Neues Gas-Probenentnahmesystem mit einzigartigem Sondenaufbau von ABB für Öfen und Kalzinatoren

1 Einleitung

Für einen Anlagenbetreiber ist es von entscheidender Bedeutung, am Gasausgang eines Drehrohrofens für trockene Zementherstellungsverfahren kontinuierlich verschiedene Messwerte wie CO, O₂, NO (gelegentlich auch SO₂, CO₂) zu erfassen, um diverse Prozesse steuern zu können. Dazu zählen z.B. die Minimierung des Brennstoffbedarfs, die Steigerung der Produktion, die Optimierung der Verbrennungsbedingungen in der Primärfeuerung, die Verbesserung der Klinkerqualität oder auch die Reduzierung der Wartungskosten. An diesem Messpunkt wird nicht nur die richtige Technologie für die Gasanalyse benötigt, sondern auch eine geeignetes System zur Probenentnahme. Aufgrund der extremen Prozessbedingungen muss das Probenentnahmesystem robust, sicher und zuverlässig sein, um dem Betreiber genaue und präzise Messergebnisse und eine hohe Datenverfügbarkeit liefern zu können. Zum Entfernen starker Verkrustungen, die an der Sondenspitze auftreten können, wurde eine neuartige Sonde mit einzigartigem Stößel entwickelt.

2 SCK: Probenentnahme bei Trockenverfahren

Anlagenbetreiber müssen beim Trockenverfahren meist die folgenden Messwerte in den hier angegebenen Messbereichen ermitteln können:

­CO 0...1 Vol.-% Verbrennungssteuerung

­NO 0...3000 ppm Thermische Bedingungen / Klinkerqualität

­O₂ 0...10 Vol.-% Verbrennungssteuerung

­SO₂ 0...4 Vol.-% Steuerung des Schwefelkreislaufs

­CO₂ 0...35 Vol.-% Grad der Kalzinierung

Dabei herrschen die folgenden typischen Prozessbedingungen:

­– Temperatur bei Probenentnahme: 900...1300 °C

­– Hohe Staubkonzentration: bis zu 500 g/m³

­– Hoher SO₂-Gehalt und Säurebildung

­– Bildung von harten Verkrustungen ist sehr wahrscheinlich

Die Lösung für eine solche Aufgabe bietet ein vollständig ausgestatteter Analysenschrank in Kombination mit einem Probenentnahmesystem, das aus drei vormontierten und getesteten Funktionseinheiten besteht. Dauer und Kosten für dessen Installation fallen deutlich geringer aus als herkömmliche Entnahmesysteme.

Die drei Funktionseinheiten des SCK-Probenentnahmesystem bestehen aus der Sondenfahrvorrichtung, der Kühleinheit sowie der Steuereinheit und wird auf Wunsch mit dem Gasanalysensystem ACX angeboten. Die robuste Sondenfahrvorrichtung wird pneumatisch angetrieben und ermöglicht eine sichere Probenentnahme durch:

­– eine automatische Ofenklappe, die das Entweichen toxischer Abgase aus dem Ofen verhindert sowie Falschlufteintritt vermeidet;

­– eine regelmäßige automatische und regulierbare Reinigung der Sonde und des Filters;

­– das automatische Herausfahren der Sonde im Falle von Druckluft- oder Stromausfällen sowie weiteren konfigurierbaren Alarmen;

­– spezielle Abdeckungen und eine optimierte Verlegung von Kabeln, beheizten Leitungen und Drähten, die an die Fahrvorrichtung angeschlossen sind.

Die Kühleinheit verfügt über einen geschlossenen Wasserkreislauf mit konfigurierbarem, drehzahlgeregeltem Wärmetauscher. Die Sicherheit für den Bediener ist im Vergleich zu Entnahmesystemen, die Öl verwenden, deutlich höher. Zudem wird auch das Risiko von Umweltschäden vermieden. Kühlwasserdruck, -temperatur und -durchfluss können kontinuierlich überwacht werden.

Die industrielle Steuerungseinheit ist mit einem farbigen Touch Panel ausgestattet, mit dem umfangreiche Betriebs-, Diagnose- und Wartungsaufgaben durchführbar sind. Typische Funktionen sind die Anzeige von Trends und grafischen Darstellungen, die Konfiguration von Warnungen, Grenzwerten und Alarmwerten, ein Logbuch mit Fehlerhistorie sowie Erste-Hilfe-Maßnahmen für den Bediener.

Es gibt unterschiedliche passwortgeschützte Benutzerebenen, die auf die Bedürfnisse der verschiedenen Benutzergruppen in einem Zementwerk zugeschnitten sind. Auch Funktionen, die den Fernzugriff sowie die vorausschauende Wartung ermög­lichen, sind verfügbar. Das Entnahmesystem kann mit zwei verschiedenen wassergekühlten Sonden – der Sonde 60S (Bild 2) und der Sonde H – kombiniert werden.

Die Entnahmeöffnungen der Sonde 60S wurden optimiert, um Verstopfungen und die Verschmutzung des Filters zu minimieren. Sie besitzt zwei seitliche Öffnungen, die in Verbindung mit dem richtigen horizontalen und vertikalen Winkel eine sogenannte „erste Entstaubung“ der Probe bewirken, wodurch das Problem der Filterverstopfung deutlich seltener auftritt.

3 Innovative und einzigartige Gestaltung des Stößels

Die in der Primär- und der Sekundärfeuerung verwendeten Brennstoffe während der Zementherstellung beeinflussen die Prozessbedingungen am Gasausgang des Ofens. Durch die massive Verbrennung von Reifen, Petrolkoks und anderen Brennstoffen können starke Verkrustungen insbesondere an der Sondenspitze entstehen. In einigen Fällen reicht dann das Reinigen des Sondenrohrs und des Sondenfilter nicht mehr aus (Bild 3).

Normalerweise erfordern starke Verkrustungen eine regelmäßige Reinigung der Sonde per Hand (d.h. mehrmals wöchentlich). Dies führt zu:

­– Unterbrechung der Messungen

­– Arbeitsaufwand für Wartungsarbeiten

Eine Lösung für dieses Problem bietet die Sonde H. Ihr Aufbau ist speziell auf dieses Problem abgestimmt, da sie über einen eingebauten Stößel verfügt, der automatisch und auf mechanische Weise extrem harte Verkrustungen an der Sondenspitze zerschlägt.

Hauptvorteil dieses speziellen Aufbaus ist es, dass durch die automatische Bewegung des Stößels die Sondenspitze von Verkrustungen befreit wird, während die Entnahme und kontinuierliche Messung von Gasen ohne Unterbrechung fortgeführt werden kann. Dies bedeutet:

­– keine Entnahme der Sonde

­– kein Datenverlust

­– kein Arbeitsaufwand

Infolgedessen erhöht sich die Rentabilität des Herstellungsprozesses dank der Kombination zweier Faktoren beträchtlich:

­– Mit der Sonde H beträgt die Datenverfügbarkeit über 95 %, wohingegen dieser Wert für eine herkömmliche Sonde bei nur 80-85 % liegt.

­– Der manuelle Arbeitsaufwand wird mit der Sonde H (Bild 4) deutlich reduziert.

Meist amortisiert sich die Sonde H bereits in weniger als 4 Monaten. Eine hohe Datenverfügbarkeit hat zudem eine bessere Prozesssteuerung und einen optimierten Brennstoffverbrauch zur Folge. Auch die Wahrscheinlichkeit ungeplanter Stillstände zum Entfernen von Schwefelringen und Zyklonverstopfungen, die durch eine mangelhafte Verbrennungssteuerung entstehen können, wird durch die höhere Datenverfügbarkeit dank der Sonde H stark reduziert.

4 Fallstudie aus einem Zementwerk in Portugal

Ende 2009 hat das Zementwerk Cimpor Alhandra (Auf­macherbild) in Portugal sein 10 Jahre altes Probenentnahmesystem mit herkömmlicher Sonde gegen ein neues SCK-System mit der Sonde H ausgetauscht. Durch eine Änderung der Brennstoffe für die Primär- und Sekundärfeuerung hatten sich starke Verkrustungen gebildet, die die Wartungskosten deutlich ansteigen ließen. Im Zementwerk Cimpor Alhandra erfolgt die Produktion im Trockenverfahren. Das Werk besitzt einen Zyklonturm mit fünf Stufen und hat eine Kapazität von rund 3000 t/d. Im Vorkalzinator werden Alternativbrennstoffe (meist Reifen), Sekundärbrennstoffe aus Abfall und Petrolkoks mitverbrannt.

Neben den Brennstoffen wird auch Rohmaterial aus einem Zyklon eingesetzt. Der Vorkalzinator ermöglicht es, dass das Rohmaterial am Ofeneinlauf eine Dekarbonisierungsrate von rund 90 % besitzt. Als Verbrennungsluft wird im Vorkalzinator die Tertiärluft aus dem Rostkühler eingesetzt.  Im Hauptbrenner werden Biomasse und Petrolkoks mitverbrannt.

Die verwendeten Rohmaterialien entstammen dem Steinbruch Bom Jesus. Das für den Prozess wesentlichste Element ist der durchschnittliche Schwefelgehalt (wegen möglicher Anhaftungen und Verkrustungen im Zyklonturm und im Drehrohrofen). Im Steinbruch erfolgt daher eine strenge Kontrolle der Rohmaterialien. Zur Minimierung der SO₃-Emissionen wird Ca(OH)₂ in den Zyklonturm eingeblasen. Im Rohmaterial sind durchschnittlich 0,25 % SO₃ enthalten. Aufgrund der neuen Prozessbedingungen, die sich aus der Änderung der verwendeten Brennstoffe ergaben, entschied sich der Kunde für die neue Sonde H in Kombination mit dem Gasentnahmesystem SCK. Im Vergleich zur alten Sonde arbeitet die neue Sonde H viel länger ohne Unterbrechungen.

Der Kunde bestätigt, dass nach der Inbetriebnahme und der Feinjustierung des Systems die Anzahl der für die Wartung der Sonde H aufgewendeten Stunden im Vergleich zu vorherigen herkömmlichen Sonde mit dem alten Entnahme- und Analysesystem auf ein Viertel reduziert wurde. In anderen Worten: Der Wartungsaufwand hat sich um 75 % verringert.

5 Schlussfolgerungen

Für die Gasanalyse am Ausgang eines Drehrohrofens für trockene Zementherstellungsverfahren bietet ABB eine Kombination aus einem kompletten Analysenschrank und einem robusten, sicheren und umweltfreundlichen Probenentnahmesystem, das aus drei vormontierten Elementen besteht: einer Sondenfahrvorrichtung mit zwei unterschiedlichen wassergekühlten Sonden, einer Kühleinheit und einer industriellen Steuereinheit mit Touch Panel. Zur Beseitigung starker Verkrustungen am Messpunkt wurde eine neuartig aufgebaute Sonde mit mechanischem Stößel entwickelt. Dieses Element erhöht die Datenverfügbarkeit und reduziert gleichzeitig den Wartungsaufwand. Damit ermöglicht es dem Anlagenbetreiber eine optimierte Prozesssteuerung und trägt zu einer höheren Effizienz und Rentabilität des Werks bei.