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Die international führende Fachzeitschrift für die gesamte Bindemittelindustrie und deren Zulieferer aus dem Maschinen- und Anlagenbau ZKG-Handbuch Zementanlagenbau 2012/2013

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Die international führende Fachzeitschrift für die gesamte Bindemittelindustrie und deren Zulieferer aus

dem Maschinen- und Anlagenbau

ZKG-Handbuch Zementanlagenbau 2012/2013

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W E C O N V E Y Q U A L I T Y

AUMUND Fördertechnik GmbH • Saalhoffer Str. 17 • 47495 Rheinberg • GermanyTel.: +49-28 43 - 7 20 · Fax: +49-28 43 - 6 02 70 · e-mail: [email protected] · www.aumund.com

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EDITORIAL

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… sind treibende Kräfte industrieller Weiterentwicklung, in der Vergangenheit und heute. Besonders in Zeiten des Klimawandels und steigender Energiepreise ist die Industrie gut beraten, die Produk­tion moderner, effizienter und nachhaltiger zu gestalten. Das ZKG­Handbuch Zementanlagenbau gibt Ihnen einen Einblick, welche Schlüsselthemen dabei relevant sind, welche Grundfertigkeiten aus Stu­dium und Ausbildung in Lösungsansätze einfließen können und welche Bandbreite an Kompetenzen die Zementindustrie fordert.

Zement ist ein Massengut mit einer weltweiten Jahresproduktion über 3,3 Mrd. t. Eng gekoppelt an das Bevölkerungswachstum und den damit verbundenen Ausbau von Infrastruktur werden auch in Zukunft mehr Baustoffe vonnöten sein. Und diese entwickeln sich kontinuierlich zu immer spe­zielleren, hoch­technischen Produkten. Ultra­hohe Performance, Multifunktionalität und Umwelt­verträglichkeit sind dabei aktuelle Themen, sowohl was die Produkte als auch Produktion die angeht. Das ZKG­Handbuch Zementanlagenbau soll in die Branche einführen und zeigen, dass die Baustoff­industrie viele spannende und abwechslungsreiche Tätigkeitsfelder bereithält.

Im ersten Teil des Handbuchs zeichnen führende Persönlichkeiten aus der Baustoffindustrie und aus Zulieferunternehmen ein lebhaftes Bild der Branche und definieren Anforderungsprofile für eine Tätigkeit im Unternehmen. Doch wie wird eigentlich Zement produziert? In einer Übersicht lesen Sie ab Seite 30 wie die Zementproduktion mit all ihren Facetten funktioniert – chronologisch vom Rohmaterial bis hin zum fertigen Produkt. Schließlich haben wir einige Bereiche der Produktion ausgewählt, um exemplarisch Teilkomponenten der Zementproduktion und die damit verbundenen maschinenbauerischen Anforderungen und verfahrenstechnischen Rahmenbedingungen im Detail zu betrachten. Am Ende des Buches sind noch einmal die Profile verschiedener Unternehmen in der Bau­stoffindustrie zusammengestellt, mit den wichtigsten Eckdaten sowie mit Rahmenbedingungen und Informationen für den Berufseinstieg.

Entscheiden Sie selbst, welche Aspekte Sie spannend finden, wo Sie Studieninhalte wieder­erkennen oder Anwendungsmöglichkeiten von Fachwissen entdecken. Ich freue mich über eine Resonanz von Ihnen. Wir wünschen Ihnen viel Spaß beim Lesen und viel Erfolg bei Ihrem beruflichen Werdegang!

Innovation und Effizienz …

Dr. Thomas Weiß

Editor-in-Chief // Chefredakteur ZKG INTERNATIONAL

Dr. Thomas Weiß

Editor-in-Chief // Chefredakteur

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INHALT

www.zkg.de

04 EDITORIAL

VORWORT 08 // HeidelbergCement 10 // Dyckerhoff 12 // Lafarge

ZEMENTINDUSTRIE 14 // Zahlen und Fakten

UNTERNEHMEN // Betätigungsfelder 18 Pfeiffer 19 Aumund 20 Haver & Boecker 22 Loesche 24 Polysius

FACHEXKURSION 26 // Leimen

HERSTELLUNGSPROZESS 30 // Übersicht 31 // Rohmaterialgewinnung

und -aufbereitung 35 // Klinkerherstellung 40 // Zementvermahlung

und  Sortenherstellung 42 // Zementlagerung, Verpackung

und Versand 44 // Automation und Qualitäts-

überwachung

49 INSERENTENVERZEICHNIS

PROZESS // Alternative Brennstoffe

50 KHD Brennkammer – Flexibler Einsatz von alternativen Brennstoffen im Zementwerk

Dr. Heiko Schürmann, Humboldt Wedag GmbH, Cologne/Germany

// Kalzinatoren 62 Optimierung von Kalzinatoren in der

Zementindustrie Matthias Mersmann, aixergee Prozessoptimierung,

Aachen/Germany

Seite 50Flexibler Einsatz von alternativen Brennstoffen im Zementwerk

Seite 78Numerische Strömungsmechanik an Ventilatoren und Anlagen

Seite 94Bereit für die Zukunft

Seite 120Sichere Mahltechnik für große Durchsätze

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INHALT

// Analytik 72 Neues Gas-Probenentnahmesystem mit

einzigartigem Sondenaufbau von ABB für Öfen und Kalzinatoren

Kontakt: Thomas Weyrauch, ABB, Germany

// Ventilatoren 78 Numerische Strömungsmechanik an

Ventilatoren und Anlagen Dipl.-Ing. (FH) Roland Magiera,

Ventilatorenfabrik Oelde GmbH, Oelde/Germany

// Modernisierung 94 Bereit für die Zukunft: Modernisierung

der Ofenlage in Rohrdorf Dr.-Ing. Helmut Leibinger1, Olaf Windmöller2,

Jörg Hammerich2

1 Südbayerisches Portland Zementwerk Gebrüder Wiesböck & Co. GmbH, Rohrdorf/Germany

2 IKN GmbH, Neustadt/Germany

// Fördertechnik 107 Schwierig, aber machbar: Becherwerk-

Umbau bei Maerker Harburg

// Vermahlung 110 Hocheffiziente Zementherstellung mit

POLYCOM® und SEPOL® PC – Maschinen und Anlagenkonzept –

Dr. Aimo Haack, Dr. Olaf Hagemeier, ThyssenKrupp Polysius AG, Beckum/Germany

120 Die neue PFEIFFER-MVR-Walzen-schüsselmühle: Sichere Mahltechnik für große Durchsätze

Dr.-Ing. York Reichardt, Manager Process Engineering Department, Gebr. Pfeiffer SE, Kaiserslautern/Germany

// Silotechnik 126 Die Vielseitigkeit von

Mehrkammer-Zementsilos Dipl.-Ing. Jürgen Bostelmann, IBAU HAMBURG,

Hamburg/Germany

// Filtration 136 10 Jahre EMC-Filtertechnologie Alois Hermandinger, General Manager Industrial

Minerals Scheuch GmbH, Aurolzmünster/Austria

UNTERNEHMENSPORTRAIT 144 // Aumund 145 // Dyckerhoff 146 // FLSmidth Pfister 147 // Haver & Boecker 148 // HeidelbergCement 149 // KHD 150 // Lafarge 151 // Refratechnik 152 // ThyssenKrupp Polysius

On www.zkg.de/specials you will find technical solutions about: fans for the cement, lime and gypsum industry.

»As a general rule the most successful man in life is the man who has the best information.«Benjamin Disraeli (1804–81)

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Zementanlagenbau 2012/2013 9

HeidelbergCement // VORWORT

HeidelbergCement –Dynamisches Wachstum und flache Hierarchien

HeidelbergCement ist in seiner Unternehmensentwicklung seit der Gründung im Jahr 1873 nie stehen geblieben – im Gegenteil. Das Unternehmen hat in den fast 140 Jahren seines Bestehens eine große Dynamik entwickelt. Aus dem einstmals süddeutschen Zement­hersteller ist ein im DAX gelisteter, geografisch breit aufgestellter „Global Player“ im Baustoffbereich geworden. Trotz der rasanten Entwicklung ist unser dualer Rohstoff­ und Produktfokus, der auf den beiden Kernbereichen Zement und Zuschlagstoffe liegt, mehr oder weniger gleich geblieben. Rohstoffe veredeln – das ist unser Kerngeschäft. Zusätzlich stellen wir auch Beton­ und Betonprodukte sowie Baustoffe und Asphalt her.

HeidelbergCement befindet sich in einem interessanten Spannungsbogen: Einerseits produzieren wir lokal eher traditionelle Produkte, gleichzeitig sind wir ein international aufgestelltes Unterneh­men, das in wachsenden Zukunftsmärkten aktiv und erfolgreich ist. Sitz der Hauptverwaltung und des zentralen Forschungslabors ist Heidelberg bzw. das in unmittelbarer Nähe liegende Leimen. Unsere 53 000 Mitarbeiter sind in über 40 Ländern für HeidelbergCement tätig. Durch den Austausch von technischem und wirtschaftlichem know­how innerhalb des Konzerns entstehen enorme Synergien und ein starkes „wir­Gefühl“ der HeidelbergCement Mitarbeiter auf der ganzen Welt.

Natürlich ist auch unsere Unternehmenskultur stark durch das dynamische Wachstum geprägt. Neben Schnelligkeit, Transparenz und Effizienz werden von Management und Mitarbeitern vor allem Umsetzungsstärke und eine große Nähe zum Geschäft verlangt. Das bedeutet in der Praxis aber auch kurze Entscheidungswege und viel Verantwortung für den einzelnen.

Die vielfältigen Aufgabenstellungen, die sich durch das schnelle internationale Wachstum und die kontinuierliche Weiterentwicklung ergeben, führen immer wieder zu neuen Herausforderungen und bieten dank flacher Hierarchien interessante Karrieremöglichkeiten, auch im internationalen Umfeld. Bei uns gilt der Grundsatz: Verantwortung tragen heißt auch gestalten wollen. Als Unternehmen mit mehr als 2.500 Standorten weltweit setzen wir auf „All business is local“. Zwar werden auf Konzern­ebene in wichtigen Fragen verbindliche Standards gesetzt, die Umsetzung erfolgt aber lokal in eigener Verantwortlichkeit. Wir lassen dabei niemand allein, sondern legen großen Wert darauf, dass bei uns die Entscheidungswege transparent und nachvollziehbar sind. So ist der einzelne Mitarbeiter vor Ort in den Informationsfluss einbezogen und kann sich zu Recht als Teil eines Ganzen fühlen.

Neben einer soliden fachlichen Ausbildung sollten Absolventen eine ausgeprägte analytische Fähigkeit und eben auch ein gewisses Maß an Bodenhaftung und Pragmatismus mitbringen, beides Eigenschaften, die für HeidelbergCement prägend sind. Hohe Sozialkompetenz, Mobilität sowie Of­fenheit für andere Kulturen und die Bereitschaft, sich in einem internationalen Umfeld zu beweisen, sind weitere wichtige Voraussetzungen, um eine Karriere bei uns zu starten. Zusammengefasst heißt das: Wer gut ausgebildet und mobil ist, Verantwortung übernehmen und etwas bewegen will, der passt zu uns.

Andreas Kern, Mitglied des Vorstandes, HeidelbergCement AG

Andreas Kern

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UNTERNEHMEN // Betätigungsfelder

18 ZKG-Handbuch www.zkg.de

Gebr. Pfeiffer SE

Liebe Studierende und Berufsanfänger,

nur wenige von Ihnen – da bin ich sicher – haben vor der Aufnahme des Studiums schon einmal Berührung mit der Grundstoffindustrie gehabt. Auch jetzt werden viele noch keine klare Vorstellung über die Möglichkeiten haben, die sich Ihnen in diesem Industriebereich bieten. Insbesondere der Maschinen- und Anlagenbau ist, so denke ich, für Berufsanfänger eine interessante Option. Deshalb lassen Sie mich Ihnen Gebr. Pfeiffer kurz vorstellen.

Die Gebr. Pfeiffer ist ein mittelständisches Unternehmen mit weltweit mehr als 450 Mitarbeitern, das vor allem für die Zement-industrie, aber auch für Kalk-, Gips- und Keramikhersteller, tätig ist. Das vor fast 150 Jahren in Kaisers-lautern gegründete Unternehmen liefert hauptsächlich Vertikalmühlen für die Produktion von Zement-rohmaterial, Zement und Kohlenstaub. Wir liefern einzelne Maschinen oder errichten auch komplette Mahlanlagen bzw. bauen bestehende nach Kundenwünschen um. Unsere breite Produktpalette für die Bereiche Mahlen, Sichten, Trocknen, Löschen und Kalzinieren wird in unserem Technikum verfahrens-technisch erprobt, durch die Konstruktion maschinenbaulich entwickelt und konkretisiert sowie in der eigenen Fertigung mit hoher Fertigungstiefe realisiert. Wie liefern und überwachen die Montage und Inbetriebnahme unserer Anlagen und bieten einen kompletten After-Sales-Service.

Überhaupt im Maschinen- und Anlagenbau finden Sie als Berufseinsteiger mit Sicherheit einen hochinteressanten Arbeitsplatz mit langfristiger Perspektive. Das Aufgabenspektrum in der Branche ist sehr breit. Es reicht von der verfahrenstechnischen und konstruktiven Entwicklung über den Vertrieb, die Auftragsabwicklung, die Konstruktion bis zur Arbeit auf der Baustelle. Für diese stark unterschied-lichen Bereiche werden natürlich Ingenieure der Fachrichtungen Maschinenbau, Verfahrenstechnik/Chemie-Ingenieurwesen und Elektrotechnik, aber auch Wirtschaftsingenieure und Kaufleute gebraucht. Schnell können verantwortungsvolle Aufgaben übernommen werden und es besteht ein großer Gestal-tungsspielraum.

Gebr. Pfeiffer ist überall dort auf der Welt aktiv, wo unsere Produkte nachgefragt werden. Damit ist neben der fachlichen Qualifikation die Bereitschaft notwendig, sich auf andere Menschen und andere Kulturen einzulassen, ohne die eigene Identität aufzugeben. Englisch ist die Hauptverkehrssprache im internationalen Umgang und zumindest gute Kenntnisse sind deshalb auch für Berufseinsteiger unab-dingbar. Neben persönlichem Engagement sind Teamfähigkeit, persönliche Flexibilität und die offene Kommunikation sehr wichtig. Nur dann können Sie schnell zum Unternehmenserfolg in unserem dyna-mischen und anspruchsvollen Geschäft beitragen.

Wenn Sie sich durch das Gesagte angesprochen fühlen, dann lassen Sie sich auf den Maschinen- und Anlagenbau ein.

Ich wünsche Ihnen viel Erfolg bei Ihrem Berufsstart

Dr. Robert Schnatz, Technischer Vorstand der Gebr. Pfeiffer SE

Dr. Robert Schnatz

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Ein Traum ist unerlässlich, wenn man die Zukunft gestalten will.Dyckerhoff ermöglicht die Umsetzung von Visionen.

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Solides Fachwissen, Enthusiasmus und der stete Wille, Gutes noch besser machen zu wollen, sind unser Antrieb und das Fundament unserer internationalen Erfolgsgeschichte. Wir suchen Menschen, die sich dieser Herausforderung stellen und mit uns innovative Wege gehen wollen.

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HERSTELLUNGSPROZESS // Übersicht

Der Herstellungsprozess

ÜbersichtEin modernes Zementwerk produziert 24 h am Tag an über 330 Tagen im Jahr. Lediglich für die jährliche Anlagenrevision ist ein solches Werk nicht in Betrieb. Die Überholung ist nötig, weil die Rohmaterialien, Zwischen- und Endprodukte der Zementherstellung sehr verschleißend sind und deshalb einen Aus tausch einzelner Anlagen-komponenten er for dern. Auf der anderen Seite möchte man Anlagenstopps möglichst vermei-den, weil die Kernkomponente eines Werkes (der

Drehrohrofen) auf Temperaturen von über 1000 °C auf geheizt wird und häufige An- und Abfahrten mit erheblichen Energieverlusten verbunden sind. Außerdem führen solche Stopps generell zu einer ungleichmäßigeren Anlagenfahrweise, zu Einschränkungen in der Produktqualität und einem Anwachsen der Emissionen.

Bild 1 zeigt ein vereinfachtes Fließbild eines modernen Zementwerkes nach dem Trocken-verfahren. Üblicherweise unterteilt man den Herstellungsprozess in vier Prozessschritte. Im

1 Steinbruch, Brecher 2 Mischbetten 3 Zuschlagstoffe 4 Rohmaterialvermahlung 5 Abgas-Konditionierung

6 Prozessfilter 7 Homogenisiersilos 8 Zyklonvorwärmer 9 Ofensystem 10 Calzinator

11 Klinkerkühler 12 Klinkerlager 13 Kohlevermahlung 14 Kunststoffschnitzel 15 Klärschlamm

16 Zementvermahlung 17 Zumahlstoffe 18 Zementmischer 19 Zementsilos 20 Kamin

1 Fließbild eines Zementwerkes

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TEXT Dr. Joachim Harder, OneStone Consulting Group GmbH, Buxtehude/Germany

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Zementanlagenbau 2012/2013 31

Rohmaterialgewinnung und -aufbereitung // HERSTELLUNGSPROZESS

ersten Schritt werden die Rohmaterialien ge-wonnen und aufbereitet. Daran schließt sich die Calzinierung der Rohmaterialen mit der Klin-kerproduktion an. Im dritten Schritt wird der Klinker mit anderen Zumahlstoff en zu Zement vermahlen. Der letzte Prozessschritt umfasst die Zementlagerung, Verpackung und den Versand. Damit sind die einzelnen Anforderungen bei der

Zementherstellung aber nur bezüglich der Ma-schinen und Anlagen berücksichtigt. Wichtig ist natürlich auch die Anlagenautomation und Güteüberwachung sowie die Umwelttechnik und Emissionsbegrenzung. Auf ältere Herstellungs-methoden und Prozessalternativen wird hier nicht eingegangen. Im Folgenden werden die dargestellten Prozesse näher vorgestellt:

Die Rohmaterialgewinnung und -aufbereitung

Die wichtigsten Rohstoff e für die Zementherstel-lung sind Kalkstein, Ton und Mergel (ein natür-liches Gemisch aus Kalkstein und Ton). Sie wer-den in Steinbrüchen (1) durch Sprengen oder mit schwerem Gerät (Greifbagger, Schaufelradbag-ger oder sog. Surface-Miner) gewonnen und mit Radladern und großen Muldenkippern oder über Förderbänder zu den Brechanlagen transportiert (Bild 2). Teilweise werden auch mobile Brechan-

lagen eingesetzt, die dem Abbau im Steinbruch folgen. Das Gestein wird mittels der Brecher auf die Größe von Straßenschotter zerkleinert. Nach dem Brecher wird der sog. Rohschotter zumeist über Förderbänder in das Zementwerk transpor-tiert. Derartige Transporte können über mehrere Kilometer gehen.

Zementwerke sind praktisch immer in der Nähe der Rohmaterialvorkommen angesiedelt.

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HERSTELLUNGSPROZESS // Rohmaterialgewinnung und -aufbereitung

In manchen Ländern sind die Rohmaterial­lagerstätten räumlich sehr konzentriert und weit von den Verbrauchermärkten entfernt. Damit verbundene Probleme werden in einem späte­ren Kapitel behandelt. Der Rohschotter wird in dem Zementwerk zumeist in Mischbetten (2) eingelagert und dort vergleichmäßigt (Bild 3). Eine derartige Homogenisierung ist immer dann unumgänglich, wenn größere Schwankungen der Rohmaterialbeschaffenheit vorliegen. Heut­zutage werden in solchen Fällen Online­Mes­sungen der Eingangsmaterialien vorgenommen und die Mischbetten für die Vergleichmäßi­gung entsprechend dimensioniert und gesteu­ert. Mit Rund­ und Längslagern können bereits Vergleichsmäßigungs effekte bis zu 70 % erzielt werden.

Der Rohschotter gelangt nach dem Misch­bett in die Rohmaterialmühle, wo eine mehl­feine Vermahlung der Ausgangstoffe erfolgt. Über Dosiereinrichtungen werden der Mühle Zuschlagsstoffe (3) wie Quarzsand oder Eisenerz zugegeben, um die gewünschten Rohmaterial­bestandteile zu erhalten. Die Aufgabefeuchten der Materialien liegen meist zwischen 3–8 %, teilweise aber auch bei über 20 %. Deshalb ist bei der Vermahlung auch eine Trocknung erfor­

derlich, wozu heiße Abgase aus dem Prozess (5) verwendet werden können. Für die Vermahlung sind Vertikalmühlen (4) (Bild 4)sehr gut geeignet, weil Trocknung, Vermahlung und Klassierung in der Mühle erfolgen. Rohrmühlen sind aufwän­diger und benötigen auch einen höheren spezi­fischen Energiebedarf. Die Produktabscheidung erfolgt in Schlauchfiltern (6). Im Anschluss an die Aufbereitung erfolgt die Lagerung des Roh­mehls in Homogenisiersilos.

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2 Kalksteinabbau für ein Zementwerk

3 Rundmischbett für Rohmaterial 4 Vertikalmühle (Bau) zur Rohmaterialvermahlung

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50 ZKG-Handbuch www.zkg.de

Der Einsatz von alternativen Brennstoffen ist in vielen Teilen der Welt eine anerkannte Maß­nahme um CO2 Emissionen aus der Verbrennung von primären Brennstoffen, Kohle, Öl oder Erd­gas zu reduzieren. Als alternative oder auch sekundäre Brennstoffe werden brennbare Rück­stände aus der industriellen und gewerblichen Produktion, der landwirtschaftlichen Produktion oder sortierte Haushaltsabfälle genannt. Bedingt durch die Vielzahl von möglichen Quellen der alternativen Brennstoffe ist die Varianz in Ener­gieinhalt, Asche, Feuchtigkeit, Partikelgröße, Form, Dichte usw. sehr vielfältig, so dass es kei­ne Patentlösung für den Einsatz im Zementwerk gibt. Gerade im Hinblick auf den Drehrohrofen­

brenner ist man auf alternative Brennstoffquali­täten angewiesen, die es erlauben, durch guten Heizwert und Reaktivität eine stabile, heiße Sin­terzone zu erhalten und diese möglichst im Flug­strom auszubrennen sind. Die Anforderungen an die alternativen Brennstoffe für den Einsatz im Kalzinator sind geringer im Vergleich zum Dreh­rohrofenbrenner. Das macht den Kalzinator zur idealen Brennstelle für den Einsatz von alterna­tiven Brennstoffen. Um im Kalzinator möglichst flexibel auf die unterschiedlichsten alternativen Brennstoffe zu reagieren, bietet KHD Humboldt Wedag mit ihrer modularen PYROCLON­Kalzi­natortechnik die Möglichkeit des Einbaus einer Brennkammer an. Bedingt durch die feuerungs­

KHD

KHD Brennkammer – Flexibler Einsatz von alternativen Brennstoffen im Zementwerk

TEXT Dr. Heiko Schürmann, Humboldt Wedag GmbH, Cologne/Germany

Moderne Brenntechnik erlaubt es, möglichst

flexibel auf die variierenden Brennstoffeigenschaften

Moderne Brenntechnik in Zementwerken

von Alternativbrennstoffen zu reagieren.

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Alternative Brennstoffe // PROZESS

Zementanlagenbau 2012/2013 51

technischen Eigenschaften dieser Brennkammer, die im Folgenden beschrieben werden, lassen sich heizwertärmere und mit weniger Aufwand aufbereitete alternative Brennstoffe sicher und komplett ausbrennen.

1 Kalzinatortechnik1.1 EntsäuerungsreaktionModerne Ofensysteme zur Herstellung von Ze­mentklinker sind heutzutage mit einem Kalzi­nator ausgestattet. Im Kalzinator, der dem Vor­wärmer und Drehrohrofen zwischengeschaltet ist und über die Tertiärluftleitung direkt mit heißer Rekuperationsluft vom Klinkerkühler versorgt wird, findet die fast vollständige Entsäuerung des vorgewärmten Ofenmehls statt. Dieser Schritt ist im thermischen Prozess als der energieintensivs­te zu bezeichnen. Dazu werden dem Kalzinator ca. 55 bis 60 % der Brennstoffenergie zugeführt. Der Drehrohrofen wird thermisch und gasdy­namisch entlastet, welches im Endeffekt zu hö­heren Klinkerproduktionsleistungen bei gleicher Ofengröße führt, verglichen zu Systemen ohne Kalzinator. Im Kalzinator wird eine Vorentsäue­rungsrate des Ofenmehls von ca. 90 bis 95 % an­gestrebt. Das entspricht, abhängig von Rohmate­rial und Brennstoff, einem Temperaturfenster von 860 bis 890 °C am Austritt des Kalzinators. Höhe­re Vorentsäuerungsraten sind mit einem starken Anstieg des Temperaturniveaus im Kalzinator verbunden und verursachen dann zunehmend die Bildung von Ansätzen im Kalzinator, im untersten Zyklon und in der Einlaufkammer, die demzufol­ge zu entsprechenden Betriebsproblemen führen.

Ein wichtiges Kriterium zur Auslegung des Kalzinators ist die Gasverweilzeit. Theoretische Berechnungen [1] sowie praktische Erfahrun­gen zum Entsäuerungsverlauf von Ofenmehlen zeigen, dass bei oben angegebenem Tempera­turfenster und der üblichen Feinheit des vor­gewärmten Ofenmehls die zu 90 bis 95 % an­gestrebte Entsäuerung in einem Zeitraum von weniger als 3 s stattfindet.

1.2 VerbrennungsprozessIm Vergleich zur Feuerung im Drehrohrofen findet die Verbrennung im Kalzinator unter

komplett anderen Bedingungen statt. Dem Ver­brennungsprozess steht in den meisten Kalzina­toren eine geringere Sauerstoffkonzentration, bedingt durch die Vermischung von Tertiärluft mit Ofenabgas, zur Verfügung. Die Zugabe von vorgewärmtem Ofenmehl erfolgt in unmittelba­rer Nähe der Brennstoffaufgabe. Die bei der Oxi­dation der Brennstoffbestandteile frei werdende Energie wird direkt zur Entsäuerung des Mehls umgesetzt, welches in niedrige Feuerraumtem­peraturen resultiert. Zusätzlich wirkt das bei der Entsäuerungsreaktion freiwerdende gasförmige CO2 weiter hemmend auf einen schnellen Brenn­stoffumsatz.

Der Verbrennungsprozess im Kalzinator findet somit unter schwierigsten Bedingungen statt. Der niedrige Sauerstoffpartialdruck und die niedrige Feuerraumtemperatur bedingt durch die hohe Energieaufnahme der Entsäuerungsreakti­on wirken sich auf eine kinetische Hemmung der Verbrennungsreaktion aus. Um dem entgegen­zuwirken sollte als konstruktive Maßnahme der Kalzinator so gestaltet sein, dass die Verweilzeit mehr als 3 s beträgt. Damit ist die Auslegung hin­

1 PYROCLON Kalzinator Baureihe. Von links nach rechts: PYROCLON R, PYROCLON R Low NOx, PYROCLON R CC (Combustion Chamber)

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PROZESS // Alternative Brennstoffe

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sichtlich der Verweilzeit von den Ansprüchen der Entsäuerung entkoppelt und hängt nur noch von der Qualität der dort eingesetzten Brennstoffe ab.

Übliche Gasverweilzeiten des Kalzinators liegen heute bei 3–4 s für Braun­, Steinkohle, Erdgas und Öl und bei > 5 s für zündschwierige Brennstoffe wie z. B. Anthrazit oder Petrolkoks. Die brennstofftechnischen Eigenschaften, hier am Beispiel von festem Brennstoff, hinsichtlich eines guten Ausbrands unter den Brennbedin­gungen im Kalzinator beschränken sich dann im Wesentlichen auf seine Reaktivität (Zündung und Koksabbrand) und der Partikelgröße. Die Re­aktivität ist außer durch die Trocknung und Zer­kleinerung des Brennstoffs nicht beeinflussbar und hängt wesentlich vom Anteil der flüchtigen Bestandteile ab. Je mehr Flüchtige im Brennstoff, desto besser und schneller die Zündung. Die Par­tikelgröße hängt von der wirtschaftlichen Mahl­barkeit ab. Je feiner die Korngrößenverteilung und je weniger Überkorn, in desto kürzerer Zeit ist der komplette Ausbrand erreicht.

Im Gegensatz zu den oben genannten pri­mären Brennstoffen ist die Auswahl an sekun­dären, alternativen Brennstoffen wesentlich größer und damit steigt auch der Unterschied in den Verbrennungseigenschaften stark an. In den meisten Fällen besitzen alternative Brennstoffe höhere Feuchtigkeiten, bestehen aus gröberen Partikeln und haben einen niedrigeren Ener­

gieinhalt, Heizwert. Die Feuchtigkeit sorgt für eine verzögerte Zündung des Brennstoffs und die Partikelgröße wirkt sich auf eine längere Ausbrandzeit aus. Daraus resultierend muss ein Kalzinator geometrisch so gestaltet sein, dass Gasverweilzeiten von > 5,5 s erreicht werden, um Flexibilität hinsichtlich ständig ändernder Brennstoffeigenschaften zu erhalten.

Unter den oben beschriebenen Feuerungsbe­dingungen erreicht man schnell die Grenze, was Qualität und Quantität der im Kalzinator einge­setzten alternativen Brennstoffe anbelangt. Qua­lität bedeutet hoher Heizwert, geringe Feuchte, geringe Partikelgröße und damit hoher Auf­bereitungsgrad mit entsprechenden Kosten und möglichst geringe Chlor­ und Schwefel­Anteile. Die Quantität beschreibt dann die maximal ein­setzbare alternative Brennstoffmenge mit der der gesamte Prozess stabil betrieben werden kann.

1.3 KHD PYROCLON BaureiheDie Standardtypen der KHD PYROCLON Baureihe basieren auf In­Line Kalzinatoren, bei denen die Tertiärluft mit den Ofenabgasen in einer gemein­samen Leitung zusammengeführt wird (Bild 1). Je nach Anschluss der Tertiärluftleitung an den Steigschacht, besteht die Möglichkeit über das Verfahren der gestuften Verbrennung NOx, wel­ches sich hauptsächlich in der Ofenflamme ge­bildet hat, zu reduzieren. Dieser Kalzinatortyp

2 PYROBOX, Vorwärmung und Mischung von Kalzinatorbrennstoff mit heißem Mehl

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PROZESS // Kalzinatoren

62 ZKG-Handbuch www.zkg.de

Innerhalb der Pyroprozesstechnik zur Her­stellung von Zement befassten sich die meis­ten Entwicklungen der letzten Jahre mit dem Kalzinator. Neben dessen ursprüngliche Auf­gabe, das Rohmehl zu kalzinieren, trat die An­forderung möglichst hoher Einsatzraten von oftmals grobstückigem Sekundärbrennstoff immer öfter in den Vordergrund. Dies stellt be­sondere Herausforderungen an die Gestaltung von Kalzinatoren, da ein sicheres Zünden und Ausbrennen des Brennstoffes oftmals Gestal­tungsmerkmale erfordert, die im Widerspruch zu den Erfordernissen zur möglichst gleich­mäßigen Entsäurung stehen. Zur Lösung der

sich dadurch ergebenden Optimierungsaufgabe ist ein detailliertes Prozessverständnis notwen­dig, welches mit Hilfe von CFD (Computational Fluid Dynamics)­Methoden erschlossen wer­den kann. Darüber hinaus kann mit Hilfe der Simulationsrechnung die Optimierung des Kal­zinators preiswert am Computer vorangetrieben werden, ohne mehrmalige Modifikationen der Produktionsanlage durchführen zu müssen. Dieser Beitrag beschreibt wesentliche Aspekte der Zusammenhänge der Aufgabenstellung und schließt mit einem Beispiel zur CFD­gestützten Optimierung eines Kalzinators zum Einsatz von Reifenschnitzeln.

AIXERGEE PROZESSOPTIMIERUNG

Optimierung von Kalzinatoren in der Zementindustrie

TEXT Matthias Mersmann, aixergee Prozessoptimierung, Aachen/Germany

Neben der ursprüngliche Aufgabe eines Kalzinators, das Rohmehl zu kalzinieren,

trat im Laufe der Zeit die Anforderung möglichst hoher Einsatzraten von oftmals grob -

Moderne Pyroprozess-Linie mit Inline-Kalzinator und Tertiärluftleitung

stückigem Sekundärbrennstoff immer öfter in den Vordergrund. Dieser Beitrag

beschreibt wesentliche Aspekte zur Anlagentechnik und schließt mit einem Beispiel

zur CFD-gestützten Optimierung eines Kalzinators zum Einsatz von Reifenschnitzeln.

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Kalzinatoren // PROZESS

Zementanlagenbau 2012/2013 63

1 Entwicklungsstand der BrenntechnikSeit der Einführung der Kalzinatortechnik in den 1960­er Jahren hat sich kein weiterer vergleich­barer Technologiesprung in der Pyroprozess­technik zur Herstellung von Zement ergeben. Steinbiss gibt in [1] einen guten Überblick über die frühen Entwicklungen der Kalzinatortech­nik sowie bereits einen Ausblick auf die Wirt­schaftlichkeitsaspekte der Reststoffverbrennung. Neben einigen maschinentechnischen Innova­tionen im Bereich der Mahltechnik [2–8] hat es im Bereich der Brenntechnik in den letzten Jahren einige Entwicklungen bei der Kalzina­tor­ und Klinkerkühlertechnik [9 –15] gegeben. Während die neuen Klinkerkühler im Wesent­lichen neue mechanische Konzepte propagieren, haben die neuen Kalzinatorentwicklungen oft­mals prozessrelevante Änderungen mit sich ge­bracht bzw. ermöglicht. Dies ist im Wesentlichen dem Umstand geschuldet, dass das Bestreben nach weiter erhöhtem Einsatz von sekundären Brennstoffen neue Ausbrand­ und Verweilzeit­Optionen für den Brennstoff im Kalzinator erfor­derlich macht. Somit steht der Kalzinator derzeit oftmals im Fokus der verfahrenstechnischen Entwicklungen als anspruchsvolle Prozessein­heit des Pyroprozesses, in der zwei Vorgänge aufeinander abgestimmt werden müssen, näm­lich die Brennstoffumsetzung und die Kalzina­tion [16 –20].

Seit Einführung der Kalzinatortechnik in den 1960­er Jahren hat sich eine Vielzahl von verfahrenstechnischen Konzepten und konst­ruktiven Ausführungen entwickelt, die zudem durch Hersteller­spezifische Namensgebungen eine verwirrende Lage der verfügbaren Technik erzeugen. Als mögliche Kategorien zur Typi­sierung bieten sich an: » die Bauform als Rohr­Reaktor oder als erwei­

tertes Gefäß » die Prozessführung mit oder ohne Tertiärluft » die Verschaltung in den Pyroprozess als so­

genannter Inline­Kalzinator im Abgasstrang des Ofens (mit oder ohne vorher eingemisch­ter Tertiärluft) oder als sogenannter Seperate­line­Kalzinator, dem nur Tertiärluft zugeführt wird

» die Art der Luft­ oder Gasstufung » die Art der Verbrennungsführung und der Eig­

nung für stückige Brennstoffe

2 Der KalzinationsprozessDie grundsätzliche Aufgabe des Kalzinators, nämlich die Decarbonatisierung des Rohmehls ist allen verschiedenen Typen gemein, jedoch verläuft diese in den unterschiedlichen Kalzina­toren auf verschiedene Weise ab. Die Güte des Kalzinationsprozesses erweist sich in der Gleich­mäßigkeit der Entsäurung des Mehls sowie in der damit einhergehenden homogenen Temperatur­verteilung im Kalzinator auf möglichst niedri­gem Niveau. Die Güte des Prozesses hängt dabei in hohem Maße und verschiedenster Weise von der Strömung der beteiligten Medien ab. Wärme­übergang, Reaktionsumsätze, Stofftransport und Druckverlust sind direkt abhängig davon, wie die Medien strömen, wo und wie sie unterein­ander vermischt werden und wie Ihr Wärme­austausch abläuft.

Energetisch betrachtet stellt die Verbren­nung im Kalzinator eine Wärmequelle dar und die Kalzination eine Wärmesenke. Eine effi­ziente Prozessführung weist sich prinzipiell dadurch aus, dass sich die Quelle in örtlicher Nähe zur Senke befindet, damit keine Verluste durch Wärmeabstrahlung auftreten, sondern

1 Schematische Darstellung einer Brennkammer zur Verbrennung von stückigen und schwer zündbaren Sekundärbrennstoffen

Mehl

Brenner

Tertiärluft

Mehlschleier

Tertiärluft

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PROZESS // Analytik

72 ZKG-Handbuch www.zkg.de

1 EinleitungFür einen Anlagenbetreiber ist es von entschei-dender Bedeutung, am Gasausgang eines Dreh-rohrofens für trockene Zementherstellungsver-fahren kontinuierlich verschiedene Messwerte wie CO, O2, NO (gelegentlich auch SO2, CO2) zu erfassen, um diverse Prozesse steuern zu können. Dazu zählen z.B. die Minimierung des Brenn-stoffbedarfs, die Steigerung der Produktion, die Optimierung der Verbrennungsbedingungen in der Primärfeuerung, die Verbesserung der Klin-kerqualität oder auch die Reduzierung der War-

tungskosten. An diesem Messpunkt wird nicht nur die richtige Technologie für die Gasanalyse benötigt, sondern auch eine geeignetes System zur Probenentnahme. Aufgrund der extremen Prozessbedingungen muss das Probenentnah-mesystem robust, sicher und zuverlässig sein, um dem Betreiber genaue und präzise Messergebnis-se und eine hohe Datenverfügbarkeit liefern zu können. Zum Entfernen starker Verkrustungen, die an der Sondenspitze auftreten können, wurde eine neuartige Sonde mit einzigartigem Stößel entwickelt.

ABB

Neues Gas-Probenentnahmesystem mit einzigartigem Sondenaufbau von ABB für Öfen und Kalzinatoren

KONTAKT Thomas Weyrauch, ABB, Germany, TEXT Stefano Cicetti

ABB entwickelte das neue SCK-System (Bild 1) zur Entnahme von heißen

Zementrauchgasen mit hoher Staubkonzentration, das eine Gasanalyse selbst

Zementwerk Cimpor

bei rauen Umgebungsbedingungen ermöglicht.

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Analytik // PROZESS

Zementanlagenbau 2012/2013 73

1 Das SCK-Probenentnahmesystem, bestehend aus der Sondenfahrvorrichtung, der Kühlung und der Steuer-einheit sowie dem Analysenschrank ACX

2 SCK: Probenentnahme bei TrockenverfahrenAnlagenbetreiber müssen beim Trockenverfah-ren meist die folgenden Messwerte in den hier angegebenen Messbereichen ermitteln können: CO 0...1 Vol.-% Verbrennungssteuerung NO 0...3000 ppm Thermische Bedingungen/

Klinkerqualität O2 0...10 Vol.-% Verbrennungssteuerung SO2 0...4 Vol.-% Steuerung des Schwefel-

kreislaufs CO2 0...35 Vol.-% Grad der Kalzinierung

Dabei herrschen die folgenden typischen Pro-zessbedingungen: » Temperatur bei Probenentnahme: 900...1300 °C » Hohe Staubkonzentration: bis zu 500 g/m3

» Hoher SO2-Gehalt und Säurebildung

» Bildung von harten Verkrustungen ist sehr wahrscheinlich

Die Lösung für eine solche Aufgabe bietet ein vollständig ausgestatteter Analysenschrank in Kombination mit einem Probenentnahmesys-tem, das aus drei vormontierten und getesteten Funktionseinheiten besteht. Dauer und Kosten für dessen Installation fallen deutlich geringer aus als herkömmliche Entnahmesysteme.

Die drei Funktionseinheiten des SCK-Probe-nentnahmesystem bestehen aus der Sonden-fahrvorrichtung, der Kühleinheit sowie der Steuereinheit und wird auf Wunsch mit dem Gasanalysensystem ACX angeboten. Die robuste Sondenfahrvorrichtung wird pneumatisch ange-trieben und ermöglicht eine sichere Probenent-nahme durch:

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PROZESS // Analytik

74 ZKG-Handbuch www.zkg.de

» eine automatische Ofenklappe, die das Ent-weichen toxischer Abgase aus dem Ofen ver-hindert sowie Falschlufteintritt vermeidet;

» eine regelmäßige automatische und regulier-bare Reinigung der Sonde und des Filters;

» das automatische Herausfahren der Sonde im Falle von Druckluft- oder Stromausfällen so-wie weiteren konfigurierbaren Alarmen;

» spezielle Abdeckungen und eine optimierte Verlegung von Kabeln, beheizten Leitungen und Drähten, die an die Fahrvorrichtung an-geschlossen sind.

Die Kühleinheit verfügt über einen geschlos-senen Wasserkreislauf mit konfigurierbarem, drehzahlgeregeltem Wärmetauscher. Die Sicher-heit für den Bediener ist im Vergleich zu Ent-nahmesystemen, die Öl verwenden, deutlich höher. Zudem wird auch das Risiko von Umwelt-schäden vermieden. Kühlwasserdruck, -tem-peratur und -durchfluss können kontinuierlich überwacht werden.

Die industrielle Steuerungseinheit ist mit einem farbigen Touch Panel ausgestattet, mit dem umfangreiche Betriebs-, Diagnose- und Wartungsaufgaben durchführbar sind. Typische Funktionen sind die Anzeige von Trends und grafischen Darstellungen, die Konfiguration von

Warnungen, Grenzwerten und Alarmwerten, ein Logbuch mit Fehlerhistorie sowie Erste-Hilfe-Maßnahmen für den Bediener.

Es gibt unterschiedliche passwortgeschütz-te Benutzerebenen, die auf die Bedürfnisse der verschiedenen Benutzergruppen in einem Ze-mentwerk zugeschnitten sind. Auch Funktionen, die den Fernzugriff sowie die vorausschauen-de Wartung ermög lichen, sind verfügbar. Das Entnahmesystem kann mit zwei verschiede-nen wassergekühlten Sonden – der Sonde 60S (Bild 2) und der Sonde H – kombiniert werden.

Die Entnahmeöffnungen der Sonde 60S wurden optimiert, um Verstopfungen und die Verschmutzung des Filters zu minimieren. Sie besitzt zwei seitliche Öffnungen, die in Verbin-dung mit dem richtigen horizontalen und ver-tikalen Winkel eine sogenannte „erste Entstau-bung“ der Probe bewirken, wodurch das Problem der Filterverstopfung deutlich seltener auftritt.

3 Innovative und einzigartige Gestaltungdes StößelsDie in der Primär- und der Sekundärfeuerung verwendeten Brennstoffe während der Zement-herstellung beeinflussen die Prozessbedingun-gen am Gasausgang des Ofens. Durch die mas-sive Verbrennung von Reifen, Petrolkoks und

2 Sonde 60S: Aufbau der Sondenspitze

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144 ZKG-Handbuch www.zkg.de

UNTERNEHMENSPORTRAIT // AUMUND

Unternehmensportrait AUMUND Fördertechnik GmbH

Gesellschaft AUMUND Fördertechnik GmbH

Branche Maschinenbau

Produkte Förder- und Lagertechnik für Schüttgüter

Standorte Rheinberg sowie Auslandsgesellschaften und Repräsentanzen weltweit

Umsatz

MitarbeiterDeutschlandEuropaweltweit

ca. 300 Deutschland

ca. 400 insgesamt (incl. deutsche Gruppe)

Praktika Möglich nach individueller Absprache

Studien- und Abschlussarbeiten Möglich nach individueller Absprache

Gesuchte Fachrichtungen Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen, Verfahrenstechnik

Einstiegs- und Einsatzmöglichkeiten Direkteinstieg, individuelles Trainee-Programm, Praktika, Bachelor-/Master-Arbeiten

Erwünschte Zusatzqualifikationen/Vertiefungsrichtung

Verfahrenstechnik, Vertrieb, Konstruktion

Einstellung von Bachelor/Master Bachelor und Master

Auslandseinsatz Möglich nach individueller Absprache (auch im Rahmen von Praktika)

Kontaktadresse AUMUND Fördertechnik GmbHAbt. PersonalSaalhoffer Str. 1747495 Rheinberg

Ansprechpartner für Studenten Anna Kaja02843 [email protected]

Ansprechpartner für Absolventen Anna Kaja02843 [email protected]

Sonstige Informationen

Homepage www.aumund.com

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150 ZKG-Handbuch www.zkg.de

Unternehmensportrait Lafarge Zement Deutschland

Muttergesellschaft Lafarge Zement GmbH

Branche Baustoffherstellung

Produkte Zement, Beton, Zuschlagsstoffe

Standorte Karsdorf bei Leipzig (Deutschlandzentrale), Paris (Konzernzentrale), 1600 Standorte weltweit in 64 Ländern, Zementwerke in Deutschland in Karsdorf, Wössingen (bei Karlsruhe) und Sötenich (bei Euskirchen) und Transportbetonwerk in Neufahrn (bei Regensburg)

Umsatz

MitarbeiterDeutschlandEuropaweltweit

ca. 400

ca. 68 000

Praktika Schülerpraktika, studentische Praktika, postgraduale Praktika und Projektarbeit

Studien- und Abschlussarbeiten Laufend

Gesuchte Fachrichtungen Verfahrenstechnik, Maschinenbau, Bauingenieurwesen, Rohstoff-ingenieurwesen, Chemieingenieurwesen, Wirtschaftsingenieurwesen

Einstiegs- und Einsatzmöglichkeiten Internationales firmeninternes Traineeprogramm für Ingenieure

Erwünschte Zusatzqualifikationen/Vertiefungsrichtung

Gute Englischkenntnisse, Teamfähigkeit, Praxiserfahrung

Einstellung von Bachelor/Master Bachelor und Master

Auslandseinsatz Internationales Traineeprogramm für Ingenieure mit zwei Trainingsmodulen im Ausland, Europaweite technische Trainings in unseren Technischen Zentren in Wien und Lyon, Zusammenarbeit mit anderen Werken in Europa

Kontaktadresse Lafarge Zement GmbH, Straße der Einheit 25, 06638 Karsdorf/Unstrut

Ansprechpartner für Studenten Tobias Fritschka, +49 34461 74042, [email protected]

Ansprechpartner für Absolventen Tobias Fritschka, +49 34461 74042, [email protected]

Sonstige Informationen Weitere Extras, die Lafarge für Ingenieure aus dem Bereich Maschinenbau/Verfahrenstechnik anbietet, sind:» Internationale Management Development Programme bei der

Lafarge University Paris» Europaweite technische Trainings an den Technischen Zentren

in Wien und Lyon» Umfassendes internes Weiterbildungsangebot & E-Learning Portal » Sicherheitsschulungen und Sicherheitstage in den Werken» Mitarbeiteraktienprogramm und vermögenswirksame Leistungen» Betriebliche Altersvorsorge

Homepage www.lafarge.de

UNTERNEHMENSPORTRAIT // Lafarge

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Mit ZKG bieten wir regelmäßig Fachexkursionen mit einer anschließenden Werksbesichtigung vor Ort in einem Zementwerk an.

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