Klinkerherstellung: Energieeffizienz und Emissionsreduzierung voranbringen

Beton wird seit Tausenden von Jahren verwendet und hat das Bauwesen in vielen verschiedenen Kulturen geprägt. Frühformen reichen bis 7000 v. Chr. zurück und haben sichtbare Spuren in Bauwerken aus dem antiken Griechenland, Ägypten und Rom hinterlassen.

Heute werden mit Beton überall auf der Welt Häuser, Brücken und Wolkenkratzer gebaut. Nach Wasser ist es das auf der Erde am zweithäufigsten genutzte Material.

Zement ist der wichtigste Bestandteil im Beton und dient als Bindemittel, das das Gemisch zusammenhält. Mit der wachsenden Weltbevölkerung steigt die Nachfrage nach Wohnungen und Infrastruktur weiter an und treibt den Betonverbrauch in die Höhe.

Das Herzstück der Zementherstellung ist der Klinker, d. h. das Zwischenprodukt, das im Drehofen bei hohen Temperaturen gebildet wird. Die Klinkerbildung ist äußerst energieintensiv und macht den größten Teil des CO₂-Fußabdrucks von Zement aus. Die Zementherstellung verursacht etwa 7-8 % der weltweiten CO₂-Emissionen, was ungefähr 2,5 Mrd. Tonnen pro Jahr entspricht.

Zementwerke stehen unter wachsendem Druck, die Energieeffizienz zu verbessern, Emissionen zu senken und dabei eine zuverlässige Berichterstattung über die Einhaltung der Vorschriften zu gewährleisten. Im Zuge der weiteren Verbreitung von alternativen Brennstoffen und strengeren betrieblichen Zielvorgaben ist ein stabiler Betrieb von Drehofen und Vorwärmer von entscheidender Bedeutung.

Bereits kleine Instabilitäten im Prozess können den Brennstoffverbrauch erhöhen, die Emissionen ansteigen lassen und die Kontrolle der Leistung erschweren.

Auf dieser Seite werden häufige Instabilitätsmuster in der Zementherstellung beschrieben und Links zu praktischen Leitlinien für den Ofenbetrieb, die Leistung des Vorwärmers und die Emissionsüberwachung bereitgestellt.

Laut der von der Global Cement and Concrete Association (GCCA) erstellten Roadmap für die Zukunft des Betons hat sich der weltweite Zement- und Betonsektor entsprechend der angestrebten Begrenzung der Erderwärmung auf 1,5 °C zu einem Netto-Null-Pfad verpflichtet. Durch dieses ambitionierte Ziel rückt die Klinkerherstellung noch mehr in den Fokus, denn sie ist die größte Quelle von CO₂-Emissionen in der Zement-Wertschöpfungskette.

Auch der regulatorische Druck wird weiter erhöht: Die GCCA-Roadmap strebt eine CO₂-Reduzierung von 20 % pro Tonne Zement bis 2030 an, wobei als langfristiges Ziel bis 2050 ein Netto-Null-Zement geliefert werden soll. Gleichzeitig werden in zahlreichen Bereichen strengere Emissionsgrenzwerte für CO₂, NOx, SO₂, HCl und Staub eingeführt. Dies erhöht den Druck auf die Zementwerke, einen stabilen, gut kontrollierten Betrieb zu gewährleisten.

Das Mahlen des Klinkers verbraucht zwar fast ein Drittel der für die Zementherstellung benötigten Gesamtenergie , die größten Herausforderungen für die Dekarbonisierung liegen jedoch tiefer im Inneren des Drehofensystems. Wenn hier die Effizienz verbessert wird, verringern sich dadurch sowohl der Energieeinsatz als auch die Emissionen des Prozesses.

Weltweit unternehmen Zementwerke derzeit Schritte in Richtung Dekarbonisierung, um mit der Weiterentwicklung der Klimarichtlinien Schritt zu halten. Die Schwierigkeit liegt darin, dass diese Emissionen im Inneren von Drehofen, Kalzinator und Vorwärmer entstehen, wo extrem heiße, staubige und chemisch aggressive Bedingungen herrschen. Diese Umgebung macht eine kontinuierliche Messung und stabile Steuerung an sich schon anspruchsvoll, hinzu kommen jedoch auch noch die weiter steigenden Erwartungen des Gesetzgebers an Konsistenz und Emissionsleistung.

Die Aufrechterhaltung einer stabilen Klinkerherstellung erfordert die kontinuierliche Überwachung mehrerer Prozessbereiche, die Ausbeute, Energieverbrauch, Emissionen und Produktqualität direkt beeinflussen. Diese Bereiche sind:

Die Variabilität alternativer Brennstoffe, thermische Schwankungen und Unterschiede in der Abluftleistung gehen oft vom Drehofen aus. Durch eine genaue Überwachung des Drehofens, insbesondere seines thermischen Profils und der Sinterzone, können Störungen im Prozess vermieden, die Stabilität des Drehofens aufrechterhalten und eine gleichbleibend hohe Klinkerqualität unterstützt werden. Fortschrittliche Messlösungen, die auf die rauen Ofenumgebungen ausgelegt sind, liefern die für eine effektive Steuerung benötigten zuverlässigen Daten.

Schleichender Druckabfall (ΔP), Ansatzbildung, Eindringen von Falschluft und eine ungleichmäßige Rohstoffzufuhr können den Wärmebedarf erhöhen und die Prozesseffizienz verringern. Wenn diese Probleme frühzeitig erkannt werden, unterstützt dies die Stabilisierung des Vorwärmerbetriebs und die Minimierung von Energieverlusten.

Genaue Messungen von O₂, CO, NOₓ und SO₂ sind unerlässlich für eine zuverlässige Prozesssteuerung, Emissionsberichterstattung und Dekarbonisierungsinitiativen. Emissionsdaten hoher Qualität helfen den Anlagen, Vorschriften einzuhalten und dabei zu erkennen, wo sich Möglichkeiten zur Verringerung der CO₂-Intensität eröffnen.

In der Klinkerherstellung gibt es nur wenig Toleranz für Drift. Auch wenn die Trendlinie der Prozessvariablen stabil aussieht, können bereits kleine Verschiebungen bei den Signalen für Temperatur, Abluftleistung, ΔP des Vorwärmers oder Gasanalyse den Prozess unbemerkt aus seinem optimalen Fenster herausschieben.

Dadurch, dass die Anlagen verstärkt alternative Brennstoffe einsetzen oder die Betriebsbedingungen an die Erfüllung von Dekarbonisierungsanforderungen anpassen, können sich diese Effekte sogar noch stärker ausprägen. Alternative Brennstoffströme haben oft eine veränderliche Feuchtigkeit, Partikelgröße und Heizwerte, die zu Schwankungen bei der Verbrennung führen und die Stabilisierung des Drehofens erschweren. Andere zur Einhaltung von Vorschriften vorgenommene Änderungen, beispielsweise die Absenkung der NOₓ-Einstellungen des Brenners oder strengere Zielvorgaben für den Sauerstoffgehalt, können den Prozess ebenfalls stören, wenn die Messgenauigkeit nicht gewährleistet ist.

In dieser Umgebung wird eine zuverlässige Messung zur Grundlage einer effizienten und mit den Vorschriften konformen Klinkerherstellung. Wenn Signale des thermischen Verhaltens, Zyklone, Hydraulik und Emissionswerte verlässlich sind, können Betreiber ihre Prozesse näher am Idealpunkt fahren, Überfeuerung vermeiden und besser vertretbare Emissionsprofile aufrechterhalten. Die Stärkung der Stabilität in der gesamten Klinkeranlage verringert den Energieverbrauch, senkt die CO₂-Intensität und trägt dazu bei, die Anlage innerhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Margen zu halten.

In diesem Abschnitt werden häufige Fragen zur Effizienz, Prozessstabilität und Emissionsreduzierung bei der Klinkerherstellung beantwortet. Er erklärt, wie alternative Brennstoffe, zuverlässige Messungen und Gasanalysen einen mit den Vorschriften konformen und energieeffizienten Betrieb unterstützen.