Autor: Nils Bodendiek

Bei der Herstellung von Zement kommt dem Umweltschutz neben betriebswirtschaftlichen Überlegungen eine maßgebliche Bedeutung zu. Die ständig steigenden Umweltschutzauflagen stellen für die Betreiber von Zement-Produktionsanlagen hohe Anforderungen dar. Einerseits müssen neue Maßnahmen ergriffen werden, um die behördlichen Auflagen einzuhalten. Andererseits müssen diese Maßnahmen kostengünstig sein, um auf einem zunehmend internationalisierten Zementmarkt konkurrenzfähig zu bleiben. Dies gilt insbesondere für die Produktion in Regionen, in denen sehr strenge Umweltstandards vorliegen, wie beispielsweise in Europa. Ein wesentlicher verfahrentechnischer Prozessschritt bei der Zementherstellung ist das Brennen des Zementklinkers bei Temperaturen um 1450°C. Das Brennen erfolgt in Drehrohröfen, die mit festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen befeuert werden. Die bei diesem Hochtemperaturprozess entstehenden gasförmigen und staubförmigen Emissionen machen einen Großteil der Umwelteinwirkungen eines Zementwerkes aus. Eine Schadstoffgruppe, die bereits seit vielen Jahren im Fokus der öffentlichen Diskussion steht, sind die Stickstoffoxide (NOx). NOx kann sowohl bei der Umsetzung des Brennstoffes als auch bei hohen Prozesstemperaturen direkt aus der Verbrennungsluft entstehen. Zur Minderung der NOx-Emission stehen den Betreibern von Zementwerken diverse verfahrenstechnische Lösungen zur Verfügung. Dabei wird zwischen prozessintegrierten Primärmaßnahmen und dem Prozess nachgeschalteten Sekundärmaßnahmen unterschieden. In der Regel sind primäre Verfahren kostengünstiger als sekundäre. An einigen Produktionsstandorten, wie beispielsweise in Deutschland, sind viele Primärmaßnahmen bereits nahezu ausgereizt [HOE 03]. Bei älteren Anlagen muss daher in zunehmendem Maße auf das Verfahren der selektiven nichtkatalytischen Reduktion (SNCR) als sekundäre NOx-Minderungsmaßnahme zurückgegriffen werden. Für moderne Drehrohröfen, die mit einem Calcinator und einer Tertiärluftleitung ausgerüstet sind (Vorcalcinieranlagen), bietet das Verfahren der gestuften Feuerungsführung eine kostengünstige Primärmaßnahme, um die NOx-Emission weiter abzusenken. Für den Betreiber einer Drehofenanlage mit gestufter Feuerung ist es wichtig, die wesentlichen verfahrenstechnischen Einflussgrößen zu kennen, um hinsichtlich maximaler NOx-Minderung eine Optimierung vornehmen zu können. Erfahrungen zufolge variieren die erreichbaren Minderungsraten je nach Ofenanlage und Betriebseinstellung stark [CON 97, MEN 97, SYV 94]. Die Ursachen für die unterschiedliche Effizienz des Verfahrens sind bislang noch nicht ausreichend geklärt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher zu untersuchen, welche verfahrenstechnischen Einflussgrößen und welche chemischen Reaktionen für die NOx-Minderung in der gestuften Feuerungsführung eine wesentliche Rolle spielen. Aus der Beschreibung der Zusammenhänge lassen sich anschließend Lösungsansätze für eine weitere Optimierung ableiten. Bei der Optimierung einer gestuften Feuerung muss jederzeit sichergestellt sein, dass weder die Klinkereigenschaften, der Anlagenbetrieb noch die Emission anderer Schadstoffe negativ beeinflusst werden. Häufig stellen diese Randbedingungen begrenzende Faktoren für die erreichbare NOx- Minderungsrate dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sie daher einer intensiveren Betrachtung unterzogen. Zusätzlich sollte die Möglichkeit untersucht werden, die NOx-Minderungswirkung der gestuften Feuerungsführung durch Kombination mit dem SNCR-Verfahren zu erhöhen. Im Rahmen des auf europäischer Ebene stattfindenden BAT-Prozesses wird diese Verfahrenskombination zur Zeit als eine „Emerging Technique“ beschrieben [EIP 01]. Zu welchem Zeitpunkt sie zum Stand der Technik erklärt wird ist noch offen. Fest steht bereits, dass beide Verfahren prinzipiell kombinierbar sind. Allerdings können zwischen ihnen Wechselwirkungen auftreten, die zu einer Effizienzverringerung und zu Sekundäremissionen führen [ROS 01]. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten diese Wechselwirkungen genauer untersucht und daraus Vorschläge für eine Verfahrensoptimierung erarbeitet werden. Für die Untersuchungen wurden systematische Veränderungen der Betriebseinstellungen an Vorcalcinieröfen verschiedener Hersteller durchgeführt und durch intensive Betriebsmessungen die Auswirkungen auf die NOx-Minderung ermittelt. Gegenüber theoretischen Modelluntersuchungen erscheint dies als die einzige Möglichkeit, Ergebnisse zu erhalten, die uneingeschränkt auf die betriebliche Praxis angewendet werden können (vergleiche dazu [JEN 03, JEN 99]).