217 Aufbereitungsmethoden für NE-Metalle aus Rostaschen
Aufbereitungsmethoden für eine hochwertige Verwertung von NE-Metallen aus Abfallverbrennungsrostaschen
Thomas Pretz und Alexander Feil
1. Rohstoff NE-Metall ...217
2. Mechanische Aufbereitungsverfahren ...222
3. Zusammenfassung ...224
4. Literatur ...224 Die Rückgewinnung von Nicht-Eisen (NE) Metallen aus Rostaschen der Abfallver- brennungsanlagen ist seit mehr als zwanzig Jahren Standard in der Recyclingbranche.
Während man sich anfangs auf die mit geringem Aufwand sortierbaren gröberen NE- Metalle konzentriert hat, ist in den letzten Jahren insbesondere aufgrund einer hohen Nachfrage nach NE-Metallabfällen die Sortiertechnik deutlich hin zu immer feineren Partikelgrößen ausgeweitet worden. Lag 2008 das mittlere NE-Metall-Ausbringen noch bei etwa zwanzig Prozent, so ist inzwischen von einem Ausbringen auf dem Niveau von etwa siebzig Prozent auszugehen.
Da das physikalische Merkmal zur Sortierung von NE-Metallen aus Rostaschen die Leitfähigkeit ist und dieses Merkmal mittels Wirbelstromscheidung erschlossen wird, sind Konzentrate stets Mischungen aller im Abfallgemisch vorkommenden NE-Metalle.
Für deren Verwertung müssen die beiden metallurgischen Routen Aluminium und Kupfer bedient werden, was eine Konditionierung der NE-Metallgemische voraussetzt.
Tabelle 1: Projektpartner VeMRec Partner Kompetenz
MAV Rostaschenaufbereitung Steinert Sortiertechnologie pbo Ingenieurgesellschaft Planung Verfahrenstechnik Umicore Schwermetall-Metallurgie Hydro Aluminium-Metallurgie RWTH Aachen, I.A.R. Aufbereitungstechnologie RWTH Aachen, IME NE-Metallurgie
Das vom BMBF im R³ Forschungspro- gramm [033R081] geförderte Projekt VeMRec (Verlustminimiertes Metallre- cycling aus Abfallverbrennungsaschen durch sensorgestützte Sortierung) hat sich die effiziente Sortierung der NE- Metallgemische zum Ziel gesetzt. Dazu wurde ein Konsortium gebildet, in dem die Partner nach Tabelle 1 ihre jeweiligen Fachkompetenzen einbringen.
1. Rohstoff NE-Metall
Um einen Rohstoff beschreiben zu können, ist ein Blick auf dessen Herkunft erforderlich.
Im Fall der NE-Metalle, die Gegenstand der hier berichteten Untersuchung sind, ist die Herkunft gekennzeichnet durch eine Prozesskette nach Bild 1. Die Eingangsmaterialien
Thomas Pretz, Alexander Feil
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in diese Prozesskette sind Abfälle zur Beseitigung ebenso wie Abfälle zur Verwertung, die in Abfallverbrennungs- anlagen angenommen werden. Im Fall von Nordrhein-Westfalen, aus dessen Verbrennungsanlagen die NE-Metall- Konzentrate dieser Untersuchung stam- men, werden die MVA im Mittel zu etwa fünfzig Prozent mit kommunalem Restabfall und zu etwa fünfzig Prozent mit Abfällen anderer Herkunft beschickt.
Im Bundesdurchschnitt liegt der Anteil kommunaler Abfälle am Abfallinput von MVA bei etwa 63 Prozent [4].
Abhängig von der Abfallherkunft fin- den sich im Eingangsgemisch Produkte mit Nichteisenmetallgehalten, die im Prozessverlauf mehr oder weniger aufgeschlossen und freigelegt werden.
Eine Vorstellung von der Art von NE- Metallen vermittelt Bild 2. Die Daten wurden im Zusammenhang mit dem Eco Innovation Projekt SATURN [1] in zahlreichen Untersuchungen an Kon- zentraten von Wirbelstromscheidern in MBA erhoben. Sie zeigen einerseits eine deutliche Dominanz von Aluminium, andererseits aber auch eine erhebliche Streuung der Analysenwerte sowohl für die leichten als auch für die schweren NE-Metalle.
Restabfall zur Beseitigung/Verwertung
Verbrennungsanlage
nasser Rostaschenaustrag
Lagerung Rostasche
Aufbereitung Rostasche
NE-Metall Gemisch
Bild 1: Prozesskette der Restabfallverbren- nung bis zum NE-Metall Gemisch
Die Prozesskette selbst nimmt erheblichen Einfluss auf die Güte der NE-Metalle. Ne- ben einer Reinigung von organischen Verbundmaterialien im thermischen Prozess erfahren Partikel mit einem Schmelzpunkt unterhalb der Verbrennungstemperatur eine Zustandsänderung, die bei der Wiedererstarrung mit erneuter Kontamination durch benachbarte mineralische Partikel verbunden ist.
Der heute übliche Austrag der Verbrennungsrückstände über ein Wasserbad ist nicht nur mit einer Korngrößenminderung aufgrund der schnellen Temperaturabsenkung verknüpft, sondern führt in der Trübe auch zu einer Beladung der Partikeloberflächen mit den in der Trübe enthaltenen Feststoffpartikeln.
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221 Aufbereitungsmethoden für NE-Metalle aus Rostaschen
Die anschließende Lagerung unter exothermen Reaktionsbedingungen senkt einerseits den Wassergehalt der Rostasche, löst aber andererseits auch oberflächliche Oxidations- prozesse insbesondere an den Aluminiumpartikeln aus.
In dem mechanischen Aufbereitungsprozess zur Sortierung der NE-Metalle unterliegen die Partikel selbst in Prozessen ohne Zerkleinerungsstufe einer mechanischen Ober- flächenbeanspruchung sowie erneuter oberflächlicher mineralischer Verschmutzung aufgrund des sehr hohen Feinstkornanteils in der Rostasche.
Das Ergebnis der Beeinflussung durch die Prozesskette zeigt sich in den folgenden Bil- dern 3 bis 5. Bild 3 stellt zunächst NE-Metalle aus dem Restabfall vor der Behandlung dar, die Bilder 4 und 5 zeigen die typische Ausprägung von NE-Metallen am Ende der Prozesskette nach Bild 1. Weder die ursprüngliche Form oder Artikeleigenschaft noch die metalltypische Farbe ist nach Durchlaufen der Prozesskette zu identifizieren. Nach Kohaupt [3] lassen sich bis zu drei Gew.-Prozent NE-Metalle aus der Rostasche anreichern.
70 60 50 40 30 20 10 Massenanteil
%
Messing AluminiumAl-Verbun
d
Kupfer 0
VA Stahl Zink Zinn Rest
Max.
75 Quantil
Median
25 Quantil Min.
Bild 2: Zusammensetzung von NE-Metallen aus Restabfällen
Bild 3: NE-Metalle (Aluminium, Messing) aus Restabfällen
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Bild 4:
NE-Metalle grob aus Rostaschen
Bild 5:
NE-Metalle fein aus Rostaschen
2. Mechanische Aufbereitungsverfahren
Die Zielsetzung des Aufbereitungsschrittes nach dem initialen Zugriff auf NE-Metalle in der Rostaschenaufbereitung liegt in einer verlustminimierten Konditionierung für das eigentliche metallurgische Recycling. Die Minimierung von Verlusten steht sowohl unter Ressourcengesichtspunkten als auch unter ökonomischen Aspekten im Vordergrund. Ressourcenverluste entstehen bei der Konditionierung sowohl durch den Eintrag von Leichtmetallen in die Kupferroute, als auch von Edelstählen, für deren Rückgewinnung die genutzten metallurgischen Prozesse nicht geeignet sind. Unter öko- nomischen Gesichtspunkten ist zudem die Qualität der Metallmischungen von Belang, die maßgeblichen Einfluss auf die Zielprodukte der Aluminiummetallurgie haben.
223 Aufbereitungsmethoden für NE-Metalle aus Rostaschen
Die sortenreine Konditionierung der NE-Metallgemische in eine leichte und eine schwere Metallfraktion wird im VeMRec-Projekt durch einen kombinierten Konditi- onierungs- und Sortierschritt vorgenommen.
Unter Konditionierung ist hier eine Reinigung der Partikel von oberflächig aufliegen- den mineralischen Verunreinigungen sowie eine enggestufte Klassierung zu verstehen, wobei letztere die Grenzen der sensorgestützten Einzelkorn-Sortiertechnik berück- sichtigen muss. Als Reinigungsmethode steht eine prallende Beanspruchung in einer Prallmühle zur Verfügung. Dieser Technologie wurde gegenüber einer schlagenden Beanspruchung Vorrang eingeräumt, da bei letzterer Methode der Abtrag von Metallen aus den Kornoberflächen signifikant höher ausfällt als im Fall der reinen Prallbean- spruchung. Die Reinigungswirkung ist zwar sicht- und messbar höher, wird jedoch mit größeren Metallverlusten in das vorwiegend mineralische Feinkorn (hier < 3mm) relativiert. Die Wirkung der mechanischen Oberflächenreinigung als kombinierter Zerkleinerungs- und Klassierprozess wird aus den Bildern 6 und 7 deutlich.
Bild 6: NE-Metall-Partikel mit oberfläch-
lichen Mineralverschmutzungen Bild 7: NE-Metall-Partikel nach mechani- scher Reinigung
Bild 7 zeigt den Reinigungserfolg ebenso wie die technische Grenze. So sind insbeson- dere Schmelzeinschlüsse im Leichtmetall nicht mehr zu trennen. Gleichzeitig weisen die Partikel teilweise eine Oberflächentextur auf, die eine mechanische Reinigung an Prallflächen unmöglich macht. Bessere Wirkung ist nur mit höherem Energieeintrag zu erzielen, die wiederum zu einer deutlichen Verkugelung der Oberfläche bei gleich- zeitigem Materialabtrag führt.
Die für eine Sortentrennung nutzbare Oberflächeneigenschaft Farbe ist in Bild 7 eben- falls zu erkennen. Wens [5] hat diesbezüglich Sortieruntersuchungen durchgeführt, die gute Erfolge bei einer Separation von Kupfer und Messing ausweist, jedoch keine brauchbaren Ergebnisse für eine Sortentrennung der grauen Partikel nach leichten (Aluminium) und schweren Metallen (Zink) geliefert hat und insofern nur für eine vorsortierte Schwerfraktion in Betracht zu ziehen ist.
Die grundlegende Aufgabenstellung der Sortierung wird für gröbere Partikelgrößen durch eine Dichtetrennung im Schwimm-Sink Verfahren durchgeführt, wobei diese Vorgehensweise mit einer weiteren oberflächlichen Verunreinigung durch Schwerstoffe
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verbunden ist. Alternativ hierzu wurde die in anderen Bereichen der Metallsortierung bereits erfolgreich betriebene Röntgen-Transmissions-Sortiertechnologie der Fa. STEI- NERT eingesetzt. Da die leichten Partikel nach Bild 2 den größeren Massenanteil im NE-Metall-Gemisch aufweisen, werden Parametrierungen genutzt, die den kleineren Massenanteil, hier das Schwergut, aus dem Gemisch separieren. Als Ziel gilt dabei, den Verlust an leichten NE-Metallen in die Schwerfraktion zu minimieren. Inwieweit dieses Ziel vor dem Hintergrund qualitativer Ansprüche der Metallurgie erreicht werden kann, wird im Beitrag von Gisbertz [2] beschrieben. Der Anspruch einer verlustmi- nimierten Prozesskette wird mit Wertstoffausbringen zwischen 85 und 90 Prozent in die Zielfraktionen Leicht- bzw. Schwergut weitgehend erfüllt.
Die Daten der in der Pilotanlage VeMRec durchgeführten Untersuchungen bilden die Grundlage für ein Aufbereitungsmodell, das von Worring [6] dokumentiert worden ist. Hiermit bietet sich auf rechnerischer Basis die Möglichkeit, Variationen in der Parametrierung ebenso wie die Ergänzung um einzelne Prozessschritte zu simulieren und auf diesem Weg abschöpfbare Potentiale bis in den Grenzbereich zu ermitteln.
Dabei zeigt sich insbesondere die Bedeutung der Konditionierung vor der eigentlichen Stofftrennung, die wesentlich für die Ausbringensverluste verantwortlich ist.
3. Zusammenfassung
Mit dem Forschungs- und Entwicklungsprojekt VeMRec ist im Maßstab von etwa 5.000 kg/h die trockenmechanische Sortierung von NE-Metall-Konzentraten aus der Rostaschen-Aufbereitung erprobt worden. Insbesondere konnte die Eignung der sensorgestützten Sortierung für die Trennung leichter von schweren NE-Metallen im Korngrößenbereich > 10 mm erprobt werden. Die Ergebnisse belegen die technische Machbarkeit einer verlustminimierten Metallsortierung. Gleichzeitig werden techno- logische Grenzen aufgezeigt, die sowohl dem Prozess als auch spezifischen Material- eigenschaften wie der Form, der Zusammensetzung oder der Beeinträchtigung auf Grund der vorlaufenden Prozesskette, geschuldet sind.
Danksagung
Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des deutschen Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unter dem Förderkennzei- chen 033R081F gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.
4. Literatur
[1] ECO-Innovation: Sensor-sorting Automated Technology for advanced Recovery of Non-ferrous metals from waste (SATURN)
[2] Gisbertz, K.: VeMRec – Metallurgische Herausforderungen beim Recycling von NEM-Konzen- traten aus MV-Rostasche, Berlin, 2015
[3] Kohaupt, U.: Global economics of bottom ash processing, Kopenhagen, 2014
225 Aufbereitungsmethoden für NE-Metalle aus Rostaschen
[4] Meinfelder, T., Richers, U.: Entsorgung der Schlacke aus der thermischen Restabfallbehandlung, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe, 2008
[5] Wens, B.: Technical-economic assessment of advanced sorting of nonferrous metal scraps from waste incineration, Dissertation RWTH Aachen, Juni 2015
[6] Worring, Th.: Identifizieren von Steuergrößen mittels Modellierung am Beispiel der Rostaschen- aufbereitung, Masterarbeit RWTH Aachen, Sept. 2014
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Erfassung und Layout: Ginette Teske, Sandra Peters, Janin Burbott, Claudia Naumann-Deppe, Anne Kuhlo
Druck: Mediengruppe Universal Grafische Betriebe München GmbH, München
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