1.Zusammenfassung

Im Verbundprojekt MoProOpt wird ein neuartiges Automatisierungskonzept für den Zementherstellungsprozess erforscht, welches bei gleichbleibender Produktqualität einen größeren Sekundärbrennstoffeinsatz und eine messbare Senkung der Umweltbelastung durch eine Erhöhung der Energieeffizienz ermöglicht.

2.Problemstellung

Aus ökologischen und ökonomischen Gründen werden in der Zementindustrie in verstärktem Maße Sekundärbrennstoffe (nicht stofflich verwertbare Kunststoff-, Papier- und Textilfraktionen, Altreifen, Tiermehl, etc.) eingesetzt. Das schont natürliche Ressourcen, senkt die stark gestiegenen Brennstoffkosten, reduziert den CO2-Ausstoß und entlastet die Kommunen vom Druck der Deponieproblematik. In Verbindung mit dem Einsatz von Sekundärbrennstoffen gestaltet sich die Prozessführung bei der Zementherstellung jedoch erheblich komplexer. Diese Brennstoffe weisen im Gegensatz zu natürlichen Energieträgern wesentlich höhere Schwankungen, u. a. im Heizwert und den Nebenkomponenten wie Na, K und Cl, und ein stark unterschiedliches Ausbrandverhalten auf.

Noch ist es dem aktuellen Stand der Technik entsprechend die Aufgabe der jeweiligen Betriebsführung, mit den negativen Auswirkungen des Sekundärbrennstoff-Einsatzes bestmöglich zu Recht zu kommen. Durch Störungen des Produktionsablaufs kann es daher zu Abstrichen bei der ökonomischen und ökologischen Produktionsbilanz kommen. Bisher am Markt verfügbare, konventionelle Automatisierungssysteme sind bis heute nicht in der Lage, den Klinkerbrennprozess unter den genannten, schwierigen Rahmenbedingungen zuverlässig und mit hoher Effizienz zu führen. Das wird mit dem im Rahmen von MoProOpt verfolgten Automationskonzept angestrebt.

3.Projektziele

Das Ziel von MoProOpt ist die Entwicklung eines Automatisierungskonzepts für die Zementproduktion, welches eine Erhöhung des Sekundärbrennstoffeinsatzes (von z.Z. 70% auf 80%) und eine messbare Senkung der Umweltbelastung durch eine Verbesserung der Energieeffizienz ermöglicht. Optimierungen im Zementherstellungsprozess müssen daher sowohl ökonomische als auch ökologische Fortschritte bringen und neben einer Senkung der Zementherstellungskosten zugleich eine Verringerung der Emissionen nach sich ziehen. Der geplante erhöhte Einsatz von Sekundärbrennstoffen führt zu insgesamt niedrigeren Brennstoffkosten, zum anderen helfen verbesserte Modellvorstellungen von den bei der Zementherstellung ablaufenden physikalischen und chemischen Vorgängen unter Einbeziehung sämtlicher über den Sekundärbrennstoff verfügbaren Informationen, den Klinkerbrennprozess bei der für eine bestimmte gewünschte Produktqualität möglichen niedrigsten Temperatur durchzuführen. Durch regelungstechnische Maßnahmen werden dabei Temperaturschwankungen sowie ein Unterschreiten der Mindesttemperatur vermieden.

4.Vorgehensweise

Die Methodik umfasst insbesondere die Lösung der Kernprobleme zu einer verbesserten Modellierung der Kalzinator- und Drehofenprozesse sowie der Ermittlung zuverlässiger Prozessinformationen. Die Modellierung der Kalzinator- und Drehofenprozesse wird in MoProOpt daher mittels detaillierter CFD-Modelle vorgenommen, deren quantitative und qualitative Richtigkeit von erheblicher Bedeutung ist und durch umfangreiche Aufzeichnung von realen Betriebsdaten an Zement-Anlagen unterstützt wird. Unter Zuhilfenahme der CFD-Modelle sowie vorhandener Messgrößen wird eine virtuelle Sensorik zur Schätzung von Prozessinformationen ermöglicht.

Die Installation eines Kamerasystems stellt zusätzliche Informationen über den thermischen Zustand im Drehofen bereit. Da die hochdimensionalen CFD-Modelle nicht für regelungstechnische Zwecke eingesetzt werden können, wird eine Modellreduktion durch Vereinfachung der CFD-Modelle auf Einheitsprozesse durchgeführt. Die reduzierten Modelle werden anschließend innerhalb einer modellgestützten prädiktiven Regelung eingesetzt und zur Onlineoptimierung des Prozessverlaufs verwendet. Die umfangreiche Überprüfung der Regelung am virtuellen Prozess der CFD-Umgebung stellt eine erfolgreiche Durchführung der abschließenden Versuche an der realen Anlage sicher.

5.Ergebnisse und Anwendungspotenzial

Zentraler Punkt der Ergebnisverwertung von MoProOpt ist die Übertragung des erarbeiteten Regelungskonzepts in Form eines Demonstrators auf Zementproduktionsanlagen mit abweichender maschineller Ausrüstung (z.B. unterschiedliche Kalzinatoren) und damit die Möglichkeit, sowohl neue als auch bestehende Zementwerke auszurüsten (ca. 2500 weltweit). Darüber hinaus wird die Übertragung der Methodik im Sinne einer Dienstleistung auch den Nutzern anderer Hochtemperaturprozesse in der Grundstoffindustrie, der chemischen Industrie und der Energietechnik angeboten.

Die Modellreduktion sowie insbesondere die automatische Durchführung derselben stellen ebenfalls ein Ergebnis dar. Wesentliche Mittel zur Verbreitung der Forschungsergebnisse und Darstellung der Effektivität sind daher vor allem die Kontaktaufnahme mit Fachverbänden sowie die Durchführung von Workshops.

Laufzeit des Verbundprojekts: 01.04.2008-31.03.2011

Partner:
Humboldt Wedag GmbH, Köln (Verbund-Koordinator)
CEMEX Westzement GmbH, Beckum
aixprocess, Aachen
IMH, Hochschule Niederrhein, Krefeld
Institut für Regelungstechnik (IRT), RWTH, Aachen