Entwicklung und Optimierung jedes Prozessschritts

Modernes Konzept zur Entsandung von Rotschlamm

Zusammenfassung

Bauxitrückstand, der sogenannte Rotschlamm, ist ein Abfallprodukt der Aluminiumindustrie. Aufgrund seines hohen Natriumgehalts ist es schwierig, unbehandelten Bauxitrückstand in der Stahlindustrie als Ersatz für Eisenerz zu verwenden. Daher wird der unbehandelte Rotschlamm bisher häufig an verschiedenen Orten deponiert, obwohl dies eine erhebliche Belastung für die Umwelt darstellt. Dies liegt an dem benötigten Flächenbedarf, den Sicherheitsanforderungen für große Reservoirs und der Überschreitung von Grenzwerten, z.B. des Natriumgehalts.

Angesichts dieser unzureichenden Ressourcennutzung steht die Industrie vor immer größeren Marktherausforderungen, da das Volumen des Rotschlamms ständig zunimmt und die Deponie- oder Ablagerungsflächen erschöpft sind und ihre Grenzen erreichen.

Um die Deponien zu entlasten (Volumenreduzierung) und gleichzeitig erhebliche Kosteneinsparungen für die Betreiber zu erzielen, sind Verbesserungen im Umgang mit Rotschlamm erforderlich geworden.

Seit mehreren Jahren ist die Entsandung des Rotschlamms ein Forschungs- und Entwicklungsbereich für die Prozessexperten von AKW Apparate and Verfahren.

Für die anspruchsvollen Bedingungen der Rotschlamm-Entsandung haben sich speziell entwickelte Hydrozyklone des Typs AKA-VORTEX, angeordnet in Primär- und Sekundärstufen, gefolgt von einer speziell entwickelten Wasch-/Entwässerungssieb-Einheit, über die Zeit als effektive Lösung erwiesen.

Eine Erläuterung zur Installation und zum Betrieb einer derart hochspezialisierten Entsandungsanlage wird im Folgenden dargestellt.

1. Entstehung von Bauxitrückständen

Bauxitrückstand ist ein Nebenprodukt, das im „Bayer-Verfahren“ zur Raffinierung von Bauxit zu Aluminium-Hydroxid entsteht. Er ist stark alkalisch und hat einen pH-Wert von etwa 13. Die Menge des von einer Aluminiumhydroxid_Anlage produzierten Bauxitrückstands hängt hauptsächlich von der Zusammensetzung des Bauxits (Herkunftsland) und den Extraktionsbedingungen ab. Der Bauxitrückstand wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, wie dem Aluminiumgehalt, der Art des Aluminiumoxids, dem Typ des vorhandenen Hydroxids (insbesondere Gips, Diaspor oder Böhmit), aber auch von der Temperatur und dem Druckniveau, die bei der Umwandlung von Bauxit in Aluminium verwendet werden. Tatsächlich kann die Menge des Bauxitrückstands nach dem Aluminiumproduktionsprozess zwischen 0,5 und bis zu 2,5 Tonnen Rückstand pro produzierter Tonne Aluminiumoxid variieren, wobei sie typischerweise zwischen 1 und 2 Tonnen Rückstand pro Tonne produzierter Tonerde liegt.

Seit 1893 wird das „Bayer-Verfahren“ überwiegend verwendet, und es gibt weltweit über hundert Anlagen, die dieses Verfahren anwenden, davon allein über 60 in China. Inbesondere dort steigt die Zahl der Aluminiumoxidraffinerien weiterhin rasch an, um die wachsende Nachfrage nach Aluminium zu decken, die eine durchschnittliche Wachstumsrate von 6 % aufweist. Daher wird erwartet, dass der jährliche Anstieg der Bauxitrückstände 120 Millionen Tonnen erreichen wird, die zu der bereits bestehenden Menge an altem Bauxitrückstand hinzukommen, die auf nahezu drei Milliarden Tonnen geschätzt wird.

2. Zusammensetzung des Bauxitrückstands

Bauxit enthält Rückstände aus Eisenoxid, Titanoxid, Kieselsäure und ungelöster Tonerde. Diese Materialien sind, je nach Herkunftsland des Rohbauxits, mit anderen Oxiden vermischt. Die hohe Konzentration an Eisenverbindungen in den Bauxitrückständen ist verantwortlich für die rötliche Färbung und somit für die Bezeichnung „Rotschlamm“. In Tabelle 1 ist die typische chemische Zusammensetzung und in Tabelle 2 ist die typische Mineralzusammensetzung dargestellt.

Tabelle 1. Chemische Zusammensetzung
Komponenten	Typischer Bereich (%)
Fe2O3	20 – 45
Al2O3	10 – 22
TiO2	4 – 20
CaO	0 – 14
SiO2	5 – 30
Na2O	2 – 8

Tabelle 2. Mineralogische Zusammensetzung
Komponenten	Typischer Bereich (%)
Hämatit (Fe2O3)	10 – 30
Magnetit (Al2O3)	0 – 8
Goethit (FeOOH)	10 – 30
Siliziumdioxid (SiO2)	3 – 20
Calciumaluminat (3CaO.Al2O3.6H2O)	5 – 2 – 20
Titandioxid (TiO2)	2 – 15
Muskovit (K2O.3Al2O3. 6SiO2.2H2O)	0 – 15
Calcit (CaCO3)	2 – 20
Kaolinit (Al2O3. 2SiO2.2H2O)	0 – 5
Sodalith (2Na2O.3Al2O3.6SiO2.Na2SO4)	4 – 10
Gibbsit (Al(OH)3)	0 – 5
Perowskit (CaTiO3)	0 – 12
Cancrinit (Na6[Al6Si6O24.2CaCO3)	0 – 50
Diaspor (a-AlO(OH))	0 – 5
Böhmit (g-AlO(OH))	0 – 20

4. Gesamtprozess und Integration der Apparate

Der Bauxitrückstandsschlamm, der in den Bayer-Aluminiumoxidraffinerien entsteht, wird mit dem Laugenprozessstrom verdünnt und in mehreren Waschsilos gewaschen, um die Natriumkonzentration auf einen Bereich von 70–80 g/l bei einer Feststoffkonzentration von 7–10 % zu reduzieren. Die Waschtemperatur liegt in der Regel im Bereich von 70–80 °C. Ein solcher exemplarischer Rotschlammstrom besteht beispielsweise aus ca. 80 % Schlamm und ca. 20 % unlöslichen Siliziumdioxidpartikeln über 100 µm. In einer ersten Stufe von Hydrozyklonen werden die unlöslichen Siliziumdioxidpartikel im Bauxitrückstand abgetrennt und im Unterlauf angereichert, während der Überlauf zurückgewonnen und in die Waschlauge, die in die Waschsilos gelangt, rückgeführt wird. In einer zweiten Hydrozyklonstufe wird eine weitere Anreicherung der Siliziumdioxidfraktion und eine Abtrennung der unerwünschten Feinanteile erreicht.

Die so aufkonzentrierte Sandsuspension kann anschließend auf ein speziell entwickeltes, linear bewegliches Entwässerungssieb geleitet werden. Ein passendes Siebgewebe, das an die vorherrschenden Bedingungen angepasst ist, sowie Sprühbalken zur Verwendung von Waschwasser vervollständigen die Aufgaben dieses Entwässerungssiebs. Aufgrund der anspruchsvollen Prozessbedingungen besteht das Hydrozyklonsystem aus hochverschleiß- und temperaturbeständigem Polyurethan. Das modulare und angepasste Design der AKA-VORTEX-Hydrozyklone macht es perfekt geeignet für diese Prozessbedingungen.

Ein solches Konzept, das sich bereits an bestimmten Standorten bewährt hat, wird durch ein vollständig ausgestattetes Überwachungs- und Steuerungssystem vervollständigt, das eine Anpassung des Prozessflusses ermöglicht: Durchflussmesser, Druckmessgeräte und Druckregler, Temperatursensoren sowie Probenahmepunkte vor und nach jeder Stufe können je nach Kundenanforderungen oder -wünschen in die Lösung integriert werden.

5. Prinzip und Auswahl des Hydrozyklons AKA-VORTEX

Im Prinzip ist der Hydrozyklon eine Vollmantelzentrifuge in „schlanker“ Bauweise. Er ist vergleichbar mit einer Hochgeschwindigkeits-Röhrenzentrifuge, aber auch mit einem Langrohr-Dekanter. Beim Hydrozyklon bleibt der Körper jedoch stationär. Die Rotation wird durch die Strömung erzeugt, die aus der evoluten Zufuhr unter Pumpendruck entsteht. Die Flüssigkeit wird Zentrifugalkräften ausgesetzt, die zur Bildung eines primären Wirbels führen, der nach unten gerichtet ist, und eines inneren sekundären Wirbels, der nach oben gerichtet ist. Dies bewirkt einen Trennungseffekt der im Fluid vorhandenen Partikel aufgrund einer radialen Sedimentation nach außen.

Der AKA-VORTEX Hydrozyklon besteht aus mehreren austauschbaren Bauteilen, die mittels Klammern und Flanschen verbunden sind.

6. Auswahl der Entwässerungssiebe

Bei der Auswahl, Dimensionierung und Funktionalität des Entwässerungssiebs müssen mehrere Aspekte berücksichtigt werden. Entwässerungssiebe sind allgemein dafür bekannt, hochkonzentrierter Feststoffsuspensionen weiter zu entwässern, um einen hohe Feststoffkonzentration zu erreichen, die sich leicht mit Förderbändern oder auch LKWs transportieren lässt.

Im Gegensatz zum kreisförmig bewegten Klassierungssieb hat das Entwässerungssieb ein lineares Bewegungsmuster. Die erzeugten Vibrationen bewirken ein Materialbett, bei dem die Flüssigkeit durch das Siebgewebe abfließt und entwässerte Feststoff zur Austragsrinne transportiert wird. Speziell für die Anwendung der Rotschlamm-Entsandung muss ein laugen- und temperaturbeständiges Material für den Siebrahmen sowie für das Siebgewebe ausgewählt werden. Edelstahl ist daher das geeignete Material, um diesen Bedingungen standzuhalten.

Für die Handhabung des auf dem Sieb abgetrennten Sands kann eine weitere Wäsche mit Prozesswasser berücksichtigt werden.

Dies zielt darauf ab, den Laugengehalt im Sand weiter zu reduzieren und ermöglicht die Verwendung des Sands in verschiedenen Anwendungen.

Ein solches Waschkonzept wird durch sogenannte Sprühbalken realisiert, die Prozesswasser auf die Oberfläche des Materialbetts auftragen, sodass das Prozesswasser den Sand durchspülen kann. Die Anzahl der Sprühbalken, die mit speziellen Sprühdüsen ausgestattet sind, sollte in Bezug auf den gewünschten Wascheffekt und die benötigte Wassermenge abgestimmt werden. Zudem muss die zusätzliche Wassermenge bei der Dimensionierung der erforderlichen Siebfläche berücksichtigt werden, um den gewünschten Entwässerungseffekt zu erzielen.

7. Fazit

In diesem Artikel wurde die Behandlung von Bauxitrückständen (Rotschlamm) untersucht, einem gefährlichen Abfall, der während des „Bayer-Verfahrens“ bei der Aluminiumoxidproduktion entsteht. Diese Rückstände sind aufgrund ihrer langfristigen Umweltauswirkungen bedenklich, während gleichzeitig geeignete Anwendungen für Bauxitrückstände weitgehend fehlen. Allerdings kann dieser Rückstand auf verschiedene Weise behandelt und insbesondere durch geeignete Aufbereitung erheblich reduziert werden. AKW Apparate and Verfahren hat über mehrere Jahre hinweg in enger Zusammenarbeit mit großen Aluminiumraffinerien wertvolles Wissen erworben und konnte Lösungen entwickeln, die geeignete Behandlungen entlang der Bauxit-Wertschöpfungskette bieten, indem sie sich auf die Handhabung der entstehenden Abfälle konzentrieren und eine Reduzierung der Umweltauswirkungen sowie die Wiederverwendbarkeit eines Teils des Abfallstroms anstreben. Diese einzigartigen Prozesslösungen tragen somit dazu bei, das Konzept der Kreislaufwirtschaft in diese anspruchsvolle und wachsende Branche zu integrieren. Die AKA-VORTEX-Hydrozyklone, hergestellt aus hochverschleiß- und temperaturbeständigem Polyurethan (PU), sind eine wichtige Ergänzung für die Aluminiumoxidindustrie. Ihre einzigartigen Designs gewährleistet einen spezifische Trennschnitt für die Klassierung und bietet gleichzeitig die erforderliche Flexibilität, um die Klassier Spezifikationen anzupassen, und um die Produktionsausbeute zu maximieren und den Energiebedarf zu minimieren.

8. Referenzen

Quellen

S.A. Bibanaeva and N.A. Sabirzyanov (2020), Promising Methods for Red Mud Processing, IV Congress “Fundamental research and applied developing of recycling and utilization processes of technogenic formations”
Zhong, L., Zhang, Y. and Yi, Z. (2009). Extraction of Alumina and Sodium Oxide from Red Mud by a Mild Hydro-Chemical Process. Journal of Hazardous Materials, issue 172(2-3), pp. 1629–

Webseiten

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