ZKG-Handbuch Zementanlagenbau 2012/2013

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1 ZKG-Handbuch Zementanlagenbau 2012/2013 Die international führende Fachzeitschrift für die gesamte Bindemittelindustrie und deren Zulieferer aus dem Maschinen- und Anlagenbau

2 EDITORIAL Dr. Thomas Weiß Editor-in-Chief // Chefredakteur ZKG INTERNATIONAL Innovation und Effizienz sind treibende Kräfte industrieller Weiterentwicklung, in der Vergangenheit und heute. Besonders in Zeiten des Klimawandels und steigender Energiepreise ist die Industrie gut beraten, die Produktion moderner, effizienter und nachhaltiger zu gestalten. Das ZKG Handbuch Zementanlagenbau gibt Ihnen einen Einblick, welche Schlüsselthemen dabei relevant sind, welche Grundfertigkeiten aus Studium und Ausbildung in Lösungsansätze einfließen können und welche Bandbreite an Kompetenzen die Zementindustrie fordert. Zement ist ein Massengut mit einer weltweiten Jahresproduktion über 3,3 Mrd. t. Eng gekoppelt an das Bevölkerungswachstum und den damit verbundenen Ausbau von Infrastruktur werden auch in Zukunft mehr Baustoffe vonnöten sein. Und diese entwickeln sich kontinuierlich zu immer spezielleren, hoch technischen Produkten. Ultra hohe Performance, Multifunktionalität und Umweltverträglichkeit sind dabei aktuelle Themen, sowohl was die Produkte als auch Produktion die angeht. Das ZKG Handbuch Zementanlagenbau soll in die Branche einführen und zeigen, dass die Baustoffindustrie viele spannende und abwechslungsreiche Tätigkeitsfelder bereithält. Im ersten Teil des Handbuchs zeichnen führende Persönlichkeiten aus der Baustoffindustrie und aus Zulieferunternehmen ein lebhaftes Bild der Branche und definieren Anforderungsprofile für eine Tätigkeit im Unternehmen. Doch wie wird eigentlich Zement produziert? In einer Übersicht lesen Sie ab Seite 30 wie die Zementproduktion mit all ihren Facetten funktioniert chronologisch vom Rohmaterial bis hin zum fertigen Produkt. Schließlich haben wir einige Bereiche der Produktion ausgewählt, um exemplarisch Teilkomponenten der Zementproduktion und die damit verbundenen maschinenbauerischen Anforderungen und verfahrenstechnischen Rahmenbedingungen im Detail zu betrachten. Am Ende des Buches sind noch einmal die Profile verschiedener Unternehmen in der Baustoffindustrie zusammengestellt, mit den wichtigsten Eckdaten sowie mit Rahmenbedingungen und Informationen für den Berufseinstieg. Entscheiden Sie selbst, welche Aspekte Sie spannend finden, wo Sie Studieninhalte wiedererkennen oder Anwendungsmöglichkeiten von Fachwissen entdecken. Ich freue mich über eine Resonanz von Ihnen. Wir wünschen Ihnen viel Spaß beim Lesen und viel Erfolg bei Ihrem beruflichen Werdegang! Dr. Thomas Weiß Editor-in-Chief // Chefredakteur 4 ZKG-Handbuch

3 INHALT 04 EDITORIAL VORWORT 08 // HeidelbergCement 10 // Dyckerhoff 12 // Lafarge Seite 50 Flexibler Einsatz von alternativen Brennstoffen im Zementwerk ZEMENTINDUSTRIE 14 // Zahlen und Fakten UNTERNEHMEN // Betätigungsfelder 18 Pfeiffer 19 Aumund 20 Haver & Boecker 22 Loesche 24 Polysius FACHEXKURSION 26 // Leimen HERSTELLUNGSPROZESS 30 // Übersicht 31 // Rohmaterialgewinnung und -aufbereitung 35 // Klinkerherstellung 40 // Zementvermahlung und Sortenherstellung 42 // Zementlagerung, Verpackung und Versand 44 // Automation und Qualitätsüberwachung 49 INSERENTENVERZEICHNIS Seite 78 Numerische Strömungsmechanik an Ventilatoren und Anlagen Seite 94 Bereit für die Zukunft PROZESS // Alternative Brennstoffe 50 KHD Brennkammer Flexibler Einsatz von alternativen Brennstoffen im Zementwerk Dr. Heiko Schürmann, Humboldt Wedag GmbH, Cologne/Germany // Kalzinatoren 62 Optimierung von Kalzinatoren in der Zementindustrie Matthias Mersmann, aixergee Prozessoptimierung, Aachen/Germany Seite 120 Sichere Mahltechnik für große Durchsätze

4 INHALT // Analytik 72 Neues Gas-Probenentnahmesystem mit einzigartigem Sondenaufbau von ABB für Öfen und Kalzinatoren Kontakt: Thomas Weyrauch, ABB, Germany // Ventilatoren 78 Numerische Strömungsmechanik an Ventilatoren und Anlagen Dipl.-Ing. (FH) Roland Magiera, Ventilatorenfabrik Oelde GmbH, Oelde/Germany // Modernisierung 94 Bereit für die Zukunft: Modernisierung der Ofenlage in Rohrdorf Dr.-Ing. Helmut Leibinger 1, Olaf Windmöller 2, Jörg Hammerich 2 1 Südbayerisches Portland Zementwerk Gebrüder Wiesböck & Co. GmbH, Rohrdorf/Germany 2 IKN GmbH, Neustadt/Germany // Fördertechnik 107 Schwierig, aber machbar: Becherwerk- Umbau bei Maerker Harburg // Vermahlung 110 Hocheffiziente Zementherstellung mit POLYCOM und SEPOL PC Maschinen und Anlagenkonzept Dr. Aimo Haack, Dr. Olaf Hagemeier, ThyssenKrupp Polysius AG, Beckum/Germany 120 Die neue PFEIFFER-MVR-Walzenschüsselmühle: Sichere Mahltechnik für große Durchsätze Dr.-Ing. York Reichardt, Manager Process Engineering Department, Gebr. Pfeiffer SE, Kaiserslautern/Germany // Silotechnik 126 Die Vielseitigkeit von Mehrkammer-Zementsilos Dipl.-Ing. Jürgen Bostelmann, IBAU HAMBURG, Hamburg/Germany // Filtration Jahre EMC-Filtertechnologie Alois Hermandinger, General Manager Industrial Minerals Scheuch GmbH, Aurolzmünster/Austria UNTERNEHMENSPORTRAIT 144 // Aumund 145 // Dyckerhoff 146 // FLSmidth Pfister 147 // Haver & Boecker 148 // HeidelbergCement 149 // KHD 150 // Lafarge 151 // Refratechnik 152 // ThyssenKrupp Polysius»As a general rule the most successful man in life is the man who has the best information.«benjamin Disraeli ( ) On you will find technical solutions about: fans for the cement, lime and gypsum industry.

5 HeidelbergCement // VORWORT HeidelbergCement Dynamisches Wachstum und flache Hierarchien HeidelbergCement ist in seiner Unternehmensentwicklung seit der Gründung im Jahr 1873 nie stehen geblieben im Gegenteil. Das Unternehmen hat in den fast 140 Jahren seines Bestehens eine große Dynamik entwickelt. Aus dem einstmals süddeutschen Zementhersteller ist ein im DAX gelisteter, geografisch breit aufgestellter Global Player im Baustoffbereich geworden. Trotz der rasanten Entwicklung ist unser dualer Rohstoff und Produktfokus, der auf den beiden Kernbereichen Zement und Zuschlagstoffe liegt, mehr oder weniger gleich geblieben. Rohstoffe veredeln das ist unser Kerngeschäft. Zusätzlich stellen wir auch Beton und Betonprodukte Andreas Kern sowie Baustoffe und Asphalt her. HeidelbergCement befindet sich in einem interessanten Spannungsbogen: Einerseits produzieren wir lokal eher traditionelle Produkte, gleichzeitig sind wir ein international aufgestelltes Unternehmen, das in wachsenden Zukunftsmärkten aktiv und erfolgreich ist. Sitz der Hauptverwaltung und des zentralen Forschungslabors ist Heidelberg bzw. das in unmittelbarer Nähe liegende Leimen. Unsere Mitarbeiter sind in über 40 Ländern für HeidelbergCement tätig. Durch den Austausch von technischem und wirtschaftlichem know how innerhalb des Konzerns entstehen enorme Synergien und ein starkes wir Gefühl der HeidelbergCement Mitarbeiter auf der ganzen Welt. Natürlich ist auch unsere Unternehmenskultur stark durch das dynamische Wachstum geprägt. Neben Schnelligkeit, Transparenz und Effizienz werden von Management und Mitarbeitern vor allem Umsetzungsstärke und eine große Nähe zum Geschäft verlangt. Das bedeutet in der Praxis aber auch kurze Entscheidungswege und viel Verantwortung für den einzelnen. Die vielfältigen Aufgabenstellungen, die sich durch das schnelle internationale Wachstum und die kontinuierliche Weiterentwicklung ergeben, führen immer wieder zu neuen Herausforderungen und bieten dank flacher Hierarchien interessante Karrieremöglichkeiten, auch im internationalen Umfeld. Bei uns gilt der Grundsatz: Verantwortung tragen heißt auch gestalten wollen. Als Unternehmen mit mehr als Standorten weltweit setzen wir auf All business is local. Zwar werden auf Konzernebene in wichtigen Fragen verbindliche Standards gesetzt, die Umsetzung erfolgt aber lokal in eigener Verantwortlichkeit. Wir lassen dabei niemand allein, sondern legen großen Wert darauf, dass bei uns die Entscheidungswege transparent und nachvollziehbar sind. So ist der einzelne Mitarbeiter vor Ort in den Informationsfluss einbezogen und kann sich zu Recht als Teil eines Ganzen fühlen. Neben einer soliden fachlichen Ausbildung sollten Absolventen eine ausgeprägte analytische Fähigkeit und eben auch ein gewisses Maß an Bodenhaftung und Pragmatismus mitbringen, beides Eigenschaften, die für HeidelbergCement prägend sind. Hohe Sozialkompetenz, Mobilität sowie Offenheit für andere Kulturen und die Bereitschaft, sich in einem internationalen Umfeld zu beweisen, sind weitere wichtige Voraussetzungen, um eine Karriere bei uns zu starten. Zusammengefasst heißt das: Wer gut ausgebildet und mobil ist, Verantwortung übernehmen und etwas bewegen will, der passt zu uns. Andreas Kern, Mitglied des Vorstandes, HeidelbergCement AG Zementanlagenbau 2012/2013 9

6 UNTERNEHMEN // Betätigungsfelder Gebr. Pfeiffer SE Liebe Studierende und Berufsanfänger, nur wenige von Ihnen da bin ich sicher haben vor der Aufnahme des Studiums schon einmal Berührung mit der Grundstoffindustrie gehabt. Auch jetzt werden viele noch keine klare Vorstellung über die Möglichkeiten haben, die sich Ihnen in diesem Industriebereich bieten. Insbesondere der Maschinen- und Anlagenbau ist, so denke ich, für Berufsanfänger eine interessante Option. Deshalb lassen Sie mich Ihnen Gebr. Pfeiffer kurz vorstellen. Die Gebr. Pfeiffer ist ein mittelständisches Unternehmen mit Dr. Robert Schnatz weltweit mehr als 450 Mitarbeitern, das vor allem für die Zementindustrie, aber auch für Kalk-, Gips- und Keramikhersteller, tätig ist. Das vor fast 150 Jahren in Kaiserslautern gegründete Unternehmen liefert hauptsächlich Vertikalmühlen für die Produktion von Zementrohmaterial, Zement und Kohlenstaub. Wir liefern einzelne Maschinen oder errichten auch komplette Mahlanlagen bzw. bauen bestehende nach Kundenwünschen um. Unsere breite Produktpalette für die Bereiche Mahlen, Sichten, Trocknen, Löschen und Kalzinieren wird in unserem Technikum verfahrenstechnisch erprobt, durch die Konstruktion maschinenbaulich entwickelt und konkretisiert sowie in der eigenen Fertigung mit hoher Fertigungstiefe realisiert. Wie liefern und überwachen die Montage und Inbetriebnahme unserer Anlagen und bieten einen kompletten After-Sales-Service. Überhaupt im Maschinen- und Anlagenbau finden Sie als Berufseinsteiger mit Sicherheit einen hochinteressanten Arbeitsplatz mit langfristiger Perspektive. Das Aufgabenspektrum in der Branche ist sehr breit. Es reicht von der verfahrenstechnischen und konstruktiven Entwicklung über den Vertrieb, die Auftragsabwicklung, die Konstruktion bis zur Arbeit auf der Baustelle. Für diese stark unterschiedlichen Bereiche werden natürlich Ingenieure der Fachrichtungen Maschinenbau, Verfahrenstechnik/ Chemie-Ingenieurwesen und Elektrotechnik, aber auch Wirtschaftsingenieure und Kaufleute gebraucht. Schnell können verantwortungsvolle Aufgaben übernommen werden und es besteht ein großer Gestaltungsspielraum. Gebr. Pfeiffer ist überall dort auf der Welt aktiv, wo unsere Produkte nachgefragt werden. Damit ist neben der fachlichen Qualifikation die Bereitschaft notwendig, sich auf andere Menschen und andere Kulturen einzulassen, ohne die eigene Identität aufzugeben. Englisch ist die Hauptverkehrssprache im internationalen Umgang und zumindest gute Kenntnisse sind deshalb auch für Berufseinsteiger unabdingbar. Neben persönlichem Engagement sind Teamfähigkeit, persönliche Flexibilität und die offene Kommunikation sehr wichtig. Nur dann können Sie schnell zum Unternehmenserfolg in unserem dynamischen und anspruchsvollen Geschäft beitragen. Wenn Sie sich durch das Gesagte angesprochen fühlen, dann lassen Sie sich auf den Maschinenund Anlagenbau ein. Ich wünsche Ihnen viel Erfolg bei Ihrem Berufsstart Dr. Robert Schnatz, Technischer Vorstand der Gebr. Pfeiffer SE 18 ZKG-Handbuch

7 Quelle: DEVELOPMENT PARTNER AG Ein Traum ist unerlässlich, wenn man die Zukunft gestalten will. Dyckerhoff ermöglicht die Umsetzung von Visionen. Solides Fachwissen, Enthusiasmus und der stete Wille, Gutes noch besser machen zu wollen, sind unser Antrieb und das Fundament unserer internationalen Erfolgsgeschichte. Wir suchen Menschen, die sich dieser Herausforderung stellen und mit uns innovative Wege gehen wollen. Informationen und Stellenangebote finden Sie auf

8 HERSTELLUNGSPROZESS // Übersicht Der Herstellungsprozess TEXT Dr. Joachim Harder, OneStone Consulting Group GmbH, Buxtehude/Germany Quelle: Holcim Deutschland AG 1 Fließbild eines Zementwerkes 1 Steinbruch, Brecher 2 Mischbetten 3 Zuschlagstoffe 4 Rohmaterialvermahlung 5 Abgas-Konditionierung 6 Prozessfilter 7 Homogenisiersilos 8 Zyklonvorwärmer 9 Ofensystem 10 Calzinator 11 Klinkerkühler 12 Klinkerlager 13 Kohlevermahlung 14 Kunststoffschnitzel 15 Klärschlamm 16 Zementvermahlung 17 Zumahlstoffe 18 Zementmischer 19 Zementsilos 20 Kamin Übersicht Ein modernes Zementwerk produziert 24 h am Tag an über 330 Tagen im Jahr. Lediglich für die jährliche Anlagenrevision ist ein solches Werk nicht in Betrieb. Die Überholung ist nötig, weil die Rohmaterialien, Zwischen- und Endprodukte der Zementherstellung sehr verschleißend sind und deshalb einen Aus tausch einzelner Anlagenkomponenten er for dern. Auf der anderen Seite möchte man Anlagenstopps möglichst vermeiden, weil die Kernkomponente eines Werkes (der Drehrohrofen) auf Temperaturen von über 1000 C auf geheizt wird und häufige An- und Abfahrten mit erheblichen Energieverlusten verbunden sind. Außerdem führen solche Stopps generell zu einer ungleichmäßigeren Anlagenfahrweise, zu Einschränkungen in der Produktqualität und einem Anwachsen der Emissionen. Bild 1 zeigt ein vereinfachtes Fließbild eines modernen Zementwerkes nach dem Trockenverfahren. Üblicherweise unterteilt man den Herstellungsprozess in vier Prozessschritte. Im 30 ZKG-Handbuch

9 Rohmaterialgewinnung und -aufbereitung // HERSTELLUNGSPROZESS ersten Schritt werden die Rohmaterialien gewonnen und aufbereitet. Daran schließt sich die Calzinierung der Rohmaterialen mit der Klinkerproduktion an. Im dritten Schritt wird der Klinker mit anderen Zumahlstoffen zu Zement vermahlen. Der letzte Prozessschritt umfasst die Zementlagerung, Verpackung und den Versand. Damit sind die einzelnen Anforderungen bei der Zementherstellung aber nur bezüglich der Maschinen und Anlagen berücksichtigt. Wichtig ist natürlich auch die Anlagenautomation und Güteüberwachung sowie die Umwelttechnik und Emissionsbegrenzung. Auf ältere Herstellungsmethoden und Prozessalternativen wird hier nicht eingegangen. Im Folgenden werden die dargestellten Prozesse näher vorgestellt: Die Rohmaterialgewinnung und -aufbereitung Die wichtigsten Rohstoffe für die Zementherstellung sind Kalkstein, Ton und Mergel (ein natürliches Gemisch aus Kalkstein und Ton). Sie werden in Steinbrüchen (1) durch Sprengen oder mit schwerem Gerät (Greifbagger, Schaufelradbagger oder sog. Surface-Miner) gewonnen und mit Radladern und großen Muldenkippern oder über Förderbänder zu den Brechanlagen transportiert (Bild 2). Teilweise werden auch mobile Brechanlagen eingesetzt, die dem Abbau im Steinbruch folgen. Das Gestein wird mittels der Brecher auf die Größe von Straßenschotter zerkleinert. Nach dem Brecher wird der sog. Rohschotter zumeist über Förderbänder in das Zementwerk transportiert. Derartige Transporte können über mehrere Kilometer gehen. Zementwerke sind praktisch immer in der Nähe der Rohmaterialvorkommen angesiedelt. Zementanlagenbau 2012/

10 HERSTELLUNGSPROZESS // Rohmaterialgewinnung und -aufbereitung Quelle: Harder 2 Kalksteinabbau für ein Zementwerk In manchen Ländern sind die Rohmateriallagerstätten räumlich sehr konzentriert und weit von den Verbrauchermärkten entfernt. Damit verbundene Probleme werden in einem späteren Kapitel behandelt. Der Rohschotter wird in dem Zementwerk zumeist in Mischbetten (2) eingelagert und dort vergleichmäßigt (Bild 3). Eine derartige Homogenisierung ist immer dann unumgänglich, wenn größere Schwankungen der Rohmaterialbeschaffenheit vorliegen. Heutzutage werden in solchen Fällen Online Messungen der Eingangsmaterialien vorgenommen und die Mischbetten für die Vergleichmäßigung entsprechend dimensioniert und gesteuert. Mit Rund und Längslagern können bereits Vergleichsmäßigungs effekte bis zu 70 % erzielt werden. Der Rohschotter gelangt nach dem Mischbett in die Rohmaterialmühle, wo eine mehlfeine Vermahlung der Ausgangstoffe erfolgt. Über Dosiereinrichtungen werden der Mühle Zuschlagsstoffe (3) wie Quarzsand oder Eisenerz zugegeben, um die gewünschten Rohmaterialbestandteile zu erhalten. Die Aufgabefeuchten der Materialien liegen meist zwischen 3 8 %, teilweise aber auch bei über 20 %. Deshalb ist bei der Vermahlung auch eine Trocknung erforderlich, wozu heiße Abgase aus dem Prozess (5) verwendet werden können. Für die Vermahlung sind Vertikalmühlen (4) (Bild 4)sehr gut geeignet, weil Trocknung, Vermahlung und Klassierung in der Mühle erfolgen. Rohrmühlen sind aufwändiger und benötigen auch einen höheren spezifischen Energiebedarf. Die Produktabscheidung erfolgt in Schlauchfiltern (6). Im Anschluss an die Aufbereitung erfolgt die Lagerung des Rohmehls in Homogenisiersilos. Quelle: Loesche Quelle: Polysius 3 Rundmischbett für Rohmaterial 4 Vertikalmühle (Bau) zur Rohmaterialvermahlung 34 ZKG-Handbuch

11 Are you ready for growth? Mein Job bei HeidelbergCement eignet sich nicht für Unentschlossene. Hier sind individuelle Fähigkeiten genauso wie Teamgeist, Einsatz und Flexibilität gefragt. Und das Beste: Es macht einfach Spaß, Verantwortung zu haben und selbstständig arbeiten zu können. Ich bin Teil eines weltweiten Ganzen und trage Tag für Tag sichtbar zum Erfolg des Unternehmens bei. for better building

12 Moderne Brenntechnik erlaubt es, möglichst flexibel auf die variierenden Brennstoffeigenschaften von Alternativbrennstoffen zu reagieren. TEXT Dr. Heiko Schürmann, Humboldt Wedag GmbH, Cologne/Germany Moderne Brenntechnik in Zementwerken KHD KHD Brennkammer Flexibler Einsatz von alternativen Brennstoffen im Zementwerk Der Einsatz von alternativen Brennstoffen ist in vielen Teilen der Welt eine anerkannte Maßnahme um CO 2 Emissionen aus der Verbrennung von primären Brennstoffen, Kohle, Öl oder Erdgas zu reduzieren. Als alternative oder auch sekundäre Brennstoffe werden brennbare Rückstände aus der industriellen und gewerblichen Produktion, der landwirtschaftlichen Produktion oder sortierte Haushaltsabfälle genannt. Bedingt durch die Vielzahl von möglichen Quellen der alternativen Brennstoffe ist die Varianz in Energieinhalt, Asche, Feuchtigkeit, Partikelgröße, Form, Dichte usw. sehr vielfältig, so dass es keine Patentlösung für den Einsatz im Zementwerk gibt. Gerade im Hinblick auf den Drehrohrofenbrenner ist man auf alternative Brennstoffqualitäten angewiesen, die es erlauben, durch guten Heizwert und Reaktivität eine stabile, heiße Sinterzone zu erhalten und diese möglichst im Flugstrom auszubrennen sind. Die Anforderungen an die alternativen Brennstoffe für den Einsatz im Kalzinator sind geringer im Vergleich zum Drehrohrofenbrenner. Das macht den Kalzinator zur idealen Brennstelle für den Einsatz von alternativen Brennstoffen. Um im Kalzinator möglichst flexibel auf die unterschiedlichsten alternativen Brennstoffe zu reagieren, bietet KHD Humboldt Wedag mit ihrer modularen PYROCLON Kalzinatortechnik die Möglichkeit des Einbaus einer Brennkammer an. Bedingt durch die feuerungs 50 ZKG-Handbuch

13 Alternative Brennstoffe // PROZESS technischen Eigenschaften dieser Brennkammer, die im Folgenden beschrieben werden, lassen sich heizwertärmere und mit weniger Aufwand aufbereitete alternative Brennstoffe sicher und komplett ausbrennen. 1 Kalzinatortechnik 1.1 Entsäuerungsreaktion Moderne Ofensysteme zur Herstellung von Zementklinker sind heutzutage mit einem Kalzinator ausgestattet. Im Kalzinator, der dem Vorwärmer und Drehrohrofen zwischengeschaltet ist und über die Tertiärluftleitung direkt mit heißer Rekuperationsluft vom Klinkerkühler versorgt wird, findet die fast vollständige Entsäuerung des vorgewärmten Ofenmehls statt. Dieser Schritt ist im thermischen Prozess als der energieintensivste zu bezeichnen. Dazu werden dem Kalzinator ca. 55 bis 60 % der Brennstoffenergie zugeführt. Der Drehrohrofen wird thermisch und gasdynamisch entlastet, welches im Endeffekt zu höheren Klinkerproduktionsleistungen bei gleicher Ofengröße führt, verglichen zu Systemen ohne Kalzinator. Im Kalzinator wird eine Vorentsäuerungsrate des Ofenmehls von ca. 90 bis 95 % angestrebt. Das entspricht, abhängig von Rohmaterial und Brennstoff, einem Temperaturfenster von 860 bis 890 C am Austritt des Kalzinators. Höhere Vorentsäuerungsraten sind mit einem starken Anstieg des Temperaturniveaus im Kalzinator verbunden und verursachen dann zunehmend die Bildung von Ansätzen im Kalzinator, im untersten Zyklon und in der Einlaufkammer, die demzufolge zu entsprechenden Betriebsproblemen führen. Ein wichtiges Kriterium zur Auslegung des Kalzinators ist die Gasverweilzeit. Theoretische Berechnungen [1] sowie praktische Erfahrungen zum Entsäuerungsverlauf von Ofenmehlen zeigen, dass bei oben angegebenem Temperaturfenster und der üblichen Feinheit des vorgewärmten Ofenmehls die zu 90 bis 95 % angestrebte Entsäuerung in einem Zeitraum von weniger als 3 s stattfindet. 1.2 Verbrennungsprozess Im Vergleich zur Feuerung im Drehrohrofen findet die Verbrennung im Kalzinator unter komplett anderen Bedingungen statt. Dem Verbrennungsprozess steht in den meisten Kalzinatoren eine geringere Sauerstoffkonzentration, bedingt durch die Vermischung von Tertiärluft mit Ofenabgas, zur Verfügung. Die Zugabe von vorgewärmtem Ofenmehl erfolgt in unmittelbarer Nähe der Brennstoffaufgabe. Die bei der Oxidation der Brennstoffbestandteile frei werdende Energie wird direkt zur Entsäuerung des Mehls umgesetzt, welches in niedrige Feuerraumtemperaturen resultiert. Zusätzlich wirkt das bei der Entsäuerungsreaktion freiwerdende gasförmige CO 2 weiter hemmend auf einen schnellen Brennstoffumsatz. Der Verbrennungsprozess im Kalzinator findet somit unter schwierigsten Bedingungen statt. Der niedrige Sauerstoffpartialdruck und die niedrige Feuerraumtemperatur bedingt durch die hohe Energieaufnahme der Entsäuerungsreaktion wirken sich auf eine kinetische Hemmung der Verbrennungsreaktion aus. Um dem entgegenzuwirken sollte als konstruktive Maßnahme der Kalzinator so gestaltet sein, dass die Verweilzeit mehr als 3 s beträgt. Damit ist die Auslegung hin 1 PYROCLON Kalzinator Baureihe. Von links nach rechts: PYROCLON R, PYROCLON R Low NO x, PYROCLON R CC (Combustion Chamber) Zementanlagenbau 2012/

14 PROZESS // Alternative Brennstoffe 2 PYROBOX, Vorwärmung und Mischung von Kalzinatorbrennstoff mit heißem Mehl sichtlich der Verweilzeit von den Ansprüchen der Entsäuerung entkoppelt und hängt nur noch von der Qualität der dort eingesetzten Brennstoffe ab. Übliche Gasverweilzeiten des Kalzinators liegen heute bei 3 4 s für Braun, Steinkohle, Erdgas und Öl und bei > 5 s für zündschwierige Brennstoffe wie z. B. Anthrazit oder Petrolkoks. Die brennstofftechnischen Eigenschaften, hier am Beispiel von festem Brennstoff, hinsichtlich eines guten Ausbrands unter den Brennbedingungen im Kalzinator beschränken sich dann im Wesentlichen auf seine Reaktivität (Zündung und Koksabbrand) und der Partikelgröße. Die Reaktivität ist außer durch die Trocknung und Zerkleinerung des Brennstoffs nicht beeinflussbar und hängt wesentlich vom Anteil der flüchtigen Bestandteile ab. Je mehr Flüchtige im Brennstoff, desto besser und schneller die Zündung. Die Partikelgröße hängt von der wirtschaftlichen Mahlbarkeit ab. Je feiner die Korngrößenverteilung und je weniger Überkorn, in desto kürzerer Zeit ist der komplette Ausbrand erreicht. Im Gegensatz zu den oben genannten primären Brennstoffen ist die Auswahl an sekundären, alternativen Brennstoffen wesentlich größer und damit steigt auch der Unterschied in den Verbrennungseigenschaften stark an. In den meisten Fällen besitzen alternative Brennstoffe höhere Feuchtigkeiten, bestehen aus gröberen Partikeln und haben einen niedrigeren Energieinhalt, Heizwert. Die Feuchtigkeit sorgt für eine verzögerte Zündung des Brennstoffs und die Partikelgröße wirkt sich auf eine längere Ausbrandzeit aus. Daraus resultierend muss ein Kalzinator geometrisch so gestaltet sein, dass Gasverweilzeiten von > 5,5 s erreicht werden, um Flexibilität hinsichtlich ständig ändernder Brennstoffeigenschaften zu erhalten. Unter den oben beschriebenen Feuerungsbedingungen erreicht man schnell die Grenze, was Qualität und Quantität der im Kalzinator eingesetzten alternativen Brennstoffe anbelangt. Qualität bedeutet hoher Heizwert, geringe Feuchte, geringe Partikelgröße und damit hoher Aufbereitungsgrad mit entsprechenden Kosten und möglichst geringe Chlor und Schwefel Anteile. Die Quantität beschreibt dann die maximal einsetzbare alternative Brennstoffmenge mit der der gesamte Prozess stabil betrieben werden kann. 1.3 KHD PYROCLON Baureihe Die Standardtypen der KHD PYROCLON Baureihe basieren auf In Line Kalzinatoren, bei denen die Tertiärluft mit den Ofenabgasen in einer gemeinsamen Leitung zusammengeführt wird (Bild 1). Je nach Anschluss der Tertiärluftleitung an den Steigschacht, besteht die Möglichkeit über das Verfahren der gestuften Verbrennung NO x, welches sich hauptsächlich in der Ofenflamme gebildet hat, zu reduzieren. Dieser Kalzinatortyp 52 ZKG-Handbuch

15 PROZESS Neben der // ursprüngliche KalzinatorenAufgabe eines Kalzinators, das Rohmehl zu kalzinieren, trat im Laufe der Zeit die Anforderung möglichst hoher Einsatzraten von oftmals grob - stückigem Sekundärbrennstoff immer öfter in den Vordergrund. Dieser Beitrag beschreibt wesentliche Aspekte zur Anlagentechnik und schließt mit einem Beispiel zur CFD-gestützten Optimierung eines Kalzinators zum Einsatz von Reifenschnitzeln. Foto: K. K. Tham TEXT Matthias Mersmann, aixergee Prozessoptimierung, Aachen/Germany Moderne Pyroprozess-Linie mit Inline-Kalzinator und Tertiärluftleitung AIXERGEE PROZESSOPTIMIERUNG Optimierung von Kalzinatoren in der Zementindustrie Innerhalb der Pyroprozesstechnik zur Herstellung von Zement befassten sich die meisten Entwicklungen der letzten Jahre mit dem Kalzinator. Neben dessen ursprüngliche Aufgabe, das Rohmehl zu kalzinieren, trat die Anforderung möglichst hoher Einsatzraten von oftmals grobstückigem Sekundärbrennstoff immer öfter in den Vordergrund. Dies stellt besondere Herausforderungen an die Gestaltung von Kalzinatoren, da ein sicheres Zünden und Ausbrennen des Brennstoffes oftmals Gestaltungsmerkmale erfordert, die im Widerspruch zu den Erfordernissen zur möglichst gleichmäßigen Entsäurung stehen. Zur Lösung der sich dadurch ergebenden Optimierungsaufgabe ist ein detailliertes Prozessverständnis notwendig, welches mit Hilfe von CFD (Computational Fluid Dynamics) Methoden erschlossen werden kann. Darüber hinaus kann mit Hilfe der Simulationsrechnung die Optimierung des Kalzinators preiswert am Computer vorangetrieben werden, ohne mehrmalige Modifikationen der Produktionsanlage durchführen zu müssen. Dieser Beitrag beschreibt wesentliche Aspekte der Zusammenhänge der Aufgabenstellung und schließt mit einem Beispiel zur CFD gestützten Optimierung eines Kalzinators zum Einsatz von Reifenschnitzeln. 62 ZKG-Handbuch

16 Kalzinatoren // PROZESS 1 Entwicklungsstand der Brenntechnik Seit der Einführung der Kalzinatortechnik in den 1960 er Jahren hat sich kein weiterer vergleichbarer Technologiesprung in der Pyroprozesstechnik zur Herstellung von Zement ergeben. Steinbiss gibt in [1] einen guten Überblick über die frühen Entwicklungen der Kalzinatortechnik sowie bereits einen Ausblick auf die Wirtschaftlichkeitsaspekte der Reststoffverbrennung. Neben einigen maschinentechnischen Innovationen im Bereich der Mahltechnik [2 8] hat es im Bereich der Brenntechnik in den letzten Jahren einige Entwicklungen bei der Kalzinator und Klinkerkühlertechnik [9 15] gegeben. Während die neuen Klinkerkühler im Wesentlichen neue mechanische Konzepte propagieren, haben die neuen Kalzinatorentwicklungen oftmals prozessrelevante Änderungen mit sich gebracht bzw. ermöglicht. Dies ist im Wesentlichen dem Umstand geschuldet, dass das Bestreben nach weiter erhöhtem Einsatz von sekundären Brennstoffen neue Ausbrand und Verweilzeit Optionen für den Brennstoff im Kalzinator erforderlich macht. Somit steht der Kalzinator derzeit oftmals im Fokus der verfahrenstechnischen Entwicklungen als anspruchsvolle Prozesseinheit des Pyroprozesses, in der zwei Vorgänge aufeinander abgestimmt werden müssen, nämlich die Brennstoffumsetzung und die Kalzination [16 20]. Seit Einführung der Kalzinatortechnik in den 1960 er Jahren hat sich eine Vielzahl von verfahrenstechnischen Konzepten und konstruktiven Ausführungen entwickelt, die zudem durch Hersteller spezifische Namensgebungen eine verwirrende Lage der verfügbaren Technik erzeugen. Als mögliche Kategorien zur Typisierung bieten sich an:»die Bauform als Rohr Reaktor oder als erweitertes Gefäß»die Prozessführung mit oder ohne Tertiärluft»die Verschaltung in den Pyroprozess als sogenannter Inline Kalzinator im Abgasstrang des Ofens (mit oder ohne vorher eingemischter Tertiärluft) oder als sogenannter Seperateline Kalzinator, dem nur Tertiärluft zugeführt wird»die Art der Luft oder Gasstufung»die Art der Verbrennungsführung und der Eignung für stückige Brennstoffe 2 Der Kalzinationsprozess Die grundsätzliche Aufgabe des Kalzinators, nämlich die Decarbonatisierung des Rohmehls ist allen verschiedenen Typen gemein, jedoch verläuft diese in den unterschiedlichen Kalzinatoren auf verschiedene Weise ab. Die Güte des Kalzinationsprozesses erweist sich in der Gleichmäßigkeit der Entsäurung des Mehls sowie in der damit einhergehenden homogenen Temperaturverteilung im Kalzinator auf möglichst niedrigem Niveau. Die Güte des Prozesses hängt dabei in hohem Maße und verschiedenster Weise von der Strömung der beteiligten Medien ab. Wärmeübergang, Reaktionsumsätze, Stofftransport und Druckverlust sind direkt abhängig davon, wie die Medien strömen, wo und wie sie untereinander vermischt werden und wie Ihr Wärmeaustausch abläuft. Energetisch betrachtet stellt die Verbrennung im Kalzinator eine Wärmequelle dar und die Kalzination eine Wärmesenke. Eine effiziente Prozessführung weist sich prinzipiell dadurch aus, dass sich die Quelle in örtlicher Nähe zur Senke befindet, damit keine Verluste durch Wärmeabstrahlung auftreten, sondern Tertiärluft Mehlschleier Brenner Tertiärluft Mehl 1 Schematische Darstellung einer Brennkammer zur Verbrennung von stückigen und schwer zündbaren Sekundärbrennstoffen Zementanlagenbau 2012/

17 PROZESS ABB entwickelte // Analytik das neue SCK-System (Bild 1) zur Entnahme von heißen Zementrauchgasen mit hoher Staubkonzentration, das eine Gasanalyse selbst bei rauen Umgebungsbedingungen ermöglicht. KONTAKT Thomas Weyrauch, ABB, Germany, TEXT Stefano Cicetti Zementwerk Cimpor ABB 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, O 2, NO (gelegentlich auch SO 2, CO 2 ) 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. 72 ZKG-Handbuch

18 Analytik // PROZESS 2 SCK: Probenentnahme bei Trockenverfahren Anlagenbetreiber müssen beim Trockenverfahren meist die folgenden Messwerte in den hier angegebenen Messbereichen ermitteln können: CO Vol.-% Verbrennungssteuerung NO ppm Thermische Bedingungen/ Klinkerqualität O Vol.-% Verbrennungssteuerung SO Vol.-% Steuerung des Schwefelkreislaufs CO Vol.-% Grad der Kalzinierung Dabei herrschen die folgenden typischen Prozessbedingungen:» Temperatur bei Probenentnahme: C» Hohe Staubkonzentration: bis zu 500 g/m 3» Hoher SO 2 -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: 1 Das SCK-Probenentnahmesystem, bestehend aus der Sondenfahrvorrichtung, der Kühlung und der Steuereinheit sowie dem Analysenschrank ACX Zementanlagenbau 2012/

19 PROZESS // Analytik 2 Sonde 60S: Aufbau der Sondenspitze»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 ermög lichen, 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 74 ZKG-Handbuch

20 UNTERNEHMENSPORTRAIT // AUMUND Unternehmensportrait AUMUND Fördertechnik GmbH Gesellschaft Branche Produkte Standorte AUMUND Fördertechnik GmbH Maschinenbau Förder- und Lagertechnik für Schüttgüter Rheinberg sowie Auslandsgesellschaften und Repräsentanzen weltweit Umsatz Mitarbeiter Deutschland Europa weltweit Praktika Studien- und Abschlussarbeiten Gesuchte Fachrichtungen Einstiegs- und Einsatzmöglichkeiten Erwünschte Zusatzqualifikationen/ Vertiefungsrichtung Einstellung von Bachelor/Master Auslandseinsatz Kontaktadresse Ansprechpartner für Studenten Ansprechpartner für Absolventen ca. 300 Deutschland ca. 400 insgesamt (incl. deutsche Gruppe) Möglich nach individueller Absprache Möglich nach individueller Absprache Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen, Verfahrenstechnik Direkteinstieg, individuelles Trainee-Programm, Praktika, Bachelor-/Master-Arbeiten Verfahrenstechnik, Vertrieb, Konstruktion Bachelor und Master Möglich nach individueller Absprache (auch im Rahmen von Praktika) AUMUND Fördertechnik GmbH Abt. Personal Saalhoffer Str Rheinberg Anna Kaja Anna Kaja Sonstige Informationen Homepage ZKG-Handbuch

21 UNTERNEHMENSPORTRAIT // Lafarge Unternehmensportrait Lafarge Zement Deutschland Muttergesellschaft Branche Produkte Standorte Lafarge Zement GmbH Baustoffherstellung Zement, Beton, Zuschlagsstoffe Karsdorf bei Leipzig (Deutschlandzentrale), Paris (Konzernzentrale), 1600 Standorte weltweit in 64 Ländern, Zementwerke in Deutschland in Karsdorf, Wössingen (bei Karlsruhe) und Sötenich (bei Euskirchen) und Transportbetonwerk in Neufahrn (bei Regensburg) Umsatz Mitarbeiter Deutschland Europa weltweit Praktika Studien- und Abschlussarbeiten Gesuchte Fachrichtungen Einstiegs- und Einsatzmöglichkeiten Erwünschte Zusatzqualifikationen/ Vertiefungsrichtung Einstellung von Bachelor/Master Auslandseinsatz Kontaktadresse Ansprechpartner für Studenten Ansprechpartner für Absolventen Sonstige Informationen Homepage ca. 400 ca Schülerpraktika, studentische Praktika, postgraduale Praktika und Projektarbeit Laufend Verfahrenstechnik, Maschinenbau, Bauingenieurwesen, Rohstoffingenieurwesen, Chemieingenieurwesen, Wirtschaftsingenieurwesen Internationales firmeninternes Traineeprogramm für Ingenieure Gute Englischkenntnisse, Teamfähigkeit, Praxiserfahrung Bachelor und Master Internationales Traineeprogramm für Ingenieure mit zwei Trainingsmodulen im Ausland, Europaweite technische Trainings in unseren Technischen Zentren in Wien und Lyon, Zusammenarbeit mit anderen Werken in Europa Lafarge Zement GmbH, Straße der Einheit 25, Karsdorf/Unstrut Tobias Fritschka, , Tobias Fritschka, , Weitere Extras, die Lafarge für Ingenieure aus dem Bereich Maschinenbau/Verfahrenstechnik anbietet, sind:» Internationale Management Development Programme bei der Lafarge University Paris» Europaweite technische Trainings an den Technischen Zentren in Wien und Lyon» Umfassendes internes Weiterbildungsangebot & E-Learning Portal» Sicherheitsschulungen und Sicherheitstage in den Werken» Mitarbeiteraktienprogramm und vermögenswirksame Leistungen» Betriebliche Altersvorsorge ZKG-Handbuch

22 ZKG Fachexkursionen der direkte Kontakt zu international erfolgreichen Unternehmen! Mit ZKG bieten wir regelmäßig Fachexkursionen mit einer anschließenden Werksbesichtigung vor Ort in einem Zementwerk an. Informieren Sie sich über ein ganz besonderes Fachgebiet des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus. Studenten aus den Fachbereichen Verfahrenstechnik und Maschinenbau lernen mögliche Arbeitgeber von morgen kennen! Es erwarten Sie» technische Fachvorträge und Firmenpräsentationen» Werks- und Steinbruchbesichtigungen» Tipps zu Karrierechancen im Maschinen- und Anlagenbau» Direkte Kontakte zu den Personalleitern Kontakt: Ute Rodermond Tel ISBN ,90