Zementherstellung

Zementherstellung (Trockenverfahren)

Zement besteht aus verschiedenen Haupt- und Nebenbestandteilen (siehe Zementarten).
Im folgenden Text wird die Herstellung des Zementklinkers und das Mischen bzw. gemeinsame Vermahlen mit den weiteren Hauptbestandteilen (Herstellung siehe unter dem jeweiligen Stichwort) geschildert.
Die eingeschlagenen Wege zur Minderung der CO₂-Emissionen bei der Zementherstellung sind unter dem Stichwort "Dekarbonisierung von Zement und Beton" zu finden.

Die Ausgangsstoffe zur Herstellung des Zementklinkers müssen hauptsächlich Calciumcarbonat (CaCO₃) und Siliciumdioxid (SiO₂; Kieselsäure) sowie in geringen Mengen Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Eisenoxid (Fe₂O₃) enthalten. Zu den Gesteinen, die diese Verbindungen liefern, gehören Kalkstein (liefert das Calciumcarbonat) und Ton (liefert das Siliciumdioxid), die meist getrennt abgebaut und danach im geeigneten Verhältnis gemischt werden, aber auch als Mergel natürlich gemischt vorliegen.

Die Zementherstellung umfasst fünf Hauptbereiche:

1. Gewinnung und Aufbereitung des Rohmaterials:

Die Lockerung des Gesteins erfolgt im Sprengverfahren, die Verladung mit Löffelbaggern oder Radschaufelladern auf Schwerlastwagen. In einer Brecheranlage wird das Gestein zu Schotter zerkleinert und zum Ausgleich grober Schwankungen der Rohstoffe zu Mischbetten aufgeschüttet. Der Calciumcarbonatgehalt sollte 76 bis 78 % der Mischung betragen. Es erfolgt die Zugabe von Korrekturstoffen (Sand, Löß, Eisenoxid), um das Verhältnis von Siliciumdioxid (SiO₂) zu Tonerde (Al₂O₃) und Eisenoxid (Fe₂O₃) in engen Grenzen zu halten. Die Rohmischung wird in Mahltrocknungsanlagen (Rohrmühlen mit Füllung aus Stahlkugeln oder Wälzmühlen mit Stahlwalzen) gemahlen und getrocknet. Dabei werden ca. 90 % des Mahlguts zu Körnern unter 90 µm Größe vermahlen. Das fertige Mahlgut (Rohmehl) wird in hintereinandergeschalteten Silos durch systematisches Abziehen und Befüllen "homogenisiert", d.h. innig und gleichmäßig vermischt.

2. Brennen des Zementklinkers:

Das Brennen erfolgt meist in einem Drehofen von mehreren Metern Durchmesser und 50 bis 200 Metern Länge. Die Öfen rotieren langsam um ihre Längsachse. Infolge eines leichten Gefälles wandert das an einem Ende eingegebene Rohmehl der Flamme am anderen Ende des Ofens entgegen. Öfen mit Zyklonvorwärmer (Schwebegas-Wärmetauscheröfen) besitzen einen Wärmetauscher, der aus einem System mehrerer Zyklone besteht, in denen das Rohmehl auf rd. 830 °C erhitzt wird. Der im Rohmehl enthaltene Kalkstein (Calciumcarbonat CaCO₃) wird hier teilweise entsäuert wird (Austreibung des Kohlendioxid CO₂, Entstehen des Calciumoxids CaO). Am Ende des Drehofens – in der Sinterzone – wird das Brenngut auf 1400 bis 1450 °C erhitzt, es beginnt teilweise zu schmelzen (Sinterung). Aus den Ausgangsstoffen bilden sich dabei die so genannten Klinkerphasen. Das sind Calciumsilicate und Calciumaluminate, die dem Zement seine charakteristischen Eigenschaften bei der hydraulischen Erhärtung geben. Das Brennprodukt, der Zementklinker, verlässt den Ofen, wird gekühlt und gelangt zum Klinkerlager.

3. Mahlen der Zemente:

Damit aus dem Zementklinker das reaktionsfähige Produkt Zement entsteht, muss er äußerst fein gemahlen werden (Mahlfeinheit). Bei der Produktion von Portlandzementen wird der Zementmühle Zementklinker und etwa 5 M.-% Gips und/oder Anhydrit als Erstarrungsregler aufgegeben. Zur Erzeugung anderer Zementarten mit weiteren Hauptbestandteilen werden die nach DIN EN 197-1 vorgeschriebenen Mengen gemeinsam gemahlen oder getrennt gemahlen und anschließend gemischt. Das fertige Mahlgut, der Zement, wird von den Zementmühlen zu den Zementsilos gefördert und gelangt von dort zu den Packmaschinen und zur losen Verladung.

4. Überwachung, Güteüberwachung:

Die Einhaltung der Zusammensetzung und der Eigenschaften des Zements wird durch die werkseigene Produktionskontrolle und die Fremdüberwachung überprüft. Gleichmäßige Eigenschaften des Zements werden durch weitgehend automatische Probennahme und Analyse der Roh-, Zwischen- und Endprodukte bei der Zementherstellung und entsprechende Steuer- und Regelmaßnahmen erreicht.

5. Umweltschutz:

Emissionen von Stäuben und Gasen sind durch verfahrenstechnische Umstellungen bei der Zementherstellung drastisch vermindert worden.
Konnten in den 1950er-Jahren noch Staubemissionen bis zu 3.000 mg/m³ am Kamin von Drehofenanlagen gemessen werden, sind es heute nur noch 10 bis 20 mg/m³.
Seit 1990 haben die deutschen Zementherstellern, die CO₂-Emissionen sowohl spezifisch als auch absolut in einer Größenordnung von 20 bis 25 % verringert. Im Rahmen der Dekarbonisierung von Zement und Beton sollen diese Emissionen bis 2050 über das bereits erreichte Maß hinaus noch einmal deutlich reduziert werden.
Eingriffe in die Natur durch Abbauflächen und Steinbrüche werden durch intensive Rekultivierung in land- und forstwirtschaftliche Nutzflächen, in Biotope oder in Freizeit- und Naherholungsgebiete abgemildert.

Literatur

• Zement-Merkblatt B1: Zemente und ihre Herstellung
• Locher, Friedrich W.: Zement – Grundlagen der Herstellung und Verwendung. Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf 2000
• Verein Deutscher Zementwerke e. V.: Umweltdaten der Zementindustrie