Ben Goossens ABB Continuous Gas Analyzers, Frankfurt am Main, Germany, ben.goossens@be.abb.com; Karsten Brink Floor Managing Director, FLO2R, Hadsund, Denmark
Mit über 30 Jahren Erfahrung und mehr als 600 gelieferten Drehrohrofensystemen weltweit ist ABB der führende Anbieter von Gasanalysatoren für Zementwerke. Diese Geräte sind für die Zementherstellung unverzichtbar, denn sie helfen dabei, eine optimale betriebliche Effizienz, die Einhaltung von Umweltvorschriften und den effektiven Einsatz von Brenn- und Rohstoffen sicherzustellen.
Am Einlauf des Drehrohrofens installierte Analysesysteme ermöglichen die Überwachung und Analyse der Zusammensetzung von Gasen im Zementherstellungsprozess und liefern so dem Anlagenbetreiber wertvolle Informationen über den Verbrennungswirkungsgrad und die Emissionswerte. Zu den überwachten Gasen gehören Sauerstoff (O₂), Kohlendioxid (CO₂), Stickoxide (NOx), Schwefeldioxid (SO₂) und Kohlenmonoxid (CO). Die O₂-Ausgangskonzentrationen werden zum Beispiel als eine Art Lambda-Sensor zur Einstellung der Betriebsparameter für den Ofen genutzt. Die CO-Messungen liefern Hinweise auf einen Mangel oder Überschuss an O₂ im Prozess und warnen insbesondere beim Hoch- und Runterfahren des Prozesses oder im nicht eingeschwungenen Zustand frühzeitig vor dem Entstehen potenziell explosiver Bedingungen.
Da die raue Umgebung am Drehrohrofeneinlauf den Einsatz von In-situ-Messgeräten ausschließt, basieren die meisten kommerziell erhältlichen Lösungen auf der Entnahme von Messgasproben. Doch die Einführung neuer Prozesse und Zusatzstoffe sowie die verstärkte Nutzung alternativer Brenn- und Rohstoffe (Alternative Fuels and Raw Materials, AFR) bringt vorhandene Entnahmesonden zunehmend an ihre Grenzen. Eine der gravierendsten negativen Auswirkungen ist die Bildung von Verkrustungen auf der Sondenoberfläche und dem Probenzulauf. Auch der Materialdurchfall im Steigschacht nimmt zu, was die Gefahr einer Beschädigung der Sonde erhöht.
Der verstärkte Einsatz von AFR (einige Anlagen können bis zu 95 Prozent AFR nutzen) kann das Erreichen einer vollständigen Verbrennung im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffen erschweren. Zudem können AFR aufgrund des größeren Gewichts und der komplexeren Zusammensetzung leichter herunterfallen und in direktem Kontakt mit dem Bettmaterial des Ofens verbrennen, was zu ungünstigen lokalen Bedingungen oder Schäden führen kann. Und schließlich können AFR die Menge an verdampften flüchtigen Bestandteilen im Ofen erhöhen. Angesichts dieser Faktoren ist eine zuverlässige Messgasentnahme umso wichtiger.
02a „Röntgendarstellung“ der Sondenspitze. 
02b Querschnitt durch die Sonde.
02 Die patentierte ProKiln-Sonde von ABB.
Die patentierte ProKiln-Sonde ist die Antwort von ABB auf die Herausforderungen, die sich im Zuge dieser neuen Prozessbedingungen ergeben. Die Sonde wurde in Zusammenarbeit mit FLO2R – einem dänischen Unternehmen mit langjähriger Erfahrung in der Gasmessung am Drehrohrofeneinlauf – entwickelt und zeichnet sich durch ein effektiveres Reinigungskonzept sowie eine erhöhte mechanische Festigkeit aus →01–02.
Saubere und robuste Gasentnahme
Die Hauptkomponente des ABB ProKiln-Systems ist eine 3 m lange wassergekühlte Sonde mit einem Entnahmefilter an der Spitze →02. Zwei leistungsstarke Luftkanonen, die durch bis zu sechs Rohre blasen (um den Druckabfall zu reduzieren – eine zentrale Designanforderung), sorgen für den Messgasfluss und die Reinigung. Die Sonde ist auf einem Wagen montiert, der auf einer Fahrvorrichtung läuft →03. Eine Ausfallsicherung sorgt dafür, dass die Sonde bei einem Stromausfall zurückgefahren wird (bei Anlagen ohne unterbrechungsfreie Stromversorgung ist ein zusätzlicher Pneumatikmotor vorgesehen). Der Fahrwagen läuft auf ablagerungsresistenten Schienen, die ein Blockieren durch Fremdmaterial verhindern.
Ein Schaltschrank mit einer Bedienschnittstelle steuert das System, versorgt es mit Energie und verbindet es mit einem Gasanalysesystem, das nach dem Heiß-/Nass- oder Kalt-/Trocken-Verfahren arbeitet. Gängige Kommunikationsschnittstellen ermöglichen eine einfache Anbindung des Schranks an die Anlagenleitwarte. Eine zweite Einheit außerhalb der Sonde beherbergt das umlaufende, drucklose Kühlsystem.
Entnahmefilter in der Sondenspitze
Eine kritische Schnittstelle des Geräts ist der Filter, der das Messgas vom Prozessstaub trennt. Der Filter befindet sich innerhalb des Kühlmantels der Sonde, der ihn vor direkten Einwirkungen schützt. Außerdem kann so auf das übliche lange Entnahmerohr verzichtet werden, in dem sich Staub und Messgas zu einem klebrigen Rückstand verbinden können, der das Rohr verstopft. Das gefilterte Messgas wird über ein beheiztes Rohr mit konstanter Temperatur (180 °C) abgeführt.
Reinigung per Doppel-Luftkanone
Um Komplikationen innerhalb der Sonde zu verhindern, die einem 1.200 °C heißen Prozess ausgesetzt ist, werden die beiden Luftkanonen nicht nur zur Gasentnahme, sondern auch zur Reinigung der Sondenspitze und der Filterperipherie verwendet →04. Ermöglicht wird dies durch eine neuartige 3-D-gedruckte Düsenkonstruktion aus Edelstahl, die dafür sorgt, dass die Luft einer Kanone durch die Sondenmitte und den Filter strömt, während die Luft der anderen Kanone zur Filterbasis gelangt, um die Peripherie und die Oberfläche des Filter zu reinigen und möglichen Staub in den Prozess zurückzublasen.
Starkes mechanisches Design
Das Design der Sonde basiert auf einem 4″ starken Rohr aus hitzebeständigem, rostfreien Austenitstahl. Ähnlich wie der Brenner eines Drehrohrofens ist auch die schwere Sondenkonstruktion an der Basis verstärkt. Dank der robusten Bauweise ist die Sonde in der Lage, Materialdurchfall vom Steigschacht unbeschadet zu überstehen. Ein Wärmeüberwachungssystem überprüft kontinuierlich die Prozessbedingungen und die Ablagerung von Material auf und um die Sonde und löst bei Bedarf die Standard-Luftkanonen des Ofens im Einlaufbereich aus.
Einfacher Aufbau und gängiges Material
Sämtliche Baugruppen der Sonde basieren auf gängigen Flanschen, O-Ringen, Schneidringen, Verbindungen und anderen Standardelementen. Das mittlere Rohr, das eine Luftkanone mit der vorderen Reinigungsdüse verbindet, ermöglicht ein einfaches Inspizieren der Sonde auf ihrer gesamten Länge, ohne dass dafür Werkzeuge erforderlich sind. Eine solche Prüfung ist sogar bei vollständig in den Prozess eingefahrener Sonde möglich.
Die beiden Luftkanonen befinden sich an der Seite des Fahrwagens hinter einer abnehmbaren Abdeckung →03. Die gesamte Sondeneinheit zeichnet sich durch klare Linien und einen robusten Aufbau aus, bei dem nur die für die Gasentnahme wichtigen Teile frei liegen.
Erprobung in der Praxis
Im Rahmen der Produktentwicklung wurden Tests in einer Anlage von Holcim Deutschland in Lägerdorf durchgeführt. Dabei wurden folgende Aspekte validiert:
• Systemsicherheit
• Wartungsaufwand – für eine Betriebsdauer von mindestens sechs Monaten
• Festigkeit der Sonde
• Materialwahl für Prozess- und Entnahmeteile
• Fähigkeit der Sonde und der Fahrvorrichtung zur Entfernung von Verkrustungen
• Reinigungseffizienz der Luftkanonen bei einem mit AFR betriebenen Prozess und hohen Konzentrationen von flüchtigen Bestandteilen
• Gasanalyseergebnisse der neuen Sonde
Mitte 2021 wurde eine Testsonde installiert. Die Testinstallation verfügt über einen automatischen Flansch zum Schutz des Personals und der Ausrüstung im Falle eines Überdruckereignisses. Nach der Sicherheitsfreigabe für den automatischen Betrieb erfolgte der Test über einen Zeitraum von zehn Monaten.
Während des Tests wurden zwei Modifikationen vorgenommen: Der automatische Flansch wurde verstärkt und der Zulauf an der Sondenspitze wurde verändert, um einen stabileren Durchfluss bei starker Verkrustung am Zulauf zu gewährleisten.
Der Einsatz von Standard-Wartungsverfahren und -material erwies sich als äußerst erfolgreich und für das Wartungspersonal leicht umsetzbar (es ist keine besondere Schulung erforderlich). Der Zeitaufwand für eine typische vorbeugende Wartung und Inspektion betrug weniger als 15 min pro Woche.
Bei den Tests wurde die Sonde mehrfach von herunterfallendem Material aus dem Steigschacht getroffen, blieb aber gänzlich unbeschädigt. Bei einer vollständigen Prüfung aller internen und externen Teile nach sieben und zehn Monaten Betrieb wurden keine Korrosion oder Schäden festgestellt. Vielmehr hatte sich eine harte Oxidschicht auf der Sondenoberfläche gebildet, die zusätzlichen Schutz bot.
Während des Testzeitraums wurden Brennstoffe von 17 verschiedenen AFRs verwendet, was zu erheblichen Schwankungen in den O₂- und CO-Werten sowie leichten bis sehr starken Verkrustungen führte. Trotz dieser Bedingungen arbeitete die Sonde im automatischen Betrieb zuverlässig und erforderte keine manuelle Reinigung – die regelmäßigen Reinigungszyklen reichten aus, und bei starker Verkrustung löste ein Vakuumsensor eine zusätzliche automatische Reinigung aus. So wurde eine Verfügbarkeit von über 95 Prozent erreicht, was die Tauglichkeit des Designs bestätigte und zeigt, dass sich mit einer Doppelsonden-Lösung (die ebenfalls verfügbar ist) eine Verfügbarkeit von 100 Prozent erreichen lässt →05.
Da der Testofen über ein vorhandenes extraktives Gasanalysesystem am Drehrohrofeneinlauf verfügte, war ein Vergleich der Ergebnisse möglich. Obgleich die Gasproben für die Analysatoren nicht zum gleichen Zeitpunkt entnommen wur-den und die vorhandenen Systeme eine deutlich längere Entnahmezeit aufwiesen, ergab ein Vergleichstest eine Übereinstimmung mit einer maximalen Abweichung von 10 Prozent.
Zementierung der Zukunft
Der Einsatz von AFR in der Zementindustrie stellt Gasanalysesysteme aufgrund der höheren Konzentrationen von flüchtigen Bestandteilen vor neue Herausforderungen. Gleichzeitig sorgt die höhere Komplexität des Prozesses dafür, dass eine präzise Gasanalyse an Bedeutung gewinnt, wenn es darum geht, eine effiziente Verbrennung sicherzustellen, die Qualität zu verbessern, Emissionen und den ökologischen Fußabdruck zu reduzieren, Umweltauflagen zu erfüllen und AFR wirksam einzubinden. Die ProKiln-Sonde hat gezeigt, dass sie in der Lage ist, selbst unter schwierigsten Bedingungen eine wirksame Gasanalyse am Drehrohrofeneinlauf sicherzustellen. Allein die Ofenabschaltungen, die dadurch verhindert werden können, rechtfertigen eine Investition in die Installation der effektiven und robusten Sonde.
Angesichts der Entwicklung der Branche werden Gasanalysetechnologien wie ProKiln eine entscheidende Rolle dabei spielen, den Zementsektor in eine umweltverträglichere und effizientere Zukunft zu führen.
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