Beste verfügbare Technologie

Recycling von Hochofenschlamm

Zusammenfassung

Fast der gesamte weltweit hergestellte Stahl wird aus Roheisen produziert, das in Hochöfen (BF) gewonnen wird. Allerdings stellen der während dieses Prozesses entstehende Staub und insbesondere der Schlamm eine große Herausforderung in Bezug auf die Nachhaltigkeit dieser sehr material- und energieintensiven Industrie dar.

Bei der Erzeugung von Roheisen im Hochofen entsteht ein Zn- und Pb-haltiger Schlamm im Luftreinhaltungssystem. Mehr als die Hälfte des Masseinputs wird als Abgas und feste Abfälle/Nebenprodukte ausgestoßen. Dieser toxische Abfall kann nach der Entwässerung und Vorbehandlung deponiert werden, was jedoch sehr kostspielig ist. Die Schlammpartikel enthalten große Mengen an Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C), die im Ofen recycelt werden könnten. Allerdings ist der Zink (Zn)-Gehalt des Schlamms hoch, und der Zn-Eintrag in den Hochofen muss begrenzt werden. Um den erzeugten Schlamm wiederverwenden zu können, muss daher der Zn-Gehalt so weit wie möglich reduziert werden (der Großteil konzentriert sich auf <20 µm).

Im Laufe der Jahre und basierend auf seinem Know-how im Bereich der nassmechanischen Aufbereitung hat AKW Apparate und Verfahren geeignete Prozesskonzepte entwickelt, die in der Lage sind, das Problem zu lösen und einen Schlamm mit reduziertem Zn-Gehalt zu erzeugen, der somit wiederverwendbar ist. Es gibt jedoch keine standardisierten Anlagenkonzepte für eine Hochofenschlamm-Aufbereitungsanlage, da sich das Prozessdesign und die Anlagenanordnung primär nach der Beschaffenheit des Ausgangsschlamms richten. Daher basieren sie auf Pilotversuchen, die im technischen Labor von AKW Apparate and Verfahren Design durchgeführt werden.

Auf Basis der Testergebnisse kann die geeignete und maßgeschneiderte Prozesslösung entwickelt, besprochen und später von AKW Apparate und Verfahren konstrkuiert und umgesetzt werden. Dieses einzigartige Prozesskonzept wird im folgenden Artikel vorgestellt: mehrstufige Hydrozyklonierung, kombiniert mit Eindickung und Filterpressung.

Einführung

Fast das gesamte weltweit produzierte Eisen und Stahl wird aus Roheisen, das im Hochofenverfahren hergestellt wird.

Ein typischer Hochofen besteht aus einer zylindrischen Stahlhülle, die mit feuerfestem Material ausgekleidet ist. Der untere Teil des Ofens ist mit mehreren röhrenförmigen Öffnungen ausgestattet, durch die Luft eingeblasen wird. In bodennähe befindet sich ein Loch, durch das das flüssige Roheisen fließt, wenn der Ofen erhitzt wird, und darüber ein weiteres Loch zum Ablassen der Schlacke. Der obere Teil des Ofens enthält Entlüftungsöffnungen für die entweichenden Gase sowie ein Paar runde Trichter, die mit Ventilen verschlossen sind, durch die das Einsatzmaterial in den Ofen eingebracht wird. Moderne Hochöfen arbeiten in Verbindung mit Sauerstoffkonvertern; das flüssige Roheisen wird verwendet, um die Stahlöfen zu beschicken.

Nach Angaben der World Steel Association erreichte die weltweite Rohstahlproduktion im Jahr 2019 etwa 1.875 Millionen Tonnen, was einem Anstieg von 2,7 % gegenüber 2018 entspricht. Die Prognosen für 2020 und 2021 zeigen ein weiteres Wachstum, das bis zu 1.952 Millionen Tonnen erreichen soll.

Der Hochofen wird mit Stahl, Schrott, Koks, Legierungselementen usw. beschickt. Die entstehende Abluft, die große Mengen an verunreinigtem Staub enthält, wird zunächst durch Luftzyklone entstaubt und anschließend in einem Nasswäscher weiter gereinigt. Dabei entsteht das pechschwarze Material, der sogenannte Schlamm, der viele Schadstoffe wie Zink und Blei sowie eine große Menge an Kohlenstoff enthält.

Hochofenschlammaufbereitung: Zweck, Methoden und Ergebnisse

Die Eisen- und Stahlindustrie ist eine sehr material- und energieintensive Branche. Mehr als die Hälfte des Masseinputs wird in Form von Abgasen und festen Abfällen/Nebenprodukten ausgestoßen. Die Wiederverwertungs- und Recyclingquote für feste Abfälle/Nebenprodukte ist in den letzten 30 Jahren erheblich gestiegen. Dennoch werden weiterhin beträchtliche Mengen auf Mülldeponien entsorgt. Insbesondere Staub und Schlämme stellen eine große Herausforderung dar, um die erforderliche Gesamtnachhaltigkeit zu verbessern.

Betrachtet man nur den europäischen Markt, so ergibt sich bei einem Gesamtinput (Eisenerz, Schrott, Kohle, Kalk, Kalkstein, Brennstoffe und Gas, Zusatzstoffe usw.) von 311 Mio. Tonnen nur ein Output von 155 Mio. Tonnen Rohstahl, wobei der Rest als Abfallprodukt anfällt.


Die Hauptquellen für Staub und Schlamm in der Eisen- und Stahlindustrie stammen aus Sinteranlagen, Hochöfen (BF), Sauerstoffkonvertern (BOF) und Elektrostahlöfen (EAF). Betrachtet man den Zinkgehalt, so ist bekannt, dass der Großteil in der Fraktion < 20 µm konzentriert ist, weshalb hier der Schwerpunkt gelegt werden muss.

In den nachstehenden Tabellen wird der Unterschied im Zinkgehalt des trocken entstaubten Abfalls und des Nasswäscherschlamms dargestellt. Der Nasswäscherschlamm enthält deutlich mehr Zink und Blei pro Mengeneinheit.

Trockene Staubzusammensetzung
CFEPBZnSiO2CaOMgO
(%)25 – 4015 – 400.02 – 0.070.1 – 0.54 – 82 – 80.3 – 2
Tabelle 2: Typische chemische Zusammensetzung von grobem, trockenem Staub aus der BG-Gasbehandlung (Gewichts-%)
Nasse Staubzusammensetzung
CFEPBZnSiO2CaOMgO
(%)15 – 477 – 350.9 – 2.01 – 103 – 93.5 – 183.5 – 17
Tabelle 3: Typische chemische Zusammensetzung von Feinstaub/Schlamm aus der BF-Gasbehandlung (Gewichts-%)

Die Fraktionsanalyse zeigt, dass sich die Schadstoffe in der Feinfraktion < 20 µm anreichern. Dies liegt an der großen spezifischen Oberfläche der Partikel in dieser Fraktion, die den Großteil der Zinkverunreinigungen anzieht. Der Schwerpunkt liegt daher auf der Entfernung dieser Feinfraktion.

(mm)– 0.020.02 – 0.0320.032 – 0.0630.063 – 0.090.09 – 0.1250.125 – 0.180.18 – 0.2
(%)2.820.640.280.210.140.180.08
Tabelle 4: Übersicht der zinkhaltigen Fraktion

Da der Großteil des unerwünschten Zinks in den Feinfraktionen unter 20 µm konzentriert ist, besteht die Aufgabe darin, den Schlamm entsprechend zu klassifizieren. In Kombination mit dem Klassifizierungsprozess muss auch die spezielle Schlammbehandlung berücksichtigt werden, insbesondere im Hinblick auf die Entwässerung, um schließlich ein Material mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt zu erzielen.

Für diese spezielle Anwendung hat sich die Technologie von AKW Apparate und Verfahren als geeignete Lösung erwiesen: mehrstufige Hochleistungs-Hydrozyklonstufen, kombiniert mit Eindickung und einer geeigneten Entwässerungslösung (ausgewählt auf der Grundlage von Kundenspezifikationen).

Das untenstehende typische Fließschema zeigt den Prozess der Trennung der wiederverwendbaren Produktfraktion und der Konzentration des Zinkanteils in der Feinfraktion.

Der Prozess beginnt mit der Vorsiebung, um grobe Klumpen zu trennen, gefolgt von einem mehrstufigen (typischerweise 2-stufigen) Hydrozyklonprozess, bei dem der Überlauf, in dem sich die Schwermetalle angesammelt haben, zum Eindicker geleitet wird, um weiter konzentriert zu werden, so dass eine anschließende Entwässerung in einer Filterpresse oder Kammerfilterpresse zur Entsorgung vorbereitet werden kann. Der Unterlauf der ersten Hydrozyklonstufe wird nach Verdünnung in eine zweite Stufe geleitet, wo der Unterlauf den zinkreduzierten Schlamm erzeugt, der im Hochofen wiederverwendet werden kann.

Dadurch wird die erforderliche Deponiemenge um 50 bis 80 % reduziert.

Kurzbeschreibung der Apparate

Hydrozyklon-Verteiler AKA-SPIDER, ausgestattet mit Hydrozyklonen AKA-VORTEX

AKA-VORTEX Hydrozyklone:

Der konische Hydrozyklon, der durch den Pumpendruck ein Zentrifugalfeld erzeugt, ist ein Trenngerät, das seit langem in der Prozess- und Aufbereitungstechnik eingesetzt wird. Sein Vorteil liegt in der Fähigkeit, auf begrenztem Raum hocheffiziente und feine Trennschnittezu erzeugen.

Hochleistungskläreindicker AKA-SET

AKA-SET Eindicker:

Der AKA-SET ist ein Hochleistungseindicker, erhältlich in flacher oder konischer Asuführung, zur Prozesswasserklärung und Schlammeindickung. Durch die Zugabe von Flockungshilfsmitteln werden Makroflocken erzeugt, die schneller sedimentieren als Mikroflocken. Die Zugabe des Feedstroms in der Filterzone des Eindickers führt zu einer zusätzlichen Abtrennung von Feinstflocken die ursprünglich mit dem Klarwasserstrom mitgeführt werden würden, wie von herkömmlichen Eindickern bekannt. Dieses Verfahrenskonzept führt zu einer höheren Belastungsrate pro Sedimentationsfläche und zu kleineren Eindickerdurchmessern im Vergleich zu herkömmlichen statischen Eindickern.

Filterpresse AKA-PRESS

Schlammentwässerung:

Zur Entwässerung der unterschiedlichen Schlämme, sei es der zinkreduzierte Schlamm aus den AKA-VORTEX-Zyklonen oder der zinkanreicherte Schlamm aus dem AKA-SET-Eindicker, werden entweder diskontinuierliche Kammerfilterpressen oder Siebbandpressen eingesetzt.

Dieses spezielle Verfahren, vollständig von AKW Apparate und Verfahren entwickelt, wurde bereits von der Europäischen Kommission als beste verfügbare Technik (BVT) anerkannt und ist in ihrem Bericht zur integrierten Vermeidung und Kontrolle der Umweltverschmutzung aufgeführt.

Da es kein Standardanlagenkonzept für eine BF-Schlammverarbeitungseinheit gibt und das Design sowie die Anordnung der Anlage in erster Linie von der Beschaffenheit des zugeführten Schlamms abhängen, sind Pilotversuche ein wichtiger erster Schritt, um den optimalen Prozess zu bestimmen. Das Technikum von AKW Apparate und Verfahren ist mit einer vollständigen Palette an Prozessapparaten/ausrüstung ausgestattet, die eine effektive Testarbeit gewährleisten und die Charakterisierung nahezu aller Arten von Verarbeitungsschritten ermöglichen. Unter Zuhilfenahme von Messtechniken wie 3D-Digitalmikroskopie, Röntgenfluoreszenzanalyse, Laserpartikelgrößenanalyse, können umfassende Pilotversuche organisiert werden, die an einem Ort durchgeführt werden. Dies ermöglicht die Erstellung von Prozessfließbildern sowie die zugehörigen Prozessleistungsgarantien.

In den folgenden zwei Beispielen kürzlich durchgeführter Projekte werden Datenpunkte und Prozessdetails vorgestellt.

Projektbeispiel (1)

Im Jahr 2019 kontaktierte uns ein europäischer Kunde, um das Projekt zum Bau einer Pilotanlage zur Extraktion des Zn-Gehalts aus dem BF-Schlamm umzusetzen. Als erster Schritt wurden in unserem Technikum umfangreiche Tests durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Tests zeigten Folgendes:

(AKA-Vortex RWS 105 II G) w/w-%Rohschlamm1. Hydrozyklonstufe Feinfraktion (O/F)1. Hydrozyklonstufe grob (U/F)2. Hydrozyklonstufe grob (U/F)
SiO29,196,368,468,04
AI2O34,493,813,223,01
Fe2O33,4217,435,635,2
TiO20,190,090,190,20
K2O0,530,460,460,44
Na2O0,130,020,260,08
CaO7,264,367,227,02
MgO1,791,532,042,02
PbO0,531,570,080,03
BaO0,030,030,030,03
SO36,9710,82,401,92
MnO0,320,150,360,36
P2O50,210,210,150,13
ZrO20,03< 0,01< 0,01< 0,01
ZnO5,6113,01,130,64
L.O.I. 1025°C28,239,638,240,7
  • Die Materialbilanzberechnung ergab, dass nach der 2-stufigen Klassierung eine Gesamtmasserückgewinnung von über 80 % an wiederverwendbarem Material erreicht werden konnte.
  • Des Weiteren konnten fast 85 % des Fe2O3 in die wiederverwendbare Fraktion zurückgewonnen werden.
  • Der ZnO-Gehalt im Rohmaterial von ursprünglich 5,61 % konnte in der wiederverwendbaren Fraktion auf 0,64 % gesenkt werden.
  • Der Bleioxid (PbO)-Gehalt von ursprünglich 0,53 % im Rohstoff konnte in der wiederverwendbaren Fraktion auf 0,03 % gesenkt werden.
  • Mehr als 80 % des ZnO wurden in die Feinfraktion abgetrennt.
  • Mehr als 90 % des PbO-Gehalts wurden in die Feinfraktion abgetrennt.

Basierend auf den durchgeführten Tests und den entsprechenden Testergebnissen wurde das erforderliche Verarbeitungskonzept ausgearbeitet. Unter Berücksichtigung der bereits vorhandenen Prozessanlage wurde eine Bewertung durchgeführt, um festzustellen, wo und wie die zusätzlichen Verarbeitungsschritte realisiert werden könnten:

  • Ist eine Verbesserung der bestehenden Anlage möglich?
  • Könnten die zusätzlichen Schritte zur bestehenden Anlage hinzugefügt werden?

Nach intensiven Untersuchungen und Gesprächen wurde ein auf den Kunden zugeschnittenes Konzept vereinbart: Der aus den drei bestehenden Absetzbecken kommende Schlamm wird in die neue Aufbereitungsanlage geleitet. Mit der neuen Anlage werden 2 Schlammfraktionen ausgetragen:

  • Die wiederverwendbare und zinkreduzierte Fraktion wird direkt zu einem Siebbandpresse gepumpt.
  • Der zinkreiche Feinschlamm wird in den Eindicker geleitet und durch eine weitere Siebbandpresse behandelt

Die entsprechenden Hydrozyklonstufen wurden von unseren Simulations- und Modellierungsexperten unter Verwendung der neuesten Technologien und Software entwickelt, um einen reibungslosen Betrieb bei optimalem Fluss innerhalb der vorgegebenen Druckverluste zu gewährleisten.

Die Zulaufkapazität, angegeben mit 3 t/h Feststoffen in 60-80 m³/h Schlamm, bezog sich auf eine Kapazität von 72 t/Tag an Schlamm (atro).

Um einen störungsfreien Betrieb der Hydrozyklone sicherzustellen, muss der zugeführte Schlamm zur Behandlungsanlage auf 2 mm vorgesiebt werden, um Agglomerate abzutrennen. Zur weiteren Verbesserung der Prozessleistung wird die Zuführung zur ersten Zyklonstufe mit dem Überlauf der zweiten Zyklonstufe verdünnt. Die Zuführung zur zweiten Stufe wird mit Prozesswasser verdünnt. Der Schlamm mit dem hohen Zinkgehalt wird zum vorhandenen Eindicker geleitet, um weiter konzentriert und anschließend von einer Bandpresse entwässert zu werden. Der zinkreduzierte Schlamm wird aus den Hydrozyklonen der zweiten Stufe abgeleitet und zur anderen Bandpresse zur Entwässerung geleitet. Eine dritte Bandpresse steht im Stand-by-Modus bereit. Der Austrag der Bandpressen gelangt direkt auf Transportfahrzeuge, die die wiederverwendbare Fraktion zurück ins Stahlwerk und die zinkreiche Fraktion zur Deponierung befördert.

Projektbeispiel (2)

Im Jahr 2021 kontaktierte uns ein europäischer Kunde mit der Bitte, sein Projekt zur Aufbereitung und Entwässerung von Hochofenschlamm zu unterstützen. Ziel ist die Entwicklung und Lieferung, Installation, Inbetriebnahme und Gewährleistung der Leistung einer Trennanlage auf Basis unserer AKA-VORTEX-Hydrozyklone und der AKA-SET-Eindickertechnologie. Das Projekt umfasst die Trennung und Entwässerung von zinkhaltigem Schlamm, um einen Rohstoff mit niedrigem Zinkgehalt (unter 0,5 % Konzentration) recyceln zu können. Das System soll so konzipiert werden, dass es unterschiedliche Schlammarten (mit geringer und hoher Zinkkonzentration) gleichermaßen behandeln kann.

Die von unserem spezialisierten Team durchgeführten Tests ergaben folgende Ergebnisse:

ParameterZuführung1. Stufe Klassierung2. Stufe Klassierung
w/w-%RohschlammFeinanteile (O/F – F1)Grobanteile (U/F – G1)Feinanteile (O/F- FW1)Grobanteile (U/F – GW1)
SiO27,786,147,208,487,57
AI2O32,701,972,402,762,48
Fe2O338,720,539,832,241,8
TiO20,110,070,110,110,12
K2O0,420,410,350,390,35
Na2O0,24< 0,020,70< 0,020,35
CaO3,491,983,313,103,43
MgO0,870,630,790,970,82
PbO0,170,880,110,630,03
BaO0,020,020,030,020,02
SO33,0110,12,376,241,39
MnO0,180,100,170,140,19
P2O50,120,160,110,150,11
ZrO2< 0,01< 0,01< 0,01< 0,01< 0,01
ZnO2,1713,11,707,960,47
GV1025°C39,943,740,736,640,8

Unter Berücksichtigung der oben genannten Bedingungen ergab sich für den Prozessablauf das folgende Flussdiagramm.

Bei einer gegebenen Zulaufkapazität von 650 m³/Tag und einem Feststoffgehalt von 8 % w/w muss eine Kapazität von 52 t/Tag Schlamm (atro) durch eine umfassende mehrstufige Hydrozyklonierung behandelt werden.

Um einen störungsfreien Betrieb der Hydrozyklone sicherzustellen, muss der zugeführte Schlamm zur Behandlungsanlage auf 2 mm vorgesiebt werden, um fehlplatzierte Agglomerate abzutrennen. Zur weiteren Verbesserung der Prozessleistung wird die Zuführung zur ersten Zyklonstufe mit dem Überlauf der zweiten Zyklonstufe verdünnt, wodurch die Zulaufkapazität für die 1 Stufe mit einer entsprechend höheren Kapazität angesetzt wird. Auf die gleiche Weise wird der Zulauf zur 2. Stufe mit Prozesswasser verdünnt, um eine geeignete Zulaufkonzentration zu erreichen. Der zinkreduzierte Schlamm wird aus den Hydrozyklonen der zweiten Stufe abgeleitet und in einen der bereits vorhandenen Tanks geleitet, um dort weiter mittels Filterpresse entwässert zu werden. Der zinkreiche Schlamm wird durch einen Eindicker weiter konzentriert und anschließend ebenfalls mittels Filterpresse entwässert. Der Austrag des Eindickers wird in den zweiten der verfügbaren Tanks gepumpt.

In beiden oben genannten Beispielen wurde die Prozesssteuerung für die Prozesseinheit von AKW Apparate und Verfahren vollständig für die kontinuierliche Behandlung des Schlamms mit folgenden Komponenten entwickelt:

  • Füllstandskontrolle in den Pumpensümpfen
  • Automatisierten Dosierungsventilen für die Rückführströme
  • Druckregelung der Hydrozyklone
  • Programmierung, Steuerungssystem und Schaltschrank

Fazit

Die AKA-VORTEX-Hydrozyklone, hergestellt aus hochverschleiß- und temperaturbeständigem Polyurethan (PU), sind eine wichtige Ergänzung der Hochofentechnologie. Durch kundenspezifische mehrstufige Hydrozyklonierungskonzepte kann die Zinkkonzentration in einem Abfallschlamm erheblich reduziert werden, indem zwei Materialströme erzeugt werden: eine wiederverwendbare Fraktion mit reduziertem und akzeptablem Zinkgehalt und ein Abfallstrom, in dem der Zinkgehalt aufkonzentriert wird. Dank der hohen Qualität des proprietären Polyurethanmaterials, das bei der Herstellung der Hydrozyklone verwendet wird, wird der Verschleiß minimiert, wodurch die Lebensdauer der Teile erhöht und die Betriebskosten entsprechend optimiert werden.

Mit AKA-SET-Eindickern, gefertigt aus korrosionsbeständigen Materialien und kombiniert mit einer kundenspezifischen Beschichtung (Gummi, Polyurethan oder Keramikglasur), wird die Schlammdichte erhöht, um anschließend eine weitere Entwässerung über Siebbandpresse oder Kammerfilterpresse zu ermöglichen.

Da es kein Standardanlagenkonzept für eine BF-Schlammaufbereitung gibt und die Prozessgestaltung sowie Anlagenanordnung in erster Linie von der Beschaffenheit des zugeführten Schlamms abhängen, sind Pilotversuche Voraussetzung für jede weitere Überlegung. Die entsprechenden Möglichkeiten heben AKW Apparate und Verfahren hervor.

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