KIMA Process Controll GmbH
Güstener Str. 72
52428 Jülich
Die Herstellung von Zementklinker gehört zu den energieintensivsten industriellen Prozessen und ist mit erheblichen CO₂-Emissionen verbunden. Neben rohstoffbedingten Prozessemissionen entsteht ein wesentlicher Anteil der Emissionen durch den hohen thermischen Energiebedarf der Drehrohrofensysteme, die das zentrale Aggregat der Klinkerproduktion bilden. In Deutschland werden für die Zementproduktion jährlich große Mengen thermischer und elektrischer Energie eingesetzt, wodurch ein signifikanter Beitrag zu den industriellen Treibhausgasemissionen entsteht.
Ein kurzfristig wirksamer Ansatz zur Reduktion dieser Emissionen liegt in der Steigerung der Energieeffizienz bestehender Anlagen. Der Stand der Technik in der Prozessführung von Drehrohrofensystemen ist jedoch überwiegend durch eine komponentenweise Regelung einzelner Anlagenteile geprägt. Prozessgrößen wie Brennerleistung, Ofentemperatur oder Gasführung werden meist getrennt voneinander geregelt, ohne dass eine durchgängige und physikalisch konsistente Betrachtung der gesamten Masse- und Energieströme des Ofensystems erfolgt. Dadurch bleiben energetische Wechselwirkungen zwischen Wärmetauscherturm, Kalzinator, Drehrohrofen und Klinkerkühler häufig unzureichend berücksichtigt. Instationäre Betriebszustände, Energieverluste sowie ineffiziente Betriebsweisen können daher nur begrenzt erkannt und optimiert werden.
Vor diesem Hintergrund bestand das Ziel des Vorhabens darin, eine innovative, systemweite Regeltechnik für Drehrohrofensysteme zu entwickeln, die relevante Stoff-, Gas- und Energieströme des Gesamtprozesses integriert erfasst, bilanziert und für eine modellbasierte Prozessführung nutzbar macht. Durch die Kombination aus erweiterter Messtechnik, dynamischer Energie- und Massenbilanz sowie darauf aufbauenden Regelstrategien sollte eine transparentere Bewertung der energetischen Prozesszustände ermöglicht werden.
Ziel war es insbesondere, den spezifischen Brennstoffverbrauch und damit die brennstoffbedingten CO₂-Emissionen der Zementklinkerproduktion zu reduzieren sowie die Prozessstabilität zu verbessern. Darüber hinaus sollte die entwickelte Regelstrategie die Nutzung alternativer Brennstoffe unterstützen und damit langfristig zur weiteren Verringerung fossiler Energieträger beitragen.
Das Vorhaben leistet damit einen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz energieintensiver Industrieprozesse und zur Minderung klimarelevanter Emissionen in der Zementindustrie.
Die Durchführung des Vorhabens erfolgte in mehreren aufeinander aufbauenden Arbeitsschritten, die von der Analyse des bestehenden Drehrohrofensystems über die Entwicklung eines physikalischen Prozessmodells bis hin zur Implementierung und Validierung einer erweiterten Regelstrategie reichten.
Zu Beginn wurde eine systematische Erfassung und Analyse der relevanten Stoff-, Gas- und Energieströme des Ofensystems durchgeführt. Auf dieser Grundlage wurde ein übergeordnetes Energie- und Massenbilanzmodell entwickelt, das die wesentlichen Prozessbereiche – Wärmetauscherturm, Kalzinator, Drehrohrofen und Klinkerkühler – in einer konsistenten Gesamtbetrachtung zusammenführt. Ziel dieser Modellbildung war es, energetische Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Anlagenteilen transparent darzustellen und eine Grundlage für eine systemweite Prozessführung zu schaffen.
Parallel dazu wurde die messtechnische Datengrundlage erweitert. Hierfür wurden zusätzliche Messkonzepte zur Erfassung von Temperatur-, Gas- und Prozessgrößen entwickelt und in das bestehende Prozessleitsystem integriert. Die erweiterten Messdaten ermöglichten eine verbesserte Abbildung der energetischen Zustände des Ofensystems und dienten gleichzeitig der Validierung des entwickelten Bilanzmodells.
Auf Basis dieser Modell- und Messdatenstruktur wurde eine übergeordnete Regelstrategie entwickelt, die energetische und prozessbezogene Zusammenhänge des Gesamtsystems berücksichtigt. Dabei wurden Methoden der modellbasierten Prozessführung sowie mathematische Optimierungsansätze eingesetzt, um geeignete Betriebspunkte zu bestimmen und die Betriebsführung des Ofensystems zu stabilisieren.
Die entwickelten Methoden wurden anschließend schrittweise in einer Demonstratoranlage umgesetzt und unter realen industriellen Betriebsbedingungen getestet. Die Validierung erfolgte anhand kontinuierlicher Prozessdaten sowie durch die Analyse von Energie- und Stoffbilanzen während unterschiedlicher Betriebszustände.
Durch diese strukturierte Vorgehensweise konnte ein praxisnahes Gesamtkonzept entwickelt und in einem realen Produktionsumfeld erprobt werden.
Im Rahmen des Vorhabens wurde eine systemweite, modellbasierte Regelstrategie für Drehrohrofensysteme entwickelt und unter industriellen Betriebsbedingungen erprobt. Grundlage des Ansatzes ist die Kombination aus erweiterter Messtechnik, einer durchgängigen Energie- und Massenbilanz des gesamten Ofensystems sowie darauf aufbauenden Methoden der modellgestützten Prozessführung. Dadurch konnten energetische Wechselwirkungen zwischen Wärmetauscherturm, Kalzinator, Drehrohrofen und Klinkerkühler erstmals konsistent erfasst und für eine optimierte Betriebsführung genutzt werden.
Die Demonstrationsphase zeigte, dass durch die systemweite Betrachtung energetisch günstigere Betriebspunkte identifiziert und stabil betrieben werden können. Instationäre Energieflüsse und energetische Verlustpfade im Ofensystem werden transparenter und können gezielter berücksichtigt werden. Dies trägt zur Stabilisierung des Anlagenbetriebs und zu einer effizienteren Nutzung der eingesetzten Brennstoffe bei.
Aus ökologischer Sicht liegt das zentrale Ergebnis des Projektes in der Möglichkeit, den spezifischen Brennstoffverbrauch der Zementklinkerproduktion zu reduzieren. Bereits moderate Effizienzsteigerungen führen aufgrund der großen Produktionsmengen zu relevanten absoluten Energieeinsparungen und damit zu einer Verringerung der brennstoffbedingten CO₂-Emissionen. Gleichzeitig unterstützt die stabilere Prozessführung eine höhere und gleichmäßigere Einbindung alternativer Brennstoffe, wodurch fossile Energieträger teilweise substituiert werden können.
Neben den ökologischen Effekten ergeben sich auch wirtschaftliche Vorteile durch eine Reduktion des Brennstoffverbrauchs sowie eine stabilere Prozessführung. Die entwickelte Methodik besitzt zudem eine grundsätzliche Übertragbarkeit auf weitere Anlagen der Zementindustrie und kann damit zur Verbesserung der Energieeffizienz und zur Minderung klimarelevanter Emissionen in einem energieintensiven Industriezweig beitragen.
Die Ergebnisse des Projektes wurden im Verlauf der Projektlaufzeit sowie nach Abschluss des Vorhabens gegenüber Fachvertretern der Zementindustrie und Industriepartnern vorgestellt. Im Mittelpunkt standen dabei die Möglichkeiten zur Verbesserung der Energieeffizienz von Drehrohrofensystemen sowie die praktischen Erfahrungen aus der Umsetzung im industriellen Demonstrationsbetrieb.
Darüber hinaus ist vorgesehen, ausgewählte Projektergebnisse im Rahmen von Fachvorträgen auf branchenspezifischen Veranstaltungen zu präsentieren. Ziel ist es, die gewonnenen Erkenntnisse einer breiteren Fachöffentlichkeit zugänglich zu machen und den Austausch zu energieeffizienten Prozessführungsstrategien zu fördern.
Ergänzend ist die Veröffentlichung ausgewählter Ergebnisse in einem technischen Fachjournal geplant.
Das Projekt zeigt, dass eine systemweite, modellbasierte Regelstrategie für Drehrohrofensysteme technisch realisierbar ist und unter industriellen Betriebsbedingungen stabil betrieben werden kann. Durch die Kombination aus erweiterter Messtechnik, durchgängiger Energie- und Massenbilanz sowie modellgestützter Prozessführung konnte eine deutlich verbesserte Transparenz über energetische Zusammenhänge im Ofensystem erreicht werden. Dadurch lassen sich energetisch günstigere Betriebspunkte identifizieren und stabil betreiben.
Die entwickelten Ansätze eröffnen ein relevantes Potenzial zur Reduktion des spezifischen Brennstoffverbrauchs und damit zur Minderung energiebedingter CO₂-Emissionen in der Zementklinkerproduktion. Gleichzeitig unterstützt die stabilere Prozessführung eine effizientere Nutzung alternativer Brennstoffe.
Aufgrund der grundsätzlichen Übertragbarkeit auf weitere Anlagen der Zementindustrie besitzt das entwickelte Konzept ein erhebliches Multiplikationspotenzial und kann einen Beitrag zur Verbesserung der Energieeffizienz und zur Reduktion klimarelevanter Emissionen in einem energieintensiven Industriezweig leisten.