Vom Naturprodukt zum Rohstoff

Wie Kalkstein abgebaut und verarbeitet wird

Kalkstein ist ein natürlich gewachsenes Gestein. Der Abbau muss sich den natürlichen Gegebenheiten anpassen …

Kalkstein wird in der Regel im Tagebau gewonnen und vor Ort verarbeitet. Neben den ungebrannten Produkten – Schotter, Splitt, Sand oder Mehl – sind die Hauptprodukte Branntkalk oder Kalkhydrat. Diese werden per Bahn oder Silo-Lkw an die industriellen Abnehmer geliefert. Dabei ist die verbrauchsnahe Verfügbarkeit ein wichtiges Argument für den Naturschutz, den die Kalkindustrie sehr ernst nimmt. Anders als herkömmliche Fertigungsunternehmen sind Kalkwerke mit ihren Steinbrüchen unlöslich an ihren Standort gebunden; eine typisch mittelständische Verantwortung für die Region und ihre Menschen ist deshalb besonders ausgeprägt.

Erkundung: Planung der Abbaustätte

Kalkstein ist ein Naturprodukt, das fünf Prozent der Erdoberfläche einnimmt. Industriell verwertbare Lagerstätten zeichnen sich durch möglichst reine Qualität und Mächtigkeit des Vorkommens aus. Aufgrund der natürlichen Herkunft ist ein genauer Kenntnisstand über die Kalksteinlagerstätten von entscheidender Bedeutung. Einlagerungen von Fremdgesteinen, Schlotten (Hohlräume) mit sandigen oder tonigen Sedimenten und andere Störungen, aber auch unterschiedliche Qualitäten des Rohsteins können den Abbau erheblich beeinträchtigen.

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Der erste Schritt für den Kalksteinabbau ist die genaue Erkundung einer möglichen Abbaustätte. Dies geschieht mit modernen geophysikalischen Methoden und Satellitentechnik. Anschließend werden Kernbohrungen in genau berechnetem Raster bis in Tiefen von 350 m niedergebracht. Die Bohrkerne werden untersucht und geben Aufschluss über die Qualität der Lagerstätte.

Erst wenn sicher ist, dass der Kalksteinvorrat ausreicht und die Qualität den Anforderungen genügt – ein Abbau also wirtschaftlich sinnvoll erscheint –, beginnt die detaillierte Abbauplanung. In dieser Planungsphase werden bereits die wichtigsten Entscheidungen für den späteren Betrieb getroffen: Unter anderem legt der Abbauplan fest, wie hoch die Abbauwände werden sollen und wo der Abraum gelagert wird. Auch die Anlage des Klärteiches und die Erfordernisse des Landschafts- und Umweltschutzes werden in die Überlegungen einbezogen.

Gleichzeitig mit der Abbauplanung werden alle administrativen Schritte für die Eröffnung und den Betrieb eines Kalkwerkes vorbereitet.  Eine Vielzahl von Gesetzen, Verordnungen und Verwaltungsvorschriften ist zu beachten. Die Genehmigungsbehörden prüfen die vorgelegten Unterlagen sehr genau. Alle Notwendigkeiten des Landschafts- und Naturschutzes fließen ebenso in die Beurteilungskriterien ein wie die Anforderungen aus der Wasserwirtschaft, die Straßen- und Verkehrsplanung und andere Vorschriften. Auch die Belange der Anwohner werden berücksichtigt – gute Nachbarschaft ist jedem Kalkwerk wichtig.

Fast alle Kalksteinlagerstätten in Deutschland sind von Deckschichten wechselnder Mächtigkeit überlagert. Sie müssen erst abgeräumt werden, bevor der Kalkstein abgebaut werden kann. Dieser Abraum wird mit Planierraupen, Baggern oder Radladern abgetragen und planmäßig wieder eingebaut oder als Sicht- und Lärmschutz verwendet. Wenn Außen- oder Hochhalden angelegt werden müssen, bezieht man sie direkt in die Planungen zur Wiederherrichtung mit ein. Sie werden sofort nach dem Anlegen standortgerecht bepflanzt und begrünt. Entsprechend dem mit den Behörden festgelegten Folgenutzungsplan bleiben die Halden nach Stilllegung des Steinbruchs als Landschaftsbestandteil für den Naturschutz bestehen oder dienen der naturnahen Freizeitnutzung.

Ist der Abraum beseitigt, beginnt der eigentliche Kalksteinabbau.

Abbau: das Bergen des Schatzes

In der Regel wird Kalkstein im Tagebau gewonnen. Entsprechend der Topographie der Lagerstätte werden stufenförmige Abbausohlen gebildet. Sobald der Grundwasserspiegel erreicht ist, muss der Wasserhaushalt beachtet werden. Das abgepumpte Wasser wird zum Waschen des Steines verwendet und im Kreislauf für den Betrieb eingesetzt.

Das anstehende Gestein wird durch Sprengung hereingewonnen. Nur wenige Betriebe können ohne Sprengung auskommen – etwa bei den Kreidevorkommen im norddeutschen Raum. Dieses weiche Gestein wird mit Eimerkettenbaggern oder aber durch Schrappen mit Hydraulikbaggern abgebaut.

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Die Sprengverfahren sind im Laufe der Zeit immer weiter verfeinert worden, um die Gefahren durch den Sprengstoffeinsatz und die Erschütterungen zu minimieren. Heute werden unter anderem die folgenden Sprengverfahren angewendet:

  • Großbohrlochverfahren,

  • Flächensprengungen,

  • Sprengen mit einem oder mehreren Zündern.

Allen Sprengverfahren ist gemeinsam, dass mit Großbohrlochmaschinen in regelmäßigen Abständen Löcher mit Durchmessern von 95 bis 380 mm in den Stein gebohrt werden. Diese Bohrlöcher werden mit Sprengstoff gefüllt und anschließend mit elektrischen Zündern versehen. Der Sprengstoff ist gegen Schlag und Stoß unempfindlich; sein Gattungsbegriff ANFO steht für die beiden Komponenten Ammoniumnitrat (AN) und Schweröl (FO für Fuel Oil). Die nur in Verbindung explosiven Komponenten werden erst am Bohrloch vermischt und später elektrisch gezündet. Durch diese Vorgehensweise wird eine hohe Arbeitssicherheit gewährleistet.

Die Zünder in den Sprenglöchern (manchmal mehrere in einem Sprengloch) werden im Tausendstel-Sekunden-Abstand gezündet. Für den Beobachter scheint zwar die Sprengung gleichzeitig abzulaufen, er vernimmt auch nur einen Detonationsknall; die kurze Verzögerung reduziert aber die Erschütterung in der Umgebung auf ein Minimum. Durch die Sprengung wird das Gestein leicht angehoben und fällt als grobstückiges Haufwerk in unterschiedlicher Korngröße am Fuß der Wand zusammen.

Nur wenige übergroße Gesteinsbrocken, die Knäpper, müssen nachträglich zerkleinert werden, meistens durch eine Fallbirne. Diese Eisenkugel von rund 10 t Gewicht wird vom Radlader auf rund 5 m Höhe angehoben, fällt auf den Knäpper und zerkleinert ihn.

Verarbeitung: der Weg ins Kalkwerk

Der herausgesprengte Stein, das Haufwerk, wird von schweren Radladern aufgenommen, auf großformatige Schwerkraftwagen geladen und zum Brecher transportiert. Die im Steinbruch verwendeten Großgeräte sind von gigantischen Ausmaßen. Ein im Steinbruch eingesetzter Radlader nimmt zum Beispiel mit jeder Schaufel rund 5 m3 Stein auf. Das entspricht einem Gewicht von mehr als 10 t. Die entsprechend dimensionierten Schwerlastkraftwagen, sogenannte Skw, haben eine Nutzlast von fast 100 t.

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Im Brecher wird der Stein durch schlagende oder drehende Bewegung auf eine definierte Korngröße verkleinert. Teilweise sind mehrere Brecher hintereinandergeschaltet. Die Härte des Gesteins, die angestrebte Korngrößenverteilung und die täglich zu bewältigende Rohsteinmenge bestimmen Art, Größe und Konstruktion des Brechaggregates.

Sieben, waschen und klassieren

In vielen Kalkwerken lassen sich Verunreinigungen durch Absieben vom Stein trennen, in anderen Werken werden die Steine gewaschen. In diesem Fall durchlaufen die Kalksteine eine Waschtrommel und werden anschließend über Siebanlagen geleitet, sodass Verunreinigungen und Feinstanteile mit dem Wasser abfließen können. Das Waschwasser wird in einen Klärteich geleitet, wo sich die Feststoffe absetzen und das reine Wasser wieder in den Betriebskreislauf zurückgeführt wird.

Die gereinigten Steine werden auf Siebanlagen nach unterschiedlichen Größen sortiert. Ständig rotierende, exzentrisch gelagerte oder mit Unwuchtgewichten versehene Wellen versetzen die großen Siebkästen mit unterschiedlich großen Maschenweiten in starke Schwingungen. Das Korngemisch wandert auf diese Weise langsam über die Gitter und wird in verschiedene Größen, die Kornfraktionen, zerlegt.

Nach dieser Klassierung wird das Steinmaterial nach Verwendungsbereichen getrennt. Die Körnungen werden gelagert, zum Teil nachgebrochen, teilweise wird der Rohstein gemahlen.

Der klassierte oder gemahlene Kalkstein ist bereits in dieser Verarbeitungsstufe ein begehrter Rohstoff. Rund ein Viertel der deutschen Kalksteinproduktion wird als Schotter, Splitt oder Sand oder Mehl eingesetzt. Das Material wird an die Bauwirtschaft geliefert, im Umweltschutz verwendet oder in der Landwirtschaft.

Brennen: Aus Kalkstein wird Kalk

Für die meisten Anwendungen muss der Kalkstein jedoch durch Brennen entsäuert werden. Kalkstein und auch der verwandte Dolomitstein verändern beim Erhitzen ihre chemische Zusammensetzung. Bei Temperaturen zwischen 900 und 1.200 °C wird der Kalkstein (CaCO3) in Calciumoxid (CaO = Branntkalk) und gasförmiges Kohlendioxid (CO2) zerlegt. Dabei nutzt die deutsche Kalkindustrie modernste Ofentechnologien.

Kalkstein (CaCO3) + Energie > 900 °C = Kalk (CaO) + Kohlendioxid (CO2)

Die Aufgabe eines guten Kalkbrenners besteht also darin, möglichst viel natürliches Kohlendioxid aus dem Stein zu treiben – der graue, schwere Kalkstein wird zu schneeweißem, leichtem Kalk.

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Das Prinzip des Kalkbrennens wird seit Jahrtausenden angewandt. Was sich geändert hat, ist die technologische Perfektion und Effizienz der Öfen. Hinzu kommt der Aspekt, dass im Brennprozess aus Kalkstein, einem Naturprodukt von unterschiedlicher Beschaffenheit, ein industrieller Rohstoff gewonnen wird: Kalk, ein genormtes Produkt von gleichbleibenden physikalisch-chemischen Eigenschaften. Diese Qualität zu steuern bedarf nicht nur eines ausgereiften Know-hows, sondern auch modernster Anlagen, die jede Abweichung im natürlichen Rohstoff beim Brennprozess ausgleichen. Selbst kundenspezifische Anforderungsprofile an das Endergebnis können so verlässlich erfüllt werden.

Bei der Ofenkonstruktion lassen sich zwei grundsätzliche Technologien unterscheiden:

Drehrohröfen

Kalkbrennen kann beispielsweise im Drehrohrofen erfolgen. Drehrohröfen sind leicht geneigte, zylindrische Rohre, die sich um ihre Längsachse drehen. Die Länge eines solchen Ofens kann bis zu 120 m betragen. Der Durchmesser liegt zwischen vier und fünf Metern. Bei diesem Ofentyp wird der Kalkstein am leicht erhöhten Ende aufgegeben und durchwandert durch die Drehbewegung langsam den Ofen. Am Ende des Ofens, direkt beim Eintritt der Flamme, wird der fertige Branntkalk über einen Kühlrost oder Kühlschacht abgezogen.

Schachtöfen

Für den Brennprozess werden heutzutage überwiegend Schachtöfen eingesetzt. Die stückigen Kalksteine werden in einem senkrecht stehenden, zylinderähnlichen Brennaggregat auf der Gichtbühne, rund 30 m über dem Erdboden, aufgegeben und rutschen langsam in die Brennzone, wo der Kalkstein entsäuert wird, d. h., das mineralisch gebundene Kohlendioxid wird abgespalten. Der nunmehr gebrannte Kalk sinkt weiter nach unten, durchläuft die Kühlzone und wird am untersten Ende des Schachtofens abgezogen.

GGR-Öfen

Ein Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativ-Ofen (GGR-Ofen) ist ein leistungsstarker Schachtofen mit 2 oder 3 Schächten, die durch einen zentralen Überströmkanal miteinander verbunden sind. Mal strömt die für den Verbrennungsprozess nötige, hineingeblasene Luft in der einen, mal in der anderen Richtung um den Kalkstein, und sorgt für optimale und gleichmäßige Verteilung der Hitze. Dabei wird schon der Stein erwärmt, der zuoberst im Turm über den Brennlanzen in der sogenannten Vorwärmzone liegt.

Die Kalkindustrie hat in der Vergangenheit viel Geld in umweltschonende Brennverfahren gesteckt und konnte so den Energieeinsatz deutlich verringern. Ofentechnisch sind nun weiteren Einsparungen enge Grenzen gesetzt.

Ziel der Produktion ist jeweils eine möglichst gleichmäßige Qualität des Branntkalkes. Deshalb werden am Austrag ständig Proben gezogen und analysiert.

Der ofenfallende Branntkalk ist stückig. Nach einer Grobzerkleinerung in Prall- und Hammermühlen wird ein Teil als Stückkalk verkauft (ca. 25 % der Produktion). Der Rest wird in Mühlen verschiedenster Konstruktion zu Feinkalk gemahlen oder zu Kalkhydrat gelöscht. Kalkhydrat entsteht durch die Reaktion von Branntkalk mit Wasser. Dieser chemische Vorgang, der auch als Hydratation bezeichnet wird, setzt Wärme frei. Branntkalk (CaO) und Wasser (H2O) setzen sich spontan zu Kalkhydrat (Ca(OH)2 = Calciumhydroxid) um. Für den Löschvorgang werden in der Kalkindustrie spezielle Löschmaschinen eingesetzt, die „trocken löschen“. Das heißt, die zugesetzte Wassermenge wird exakt so dosiert, dass als Endprodukt ein trockenes Pulver entsteht.