A new clinker cooler for Wossingeninstalled in existing plantEin neuer Klinkerkuhler fur Wossingen - Bauen im Bestand

Jurf!. HammerichIK,'v- GmbH, l'v"eIIsfadf /GermallY

1 IntroductionWithin the framework of a modernization project at Wossin-gen cement plant, a new preheater tower and clinker coolerwas constructed without interrupting plant operation. Duringa plant stoppage in spring 2009, this will be connected up tothe existing infrastructure and put into operation. In order tokeep the conveying distances between the new kiln line and theexisting plant sections as shortas possible, the new line had tobe built close to the existingkiln. The confined space con-ditions demanded a somewhatunconventional approach to theconstruction work sequence.To enable accessibility duringthe construction work, it wasnecessary to first erect the newclinker cooler in a narrow gapbetween the existing Lepol kilnand the transformer station. Itproved just as difficult to planadequate free space for lateraccessibility to the system formaintenance work.

1 Einleitung1m Rahmen der Modernisierung des Zementwerkes Wossin-gen wurde wahrend des laufenden Betriebes ein neuer Vorwar-merturm und Klinkerkiihler errichtet. Dieser soll im Friihjahr2009 wahrend eines Anlagenstillstandes an die vorhandene Infra-struktur angeschlossen und in Betrieb genommen werden. Urndie Transportwege zwischen der neuen Ofenlinie und den vor-

handenen Werksanlagen moglichstkurz zu halten, musste die neue Linienahe an dem vorhandenen Of en er-richtet werden. Die beengten raum-lichen Verhaltnisse erforderten dabeieinen etwas unkonventionellen Bau-ablauf. Zuerst musste der neue Klin-kerkiihler in einer schmalen Nischezwischen vorhandenen Lepol-Ofenund Transformatorstation errichtetwerden, urn bei den BaumaBnahmeniiberhaupt eine akzeptable Zugang-lichkeit zu gewahrleisten. Ebensoschwierig war es, geniigend Freiraumfur die spatere Zuganglichkeit derAnlage bei Wartungsarbeiten emzu-planen.

2 Decision for a new coolerConversion of a cement kilnline from the semi-dry to thedry process demands con-siderable modification of theprocess scheme and the planttechnology. Conversion of thepreheater to the precalciningtechnology requires an ex-tension of the Lepol buildingas regards floorspace and height, frequently in the form of astructurally separate preheater tower. Due to the very limitedaccessibility to the burner building, conversion of the existingR,.ecupol clinker cooler would have been similarly complex.Both building projects would have caused a plant stoppage ofseveral months and unacceptable loss of production, while onlya small number of plant components would have remaineduseable. Integration of a new preheater, kiln and clinker coolerinto the existent factory infrastructure was therefore the morecost-effective option.

2 Entscheidung fUr einenneuen KOhlerDer Umbau einer Zementofenlinievom Halbtrocken- auf das Trocken-verfahren erfordert wesentliche An-derungen am Prozessschema und ander Anlagentechnik. Der Umbau desVorwarmers auf Vorkalziniertechnikbedingt eine Erweiterung des Lepol-Gebaudes in Grundflache und Hohe,

haufig in Form eines baulich getrennten Warmetauscherturms.Aufgrund der sehr eingeschrankten Zuganglichkeit in dasBrennergebaude ware der Umbau des vorhandenen Rekupol-Klinkerkiihlers ahnlich komplex gewesen. Beide Bauvorhabenhatten zu einem mehrmonatigem Anlagenstillstand und nichtakzeptablen Produktionsausfillen gefuhrt, wobei die Zahl derweiterhin nutzbaren Anlagenteile gering bleibt. Die Integrationeines neu gebauten Vorwarmers, Of en und Klinkerkiihlers indie vorhandene Werksinfrastruktur war dementsprechend diewirtschaftlichere Option.

The plant before commencement of the construction phaseWerksansicht vor Beginn der Bauphase

3 Technological concept and special featuresAs a consequence of the confined space conditions (Fig. 1), aflexible cooler design with respect to length and width wasneeded. The installation location in a gap between existingstructures prevented the use of a cooler with large standardmodules that dictated the width. Lafarge Zement therefore de-

3 Technisches Konzept und BesonderheitenDie beengten Platzverhaltnisse (Bild 1) bedurften beziiglichLange und Breite einer flexiblen Kiihlerauslegung. Der Ein-bauort in eine Nische verhindert den Einsatz eines Kiihlers, beidem groBe Standardmodule die Breite festschreiben. LafargeZement entschied sich, einen IKN-Pendelrostkiihler zu in-

2 Oscillating frame during takeover inspection at the manufacturerSchwingrahmen bei der Werksabnahme

cided to install an IKN pendulum grate cooler.This cooler typewith KIDS (clinker inlet distribution system) configuration asa fixed inlet followed by a continuous grate area ensures lowagitation of the clinker along its transportation distance, even inthe case of a high length to width ratio.

The grate plates for aeration of the bed of clinker are installedon grate support beams. Only every third row of grate platesis movable and responsible for the reciprocating motion fortransportation of the clinker along the grate. Fixed and mov-able grate rows are mounted on different supporting structures.The supporting structure ofthe movable rows of grate platesis a connected, form-stable os-cillating frame (Fig. 2), consist-ing of pendulum beams, oscil-lating beams and drive yoke.It is carried by the LPS (linearpendulum support) pendulumstations (Fig. 3), which are anintegral part of the lower coolerhousing. As the drive yoke ispart of the oscillating frameunit, the grate can be driven bya single hydraulic cylinder.

3 Assembly of the lower cooler housing with LPSpendulum stationsMontage unteres Kuhlergehause mit LPS-Pendelstationen

stallieren. Die Kombination KIDS (clinker inlet distributionsystem) als fester Einlauf, gefolgt von einer durchgehendenRostflache, gewahrleistet beim IKN Pendelrost auch bei einemhoheren Langen-Breiten- Verhaltnis eine geringe Klinkerum-walzung entlang der Forderstrecke.

Die Rostplatten zur Beli.iftung des Klinkerbettes sind aufRost-tragern angeordnet. Dabei ist nur jede dritte Rostplattenreihebeweglich und i.ibt die Schubbewegung zur Klinkerforderungaus. Feste und bewegliche Reihen werden auf unterschied-lichen Tragstrukturen montiert. Die Tragstruktur der beweg-

lichen Rostplattenreihen istein verbundener, formsta-biler Schwingrahmen (Bild 2),bestehend aus Pendelbalken,Schwingholmen und An-triebsjoch. Er wird von denLPS-Pendelstationen (Bild 3)getragen (linear pendulum sup-port), die in das untere Ki.ihler-gehause integriert sind. Da dasAntriebsjoch Teil der EinheitSchwingrahmen ist, kann derRostantrieb durch einen ein-zelnen Hydraulikzylinder er-folgen.

The grate plate supports onthe oscillating frame form thereference for alignment ofthe fixed grate plate supports.The oscillating frame is assembled during fabrication and thesupporting surfaces for the grate support beams are machinedin a subsequent work operation. Individual alignment ofthe non-movable rows of grate plates is provided by thedesign.

Die Rostplattentrager auf demSchwingrahmen bilden dieReferenz fLir die Ausrichtung

der festen Rostplattentrager. Der Schwingrahmen wird wah-rend der Fertigung zusammengesetzt und die Auflageflachenflir Rosttrager werden in einem abschieBenden Arbeitsgangspanend bearbeitet. Ein individuelles Ausrichten der nicht be-weglichen Rostplattenreihen ist konstruktiv gegeben.

The LPS pendulum suspension is wear-free and ensures thatthe movement remains precise and quasi-linear throughoutthe lifetime of the machine. This fact permits tailoring of thereciprocation-movement gap to the geometry of the grateplates with their form-precise Coanda nozzle slots and thusassures uniform air distribution including cooling of the grateplates.

Die LPS-Pendelaufhangung ist verschleiBfrei und gewahrleis-tet eine lebenslange, prazise, quasi lineare Bewegung. DieserUmstand erlaubt es, die GroBe der Schubspalte auf die Geo-metrie der Rostplatten mit ihren formgenauen Coanda-Di.i-senschlitzen anzupassen und eine gleichmaBige LuftverteilungeinschlieBlich einer Ki.ihlung der Rostplatte sicherzustellen.

5 Foundation construction work for cooling air fans and pier #3 (left),as well as the completed pier with 3 cooler fans on two levels

4 What spatial/logistical factors had to be considered?The existing layout of the plant only left a narrow gap with awidth of 12 m for the new cooler. Even this small space hadfirst to be made available by demolishing a canteen building.Given an external cooler width of 4.5 m, there was very littlespace left for installing stairways, maintenance platforms, fansand auxiliary units of the clinker cooler - the plant designersfaced the difficult challenge of optimally utilizing every squaremetre of the gap (Fig. 4).

The vertical reference point for the new kiln plant was de-fined by an old central cable tunnel, which ran just beneaththe ground surface in the area of the planned clinker cooler.Because of the old installation installed in the vicinity, this tun-nel could not be altered in any way. This made it impossible touse cellars and thus dictated that all building structures had tobe above ground. The clinker cooler was thus built on a 3 mhigh steel platform in order to ensure that the clinker dischargeend was high enough for an above-ground short-pan apronconveyor.The narrow construction area also dictated that otherstructures were built upwards and not sideways. For instance,kiln foundation #3 had to accommodate 3 cooler fans on twolevels - the cooler drive hydraulic station that would normallybe located in this area had to be placed on kiln foundation#2, which meant correspondingly extending its pipework. Theremaining 4 cooler fans were positioned at an angle of 900 tothe normal arrangement, in order to fit into a narrow spacebetween the cooler and a transformer building. For later main-tenance work these fans are only accessible from the burnerplatform by bridge crane - and that is only possible after the re-moval of several floor plates from the burner platform (Fig. 5).

The above-ground installation of all the machines and unitsmeans that there are no pits in the immediate vicinity of thepreheater and cooler and the hazard potential in the case of anescape of hot meal is therefore greatly reduced.

5 Time sequence of the installation and integrationinto the overall plant conceptIn August 2007, IKN received the contract from LafargeZement for the engineering and delivery of the clinker cooler,including kiln head and roll crusher. As the commissioning wasplanned for spring 2009, the schedule for the milestones was

5 Fundamentarbeiten fur Kuhlluft-Ventilatoren und Pier #3 (links)sowie das fertige Pier mit 3 Kuhlerventilatoren auf lwei Ebenen

4 Welche raumlichen/logistischen Gegebenheitenwaren zu berucksichtigen?Der vorhandene Werksgrundriss erlaubte als Einbauraum furden neuen Kiihler nur eine schmale Liicke von 12 m Breite, dieaber erst noch durch den Abriss eines vorhandenen Kantinen-gebaudes freigemacht werden musste. Bei einer Kiihlerbreitevon 4,5 m (auBen) verblieb nur noch wenig Installationsraumfur Treppen, Wartungsbi.ihnen, Ventilatoren und Nebenaggre-gate des Klinkerkiihlers - die Anlagenplaner wurden vor dieschwierige Aufgabe gestellt, in der Nische jeden Quadratmeteroptimal zu nutzen (Bild 4).

Den vertikalen Bezugspunkt fur die neue Of en anlage definierteein alter, zentraler Kabeltunnel, der im Bereich des geplantenKlinkerkiihlers nur knapp unter der Gelandeoberflache verlief.Aufgrund der hier vorhandenen Altinstallationen durfte derTunnel in keiner Weise verandert werden; ein Keller konnte so-nut nicht genutzt werden und alle Anlagenteile l11ussten in dieHohe gebaut werden. Der Klinkerki.ihler wurde auf eine 3 mhohe Stahlplattform gesetzt, urn am Klinkeraustrag geniigendBauhohe fur ein oberirdisches Kurzzellenband zu erhalten.Aber auch der schmale Baugrundriss erforderte weiteres Bauenin die Hohe. So wurden in dem Of en fundament #3 auf zweiEbenen 3 Kiihlerventilatoren untergebracht; die iiblicherweisein dies em Bereich angeordnete Hydraulikstation fur den Kiih-lerantrieb wurde dafur in das Of en fundament #2 verschoben -bei entsprechend verlangerten Rohrtrassen. Die iibrigen4 Kiihlerventilatoren wurden entgegen der iiblichen Anord-nung um 900 gedreht aufgestellt, urn damit in eine schmaleGasse zwischen dem Kiihler und einem Transformatorgebaudeeingepasst werden zu konnen. Fiir spatere Wartungsarbeitensind diese Geblase nur von der Brennerbiihne aus mit einemBriickenkran erreichbar - und das auch erst nach dem Heraus-nehmen einiger Bodenplatten aus der Brennerbiihne (Bild 5).

Die oberirdische Anordnung aller Maschinen und Aggregatevermeidet jegliche Gruben in unmittelbarer Umgebung vonVorwarmer und Kiihler, wodurch das Gefahrenpotenzial 1mFalle eines HeiBmehlaustrittes stark reduziert wird.

5 Zeitlicher Ablauf der Installation und Integrationin das Gesamtkonzept1m August 2007 erhielt IKN von Lafarge Zement den Auf-

6 3-roll roll crusher - The crusher rolls are individually driven viareversible geared motors (11 kW)3-Rollen Walzenbrecher - Brecherwalzen werden einzeln Ober re-versierbare Getriebemotoren (11 kW) angetrieben

tight: presentation of the basic engineering for the constructionplanning in October 2007, foundation construction work inApril 2008, delivery of all components by June 2008, prelimi-nary and main assembly from July 2008.

German workshops were awarded the entire manufacturingscope for the most important functional components of theclinker cooler, such as oscillating frame, hydraulic drive and rollcrusher. In the course of quality assurance, these componentswere also completely preassembled and tested, in order to ex-clude all assembly risks at the construction site.

InJuly the assembly work for the cooler commenced on sched-ule, parallel to the work on the preheater tower. First, the sup-porting structure (Fig. 4) was erected, then the lower coolerhousing with the grate support shaft bearings went up step bystep. After its acceptance testing and functional tests, the 3-rollroll crusher (Fig. 6) was transported by flat bed trailer as a com-plete machine to the construction site and was then simplylifted onto the prepared rails in the cooler without further as-sembly work being necessary. In the same way, the hydraulicpower unit for driving the grate was delivered and mountedas a complete and function-tested unit, together with the PLC.

6 Challenges masteredThe basic engineering phase was characterized by intensive co-ordination between the partners in the project, which was es-sential in order to successfully deal with the demands imposedby building in an existing plant with confined space condi-tions. Special considerations in this phase were reducing therisks if hot meal escaped from the system, providing adequateaccess for inspection and maintenance purposes, safeguardingthe existing infrastructure and the use of a steel platform (Fig. 7)to minimize the foundation and concreting work for theinstallation of the new pendulum grate cooler. The coolercomponents were delivered on schedule and the troublefree siteassembly phase attested to the intensive planning work. Thanksto the functional tests performed prior to dispatch, the coldstartup took place according to plan without any incidents andas of today, all the preparations have been made for a problem-free hot startup at the end of the 1st quarter of 2009.

7 Steel platform as installation level for the pendulum grate coolerStahlbauplattform als Installationsebene fOrden PendelrostkOhler

trag fur das Engineering und die Lieferung des KlinkerkiiWerseinscWieBlich Ofenkopf und Walzenbrecher. Die fur das Friih-jahr 2009 geplante Inbetriebnahme der Anlage diktierte dabeieinen engen Zeitplan ftir die Meilensteine: Vorlage des BasicEngineering fur die Bauplanung im Oktober 2007, Fundament-arbeiten im April 2008, Lieferung aller Bauteile bis Juni 2008,Vor- und Hauptmontage ab Juli 2008.

Die Fertigung der wichtigen Funktionsteile des Klinkerkiih-lers wie Schwingrahmen, Hydraulikantrieb und Walzenbrechererfolgte komplett in deutschen Werkstatten. 1m Zuge der Qua-litatssicherung wurden diese Teile auch vollstandig voraufge-baut und getestet, umjegliches Montagerisiko auf der BaustelleauszuscWieBen.

1m Juli konnten die Montagearbeiten fur den Kiihler parallelzu den Arbeiten am Vorwarmerturm planmaBig beginnen. Zu-erst wurde die Tragstruktur (Bild 4) aufgestellt, dann Schritt furSchritt in die Hohe das untere KiiWergehause nut der Rost-bahn. Der 3-Rollen- Walzenbrecher (Bild 6) wurde nach Abnah-me und Funktionspriifung als komplette Maschine mit einemTieflader auf die Baustelle transportiert und konnte hier ohneweiteren MontageaufWand auf die vorbereiteten Schienen amKiihler aufgesetzt werden. Genauso wurde das Hydraulikaggre-gat ftir den Rostantrieb, zusammen mit der SPS, als fertige undfunktionsgeteste Einheit versandt und montiert.

6 Gemeisterte HerausforderungenDie Phase des Basic Engineering war durch intensive Koordi-nierung zwischen den Projektpartnern gekennzeichnet, um denAnforderungen eines Bestandsprojektes mit beengten Platzver-haltnissen Rechnung zu tragen. Zu nennen ware hier insbe-sondere die Gefahrenminderung im Faile eines HeiBmehlaus-trittes, ein guter Zugang fur Inspektions- und Wartungszwecke,Wahrung der bestehenden Infrastruktur sowie Anwendungeiner Stahlplattform (Bild 7) zur Minimierung von Fundament-und Betonbauarbeiten zur Installation des neuen Pendelrost-kiihlers. Die Lieferung der Ki.ihlerteile erfolgte termingerechtund die problernlose Montagephase bestatigte die intensivePlanungsarbeit. Aufgrund der Funktionstests vor Versand ist dieKaltinbetriebnahme ohne Vorkommnisse planmaBig verlaufenund es sind aile Vorbereitungen fur eine reibungslose HeiBinbe-triebnahme zum Ende des 1. Quartals 2009 getrotfen.