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Institut Dr. Flad
Berufskolleg für Chemie, Pharmazie und Umwelt

Ausbildung mit Markenzeichen. Seit 1951.

Exkursion des LG 61 zum Zementwerk der Fa. Holcim in Dotternhausen

9. November 2011

  1. Abbau der Rohstoffe

    Die Fa. Holcim produziert in Dotternhausen Zement und nutzt dazu die Rohstoffe, welche direkt vor Ort abgebaut werden können. Zum einen wird auf einer Bergspitze Kalkstein (CaCO3) abgebaut, zum anderen Ölschiefer, welcher als Deckschicht, nur von einer dünnen Humusschicht bedeckt, über Tage abgebaut werden kann. Ölschiefer besteht aus Ton, Aluminiumoxid, Siliziumoxid. Des weiteren enthält er 9,5% Kerogen (ähnlich Bitumen) und hat einen Heizwert von 3400 kJ/kg. Ölschiefer ist somit brennbar, ab 350-400°C.

    Die abgebauten Gesteine werden am Abbauort zerkleinert und mit einer Seilbahn bzw. einem Transportband zum Werk gebracht. Dort werden sie der Produktion zugeführt.

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  3. Museum

    Da der Ölschiefer aus den Ablagerungen im Jurameer entstanden ist, enthält er zahlreiche Fossilien. Am Boden des Meeres herrschte Sauerstoffmangel. Deshalb wurden die sich absetzenden organischen Substanzen, wie Bäume und Tiere nicht zersetzt. Sie wurden anschließend von weiteren Sedimenten überzogen und blieben erhalten. Der Druck der Sedimente komprimierte die Fossilien auf ca. ein Zwanzigstel. Die Fossilien werden zufällig beim Abbruch des Schiefers gefunden. Sie herauszupräparieren ist sehr zeitaufwendig. Meist werden die Funde mit einem Sandstrahler mit Natriumhydrogencarbonat freigelegt. Auch Pyrit (FeS2) wurde unter den anaeroben Bedingungen gebildet und ist mit einem Anteil von 5% im Ölschiefer enthalten.

    Die im Jura gebildete Schicht ist 700 m mächtig, die Ölschiefermächtigkeit beträgt 9 m.

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    Seelilientiere und Muscheln auf einem Baumstamm in Ölschiefer versteinert
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    Versteinerter Kiefer eines Dinosauriers
     
  4. Produktion

    Im Werk laufen zwei Hauptproduktionslinien parallel, welche erst kurz vor Ende zusammenlaufen:

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      Drehrohrofen

      Drehrohrofen

      Der Ofen ist 56 m lang und hat einen Neigungswinkel von 3°. Am hinteren Ende wird er mit einer 2000°C heißen Flamme beheizt. Um diese Temperaturen auszuhalten ist das Stahlrohr mit Schamottesteinen ausgekleidet, die außerdem alkaliresistent sein müssen. Als Heizmaterial wird Kohle aus Südafrika oder Schweröl verwendet. Der Ofen erwärmt sich dadurch auf 1450°C. Bei dieser Temperatur liegen einige Bestandteile wie Schwefel, Aluminium und Eisen bereits geschmolzen vor. Der Wärmetransport in den Ofen erfolgt mit einem Luftstrom, der die Luft am Anfang auf 800°C erhitzt. Dort findet eine Sekundärbefeuerung statt. Dem Gestein werden Autoreifenschnitzel, Dachpappe, Ölemulsion, Papierfasern oder Trockenklärschlamm zugemischt, welche sich in der 800°C heißen Luft selbst entzünden. Der Ofen hat einen kontinuierlichen Durchlauf von 2000 t/d. Beschickt wird dieser Ofen mit einer in Silos homogenisierten Rohmischung aus gebrochenem Kalkstein als Hauptbestandteil und Opalinuston, Ölschiefer, Sand und Asche. Die meiste Energie wird gebraucht um den Kalkstein zu brennen. Als Endprodukt erhält man Zementklinker-Granalien mit einem Durchmesser von 3-4 cm. Der Zementklinker besteht aus CaO, Al2O3, SiO2, Fe2O3 und liegt in Verbindungen von Tricalciumsilikat, Tricalciumaluminat und Tricalciumferrat vor. Der Klinker muss schnell auf unter 200°C abgekühlt werden, da sich sonst die Verbindungen verändern. Unvermahlen reagiert Klinker kaum mit Wasser. Erst wenn er gemahlen ist, hat er das Bestreben das vorher entfernte Kristallwasser wieder aufzunehmen, wodurch wieder eine feste Masse entsteht. Die Temperatur des Ofens muss genau geregelt werden, damit Verbindungen von Kalium, Natrium und Chlor nicht an ungünstigen Stellen kondensieren und zu Verstopfungen führen. Des Weiteren dürfen nicht zu viele Schwermetalle enthalten sein. Dies wird durch zertifizierte externe Labors überprüft.

    2. Wirbelstromofen

      Hier wird der Ölschiefer thermisch aufbereitet. Nach dem Zerkleinern und Homogenisieren des Ölschiefers in Silos wird er einem Wirbelstromofen zugeführt. Der Ofen ist ein senkrechtes Stahlrohr in welches von unten Luft einströmt und eine Verwirbelung im Inneren erzeugt. Der Ofen muss einmal angezündet werden, dann brennt er mit dem im Ölschiefer enthaltenen Kerogen bei einer Temperatur von 800°C selbstständig weiter. Der Ölschiefer wird mit einer Korngröße von 7 mm zugeführt. Das Endprodukt ist gebrannter Ölschiefer und Asche, welche bereits zementähnliches Verhalten hat. Bei zu hohen Temperaturen von über 860°C würden Aluminate und Feldspäte entstehen, welche aber kein zementähnliches Verhalten haben. Mit der Abwärme des Ofens wird Dampf erzeugt, welcher Dampfturbinen zur Stromversorgung antreibt. So kann fast der gesamte Strombedarf der Firma gedeckt werden.

     
  5. Endprodukte, Mühlen

    Der Klinker wird mit dem gebrannten Ölschiefer in verschiedenen Verhältnissen gemischt und damit werden verschiedene Mühlen beschickt.

    1. Walzenmühle: Zwischen zwei großen Stahlwalzen wird das Gestein zerdrückt. Funktioniert nur bei nicht so harten Gesteinen und bringt keine besondere Feinheit.

    2. Kugelmühlen: Das Gestein durchläuft zwei hintereinanderliegende Mühlen, wovon die erste mit großen Stahlkugeln gefüllt ist und die zweite mit kleineren. Durch die Drehbewegung des gesamten Ofens werden die Stahlkugeln bewegt und zerkleinern das Gestein durch Schlageinwirkung. Die beiden Kammern der Mühle sind durch Lochgitter getrennt. Funktioniert gut bei härterem Gestein, wirft sehr feines Material aus, hat jedoch einen hohen Energiebedarf, da die gesamte Mühle gedreht werden muss.

    Meist wird ein größerer Anteil an gebranntem Ölschiefer für die Mischungen verwendet als Kalksteinklinker, da sich dieser aufgrund der niedrigeren Brenntemperatur ökonomischer herstellen lässt. Als Zusatzstoff, je nach Zementsorte, je nach Anforderung, wird Gips, Filterstaub oder Schlacke zugegeben.

    Je feiner der Zement ist, desto fester wird er und desto schneller zieht er an, aber er wird auch teurer. Reiner Portlandzement, wie er aus Kalkstein hergestellt wird, würde sofort erstarren. Mit einem Zuschlag von 5% Gips lässt sich das Erstarren verzögern.

    In Dotternhausen werden 9 Zementsorten produziert welche sich in den Anforderungen unterscheiden. Die unterschiedlichen Anforderungen sind z.B.:

    1. Trocknungsgeschwindigkeit: Fertig-Flüssigbeton darf nicht im Betonmischlaster auf dem Weg zu Baustelle fest werden.

    2. Hydrationswärme: zu schnell abbindender Beton würde zuviel Hydrationswärme entwickeln, v.a. bei massiven Konstruktionen, was zur Rissbildung beim Abkühlen führen würde.

    3. Blitzzement: Schnellabbindender Zement welcher als Spritzbeton verwendet werden soll.

    Als neues Produkt wird gerade Holcim optimo 4 eingeführt. Dieser Zement hat eine Beimischung von 4% ungebranntem Kalkstein. Dies führt zu einer Kohlendioxid Einsparung von 20%. Dieser wird als „grüner" Zement beworben und auch in grünen Säcken verkauft.

     
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    Teilnehmer der Exkursion

    Labore

    Die Prozessüberwachung erfolgt automatisch. Nasschemisch wird nur gelegentlich überprüft. Die Proben gelangen per Rohrpost ins Labor und werden dort von einem Industrieroboter den verschiedenen Analysegeräten zugeführt. Die Proben werden auf Normkorngröße gemahlen, zu Tabletten gepresst und mit einem Röntgenfluoreszensgerät und einem Röntgendiffraktometer analysiert. Hauptsächlich wird überprüft ob freier Kalk vorliegt, da alles gebunden sein sollte. Alle Daten laufen in einem Hauptleitstand zusammen. In einem physikalischen Labor werden noch Daten zu Druckfestigkeit des Betons, der Feinheit und zum Erstarrungsverhalten erhoben.

 

Toni Rippel, LG 61