Zementherstellung

Drehofen in einem Zementwerk

Die Herstellung von Zement ist ein aufwändiger und energieintensiever Prozess. Dabei hat sich die Industrie in den vergangenen Jahrzehnten mehr und mehr zu einer High-Tech-Branche entwickelt.  Die Rohstoffe für Zement werden im Steinbruch gewonnen. Dort wird das Material entweder durch Sprengungen oder mit schweren Maschinen gelockert und anschließend mit Rad-Schaufelladern und Schwerlastkraftwagen zur Brecheranlage transportiert und dort zu Schotter zerkleinert.

Schematische Darstellung der Zementherstellung.Schematische Darstellung der Zementherstellung.

Der Rohschotter wird über Förderbänder oder mit Seil- und Schienenbahnen in die Schotterhalle des Zementwerkes gebracht. Hier wird er in einem Mischbettsilo eingelagert und homogenisiert. Nach Gewinnung, Förderung, Zerkleinerung und Homogenisierung wird das Rohmaterial zu Rohmehl gemahlen, entsäuert und anschließend im Drehofen bei etwa 1.450 Grad zu Zementklinker gebrannt, der anschließend gekühlt und gemahlen wird.  Details der einzelnen Prozessschritte werden im folgenden erklärt:

Rohstoffgewinnung und Aufbereitung

Die wichtigsten Zementrohstoffe Kalkstein, Ton und ihr natürliches Gemisch Kalkmergel werden in Steinbrüchen hauptsächlich durch Sprengen gewonnen. Pro Sprengung fallen – je nach Werksgröße – Gesteinsmengen von bis zu 50.000 Tonnen an. Nach dem Transport wird das grobstückige Gestein in Brecheranlagen zu Schotter von etwa 30 Millimeter Kantenlänge gebrochen.

Wesentliches Merkmal für die spätere Zementqualität ist die gleichbleibende Zusammensetzung des ofenfertigen Rohmaterials. Da die Lagerstätten naturgemäß Schwankungen bei der chemischen Zusammensetzung aufweisen können, wird in der Regel schon der Rohschotter homogenisiert. Hierfür werden nacheinander zwei oder mehrere Mischbetten schichtweise nach unterschiedlichem Muster aufgeschüttet. Die Halden fassen in der Regel den Schottervorrat für eine Woche; je nach Werksgröße etwa  20.000  bis 80.000 Tonnen. Die jeweils fertige Halde wird quer zu den Schichten wieder abgetragen, wodurch sich Homogenisierungsgrade von rund 70 bis 90 Prozent erzielen lassen und Schwankungen des Vorkommens bereits weitgehend ausgeglichen werden.

Das homogenisierte Rohmaterial wird in Deutschland nahezu ausschließlich trocken aufbereitet. Hierzu wird das Rohmaterial während des Zerkleinerns in einer Wälz- oder Kugelmühle mit heißem Gas, meist aus dem Abgas des Ofensystems, getrocknet. Mitunter werden Korrekturkomponenten wie Quarzsand oder Eisenerz zugesetzt, um die erforderliche chemische Zusammensetzung des Rohmehls einzustellen. Auch alternative Rohstoffe können bereits der Rohmühle zugegeben werden, um eine optimale Vermischung mit den anderen Rohstoffen zu erzielen. Große Wälzmühlen mahlen heute stündlich bis zu 500 Tonnen Rohmehl und haben einen Energiebedarf von etwa 10 bis 16 Kilowattstunden je Tonne (kWh/t) Rohmehl. Verbleibende Schwankungen im Rohmehl werden in Homogenisiersilos ausgeglichen. 

Brennen des Zementklinkers

Zementklinker wird heute in Deutschland fast ausschließlich nach dem Trockenverfahren in Drehrohröfen mit Zyklonvorwärmern und ggfs. einem Calcinator hergestellt. Diese Drehofenanlagen können im Vergleich zu Anlagen gleicher Leistung ohne Calcinator kleiner dimensioniert und dadurch kostengünstiger errichtet und betrieben werden. Durch die Vorcalcinierung (Entsäuerung) des Rohmehls wird ein gleichmäßiger Ofenbetrieb erreicht, der eine wichtige Voraussetzung für einen niedrigen Brennstoffenergieverbrauch ist und gleichzeitig prozessintegriert zur Emissionsminderung beiträgt.

Die Zyklonvorwärmer bestehen aus vier bis sechs Zyklonstufen, die in 50 bis 120 Meter hohen Türmen übereinander angeordnet sind. Die unterschiedlichen Stufen werden von unten nach oben vom Abgas des Drehofens durchströmt. Das Rohmehl wird hingegen in der obersten Stufe eingebracht und durchläuft den Zyklonvorwärmer entgegengesetzt der Abgasströmung und wird in jeder Stufe auf höhere Temperaturen erwärmt. Dabei wird der im Rohmehl enthaltene Kalkstein bereits teilweise entsäuert. Die Restentsäuerung findet in einem Calcinator oder in der Calcinierzone des Drehofens statt. Hierbei wird das aus der zweituntersten Zyklonstufe austretende Heißmehl von aufströmendem Heißgas mitgerissen und in den Calcinator geführt. Dabei handelt es sich um einen Schacht, in dem Ofengas und Brenngut eingeführt werden und sich intensiv vermischen. Das Ofenabgas wird schlagartig von etwa 1.100 °C bis 1.200 °C auf die Entsäuerungstemperatur von etwa 830 °C abgekühlt. Um die endotherm ablaufende Entsäuerungsreaktion aufrecht zu erhalten, werden im Calcinator Brennstoffe zugegeben, deren Wärmeeintrag je nach Ofenanlage bis zu 60 Prozent des gesamten Brennstoffenergiebedarfs betragen kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen erhöht sich durch den Calcinator der Vorentsäuerungsgrad des Rohmehls auf über 90 Prozent.  Dadurch kann der Drehofen kleiner ausgelegt oder bei gleichen Dimensionen mit höherer Leistung betrieben werden. Aufgrund des für die Entsäuerung notwendigen Temperaturbereiches von nur 830 °C bis 950 °C ermöglicht diese Technik den flexiblen Einsatz von heizwertarmen, ballastreichen Brennstoffen, wie zum Beispiel aschereiche Kohlen oder bestimmte alternative Brennstoffe.

Das aus der unteren Zyklonstufe des Vorwärmers austretende Material gelangt in das Drehrohr der Ofenanlage. Drehöfen sind leicht geneigte, feuerfest ausgekleidete Rohre mit Durchmessern bis etwa 6 Metern, die sich mit 1,3 bis 3,5 Umdrehungen in der Minute drehen. Durch die Drehbewegung und die Neigung wird das Brenngut vom Ofeneinlauf in Richtung des am Ofenauslauf installierten Brenners bewegt. In der so genannten Sinterzone erreicht das Brenngut Temperaturen von etwa 1.450 °C; die Gastemperatur beträgt bis zu 2.000 °C. Die Durchlaufzeit des Materials durch den Ofen beträgt etwa 20 bis 40 Minuten. Die Verbrennungsluft wird dem Drehofen vor allem als vorgewärmte Luft (Sekundärluft) aus dem Klinkerkühler mit Temperaturen von 600 °C bis 1.000 °C zugeführt. Nur ein Anteil von 6 bis 13 Prozent wird direkt über den Brenner eingeblasen (Primärluft). An den Ofenauslauf schließt sich ein Klinkerkühler an. In den häufig verwendeten Rostkühlern wird der auf einem Transportrost bewegte Zementklinker mit Luft gekühlt. Der größte Teil der aufgeheizten Kühlluft wird als Verbrennungsluft im Ofen (Sekundärluft) und im Calcinator (Tertiärluft) genutzt. Die überschüssige Luftmenge kann zusätzlich zur Trocknung des Rohmaterials oder der Brennstoffe genutzt werden. Nach der Kühlung hat der Klinker eine Temperatur von 80 °C bis 200 °C. 

Reaktionen beim Brennen und Kühlen

Während des Brennvorgangs laufen im Brenngut verschiedene chemische Reaktionen – teils nacheinander, teils parallel zueinander – ab. Beim Erhitzen des Brennguts entweicht zunächst bei Temperaturen bis 200 °C das flüssige Wasser. Zwischen 100 °C und 400 °C geben die Tonminerale ihr adsorptiv gebundenes Wasser ab. Bei höheren Temperaturen zwischen etwa 400 °C und 750 °C werden die Tonminerale zersetzt und auch das chemisch gebundene Wasser ausgetrieben. Die Zersetzung des im Rohmehl enthaltenen Calciumcarbonats in CaO und CO2, die Entsäuerung des Kalksteins, beginnt in Gegenwart von SiO2, Al2O3 und Fe2O3 schon bei 550 °C bis 600 °C und verläuft oberhalb von 900 °C sehr schnell.

Diesen endothermen Reaktionen stehen Neubildungsreaktionen gegenüber, die zum Teil exotherm und parallel zu den Dissoziationsvorgängen verlaufen. Dabei entstehen Dicalciumsilicat (C2S) aus Calciumoxid und Siliciumdioxid sowie verschiedene Al2O3- und Fe2O3-haltige Zwischenverbindungen, die jedoch mit Beginn der Schmelzbildung bei ca. 1.280 °C wieder zerfallen. In Gegenwart der Schmelze, deren Anteil im Brenngut bei der Sintertemperatur von 1.450 °C etwa 15 bis 25 Massenprozent beträgt und in der der überwiegende Anteil des ursprünglich in den Rohstoffen enthaltenen Aluminium- und Eisenoxids vorliegt, reagiert Calciumoxid mit dem Dicalciumsilicat unter Bildung von Tricalciumsilicat (C3S). Beim anschließenden Kühlen des Klinkers entstehen durch Kristallisation der Schmelze Tricalciumaluminat (C3A) und Calciumaluminatferrit C4AF. Die für den Klinkerbrennprozess benötigte Energie wird zu mehr als 50 Prozent für die Trocknung und Aufheizung des Rohmaterials, die Dissoziation des Calciumcarbonats und zur Deckung der Wärmeverluste benötigt.

Die Kühlgeschwindigkeit beeinflusst dabei maßgeblich die Eigenschaften des Klinkers. Feinkörniges und mit C4AF verwachsendes C3A reagiert langsamer mit Wasser als grob kristallines C3A, welches bei geringer Kühlgeschwindigkeit entsteht. Damit das Tricalciumaluminat und das Calciumaluminatferrit möglichst feinkörnig kristallisieren, ist es erforderlich, den Klinker von Sintertemperatur auf 1.200 °C ausreichend schnell zu kühlen. Generell vermindert eine schnelle Kühlung des Klinkers im Hochtemperaturbereich den Wasseranspruch des Zements. Bei sulfatoptimiertem Zement ist die schnelle Kühlung umso vorteilhafter für das Erstarrungsverhalten und die Festigkeitsentwicklung des Zements, je höher der C3S- und C3A-Gehalt des Klinkers ist. 

Mahlen, Mischen und Transport

Nach dem Brennen und Kühlen wird der Klinker in Silos oder geschlossenen Hallen gelagert, um Emissionen von Klinkerstaub möglichst zu vermeiden. Die Klinkerkörner haben Korngrößen von bis zu 50 Millimeter. Zur Herstellung von Zement wird der Klinker allein oder mit weiteren Hauptbestandteilen – zum Beispiel Hüttensand oder Flugasche – gemeinsam feingemahlen. Dabei wird dem Mahlgut zur Regelung des Erstarrens ein Sulfatträger zugesetzt. Dazu verwendet man Gips oder Anhydrit aus natürlichen Vorkommen; zur Schonung natürlicher Ressourcen wird aber auch Gips aus der Rauchgasentschwefelung eingesetzt.

Seit mehr als 100 Jahren werden zur Mahlung von Zementrohstoffen und Zement Kugelmühlen eingesetzt. Sie zeichnen sich durch hohe Verfügbarkeit und Robustheit aus. Die Mühlen werden mit einem Rohrdurchmesser von bis zu 6 Metern und einer Rohrlänge von bis zu 20 Metern gebaut. Sie sind mit bis zu 30 Prozent mit Mahlkugeln gefüllt und erreichen Durchsatzleistungen von bis zu 200 Tonnen pro Stunde. Das Mahlgut wird durch die Drehbewegung des Rohrs und die dadurch hervorgerufene Roll- und Fallbewegung der Mahlkugeln zerkleinert. Im Vergleich mit anderen Mühlentypen haben Kugelmühlen den geringsten mahltechnischen Wirkungsgrad. Aus diesem Grund werden heute zur Zementmahlung auch die effizienteren Gutbett-Walzenmühlen und Vertikal-Wälzmühlen eingesetzt. 

Kontakt

Dr. Volker Hoenig

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Tel.: (0211) 45 78-254

Fax: (0211) 45 78-400

Zement-Taschenbuch

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