gesponsertEnergieeffiziente Schraubengebläse Intelligente Steuerungssoftware spart beim Kalk-Brennen signifikant Energie

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Aerzener Maschinenfabrik GmbH

Beim Dolomitkalk-Hersteller Köhler Kalk stellen drei Schraubengebläse die Verbrennungsluft für den Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativofen zur Verfügung. Für einen effizienten Betrieb des Maschinen-Trios setzt das Familienunternehmen auf eine intelligente Steuerungssoftware.

Die Herstellung von Kalk und Dolomit ist äußerst energieintensiv, insbesondere der Brennvorgang verursacht hohe CO₂-Emissionen. Denn um den Rohstein in Branntkalk umzuwandeln, sind extreme Temperaturen zwischen 900 und 1.200 °C erforderlich. Umso wichtiger sind intelligente Lösungen, um diesen Prozess nachhaltiger zu gestalten.

Das nordhessische Familienunternehmen Köhler Kalk setzt daher seit vielen Jahren auf einen Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativofen (GGR) und energieeffiziente Gebläsetechnologie von Aerzen. Mit der Implementierung des Load-Balancing-Control (LBC) geht Köhler Kalk nun einen entscheidenden Schritt weiter: Die intelligente Steuerungssoftware betreibt den Maschinenverbund, der dem Ofen die Prozessluft für den Brennvorgang (Verbrennungsluft) zuführt, stets im optimalen Arbeitspunkt und ermöglicht so signifikante Energieeinsparungen und Prozessverbesserungen.

Spezialist für Dolomitbranntkalk

Köhler Kalk mit Sitz im Werra-Meißner-Kreis (Nordhessen) hat sich auf die Gewinnung, Aufbereitung und Veredelung von hochwertigem Dolomitkalk, einem kristallinen Mineralgemisch aus Calcium- und Magnesiumcarbonat, spezialisiert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Weiterverarbeitung des Dolomitrohsteins im Brennofen zu Dolomitbranntkalk. Dieser ist vor allem für die Stahlindustrie besonders gut geeignet, weil sich der Magnesiumanteil im Dolomit als Oxid (MgO) bei der Stahlherstellung positiv auswirkt und beim Veredeln des Roheisens zum Stahl die Konverterwände schützt. Generell hat der zugesetzte Kalk die Aufgabe, den Schwefel in der Schmelze zu binden. Stahlkocher gehören deshalb zu den Stammkunden von Köhler Kalk. Darüber hinaus wird in großem Umfang auch die Dünge- und Bauindustrie beliefert.

Modernste Brenntechnik im Einsatz

Zentrales Element im Herstellungsprozess des Dolomitbranntkalks bei Köhler Kalk ist der Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativofen (GGR). Mit einem Wirkungsgrad von über 80 Prozent zählt er zu den energieeffizientesten Kalkbrennern nach BVT (Beste verfügbare Technik, Bestandteil des Anlagenzulassungsrecht nach EU-Richtlinie 2010/75/EU über Industrieemissionen). Ein GGR-Ofen besteht aus zwei bis drei miteinander verbundenen Schächten, die in einem Zyklus von rund 15 Minuten abwechselnd als Brenn- und Regenerativschacht betrieben werden, und arbeitet nach dem Prinzip der regenerativen Wärmerückgewinnung: Die Abgaswärme wird gespeichert und zur Vorwärmung der Verbrennungsluft genutzt. Das senkt den Brennstoffverbrauch und reduziert die Emissionen. Köhler Kalk war das erste Unternehmen in Deutschland, das Dolomit im GGR-Verfahren Dolomit brennt. 2017 wurde der Ofen am Standort Vockerode (östlich von Kassel) in Betrieb genommen.

Das Beste aus zwei Welten

Die Verbrennungsluftversorgung übernehmen drei Aerzen-Schraubengebläse vom Typ Delta Hybrid – zwei D75L mit Riemenantrieb (50 kW, 4.000 m³/h, 1.000 mbar) und ein D65S mit Direktantrieb (75 kW, 3.900 m³/h, 1.250 mbar). Die Aggregate vereinen die Vorzüge von Gebläse- und Verdichtertechnologie in einem System und stehen für maximale Energieeffizienz bei uneingeschränkter Zuverlässigkeit. Im Vergleich zu herkömmlichen Drehkolbengebläsen, die traditionell in Brennöfen eingesetzt werden, können erhebliche Energieeinsparungen von bis zu 37 Prozent erzielt werden.

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Variierende Volumenstromanforderungen

Der Zuluftbedarf für den Brennprozess ist nicht konstant, sondern unterliegt prozess- und betriebsbedingten Schwankungen. Wesentlich beeinflusst wird er neben der Produktionsleistung durch die Funktionsweise des GGR-Ofens: Das periodische Umschalten des Luftstroms zwischen dem Brenn- und dem Regenerativschacht führt zu variierenden Volumenstromanforderungen. Hinzu kommen weitere Einflussfaktoren wie die Qualität des Brennstoffs (z. B. Brennwert oder Feuchtegehalt), Unterschiede in der Beschaffenheit des Dolomitrohsteins, wechselnde Umgebungsbedingungen (Außentemperatur, Luftfeuchtigkeit) sowie technischer Zustand der Ofenanlage (Verschmutzung oder Verschleiß).

Intelligente Steuerungssoftware

Mittels Load-Balancing-Control (LBC) lassen sich diese unterschiedlichen Anforderungen besonders energieeffizient erfüllen. Die Software wurde von Aerzen Digital Systems, dem Digitalisierungsspezialisten im Aerzen-Konzern, speziell für den automatisierten Betrieb eines Maschinenverbundes entwickelt und eröffnet signifikante Potenziale für die energetische Optimierung der Drucklufterzeugung. LBC nutzt auf dem Prüfstand validierte Modelle, um die Einsatzpunkte jeder Maschine im Verbund mittels Testszenarien zu optimieren. Somit kann die Gesamteffizienz des Verbundes gesteigert werden, ohne auf eine rechenaufwändige Echtzeit-Optimierung zurückgreifen zu müssen.

Maschinenverbund im energetisch optimalen Arbeitspunkt

Bei Köhler Kalk wird der erforderliche Volumenstrom für den aktuellen Brennprozess von der übergeordneten Prozesssteuerung des Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativofens berechnet. Die oben genannten Einflussgrößen (Produktionsleistung, Betriebsart, Brennstoffqualität, Beschaffenheit des Dolomitrohstein, Außentemperatur, Luftfeuchtigkeit, Zustand des Ofens) werden dabei durch die Messung von Prozessgrößen, beispielsweise der Temperatur des Brenngutes oder Abgases, berücksichtigt. Der GGR-Ofen übermittelt den Volumenstrombedarf an Load-Balancing-Control, welche die Lastaufteilung zwischen den Gebläsen berechnet und entsprechende Steuerungssignale für die Maschinen ausgibt. Das Ergebnis ist ein Maschinenverbund, der in seinem energetisch optimalen Arbeitspunkt agiert und dem Betreiber einen Return on Investments in weniger als zwei Jahren ermöglicht.

Maximale Effizienz bei minimalem Integrationsaufwand

Load-Balancing-Control bietet maximale Flexibilität und lässt sich ohne großen Aufwand in bestehende oder neu aufgebaute Steuerungsumgebungen integrieren. Für jeden Kunden wird ein maßgeschneiderter Funktionsbaustein erstellt, der direkt in die Anlagensteuerung und das bestehende SCADA eingebunden wird. Das spart Zeit und Kosten. SPS-Systeme aller gängigen Hersteller werden unterstützt.

Der erste Schritt ist immer eine detaillierte Erfassung und Bewertung der vorhandenen Anlagentechnik und Infrastruktur – so auch bei Köhler Kalk. Zudem erfolgte eine Abstimmung mit dem Systemintegrator des Dolomitkalkherstellers. Anschließend wurde unter Berücksichtigung aller anlagenspezifischen Parameter der SPS-Funktionsbaustein aufgebaut. Dieser enthält sämtliche Funktionen des LBC und wird von Aerzen Digital Systems bequem als Download zur Verfügung gestellt. Durch eine modellbasierte virtuelle Inbetriebnahme ist der Funktionsbaustein bereits so weit voreingestellt, dass beim Kunden vor Ort nur noch eine Feineinstellung erforderlich ist. Der Systemintegrator implementierte den Funktionsbaustein innerhalb weniger Stunden mithilfe der mitgelieferten Dokumentation in die Steuerungsprogrammierung und führte die Anlage nahtlos zurück in den produktiven Betrieb.

Lärmreduzierung als positiver Nebeneffekt

Die energetische Optimierung der Drucklufterzeugung ist die zentrale Aufgabe von Load-Balancing-Control. Doch die Software bietet weit mehr: Sie sorgt für eine Angleichung der Betriebsstunden durch eine gleichmäßige Auslastung der Maschinen, vermeidet häufige Lastwechsel in Form von Ein- und Abschaltvorgängen und erlaubt das gezielte Ausschließen einzelner Aggregate von der Regelung.

Darüber hinaus ergab sich im Rahmen des Projekts bei Köhler Kalk ein positiver Nebeneffekt in Form einer deutlichen Lärmreduzierung. Die Anlage befindet sich in unmittelbarer Nähe zu einer Ortschaft, und in der Vergangenheit kam es aufgrund hoher Lärmemissionen wiederholt zu Beschwerden. Dies machte es erforderlich, die maximale Drehzahl der Maschinen zu begrenzen, wodurch deren volles Leistungspotenzial nicht ausgeschöpft wurde. Durch den Einsatz von Load-Balancing-Control konnten Wechselwirkungen zwischen den Maschinen, die zuvor zu einer Verstärkung der Gesamtschallemission führten, vermieden werden. Dadurch ist nun ein Betrieb über den gesamten Drehzahlbereich möglich, was ebenfalls zur Steigerung der Energieeffizienz beiträgt. Dieser Effekt ist unter Umständen auf andere Anlagen übertragbar.

Signifikante Energieeinsparungen bei Köhler Kalk

Das LBC-Projekt bei Köhler Kalk zeigt, wie digitale Intelligenz, innovative Gebläsetechnik und praxisnahes Engineering zu einer ökonomisch und ökologisch attraktiven Lösung verschmelzen. Dank der hauseigenen Technologie von Aerzen und der gezielt eingebrachten maschinenbezogenen Expertise wird der Maschinenverbund stets im Optimum betrieben. Köhler Kalk konnte dadurch nachhaltige Energieeinsparungen von 6 bis 10 Prozent realisieren. Christian Köhler, Geschäftsführer der Köhler Kalk GmbH, ist begeistert: „Mit dem neuen Load-Balancing-Control haben wir nicht nur die Energieeffizienz unserer Verbrennungsluftversorgung spürbar verbessert, sondern auch die Lärmemissionen deutlich reduziert – und das ohne zusätzliche Hardware. Besonders überzeugt hat uns die einfache Integration in unsere bestehende Anlagensteuerung.“

Ausblick: Steigende Energiepreise und ehrgeizige Klimaziele auf globaler wie nationaler Ebene rücken das Thema Energieeffizienz zunehmend in den Fokus – und machen mehr Klimaschutz zu einem der zentralen Ziele der energieintensiven Kalkbranche. Schraubengebläse von Aerzen und die intelligente Steuerungssoftware Load-Balancing-Control führen die Druckluftversorgung in die Zukunft.

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