Rohmehlaufbereitung in einem Zementwerk

Rohmehl ist das homogene, feine Pulver aus Kalkstein, Ton (oder Tonschiefer), Eisenerz und Quarzsand, mit dem der Vorwärmerturm eines Zementdrehofens beschickt wird. Die Rohmehlaufbereitung ist der vorgeschaltete Schritt des Zementherstellungsprozesses, bei dem diese Rohstoffe gebrochen, gemahlen und auf eine chemische Zielzusammensetzung dosiert werden. Diese Zielzusammensetzung wird durch drei Steuerungsmoduln definiert: den Kalksättigungsfaktor (LSF), den Silicatmodul (SM) und den Tonerdemodul (AM).

Der folgende Beitrag befasst sich mit den Rohstoffen und der Rolle ihrer Oxide, den Formeln, die ein Verfahrensingenieur zur Einstellung der Rohmischungschemie verwendet, der Wahl zwischen einer Vertikalwälzmühle (VRM) und einer Kugelmühle, der kontinuierlichen Homogenisierung sowie der Wirtschaftlichkeit des Zukaufs von Korrekturstoffen, wenn der werkseigene Steinbruch an Grenzen stößt.

Was ist Rohmehl?

Rohmehl ist das feine, homogenisierte Pulver, das durch das Mahlen der dosierten Rohmischung auf eine kontrollierte Feinheit entsteht, bevor es dem Vorwärmerturm zugeführt wird. Die typische Rohmehlfeinheit in modernen Trockenprozess-Zementwerken liegt bei 10–15 % Rückstand auf einem 90-Mikrometer-Sieb und 1–2 % Rückstand auf einem 200-Mikrometer-Sieb (Labahn und Kohlhaas, Cement Engineers' Handbook, 7. Aufl., 1983, das langjährige Standardwerk für Schulungen in Zementwerken).

Rohmehl (Synonyme: Ofenmehl, Zementrohmischung). Das homogenisierte, feine Pulver aus Kalkstein, Ton oder Tonschiefer, Eisenerz und Quarzsand, das gemahlen und auf eine chemische Zielzusammensetzung dosiert wird und in den Vorwärmerturm eines Zementofens eingespeist wird. Genau genommen bezeichnet „Rohmischung“ das formulierte Gemisch vor dem Mahlen, „Rohmehl“ das gemahlene Produkt und „Ofenmehl“ das Mehl beim Eintritt in den Vorwärmer. In der Praxis werden diese drei Begriffe in den meisten Werken synonym verwendet.

Hinweis: Der Begriff „Rohmischung“ (engl. raw mix) taucht auch im Kontext von Lebens- und Futtermitteln mit völlig anderen Bedeutungen auf; im Zementkontext bezeichnet er speziell das chemisch kontrollierte Mineralgemisch, das zu Klinker gebrannt wird.

Die vier Rohstoffe und die Rolle ihrer Oxide

Vier Rohstoffe liefern die vier Oxide, die über 95 % des Portlandzementklinkers ausmachen: Kalkstein (CaO), Ton oder Tonschiefer (SiO₂ und Al₂O₃), Eisenerz (Fe₂O₃) und Quarzsand (zusätzliches SiO₂). Die nach Masse dominierende Komponente ist Kalkstein.

Quelle: Labahn und Kohlhaas, Cement Engineers' Handbook; Cembureau-Branchen-Benchmark. https://cembureau.eu/

Ton liefert den größten Teil des Siliciumdioxids und des Aluminiumoxids. Eisenerz und Quarzsand sind Korrekturstoffe, die hinzugefügt werden, wenn die Basis aus Kalkstein und Ton die chemischen Zielwerte allein nicht erreicht. In vielen Werken ersetzen Flugasche, Hüttensand oder Rotschlamm einen Teil der Korrekturstoffe, um sowohl die chemische Lücke zu schließen als auch die Kosten pro Tonne und den CO₂-Fußabdruck der Rohmischung zu reduzieren.

Die chemischen Steuerungsmoduln (LSF, SM, AM)

Die Chemie der Rohmischung wird durch drei dimensionslose Verhältnisse gesteuert: den Kalksättigungsfaktor (LSF), den Silicatmodul (SM) und den Tonerdemodul (AM). Zusammen bestimmen sie die Brennbarkeit des Klinkers, die Vier-Phasen-Zusammensetzung des resultierenden Klinkers und die spätere Leistungsfähigkeit des Zements.

Die Formeln:

LSF = (100 × CaO) / (2.8 × SiO2 + 1.18 × Al2O3 + 0.65 × Fe2O3)

SM  = SiO2 / (Al2O3 + Fe2O3)

AM  = Al2O3 / Fe2O3

Wobei:

• CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃. Massenanteile der vier Hauptoxide in der Rohmischung auf glühverlustfreier Basis.
• LSF. Kalksättigungsfaktor (engl. Lime Saturation Factor). Das Verhältnis des vorhandenen CaO zu dem CaO, das sich stöchiometrisch mit SiO₂, Al₂O₃ und Fe₂O₃ zu den vier Klinkerphasen verbinden kann. Werte über 100 führen zu überschüssigem Freikalk; Werte unter einem effektiven Minimum führen zu einem geringen Alitgehalt (C₃S) und einer geringen Festigkeit des Zements.
• SM. Silicatmodul (engl. Silica Modulus). Bestimmt das Gleichgewicht zwischen den Silicatphasen und der flüssigen Aluminat-Ferrit-Schmelzphase, die den Klinkerbrand im Ofen mineralisiert.
• AM. Tonerdemodul (engl. Alumina Modulus, manchmal auch Aluminatmodul oder Eisenmodul). Bestimmt das Verhältnis von C₃A zu C₄AF im Klinker, was wiederum die Erstarrungszeit und die Sulfatbeständigkeit beeinflusst.

Zielbereiche für gewöhnlichen Portlandzementklinker (OPC) gemäß Labahn / Kohlhaas und den Branchenkonventionen von Cembureau:

Ein Werk, das außerhalb dieser Bereiche arbeitet, produziert nicht zwangsläufig Ausschuss, aber jede Abweichung der Moduln führt entweder zu einem höheren Brennstoffbedarf (niedriger SM, Probleme in der Ansatzbildungszone), Qualitätseinbußen (niedriger LSF, geringere Klinkerfestigkeit) oder einer Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit (hoher AM, längere Erstarrungszeit und geringere Sulfatbeständigkeit).

Mahlung: Vertikalwälzmühle vs. Kugelmühle

Die Rohstoffe werden entweder in einer Vertikalwälzmühle (VRM) oder einer Kugelmühle zu Rohmehl gemahlen. Bei Neuinstallationen dominieren VRMs aufgrund ihres geringeren spezifischen Stromverbrauchs (typischerweise 12–18 kWh/t je nach Mahlbarkeit des Kalksteins, im Vergleich zu 20–25 kWh/t bei einem Kugelmühlenkreislauf, gemäß veröffentlichten Mühledaten von Loesche und FLSmidth sowie Erhebungsdaten des NCB Indien für die indische Flotte, die den spezifischen Stromverbrauch von VRMs für Rohmehl bei 8–14 kWh/t für weichen bis harten Kalkstein ansetzen). VRMs halten laut NCB-Anlagenerhebungsdaten den größten Anteil an der Rohmehlmahlkapazität in Indien; Kugelmühlen sind weiterhin in älteren Rohmahlanlagen auf bestehenden Standorten (Brownfield) im Einsatz und werden nach wie vor häufig für die Fertigmahlung verwendet, aber neue Rohmehl-Mahlbarkeitslinien werden fast ausnahmslos als VRMs spezifiziert.

Quellen: Technische Daten der Loesche LM-Serie, FLSmidth OK Rohmehlmühlen-Produktliteratur, Datenblätter der KHD Humboldt Wedag und Gebr. Pfeiffer MPS-Serie; ECRA-Berichte zum Energiebedarf bei der Zementmahlung. https://www.loesche.com/ , https://www.flsmidth.com/ , https://ecra-online.org/

Eine VRM spart im Vergleich zu einer Kugelmühle gleicher Kapazität 20–30 % der Mahlenergie (veröffentlichte Zahlen von FLSmidth und Loesche, konsistent mit den ECRA-Berichten). Sie kann feuchte Rohstoffe besser verarbeiten, was wichtig ist, da frisch aus dem Steinbruch geförderter Kalkstein vor jeglicher Trocknung 8–12 % Feuchtigkeit aufweisen kann. Der Nachteil sind die höheren Investitionskosten und der spezialisiertere Arbeitsablauf bei Verschleißteilen: Eine Kugelmühle ist einfacher zu betreiben, leichter zu warten und verzeiht einer weniger erfahrenen Schichtmannschaft mehr Fehler. Bei einer neuen Linie ist die VRM allein aufgrund der Stromkosten fast immer die richtige Wahl; bei einer Modernisierung im Bestand (Brownfield) hängt die Antwort von der verbleibenden Lebensdauer der vorhandenen Kugelmühle und dem lokalen Stromtarif ab.

Mischen und Homogenisieren

Nach dem Mahlen wird das Rohmehl in einem kontinuierlichen Massenfluss-Mischsilo homogenisiert, bevor es dem Vorwärmer zugeführt wird. Moderne kontinuierliche Mischsilos reduzieren die Standardabweichung des LSF im Ofenmehl im Vergleich zum eintretenden Rohmehlstrom um den Faktor 7 bis 10 (Schulungsunterlagen des Holderbank Cement Course, das von Holcim herausgegebene, branchenweit genutzte Referenzwerk). Diese Reduzierung der Standardabweichung ermöglicht erst eine konstante Klinkerchemie in einem kontinuierlich betriebenen Ofen.

Die dominierende vorgelagerte Quelle für LSF-Schwankungen ist der Kalksteinbruch selbst: Die Geologie ist nicht einheitlich, und der CaCO₃-Gehalt einer Abbauwand kann im Laufe einer Arbeitswoche um mehrere Prozentpunkte schwanken. Online-Röntgenfluoreszenzanalysatoren (RFA) am Auslauf der Rohmühle und an der Ofenspeisung schließen den Regelkreis und passen die Dosierer der Korrekturstoffe in Echtzeit an. Werke ohne Online-RFA analysieren in jeder Schicht eine Labor-Mischprobe, was zwar funktioniert, aber den vorgelagerten Schwankungen immer um Stunden hinterherhinkt.

Rohmischungsberechnung und Wirtschaftlichkeit von Korrekturstoffen

Die Rohmischungsberechnung ist ein Optimierungsproblem mit dem Ziel, die Zielwerte für LSF, SM und AM unter Verwendung der verfügbaren Rohstoffe bei minimalen Einstandskosten zu erreichen. Wenn der werkseigene Kalkstein minderwertig ist oder nicht den Spezifikationen entspricht (hoher Siliciumdioxid-, hoher MgO- oder hoher Alkaligehalt), kaufen die Werke Korrekturstoffe – typischerweise Eisenerz, Bauxit oder Quarzsand –, um die chemische Lücke zu schließen.

Hierfür gibt es zwei Hebel: eine sorgfältigere Mischung im Steinbruch (selektiver Abbau, Mischbetten, Abbau an mehreren Wänden) oder der Zukauf von Korrekturstoffen. Der selektiver Abbau ist pro Tonne günstig, aber betrieblich unflexibel; zugekaufte Korrekturstoffe sind pro Tonne teuer, ermöglichen es dem Werk jedoch, die Chemie innerhalb von Stunden statt Wochen anzupassen. Die meisten Werke nutzen beide Hebel, wobei das Gleichgewicht durch die Qualität der werkseigenen Reserven und den lokalen Preis der Korrekturstoffe bestimmt wird.

Alternative Rohstoffe (Flugasche aus Kohlekraftwerken, Hüttensand, Walzzunder, Rotschlamm aus Aluminiumraffinerien) ersetzen einen Teil der Korrekturstoffe, sofern die Chemie dies zulässt. Sie senken sowohl die Einstandskosten als auch den CO₂-Fußabdruck pro Tonne der Rohmischung, da sie das CO₂ aus der Entsäuerung vermeiden, das andernfalls durch zusätzlichen Kalkstein entstehen würde.

Warum die Rohmehlaufbereitung für den Ofenbetrieb entscheidend ist

Schwankungen in der Rohmehlchemie gehören zu den größten vorgelagerten Ursachen für einen instabilen Ofenbetrieb. Eine LSF-Abweichung von mehr als ±2 Prozentpunkten an der Ofenspeisung reicht in der Regel aus, um Freikalkwerte, Brennstoffverbrauch und den Verschleiß der feuerfesten Ausmauerung aus ihren Zielbereichen zu treiben (gemäß den VDZ-Richtlinien für den Ofenbetrieb). Aus diesem Grund sind das Mischsilo und die Online-RFA keine Option, sondern eine Notwendigkeit: Sie machen den Unterschied zwischen einem stabilen Ofenbetrieb und einem Ofen, gegen den die Bediener in jeder Schicht ankämpfen müssen.

Die Rohmehlfeuchtigkeit ist ein sekundärer Einflussfaktor für den Brennstoffverbrauch: Jeder Prozentpunkt Feuchtigkeit im Ofenmehl erhöht den spezifischen Brennstoffverbrauch messbar in kcal/kg, da derselbe Brennstoff dieses Wasser verdampfen muss, bevor er nutzbare Kalzinierungsarbeit leisten kann. Mit VRMs ausgestattete Linien können dank ihrer integrierten Trocknungskapazität feuchtere Steinbruchbestände verarbeiten, ohne diesen Nachteil in Kauf nehmen zu müssen.

Für den Ofenführer setzt die Rohmehlchemie die Rahmenbedingungen für das, was im nachgelagerten Prozess erreichbar ist. Ein gut aufbereitetes Rohmehl ist die Voraussetzung für eine stabile thermische Behandlung (Pyroprozess) im Kalzinator und im Drehrohrofen; ein schlecht aufbereitetes Rohmehl vervielfacht jedes andere Problem, vom Eintritt von Falschluft bis hin zur Haltbarkeit der feuerfesten Ausmauerung.

Das Engineering-Consulting-Team von Oswal prüft die Rohmischungsberechnung und die chemische Steuerung im Rahmen umfassender Ofenleistungsanalysen im Zementwerksbetrieb; die LSF- / SM- / AM-Zielwerte und die Reduzierung der Standardabweichung im Mischsilo bilden dabei die standardmäßige diagnostische Grundlage.