Umweltschutz im Portland-Zementwerk
Das Zementwerk im oberbayrischen Rohrdorf passt nicht so recht ins Idyll der nördlichen Kalkalpen. Dennoch ist Umweltschutz kein Fremdwort im Portland-Zementwerk der Gebrüder Wiesböck, wo jährlich rund 1 Mio. t Klinker hergestellt werden. Ein Katalysator soll die Stickstoffoxid-Emissionen deutlich senken. „Unsere Erfahrungen zeigen, es scheint zu funktionieren“, meint Verfahrensingenieur Helmut Leibinger. Besonders stolz ist er auf eine energieeffiziente Wärmeschaukel.
Zementwerke zählen zu den Hauptemittenten von Stickstoffoxiden (NOx). Im 1450 °C heißen Drehrohrofen oxidiert ein Teil des Luftstickstoffs, das Ofenabgas enthält ca. 1000 mg NOx/m³ – überwiegend Stickstoffmonoxid (NO). Die Technische Anleitung Luft erlaubt Zementwerken im Tagesmittel nicht mehr als 500 mg NOx/m³. Setzt ein Werk Abfälle als Brennstoff ein, gilt die Abfallverbrennungsverordnung. Werden mehr als 60 % Abfall eingesetzt, sinkt der Grenzwert auf 320 mg/m³ bis 200 mg/m³.
Das Rohrdorfer Zementwerk ersetzt 80 % des Brennstoffs durch Abfälle. Der Grenzwert lag bis Anfang 2011 aber bei 350 mg/m³. Diesen höheren Wert genehmigte das Landratsamt Rosenheim 2008 auf Antrag des Zementwerks.
Möglich wurde das, weil die Abfallverbrennungsverordnung Ausnahmen erlaubt, wenn etwa der Grenzwert nur knapp einzuhalten ist. Die Ausnahme für das Rohrdorfer Werk endete bereits im Februar 2011.
Portland-Zementwerk hat NOx-Gehalte im Abgas gesenkt
Das Landratsamt hatte den Grenzwert auf 200 mg/m³ gesenkt, da das Zementwerk seitdem die NOx-Gehalte im Abgas mit der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) deutlich verringert. Für den aktuellen SCR-Probebetrieb hat das Amt Ausnahmen von bis zu 350 mg/m³ zugelassen.
Um weniger Stickstoffoxide zu emittieren, greifen Zementwerke in Deutschland nun seit zwei Jahrzehnten auf die selektive nicht-katalytische Reduktion (SNCR) zurück. Sie düsen dazu etwa Ammoniakwasser ins heiße Rohgas hinter dem Drehrohrofen. Das Ammoniak (NH3) reagiert mit NO bei 880 °C bis 1020 °C zu Stickstoff und Wasser.
In Rohrdorf ist das anders: Dort wird pulverisierter Spezialkalk in das heiße Rohgas gegeben. Dieser Kalk ist ein Nebenprodukt der Düngemittelherstellung und enthält Ammoniumionen (NH4+), die wie NH3 mit NO reagieren. So begrenzte das Portland-Zementwerk etwa im Jahr 2010 die NOx-Emissionen auf 525 t beziehungsweise auf 300 mg/m³. Es gab aber einen hohen NH3-Schlupf von bis zu 120 mg NH3/m³.
Diese hohen NOx- und NH3-Emissionen gehören nun dank einem Titandioxid-Katalysator mit der aktiven Substanz Divanadiumpentoxid der Vergangenheit an. Der Katalysator lässt sich prinzipiell hinter dem Drehrohrofen oder dem Staubfilter einbauen.
Beide Varianten werden in Deutschland getestet. Im baden-württembergischen Mergelstetten entschied sich die Zementfirma Schwenk dafür, Stickstoffoxide im staubigen Abgas hinter dem Ofen zu reduzieren (s. Kasten). In Rohrdorf wird die Abluft hingegen erst nach der Entstaubung zum Katalysator geleitet. In Oberbayern ist die SCR-Anlage 32 m hoch. Zwei von drei Lagen sind mit jeweils 24 Katalysatormodulen belegt. Sie sind sinusförmig geformt und 1 m oder 0,54 m lang. Die Anlage hat bisher rund 16 Mio. € gekostet – 3,5 Mio. € davon stammen aus dem Umweltinnovationsprogramm des Bundesumweltministeriums.
Erfolgreicher Umweltschutz durch SCR-Technik: NOx-Emissionen halbiert
Die SCR-Anlage arbeitete 2011 erfolgreich: Die NOx-Emissionen halbierten sich in etwa. Sie lagen bei 155 mg/m³. Insgesamt waren es 214 t NOx. Ingenieur Leibinger warnt aber vor zu viel Optimismus: „Wir wissen nicht, wie schnell der Katalysator altert.“ Erst nach drei Jahren Praxis werde sich entscheiden, ob sich die SCR-Technik wirklich eignet, um im Dauerbetrieb die NOx-Emissionen auf unter 200 mg/m³ zu senken. Das Portland-Zementwerk konnte auch die NH3-Emissionen deutlich verringern. Dazu wird direkt vor der SCR-Anlage der für die NOx-Reduktion notwendige NH3-Gehalt genau eingestellt. Das Ergebnis: Der Ammoniakschlupf lag deutlich unter 10 mg/m³.
Die zusätzliche NOx-Reduktion benötigt aber viel Energie. Das Rohgas hinter dem Staubfilter ist 155 °C warm, der Katalysator beschleunigt die Reaktion zwischen NO- und NH3-Molekülen aber erst ab 255 °C. Denn bei einer Temperatur unter 250 °C bildet die Substanz Ammoniumsulfat eine weiße Schicht auf dem Katalysator und blockiert ihn.
Das Rohgas muss also erst aufgeheizt werden. In Kohlekraftwerken wird dazu das Gas mit Gasbrennern oder Dampf auf 260 °C erwärmt. „Wir entschieden uns stattdessen, Abwärme des Klinkerkühlers zu nutzen“, erinnert sich Leibinger. Mit der Abwärme wird Luft auf 450 °C aufgewärmt, die wiederum Thermoöl auf rund 265 °C aufheizt. Das Öl wird dann in einem geschlossenen Kreislauf über 240 m zum SCR-Katalysator geleitet und wärmt dort das staubfreie Abgas auf 255 °C auf.
Zementwerk spart Energie durch Wärmeschaukel
Mit dieser Wärmeschaukel spart das Zementwerk viel Energie: Im Vergleich zum Aufheizen mit Gasbrennern sinkt der Energieverbrauch um 97 % und spart jährlich mehr als 430 000 € ein. Die Deutsche Energieagentur (Dena) hat diesen innovativen Wärmetransfer 2011 mit dem zweiten Preis des Energy Efficiency Award ausgezeichnet.
Die SCR wird mit der Wärmeschaukel aber nicht zum Perpetuum mobile. Der Katalysator und die Wärmeschaukel verbrauchten während der Herstellung von 1 t Klinker etwa 5 kWh elektrischer Energie, so Leibinger. „Der spezifische Strombedarf beim Brennen von Klinker steigt dabei um 5 %.“ Diese Mehrkosten konnten allerdings nicht auf die Produkte umlegt werden.
Trotz der höheren Stromkosten hält Leibinger die Investition für sinnvoll: „Es ist auch ein Stück Standortsicherung.“ Das Werk rechnet damit, dass die Bundesregierung den 200-mg-NOx-Tagesgrenzwert für Zementwerke ab etwa 2018 sowie Vorgaben für NH3-Emissionen einführen wird. Mit diesen schärferen Werten will Deutschland europäische Auflagen zu maximalen NOx- und NH3-Belastung künftig besser einhalten.
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