Kleines Kalkwerk mit großer Technik

Drehkolbenverdichter steigern Energieeffizienz im Brennofen

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29.05.2018 Temperaturen zwischen 900 und 1.200 °C sind notwendig, damit aus Kalkstein Branntkalk wird. Als Kalzination bezeichnen Chemiker diesen entsäuernden Prozess, bei dem das Mineral Kohlenstoffdioxid abgibt. Vom Calciumcarbonat zum Calciumoxid: Das endotherme Verfahren benötigt reichlich thermische Energie, weshalb Ofenbauer und Kalkwerke ständig auf der Suche nach effizienteren Verfahren sind.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Der in einem Kalkwerk installierte Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativofen nutzt Hybrid-Drehkolbenverdichter, die sowohl nach dem Roots-Prinzip für niedrigen Druck als auch dem Schraubenverdichter-Prinzip für höheren Druck arbeiten können.
  • Die Hybridtechnologie hat zwar höhere Investitionskosten, liefert aber einen schnellen Return-of-invest, da sie aufgrund ihrer Energieeffizienz die Betriebskosten deutlich senkt.

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Das Besondere an Dolomit als Kalkstein ist der Anteil an Magnesiumcarbonat. Bilder: sienk.de

So auch in Nordhessen, wo das Unternehmen Köhler Kalk Dolomit brennt, ein kristallines Mineralgemisch aus Calcium- und Magnesiumcarbonat. Dieser Branntkalk ist vor allem für die Stahlindustrie besonders gut geeignet, weil sich der als Oxid enthaltene Magnesiumanteil (MgO) bei der Stahlherstellung positiv auswirkt und beim Veredeln des Roheisens zum Stahl die Konverterwände schützt. Generell hat der zugesetzte Kalk die Aufgabe, den Schwefel in der Schmelze zu binden. Stahlkocher gehören deshalb zu den Stammkunden des Kalkwerks aus dem hessischen Vockerode, östlich von Kassel. „Dolomitvorkommen gibt es nicht ganz so viele in Deutschland“, berichtet Christian Köhler, technischer Leiter des kleinsten Kalkwerks in Deutschland.

Strom statt Kohle

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Delta Blower von Aerzen blasen den Braunkohlestaub durch Brennerlanzen hindurch in den Brennofen.

Mit Blick auf die Zukunftssicherheit des Kalkstandorts hat das Familienunternehmen 2017 die Entscheidung getroffen, in einen neuen Brennofen zu investieren. Den Auftrag dafür erhielten die Spezialisten von Qualical aus Italien. Konzipiert als Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativofen (GGR) zählt dieser Typ zu den energieeffizientesten Kalkbrennern nach BVT (Beste verfügbare Technik, Bestandteil des Anlagenzulassungsrechts nach EU-Richtlinie 2010/75/EU über Industrieemissionen).

War in der Vergangenheit für den Kalkbrenner vor allem der Verbrauch an Koks die bestimmende Größe bei den Betriebskosten, sind es heute Braunkohlestaub und elektrische Energie. „Strom war für uns bis dato nie ein Thema“, blickt Köhler zurück. „Der alte Ofen funktioniert quasi mechanisch.“ Wenn die neue Anlage eingefahren ist, wird der Brennstoff nicht mehr zusammen mit dem Dolomitgestein schichtweise in den Ofen eingebracht und unter Feuer gesetzt, sondern mit verteilten Brennerlanzen direkt in die Kalzinierungszonen eingeblasen. Dafür sind Gebläse für die Transport- und Kühlluft genauso notwendig wie für das Erzeugen der Prozessluft in den GGR-Ofen.

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Christian Köhler, technischer Leiter, Köhler Kalk, „Unser Ziel bestand darin, maximale Effizienzgewinne zu einem möglichst geringen Anstieg des Anlagenpreises zu erzielen.“

Hybridgebläse senkt Energieverbrauch

Das gezielte Einblasen der Braunkohle mit insgesamt 24 Brennerlanzen – je zur Hälfte verteilt auf die beiden Schächte – verbessert den thermischen Wirkungsgrad, weil die Kohle ihre Energie direkt an das Gestein abgibt. Begleitet wird die Kalzination von einer ausgefeilten Luftführung – der namensgebenden Gleichstrom-Gegenstrom-Regeneration. Diese Aufgabe übernehmen im Kalkwerk Drehkolbenverdichter der Baureihe Delta Hybrid von Aerzen. Die Hybridgebläse vereinen zwei Luftförderverfahren in einem Gerät: Das Roots-Prinzip als Volldruckverdichtung für niedrigen Druck und das Schraubenverdichter-Prinzip mit innerer Verdichtung für höheren Druck. Das Gebläsemodell basiert dabei konzeptionell auf den etablierten Baureihen Delta Blower und Delta Screw. Der Gebläsehersteller hat errechnet, dass der Drehkolbenverdichter im Vergleich zu herkömmlichen Gebläsen bei der absolut ölfreien Luftförderung bis zu 15 % weniger Strom benötigt.

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Die Dimension der Rohrleitungen lässt erahnen, wie hoch der Bedarf an Prozessluft in GGR-Öfen ist.

Dieser sparsame Umgang mit elektrischer Energie wirkt sich am Einsatzort im Kalkwerk spürbar auf die Effizienz der Gesamtproduktion aus – und dieses mit kurzen ROI-Zeiten.
Welchen Stellenwert die Gebläsetechnik in modernen GGR-Öfen einnimmt, wird beim Blick in den Maschinenraum des neuen Ofens deutlich. Für die Verbrennungsluft sind drei Delta Hybrid D 75 L mit maximal 132 kW und einem Förderstrom bis 4.000 m³/h bei 1.000 mbar im Einsatz. Weitere zwei Aggregate mit gleicher Leistung fördern kalte Außenluft, die von unten in den fertig kalzinierten Kalk geblasen wird, um diesen vor dem Austrag aus dem Ofen auf eine deutlich niedrigere Temperatur abzukühlen.

Für das Kühlen der Brennerlanzen in den beiden Ofentürmen sowie die pneumatische Förderung des Braunkohlestaubes setzt Köhler Kalk weiterhin auf die Baureihe Delta Blower. Weil die insgesamt drei Einheiten vom Typ GM25 S mit maximal 55 kW und einem Volumenstrom bis 1.450 m³/h deutlich weniger Leistung liefern, als die fünf Delta Hybrid Gebläse, hat sich der Betreiber entschieden, hier kein Upgrade vorzunehmen. „Unser Ziel bestand darin, maximale Effizienzgewinne zu einem möglichst geringen Anstieg des Anlagenpreises zu erzielen“, erklärt Köhler.

Effizient mit exakter Drehzahlsteuerung

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Mit der Investition in einen GGR-Ofen sichert Köhler Kalk nachhaltig den eigenen Standort.

„Traditionell sind in Brennöfen durchweg Drehkolbengebläse im Einsatz. Die arbeiten zwar sehr zuverlässig, verbrauchen aber recht viel Energie“, erklärt Francesco Cella, CTO von Qualical. Durch den Wechsel auf Drehkolbenverdichter ist es dem Anlagenbauer gelungen, im Zusammenspiel mit einer exakten Drehzahlsteuerung der Gebläse die notwendigen Luftmengen so energieeffizient wie möglich zur Verfügung zu stellen. Aufgrund der speziellen Rotorenprofile ist das Hybridgebläse in der Lage, nur durch innere Verdichtung Energie einzusparen. Diese Einsparung gelingt ohne Qualitätseinbußen und Minderung der Zuverlässigkeit der Drehkolbengebläse. Um Qualität und Zuverlässigkeit zu sichern, arbeiteten Anlagenbauer und Gebläsehersteller bereits im frühen Entwicklungsstadium eng zusammen. Hierbei wurden Prozessdaten analysiert, simuliert und die Ergebnisse letztlich auf die Gebläsetechnik reflektiert. „Der Erfolg ist das Ergebnis eines sehr vertrauensvollen und umfassenden Informationsaustausches. Wir können sehr gut Kalk brennen, Aerzen sehr gut Prozessluft erzeugen – das passt zusammen“, freut sich Carlo Cello, CEO von Qualical.

Fazit: Die neue Anlage im Kalkwerk zeigt anschaulich, wie sich ökonomische Vorteile, Nachhaltigkeit und steigende Produktqualität in Einklang bringen lassen. Auch wenn die Hybridtechnologie beim Blick auf die Hardwarekosten zunächst aufwendiger ist als die herkömmliche Gebläsetechnik, so sprechen die spürbar sinkenden Betriebskosten für eine Investition in solche Drehkolbenverdichter. Der Betreiber Köhler ist überzeugt, dass den Hybridgebläsen im Ofenbau für die Kalkverarbeitung generell die Zukunft gehört: „Unser Ofen ist der erste in Deutschland, mit dem im GGR-Verfahren Dolomit gebrannt wird. Wir gehören quasi zu den Pionieren und sind gespannt, wie hoch der Effizienzgewinn nach dem Einlaufbetrieb letztlich ausfallen wird.“

Achema Halle 8.0 – D38

Heftausgabe: Juni/2018

Über den Autor

Thorsten Sienk, freier Fachjournalist
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