Sekundärbrennstoffeinsatz in der Zementindustrie - vom Altreifen bis zum Tiermehl

H. Braun1) 1)Lafarge Centre Technique Europe Centrale GmbH A - 1060 Wien

Kurzfassung Der Prozess der Erzeugung von Zementklinker eignet sich im besonderen Maße zur stofflichen und thermischen Verwertung von Sekundärstoffen. Der Materialeinsatz im Zuge der Herstellung ist an die Erfüllung bestimmter Voraussetzungen hinsichtlich Umweltrelevanz, genehmigungsrechtlicher Auflagen, Produktqualität, Prozeßführung, Sicherheitstechnik und Wirtschaftlichkeit gebunden und damit eingeschränkt. Diese Einschränkungen gelten in gleichem Maße für natürliche Rohstoffe, wie für Sekundär-stoffe. Entsprechende Kontrolle und Qualitätssicherung muß die Erfüllung dieser Vor-aussetzungen gewährleisten. Die Stoffumwandlung im Hochtemperaturbereich bildet ine maßgebliche verfahrenstechnische Voraussetzung. e

Im Jahr 2000 wurden bei einer Herstellung von ca. 3,7 Mio. t Zement über 30% des Brennstoffbedarfes durch Sekundärbrennstoffe substituiert. Die Rate für Rohstoff-substitution betrug rund 6%. Die Palette der in der österreichischen Zementindustrie eingesetzten Sekundärbrennstoffe umfasst im wesentlichen Altreifen, Altöl, Löse-mittel, Altkunststoffe und Papierschlamm. Die Verwertung von Tiermehl stellt eine

eue Herausforderung dar. n Emissionen von Spurenelementen zeigen bei uneinheitlicher Entwicklung über den Verlauf der Jahre unabhängig vom zunehmenden Sekundärbrennstoffeinsatz keine wesentlichen Veränderungen. Gleichzeitig erfolgte eine weitere Verbesserung der

roduktqualität, angepasst an zunehmende Anforderungen des Marktes. P Durch die Nutzung von Sekundärstoffen leistet die Zementindustrie einen wertvollen Beitrag zum Vollzug des Abfallwirtschaftsgesetzes sowie zum Bemühen um eine nachhaltig orientierte Produktion.

1. Einleitung

In Österreich wird seit nahezu 140 Jahren Portlandzement erzeugt. Derzeit wird an neun Standorten Klinker gebrannt. Die installierte Klinkerkapazität von 4,034 Mio. t pro Jahr ist trotz Restrukturierung auf Grund der rückläufigen Entwicklung der Bau-wirtschaft und der Billigimporte (knapp 18% des Inlandbedarfes) aus östlichen

Nachbarländern nur zu etwa 70% ausgelastet. Im Jahr 2000 wurden rund 3,7 Mio. t Zement erzeugt.

Abb. 1: Brennstoffe in der österr. Zementindustrie

Die Zementproduktion ist ein extrem energieintensiver Prozess. Der durchschnittliche spezifische thermische und elektrische Energiebedarf für die Produktion einer Tonne Zement liegt in Österreich gegenwärtig bei rund 3,14 GJ [1], womit Österreichs Zementindustrie im internationalen Vergleich (z.B.: BRD 3,17 GJ/tZEM) sehr gut ab-schneidet. Die Zementindustrie ist gezwungen, laufend Möglichkeiten des Einsatzes von kostengünstigeren Brennstoffen zu prüfen. Sie war eine der ersten Branchen, welche zur Reduktion des Einsatzes primärer Energieträger (Kohle, Heizöl und Erd-gas) die Verwendung von Sekundärmaterialien als Alternativbrennstoffe praktizierte. 1980 wurde erstmals die Mitverbrennung von Altreifen in Angriff genommen, später folgten weitere Sekundärbrennstoffe. Derzeit deckt die gesamte österreichische Zementindustrie knapp über 30% ihres thermischen Energiebedarfes mit Sekundär-brennstoffen ab (Abb. 1). Gegenwärtig setzt bereits jedes österreichische Zementwerk Sekundärbrennstoffe ein. Weiters können aber auch Rohstoffe und Zumahlstoffe durch Sekundärstoffe ersetzt werden. Die weiteren Ausführungen werden sich allerdings nur auf den Einsatz von Sekundärbrennstoffen beschränken.

2. Zementherstellung

BRENNEN MAHLENKlinker

ROH-STOFFE

BRENN-STOFFE

PrimärrohstoffeKalkstein,Mergel, Ton,Sekundärrohstoffe

Ca - TrägerSi - TrägerFe - TrägerAl - Träger

Zement

Primärbrennstoffe

Kohle, Heizöl(s), Erdgas

Sekundärbrennstoffe

Altreifen, Altöl

ZUMAHL-STOFFE

Erstarrungsregler

Primär: Gips, AnhydritSekundär: REA-Gips, Gipsbruch

Hydraulisch aktive ZumahlstoffePrimär: Trass, PuzzolaneSekundär: Hüttensand, Flugasche

Abb. 2: Einsatz von Roh-, Brenn- und Zumahlstoffen für die Zementherstellung

Abb. 2 zeigt schematisch die Materialzufuhr des gesamten Zementherstellungs-Prozesses [2]: • als Rohmaterialmischung, die dem Brenn- und Sinterprozess unterworfen wird • als Brennstoff • als Zumahlstoff bzw. auch als Hilfsstoff im Zuge der Zementmahlung

Abb. 3: Flussdiagramm Zementproduktion

Da die Hauptbestandteile des Portlandzementklinkers Kalziumsilikate, Kalzium-aluminat und Kalziumaluminatferrit sind, können Rohstoffe für die Klinkerherstellung solche sein, welche die für die Mischungsberechnung wirksamen Elemente Kalzium, Silizium, Eisen und Aluminium oder eine Kombination derselben enthalten. Art und Herkunft ist für den chemisch-mineralogischen Umwandlungsprozess unmaß-geblich. Damit der Zement die vorgegebenen Qualitätsanforderungen erfüllt, ist jeden-falls eine exakt definierte Rohmaterialzusammensetzung erforderlich. Die Herstellung von Zement ist in Abb. 3 schematisch dargestellt.

2.1 Verfahrenstechnik Die verfahrenstechnischen Bestrebungen sind vor allem auf die Optimierung des Energiebedarfes, die Qualität und die Gleichmäßigkeit des Zementes sowie auf die Minimierung der Emissionen ausgerichtet. Bei dem hohen Energiekostenanteil von etwa 35% der Bruttowertschöpfung kommt entsprechenden Strategien große wirt-chaftliche Bedeutung zu. s

Der Energiebedarf kann u.a. durch den Ersatz von Regelbrennstoffen durch Sekundär-Brennstoffe und durch die zunehmende Verwendung von anderen Hauptbestandteilen und/oder Sekundärstoffen neben dem Klinker bei der Zementherstellung gesenkt

erden. w Bei der Substitution von konventionellen Brennstoffen durch Sekundärbrennstoffe stellt sich die Frage nach dem Einfluss auf die Bedingungen des Klinkerbrenn-prozesses. Besonders sind dabei Auswirkungen auf Prozesstemperatur, Abgasmenge, Frachten an Schadstoffen und die daraus resultierenden Veränderungen der Klinker-phasenbildung sowie die Energieaufwendung zu beachten. Aus diesen Bedingungen folgt auch, dass konventionelle Brennstoffe unter anderem schon aus anlagen-technischen, vielmehr noch aus Gründen der Produktqualität nicht beliebig durch Sekundärbrennstoffe ersetzt werden können, sofern deren Eigenschaften von jenen der konventionellen Brennstoffe abweichen. Eine Veränderung der Klinkerphasen bewirkt bekanntlich eine Änderung der Reaktivität des Klinkers und somit auch der Mahlbar-keit. Damit ändern sich wesentliche Produktionsbedingungen und Produkteigenschaf-en. t

Mit dem Materialfluss der Rohmaterialien und Brennstoffe gelangen Nebenelemente wie Schwefel, aber auch Spurenelemente wie Chlor, Fluor und Schwermetalle in das Ofensystem. Die aus den flüchtigen Elementen gebildeten gasförmigen Schadstoffe werden im hochalkalisch reagierenden und im hohen Überschuss vorliegenden Brenn-gut neutralisiert und gebunden. Der intensive Kontakt zwischen den Abgasen und der Rohmaterialmischung beginnt bereits im Zuge der Mahltrocknung, wo die frisch ermahlene Oberfläche der Rohmaterialteilchen mit den heißen Ofenabgasen in innigen

ontakt tritt. K Während Schwefel in Form von Alkalisulfat und Fluor als Bestandteil der kristallisierten Klinkerphasen mit dem Klinker aus dem Ofen ausgetragen werden, kann der Klinker Alkalichloride – und das gilt ähnlich auch für einzelne Schwermetall-

chloride - wegen ihrer Flüchtigkeit bei den erforderlichen Brennguttemperaturen nur in geringem Maße aufnehmen. Diese Alkalisalze gehen bei ca. 800°C in die Gasphase über und kondensieren bei tieferen Temperaturen im Bereich des Wärmetauschers, so dass im Drehofen-Wärmetauschersystem sogenannte innere Alkalikreisläufe entstehen. Der Umfang dieser Kreisläufe ist eine Funktion der Gesamteinnahmen an Chlorid und kann bei Erreichen kritischer Konzentrationen durch Krustenbildung und Zyklonverstopfungen Schwierigkeiten im Produktionsprozess verursachen. Durch Kontrolle und Begrenzung der Chlorideinnahmen sowie gegebenenfalls durch das Abziehen einer Gas- bzw. Materialteilmenge über eine Bypasseinrichtung im Ofen-einlaufschacht im Kondensationsbereich der Salze können diese Schwierigkeiten eherrscht werden. b

Schwerflüchtige Schwermetalle werden in die Gitter der Klinkermineralien eingebaut und somit in erdkrustenähnlicher Form immobilisiert.

2.2 Anlagentechnik Zementklinker wird heute in Österreich zum überwiegenden Teil nach dem Trocken-verfahren in Drehöfen mit Zyklonvorwärmer hergestellt. Eine vereinfachte Darstellung zeigt Abb. 4. Drei dieser Anlagen sind modernerer Bauart und mit einem Vorkalzinator ausgestattet. Sekundärbrennstoffe können sowohl bei der Hauptfeuerung, der Zeitfeuerung und unter bestimmen Bedingungen im Kalzinator aufgegeben werden. Wegen der hohen Temperaturen und des erforderlichen Sauerstoffüberschusses stehen in der Haupt-feuerung ideale Verbrennungsbedingungen zur Verfügung. Dadurch wird die weitgehende Zersetzung der organischen Verbindungen in den Brennstoffen gewähr-leistet. In der Zweitfeuerung werden in der Regel Temperaturen bis über 1000°C, im

alzinator, je nach Bauweise, Temperaturen von etwa 860°C bis über 1200°C erreicht.

Abb. 4: Schematische Darstellung des Trockenverfahrens mit Zyklon-Wärmetauscher

K

Einer der Vorteile des Vorkalzinierofens ist die Möglichkeit zum flexibleren Einsatz von Sekundärbrennstoffen mit unterschiedlichem, besonders aber mit niedrigem Heizwert. Dieser liegt je nach Gehalt an Asche und Feuchtigkeit üblicherweise zwischen 10 und 30 MJ/kg. Allerdings muss festgehalten werden, dass der Mix der eingesetzten Primär- und Sekundärbrennstoffe in Zementdrehofenanlagen einen Heiz-wert von etwa 20-22MJ/kg mindestens aufweisen muss [3], um die erforderliche heiße Flamme für den Klinkerbrennprozess sicherzustellen. Damit wird klar, dass minder-wertige Brennstoffe nur begrenzt einsetzbar sind. Einen deutlich geringeren Anteil an der Produktion haben die Öfen mit Rostvor-wärmer, wie in Abb. 5 dargestellt. Auch Rostvorwärmeröfen können mit einer Sekundärfeuerung betrieben werden. In Österreich wird dies in einem Fall praktiziert.

Abb. 5: Schematische Darstellung des Halbnassverfahrens (Lepolverfahren)

2.3 Gesetzliche Rahmenbedingungen – Umweltschutz

2.3.1 Gewerberecht und Europäische Verbrennungsrichtlinie Die Errichtung und der Betrieb von Zementwerken unterliegt in Österreich im wesent-lichen dem Gewerberecht und seinen Durchführungsverordnungen. Der Einsatz von konventionellen Brennstoffen, einschließlich Altreifen, ist in der Verordnung über „Begrenzung der Emission von luftverunreinigenden Stoffen aus Anlagen der Zement-erzeugung“ vom 29. Jänner 1993 geregelt. Derzeit gibt es noch keine gesonderten gesetzlichen Bestimmungen für die Mitverbrennung von Sekundärbrennstoffen im Zementdrehrohrofen, ausgenommen im Fall des Einsatzes von gefährlichen Abfällen. Daher werden im Rahmen eines entsprechenden Genehmigungsverfahrens zusätzliche Auflagen, wie die Einhaltung weiterer Emissionsgrenzwerte, meist in Anlehnung an das Luftreinhaltegesetz (LRG-K) oder bereits bestehende internationale Richtlinien, erteilt. Im Fall, dass die Mitverbrennung von Sekundärbrennstoffen eine Jahresmenge von 10.000 t überschreitet, sind derzeit die Bestimmungen des Abfallwirtschafts-

gesetzes, bei Mengen über 35.000 t jene der Umweltverträglichkeitsprüfung anzu-enden. w

Gegenwärtig hat auf Grundlage der EU-Richtlinie 94/67/EG die Verordnung über die „Verbrennung von gefährlichen Abfällen“ Gültigkeit, welche auch deren Mitver-

rennung in der Zementindustrie regelt. b Weiters trat am 28.12.2000 die EU – Richtlinie 2000/76/EG über die „Verbrennung von Abfällen“ in Kraft, welche europaweit einheitlich den Einsatz von Abfällen regelt. Diese Richtlinie wird gegenwärtig in österreichisches Recht umgesetzt.

2.3.2 Umweltschutz beim Einsatz von Sekundärbrennstoffen Die Emissionen aus dem Abgas von Zementdrehofenanlagen stammen zum einen Teil aus thermischen Prozessen mit Energieträgern, zum anderen Teil aus chemischen und physikalischen Vorgängen des Produktionsprozesses mit bis zu etwa zehnfach höheren Massenströmen. Das bedeutet, dass ein Wechsel der Brennstoffe nur den ent-sprechenden Anteil der Emissionen beeinflussen kann.

Schadstoff

Mittlere Emissions-konzentration

[mg/m³ (Vn)tr.] Schadstoff

Mittlere Emissions-Konzentration [mg/m³ (Vn)tr.]

Staubförmige Emission 18,35 Cd, Tl, Be (insgesamt) 0,014477 Stickstoffoxide (als NO2) 649,13 Quecksilber (Hg) 0,012744 Schwefeldioxid (SO2) 28,84 Chlorverbindungen (als HCl) 2,244 As, Co, Ni, Pb (Summe) 0,034964 Fluorverbindungen (als HF) 0,176 Cadmium (Cd) 0,003289 Kohlenmonoxid (CO) 1.252,07 Thallium (Tl) 0,008233 Org. Gesamtkohlenstoff 35,751 Beryllium (Be) 0,002956

Tab. 1: Streubreite der mittleren Emissionskonzentrationen diverser Schadstoffe aus Anlagen der österreichischen Zementindustrie (1999); [1]

Tabelle 1 zeigt den aktuellen Stand der Emissionen in der österreichischen Zementin-ustrie. d

Das Abgas von Zementdrehofenanlagen wird heute noch überwiegend durch Elektro-filter, zunehmend aber auch durch Tuchfilter entstaubt. Die mittlere Emissions-konzentration an Gesamtstaub, über alle österreichischen Zementdrehofenanlagen gerechnet, lag im Jahr 1999 bei rund 18 mg/Nm3 bzw. 0,031 kg/tZEM. Dieser Wert wird edoch im Jahr 2000 aufgrund von weiteren Optimierungen unter 15 mg/Nm3 sinken. j

SO2 Emissionen resultieren bei Zementdrehofenanlagen fast ausschließlich aus leicht-flüchtigen Schwefelverbindungen, welche in den Rohstoffen mancher Lagerstätten auftreten. Diese erfordern im Extremfall den Einsatz eines Nasswäschers zur Ent-schwefelung des Abgases, wie in Österreich - europaweit eine von fünf Anlagen - auch nstalliert. i

NOx-Emissionen im Abgas einer Zementdrehofenanlage sind die Folge der hohen Prozesstemperatur, bei welcher neben dem Brennstoff-NOx vor allem eine beträcht-liche Menge von thermischem NOx gebildet wird. Dieses entsteht unabhängig vom

eingesetzten Brennstoff auf Grund der Umsetzung des Luft-Stickstoffes aus der erforderlichen Verbrennungsluft im Produktionsprozess beim Einsatz des Brenn-stoffes. Die mehrfach erhobene Forderung nach Absenkung dieser Konzentrationen beim Einsatz von Sekundärbrennstoffen geht daher an der prozesstechnischen Ursache

orbei. v Die aktuellen Zahlen zeigen, dass die Ofenanlagen der österreichischen Zementwerke trotz der gegenwärtigen Substitutionsrate durch Sekundärbrennstoffe von rund 30% m europaweiten Vergleich sehr günstige Werte vorweisen können. i

Werden Schwermetalle in das Ofensystem eingetragen, sind – wie bereits ausgeführt - bei geringer Flüchtigkeit hohe Einbindungsraten in den Klinker gesichert bzw. ein Anstieg der Emissionen im wesentlichen ausgeschlossen. Die Grenze liegt dort, wo die Produktqualität die üblichen durch herkömmliche Rohmaterialien vorgegebenen Band-reiten verlassen würde. b

Im Gegensatz zu schwerflüchtigen Elementen bietet der Zementerzeugungsprozess bei leicht flüchtigen Elementen keine Sicherheiten, so dass Sekundärbrennstoffe, die beispielsweise relevante Mengen an Quecksilber enthalten, vom Einsatz auszu-schließen oder zumindest zu begrenzen sind. Da innere Ofenkreisläufe von Alkalien und Chloriden Verfahrensstörungen verursachen können, sind Mengenbegrenzungen bei jenen Komponenten in den Sekundärbrennstoffen vorzusehen, die diese Ver-bindungen enthalten. Dies kann je nach Rohstoffvorkommen von Standort zu Standort unterschiedlich sein. Die Anreicherung der Kreislauferscheinungen kann zu einer ver-ingerten Einbindung von bestimmten Spurenelementen in den Klinker führen. r

Da organische Brennstoffbestandteile zu ihrer Zersetzung hohe Temperaturen und aus-reichend lange Verweilzeiten erfordern, muss ihr Einsatz meist auf die Hauptfeuerung beschränkt bleiben. Dort allerdings kann der Nachweis erbracht werden, dass selbst Verbindungen eines Altöls mit erhöhten PCB-Graden zufriedenstellend zersetzt und entsprechende Grenzwerte für Dioxine / Furane mit Sicherheit unterschritten werden [2]. In der Regel liegen derartige Emissionswerte weit unter jenen von Müllverbren-nungsanlagen. Fallweise – bei spezieller Anlagenkonfiguration – können auch im Ofeneinlauf oder im Bereich des Kalzinators entsprechend hohe Temperaturen und längere Verweilzeiten sichergestellt werden.

3. Sekundärbrennstoffeinsatz in der Zementindustrie – Entwicklung in Österreich und international 3.1 Qualitätssicherung Für die Sicherstellung und den Nachweis der Erfüllung der produkt- und prozess-technischen sowie umweltrelevanten Voraussetzungen ist der Einsatz entsprechender

rüftechniken zur Qualitätskontrolle der eingehenden Stoffe erforderlich. P Durch ein detailliertes Qualitätssicherungskonzept [4], wie beispielsweise in Tabelle 2 dargestellt, ist zu gewährleisten, dass nur die Stoffe im Zementwerk eingesetzt werden, für welche die entsprechende gewerberechtliche Genehmigung vorliegt, und der Weg

der Abfälle von ihrem Anfallort bis zu ihrer Verwertung jederzeit nachvollzogen und überprüft werden kann. Prozessschritt Maßnahmen Ergänzende Maßnahmen

Anfallort Sortenreine Erfassung der Reststoffe Vermeiden von Verunreinigungen Vertragliche Vereinbarung über zulässige Qualitäten und Zusammensetzung der Rest-stoffe Dokumentation der ausgehenden Mengen

Schulung des Reststofferzeugers durch den Reststoffentsorger Regelmäßige Kontrolle des reststoff-erzeugenden Betriebes durch den Reststoffentsorger

Aufbereitungs- anlage (Eingang)

Eingangskontrolle (visuell) Regelmäßige Probenahme und Analyse der eingehenden Stoffe Rückstellproben der eingehenden Stoffe Dokumentation von eingehenden und aufbe-reiteten Mengen

Zertifizierung der Aufbereitungs- anlage nach DIN EN ISO 9002 Entsorgungsfachbetrieb

Aufbereitungs- anlage (Ausgang)

Regelmäßige Probenahme und Analyse der ausgehenden Stoffe Rückstellproben Dokumentation der ausgehenden Mengen

Zementwerk (Ein-gang)

Regelmäßige Probenahme und Analyse der eingehenden Stoffe Rückstellproben Dokumentation der eingehenden Mengen

Regelmäßige Probenahme und Analyse der eingehenden Stoffe durch einen externen Sachverständigen

Tab. 2: Qualitätssicherungskonzept für die Herstellung und die Überwachung von Sekundär- brennstoffen

3.2 Einsatzbedingungen Auf mehreren Ebenen werden laufend Bestrebungen, Qualitätskriterien oder Einsatz-bedingungen erarbeitet, welche zu einer kontrollierten Verwertung durch den Einsatz von gütegesicherten Sekundärbrennstoffen führen sollen. Die 1999 in der Bundesre-publik Deutschland gegründete Gütegemeinschaft Sekundärbrennstoffe hat sich zum Ziel gemacht, einheitliche Qualitätskriterien für Brennstoffe aus gemischt anfallenden und anschließend aufbereiteten Abfällen zu entwickeln. In den Güte- und Prüfbe-stimmungen sind Art und Umfang der geplanten Brennstoffüberwachung geregelt und Qualitätskriterien zur Beschreibung der Sekundärbrennstoffe festgelegt. Eine ähnliche Zielstellung hat sich die im Herbst 2000 gegründete österreichische Gütegemeinschaft für Sekundärenergieträger (ÖG-SET) gesetzt [5]. Mit der vom Gesetzgeber geforder-ten Erstellung einer Positivliste, welche die Zuordnung von Sekundärbrennstoffen zu Mitverbrennungsanlagen regelt, wird in ähnlicher Weise den vorstehend be-chriebenen Vorgaben entsprochen. s

Die Forderung nach möglichst hoher Qualität und vielfältiger Einsatzmöglichkeit stellt sowohl an das Produkt Zement als auch an den Herstellungsprozess hohe An-forderungen.

Daher sind für den Einsatz von Sekundärbrennstoffen folgende Grundsätze einzuhal-ten [6]:

• Einhaltung genehmigungsrechtlicher Auflagen • Sicherstellung einer einwandfreien Produktqualität • der Herstellungsprozess darf nicht gestört werden • die Sicherheit am Arbeitsplatz muss gewährleistet sein • zusätzliche Umweltbelastungen müssen ausgeschlossen werden können • Investitionen und Betriebskosten müssen wirtschaftliche Vorgaben erfüllen

Diese Forderungen gelten, gleichgültig ob der in Frage stehende Roh- bzw. Brennstoff aus natürlichen Lagerstätten stammt und bergmännisch gewonnen wird, oder ob es sich dabei um Sekundärstoffe handelt. Weiters ergeben sich aus diesen Anforderungen Kriterien, welche den Einsatz von Sekundärbrennstoffen in ihrer Menge begrenzen der sogar gänzlich ausschließen. o

Weitere wichtige Voraussetzungen für einen ungestörten Prozessablauf sind die uneingeschränkte mittelfristige Verfügbarkeit und die gleichmäßige Konsistenz bzw. Zusammensetzung. Entschieden auszuschließen sind jedenfalls Sekundärstoffe aller Art, welche eine erhöhte Radioaktivität aufweisen. Grenzen sind dort zu setzen, wo die Qualifikation des Personals nicht ausreicht, um in der täglichen Praxis den sicheren

mgang mit derartigen Sekundärstoffen zu gewährleisten. U Es hat sich gezeigt, dass neben der chemischen und stofflichen Beschaffenheit des Sekundärbrennstoffes, die im Wesentlichen durch den Entstehungsprozess der Abfälle bedingt ist, vor allem die durch eine entsprechende mechanische Vorbehandlung zu beeinflussenden physikalischen Parameter, wie Stückigkeit bzw. Korngröße und Inertstoffgehalt, für die verfahrenstechnische Machbarkeit der thermischen Verwer-tung des Abfalls bzw. Reststoffes in Zementdrehofenanlagen entscheidend sind. Auch hierin sind an Sekundärbrennstoffe grundsätzlich die gleichen Qualitätsanforderungen zu stellen, wie an konventionelle Brennstoffe. Diese sind aus prozesstechnischer Sicht hauptsächlich die rasche Zündfähigkeit, eine hohe Ausbrandgeschwindigkeit und

leichmäßiger Ausbrand und keine wesentliche Beeinträchtigung der Ofenkreisläufe. g Hinter diesen Anforderungen verbergen sich folgende wesentliche Eigenschaften:

• Feinheit durch entsprechende Aufbereitung des Brennstoffes • Heizwert • Anteil an flüchtigen Stoffen • Dosierbarkeit • Gleichmäßigkeit, insbesonders hinsichtlich der kreislaufbildenden bzw.

beeinflussenden Komponenten (z.B. Gehalt an Chlor, Alkalien etc....) Ebenso wie bei konventionellen fossilen Brennstoffen erfolgt durch die Aschen der Sekundärbrennstoffe ein Materialeintrag. Dieser muß mit der gesamten Rohstoffmatrix im Einklang stehen, da die Aschen mineralische Komponenten der Klinkerherstellung darstellen. Diese Komponenten sind im Phasendiagramm CaO-SiO2-Al2O3+Fe2O3 (Abb. 6) ein-gebettet. Betrachtet man die typische Komposition des Klinkers und der Asche von üblichen Stein- bzw. Braunkohlen, so ist leicht erkennbar, dass das Rohmaterial-gemisch gegenüber einer Betriebsweise mit Schweröl als Brennstoff entsprechend

anzupassen ist, damit die typischen Eigenschaften des Klinkers erhalten bleiben. Dies gilt in gleicher Weise für die verschiedenen hauptsächlich eingesetzten Sekundär-brennstoffe, wie Altreifen, Abfallkunststoffe etc.

Abb. 6: Dreistoffdiagramm CaO-SiO2-Al2O3+Fe2O3

3.3 Arten und Einsatz Aus Abb. 7 geht hervor, dass in Jahr 2000 ca. 2,6 Mio. t/a Reststoffe und Abfälle thermisch behandelt wurden. Davon wurden rund 125.000 t/a (d.s. etwa 5%) in Zementdrehofenanlagen eingesetzt. Die thermische Behandlung der heizwertreichen Fraktionen beschränkt sich im wesentlichen auf folgende Branchen [7]:

Abb. 7: Thermische Behandlung in Österreich (Quelle UBA - VÖZ)

• Zellstoff- und Papierindustrie • Holzverarbeitende Industrie • Zementindustrie • Sägeindustrie • sowie andere Industriesparten mit kleineren Mengen.

In österreichischen Zementdrehofenanlagen werden folgende Sekundärbrennstoffe eingesetzt:

3.3.1 Altreifen Gegenwärtig wird etwa die Hälfte des geschätzten jährlichen Anfalles an Altreifen in österreichischen Zementdrehofenanlagen verwertet. Damit liegt Österreich europaweit an der Spitze. Immerhin wurden seit Beginn der thermischen Verwertung im Jahr 1980 – erstmals beginnend im Werk Gmunden, die Werke Retznei, Rodaun und Manners-dorf folgten (Mannersdorf hat inzwischen durch Inbetriebnahme einer neuen Ofenan-lage die Verfeuerung nicht wieder aufgenommen) - derart rund 525.000 t entsorgt. Heute verfeuern die Werke Retznei, Gmunden, Gartenau und Vils Altreifen als Sekundärbrennstoff.

Abb. 8: Altreifenverbrennung im Drehofen

Altreifen werden üblicherweise stückweise in den Ofeneinlauf eingebracht. In diesem Fall ist die Einsatzgröße in der Regel auf einen Durchmesser von 1,2 bis 1,3 m beschränkt. In einigen Werken erfolgt der Einsatz in geschredderter Form, womit auch die Entsorgung größerer Dimensionen ermöglicht wird. Durch den Einsatz von Altreifen als Sekundärfeuerung im Ofeneinlauf können aus verfahrenstechnischen Gründen – je nach Ofensystem – bis zu über 25% Primärenergieträger effizient ingespart werden. e

Prozesstechnisch sind der intermittierende Energieeintrag, die daraus resultierenden Schwankungen von Prozessparametern und somit der Einfluss auf die Kreisläufe zu eachten. b

Die direkte energetische Nutzung im Zementdrehofen bietet derzeit unter Bedacht-nahme auf ökologische und ökonomische Aspekte die einzig praktikable Lösung des Altreifenproblemes.

3.3.2 Kunststoffabfälle 1991 wurden erstmals Kunststoffabfälle im Zementwerk Wietersdorf im Rahmen eines Probebetriebes eingesetzt. Während dieses Versuches waren Fragen über Aus-wirkungen bei der Verwendung von Altkunststoffen als Sekundärbrennstoff auf die Emissionen über die Abluft und auf das Produkt unter Einbindung einschlägiger nstitute zu klären. I

Zwei Jahre später folgte das Werk Mannersdorf. Die Ergebnisse in beiden Werken haben klar erwiesen, dass mit dem Einsatz von Altkunststoffen keine signifikanten Änderungen im Emissionsverhalten - in Einzelfällen sogar eine deutliche Reduzierung – bei sonst unveränderten Bedingungen hinsichtlich Produktqualität eintraten. Heute wird in den Werken Gartenau, Gmunden, Kirchdorf, Mannersdorf, Retznei, Wieters-

orf und Wopfing Altkunststoff als Sekundärbrennstoff eingesetzt. d Auf dem Aufbereitungs- und Zerkleinerungssektor sowie im Bereich der Förderung, Lagerung und Dosierung sind heute teilweise neue Technologien im Einsatz, wie aus Abb. 9 links ersichtlich ist. Die Sekundärbrennstoffaufgabe erfolgt in der Regel über den Drehofenhauptbrenner. Es ist ein völliger Ausbrand des Brennstoffes vor Auftref-fen auf das Brenngut sicherzustellen.

90 - 120 m³

350m³

1m³

Animal meal

Clinkercooler

Walking floor

300m³

13.000 t/year10.000 t/year

12.000 t/year

Abb. 9: Fließschema Abfallkunststoff- und Tiermehlverbrennung

3.3.3 Altöl und Lösungsmittel Im Jahr 1987 hat das Werk Gmunden als erstes österreichisches Zementwerk um Genehmigung zur Verwertung von flüssigen Sekundärbrennstoffen angesucht. Das Werk Peggau folgte ein Jahr später. Es konnte in gleicher Weise – wie zwischen-zeitlich in zahlreichen anderen Anwendungsfällen im In- und Ausland - der Nachweis erbracht werden, dass der Einsatz bestimmter Qualitäten an Altöl und Lösungsmittel zu keiner signifikanten Veränderung der Emissionssituation und der Eigenschaften des Produktes führt. Erstmals erfolgte eine umfangreiche Spezifikation der Materialkate-gorien sowie eine Festlegung von Grenzwerten von Inhaltstoffen, Heizwert, stündlichen Einsatzmengen und der Jahresfracht an PCB. Dies erfordert eine umfang-reiche Eingangskontrolle jeder Anlieferung. Die Aufgabe und Dosierung flüssiger Sekundärbrennstoffe erfolgt mit Einrichtungen ähnlich den konventionellen flüssigen Brennstoffen über den Hauptbrenner, meist mit dem Vorteil, dass die für Heizöl er-forderliche Aufheizung, um die für eine gute Zerstäubung erforderliche Viskosität zu erreichen, infolge der Dünnflüssigkeit der Altöle etc. in der Regel entfallen kann. Das rozesstechnische Verhalten gleicht jenen von flüssigen Regelbrennstoffen. p

Heute werden in den Werken Gmunden, Mannersdorf und Peggau flüssige Sekundär-brennstoffe eingesetzt.

3.3.4 Papierfaserreststoff Seit 1990 wird Papierreststoff in einem zum Patent angemeldeten Verfahren im Zementwerk Wopfing – ebenfalls begleitet von einer Serie von Umweltmessungen, die im Probebetrieb durchgeführt wurden – eingesetzt. Das Verfahren arbeitet denkbar einfach. Der Papierfaserreststoff wird mit Ofenabgas, welches nach dem Wärme-tauscherturm entnommen wird, auf ca. 10–15% Restfeuchte getrocknet. Das Material wird anschließend über eine Schleuse beim Ofeneinlauf aufgegeben. Wesentlicher Bestandteil des Verfahrens ist, dass die in beträchtlicher Menge anfal-lende Asche zur Gänze als Sekundärrohstoff für die Zementklinkererzeugung genutzt wird. Die Analyse der Asche zeigt eine für den Zementchemiker durchaus vertraute Zusammensetzung, da die in der Papierindustrie verwendeten Füllstoffe aus

ochreinen natürlichen Kalkstein- und Kaolinvorkommen stammen. h Mit dem Einsatz von Papierfaserreststoffen liegt zweifellos ein innovatives Verfahren vor, welches die Interessen zweier grundsätzlich verschiedenener Branchen über den Weg eines sinnvollen Recycling verbindet. Die 1999 eingesetzte Menge an Papier-faserreststoff betrug nahezu 38.000 t/a.

3.3.5 Der Einsatz von Tiermehl Gegen Ende des vergangenen Jahres sind europaweit Bestimmungen über das Verbot des Verfütterns, des innergemeinschaftlichen Verbringens und der Ausfuhr bestimmter Futtermittel in Kraft getreten. Aufgrund dieses Verbotes stehen derzeit in Österreich pro Jahr etwa 80.000 t – 100.000 t, in Deutschland rund 700.000 t an Tiermehlen und

eitere beträchtliche Mengen an Tierfetten zur Entsorgung an. w Der Klinkerbrennprozess ist aufgrund seiner verfahrensspezifischen Besonderheiten sehr gut zur umweltverträglichen und schadlosen Verwertung sowohl von Tiermehlen als auch –fetten geeignet. Gastemperaturen von bis zu 2000°C und die hohen Verweil-zeiten in oxidierender Gasatmosphäre gewährleisten den sicheren Ausbrand in jedem

all [8]. F In Europa – besonders in Frankreich - liegen teilweise umfangreiche jahrelange Erfahrungen mit dem Einsatz von Tiermehlen und –fetten in Zementdrehofenanlagen vor. Darauf konnte bei der Inangriffnahme des Einsatzes in österreichischen Zement-werken zurückgegriffen werden. Für die Anlieferung, Lagerung und Förderung zum Brenner von Tiermehlen sind die Korngröße, der Fettgehalt und der Wassergehalt von Bedeutung, es sind geschlossene Systeme vorzusehen. Da der Fettgehalt des Tier-mehles zu Verpelzungen im Silo und in den Förderleitungen insbesondere bei höheren Außentemperaturen führt, ist eine spezielle Konzeption der Anlagen vorzusehen. Eine schematische Darstellung von entsprechenden Einrichtungen sind in Abbildung 9 rechts zu sehen. Der Einsatz von Tiermehl kann zu einer längeren Flammenform mit llen daraus resultierenden Folgen führen. a

Bis einschließlich August dieses Jahres wurden rund 30.000 t Tiermehl und Tierfett in nahezu allen österreichischen Zementwerken eingesetzt.

3.3.6 Kleinmengen an verschiedenen anderen Abfällen Unter diese Kategorie fallen im wesentlichen Sekundärbrennstoffe, welche nur in einzelnen Werken und in der Regel meist nur in kleineren Mengen eingesetzt werden. Zu nennen wäre beispielsweise mit Altöl getränktes Sägemehl, Sonnenblumen-kernschalen und Mycel. Die Aufgabe dieser Sekundärbrennstoffe erfolgt meist über die Zweitfeuerung – entweder im Ofeneinlauf (Sägemehl), im Kalzinator (Sonnen-blumenkernschalen) oder als Gemenge mit dem Primärenergieträger (Kohle plus

ycel) am Hauptbrenner. M Darüber hinaus steht noch eine weitere breite Palette an festen, flüssigen und gasförmigen Sekundärbrennstoffen zum Einsatz in Zementdrehofenanlagen zur Verfügung (Tabelle 3).

Feste Sekundärbrennstoffe Flüssige und gasförmige Sekundärbrennstoffe

Papierabfälle Ölgetränkte Sägespäne Säureharz Spuckstoffe Teer Altöl Holzabfälle Reisspreu Lösungsmittelrückstände Abfälle der Papierindustrie Olivenkerne Wachssuspensionen Papierfaserreststoffe Sonnenblumenkernschalen Asphaltschlamm Petrolkoks Kokosnussschalen Ölschlamm Graphitstaub Abfälle der Farbenindustrie Klärschlamm Holzkohle Hausmüll Kunststoffabfälle BRAM Gummiabfälle Shredder Deponiegas Altreifen Ölhaltige Erde Pyrolysegas Bleicherde Klärschlamm BPG/SBS (aus Hausmüll und Produktionsabfällen aufbereitete Sekundärstoffe)

Tab. 3: Übersicht der Sekundärbrennstoffe Einsatzerfahrungen liegen in verschiedenen europäischen Ländern, aber auch in Über-see vor. Dabei kann man unterschiedliche Trends bzw. Entwicklungen feststellen. Während in Österreich der Anteil an festen und flüssigen Sekundärbrennstoffen nahezu gleich groß ist (bezogen auf den Energieinhalt), werden in Frankreich ungleich größere Mengen an flüssigen Sekundärbrennstoffen, teilweise mit sehr hohem Wassergehalt bis über 90%, eingesetzt. In der Bundesrepublik Deutschland wiederum werden aufbereitete Sekundärbrennstoffe aus verschiedenen produktionsspezifischen Gewerbeabfällen (BPG), hochkalorische Fraktionen aus vermischten Gewerbe-, Baumischabfälle, Sperr- und Hausmüll (SBS), Abfallholz bzw. in einem speziellen Fall Schwachgase aus Wirbelschichtanlagen eingesetzt.

3.4 Auswirkungen

3.4.1 Auswirkungen auf das Produkt

Spurenelemente können einerseits die Reaktionen bei der Klinkerbildung, andererseits die Eigenschaften des Produktes oder beides beeinflussen. Daher müssen mit dem Einsatz jedes neuen Sekundärbrennstoffes umfangreiche Untersuchungen durchgeführt

erden. w Grenzen für den Schwermetalleintrag ergeben sich einerseits aus den Bandbreiten ihres Vorkommens in den natürlichen Rohmaterialien sowie andrerseits durch das Band des Konzentrationsbereiches im Klinker, für das gesicherte anwendungs-technologische Erfahrungen vorliegen. Dabei gilt ausschließlich nach wie vor das

rinzip der uneingeschränkten Verwendbarkeit des Zementes. P Allgemein kann gesagt werden, dass es bei einem Elementgehalt von < 0,2-0,4 M.% in den meisten Fällen keinen Einfluss auf die Zementeigenschaften gibt, wobei das

lement Bor eine Ausnahme darstellt. E Welche Auswirkungen sind nun tatsächlich durch die Mitverbrennung der verschiedenen Sekundärbrennstoffarten zu erwarten?

Im Drehrohrofen und im Wärmetauscher finden sehr komplexe Kreislaufvorgänge statt. Besonders Chlor und Schwefel spielen dabei eine wesentliche Rolle, weil diese Elemente in Verbindung mit anderen Elementen eine Änderung der ursprünglichen Eigenschaften bewirken. Im Rahmen dieser Ausführungen werden beispielhaft die Elemente Zink, Blei, Cadmium und Chlor sowie Chrom, Nickel, Mangan, Titan und Phosphor behandelt, wobei lediglich Chlor, Phosphor und fallweise Zink von Relevanz sind. Eine Übersicht der wesentlichen Stoffkonzentrationen in Sekundärbrennstoffen und in Steinkohlen ist in Tabelle 4 zu finden.

Spuren-element

Altreifen Kunststoff-abfälle

Altöl und Lösungsmittel

Tallöl-pech

Paperrest-faserstoff

Sonstige Steinkohle

mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg Cl 2.000 10.800 3.000 - 340 2.500 1.500 Cd 5,0 6,0 6,0 - 1,5 5 1,0 Hg 0,0010 0,60 0,10 - 0,30 0 0,5 Pb 250 92 200 - 12 100 80 Zn 16.000 114 500 - 200 200 85

Tab. 4: Stoffkonzentration im Alternativbrennstoffmix von 1998; [9] • ZINK: Von Bedeutung ist der hohe Gehalt an Zink – etwa 1,6% - in Altreifen. Bei

Zinkkonzentrationen im Klinker bis ca. 500 ppm (im Mittel um etwa 200 ppm) werden keine Auswirkungen auf Zementeigenschaften festgestellt. Bei den übli-chen Substitutionsraten liegt die Anreicherung im Klinker in der Regel jedoch um 25-35% tiefer. Untersuchungen geben Anhaltspunkte für Veränderung der Verar-beitungseigenschaften des Zementes bei Zinkkonzentrationen über 500 ppm. Über diesem Wert verursacht Zn eine Steigerung der Reaktivität der C3A – Phase [10]. Es wird aber über keine signifikante Einflüsse auf die Festigkeitsentwicklung berichtet, jedoch über eine Zunahme des Wasseranspruches.

• BLEI: Übliche Konzentrationen an Blei im Klinker liegen im Mittel unter 50 ppm. Überhöhter Bleieintrag kann zu einer Veränderung der Verarbeitbarkeit durch Ver-ringerung der Erstarrungszeit, aber auch Veränderung der Festigkeitsentwicklung führen. Bei Altölen, speziell älterer Provenienz, kann die Konzentration an Blei eine Rolle spielen [11].

• CADMIUM: Konzentrationen an Cadmium im Klinker liegen im Mittel bei etwa 0,5 ppm. Erst bei wesentlich größeren Anreicherungen an Cadmium ist aus der Literatur eine Verringerung der Schmelzphasentemperatur sowie ein Einfluss bei der Hydratation des Zementes auf die Umwandlungsvorgänge und damit die Produkteigenschaften bekannt. Höhere Konzentrationen an Cadmium sind beispielsweise in Altkunststoffen – jedoch ohne Relevanz gegenüber der Produkt-eigenschaften - zu finden.

• CHLOR: Für die Konzentration von Chlor in Sekundärbrennstoffen ist eine prozesstechnische Obergrenze einzuhalten, um Betriebsstörungen durch vermehrte Spurritbildung, d.h. Ansatzbildung im Wärmetauscher, zu vermeiden. Wie erwähnt, kann durch Ausschleusen von angereichertem Heißmehl, welches in der Folge bei der Zementmahlung Verwendung finden kann, Abhilfe geschaffen werden. Eine Grenze dafür ist durch den normierten max. Chlor – Gehalt im Zement vorgegeben.

• CHROM wird hauptsächlich in Belit eingebaut. Übliche Konzentrationen an Chrom im Klinker liegen im Mittel bei etwa 55 ppm. Erst bei Gehalten über 5000 ppm wird über beschleunigte Hydratation und verbesserte Frühfestigkeit berichtet.

• NICKEL: Einbau in die ferritische Phase. Konzentrationen an Nickel im Klinker liegen im Mittel unter 50 ppm. Da erst bei Werten über 5000 ppm über beschleu-nigte erhöhte Frühfestigkeit berichtet wird, sind übliche Anreicherungen nicht relevant.

• MANGAN und TITAN können dunklere Tönung infolge Anreicherung in der für die Dunkeltönung verantwortlichen Ferrit – Phase bewirken.

• PHOSPHOR: Bei höheren Werten - ab 1 M%; angegeben als P2O5 - ist eine Änderung der Festigkeitseigenschaften des Zementes dadurch zu erwarten, dass bei der Bildung der Klinkerphasen die Konversion von C2S zu C3S behindert wird, was bekanntlich im Endergebnis zu einer geringeren Festigkeit resultiert. Weiters ist bei Gehalten über 2,5 M% die unerwünschte Zunahme von Freikalk im Klinker zu erwarten [12].

Speziell Tiermehl weist höhere Chlor-, Phosphat- und Stickstoffgehalte auf. Sonst ist Tiermehl in seinen Eigenschaften, wie aus Tabelle 5 ersichtlich, mit Braunkohle ver-gleichbar.

In der Praxis wird die maximale Einsatzmenge von Tiermehl daher durch den Eintrag an Phosphat in den Klinker und damit in den Zement sowie durch den Eintrag an Chlor in den Brennprozess limitiert. Die üblicher Weise eingesetzte Menge an Tier-mehl führt in der Regel nicht zu einer Überschreitung eines P2O5 – Gehaltes von ,4 – 0,5 % im Klinker. Dieser Wert ist nach vorliegenden Erfahrungen unkritisch.

Brennstoff-analyse Einheit Brennstoff-

analyse Einheit Spurenelemente

C M. - % 43,8 Asche M.-% 20,5 Cd ppm TS < 0,7 Se ppm TS < 5,0 H M. - % 5,3 Feuchte M.-% 3,4 Tl ppm TS < 5,7 Pb ppm TS < 5,0 O M. - % Flüchtige M.-% 68,7 Hg ppm TS < 0,1 Cr ppm TS 14,3 N M. - % 8,9 Fett M.-% 11,8 As ppm TS < 7,4 Cu ppm TS 29,9 S M. - % 0,5 P2O5 M.-% 4 Co ppm TS 3,4 Mn ppm TS 42,4 Cl M. - % 0,6 Hu MJ/kg 20 Ni ppm TS 9,3 Sn ppm TS 3,7 Zn ppm TS 143,9

Tab. 5: Stoffliche Eigenschaften von Tiermehl (Mittelwerte); [12]

0 Selbstverständlich räumen die österreichischen Zementhersteller beim Umgang mit Tiermehlen in jedem Fall mit besonderen vorbeugenden Maßnahmen den Aspekten es Arbeits- und Gesundheitsschutzes einen hohen Stellenwert ein. d

Der Einsatz von Tiermehl kann, wie bei anderen Sekundärbrennstoffen, zu einer längeren Flamme führen. Das bewirkt eine Verschiebung der Sinterzone, somit eine Verlängerung der Klinkerkühlzone, gleichbedeutend mit einer unerwünschten Ver-zögerung des Ablaufes der Klinkerkühlung.

3.4.2 Auswirkungen auf die Emissionen Die im Rahmen des Einsatzes der verschiedenen Sekundärbrennstoffe durchgeführten umfangreichen Untersuchungen haben bei ordnungsgemäßer Prozessführung keine signifikanten Veränderungen der Emissionssituation aufgezeigt. Diese Feststellung, welche von jenen immer wieder angezweifelt wird, die gegen einen Einsatz von Sekundärbrennstoffen in Zementdrehofenanlagen auftreten, läßt sich am besten durch neueste Zahlen über Emissionen aus Anlagen der österreichischen Zementindustrie belegen [1]. Trotz der Steigerung des Einsatzes von Sekundärbrennstoffen wurden über die letzten zehn Jahre die Emissionen von Kohlenmonoxid um 18,7% reduziert. Auch die Emissionen an fluor- und chlorhältigen Verbindungen sind trotz ihres niedrigen Ausgangsniveaus weiter zurückgegangen. Die Emissionen der relevanten Spurenelemente zeigen zwar ein uneinheitliches Bild bezüglich Zu- oder Abnahme im Verlauf des gleichen Zeitraumes, verhalten sich aber ebenfalls eindeutig gegen den Trend zufolge des Anstiegs des Sekundärbrennstoffeinsatzes.

3.5 Ökonomie – Ökologie: Stand der wissenschaftlichen Betrachtungen

3.5.1 Schadstofftransfer - Emissionsfaktoren Von politischer Seite werden vermehrt Untersuchungen zur Umweltverträglichkeit des Einsatzes von Sekundärbrennstoffen im Klinkerbrennprozess veranlasst. Dem Unter-schied zwischen Emissionen aus den Rohmaterialien und Emissionen aus den Brenn-stoffen kommt dabei besondere Bedeutung zu. Experimentelle Untersuchungen zum Verhalten von Spurenelementen im Klinkerbrennprozess werden bei manchen Elementen durch die geringen Konzentrationen in den Einsatzstoffen erschwert. Sie liegen in vielen Fällen im Bereich der Nachweisgrenze, so dass die Ergebnisse von Bilanzmessungen häufig mit vergleichsweise großen Fehlern behaftet sind. Das Gleiche trifft auch für Messungen im Abgas zu, bei denen die Emissionskonzentration urch die Nachweisgrenze des Messverfahrens bestimmt ist. d

Das Emissionsverhalten der Spurenelemente lässt sich sowohl mit Emissionsfaktoren als auch mit Transferkoeffizienten beschreiben. Emissionsfaktoren unterscheiden sich von Transferkoeffizienten durch die Bezugsbasis. Emissionsfaktoren beziehen die Gesamtemission eines Stoffes auf dessen Gesamteintrag in den Prozess und können somit unmittelbar aus Messwerten ermittelt werden. Hierzu wird der mit der Abluft insgesamt emittierte Massenstrom eines Stoffes auf die Summe seiner Einträge in den Prozess (Roh- und Brennstoffe) bezogen. Der Emissionsfaktor beschreibt somit den emittierten Massenanteil des in den Prozeß eingebrachten Spurenelementes.

Rohstoffe

Brennstoffe

Emissionen

Kreislauf

Klinker

WärmetauscherDrehrohrofen

Staubabscheider

Abb. 10: Modellhafte Darstellung des Brennprozesses zur Berechnung von Transfer- koeffizienten [13]

Diese summarische Betrachtungsweise erlaubt es jedoch nicht, brennstoffbedingte Emissionen von rohstoffbedingten Emissionen zu unterscheiden [9]. Hierzu müssen Transferkoeffizienten (siehe Abb. 10) herangezogen werden. Sie beziehen sich aus-schließlich auf Teilströme, also z.B. auf denjenigen Anteil der Emissionen, der aus den Brennstoffen stammt. Transferkoeffizienten können somit nicht unmittelbar gemessen werden. Die Bestimmung der Transferkoeffizienten basiert daher auf Berechnungen, zu denen Stoffbilanzen für Teilanlagen des Brennprozesses herangezogen werden. In einem ersten Schritt werden hierzu Wärmetauscher und Drehrohrofen getrennt vom Staubab-scheider betrachtet. Das Verhalten der Spurenelemente lässt sich dann auf der Basis von Klinkereinbinde- und Filterabscheidegraden bestimmen. Im zweiten Schritt werden diese Einzelergebnisse dann rechnerisch zum Gesamtergebnis zusammen-gefasst.

Element EF % TK % Element EF % TK% CD < 0,01 - < 0,2 0,003 Cu < 0,01 - < 0,05 0,0005 Pb < 0,01 - < 0,2 0,002 Cr < 0,01 - < 0,05 0,0005 Tl < 0,01 - < 1 0,02 Ni < 0.01 - < 0,05 0,0005 Sb < 0,01 - < 0,05 0,0005 V < 0,01 - < 0,05 0,0005 As < 0,01 – 0,02 0,0005 Sn < 0,01 - < 0,05 0,0005 Mn < 0,001 – 0,01 0,0005 Zn < 0,01 - < 0,05 0,0005 Co < 0,01 - < 0,05 0,0005

Tab. 6: Emissionsfaktoren EF (emittierter Anteil des Gesamteintrages) und Transfer- koeffizienten TK (emittierter Anteil des Brennstoffeintrages); [13]

Die Tabelle 6 enthält Emissionsfaktoren und Transferkoeffizienten für Drehrohrofen-anlagen mit Zyklonvorwärmer. Ein Vergleich zeigt, dass die Transferkoeffizienten für Spurenelemente aus den Brennstoffen in das Abgas deutlich niedriger sind, als die je-weiligen Emissionsfaktoren. Das bedeutet, dass Spurenelemente aus Brennstoffen in weit geringerem Maße in die Emissionen gelangen als dieses aus Ofenbilanzen

a bgelesen werden könnte. Das hat folgenden Grund: Entscheidend für das Emissionsverhalten von Spurenelementen beim Klinkerbrenn-prozess ist der Ort, an dem sie der Ofenanlage aufgegeben werden. Je nach Aufgabeort durchlaufen sie unterschiedliche Temperatur- und Reaktionszonen, so dass auch ihr jeweiliges Abscheide- und Einbindeverhalten verschieden ist. Die Rauchgase der Brennstoffe müssen den Drehofen und den Vorwärmer vollständig passieren, bevor sie in das Abgasfilter gelangen. Spurenelemente im Rohmehl können dagegen je nach Flüchtigkeit bereits in den oberen Stufen des Wärmetauschers vom Rauchgas erfasst werden und gelangen dann nicht in die heißeren Zonen des Prozesses.

3.5.2 Umweltrelevanz Bei seiner Herstellung und seiner späteren Verwendung in zementhaltigen Produkten, wie z.B. Beton und Mörtel, tritt Zement in sehr unterschiedlicher Weise mit der Umwelt in Berührung. Deshalb sind beim Einsatz von Sekundärbrennstoffen auch Fragen der Auslaugung von Schadstoffen aus zementhaltigen Produkten zu betrachten. Für die unterschiedlichen Lebensphasen des Baustoffes Zement in seiner Hauptan-wendung, dem Beton, liegen umfangreiche Untersuchungsergebnisse zur Umweltver-träglichkeit vor [14].

Altreifen Altöl Altholz Kunststoff Refused- Derived fuels

Anteil an Gesamt-brennstoff 25% 50% 50% 50% 50%

Schwermetallgehalt in Eluaten (mg/l) Hg <0.000001 <0.000001 <0.000001 <0.000001 <0.000001 Cd 0.000002 0.000001 0.000002 0.000005 0.000001 Tl <0.000001 <0.000001 <0.000001 <0.000001 <0.000001 Cr 0.0021 0.0020 0.0023 0.0021 0.0022 Pb 0.0004 0.0004 0.001 0.0004 0.0004 Zn 0.0045 0.0013 0.0022 0.0014 0.0015

Tab. 7: Auswirkungen von Sekundärbrennstoffen; Quelle: VDZ Tabelle 7 zeigt die vergleichsweise geringen Auswirkungen im Eluat von Betonproben beim Einsatz von Sekundärbrennstoffen am Beispiel ausgewählter Spurenelemente. Die Spurenelemente, die im Zement in niedrigen Konzentrationen enthalten sind, werden im Betonbauteil in der Zementsteinmatrix fest eingebunden und sind somit immobil. Deshalb ist die Auslaugung von Schwermetallen aus Beton sehr gering. Beton hat sich als Baustoff daher auch z.B. im sehr sensiblen Anwendungsbereich Trinkwasser seit Jahrzehnten bewährt.

3.5.3 Volkswirtschaftliche Aspekte Seit dem Jahr 1980 hat die österreichische Zementindustrie eine zusätzliche, neue wichtige Entsorgungsfunktion mit dem Einsatz von geeigneten Sekundärbrennstoffen durch deren thermische und teilweise auch stoffliche Verwertung im Bereich be-stimmter Abfälle übernommen. Mit der Verwertung von Sekundärroh- und -zumahlstoffen wurde diese Funktion in auch ökologisch wertvoller Weise abgerundet. Dadurch werden fossile Energieträger n der Zementindustrie substituiert und gleichzeitig Deponievolumen geschont. i

Die Entsorgungsfunktion der österreichischen Zementindustrie führt zu einer jährlichen Entlastung an Deponiekosten in Höhe von rund 0,75-1 Mrd. ATS bzw. De-ponievolumen von rund 400.000-500.000 m3 [15]. In diesem Zusammenhang ist es durchaus angebracht, auf die Problematik des Entfalles von Entsorgungskapazitäten im Falle von Zementimporten hinzuweisen.

4. Ausblick / Zusammenfassung

Der Prozess der Erzeugung von Zementklinker eignet sich im besonderen Maße zur stofflichen und thermischen Verwertung von Sekundärstoffen. Der Materialeinsatz im Zuge dieser Herstellung ist an die Erfüllung bestimmter Voraussetzungen gebunden und damit eingeschränkt. Diese Einschränkungen gelten in gleichem Maße für natürliche Roh-, Brenn- und Sekundärstoffe. Entsprechende Qualitätssicherung muss die Erfüllung dieser Voraussetzungen gewährleisten. Die Stoffumwandlung im Hoch-temperaturbereich, bei welchem das Masseverhältnis beim Einsatz von Produktions-stoff zu Brennstoff etwa 10:1 beträgt, bildet eine maßgebliche verfahrenstechnische

oraussetzung. V In österreichischen Zementwerken werden als Sekundärbrennstoffe Altreifen, Altöl, Lösemittel, Altkunststoffe, Papierschlamm, getränkte Sägespäne und Sonnenblumen-kernschalen eingesetzt. Die Verwertung von Tiermehl stellt eine neue Heraus-orderung dar. f

Im Jahr 2000 wurde über 30% des Brennstoffbedarfes durch Sekundärbrennstoffe substituiert. Weiters betrug die Rate für Rohstoffsubstitution rund 6%. Langfristig ist ine Verdoppelung dieser Raten vorgesehen. e

Wissenschaftliche Ausführungen belegen, dass durch Sekundärbrennstoffe keine ne-gativen Auswirkungen auf Produkt und Umwelt erfolgen, wenn durch entsprechende Maßnahmen die Beherrschung des insbesondere durch Kreislauferscheinungen äußerst omplexen Brennprozesses sichergestellt wird. k

Durch die energetische Nutzung von Sekundärstoffen leistet die Zementindustrie einen wertvollen Beitrag zum Vollzug des Abfallwirtschaftsgesetzes sowie zum Bemühen um eine nachhaltig orientierte Produktion.

Literatur

1. Hackl A., Mauschitz G.: Emissionen aus Anlagen der österreichischen Zement-industrie III, Zement + Beton Handels- und Werbeges.m.b.H., Wien, 05/2001

2. Gerger W.: Die Zementindustrie als Entsorgungspfad in der Abfallwirtschaft. 1996 Balkema, Rotterdam

3. Beckmann M.: Energetische Bewertung der Substitution von Brennstoffen durch Ersatzbrennstoffe bei Hochtemperaturprozessen zur Stoffbehandlung, Teil 1. ZKG International – Nr. 6/1999 (52. Jahrgang)

4. Kirchner G.: Produkt und Umwelt – Erfahrungen bei der energetischen Verwer-tung von Abfällen in Zementdrehofenanlagen. Vortrag in Wackersdorf 07/98

5. Schelch M. / Ragossnig A./ Tesch H./ Kotschan M./Lorber K.E.: Qualitäts-sicherung beim Einsatz von Abfällen in industriellen Feuerungsanlagen . BHM, 145. Jg. (2000), Heft 10

6. Liebl P./ Braun H.: Möglichkeiten und Grenzen beim Einsatz von Sekundärstoffen in der Zementindustrie. Waste Magazin 3/94

7. Grech H.: Mitverbrennung von Abfällen und Reststoffen in industriellen Feuerungsanlagen. UBA-Wien, BE 119, 02/2000

8. Grech H./ Angerer Th./ Scheibengraf M.: Bestandsaufnahme der thermischen Ent-sorgung von verarbeiteten tierischen Proteinen in Österreich. UBA – Wien, BE – 192, 09/2001

9. Fehringer R./ Rechberger H./ Brunner P.H.: Positivlisten für Reststoffe in der Zementindustrie: Methoden und Ansätze (PRIZMA). TU – Wien, 12/1999

10. Hewlett P.C.: Lea’s Chemistry of Cement and Concrete (4th edition). Arnold, London 1998.

11. Gerger W.: Spezialisierte Kontrolltechniken beim Einsatz von Sekundärstoffen. ZKG International – Nr. 10/1994 (47. Jahrgang)

12. VDZ: Bewertung des Einsatzes von Tiermehlen und Tierfetten in Drehofen-anlagen der Zementindustrie. Publikation des Forschungsinstitutes Düsseldorf, 02/2001

13. VDZ: Umweltschutz bei der Zementherstellung. Tätigkeitsbericht des Forschungs-institutes 1999-2001

14. VDZ: Beton – Hart im Nehmen, Stark in der Leistung, Fair zur Umwelt. Publikation des Forschungsinstitutes.

15. Tuschl P.: Die Kosten für eine notwendige Deponierung von derzeit durch die österr. Zementindustrie entsorgten Abfällen. ARC (Forschungszentrum Seibers-dorf, Abtlg. Umweltplanung), 10/1993