Die Zementherstellung ist ein energieintensiver Prozess. Neben dem hohen Brennstoffbedarf für das Kalzinieren und Brennen des Zementklinkers, das Temperaturen im Bereich von 1400 °C bis 1450 °C erfordert, wird Elektroenergie für die Aufbereitung der Rohmaterialien, die Klinkerkühlung und die Zementmahlung benötigt. Der Einsatz moderner Technik, wie z.B. Zementdrehrohröfen und Vorwärmer, hat den Prozess der Kalzinierung bis zu einem Punkt optimiert, an dem keine weitere wesentliche Reduktion des Energieverbrauchs durch verfahrenstechnische Maßnahmen zu erwarten ist.1
1 Verbesserung der Energieeffizienz
Seit Jahren werden auch andere Strategien in der Zementindustrie verfolgt, um die Energieeffizienz zu verbessern und den ökologischen Fußabdruck zu reduzieren. Eine Methode ist der Austausch von Primärbrennstoffen, hauptsächlich Steinkohle, durch Ersatzbrennstoffe, wie z.B. Autoreifen, Tiermehl, tierische Fette, vorbehandelter Klärschlamm oder aufbereitete Abfallstoffe aus Industrie und Gewerbe. Die größte Herausforderung sind die unterschiedlichen Brennstoffeigenschaften, wie z.B. Feuchtigkeitsgehalt, Reaktivität und Heizwert. Sie beeinflussen die Flamme und das Temperaturprofil des Drehrohrofens und erfordern kontinuierliches Nachregeln des Brenners, um eine konstante Produktqualität und geringe Schadstoffemission bei unterschiedlichen Brennstoffeinträgen zu erreichen. Dazu benötigt man eine moderne Steueranlage für den Brenner.
Eine weitere Option zur Verbesserung der Energiebilanz und Verringerung des ökologischen Fußabdrucks ist, die Zementproduktion mit einem geringeren Klinkeranteil, da der besonders viel Energie verbraucht. Die eingesetzten Ersatzrohstoffe sind Nebenprodukte aus der Industrie, wie z.B. Schlacken und Flugaschen. Obwohl die Energiebilanz dieser Ersatzstoffe besser ist, können sie nicht in beliebiger Menge zugesetzt werden; sie würden die Qualität des Zements stark beeinträchtigen. Daher sind intelligente Messmethoden und geeignete Ausrüstungen für die Dosierung dieser Ersatzstoffe und die folgenden Homogenisierungsprozesse wichtig.
In den letzten Jahren hat sich die Forschung zunehmend auf den Einsatz von alternativen Bindemitteln mit einem geringeren Bedarf von Kalk und Energie fokussiert. Neben den sogenannten Belitzementen, Geopolymeren und Sulfoaluminatzementen sollte an dieser Stelle auch der Celitzement erwähnt werden, der auf bisher unbekannten Calciumhydrosilikaten basiert. Die Zukunft wird zeigen, welche Methoden zu einer nachhaltigen Verbesserung der Energiebilanz und des ökologischen Fußabdrucks von Zementen führen werden.
2 Erfolgsfaktor – Prozessstabilität
Neben den kapitalintensiven Maßnahmen, wie z.B. die Installation von Anlagen zur Wärmerückgewinnung und neue Motoren, der Einsatz von Ersatzbrennstoffen oder die Entwicklung neuer Bindemittel, sollte ein Aspekt nicht vergessen werden, dass die Energieoptimierung zur Aufrechterhaltung eines stabilen und störungsfreien Produktionsprozesses benötigt wird. Damit Zementwerke rund um die Uhr Zement produzieren können, müssen alle Teilprozesse vom Brechen des Kalksteins über die Kalzinierung und Brennen des Klinkers bis zur Lagerung des fertigen Zements in Silos einwandfrei funktionieren und perfekt miteinander harmonieren. Moderne Steueranlagen, die für die Erfordernisse der Zementindustrie maßgeschneidert sind, wie z.B. CEMAT, das auf dem Prozesssteuersystem SIMATIC PCS 7 basiert, sorgen dafür, dass perfekte Bedingungen erreicht und aufrechterhalten bleiben. Sie ermöglichen einen optimierten Einsatz der Wärme- und Elektroenergie. Das Verfahren erfordert jedoch gute Felddaten, die mit geeigneten Messverfahren erfasst werden müssen. Die Wahl der idealen Messmethode hat einen entscheidenden Einfluss auf den Gesamtprozess und erfordert industriespezifische Erfahrungen und ein umfangreiches Wissen in Bezug auf die physikalisch-technologischen Herausforderungen. Die folgenden Beispiele zeigen, wie eine Kombination aus Messmethode und geeigneter Ausrüstung die Zementherstellung leistungsfähiger gestalten kann.
3 Füllstandmessung im Brecher
Brecher spielen die wichtigste Rolle in der Aufbereitung der Rohmaterialien. Sie brechen den Kalkstein, der für alle Zementsorten Grundbestandteil ist. Da sie einer der größten Energieverbraucher sind, ist es wichtig, einen optimalen Arbeitsablauf zu garantieren. Obwohl es unterschiedliche Bauarten von Brechern gibt, gilt für alle gemeinsam, dass sie äußerst leistungsfähig arbeiten, wenn bei idealem Füllstand die Steine sich gegenseitig zerkleinern. Ist der Füllstand niedrig, werden die Steine nicht auf die gewünschte Größe gebrochen und müssen noch einmal den Brecher durchlaufen. Das führt bereits hier zu einem doppelten Energieverbrauch. Gleichzeitig werden die mechanischen Teile des Brechers mehr als erforderlich beansprucht, und die Platten bzw. Walzen verschleißen stärker. Wenn andererseits der Füllstand zu hoch ist, muss die Aufgabe unterbrochen werden, und der Prozess kommt zum Stillstand. Eine kontinuierliche Messung ist wesentlich, um im Brecher einen optimalen Füllstand zu halten. Bei den herrschenden Bedingungen ist das eine Herausforderung. Wegen des Staubs, den extremen Vibrationen und den herumfliegenden Gesteinstrümmer können Messausrüstungen mit einer empfindlichen Elektronik im Innern nicht eingesetzt werden. Wo Radar- und Laseranwendungen versagen, sind Füllstandmessgeräte mit Ultraschall optimal, wie z.B. die Ultraschallsensoren Siemens Echomax. Sie sind hermetisch abgedichtet sowie extrem kompakt und senden ihre akustischen Impulse in einem engen Strahl. Für den Betrieb in Brechern sind die Messumformer Echomax XLS geeignet, die mit Reglern vom Typ SITRANS LU zusammen arbeiten, wie z.B. SITRANS LUT400. Der Füllstandsmesser misst genau die Zeit zwischen der Übermittlung eines Impulses und dem Empfang des Echos und berechnet den Abstand zwischen dem Sensor und dem Kalkstein innerhalb von Sekunden. Die Füllstandsüberwachung sorgt für eine optimale Beschickung der Brecher und ein energieeffizientes Zerkleinern des Kalksteins.
4 Gasanalyse im Ofen
Der Drehrohrofen ist das Herz der Klinkerproduktion und der größte Wärmeenergieverbraucher. Eine kontinuierliche, zuverlässige und genaue Analyse der Abgase ist entscheidend für den effizienten Einsatz der Brennstoffe. Sie ist auch unerlässlich für die Überwachung der Klinkerqualität und den Emissionsschutz. Die Konzentration von Sauerstoff, Kohlenmonoxid und Stickoxiden bildet die Grundlage für die Optimierung des Brennerbetriebs, den Einsatz der Brennstoffe und die Produktqualität. Ein stabiler Ofenbetrieb sowie eine effektive Verbrennung bedeuten einen leistungsfähigeren Verbrennungsprozess und einen geringeren Verbrauch von Rohmaterialien. Eine Beprobung der Gase bei Temperaturen von mehr als 1400 °C, hohe Staubbeladung, sowie hohe Konzentrationen von aggressiven Stoffen, wie Alkaliverbindungen, Sulfaten und Chloriden, ist keine leichte Aufgabe. Bei konventionellen, wassergekühlten Rauchgasentnahmesonden führen Kondensationsprozesse zum Verstopfen der Sonden. Siemens hat den Set FLK entwickelt, mit dem die Kosten für die Wartung der Anlage für die Gasentnahme beachtlich reduziert werden. Die Sonde verwendet kein Wasser für die Kühlung. Stattdessen arbeitet sie mit einer Wärmeübertragungsflüssigkeit mit einem Siedepunkt von über 300 °C. Das gestattet eine Gasentnahmetemperatur von mehr als 180 °C, die höher liegt als der Säuretaupunkt des Rauchgases. So wird eine Kondensation des Rauchgases verhindert, und es wird erheblich weniger Kondensat gebildet, was zu geringeren Ausgaben für die Reinigung führt.
Die nachfolgende Gasanalyse gibt Informationen über den Verbrennungsprozess. Diese Daten sind die Basis für den automatischen Brennerbetrieb, der einen optimalen Brennstoffeinsatz durch die Regelung des Primärluftstroms, Divergenz und Flammenrotation, sichert. Das Einsparungspotential ist enorm, denn nur ein Prozent Sauerstoffüberschuss führt bereits zu einem unnötigen Extraverbrauch von ca. 15 kcal pro Kilogramm Klinker.
5 Füllstandsmessung im Klinkerkühler
Um den Füllstand im Klinkerkühler zu bestimmen, wird eine kontaktlose Messung wie beim Brecherfüllstand bevorzugt, da sie viel weniger Wartung erfordert. Ultraschallsensoren kommen hier allerdings, aufgrund der hohen Temperaturen und der extrem staubigen Atmosphäre, nicht zum Einsatz, da die starken Dämpfungseigenschaften vom bewegten Klinker eine zuverlässige Messung verhindert. Daher greifen einige Betriebe auf Manometer zurück, die wenigstens ein paar Informationen zum Klinkerfüllstand und damit zum Druckluftvolumen und zur Durchsatzgeschwindigkeit liefern, die für das Kühlen notwendig sind. Diese Methode berücksichtigt jedoch nicht die schwankende Klinkerdichte, was die Ergebnisse auf den Kopf stellen kann. Um das zu vereiteln, setzen viele Zementwerke Kamerasysteme ein. Der Anlagenfahrer verwendet diese Kamerabilder als Entscheidungsbasis, um die Geschwindigkeit manuell zu regeln, mit der der Klinker durch den Kühler fließt. Das ist eine arbeitsintensive Methode. Die Radartechnik drängt sich daher für den Einsatz eines automatischen Steuerungssystems für den Klinkerkühler auf. Um diese Aufgabe präzise zu lösen, verwendet Siemens, zusätzlich zu den Radargeräten der Füllstandsmessung mit 25 GHz, nun Frequenzen von 78 GHz, was eine noch kleinere Konusantenne und sogar noch genauere Messungen ermöglicht. Der SITRANS LR560, ein Zweidrahtmesswandler mit der FMCW-Technik (frequenzmodulierte kontinuierliche Radarwelle) arbeitet mit dieser Frequenz von 78 GHz. Die kurze Wellenlänge ermöglicht ausgezeichnete Reflexe, sogar bei Schüttgütern mit einem steilen Schüttkegel. Auch wenn das nicht wesentlich für die Füllstandsmessung im Klinkerkühler ist, so eignet sich das Gerät doch auch für eine kontinuierliche Füllstandsmessung in den Klinker- und Zementsilos.
Die genaue Bestimmung des Klinkerfüllstands im Kühler bildet die Grundlage für die Automatisierung dieses Verfahrensschritts und für den optimalen Einsatz von Druckluft. Außerdem bedeutet ein gleichmäßiger Austrag des Klinkers ohne manuelle Eingriffe und ohne Unterbrechung auch einen stabilen und damit leistungsfähigen Prozess des Drehrohrofens.
6 Durchflussmessung von Mahlhilfen
In Abhängigkeit vom geforderten Feinheitsgrad, der Korngröße des Aufgabeguts, des Feuchtigkeitsgehalts und anderen Faktoren werden verschiedene Mahlmethoden im letzten Schritt der Zementherstellung eingesetzt oder kombiniert. Die Zugabe von Mahlhilfsmitteln ist Standardpraxis und birgt etliche Vorteile. Mahlhilfsmittel erhöhen den Durchsatz, verbessern die Energieeffizienz oder beeinflussen die Qualität des Zements. Das wird durch die spezifischen physikalischen Eigenschaften der Mahlhilfsmittel erreicht, von denen die meisten flüssig sind. Sie wirken der Aggregation von Zementpartikeln entgegen, indem sie die elektrischen Oberflächenladungen neutralisieren und damit verhindern, dass sich zum Beispiel Zement in der Mühle absetzt. Die Mahlhilfsmittel werden in Mengen von 0,01 und 0,2 M.-% hinzugefügt und müssen genau dosiert werden. Da viele Mahlhilfsmittel (z.B. Glykol oder Glucosesirup) nichtleitend sind, können für diese Aufgabe keine konventionellen magnetinduktive Durchflussmesser eingesetzt werden. Daher verwendet Siemens Durchflussmesser, wie z.B. den SITRANS FC430, dessen Funktion auf dem Coriolis-Prinzip basiert und das über einen weiten Messbereich eine konkurrenzlose Genauigkeit von 0,1% der Durchflussmenge bietet. Der SITRANS FC430 ermöglicht eine genaue Dosierung mit hoher Verfügbarkeit. Da die Geräte keine beweglichen Teile besitzen, sind sie nahezu wartungsfrei. Die genaue Dosierung der Mahlhilfsmittel ermöglicht einen sparsamen Einsatz, was auch für die Qualität des Produkts entscheidend ist.
Der Einsatz von zuverlässigen und genauen Prozessinstrumenten für die Füllstands- und Durchflussmessung sowie maßgeschneiderte Lösungen für die Gasanalyse in der Zementindustrie machen es möglich, dass auch ohne umfangreiche Umbaumaßnahmen ein stabiler und leistungsfähiger Gesamtprozess erreicht wird. Mit mehr als 100 Jahren Praxis und mit Mitarbeitern, die Erfahrungen in der optimalen Anwendung geeigneter Messverfahren mitbringen, trägt Siemens dazu bei, in aller Welt Zementwerke zu optimieren, und das bis ins kleinste Detail.
