Entwicklung eines automatisierten Qualitätssteuerungskonzepts zur Rohmehlproduktion in mischbettlosen Zementwerken unter Einsatz variabler Ersatzrohstoffraten

Die Zementindustrie steht vor der Herausforderung, bis 2050 klimaneutral zu werden. Ein zentraler Ansatz zur Reduzierung des CO₂-Emissionsfaktors des Klinkers ist der verstärkte Einsatz CO₂-armer Ersatzrohstoffe (ERS). Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein automatisiertes Qualitätssteuerungskonzept für die Rohmehlproduktion in Zementwerken ohne gezielte großtechnische Homogenisierungsmöglichkeiten entwickelt. Als übergeordnetes Ziel wurde die Konzeption einer proaktiven Prozesssteuerung formuliert, die auch bei erhöhtem ERS-Einsatz eine spezifikationskonforme Rohmehlqualität mit hoher Gleichmäßigkeit sowie minimalen Rohstoff- und CO₂-Emissionskosten gewährleistet. Die Entwicklung fand im Zementwerk Wietersdorf der Alpacem Zement Austria GmbH statt.
Das Konzept wurde in zwei Phasen entwickelt: Zunächst wurde eine Excel-basierte Simulation konzeptionell erarbeitet und anschließend als webbasierte Software mit automatisierten Schnittstellen umgesetzt, die eine vollautomatische und kontinuierliche Integration in den Produktionsprozess ermöglichte. Die benötigten Prozessanalysedaten stammten vorwiegend von Inline-Analysatoren. Die entwickelte Prozesssteuerung umfasst neben der Silomodellierung und Rezepturoptimierung als integrale Kernkomponenten auch eine Stoffstrombilanzierung der Spurenelemente bis hin zum versandfertigen Zement, um sowohl die prozesskritischen Qualitätsparameter als auch die regulatorischen Anforderungen eines verstärkten ERS-Einsatzes zu erfüllen.
Die Evaluierung des Steuerungskonzepts erfolgte in drei Stufen. Im Factory Acceptance Test (FAT) wurde die Excel-basierte Simulation unter industriellen Bedingungen im ersten „On TrACK“-Versuch getestet, wobei die Stabilität des Kalkstandards im Rohmehl, einem zentralen Qualitätsparameter, auch bei einer ERS-Rate von 45 % erfolgreich nachgewiesen wurde. Die „On TrACK“-Versuchsserie der Alpacem Zement Austria GmbH zielt darauf ab, die bestehenden Branchenstandards im ERS-Einsatz bei der Klinkerproduktion gezielt zu erweitern. Im Site Acceptance Test (SAT) wurde die Funktionalität der webbasierten Software während einer einmonatigen Testproduktion unter realen Betriebsbedingungen mit einer branchenüblichen ERS-Rate von 10–15 % validiert. Die Ergebnisse zeigten eine deutliche Verbesserung der Qualitätskonstanz gegenüber der manuellen Rezeptursteuerung. In einer abschließenden Leistungsevaluierung der Prozesssteuerung über einen mehrmonatigen Betrachtungszeitraum konnte die Funktionalität sowohl unter Standardbedingungen als auch bei maximalem ERS-Einsatz im zweiten „On TrACK“-Versuch durch eine hohe Effektivität und Stabilität des Systems belegt werden.
Der wissenschaftliche Beitrag dieser Dissertation liegt im funktionalen und strukturellen Design der Steuerungsmethode in Kombination mit der Auslegung der Prozessanalytik, die eine innovative Lösung für die spezifischen Herausforderungen einer nachhaltigen Rohmehlproduktion darstellt. Die entwickelten Ansätze bieten nicht nur die Grundlage für die forcierte Steigerung der ERS-Nutzung, sondern leisten auch einen wesentlichen Beitrag zur nachhaltigen Reduktion der CO₂-Emissionen in der Zementindustrie. Die entwickelte Prozesssteuerung ist auf andere Zementwerke mit ähnlicher Anlagentopologie und Konfiguration der Prozessanalytik übertragbar, was eine breite Anwendbarkeit in der Branche ermöglicht.