Zementklinker, der wichtigste Bestandteil des Zements, wird in einem Hochtemperaturprozess hergestellt. Verfahrens- sowie rohstoffbedingt emittiert die Zementindustrie weltweit zwischen 5 bis 6 % der anthropogenen CO-Emissionen. Die Minderung des Energiebedarfs und der resultierenden CO-Emissionen ist aus ökologischen wie auch ökonomischen Gründen von großem Stellenwert in der Zementindustrie.
Die traditionellen Möglichkeiten der Zementindustrie zur Minderung der spezifischen CO-Emissionen sind seit Jahrzehnten Gegenstand der Forschung. Diese deckt die Bereiche der Effizienzsteigerung (z.B. durch Abwärmenutzung), der Verringerung des Klinkeranteils im Zement sowie des Einsatzes von alternativen (abfallstämmigen oder biogenen) Roh- und Brennstoffen ab. Zusammengenommen können diese Maßnahmen jedoch den zukünftigen Anforderungen der auferlegten Klimaziele nicht vollständig entsprechen, vor allem da verfahrenstechnische Potentiale weitgehend ausgeschöpft sind und die Marktanforderungen an die Produktqualität limitierend wirken. Da Zement ein auf absehbare Zeit nicht verzichtbarer Baustoff ist, gehen heute die Bestrebungen dahin, ihn mittel- oder langfristig mit deutlich geringeren CO-Emissionen produzieren zu können. So postuliert die International Energy Agency (IEA), dass zur Einhaltung des Klimaziels bis 2050 in der Zementindustrie 56 % des Minderungsziels durch die Anwendung der CCS-Technologie (Carbon Capture and Storage) erbracht werden muss.
Bei dieser Technologie wird das COaus den Prozessabgasen entfernt und verdichtet, um anschließend in geeigneten Lagerstätten (z.B. Erdöl-/Erdgasfeldern, Kohleflözen, salinen Aquiferen) gespeichert zu werden. Neuere Bestrebungen gehen ebenfalls dahin, das COzu einer weiteren Nutzung z.B. in der Chemieindustrie zu überführen (Carbon Capture and Reuse), anstatt dieses ungenutzt zu speichern. Ausgehend von den politischen globalen Klimaschutzvorgaben müssten der IEA zufolge bis zum Jahr 2030 allein in Europa 30 Zementwerke und bis 2050 50 % aller Klinker produzierenden Werke in den OECD-Staaten mit einer Carbon-Capture-Technologie ausgestattet sein. Um diese Vorgabe zu erfüllen, müssten aus technischer Sicht neben dem Problem des Transportes und der Speicherung hauptsächlich Antworten auf prozesstechnische Problemstellungen der CO-Abtrennung gefunden werden.
Deshalb ist das Hauptziel dieser Arbeit, für die Zementindustrie als wirtschaftliche Vorbedingung zur CO-Abtrennung Möglichkeiten zur maximalen Aufkonzentration des COzu finden bzw. zu untersuchen. Als Technologie zur Aufkonzentration und Abtrennung des CObieten sich im Klinkerbrennprozess grundsätzlich die Post-Combustion und die Oxyfuel-Technik an.
Ein im Vergleich zur Post-Combustion-Technologie energetisch und somit kostengünstigeres Verfahren ist die Oxyfuel-Technologie. Diese sieht eine Verbrennung mit annähernd reinem Sauerstoff und eine Abgasrezirkulation vor, wodurch das COin der Ofenanlage in höherer Konzentration vorliegt als üblich. Die Oxyfuel-Technologie wird in den Klinkerbrennprozess integriert, wodurch es zu Beeinflussungen der thermodynamischen wie auch der stofflichen Abläufe im Prozess kommt. Sie bietet allerdings infolge gewonnener Freiheitsgrade, wie einem variablen Sauerstoffgehalt, auch vielfältige Potentiale, den bekannten Prozess neu zu gestalten.
Gegenstand dieser Arbeit ist daher, ein Konzept für die Integration der Oxyfuel-Technologie in den Zementherstellungsprozess zu entwickeln und dessen technische Anwendung unter verschiedenen Aspekten zu erforschen.