Welche Gase entstehen bei der Zementproduktion?

Bei der Zementproduktion entstehen vor allem Schwefeldioxid (SO2), Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) sowie Chlorwasserstoff (HCl) und Fluorwasserstoff (HF). Diese Gase der Zementproduktion sind eine direkte Folge des energieintensiven Brennprozesses und der chemischen Reaktionen im Drehrohrofen. Die genaue Zusammensetzung hängt vom eingesetzten Rohstoffgemisch, der Brennstoffwahl und der Ofentechnologie ab. Im Folgenden beleuchten wir die wichtigsten Fragen rund um Zementabgase, ihre Wirkung auf Anlagen und Elektronik sowie wirksame Filterstrategien.

Wie entstehen Schadgase bei der Zementherstellung?

Schadgase entstehen bei der Zementherstellung hauptsächlich im Drehrohrofen, wo Kalkstein und andere Rohmaterialien bei Temperaturen von bis zu 1.450 °C gebrannt werden. Dabei laufen gleichzeitig thermische Zersetzungsprozesse und Verbrennungsreaktionen ab, die eine Vielzahl gasförmiger Verbindungen freisetzen. Schwefelverbindungen im Rohmaterial, Stickstoff aus der Verbrennungsluft und organische Bestandteile im Brennstoff sind die wichtigsten Quellen.

Im Einzelnen lassen sich drei Entstehungswege unterscheiden:

• Kalksteinzersetzung (Calcination): Beim Erhitzen gibt Kalkstein (CaCO3) große Mengen CO2 frei. Dieser Prozess ist chemisch unvermeidbar und macht einen Großteil der CO2-Emissionen in der Zementindustrie aus.
• Brennstoffverbrennung: Kohle, Petrolkoks oder Ersatzbrennstoffe verbrennen im Ofen und erzeugen NOx, SO2, CO und CO2 je nach Brennstoffzusammensetzung und Verbrennungsführung.
• Rohstoffbedingte Freisetzung: Schwefel-, Chlor- und Fluorverbindungen, die natürlicherweise im Kalkstein oder Ton gebunden sind, werden beim Brennen freigesetzt und treten als SO2, HCl und HF in den Gasstrom über.

Hinzu kommen flüchtige organische Verbindungen (VOC) und Feinstaub, die den Abgasstrom weiter belasten. Die Kombination aus hohen Temperaturen, wechselnden Rohstoffen und langen Betriebszeiten macht das Emissionsprofil eines Zementwerks besonders komplex.

Welche Gase werden in welchen Mengen freigesetzt?

Die mengenmäßig bedeutendsten Emissionen eines Zementwerks sind CO2, NOx und SO2. CO2 dominiert dabei mit Abstand, da sowohl die Calcination des Kalksteins als auch die Brennstoffverbrennung erhebliche Mengen freisetzen. NOx entsteht in relevanten Konzentrationen durch die Hochtemperaturverbrennung, während SO2-Werte stark vom Schwefelgehalt des Rohmaterials abhängen und von Werk zu Werk erheblich variieren können.

Typische Schadstoffe und ihre Charakteristika im Überblick:

• CO2: Mengenmäßig dominierendes Gas; entsteht zu etwa zwei Dritteln aus der Kalksteinzersetzung und zu einem Drittel aus der Verbrennung.
• NOx: Bildet sich bei hohen Verbrennungstemperaturen; gesundheitsschädlich und trägt zur Bildung von Sommersmog bei.
• SO2: Konzentration abhängig vom Schwefelgehalt der Rohstoffe; kann in schwefelreichen Vorkommen sehr hoch sein.
• CO: Entsteht bei unvollständiger Verbrennung; Indikator für Verbrennungseffizienz.
• HCl und HF: Treten in geringeren Mengen auf, sind aber aufgrund ihrer Korrosivität besonders relevant für Anlagen und Elektronik.
• VOC und Staub: Ergänzen das Emissionsspektrum und können je nach Brennstoffwahl stark variieren.

Gesetzliche Grenzwerte für diese Emissionen sind in der EU durch die Industrieemissionsrichtlinie (IED) sowie zugehörige BVT-Merkblätter (Beste Verfügbare Techniken) geregelt. Zementwerke sind zur kontinuierlichen Emissionsüberwachung verpflichtet.

Warum ist SO2 in Zementwerken besonders problematisch?

SO2 ist in Zementwerken besonders problematisch, weil es sowohl aus dem Rohmaterial als auch aus dem Brennstoff stammt und seine Konzentration daher schwer vorhersehbar und schwankend ist. Anders als NOx, das durch optimierte Brennführung reduziert werden kann, hängt SO2 direkt von der Geologie des Kalksteinvorkommens ab und lässt sich prozessseitig nur begrenzt beeinflussen.

Darüber hinaus reagiert SO2 mit Luftfeuchtigkeit zu schwefliger Säure (H2SO3) und weiter zu Schwefelsäure (H2SO4). Diese Säurebildung greift Metalloberflächen, Kabelisolierungen und elektronische Bauteile aggressiv an. Besonders kritisch ist das in Bereichen, in denen Steuer- und Regelungselektronik eingesetzt wird, die dauerhaft einer SO2-haltigen Atmosphäre ausgesetzt ist.

Ein weiterer Faktor ist die Wechselwirkung mit anderen Schadstoffen: SO2 in Kombination mit NOx und Feuchtigkeit beschleunigt Korrosionsprozesse erheblich. Für Zementwerke, die Rohstoffe mit hohem Schwefelgehalt verarbeiten, sind Schadstoffe in der Zementindustrie daher eine permanente Betriebsherausforderung, die nicht allein durch Abgasreinigung am Kamin gelöst werden kann.

Welche Auswirkungen haben diese Gase auf Elektronik und Anlagen?

Gasförmige Schadstoffe wie SO2, H2S, NOx, HCl und HF greifen elektronische Bauteile durch Korrosion an. Silber- und Kupferleiterbahnen auf Platinen reagieren mit Schwefelverbindungen und bilden nicht leitende Sulfidschichten, die zu Kontaktfehlern, Kurzschlüssen und schließlich zum Totalausfall führen können. Dieser Prozess läuft schleichend ab und ist oft erst bei einem Ausfall sichtbar.

In Zementwerken sind besonders folgende Systeme gefährdet:

• Prozessleitsysteme (PLS) und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)
• Frequenzumrichter und Motorsteuerungen
• Messtechnik und Sensorik in der Nähe des Ofens oder der Rohmühlen
• Schaltschränke und Serverräume im Werksgebäude

Die internationale Norm ANSI/ISA-71.04-2013 definiert Korrosivitätsklassen für Elektronikräume. Liegt die Belastung über dem Grenzwert der Klasse G1, erlischt in vielen Fällen die Herstellergarantie für die eingesetzte Elektronik. Zementwerke überschreiten diesen Grenzwert häufig, ohne dass es den Betreibern bewusst ist, bis erste Ausfälle auftreten.

Wie lassen sich Schadgase in Zementwerken effektiv filtern?

Für die Filterung von Schadgasen in Zementwerken kommen vor allem chemisorptive Luftfilteranlagen zum Einsatz. Im Gegensatz zu rein physikalischen Filtern binden chemisorptive Medien Gase nicht nur, sondern neutralisieren sie chemisch. Das macht sie besonders wirksam gegen reaktive Verbindungen wie SO2, H2S, NOx und HCl, die in normalen Partikelfiltern ungehindert passieren würden.

Schutz für Elektronikräume und Schaltschränke

In Steuerwarten und Schaltschrankräumen werden Umluftanlagen oder Zuluftanlagen mit chemisorptiven Filterbetten eingesetzt. Sie reinigen die Raumluft kontinuierlich und halten die Gaskonzentration dauerhaft unterhalb kritischer Grenzwerte. Systeme wie der Purafil® CAS (Corrosive Air System) oder die Purafil® PPU (Positive Pressurization Unit) sind speziell für den Schutz empfindlicher Elektronik in industriellen Umgebungen konzipiert.

Filtration hoher Gaskonzentrationen an der Quelle

Wo Gase in besonders hohen Konzentrationen auftreten, etwa in der Nähe von Öfen, Mühlen oder Abgaskanälen, eignen sich Tiefbettfilter wie der Purafil® Deep Bed Scrubber (DBS). Diese Systeme arbeiten mit größeren Mengen chemisorptiven Mediums und sind für den Dauerbetrieb unter industriellen Bedingungen ausgelegt. Sie schützen sowohl angrenzende Elektronik als auch Personal vor aggressiven Gasen.

Entscheidend für eine effektive Luftfilterung im Zementwerk ist die richtige Auswahl des Filtermediums: Verschiedene Medien sind für unterschiedliche Gasgemische optimiert. Eine vorherige Analyse der tatsächlichen Luftbelastung ist daher immer empfehlenswert, bevor ein System ausgelegt wird.

Wie misst man die Gasbelastung in einem Zementwerk zuverlässig?

Die Gasbelastung in einem Zementwerk lässt sich zuverlässig mit Korrosions-Klassifikations-Coupons (CCC) oder kontinuierlichen Korrosivitätsmonitoren messen. Coupons sind dünne Metallplättchen aus Kupfer und Silber, die für einen definierten Zeitraum an einem repräsentativen Ort im Werk aufgehängt werden. Anschließend wird der Schichtdickenzuwachs durch Korrosion im Labor analysiert und der Korrosivitätsklasse nach ANSI/ISA-71.04-2013 zugeordnet.

Diese Methode bietet mehrere Vorteile:

• Kein aufwendiges Messtechnikequipment vor Ort erforderlich
• Repräsentatives Ergebnis über den gesamten Messzeitraum
• Direkte Vergleichbarkeit mit internationalen Normen
• Kostengünstig und einfach in der Handhabung

Für eine kontinuierliche Überwachung bietet sich der Einsatz von Geräten wie dem OnGuard 4000 an, der auf dem Prinzip des Korrosionsfilmaufbaus basiert und Echtzeitdaten zur Korrosivität in Elektronikräumen liefert. Diese Kombination aus periodischer Coupon-Messung und kontinuierlichem Monitoring gibt Betreibern ein vollständiges Bild der tatsächlichen Belastungssituation.

Wie Dolge-Systemtechnik Zementwerke vor Schadgasen schützt

Wir bei Dolge-Systemtechnik GmbH kennen die besonderen Herausforderungen der Zementindustrie seit Jahrzehnten. Als Master Distributor von Purafil in Nordeuropa bieten wir nicht nur einzelne Filterprodukte, sondern ein vollständiges Lösungskonzept für die Luftreinigung im Zementwerk, das von der Analyse bis zur laufenden Betreuung reicht.

Unser Leistungsangebot für Zementwerke umfasst:

• Gasbelastungsanalyse: Wir führen Messungen mit Korrosions-Klassifikations-Coupons (CCC) durch und bewerten die Korrosivitätsklasse nach ANSI/ISA-71.04-2013 in Ihren Elektronikräumen und Schaltschrankbereichen.
• Maßgeschneiderte Filterkonzepte: Auf Basis der Analyseergebnisse legen wir chemisorptive Luftfilteranlagen aus, die exakt auf Ihr Gasgemisch und Ihre Betriebsbedingungen abgestimmt sind.
• Systeme für jeden Anwendungsbereich: Von der Purafil® PPU für einzelne Schaltschränke bis zum Purafil® Deep Bed Scrubber für hochbelastete Bereiche decken wir alle Anforderungen ab.
• Kontinuierliches Monitoring: Mit dem OnGuard 4000 behalten Sie die Korrosivität in Ihren Elektronikräumen dauerhaft im Blick und können frühzeitig reagieren.
• Vor-Ort-Service: Unser Service ist kostenlos und unverbindlich. Wir kommen gerne zu Ihnen, um uns ein persönliches Bild Ihrer Situation zu machen.

Sprechen Sie uns an und schützen Sie Ihre Anlagen, bevor der nächste ungeplante Stillstand eintritt. Kontaktieren Sie uns unter +49 (0) 5651-2273-0 oder per E-Mail an mail@dolge-systemtechnik.de für eine kostenlose und unverbindliche Erstberatung.