (E, F) abgehen will/kann. Entscheidenden Einfluss auf die Verfahrenswahl hat in erster Linie die Chloridbelastung der Kreide.

Betriebserfahrungen mit LEPOL^©-Öfen in Lägerdorf zeigten, dass bereits bei Chloridgehalten über 0.05  % (bezogen auf TS) der Ofenbetrieb beeinträchtigt wird. In diesem Fall ist man bereits auf die Auswaschfunktion einer Filtration (D oder G) angewiesen. Der hier ebenfalls mögliche Einsatz eines Chlorbypasses würde den künftigen Einsatz von alternativen Brennstoffen am Ofen von vornherein einschränken und ist aus Sicht des Autors weniger zu empfehlen. Durch eine auf die Rohstoffe zugeschnittene Aufbereitungstechnik sollte das Chloridfenster für den zukünftigen Einsatz von alternativen Roh- und Brennstoffen so weit wie möglich offen gehalten werden.

Welche weiteren Gründe kann es geben, für feuchte Schreibkreide – entgegen den allgemeinen Trends – den nassen Aufbereitungsweg und damit die Verfahren C, D, G zu wählen?

1. Eine Beibehaltung der Nassaufbereitung in bereits laufenden Werken wird die Investitionskosten spürbar senken, da man schrittweise saniert/erweitert.

2. Die Nassaufbereitung von Schreibkreide ist im Gegensatz zur Trockenaufbereitung unempfindlicher bezüglich Lagerstättenbesonderheiten (Chloridbelastung, Flintausschleusung) und klimatischen Extremen (Winterbetrieb).

3. Im Grubenbetrieb bietet eine Nassaufbereitung das größte Potential für spätere Optimierungen (technisch und personell).

4. Nur die Nassaufbereitung von Schreibkreide bietet das Potential für die Erreichung eines minimalen spezifischen Wärmeverbrauchs (Verfahren G).

5.  Die verfahrenstechnischen Risiken sind bei den Prozessen C, D und G deutlich geringer, als bei E und F. 

6.  Die Nassaufbereitung von Schreibkreide ermöglicht neben der Rohstoffbereitstellung für die Zementherstellung zusätzlich die Erzeugung vielfältiger, vermarktungsfähiger Kreideprodukte aus einem Aufbereitungsprozess heraus.

Entscheidet man sich für die grundsätzliche Beibehaltung der Nassaufbereitung, so bietet sich folgendes zweistufiges Vorgehen an:

1. Stufe „Wechsel“

– Die gesamte Gewinnung und Aufbereitung wird zunächst nur saniert, aber letztlich erst einmal in der vorhandenen Form beibehalten. Nur im Falle einer Leistungserhöhung stehen Investitionen an.

– Man konzentriert sich auf den Bau eines Kompaktofensystems nach Verfahren C, sieht aber in der baulichen Auslegung die Nachrüstung einer 3. und 4. Zyklonstufe vor (G).

– Dieser erste Schritt ermöglicht bei relativ geringen Investitionen und Risiken die Inbetriebnahme und den Betrieb einer modernen Ofenanlage unter Beibehaltung möglichst vieler, bewährter Prozesse. Am Ende dieser Stufe steht der Übergang zum sicheren Betrieb. Man betreibt einen modernen Kompaktofen mit Nassaufbereitung, der mehrere alte Nassöfen ablöst.

– Ist das Schreibkreidevorkommen chloridbelastet (d. h. im Mit­tel
über 0,05  % bez. a. TS), so muss bereits in der 1.Stufe „Wechsel“ ein Chlorbypass in Erwägung gezogen werden. Er dient zunächst als Ventil für die Chlorfracht aus dem Rohstoff.

2. Stufe „Optimieren“

– Steht eine weitere Senkung der Betriebskosten (z.  B. Personalkosten im Grubenbereich) an, so können wirksame Optimierungen in Gewinnung und Aufbereitung erfolgen.

– Soll der spezifische Wärmeverbrauch für die Klinkerherstellung auf ein rohstoffmögliches Minimum gesenkt werden, so besteht die Möglichkeit des Übergangs zu Verfahren G. Dabei kann bereits lange im Vorfeld der verfahrenstechnisch anspruchsvollste Teilprozess Membranfiltration z.  B. für Kreideprodukte getestet und eingespielt werden.          

– Verfügt man bereits aus der 1.Stufe „Wechsel“ über einen Chlorbypass, so kann man nun mit seiner Hilfe Chlorfrachten aus alternativen Roh- und Brennstoffen verarbeiten.

Aus Sicht des Autors bietet ein Übergang zum Trockenverfahren keine verfahrenstechnischen Vorteile. Im Vergleich zum gestuften Nassverfahren birgt eine Trockenaufbereitung des nassen Rohstoffs Schreibkreide  höhere Betriebsrisiken und bietet weniger Entwicklungsmöglichkeiten. Zum Abschluss sind noch einige Bemerkungen zur Terminologie der Klinkerherstellungsverfahren erforderlich.

6 Zur Terminologie der Nass- bzw. Trockenprozesse

Die vier Grundverfahren der Zementklinkerherstellung werden üblicherweise über Art und Feuchte des Ofenaufgabegutes definiert (Tabelle 1). Obwohl diese Definition in den meisten Fällen sofort eine Zuordnung ermöglicht, gilt das nicht für alle Verfahren (z.  B. E). Eine brauchbare Definition muss offen sein für Neuentwicklungen, d.h. sie darf sich nicht an vorhandenen, konkreten Techniken orientieren, sondern muss durch Prozesse und Parameter bestimmt sein. Es gilt eigentlich nur zwei Fragen in vorgegebener Reihenfolge zu beantworten (Bild 11). Mühelos lassen sich jetzt A/C als Nass-, B/D/G als Halbnass-, E als Halbtrocken- und F als Trockenverfahren klassifizieren.

In diesem Zusammenhang muss zu den Systemgrenzen zwischen den Unterprozessen Rohmaterialaufbereitung und Klinkerbrennen im Gesamtprozess [11] eine Anmerkung gemacht werden. Zwischen zwei Unterprozessen muss immer ein entkoppelnder Materialspeicher vorliegen. Das kann – wie im Fall des klassischen Nassverfahrens – eine Schlammspeicherbecken oder – wie im Fall des klassischen Trockenverfahrens – ein Rohmehlsilo sein.

Aus diesem Grund muss beim Kompaktofenkonzept der Steigrohrtrockner dem Unterprozess Klinkerbrennen zugeordnet werden; zwischen Steigohrtrockner und Vorwärmer gibt es keinen Materialspeicher. Ein 80 m³-Behälter zwischen Steigrohrtrockner und Vorwärmer in Chelm (Verfahren E) zum Beispiel ist an dieser Stelle nicht als entkoppelnder Materialspeicher, sondern vielmehr als Dosiervorbehälter vor dem pneumatischen Drehdosierschieber anzusehen.Wendet man diese Definition auf die betrachteten Verfahren (A-G) an, so ergibt sich das in Bild 11 dargestellte Schema.

In den Begriffen „Nass-, Halbnass-, Halbtrocken- und Trockenverfahren“ spiegelt sich derEntwicklungsgang der Zementindustrie in den letzten 120 Jahren als Übergang von „Nassaufbereitung“ zur „Trockenaufbereitung“ wider. Bei flüchtiger Betrachtung liegt es daher nahe, die Begriffe „trocken“ bzw. „nass“ mit „neu“ bzw. „alt“ jeweils gleichzusetzen. Hat man jedoch einen feuchten Rohstoff wie Schreibkreide, so sollte man sich von derartigen begrifflichen Vorurteilen befreien.