Brennen von Kalk (Drehrohröfen). Unter dem Prozess des Kalkbrennens versteht man die Zersetzungsreaktion des Kalksteins durch die Zufuhr thermischer Energie: CaCO3 => CaO + CO2. In der Technik wird die Zersetzung bei 900-1100°C durchgeführt. Das Brennen des Kalks kann in verschiedenen Formen von Öfen erfolgen. Dabei gibt es vier Haupttypen, deren Anteile nach einer Umfrage des Bundesverbandes der deutschen Kalkindustrie folgendermaßen anzunehmen sind: Tab.: Ungefährer Anteil einzelner Ofentypen zur Branntkalkherstellung (BdK 1995). Ofentyp Mengenanteil in % Schachtofen 30 Ringschachtofen 30 Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativofen (GGR-Ofen) 25 Drehrohrofen 15 Die in dieser Bilanz genutzten Daten beziehen sich auf den Brennprozess in einem Drehrohrofen. Im Vergleich zu den meisten Schachtöfen zeichnet sich der Drehrohrofen durch einen höheren Energieverbrauch aus. Ein Drehrohrofen kann prinzipiell mit Gas, Öl und festen Brennstoffen befeuert werden. Je nach Brennstoff variiert der Energiebedarf der Drehrohröfen von 8400 MJ/t Branntkalk für die einfachsten gasbefeuerten Öfen bis zu 5050 MJ/t Branntkalk für die komplexeren kohle-befeuerten Einheiten (Ullmann 1990). Im Vergleich zu den Schachtöfen ist es einfacher - auch bei hohem Schwefelgehalt der Brennstoffs (Kohle) - einen Kalk mit geringerem Schwefelgehalt herzustellen, wie er zum Beispiel für die Stahlindustrie gebraucht wird, wo er unter anderem dazu eingesetzt wird, um das Eisen zu entschwefeln, bevor es in den Hochofen gelangt. In GEMIS wird ein Drehrohrofen bilanziert, der nach #1 einen Energiebedarf von 5200 MJ/t Branntkalk hat. Die Quelle in #1 ist eine amerikanische Studie aus dem Jahre 1987, wobei angenommen wird, daß der Wert örtlich wie zeitlich übertragbar ist. In dieser Studie wird angesetzt, daß der bilanzierte Drehrohrofen mit Steinkohle befeuert wird. Massenbilanz: Pro Tonne stückigen Branntkalks müssen 1755 kg Ofenstein in den Brennprozess eingebracht werden (Scholz 1994).Weitere Hifs- oder Betriebsstoffe werden nicht benötigt. Der enorme Massenverlust kommt dadurch zustande, daß gemäß der oberen Reaktionsgleichung ein Teil des Kalksteins als CO2 den Prozeß über den Gaspfad verläßt. Energiebedarf: Für das Brennen einer Tonne Kalks im bilanzierten Drehrohrofen werden 5200 MJ/t benötigt (#1). Als Brennstoff wird Steinkohle verwendet. Diese Annahmen decken sich mit denen von Merten für einen Drehrohrofen (#2). Neben dem Brennstoffbedarf besteht für den Betrieb des Ofens noch ein Strombedarf von ca. 130 MJ/t Branntkalk (#2). Prozessbedingte Luftemissionen: Als prozessbedingte Luftemissionen sind im Prozeß des Kalkbrennens die CO2-Emissionen zu bilanzieren, die bei der sog. Entsäuerung des Kalks auftreten. Die Ofensteinmasse enthält 767 kg gebundenes Kohlendioxid von denen während des Brennprozesses 755 kg/t Branntkalk freigesetzt werden (Scholz 1994). Die Differenz verbleibt weiterhin gebunden im Branntkalk. Der Wert von Scholz stimmt exakt mit dem Wert überein, den das UBA als materialbedingte Prozeßemissionen angibt. Das UBA gibt weiterhin einen Wert für Staub an, den es mit 0,17 kg/t Branntkalk quantifiziert (UBA 1996). Auch dieser Wert wird in GEMIS bernommen. Die brennstoffbedingten Prozessemissionen lassen sich nicht einfach über eine Verbrennungsrechnung zur Bereitstellung einer bestimmten Prozesswärme berechnen. Vielmehr sind die spezifischen Bedingungen der Verbrennung bei der Branntkalkherstellung wichtig. Das UBA gibt für verschiedene Brennstoffe Emissionskennziffern an. Diese sind für Steinkohle in der folgenden Tabelle wiedergegeben: Tab.: Brennstoffbedingte Prozeßemissionen bei der Branntkalkherstellung in steinkohlebefeuerten Schachtöfen (UBA 1996). Schadstoff Emissionen in kg/TJ Emissionen in kg/t Branntkalk CO2 94000 479,4 CO 6000 30,6 CH4 15 0,0765 NMVOC 15 0,0765 NOx 155 0,7905 N2O 4,0 0,0204 SO2 33 0,1683 Staub 0 0 Die gesamten Emissionsfaktoren ergeben sich durch Addition der materialbedingten und brenstoffbedingten Emissionsfaktoren. Wasserinanspruchnahme: Direkt im Prozess des Kalkbrennens wird kein Wasser in Anspruch genommen. Abwasserinhaltsstoffe: In dem beschriebenen Prozess wird kein belastetes Abwasser bilanziert. Reststoffe: Es fallen keine Reststofe an, die nicht wieder innerhalb der Systemgrenzen verwertet werden können. Auslastung: 5000h/a Brenn-/Einsatzstoff: Rohstoffe gesicherte Leistung: 100% Jahr: 2010 Lebensdauer: 20a Leistung: 1t/h Nutzungsgrad: 57% Produkt: Baustoffe
Herstellung von Flachglas; Flachglas gehört neben Behälterglas zu den Massengläsern. Alle in großen Mengen hergestellten Gläser gehören zur Gruppe der Alkali-Erdalkali-Silikatgläser (AES-Gläser). Die Zusammensetzung der AES-Gläser ist vom Verfahren und dem Produkt der Herstellung abhängig. Zur Flachglasherstellung befinden sich vier Verfahren im Einsatz (Float-, Fourcault-, Libbey-Owens- und Pittsburgh-Verfahren). Als leistungsfähiges Verfahren zur Herstellung hochwertiger Gläser hat sich das Float-Verfahren durchgesetzt. Die Herstellung des Flachglases nach dem Float-Verfahren läßt sich grundsätzlich in drei Verfahrensabschnitte unterteilen: die Gemengeherstellung, die Glasschmelze und die Formgebung. Bei der Gemengeherstellung werden die Rohstoffe dosiert, getrocknet und gemischt. Die Rohstoffzusammensetzung beim Flachglas muß sehr genau und konstant sein, da das Verfahren gegen Abweichungen sehr empfindlich ist. Dadurch kann auch kein Recycling-Glas eingesetzt werden. Lediglich ein geringer Anteil des im Werk anfallenden Glasbruches und der Reststoffe kann wieder in den Prozeß eingebracht werden. Der anschließende Glasschmelzprozeß kann in die Abschnitte der Silikatbildung, der Glasbildung, der Läuterung und der Konditionierung unterteilt werden. Die Schmelztemperaturen der Glasherstellung liegen bei ca. 1450-1550°C. Aufgrund der hohen Anforderungen an Flachgläser wird bei Temperaturen um 1600°C geschmolzen. Der Schmelzprozeß wird in kontinuierlich betriebenen Wannenöfen durchgeführt. Bei den Glasschmelzwannen der Floatanlagen handelt es sich in der Regel um Querflammöfen mit regenerativer Wärmerückgewinnung und Verbrennungsluftvorwärmung. Die Schmelzaggregate werden mit fossilen Brennstoffen (vorwiegend Erdgas) und häufig mit elektrischer Zusatzheizung betrieben. Der Einsatz elektrischer Zusatzheizungen in großen Schmelzwannen kann zur Steigerung der Durchsatzmengen und zur Verbesserung der Glasqualität eingesetzt werden (Hantsche 1992). Vom Wannenofen fließt das Glas in ein nachgeschaltetes Zinnbad (Floatbad). Die Glasmasse breitet sich auf dem im Floatbad unter Schutzatmosphäre stehenden flüssigen Zinn aus. Als endloses Band wird das Glas durch Spezialwalzen geführt und in einem nachgeschalteten Kühlkanal auf 200°C abgekühlt (#3). Nach dem Abkühlen wird das Glas mechanisch und chemisch weiterverarbeitet und veredelt. Diese Prozesse können in dieser Bilanzierung nicht berücksichtigt werden. Für die vorliegende Bilanzierung wurden die Quellen #1 sowie (ETH 1995) und (UBA 1996) untersucht. Der daraus resultierende Datensatz ist hinsichtlich der Massenbilanzierung als vollständig und zufriedenstellend anzusehen. Ein besserer Datensatz ist derzeit nicht verfügbar. Der zusammengestellte Datensatz repräsentiert auf einem hohen Aggregationsniveau die Glasproduktion in Deutschland Ende der 80er, Anfang der 90er Jahre. Es ist wünschenswert, die Datenlage bezüglich der prozeßbedingten Luftemissionen und der Wasserinanspruchnahme zu verbessern. Genese der Kennziffern Massenbilanz: Zur Herstellung einer Tonne Flachglas (Floatglas) müssen insgesamt 1210 kg Roh- und Hilfsstoffe eingesetzt werden. Im Einzelnen sind dies: Tab. Roh- und Hilfsstoffbedarf zur Herstellung einer Tonne Flachglas (nach #1) Roh- und Hilfsstoffe Masse in kg/t Flachglas Quarzsand 600 Soda 190 Kalk 187 Glasbruch 90 Feldspat 77 Dolomit 56 Natriumsulfat 10 Summe 1210 Zusätzlich ist nach #1 ein Schutzgasbedarf von 15 m³ pro Tonne Flachglas zu bilanzieren. Weiterhin gibt #1 an, daß für die Erneuerung der Ausmauerungen durchschnittlich 13 kg Feuerfestmaterial pro Tonne Flachglas eingesetzt werden muß. Der Glasbruch taucht in der Bilanz nicht auf, da er innerhalb der Systemgrenzen recycliert wird. Natriumsulfat wird in GEMIS aufgrund der als gering eingschätzten Relevanz und der fehlenden Vorkette nicht mitgeführt. Energiebedarf: Das Schmelzen von Glas ist ein ausgesprochen energieaufwendiger Prozeß. Dabei geht der wesentlichste Teil der zugeführten Energie in Form von heißen Abgasen verloren. Die Nutzung der Abwärme ist nur unter bestimmten Voraussetzungen und nur bedingt möglich. Eine Aufteilung des Energiebedarfs nach Prozessen ist in der folgenden Tabelle vorgenommen worden. Tab.: Energieaufwand zur Herstellung einer Tonne Flachglas (nach #1) Prozeßstufe Energieaufwand in GJ/t Flachglas Schmelze (thermisch)Formgebung (elektr.)Kühlung (elektr.)) 6,750,040,04 Antrieb Glaswanne und Kühlofen (elektr.) 0,11 Gemengeherstellung und Transport (elektr., geschätzt) 0,04 Summe 6,98 Es wird ein Energiebedarf von 6,98 GJ/t Flachglas bilanziert. ETH nimmt einen um 20 % höher liegenden Energiebedarf für Flachglas an, wobei er davon ausgeht, daß kein Glasbruch verwendet wird (ETH 1995) . Diese Annahme wird in dieser Studie nicht übernommen. Nach Herstellerangaben (#2) wird der thermische Energiebedarf zu 90 % von Erdgas und zu 10 % von Heizöl S gedeckt. ETH nimmt in seiner Bilanzierung an, daß der gesamte thermische Energiebedarf über Erdgas gedeckt wird (ETH 1995). Hantsche gibt ein gängiges Verhältnis von zwei Dritteln Erdgas und einem Drittel Heizöl S an (#1). Nach Auskunft deutscher Hersteller wird zur Herstellung von Flachglas nach dem Float-Verfahren nur noch Gas als Brennstoff eingesetzt. Diese Annahme wird in GEMIS übernommen. Eine elektrische Zusatzheizung wird in dieser Bilanz nicht berücksichtigt. Hantsche gibt an, daß der Energiebedarf dadurch von 6,98 auf 5,23 GJ/t Flachglas gesenkt werden könnte. Prozeßbedingte Luftemissionen: Die prozeßbedingten Luftemissionen lassen sich nicht über eine Verbrennungsrechnung zur Bereitstellung von Prozeßwärme berechnen, da der Brennstoff direkt im Prozeß eingesetzt wird bzw. spezifische Verbrennungsbedingungen vorherrschen. Diese sind bei der Berchnung der Emissionen zu berücksichtigen. Dabei können formal die Emissionen, die durch die Rohmaterialien verursacht werden und die aus dem Brennstoff resultieren, getrennt werden. Das Umweltbundesamt (UBA) gibt für die Emissionen aus dem Rohmaterial Kennziffern für Schwefeldioxid, Stickoxide, Staub und Kohlendioxid an. Diese sind in der folgenden Tabelle dargestellt (UBA 1996). Tab.: Materialbedingte Luftemissionsfaktoren bei der Glasherstellung (UBA 1996). Schadstoff Masse in kg/t Flachglas CO2 200 NOx 0,8 SO2 2 Staub 0,4 Nicht berücksichtigt sind dabei die Chlorid- und Fluorid-Emissionen. Diese werden von ETH und Hantsche übernommen. Hantsche nimmt Chlorid-Emissionen in Höhe von 0,02 kg/t an (Hantsche 1993). Da für die Fluorid-Emissionen keine weiteren Informationen vorliegen werden in dieser Studie wie bei ETH 50 % des Grenzwertes angesetzt. Damit ergibt sich ein Emissionsfaktor in Höhe von 0,025 kg/t Produkt (ETH 1995). Zusätzlich zu den materialbedingten Emissionen, sind die Emissionen zu berücksichtigen, die durch die Verbrennung des Brennstoffs unter den prozeßspezifischen Bedingungen zustande kommen. Auch hierfür hat das UBA Kennziffern generiert. Die Emissionsfaktoren unterscheiden sich natürlich für verschiedene Brennstoffe. Für das Floatglasverfahren wird, wie oben erwähnt, angenommen, daß die gesamte Energie über Erdgas bereitgestellt wird. Somit ergeben sich folgende Emissionsfaktoren: Tab.: Brennstoffbedingte Luftemissionsfaktoren bei der Gasherstellung (UBA 1996). Schadstoff Erdgas in kg/TJ Emissionen in kg/tfür 6,75 GJ/t CO2 56000 378 CO 10 0,068 CH4 2,5 0,017 NMVOC 2,5 0,017 SO2 0,5 0,003 NOx 410 2,768 N2O 1,5 0,010 Staub 0 0 Die gesamten Luftemissionen ergeben sich durch Addition der materialbedingten und brennstoffbedingten Emissionsfaktoren. Wasserinanspruchnahme Wasser wird bei der Flachglas-Herstellung zu Kühlzwecken eingesetzt. ETH bilanziert für unbeschichtetes Flachglas 0,7 m³/t Flachglas (ETH 1995). Die Angabe von Hantzsche mit 7,5 m³/t ist nicht eindeutig identifizierbar und wird in der vorliegenden Untersuchung nicht berücksichtigt (Hantsche 1992). Abwasserinhaltsstoffe Von einer Belastung des Kühlwassers mit den in GEMIS berücksichtigten Abwasserinhaltsstoffen ist nicht auszugehen. Reststoffe In dem betrachteten System fallen keine festen Reststoffe an, die nicht wieder in den Prozeß eingebracht werden könnten. Auslastung: 5000h/a Brenn-/Einsatzstoff: Baustoffe gesicherte Leistung: 100% Jahr: 2005 Lebensdauer: 20a Leistung: 1t/h Nutzungsgrad: 167% Produkt: Baustoffe
Kalksandstein-Herstellung: Verarbeitung der Rohstoffe zu gebrauchsfertigen Kalksandsteinen. Dazu werden die in Silos vorgehaltenen Rohstoffe (vorwiegend Kalk und Sand) in einem Verhältnis Kalk:Sand 1:12 intensiv miteinander gemischt und in die Reaktionsbehälter geleitet. Im Reaktionsbehälter löscht der Branntkalk nach Wasserzugabe zu Kalkhydrat ab. Wenn nötig wird das Mischgut im Nachmischer auf Preßfeuchte gebracht. In den Pressen werden die Steinrohlinge geformt. Im Anschluß werden die Rohlinge unter Sattdamdfdruck ca. 4 bis 8 Stunden bei Temperaturen zwischen 160 und 220°C im Autoklaven gehärtet. Dabei wird die Kieselsäure auf der Oberfläche der Steine angelöst und bildet dann mit dem Kalkhydrat eine kristalline Bindemittelphase, die auf die Sandkörner aufwächst und sie fest miteinander verzahnt. Nach einer Abkühlung sind die Kalksandsteine gebrauchsfertig (vgl. #2). Die in dieser Bilanzierung verwendeten Daten spiegeln die Situation in der Bundesrepublik in den Jahren 1993 und 1994 wider. Der Datensatz ist nahezu vollständig und umfaßt alle in dieser Studie betrachteten Parameter. Er entstammt einer mit dem Umweltbundesamt (UBA) und dem Normenausschuß für Grundlagen im Umweltschutz (NAGUS) abgestimmten Ökobilanz des Bundesverbandes der Kalksandsteinindustrie e.V.. 1993 wurden in 151 Produktionsstätten 4,8 Mrd. Vol-NF Kalksandsteine und im Jahr 1994 in 158 Produktionsstätten 5,95 Mrd. NF Kalksandsteine hergestellt (Eden 1996). Dies entspricht 1993 einer Produktionsmasse von 14,41 Mio. t und 1994 von 17,87 Mio. t Kalksandstein . Dabei liegen der endgültigen Bilanzierung die Produktionsdaten von 74 von derzeit 162 existierenden Kalksandstein-Werken zugrunde. Aus den Daten der 74 Werke wurden, gewichtet nach der jeweiligen Produktionsmenge, in #1 Mittelwerte berechnet. Die Daten können als zuverlässig und statistisch abgesichert angesehen werden. Allerdings muß darauf hingewiesen werden, daß in Einzelfällen große Abweichungen von den verwendeten Mittelwerten auftreten können (s.u.). Genese der Kennziffern Massenbilanz: Hauptbestandteile des Kalksandsteins sind erdfeuchter Sand und Branntalk. Hinzu kommen eine Reihe von Zuschlagsstoffen wie Steinmehl (in GEMIS wurde hierfür Kalksteinmehl angesetzt). Der quantifizierte Roh- und Hilfsstoffbedarf zur Herstellung einer Tonne Kalksandsteins ist der folgenden Tabelle zu entnehmen. Tab.: Roh- und Hilfsstoffbedarf zur Herstellung einer Tonne Kalksandstein (#1) Rohstoffe Masse in kg/t Kalksandstein Quarzsand (erdfeucht) 948 Branntkalk 86 Zuschlagsstoffe (Steinmehl) 33 Summe 1067 Die in dieser Studie verwendeten Daten stimmen in der Größenordnung gut mit denen in #3 überein. Da deren Quelle jedoch nicht vollständig nachvollziehbar ist, werden sie hier nicht weiter verwendet. Energiebedarf: Der Gesamtenergiebedarf der Herstellung des Kalksandsteins resultiert aus dem Strombedarf für die Förderbänder, die Mischaggregate, das Pressen und die Stapelanlage und dem thermischen Energiebedarf zur Dampferzeugung für die Härtung der Rohlinge, der den größten Teil des Energiebedarfs ausmacht. Innerhalb des Kalksandsteinwerkes besteht ein Strombedarf von ca. 35 MJ/t Kalksandstein. Der thermische Energiebedarf zum Härten beträgt ca. 370 MJ/t Produkt. Dieser wird durch Heizöl EL, Erdgas und Heizöl S gedeckt. Die Anteile der einzelnen Energieträger haben sich in den letzten Jahren stark verschoben. Dies wird in der folgenden Tabelle dargestellt. In dieser Studie werden die Anteile für das Jahr 1994 festgeschrieben. Tab.: Prozentualer Anteil des Einsatzes verschiedener Energieträger zur Dampferzeugung bei der Kalksandsteinherstellung 1992-94 (#2). Einsatz in % 1992 1993 1994 Heizöl S 16 11 4 Heizöl EL 54 54 56 Erdgas 30 35 40 Nach dem vorgestellten Aufteilungsschlüssel für 1994 ergibt sich folgender Primärenergiebedarf in den Kalkwerken zur Herstellung einer Tonne Kalksandstein: Tab.: Vergleich des durchschnittlichen Energieeinsatzes bei der Herstellung einer Tonne Kalksandsteins aufgeschlüsselt nach dem Einsatz fossiler Energieträger nach der Statistik und der Erhebung des Kalksandstein-Verbandes (#2). Energieträger Energieeinsatz nach Statistik in MJ/t KS Energieeinsatz nach Erhebung in MJ/t KS Heizöl EL(incl. Diesel) 206,64(16) 186(16) Erdgas 147,6 122 Heizöl S 14,76 61 Strom 35 35 Summe 404 404 Wie aus der Tabelle hervorgeht, spiegelt die Erhebung des Kalksandstein-Verbandes nicht den letzten Stand bei der Verschiebung der Nutzung emissionsärmerer Energieträger wider. Die unterschiedlichen Ergebnisse verdeutlichen aber auch, daß die Entwicklung bei der Verschiebung der Nutzung der Energieträger noch nicht abgeschlossen ist. Aus diesem Grunde werden im Sinne einer Fortschreibung in dieser Studie die Werte basierend auf der Aufteilung von 1994 für weitere Berechnungen verwendet. Bei den einzelnen Kalksandstein-Werken kann es hinsichtlich des Energiebedarfs zu nennenswerten Abweichungen vom Durchschnitt kommen. Die zehn am wenigsten Energie verbrauchenden Werke der Untersuchung kommen mit weniger als 65 % des durchschnittlichen Energiebedarfs aus. Dabei handelt es sich meist um neuere Werke, die über eine größere Härtekesselkapazität verfügen und Dampfsteuerungs- und Wärmetauschanlagen betreiben. Weiterhin nutzen sie die Wärmeenergie des anfallenden Härtekondensats (#1). Demgegenüber verbrauchen die zehn am energieintensivsten arbeitenden Werke gemittelt 134 % des durchschnittlichen Energieverbrauchs. Der Spitzenwert liegt bei 972 MJ/t Kalksandstein (#1). Prozeßbedingte Luftemissionen: Prozeßbedingte Luftemissionen neben den Emissionen der Energieerzeugung zur Dampferzeugung treten in dem bilanzierten Rahmen nicht auf. Heizöl EL, Heizöl S und Gas werden in industriellen Kesseln verbrannt. Diesel wird in Motoren verbrannt. Für den Strombedarf wird der Strom-Mix für ein lokales Niederspannungsnetz verrechnet (#1). Wasserinanspruchnahme: Wasser wird zur Aufbereitung der Rohstoffe sowohl im Mischer als auch - je nach Bedarf - im Nachmischer zugegeben. Durchschnittlich werden 0,225 m³/t Kalksandstein benötigt. Das Wasser wird zu zwei Dritteln aus eigenen Brunnen gefördert, zu 10% aus Oberflächengewässern und zu 25% aus der öffentlichen Trinkwasserversorgung (#1). Abwasserinhaltsstoffe: Von den durchschnittlichen 0,083 m³ Abwasser pro t Kalksandstein werden nach #1 mehr als die Hälfte versickert. Ca. ein Drittel wird indirekt über das kommunale Kanalnetz eingeleitet, während weitere 10 % direkt in Oberflächengewässer eingeleitet werden. Das Wasser ist nach #1 durchschnittlich mit einem CSB von 9,4 g/t Kalksandstein belastet. Für den BSB5 wird die Hälfte des CSB - also 4,7 g/t - angesetzt. Mit einer AOX-Belastung ist nicht zu rechnen. Ebenso wird die zusätzliche Stickstoff- und Phosphorbelastung gleich null gesetzt. Reststoffe: Die folgende Tabelle zeigt die pro Tonne Kalksandstein anfallenden Abfälle: Tab.: Abfälle bezogen auf eine Tonne produzierten Kalksandstein (#1). Abfallart Menge in kg/t KS Ölfilter 0,002 feste Betriebsmittel (verunreinigt) 0,008 Altöle 0,059 Ölabscheiderinhalte 0,0003 Ölbinder 0,037 Gewerblicher Restmüll 0,156 Summe 0,2623 Pro Tonne Kalksandstein fallen also ca. 0,26 kg Reststoffe an. Verschleiß der Preß- und Formwerkzeuge sowie Verpackungsmaterialien wurden nicht mitbilanziert. Produktionsabfälle in Form von Kalksandstein können im vollen Umfang in den Prozeß zurückgeführt werden. Kalksandsteine können nach dem Gebrauch auch einem stofflichen Recycling zugeführt werden. Der recycelte Kalksandstein hat eine etwas gröbere Struktur, so daß man streng genommen von einem Downcycling sprechen müßte. Der Einsatzzweck ist jedoch nur als Sichtmauerstein eingeschränkt (#3). Der Recyclingpfad wird aufgrund mangelnder Daten in dieser Studie nicht berücksichtigt. Auslastung: 5000h/a Brenn-/Einsatzstoff: Baustoffe gesicherte Leistung: 100% Jahr: 2000 Lebensdauer: 20a Leistung: 1t/h Nutzungsgrad: 105% Produkt: Baustoffe
Brennen von Kalk (Schachtöfen); unter dem Prozess des Kalkbrennens versteht man die Zersetzungsreaktion des Kalksteins durch die Zufuhr thermischer Energie: CaCO3 -> CaO + CO2. In der Technik wird die Dissoziation bei 900-1100°C durchgeführt. Das Brennen des Kalks kann in verschiedenen Öfen erfolgen. Dabei gibt es vier Haupttypen, deren Anteile nach einer Umfrage des Bundesverbandes der deutschen Kalkindustrie folgendermaßen anzunehmen sind: Tab.: Ungefährer Anteil einzelner Ofentypen zur Branntkalkherstellung (nach #2). Ofentyp Mengenanteil in % Schachtofen 30 Ringschachtofen 30 Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativofen (GGR-Ofen) 25 Drehrohrofen 15 Prozess-Situierung Die in dieser Bilanz genutzten Daten beziehen sich auf den Brennprozess in einem Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativ-Ofen (GGR-Ofen) einer Modifikation des Schachtofens (nach #1). Er wird als moderner Vertreter für alle Schachtofentypen (85 % Mengenanteil) bilanziert. Die Schachtofentypen unterscheiden sich im Energiebedarf zur Herstellung einer Tonne Branntkalks. Dabei liegt der Energiebedarf für die verschiedenen Schachtofentypen ca. zwischen 3500 und 4100 MJ/t Branntkalk (Ullmann 1990). Die hauptsächlich in der vorliegenden Untersuchung verwendeten Daten (#1 + #3) beziehen sich auf Deutschland um 1992. Massenbilanz: Pro Tonne stückigen Branntkalks müssen nach #1 rund 1755 kg Ofenstein in den Brennprozess eingebracht werden. Weitere Hilfs- oder Betriebsstoffe werden nicht bilanziert. Der hohe Massenverlust kommt dadurch zustande, daß gemäß der oberen Reaktionsgleichung ein Teil des Kalksteins als CO2 den Prozeß über den Gaspfad verläßt (s.o.). Energiebedarf: Für das Brennen einer Tonne Kalks im bilanzierten GGR-Ofen werden nach #1 rund 3645 MJ/t benötigt. Als Brennstoff wird Erdgas verwendet. Neben dem Brennstoffbedarf besteht nach #1 für den Betrieb des Ofens noch ein Strombedarf von ca. 80 MJ/t Branntkalk. Prozessbedingte Luftemissionen: Als prozessbedingte Luftemissionen sind im Prozess des Kalkbrennens die CO2-Emissionen zu bilanzieren, die bei der sog. Entsäuerung des Kalks auftreten. Die Ofensteinmasse enthält 767 kg gebundenes Kohlendioxid von denen während des Brennprozesses 755 kg/t Branntkalk freigesetzt werden (#1). Die Differenz verbleibt gebunden im Branntkalk. Der Wert aus #1 stimmt exakt mit dem Wert überein, den #3 als materialbedingte Prozessemissionen angibt. #3 gibt weiterhin einen Wert für Staub an, den es mit 0,17 kg/t Branntkalk quantifiziert. Auch dieser Wert wird in GEMIS bernommen. Die brennstoffbedingten Prozessemissionen lassen sich nicht einfach über eine Verbrennungsrechnung zur Bereitstellung einer bestimmten Prozesswärme berechnen. Vielmehr sind die spezifischen Bedingungen der Verbrennung bei der Branntkalkherstellung zu berücksichtigen. #3 gibt für verschiedene Brennstoffe Emissionskennziffern an. Diese sind für Erdgas in der folgenden Tabelle wiedergegeben: Tab.: Brennstoffbedingte Prozessemissionen bei der Branntkalkherstellung in erdgasbefeuerten Schachtöfen (nach #3). Schadstoff Emissionen in kg/TJ Emissionen in kg/t Branntkalk CO2 56000 204,12 CO 6000 21,87 CH4 2,5 0,009 NMVOC 2,5 0,009 NOx 62 0,226 N2O 1,5 0,005 SO2 0,1 0,001 Staub 0 0 Die SO2-Emissionen sind auch deshalb so gering, da ein Teil des Schwefeldioxids aus dem Brennstoff in den kälteren Zonen des Kalzinierungsraumes im Branntkalk gebunden wird. Gerade in den Schachtöfen wird dadurch der größte Teil des Schwefels zurückgehalten. Einige Anwendungen, wie die Stahlherstellung erfordern jedoch einen geringen Schwefelgehalts des Kalks. Diese können in Drehrohröfen erreicht werden, da hier die Kalzinierungszone anders beschaffen ist (Ullmann 1990). Die gesamten Emissionsfaktoren ergeben sich durch Addition der materialbedingten und brenstoffbedingten Emissionsfaktoren. Wasserinanspruchnahme: Direkt im Prozess des Kalkbrennens wird kein Wasser in Anspruch genommen. Abwasserinhaltsstoffe: In Prozess wird kein belastetes Abwasser bilanziert. Reststoffe: Es fallen keine Reststoffe an, die nicht wieder innerhalb der Systemgrenzen verwertet werden können. Auslastung: 5000h/a Brenn-/Einsatzstoff: Rohstoffe gesicherte Leistung: 100% Jahr: 2050 Lebensdauer: 20a Leistung: 1t/h Nutzungsgrad: 57% Produkt: Baustoffe
Herstellung von Quarztiegeln, Daten nach #1 Auslastung: 5000h/a Brenn-/Einsatzstoff: Ressourcen gesicherte Leistung: 100% Jahr: 2020 Lebensdauer: 20a Leistung: 1t/h Nutzungsgrad: 100% Produkt: Grundstoffe-Chemie
Klinkerbrennen: Nach der Aufbereitung der Rohstoffe wird das Rohmehl in Drehrohröfen zu Klinker gebrannt. In den Kalzinierungsreaktionen findet die Zersetzung des Kalksteines bei ca. 900°C statt (Hantsche 1993). In der Praxis werden die Rohmaterialien bei ca. 1450°C zu Klinker gebrannt (ETH 1995). Dabei erfordert die Zersetzung des Kalksteins ca. 70 % des gesamten Wärmeaufwandes der Prozeßeinheit. Nach dem Brennen des Klinkers wird dieser abgekühlt, bevor er - wenn erwünscht - weiterverarbeitet werden kann. Mit der Abwärme können die Rohmaterialien vorgetrocknet werden (vgl. „Aufbereitung der Rohstoffe“). Ortsbezug: Die hier verwendeten Daten aus (Hantsche 1993), (ETH 1995), (WIKUE 1995a), (VDZ 1996) beziehen sich alle auf die Zementproduktion in Deutschland zu Beginn der 90er Jahre. Die Daten verschiedener Quellen zum Energiebedarf des Prozesses zeigen eine gute Übereinstimmung, so daß die Datenqualität als hinreichend gut zu bezeichnen ist. Genese der Daten - Massenbilanz: Im Brennprozeß wird dem Rohmaterial neben der eigentlichen Klinkerbildung das restliche Wasser (<2 %) und vor allen Dingen CO2 ausgetrieben. Daher müssen bezogen auf eine Tonne Klinker zwischen 1550 und 1600 kg Rohmehl in den Drehrohrofen eingebracht werden (Hantsche 1993), (WIKUE 1995a). In dieser Studie wird das arithmetische Mittel von 1575 kg/t Klinker angesetzt. Energiebedarf: Der aus der Stöchiometrie resultierende theoretische Wärmeaufwand beträgt ca. 2000 MJ/t Klinker. Für den realen Energiebedarf werden in der Literatur Werte angegeben, die gut übereinstimmen. Tab.: Energiebedarf zum Klinkerbrennnen in MJ/t Klinker. Literatur Energiebedarf [MJ/t] (Hantsche 1993) 3200 (WIKUE 1995) 3250 (VDZ 1996) 3000 GEMIS 3.0 3000 In GEMIS werden die Daten des Vereins Deutscher Zementwerke e.V. übernommen, der diese Angaben für das Jahr 1994 nach einer statistischen Erhebung noch einmal bestätigte. Demnach ergibt sich für die gesamte Bundesrepublik ein spezifischer Brennstoffenergieverbrauch von 3000 MJ/t. In den alten Bundesländern werden 2950 MJ/t Klinker eingesetzt, während in den neuen Bundesländern im Schnitt noch 3180 MJ/t benötigt werden (VDZ 1996). Der Brennstoffenergieverbrauch konnte im Jahr 1994 im Vergleich zu den Vorjahren und den anderen Literaturangaben noch einmal gesenkt werden, da die Auslastung der Drehrohrofenanlagen in diesem Jahr besonders hoch war. Für die darauffolgenden Jahre wird von einer stagnierenden Auslastung ausgegangen (VDZ 1996). Trotzdem soll der spezifische Brennstoffenergieverbrauch bis zum Jahre 2005 sowohl in den neuen als auch in den alten Bundesländern auf 2800 MJ/t gesenkt werden (VDZ 1996). Der größte Teil des Brennstoffenergieverbrauchs (ca. 96%) wird über Steinkohle, Braunkohlen, Sekundärbrennstoffen und Heizöl S gedeckt. Weitere Brennstoffe werden in GEMIS nicht berücksichtigt. Dabei sind die Anteile der einzelnen Energieträger folgendermaßen verteilt: Tab.: Relative Anteile der einzelnen Energieträger am spezifischen Brennstoffenergieverbrauch beim Klinkerbrennen (VDZ 1996). Brennstoff Rel. Anteil in Prozent Steinkohle 50 Braunkohlen (Brikett, rheinisch) 33 Sekundärbrennstoffe 11 Heizöl S (1,8 % S) 6 Prozessbedingte Luftemissionen: Da zu den prozessbedingten Luftemissionen keine repräsentativen validierten Meßwerte zur Verfügung stehen, wird auf Emissionsfaktoren des UBA zurückgegriffen. Die Luftemissionen des Prozesses setzen sich zusammen aus den Emissionen, die aus dem Einsatzmaterial resultieren und den brennstoffbedingten Emissionen. Durch die Entsäuerung des Rohstoffs Kalkstein werden beim Brand des Klinkers ca. 545 kg CO2 pro Tonne Zementklinker emittiert. Dieser Wert stimmt gut mit den Daten des UBA überein. Das UBA gibt einen Emissionsfaktor von 565 kg/t Zementklinker an (UBA 1996) Dieser Wert wird in GEMIS übernommen. Für die brennstoffbedingten Emissionen sind die Verbrennungsbedingungen sehr wichtig. Daher kann keine Verbrennungsrechnung zur Bereitstellung der Prozesswärme durchgeführt werden. Vielmehr müssen spezifische Emissionsfaktoren getrennt nach einzelnen Brennstoffen für die spezifischen Prozessbedingungen angenommen werden. Das UBA hat auch für den Prozess des Klinkerbrennens für die brennstoffspezifischen Prozessemissionen zusammengestellt (UBA 1996). Zur Berechnung der in GEMIS relevanten Emissionen werden die Emissionsfaktoren in kg Schadstoff pro TJ eingesetzte Energie für die einzelnen Brennstoffe für den oben angegebenen Brennstoffmix berechnet . Diese werden mit dem Brennstoffenergieverbrauch multipliziert. Man erhält somit die Emissionsfaktoren in kg Schadstoff pro Tonne Produkt, die in der folgenden Tabelle aufgeführt sind: Tab.: Brennstoffbedingte Emissionsfaktoren beim Klinkerbrennen bezogen auf den Brennstoffmix des VDZ von 1994 (Verändert nach UBA 1996). Schadstoff Emissionsfaktor in kg/t Klinker SO2 0,11 NOx 1,73 Staub 0 CO2 277,69 CO 0,19 CH4 0,04 NMVOC 0,04 N2O 0,01 Das UBA weist keinen Emissionsfaktor für Staub aus, obwohl dessen Emission bei der Klinkerherstellung wichtig erscheint. Hierfür werden nach Hantsche 0,3 kg/t Klinker angesetzt (Hantsche 1993). Wasserinanspruchnahme: Für das Klinkerbrennen wird weder Prozess- noch Kühlwasser benötigt. Das Abkühlen des Klinkers erfolgt durch Luftkühlung. Die abgeführte Wärme wird zur Vortrocknung der Rohmaterialien genutzt. Abwasserinhaltsstoffe: In dem betrachteten Prozess fällt kein Abwasser an. Reststoffe: Es fallen keine Reststoffe an, die nicht wieder in dem Prozess eingesetzt werden können. Aufgrund der Bilanzgrenzen werden daher keine Reststoffe bilanziert. Auslastung: 5000h/a Brenn-/Einsatzstoff: Grundstoffe-Sonstige gesicherte Leistung: 100% Jahr: 2015 Lebensdauer: 20a Leistung: 1t/h Nutzungsgrad: 63,5% Produkt: Baustoffe
Eingabe Porosierungsmittel als Sägespäne; Korrektur CO2-Emissionen von 180 auf 148 kg/t (Sägespäneanteil:32 kg/t) Herstellung von Mauerziegeln (Ziegelwerk). Die im Ziegelwerk angelieferten tonhaltigen Rohstoffe werden vor dem Brennen aufbereitet. Dabei werden sie mit Wasser konditioniert und ins Walzwerk gegeben. Heute werden meist ein grobes und ein feines Walzwerk betrieben. Nach den Walzwerken werden die Mineralien durch Strangpresse und Abschneider geformt. Derartig vorbehandelt werden sie in die Trocknungskammer eingebracht, die mit der Abwärme des Brennofens beheizt wird. Im Anschluß werden die Ziegel gebrannt. Häufig wird die Trocknung und der Vorbrand in einem Prozeß mit dem keramischen Brand realisiert. Der Brand erfolgt in den meisten Fällen in kontinuierlich betriebenen Tunnelöfen bei Temperaturen zwischen 1000 und 1200°C. Die gebrannten Ziegel werden luftgekühlt. Die Datenbasis für den Prozeß der Ziegelherstellung in GEMIS bildet die Ökobilanz von Mauerziegeln der deutschen, österreichischen und schweizerischen Ziegelverbände (#1). Sie stützt sich auf die Primärdaten von 12 einzelnen Ziegelwerken. Die Daten wurden im Zeitraum von 1992 bis 1993 ermittelt. Genese der Kennziffern Massenbilanz: Für die Herstellung einer Tonne Ziegel müssen im Mittel ca. 1350 kg Tone in den Prozeß eingebracht werden. Dabei reicht die Spanne in der betrachteten Studie von 1055 kg bis 1725 kg Tonmineralien pro Tonne Ziegel (DACH 1996). Die enormen Differenzen sind auf Schwankungen des Wassergehalts und die Art der Ziegel zurückzuführen. Je nach Wassergehalt werden den Tonen Sand und Natursteinmehl beigemengt. Diese Mengen werden in GEMIS allerdings nicht berücksichtigt. Neben den Tonmineralien werden eine Reihe von Zuschlagsstoffen und Porosierungsmittel eingesetzt. Als Porosierungsmittel werden häufig Sägemehl und Polystyrol verwendet. Ein großer Anteil der Porosierungsstoffe wird über Reststoffe gedeckt. Da die Massenanteile der Porosierungsmittel gering sind, der Anteil von Ziegel zu Ziegel sehr unterschiedlich ist und Reststoffe in der Prozeßkettenanalyse ohne Vorkette bilanziert werden, werden die Porosierungsmittel an dieser Stelle nicht aufgeführt. Die über die Porosierungsmittel bereitgestellte Energie ist jedoch beim Energiebedarf des Prozesses zu berücksichtigen (s.u.) Energiebedarf: Der Energiebedarf der in #1 bilanzierten Werke wird größtenteils über Erdgas und Strom gedeckt. Vereinzelt werden auch Heizöle und Propan als Energieträger eingesetzt. Diese werden in GEMIS nicht bilanziert. Der arithmetisch gemittelte Energiebedarf der bilanzierten Ziegelwerke aufgeteilt nach Energieträgern ist in der folgenden Tabelle dargestellt. Tab.: Energiebedarf zur Herstellung einer Tonne Ziegel getrennt nach Energieträgern (DACH 1996, arithmetisch gemittelt). Energieträger Menge in MJ/t Erdgas 1310 elektr. Strom 150 Die Zuschlagsstoffe, die als Porosierungsmittel dienen, sind ebenfalls als Energieträger zu werten, da sie beim Brennen der Ziegel praktisch vollständig verbrennen., wobei den jeweiligen Heizwerten entsprechende Wärmemengen freigesetzt werden. Die Deckung des Energiebedarfs über Porosierungsmittel schwankt stark von Ziegelwerk zu Ziegelwerk. Arithmetisch gemittelt für die bilanzierten Werke ergibt sich ein Anteil an Endenergie von 620 MJ/t. Die Porosierungsmittel werden in GEMIS ohne Vorkette bilanziert. Prozeßbedingte Luftemissionen: Die prozeßbedingten Luftemissionen wurden für die 12 bilanzierten Werke durch Messungen erfaßt . In GEMIS wird das arithmetische Mittel der einzelnen Werke angesetzt. Die Emissionsfaktoren sind in der folgenden Tabelle dargestellt: Tab.: Emissionsfaktoren der einzelnen Luftschadstoffe pro Tonne gebrannter Ziegel (DACH 1996, arithmetisch gemittelt). Schadstoff Masse in kg/t Ziegel SO2 0,100 NOx 0,260 Staub 0,019 CO2 180,417 CO 0,391 HF 0,003 HCl 0,012 organische Stoffe (gesamt C) 0,063 Die Emissionen, die aus der Bereitstellung des Stromes resultieren, sind dabei noch nicht berücksichtigt. Wasserinanspruchnahme: Der Wasserbedarf beim Mischen und Formen der Rohmaterialien im Prozeß der Ziegelherstellung ist wie der Rohstoffbedarf selbst sehr stark von der Grubenfeuchte der Tone abhängig. Daher kann die eingesetzte Wassermenge stark variieren (#3). Das arithmetische Mittel der für die Ziegelverbände erstellten Ökobilanz ergibt einen Wasserbedarf von 0,1 m³/t Ziegel. Dieser Wert wird in GEMIS übernommen. Abwasserinhaltsstoffe: Bei allen bilanzierten Werken ist der Abwasseranfall zu vernachlässigen (#1). Das eingesetzte Prozeßwasser und die Grubenfeuchte der Tone verdampfen während des Trocknungs- und Brennprozesses (#2). Reststoffe: Bei allen in #1 untersuchten Werken ist die aus der Entsorgung fester Abfälle resultierende Umweltbelastung gering. Daten hierzu wurden daher nicht aufgeführt. Der bei der Ziegelherstellung anfallende Trocken- und Brennbruch wird werksintern wiederverwertet (Beimengen zum Rohton) oder nach einer Weiterverarbeitung verkauft (Tennismehl). Die daraus resultierenden Produkte werden in GEMIS nicht berücksichtigt (s. Allokation). Auslastung: 5000h/a Brenn-/Einsatzstoff: Rohstoffe gesicherte Leistung: 100% Jahr: 2000 Lebensdauer: 20a Leistung: 1t/h Nutzungsgrad: 74,1% Produkt: Baustoffe
Hydraulischer Kalk wird aus Kalksteinmergel hergestellt und wird auch als Jurazement bezeichnet. Er bindet hauptsächlich wie Zement hydraulisch ab, ohne Einbindung von CO2. Im Gegensatz zu Zement ist seine Brenntemperatur mit ca. 100C niedriger. Nach #1 werden 1,59 t/t Mergel (eta = 0,63) eingesetzt. Die Anbindung erfolgt über Xtra-Abbau\Mergel. Neben dem Strombedarf zum Brennen und Mahlen (194MJ/t) werden 4270 MJ/t Erdgas eingesetzt. Es wird die Prozeßwärmefeuerung der CaO-Herstellung übernommen, da keine spezifischen Daten verfügbar sind. Prozeßspezifische Emissionen: Nach #1 werden 0,479 t/t CO2 und 31,9 g/t Staub emittiert und in diese Bilanz eingestellt. Auslastung: 5000h/a Brenn-/Einsatzstoff: Rohstoffe gesicherte Leistung: 100% Jahr: 2000 Lebensdauer: 20a Leistung: 1t/h Nutzungsgrad: 63% Produkt: Baustoffe
Brennen von Kalk (Drehrohröfen). Unter dem Prozess des Kalkbrennens versteht man die Zersetzungsreaktion des Kalksteins durch die Zufuhr thermischer Energie: CaCO3 => CaO + CO2. In der Technik wird die Zersetzung bei 900-1100°C durchgeführt. Das Brennen des Kalks kann in verschiedenen Formen von Öfen erfolgen. Dabei gibt es vier Haupttypen, deren Anteile nach einer Umfrage des Bundesverbandes der deutschen Kalkindustrie folgendermaßen anzunehmen sind: Tab.: Ungefährer Anteil einzelner Ofentypen zur Branntkalkherstellung (BdK 1995). Ofentyp Mengenanteil in % Schachtofen 30 Ringschachtofen 30 Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativofen (GGR-Ofen) 25 Drehrohrofen 15 Die in dieser Bilanz genutzten Daten beziehen sich auf den Brennprozess in einem Drehrohrofen. Im Vergleich zu den meisten Schachtöfen zeichnet sich der Drehrohrofen durch einen höheren Energieverbrauch aus. Ein Drehrohrofen kann prinzipiell mit Gas, Öl und festen Brennstoffen befeuert werden. Je nach Brennstoff variiert der Energiebedarf der Drehrohröfen von 8400 MJ/t Branntkalk für die einfachsten gasbefeuerten Öfen bis zu 5050 MJ/t Branntkalk für die komplexeren kohle-befeuerten Einheiten (Ullmann 1990). Im Vergleich zu den Schachtöfen ist es einfacher - auch bei hohem Schwefelgehalt der Brennstoffs (Kohle) - einen Kalk mit geringerem Schwefelgehalt herzustellen, wie er zum Beispiel für die Stahlindustrie gebraucht wird, wo er unter anderem dazu eingesetzt wird, um das Eisen zu entschwefeln, bevor es in den Hochofen gelangt. In GEMIS wird ein Drehrohrofen bilanziert, der nach #1 einen Energiebedarf von 5200 MJ/t Branntkalk hat. Die Quelle in #1 ist eine amerikanische Studie aus dem Jahre 1987, wobei angenommen wird, daß der Wert örtlich wie zeitlich übertragbar ist. In dieser Studie wird angesetzt, daß der bilanzierte Drehrohrofen mit Steinkohle befeuert wird. Massenbilanz: Pro Tonne stückigen Branntkalks müssen 1755 kg Ofenstein in den Brennprozess eingebracht werden (Scholz 1994).Weitere Hifs- oder Betriebsstoffe werden nicht benötigt. Der enorme Massenverlust kommt dadurch zustande, daß gemäß der oberen Reaktionsgleichung ein Teil des Kalksteins als CO2 den Prozeß über den Gaspfad verläßt. Energiebedarf: Für das Brennen einer Tonne Kalks im bilanzierten Drehrohrofen werden 5200 MJ/t benötigt (#1). Als Brennstoff wird Steinkohle verwendet. Diese Annahmen decken sich mit denen von Merten für einen Drehrohrofen (#2). Neben dem Brennstoffbedarf besteht für den Betrieb des Ofens noch ein Strombedarf von ca. 130 MJ/t Branntkalk (#2). Prozessbedingte Luftemissionen: Als prozessbedingte Luftemissionen sind im Prozeß des Kalkbrennens die CO2-Emissionen zu bilanzieren, die bei der sog. Entsäuerung des Kalks auftreten. Die Ofensteinmasse enthält 767 kg gebundenes Kohlendioxid von denen während des Brennprozesses 755 kg/t Branntkalk freigesetzt werden (Scholz 1994). Die Differenz verbleibt weiterhin gebunden im Branntkalk. Der Wert von Scholz stimmt exakt mit dem Wert überein, den das UBA als materialbedingte Prozeßemissionen angibt. Das UBA gibt weiterhin einen Wert für Staub an, den es mit 0,17 kg/t Branntkalk quantifiziert (UBA 1996). Auch dieser Wert wird in GEMIS bernommen. Die brennstoffbedingten Prozessemissionen lassen sich nicht einfach über eine Verbrennungsrechnung zur Bereitstellung einer bestimmten Prozesswärme berechnen. Vielmehr sind die spezifischen Bedingungen der Verbrennung bei der Branntkalkherstellung wichtig. Das UBA gibt für verschiedene Brennstoffe Emissionskennziffern an. Diese sind für Steinkohle in der folgenden Tabelle wiedergegeben: Tab.: Brennstoffbedingte Prozeßemissionen bei der Branntkalkherstellung in steinkohlebefeuerten Schachtöfen (UBA 1996). Schadstoff Emissionen in kg/TJ Emissionen in kg/t Branntkalk CO2 94000 479,4 CO 6000 30,6 CH4 15 0,0765 NMVOC 15 0,0765 NOx 155 0,7905 N2O 4,0 0,0204 SO2 33 0,1683 Staub 0 0 Die gesamten Emissionsfaktoren ergeben sich durch Addition der materialbedingten und brenstoffbedingten Emissionsfaktoren. Wasserinanspruchnahme: Direkt im Prozess des Kalkbrennens wird kein Wasser in Anspruch genommen. Abwasserinhaltsstoffe: In dem beschriebenen Prozess wird kein belastetes Abwasser bilanziert. Reststoffe: Es fallen keine Reststofe an, die nicht wieder innerhalb der Systemgrenzen verwertet werden können. Auslastung: 5000h/a Brenn-/Einsatzstoff: Rohstoffe gesicherte Leistung: 100% Jahr: 2020 Lebensdauer: 20a Leistung: 1t/h Nutzungsgrad: 57% Produkt: Baustoffe
Brennen von Kalk (Drehrohröfen). Unter dem Prozess des Kalkbrennens versteht man die Zersetzungsreaktion des Kalksteins durch die Zufuhr thermischer Energie: CaCO3 => CaO + CO2. In der Technik wird die Zersetzung bei 900-1100°C durchgeführt. Das Brennen des Kalks kann in verschiedenen Formen von Öfen erfolgen. Dabei gibt es vier Haupttypen, deren Anteile nach einer Umfrage des Bundesverbandes der deutschen Kalkindustrie folgendermaßen anzunehmen sind: Tab.: Ungefährer Anteil einzelner Ofentypen zur Branntkalkherstellung (BdK 1995). Ofentyp Mengenanteil in % Schachtofen 30 Ringschachtofen 30 Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativofen (GGR-Ofen) 25 Drehrohrofen 15 Die in dieser Bilanz genutzten Daten beziehen sich auf den Brennprozess in einem Drehrohrofen. Im Vergleich zu den meisten Schachtöfen zeichnet sich der Drehrohrofen durch einen höheren Energieverbrauch aus. Ein Drehrohrofen kann prinzipiell mit Gas, Öl und festen Brennstoffen befeuert werden. Je nach Brennstoff variiert der Energiebedarf der Drehrohröfen von 8400 MJ/t Branntkalk für die einfachsten gasbefeuerten Öfen bis zu 5050 MJ/t Branntkalk für die komplexeren kohle-befeuerten Einheiten (Ullmann 1990). Im Vergleich zu den Schachtöfen ist es einfacher - auch bei hohem Schwefelgehalt der Brennstoffs (Kohle) - einen Kalk mit geringerem Schwefelgehalt herzustellen, wie er zum Beispiel für die Stahlindustrie gebraucht wird, wo er unter anderem dazu eingesetzt wird, um das Eisen zu entschwefeln, bevor es in den Hochofen gelangt. In GEMIS wird ein Drehrohrofen bilanziert, der nach #1 einen Energiebedarf von 5200 MJ/t Branntkalk hat. Die Quelle in #1 ist eine amerikanische Studie aus dem Jahre 1987, wobei angenommen wird, daß der Wert örtlich wie zeitlich übertragbar ist. In dieser Studie wird angesetzt, daß der bilanzierte Drehrohrofen mit Steinkohle befeuert wird. Massenbilanz: Pro Tonne stückigen Branntkalks müssen 1755 kg Ofenstein in den Brennprozess eingebracht werden (Scholz 1994).Weitere Hifs- oder Betriebsstoffe werden nicht benötigt. Der enorme Massenverlust kommt dadurch zustande, daß gemäß der oberen Reaktionsgleichung ein Teil des Kalksteins als CO2 den Prozeß über den Gaspfad verläßt. Energiebedarf: Für das Brennen einer Tonne Kalks im bilanzierten Drehrohrofen werden 5200 MJ/t benötigt (#1). Als Brennstoff wird Steinkohle verwendet. Diese Annahmen decken sich mit denen von Merten für einen Drehrohrofen (#2). Neben dem Brennstoffbedarf besteht für den Betrieb des Ofens noch ein Strombedarf von ca. 130 MJ/t Branntkalk (#2). Prozessbedingte Luftemissionen: Als prozessbedingte Luftemissionen sind im Prozeß des Kalkbrennens die CO2-Emissionen zu bilanzieren, die bei der sog. Entsäuerung des Kalks auftreten. Die Ofensteinmasse enthält 767 kg gebundenes Kohlendioxid von denen während des Brennprozesses 755 kg/t Branntkalk freigesetzt werden (Scholz 1994). Die Differenz verbleibt weiterhin gebunden im Branntkalk. Der Wert von Scholz stimmt exakt mit dem Wert überein, den das UBA als materialbedingte Prozeßemissionen angibt. Das UBA gibt weiterhin einen Wert für Staub an, den es mit 0,17 kg/t Branntkalk quantifiziert (UBA 1996). Auch dieser Wert wird in GEMIS bernommen. Die brennstoffbedingten Prozessemissionen lassen sich nicht einfach über eine Verbrennungsrechnung zur Bereitstellung einer bestimmten Prozesswärme berechnen. Vielmehr sind die spezifischen Bedingungen der Verbrennung bei der Branntkalkherstellung wichtig. Das UBA gibt für verschiedene Brennstoffe Emissionskennziffern an. Diese sind für Steinkohle in der folgenden Tabelle wiedergegeben: Tab.: Brennstoffbedingte Prozeßemissionen bei der Branntkalkherstellung in steinkohlebefeuerten Schachtöfen (UBA 1996). Schadstoff Emissionen in kg/TJ Emissionen in kg/t Branntkalk CO2 94000 479,4 CO 6000 30,6 CH4 15 0,0765 NMVOC 15 0,0765 NOx 155 0,7905 N2O 4,0 0,0204 SO2 33 0,1683 Staub 0 0 Die gesamten Emissionsfaktoren ergeben sich durch Addition der materialbedingten und brenstoffbedingten Emissionsfaktoren. Wasserinanspruchnahme: Direkt im Prozess des Kalkbrennens wird kein Wasser in Anspruch genommen. Abwasserinhaltsstoffe: In dem beschriebenen Prozess wird kein belastetes Abwasser bilanziert. Reststoffe: Es fallen keine Reststofe an, die nicht wieder innerhalb der Systemgrenzen verwertet werden können. Auslastung: 5000h/a Brenn-/Einsatzstoff: Rohstoffe gesicherte Leistung: 100% Jahr: 2030 Lebensdauer: 20a Leistung: 1t/h Nutzungsgrad: 57% Produkt: Baustoffe