Spezielle Sonde für Rauchgasmessung im Zementdrehrohrofen
Da die Einlaufkammer zwischen Drehrohrofen und Zyklonvorwärmer in jedem Zementwerk einen der anspruchsvollsten Messorte darstellt, entschied sich HeidelbergCement für den Einsatz der besonders zuverlässigen Drehrohrofen-Einlaufsonde Cemtec der Enotec GmbH.
Von 2016 bis 2018 modernisierte die HeidelbergCement AG ihr Werk in Burglengenfeld mit der bisher größten geplanten Einzelinvestition der Unternehmensgeschichte von über 100 Mio. Euro. Das Ziel dieser Modernisierung, bei der unter anderem ein Wärmetauscherofen angeschafft wurde, war die signifikante Reduzierung der Emissionen, die fortlaufende Erhöhung des Anteils von Sekundärbrennstoffen und eine gleichbleibend hervorragende Produktqualität. Eine Voraussetzung für die Realisierung dieser Ziele bilden unter anderem Daten aus der kontinuierlichen und präzisen Bestimmung der Rauchgasemissionen des neuen Zementdrehrohrofens. Da die Einlaufkammer zwischen Drehrohrofen und Zyklonvorwärmer in jedem Zementwerk einen der anspruchsvollsten Messorte darstellt, entschied sich HeidelbergCement für den Einsatz der besonders zuverlässigen Drehrohrofen-Einlaufsonde Cemtec der Enotec GmbH. Dieses Messsystem zur Gasanalyse wurde speziell für die extremen Einsatzbedingungen in Zementwerken entwickelt und ermöglicht aufgrund einer patentierten Drehvorrichtung sowie einer automatischen Abreinigung eine permanente Messung der Gase direkt im Drehrohr – und somit dauerhaft die genaue Bestimmung der notwendigen Parameter.
Sichere Einhaltung aller Grenzwerte
Das Umbauvorhaben bei HeidelbergCement in Burglengenfeld wurde während des Betriebes der existierenden Ofenlinien durchgeführt und umfasste einen neuen 5-stufigen Wärmetauscherturm mit Kalzinator, einen verkürzten Drehrohrofen, zwei neue Mahlanlagen für Kalkstein mit deutlich verringertem spezifischen Stromverbrauch und einen neuen Gewebefilter mit einem Abscheidegrad von nahezu 100 %. Als Resultate dieser Modernisierung waren die Senkung der Emissionen einschließlich der sicheren Einhaltung aller Grenzwerte, die deutliche Steigerung der Energieeffizienz, die Reduzierung der CO2-Emissionen durch den verbesserten Wirkungsgrad sowie eine gleichbleibende Produkt-Qualität avisiert.
Besonders die angestrebte Erhöhung der Sekundärbrennstoffaufgabe und der zusätzliche Kalzinator machten die permanent verfügbaren Messdaten einer Ofeneinlaufsonde wie des Modells von Enotec unentbehrlich, da auf Grundlage ihrer Messdaten die Mehl- und Brennstoffaufgabe, der Brennstoffmix und die Luftzufuhr beeinflusst werden. Erfasst und geregelt werden dabei im Einzelnen der O2-, NOx- und CO-Gehalt, wodurch unter anderem die Klinkerqualität dauerhaft hoch gehalten werden kann. „Wenn man ein klares Bild hat, was an der Ofeneinlaufkammer passiert, kann man eine sehr gute Korrelation zu anderen Prozessparametern herstellen und schnell Rückschlüsse und Verbesserungen ausführen“, bestätigt Valentin Hamar, Leiter Brennerei und Schichtbetrieb bei HeidelbergCement, die Notwendigkeit der Gasmessung.
Sonde mit allen Bewegungsfunktionen für den dauerhaften Betrieb
Die Cemtec-Sonde, die in Burglengenfeld für die Bestimmung der benötigten Parameter eingesetzt wird, besteht im Wesentlichen aus der wassergekühlten Entnahmesonde selbst, einem Drucklufttank, einem Rückkühler für das Kühlwasser, dem Regelschrank für die Kühlung, dem Vorort-Steuerschrank sowie einem Steuerschrank mit eingebauter SPS-Steuerung. Eine Besonderheit der Sonde von Enotec ist, dass sie als einziges Modell auf dem Markt alle für den dauerhaften Massenbetrieb notwendigen Bewegungen voll automatisch ausführt – vom Ein- und Ausfahren über das Drehen um ± 45° und das Stößeln bis hin zum Impulsreinigen. Alle Bewegungen werden über Druckluft umgesetzt, womit eine einzige Versorgungmethode den sicheren Betrieb der Sonde gewährleistet. Bei einem Ausfall von Druckluft oder Spannungsversorgung bildet ein 1.000 l-Drucklufttank eine ausreichende Reserve, um das sichere Ausfahren der Cemtec zu gewährleisten. Zusätzlich sorgt bei Spannungsausfall eine akkubetriebene USV-Anlage (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) im Schaltschrank dafür, dass die Sonde mit Hilfe ihrer Steuerung in eine sichere Position fährt. Desweitern werden alle für die Sonde wichtigen Parameter wie Temperaturen und Drücke überwacht, um die Sonde im Notfall aus dem Prozess herauszufahren und ein Überhitzen zu verhindern.
Die Cemtec-Sonde zieht das Messgas über das innen liegende Sintermetall-Filterrohr aus dem Drehrohrofen. Anhaftungen von Staub auf dem inneren Filterrohr und in der Messgasöffnung werden durch das regelmäßige Stößeln entfernt – das bedeutet, dass das interne Filterrohr mittels zweier pneumatischer Zylinder regelmäßig axial ein- und ausgefahren wird, so dass Rohmehl-Anbackungen an der Sondenspitze verhindert werden. Dies ist für die zuverlässige Analyse entscheidend, da sonst heiße Anbackungen am Messgaseingang durch Oxidation des Rauchgases das gemessene O2 und CO senken und damit die Messwerte verfälschen können. Alle zyklischen Funktionen der Cemtec – neben dem Stößeln sind dies Drehen, Rückspülen sowie Ein- und Aus-Fahren – lassen sich variabel über das Human Machine Interface (HMI) einstellen und den jeweiligen Anforderungen der Ofenanlage anpassen. Das Messgas wird über die beheizte Entnahmeleitung in den Gasanalyse-Systemschrank gefördert und dem Analysator über eine vorgeschaltete Messgasaufbereitung getrocknet und gereinigt zugeführt. Hier hat sich seit über einem Jahr eine an die Cemtec-Sonde angepasste kalt-extraktive Analysenmessung mit optimierter Messgasaufbereitung bewährt.
Zuverlässige Messdaten ab dem Tag der Inbetriebnahme
Die Cemtec wurde im März 2018 von Enotec in Burglengenfeld installiert. Die Montage verlief ohne Probleme und war innerhalb weniger Tage abgeschlossen, so dass die Sonde vom ersten Moment der Zündung an zuverlässig Messgas lieferte. Um die Gefahr von herabfallenden Anbackungen in der Ofeneinlaufkammer – eines der größten Risiken bei der Ofeneinlaufmessung – so gering wie möglich zu halten, wurde die Sonde zudem nach einer kurzen Absprache zwischen Enotec, der Montagefirma vor Ort und HeidelbergCement durch eine feuerfeste Ausmauerung geschützt, die sich im späteren Betrieb bewährt hat. Die Einweisung des Betriebspersonals der Sonde fand bereits ein paar Tage nach der ersten Zündung des Drehrohrofens statt. Aufgrund des vollen Funktionstests der Sonde bei Enotec im Werk und ihrer einfachen Bedienbarkeit konnten die Mitarbeiter von HeidelbergCement im Anschluss sofort die Bedienung übernehmen. Zudem lieferte die Sonde vom ersten Tag an zuverlässige Messwerte und unterstützte so bei der Inbetriebnahme und Optimierung des Ofens: „Durch den Umbau waren für uns viele Werte neu, aber die Cemtec-Werte an der Ofeneinlaufkammer sind für uns ein enorm wichtiges Indiz dafür, wie der Ofen läuft. Sie ermöglichten uns, den umgebauten Ofen schnell und gut zu verstehen“, erklärt Hamar.
Nach etwa einem Jahr Betrieb ließ sich zweifelsfrei feststellen, dass Sonde und kalt-extraktive Messung ohne Probleme und ohne großen Wartungsbedarf zuverlässige und repräsentative Messwerte liefern. Nach 12 Monaten wurde eine reguläre Jahreswartung des Systems durchgeführt, bei der lediglich der Filter getauscht und Verschleißteile ausgewechselt wurden. Insgesamt hat die Sonde nun in über zwei Jahren Betrieb in 90 Prozent der Betriebszeit zuverlässig Messgas zur Verfügung gestellt, so dass der Ofen kontinuierlich überwacht und geregelt werden konnte. Selbst in einem Fall, in dem die Analyseergebnisse nicht plausibel erschienen, konnte das Schichtpersonal mit Unterstützung von Enotec schnell verifizieren, dass die Messwerte der Ofeneinlaufsonde korrekt waren, und das Problem kurz darauf am Ofen selbst identifizieren. „Enotec liefert mit ihrer Cemtec-Sonde eines der zuverlässigsten Systeme im Werk. Der Wartungsbedarf ist sehr gering und einfach“, bestätigt Norbert Beer, Elektromeister bei HeidelbergCement. „Enotec liefert durch ihre direkte Kommunikation und den schnellen Support genau die Eigenschaften, die man von einem mittelständischen Unternehmen erwartet und bei größeren Firmen oft vermisst.“
Mit Hilfe der Cemtec konnte HeidelbergCement alle Ziele der Modernisierung innerhalb einer sehr kurzen Betriebszeit erreichen. Die seit 2019 geltenden verschärften Grenzwerte in Bezug auf Stickoxide und Ammoniakemissionen können sicher eingehalten werden und die Produktqualität ließ sich trotz des umfangreichen Bauvorhabens weiter auf einem sehr hohen Niveau halten. Zudem wurde der Anteil der Sekundärbrennstoffe kontinuierlich angehoben und wird sich in naher Zukunft auf die angestrebten 80 % belaufen.
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