Alternative Rohmaterialien und Brennstoffe in der Zementherstellung

Ein Verfahren zur Bestimmung von Verwertungsraten

• Martin Gasser
• Rolf Widmer
• Dr. Patrick Wäger

Die Schweizer Zementindustrie substituiert einen wachsenden Anteil ihrer benötigten Primärmaterialien durch alternative Rohmaterialien (ARM) und alternative Brennstoffe (ABS). Ziel der vorliegenden Studie ist es, eine Aussage darüber machen zu können, welcher Anteil dieser abfallbasierten alternativen Materialien (ARM und ABS) beim Einsatz in einem Zementwerk verwertet wird. Dazu wurde ein Verfahren entwickelt, womit die stoffliche und energetische Verwertung material- und Zementwerk-spezifisch bestimmt werden können. Das Bestimmungsverfahren berücksichtigt die Prozessschritte der Zementherstellung und die dabei stattfindenden Umwandlungen von ARM (z. B. Aushubmaterial) und ABS (z. B. Kunststoffabfälle) in neue Materialfraktionen. Die in einem typischen Zementwerk auftretenden Massen- und Energieflüsse wurden entlang von Rohmaterialaufbereitung, Klinkerproduktion und Zementmahlung untersucht. Nach dieser Methodik wird nur derjenige Massenanteil der eingesetzten alternativen Materialien als verwertet angesehen, der im betrachteten Zementwerk auch tatsächlich stofflich oder energetisch genutzt wird. Beim Einsatz von alternativen Materialien in Zementwerken fallen keine zu deponierenden Reststoffe an. Der mineralische Anteil von ARM und ABS, sprich der Aschegehalt, wird in den Zement eingebaut. Im vorliegenden Bestimmungsverfahren wird dieser Anteil als die stoffliche Verwertungsrate beschrieben. Die energetische Verwertungsrate berechnet sich mithilfe der Energieeffizienz des betrachteten Zementwerks. Der brennbare Masseanteil von alternativen Materialien wird dazu mit dem Netto-Anlagenwirkungsgrad multipliziert. Die beiden Verwertungsraten zusammengezählt ergeben schliesslich die Gesamtverwertungsrate der verwendeten ARM bzw. ABS im betrachteten Zementwerk. Verglichen mit bisherigen Ansätzen, welche den Einsatz von ARM und ABS anhand der substituierten Primärmaterialien beschreiben, ist das vorgeschlagene Bestimmungsverfahren der Verwertungsraten etwas aufwändiger. Es baut jedoch darauf auf, dass in der Zementindustrie ARM und ABS vor ihrer Verwendung bereits intensiv beprobt werden. Um das Verfahren auf andere Verwertungswege anzuwenden, sind gegebenenfalls Anpassungen der Berechnungsmethodik notwendig, welche sicherstellen, dass alle relevanten Massen- und Energieflüsse berücksichtigt werden.

The Swiss cement industry is substituting a growing proportion of its required primary materials with alternative raw materials (ARM) and refuse derived fuel (RDF). The aim of this study is to determine what proportion of these wastebased alternative materials (ARM and RDF) is utilized in a cement plant. For this purpose, a method was developed to determine the material and energy recovery specifically for each material and cement plant. The determination method takes into account the process steps of cement production and the occuring conversions of ARM (e.g. excavated material) and RDF (e.g. plastic waste) into new material fractions. The mass and energy flows occurring in a typical cement plant were investigated along raw material preparation, clinker production and cement grinding. According to this methodology, only the mass fraction of the alternative materials used is considered to be utilized that is actually used as a material or energy source in the cement plant under consideration. The use of alternative materials in cement plants does not produce any residual materials that need to be landfilled. The mineral content of ARM and RDF, i.e. the ash content, is incorporated into the cement. In the presented determination procedure, this proportion is described as the material recovery rate. The energy recovery rate is calculated with the aid of the energy efficiency of the cement plant under consideration. The combustible mass fraction of alternative materials is multiplied by the net plant efficiency 1 . The two recovery rates added together finally result in the total recovery rate of the ARMs or RDF used in the cement plant under consideration. Compared with previous approaches, which describe the use of ARMs and RDF on the basis of the substituted primary materials, the proposed method of determining the recovery rates is somewhat more complex. However, it is based on the fact that ARMs and RDF are already intensively sampled in the cement industry before they are used. In order to apply the method to other recovery routes, adjustments to the calculation methodology may be necessary to ensure that all relevant mass and energy flows are taken into account.