zkg-handbuch zementanlagenbau 2012/2013 · 2018. 1. 11. · matthias mersmann, aixergee...
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Die international führende Fachzeitschrift für die gesamte Bindemittelindustrie und deren Zulieferer aus
dem Maschinen- und Anlagenbau
ZKG-Handbuch Zementanlagenbau 2012/2013
W E C O N V E Y Q U A L I T Y
AUMUND Fördertechnik GmbH • Saalhoffer Str. 17 • 47495 Rheinberg • GermanyTel.: +49-28 43 - 7 20 · Fax: +49-28 43 - 6 02 70 · e-mail: [email protected] · www.aumund.com
Zukunft gestalten – weltweitDie AUMUND Gruppe ist weltweit für anspruchsvolle Lösungen in der Förder- und Lagertechnik bekannt. Wenn höchste Kapazität oder Dauerbelastung, schwie-riges Material oder extreme Einsatzbe-dingungen nach neuen Ideen verlangen, dann blühen unsere Ingenieurinnen und Ingenieure auf.
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EDITORIAL
4 ZKG-Handbuch www.zkg.de
… 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 ZKGHandbuch 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, hochtechnischen Produkten. Ultrahohe Performance, Multifunktionalität und Umweltverträglichkeit sind dabei aktuelle Themen, sowohl was die Produkte als auch Produktion die angeht. Das ZKGHandbuch 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!
Innovation und Effizienz …
Dr. Thomas Weiß
Editor-in-Chief // Chefredakteur ZKG INTERNATIONAL
Dr. Thomas Weiß
Editor-in-Chief // Chefredakteur
INHALT
www.zkg.de
04 EDITORIAL
VORWORT 08 // HeidelbergCement 10 // Dyckerhoff 12 // Lafarge
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 Qualitäts-
überwachung
49 INSERENTENVERZEICHNIS
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 50Flexibler Einsatz von alternativen Brennstoffen im Zementwerk
Seite 78Numerische Strömungsmechanik an Ventilatoren und Anlagen
Seite 94Bereit für die Zukunft
Seite 120Sichere Mahltechnik für große Durchsätze
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 Leibinger1, Olaf Windmöller2,
Jörg Hammerich2
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-Walzen-schüsselmühle: 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 136 10 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
On www.zkg.de/specials you will find technical solutions about: fans for the cement, lime and gypsum industry.
»As a general rule the most successful man in life is the man who has the best information.«Benjamin Disraeli (1804–81)
Zementanlagenbau 2012/2013 9
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 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 53 000 Mitarbeiter sind in über 40 Ländern für HeidelbergCement tätig. Durch den Austausch von technischem und wirtschaftlichem knowhow innerhalb des Konzerns entstehen enorme Synergien und ein starkes „wirGefühl“ 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 2.500 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
Andreas Kern
UNTERNEHMEN // Betätigungsfelder
18 ZKG-Handbuch www.zkg.de
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 weltweit mehr als 450 Mitarbeitern, das vor allem für die Zement-industrie, aber auch für Kalk-, Gips- und Keramikhersteller, tätig ist. Das vor fast 150 Jahren in Kaisers-lautern gegründete Unternehmen liefert hauptsächlich Vertikalmühlen für die Produktion von Zement-rohmaterial, 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 verfahrens-technisch 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 unterschied-lichen 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 Gestal-tungsspielraum.
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 unab-dingbar. Neben persönlichem Engagement sind Teamfähigkeit, persönliche Flexibilität und die offene Kommunikation sehr wichtig. Nur dann können Sie schnell zum Unternehmenserfolg in unserem dyna-mischen und anspruchsvollen Geschäft beitragen.
Wenn Sie sich durch das Gesagte angesprochen fühlen, dann lassen Sie sich auf den Maschinen- und Anlagenbau ein.
Ich wünsche Ihnen viel Erfolg bei Ihrem Berufsstart
Dr. Robert Schnatz, Technischer Vorstand der Gebr. Pfeiffer SE
Dr. Robert Schnatz
Ein Traum ist unerlässlich, wenn man die Zukunft gestalten will.Dyckerhoff ermöglicht die Umsetzung von Visionen.
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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.
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30 ZKG-Handbuch www.zkg.de
HERSTELLUNGSPROZESS // Übersicht
Der Herstellungsprozess
ÜbersichtEin 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 Anlagen-komponenten er for dern. Auf der anderen Seite möchte man Anlagenstopps möglichst vermei-den, 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 Trocken-verfahren. Üblicherweise unterteilt man den Herstellungsprozess in vier Prozessschritte. Im
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
1 Fließbild eines Zementwerkes
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TEXT Dr. Joachim Harder, OneStone Consulting Group GmbH, Buxtehude/Germany
Zementanlagenbau 2012/2013 31
Rohmaterialgewinnung und -aufbereitung // HERSTELLUNGSPROZESS
ersten Schritt werden die Rohmaterialien ge-wonnen und aufbereitet. Daran schließt sich die Calzinierung der Rohmaterialen mit der Klin-kerproduktion an. Im dritten Schritt wird der Klinker mit anderen Zumahlstoff en 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 Ma-schinen und Anlagen berücksichtigt. Wichtig ist natürlich auch die Anlagenautomation und Güteüberwachung sowie die Umwelttechnik und Emissionsbegrenzung. Auf ältere Herstellungs-methoden und Prozessalternativen wird hier nicht eingegangen. Im Folgenden werden die dargestellten Prozesse näher vorgestellt:
Die Rohmaterialgewinnung und -aufbereitung
Die wichtigsten Rohstoff e für die Zementherstel-lung sind Kalkstein, Ton und Mergel (ein natür-liches Gemisch aus Kalkstein und Ton). Sie wer-den in Steinbrüchen (1) durch Sprengen oder mit schwerem Gerät (Greifbagger, Schaufelradbag-ger oder sog. Surface-Miner) gewonnen und mit Radladern und großen Muldenkippern oder über Förderbänder zu den Brechanlagen transportiert (Bild 2). Teilweise werden auch mobile Brechan-
lagen 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 transpor-tiert. Derartige Transporte können über mehrere Kilometer gehen.
Zementwerke sind praktisch immer in der Nähe der Rohmaterialvorkommen angesiedelt.
34 ZKG-Handbuch www.zkg.de
HERSTELLUNGSPROZESS // Rohmaterialgewinnung und -aufbereitung
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 OnlineMessungen 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 erfor
derlich, 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.
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2 Kalksteinabbau für ein Zementwerk
3 Rundmischbett für Rohmaterial 4 Vertikalmühle (Bau) zur Rohmaterialvermahlung
www.heidelbergcement.de
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„Mein Job bei HeidelbergCement eignet sich nicht für Un- entschlossene. 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.“
50 ZKG-Handbuch www.zkg.de
Der Einsatz von alternativen Brennstoffen ist in vielen Teilen der Welt eine anerkannte Maßnahme um CO2 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 Drehrohrofen
brenner 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 PYROCLONKalzinatortechnik die Möglichkeit des Einbaus einer Brennkammer an. Bedingt durch die feuerungs
KHD
KHD Brennkammer – Flexibler Einsatz von alternativen Brennstoffen im Zementwerk
TEXT Dr. Heiko Schürmann, Humboldt Wedag GmbH, Cologne/Germany
Moderne Brenntechnik erlaubt es, möglichst
flexibel auf die variierenden Brennstoffeigenschaften
Moderne Brenntechnik in Zementwerken
von Alternativbrennstoffen zu reagieren.
Alternative Brennstoffe // PROZESS
Zementanlagenbau 2012/2013 51
technischen Eigenschaften dieser Brennkammer, die im Folgenden beschrieben werden, lassen sich heizwertärmere und mit weniger Aufwand aufbereitete alternative Brennstoffe sicher und komplett ausbrennen.
1 Kalzinatortechnik1.1 EntsäuerungsreaktionModerne 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 VerbrennungsprozessIm 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 CO2 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 NOx, PYROCLON R CC (Combustion Chamber)
PROZESS // Alternative Brennstoffe
52 ZKG-Handbuch www.zkg.de
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 Ener
gieinhalt, 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 SchwefelAnteile. Die Quantität beschreibt dann die maximal einsetzbare alternative Brennstoffmenge mit der der gesamte Prozess stabil betrieben werden kann.
1.3 KHD PYROCLON BaureiheDie Standardtypen der KHD PYROCLON Baureihe basieren auf InLine 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 NOx, welches sich hauptsächlich in der Ofenflamme gebildet hat, zu reduzieren. Dieser Kalzinatortyp
2 PYROBOX, Vorwärmung und Mischung von Kalzinatorbrennstoff mit heißem Mehl
PROZESS // Kalzinatoren
62 ZKG-Handbuch www.zkg.de
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 CFDgestützten Optimierung eines Kalzinators zum Einsatz von Reifenschnitzeln.
AIXERGEE PROZESSOPTIMIERUNG
Optimierung von Kalzinatoren in der Zementindustrie
TEXT Matthias Mersmann, aixergee Prozessoptimierung, Aachen/Germany
Neben der ursprüngliche Aufgabe eines Kalzinators, das Rohmehl zu kalzinieren,
trat im Laufe der Zeit die Anforderung möglichst hoher Einsatzraten von oftmals grob -
Moderne Pyroprozess-Linie mit Inline-Kalzinator und Tertiärluftleitung
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.
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Kalzinatoren // PROZESS
Zementanlagenbau 2012/2013 63
1 Entwicklungsstand der BrenntechnikSeit der Einführung der Kalzinatortechnik in den 1960er 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 VerweilzeitOptionen 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 1960er Jahren hat sich eine Vielzahl von verfahrenstechnischen Konzepten und konstruktiven Ausführungen entwickelt, die zudem durch Herstellerspezifische Namensgebungen eine verwirrende Lage der verfügbaren Technik erzeugen. Als mögliche Kategorien zur Typisierung bieten sich an: » die Bauform als RohrReaktor oder als erwei
tertes Gefäß » die Prozessführung mit oder ohne Tertiärluft » die Verschaltung in den Pyroprozess als so
genannter InlineKalzinator im Abgasstrang des Ofens (mit oder ohne vorher eingemischter Tertiärluft) oder als sogenannter SeperatelineKalzinator, dem nur Tertiärluft zugeführt wird
» die Art der Luft oder Gasstufung » die Art der Verbrennungsführung und der Eig
nung für stückige Brennstoffe
2 Der KalzinationsprozessDie 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
1 Schematische Darstellung einer Brennkammer zur Verbrennung von stückigen und schwer zündbaren Sekundärbrennstoffen
Mehl
Brenner
Tertiärluft
Mehlschleier
Tertiärluft
PROZESS // Analytik
72 ZKG-Handbuch www.zkg.de
1 EinleitungFür einen Anlagenbetreiber ist es von entschei-dender Bedeutung, am Gasausgang eines Dreh-rohrofens für trockene Zementherstellungsver-fahren 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 Brenn-stoffbedarfs, die Steigerung der Produktion, die Optimierung der Verbrennungsbedingungen in der Primärfeuerung, die Verbesserung der Klin-kerqualität oder auch die Reduzierung der War-
tungskosten. 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 Probenentnah-mesystem robust, sicher und zuverlässig sein, um dem Betreiber genaue und präzise Messergebnis-se 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.
ABB
Neues Gas-Probenentnahmesystem mit einzigartigem Sondenaufbau von ABB für Öfen und Kalzinatoren
KONTAKT Thomas Weyrauch, ABB, Germany, TEXT Stefano Cicetti
ABB entwickelte das neue SCK-System (Bild 1) zur Entnahme von heißen
Zementrauchgasen mit hoher Staubkonzentration, das eine Gasanalyse selbst
Zementwerk Cimpor
bei rauen Umgebungsbedingungen ermöglicht.
Analytik // PROZESS
Zementanlagenbau 2012/2013 73
1 Das SCK-Probenentnahmesystem, bestehend aus der Sondenfahrvorrichtung, der Kühlung und der Steuer-einheit sowie dem Analysenschrank ACX
2 SCK: Probenentnahme bei TrockenverfahrenAnlagenbetreiber müssen beim Trockenverfah-ren 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 Schwefel-
kreislaufs CO2 0...35 Vol.-% Grad der Kalzinierung
Dabei herrschen die folgenden typischen Pro-zessbedingungen: » 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 Probenentnahmesys-tem, 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-Probe-nentnahmesystem bestehen aus der Sonden-fahrvorrichtung, der Kühleinheit sowie der Steuereinheit und wird auf Wunsch mit dem Gasanalysensystem ACX angeboten. Die robuste Sondenfahrvorrichtung wird pneumatisch ange-trieben und ermöglicht eine sichere Probenent-nahme durch:
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» eine automatische Ofenklappe, die das Ent-weichen toxischer Abgase aus dem Ofen ver-hindert sowie Falschlufteintritt vermeidet;
» eine regelmäßige automatische und regulier-bare Reinigung der Sonde und des Filters;
» das automatische Herausfahren der Sonde im Falle von Druckluft- oder Stromausfällen so-wie weiteren konfigurierbaren Alarmen;
» spezielle Abdeckungen und eine optimierte Verlegung von Kabeln, beheizten Leitungen und Drähten, die an die Fahrvorrichtung an-geschlossen sind.
Die Kühleinheit verfügt über einen geschlos-senen Wasserkreislauf mit konfigurierbarem, drehzahlgeregeltem Wärmetauscher. Die Sicher-heit für den Bediener ist im Vergleich zu Ent-nahmesystemen, die Öl verwenden, deutlich höher. Zudem wird auch das Risiko von Umwelt-schäden vermieden. Kühlwasserdruck, -tem-peratur 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 passwortgeschütz-te Benutzerebenen, die auf die Bedürfnisse der verschiedenen Benutzergruppen in einem Ze-mentwerk zugeschnitten sind. Auch Funktionen, die den Fernzugriff sowie die vorausschauen-de Wartung ermög lichen, sind verfügbar. Das Entnahmesystem kann mit zwei verschiede-nen 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 Verbin-dung mit dem richtigen horizontalen und ver-tikalen Winkel eine sogenannte „erste Entstau-bung“ der Probe bewirken, wodurch das Problem der Filterverstopfung deutlich seltener auftritt.
3 Innovative und einzigartige Gestaltungdes StößelsDie in der Primär- und der Sekundärfeuerung verwendeten Brennstoffe während der Zement-herstellung beeinflussen die Prozessbedingun-gen am Gasausgang des Ofens. Durch die mas-sive Verbrennung von Reifen, Petrolkoks und
2 Sonde 60S: Aufbau der Sondenspitze
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UNTERNEHMENSPORTRAIT // AUMUND
Unternehmensportrait AUMUND Fördertechnik GmbH
Gesellschaft AUMUND Fördertechnik GmbH
Branche Maschinenbau
Produkte Förder- und Lagertechnik für Schüttgüter
Standorte Rheinberg sowie Auslandsgesellschaften und Repräsentanzen weltweit
Umsatz
MitarbeiterDeutschlandEuropaweltweit
ca. 300 Deutschland
ca. 400 insgesamt (incl. deutsche Gruppe)
Praktika Möglich nach individueller Absprache
Studien- und Abschlussarbeiten Möglich nach individueller Absprache
Gesuchte Fachrichtungen Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen, Verfahrenstechnik
Einstiegs- und Einsatzmöglichkeiten Direkteinstieg, individuelles Trainee-Programm, Praktika, Bachelor-/Master-Arbeiten
Erwünschte Zusatzqualifikationen/Vertiefungsrichtung
Verfahrenstechnik, Vertrieb, Konstruktion
Einstellung von Bachelor/Master Bachelor und Master
Auslandseinsatz Möglich nach individueller Absprache (auch im Rahmen von Praktika)
Kontaktadresse AUMUND Fördertechnik GmbHAbt. PersonalSaalhoffer Str. 1747495 Rheinberg
Ansprechpartner für Studenten Anna Kaja02843 [email protected]
Ansprechpartner für Absolventen Anna Kaja02843 [email protected]
Sonstige Informationen
Homepage www.aumund.com
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Unternehmensportrait Lafarge Zement Deutschland
Muttergesellschaft Lafarge Zement GmbH
Branche Baustoffherstellung
Produkte Zement, Beton, Zuschlagsstoffe
Standorte 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
MitarbeiterDeutschlandEuropaweltweit
ca. 400
ca. 68 000
Praktika Schülerpraktika, studentische Praktika, postgraduale Praktika und Projektarbeit
Studien- und Abschlussarbeiten Laufend
Gesuchte Fachrichtungen Verfahrenstechnik, Maschinenbau, Bauingenieurwesen, Rohstoff-ingenieurwesen, Chemieingenieurwesen, Wirtschaftsingenieurwesen
Einstiegs- und Einsatzmöglichkeiten Internationales firmeninternes Traineeprogramm für Ingenieure
Erwünschte Zusatzqualifikationen/Vertiefungsrichtung
Gute Englischkenntnisse, Teamfähigkeit, Praxiserfahrung
Einstellung von Bachelor/Master Bachelor und Master
Auslandseinsatz 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
Kontaktadresse Lafarge Zement GmbH, Straße der Einheit 25, 06638 Karsdorf/Unstrut
Ansprechpartner für Studenten Tobias Fritschka, +49 34461 74042, [email protected]
Ansprechpartner für Absolventen Tobias Fritschka, +49 34461 74042, [email protected]
Sonstige Informationen 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
Homepage www.lafarge.de
UNTERNEHMENSPORTRAIT // Lafarge
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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
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Kontakt: Ute [email protected]. +49 5241 80-40450
www.zkg.deISBN 978-3-7625-3656-7
€ 44,90