Messung von Rauchgasen in Drehrohrofen von Zementwerken

Enotec
80 Mio. t Kohlendioxid verur­sacht die Industrie in Deutschland pro Jahr, 37 % davon die Zement- und Kalkhersteller – so die neuesten Erhebungen des Öko-Instituts e.V. Das Ziel, diese Abgase langfristig zu verringern, setzt die Werke immer stärker unter Druck, denn trotz der verschärften Emissionsgesetze müssen sie so effizient wie möglich wirtschaften. Eine gängige Kontrollmethode ist dabei die Messung der Rauchgase. Damit kann nicht nur der CO2-Anteil festgestellt werden, sondern auch die Konzentration des Restsauerstoffs und der unverbrannten Moleküle. Kontinuierliche Messungen waren bisher jedoch nur begrenzt möglich, da die empfindlichen Sonden den hohen Temperaturen und der Staubbelastung nicht standhielten und nach jedem Vorgang manuell gereinigt werden mussten. Die ENOTEC GmbH hat daher ein Messsondensystem speziell für die Zementindustrie entwickelt, das aufgrund einer patentierten Drehvorrichtung und automatischer Abreinigung eine permanente Messung der Gase direkt im Drehrohr ermöglicht.

Bis zu 950 °C heißes Rohmehl, hohe Geschwindigkeiten und Temperaturen des staubbelasteten Rohgases von 1200 °C: Die Faktoren an der Messstelle direkt am Ofeneinlauf sorgen bei Zementwerten dafür, dass eine Erfassung der Gaswerte nur schwer möglich ist. Auch die Spenner Zement GmbH in der Nähe von Dortmund hat mit diesen Bedingungen zu kämpfen: Stand eine Kontrollmessung im Ofen an, war dies immer mit großen Vorsichtsmaßnahmen und viel Aufwand verbunden. „Die fast vier Meter lange Sonde musste von zwei Arbeitern manuell in den Ofen geschoben und während des Messvorgangs ständig beobachtet werden“, erklärt Franz Haselhorst, stellvertretender Leiter der Elek­troinstandhaltungsabteilung im Unternehmen. Eine halbe Stunde konnte sie höchstens im Ofen verbleiben, danach waren sowohl die Sonde als auch die Einlaufkammer so stark mit Heißmehlanbackungen verunreinigt, dass die Sonde wieder herausgenommen und mit Luftdruck gereinigt werden musste. Zudem ist der Verschleiß durch die hohen Geschwindigkeiten des staubbelasteten Rohgasstroms in der Regel sehr hoch. Bei Spenner war bisher eine Standardsonde im Einsatz, die mit einer Wasserkühlung und einem nachgeschalteten Luftkühler ausgestattet war. Die zugehörige Regelung musste ständig beobachtet werden. „Daher haben wir tatsächlich nur zur Ursachenermittlung gemessen, wenn die Gaskonzentration im Ofen nicht optimal war“, so Hasel­horst.

 

Kontinuierliche Ermittlung

der Werte direkt im Ofen

Um diese zeit- und arbeitsaufwändigen Vorgänge in Zukunft zu vermeiden und vor allem die relevanten Werte der Prozessgase zuverlässiger ermitteln zu können, ist das Unternehmen auf ein ­speziell für permanente ­Messungen entwickeltes CEMTEC-System umgestiegen (Bild 1). Es basiert auf einer doppelwandigen und wassergekühlten Gasentnahmesonde und wurde von der ENOTEC GmbH genau auf die Anforderungen des Zementherstellers angepasst. Das Gas wird ständig direkt in der Einlaufkammer des Ofens über die Spitze des Sondenrohres in die Filtereinheit gesaugt und von dort über eine beheizte Leitung in die innenliegende und beheizte Messkammer des Analysators transportiert. Dort werden ständig sowohl die Sauerstoffmenge als auch die Menge der unverbrannten Moleküle (COe) im Drehrohr ermittelt. Dazu gehören etwa Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4) und Wasserstoff (H2), Stickoxid (NO) und Schwefeldioxid (SO2). Die im CEMTEC-Analysator befindlichen Sensoren sind so positioniert, dass sich in Echtzeit die tatsächlich vorherrschenden Gaskonzentrationen exakt ermitteln lassen. Dank der InSitu-Messung können bereits kleinste Änderungen schnell erkannt werden und der Energieeinsatz lässt sich genau steuern. Es gilt, einen möglichst kleinen Sauerstoffwert zu erreichen, um die Emissionen gering zu halten und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass die Anlage effizient und schonend läuft. Das sorgt zum einen für eine möglichst effiziente Verbrennung der Stoffe und zum anderen für einen höheren Zementdurchsatz.

„Durch die permanente Messung der Gaskonzentration können wir zu jeder Zeit feststellen, dass der Verbrennungsvorgang optimal läuft und bei Abweichungen sofort die Luftzufuhr entsprechend regulieren“, so Haselhorst. „Außerdem hält sich die Wartung in Grenzen, was uns viel Zeit, Arbeit und Kosten einspart sowie Unterbrechungen des Ofenbetriebs verhindert.“ Die Großfeuerungsanlage bei Spenner Zement ist rund um die Uhr im Einsatz. Als Brennstoffe werden Braunkohlenstaub und Sekundärbrennstoffe eingesetzt. Die neue Sonde muss trotz dieser Belastung lediglich etwa alle neun Monate von den ENOTEC-Mitarbeitern überprüft werden.

 

Drehvorrichtung verhindert das

Festzementieren der Sonde

Das CEMTEC-System besitzt einen patentierten Schwenkantrieb, durch den das Sondenrohr kontinuierlich in radialer Richtung dreht (Bild 2). Dadurch wird verhindert, dass die Sonde innerhalb des Feuerraums einzementiert wird und sich das Rohr thermisch deformiert. Tritt eine Störung ein, wie etwa ein Spannungsausfall oder Kühlwasseraustritt, kann die 200 kg schwere Sonde über eine pneumatische Verfahr-Vorrichtung automatisch auf Schienen aus dem Ofen genommen werden. Die notwendige Druckluft kommt dabei aus einem Reservetank.

Darüber hinaus reinigt sich das System alle drei Minuten selbst (Bild 3). „Im Kühlschutzrohr haben wir einen groß­flächigen Staubfilter mit einer Stoßplattenspitze installiert, die in bestimmten Zeitab­ständen ausfährt und selbst hartnäckigste Ablagerungen besei­tigt“, erl­äutert Fred Gumprecht, Geschäftsführer der ENOTEC GmbH, das Prinzip. Zusätzlich sorgt ein patentierter Schwenkantrieb für ein kontinuierliches Drehen des Rohres in radialer sowie in axialer Richtung. Daneben gehören eine Kontrolleinheit vor Ort, ein SPS-Steuerschrank sowie eine Wärmetauscheranlage zum System.

Durch die ständige Überwachung der Sauerstoffkonzentration im Ofeneinlauf ist es für Spenner Zement möglich, die über einen Bypass zum Calzinator geführte Verbrennungsluft zu steuern. Dort werden per SNCR-Verfahren die Stickoxid-Werte (NOx) über die Eindüsung von Ammoniakwasser (NH3) in den Rauchgasen reduziert.

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