Steigerung der Wertstoffseparation von Rostaschen aus der Nassentschlackung
durch Optimierung konventioneller Technik
Marcel Grünbein, Dennis Wegkamp und David Rüßmann
1. Charakterisierung von Rostasche ...149
2. Aufbereitung von Rostasche ...151
3. Rostaschenaufbereitung nach Stand der Technik ...154
4. Materialansprache der Fraktion 0 bis 3 (4) mm...158
5. Ergebnisse einer optimierten, konventionellen Aufbereitungstechnik ..161
6. Innovationen im Bereich der Rostaschenaufbereitung ...164
7. Zusammenfassung ...164
8. Quellen ...165
1. Charakterisierung von Rostasche
Gemäß der 17. Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) muss in Abfallver- brennungsanlagen eine Mindesttemperatur von 850 °C eingehalten werden. Durch- schnittlich ergeben sich so Temperaturen von etwa 1.000 °C bei der Verbrennung [5].
Bei den dabei ablaufenden Verbrennungsprozessen werden die organischen Kohlen- stoffverbindungen oxidiert und es bleibt Asche zurück. Nichtbrennbare Materialien wie Inertstoffe, Glas und Metall werden aufgrund der Temperaturen teilweise gesintert bzw. geschmolzen. Bei diesen Prozessen kommt es zu Agglomerationen, sodass sich Asche mit angeschmolzenem Metall oder Glas verbindet. Dieses Agglomerat wird als Schlacke bezeichnet. Die Rostasche kann somit gleichbedeutend als Asche oder Schlacke bezeichnet werden. Nach Verlassen des Feuerungsraumes gelangen die Ver- brennungsrückstande in den Entschlacker, der in deutschen Anlagen in der Regel als Nassentschlacker ausgeführt ist. Ein solcher Nassentschlacker kühlt die noch heiße Asche ab und transportiert sie aus der Anlage. Danach besitzt die Rostasche einen Wassergehalt von 12 bis 20 Gewichtsprozent.
Um eine erste Charakterisierung von Rostaschen vorzunehmen, sind nachfolgend Siebrückstandslinien und damit die Korngrößenverteilungen von Rostasche beispiel- haft dargestellt. Charakteristisch ist, dass ein Spektrum von 0 bis 45 mm schon etwa neunzig Prozent der Gesamtmasse ausmacht.
Bild 1: Beispielhafte Siebrückstandslinie von Rostasche
Im Hinblick auf eine spätere verfahrenstechnische Aufbereitung ist Rostasche in drei Hauptbestandteile aufzuteilen. Hierbei können aufgrund der Inhomogenität der Inputmaterialien nur Schwankungsbreiten angegeben werden. Das Bild 2 zeigt die beispielhafte Zusammensetzung aus uns vorliegenden Materialansprachen.
Siebrückstand
% 100
90
1 4 45
Siebschnitt mm Rostasche 1
10 100 1.000
80 70 60 50 40 30 20 10 0
< 4 mm: 30 %
< 45 mm: 85 %
< 4 mm: 40 %
< 45 mm: 90 %
Rostasche 2
Rostasche 1
< 4 mm 30 % 40 %
< 10 mm 56 % 66 %
< 45 mm 90 % 85 % Rostasche
2
Standortspezifische Unterschiede erfordern eine gesonderte Betrachtung jeder Rostasche.
Bild 2: Inhaltsstoffe von Rostaschen
Es ist zu sehen, dass die mineralische Fraktion mit etwa 84 (bis 90) % den größten Anteil an der Rostasche hat. Metalle kommen zu sieben bis zwölf Prozent vor und unverbrannte Materialien zu einem bis fünf Prozent. Genauer betrachtet setzt sich die mineralische
mineralische Fraktion – Deponie, Wegebau – 84 % Unverbranntes – zurück in die MVA – 5 % Fe- und NE-Metalle – metallurgische Verwertung – 11 %
Schadstoffe [Alwast]
Parameter Wertebereich Arsen 3 bis 15 mg/kg Blei 1.000 bis 3.500 mg/kg Cadmium 2 bis 20 mg/kg Chrom ges. 200 bis 1.000 mg/kg Kupfer 1.000 bis 10.000 mg/kg Nickel 100 bis 500 mg/kg Wertstoffe
Parameter Verwertbare Anteile
Fe-Metall 8 %
NE-Metall 2 %
VA-Metall 1 %
Fraktion aus mehreren Komponenten zusammen. Neben dem Verbrennungsprodukt Asche befinden sich auch viele Stoffe darunter, die durch den Verbrennungsprozess kaum verändert wurden. Dazu zählen bauschuttähnliche Abfälle wie Beton, Steine und Ziegel sowie die Bestandteile Glas, Keramik und Porzellan. Unter den Metallen sind eisenhaltiger Schrott, Aluminium, Kupfer und Messing vorhanden. Unverbrannte Materialien können Textilien, Kunststoffe, Papier oder Holz sein. [5]
Die Metalle sind ferner in die Fraktionen Eisenmetalle (Fe) und Nichteisenmetalle (NE) zu unterteilen.
Eine Beurteilung der Rostaschenqualität ist nicht nur unter Berücksichtigung der Wert- stoffpotenziale möglich, sondern maßgeblich von den darin enthaltenen Schadstoffen abhängig. Neben den zuvor dargestellten Feststoffparametern ist es von Bedeutung, wie sich diese Komponenten beim Kontakt der Rostasche mit Wasser verhalten. Um dies zu beurteilen, werden Versuche durchgeführt, bei denen durch die sogenannte Elution Stoffe mit Wasser systematisch ausgewaschen werden. Im Eluat werden da- raufhin einzelne Konzentrationen gemessen, die als Eluatwerte bezeichnet werden.
Carbonatisierungsvorgänge, die das Calciumhydroxid zu Calciumcarbonat umwandeln, führen zu einer positiven Veränderung der mechanischen Stabilität der Rostasche und beeinflussen so die Immobilisierung der Schadstoffe.
2. Aufbereitung von Rostasche
Für die mengenmäßig bedeutendste Stoffgruppe der Rostasche, die mineralische Frak- tion, gibt es vom Gesetzgeber definierte Mindestanforderungen an die Aufbereitung.
Dadurch kam es in den 80er und 90er Jahren zu einer Fokussierung auf die Entnahme von Fe-Bestandteilen und Störstoffen.
Die Installation von NE-Metall-Separationseinrichtungen spielte nur eine unterge- ordnete Rolle.
Wie den nachfolgenden Bildern zu entnehmen ist, variiert eine mögliche Aufbe- reitungstiefe. Während Anlagen, die der bildlichen Darstellung auf der linken Seite entsprechen, nicht mehr eingesetzt werden, gibt es in Deutschland vereinzelt immer noch Aufbereitungsanlagen, die auf eine NE-Separation verzichten bzw. diese in einer hohen Korngrößenbandbreite von bis zu 0-80 mm einsetzen.
Während mit dieser Anlagenkonfiguration die Fe-Separation zielgerichtet durchgeführt werden kann und konnte, wird das Wertstoffergebnis insbesondere durch die Wahl der Klassierstufen und den dadurch provozierten Einsatz von Separationstechnik eingeschränkt. Die Siebung des siebschwierigen Materials wird bei einem Siebschnitt von 80 mm (ab 45 mm) größtenteils mit einem Trommelsieb oder einem Linear- oder Kreisschwinger durchgeführt. Das Siebergebnis ist abhängig von dem erreichten Siebwirkungsgrad und den zuvor eingesetzten Reinigungsinstrumentarien (z.B. Fe- Separation). Diese Art der Klassierung liefert in einem Großteil der Anwendungsfälle mit dem Aufteilen in Kornklassen das gewünschte Ergebnis.
Dieses ermöglicht eine Wertstoffansprache, wenngleich auch in sehr breiten Körnungs- bändern. Unter Berücksichtigung der Verteilung, die bereits in der Siebrückstandskur- ve dargestellt wurde, werden NE-Separationsaggregate zum einem überschickt, d.h.
dass die von den Herstellern empfohlenen Vorgaben zur Durchsatzmenge pro Meter Arbeitsbreite um das 2-4 fache überschritten werden. Zum anderen führt dies dazu, dass die anzusprechenden Einzelpartikel sich in der Korngröße stark unterscheiden.
In diesem Zusammenhang erscheint das Ergebnis einer Mitgliederbefragung der Interessengemeinschaft der Thermischen Abfallbehandlungsanlagen in Deutschland e.V.
(ITAD) aus dem Jahr 2009 wenig verwunderlich, das im Mittel ein Massenausbringen von NE-Metallschrott von 0,67 Ma.-% ausweist. [1]
Ohne über eine Qualität der separierten NE-Metallfraktionen dieser Erhebung eine Aussage treffen zu können, wird deutlich, dass eine Differenz zu dem mit konventio- neller Technik erschließbaren Potenzial von etwa zwei Prozent bedeutend ist.
Als Hauptursache für das verminderte Wertstoffausbringen in diesen Anlagen ist, wie bereits angedeutet, der Einsatz der NE-Separationsaggregate. Stand der Technik bei der Separation von NE-Metallen aus Rostaschen ist die Wirbelstromscheidung. Die Wirbelstromscheidung basiert darauf, dass in magnetischen Wechselfeldern nur in elektrisch gut leitfähigen Körpern eine Spannung induziert wird. Hierdurch kommt es zu einem Stromfluss auf in sich geschlossenen Pfaden, den so genannten Wirbelströ- men. Die Wirbelströme bauen ein Magnetfeld mit zum Erregerfeld gleichgerichteter
Rostasche aus der Nassentschlackung Klassierung
0 bis 80 mm 80 bis 300 mm > 300 mm Fe-Separation Fe-Separation
Wirbelstromscheider NE-Separation Fe-Metalle
NE-Metalle
mineralische Fraktion
händische NE-Separation
Fe-Separation
Bild 3: Rostaschenaufbereitung 80er, 90er Jahre bis heute
Polung auf. Die abstoßende Kraft zwischen den beiden Feldern wird dazu verwendet, eine Trennung nicht magnetisierbarer Metallteile von schlecht leitfähigen Materialien durch Verlängerung der Wurfparabel zu bewirken [3].
In Bild 5 ist skizzenhaft die Funktion eines Wirbelstromscheiders dargestellt, der in einem zu breiten Körnungsband mit Material ohne Kornvereinzelung eingesetzt ist.
Bild 4: Funktionsweise und Herausforderungen der NE-Separation
Die angestrebte Verlängerung der Wurfparabel ermöglicht eine Separation von NE- Bestandteilen. Diese Separation ist eingeschränkt, sobald Partikel allein durch ihre Materialbeschaffenheit, wie beispielsweise Größe und Gewicht, maßgebliche Unter- schiede in der grundgegebenen Abwurfparabel aufweisen und die Wirkweise des Wir- belstromfeldes nicht ausreichend ist, um die Abwurfparabel hinreichend zu verändern.
Ein hoher Wirkungsgrad der NE-Separationseinheit kann nur dann erreicht werden, wenn neben der Kornvereinzelung auch ein Angleichen der Materialbeschaffenheit (Größe) durch eine Einengung in entsprechende Körnungsbänder durchgeführt wird.
Nur unter Berücksichtigung dieser Vorgaben kann ein Produkt erzeugt werden, das neben den quantitativen Vorstellungen des Betreibers auch den qualitativen Ansprü- chen des Metallverwerters entspricht.
Entscheidend für das Gesamtergebnis ist neben der quantitativen Materialansprache der Wertstoffgehalt des separierten Metallgemisches. Neben Fehlwürfen sind die An- haftungen am Metallprodukt entscheidend.
Aufgabe
nicht
leitend Nicht- eisenmetall
Bild 5: NE-Metallprodukte: Qualität versus Quantität
3. Rostaschenaufbereitung nach Stand der Technik
Die Aussagen, die aus der zuvor dargestellten Erhebung aus dem Jahr 2009 abzuleiten sind, müssen im Jahr 2015 unter Berücksichtigung der technischen Aufrüstung, die in diesem Zeitraum stattgefunden hat, relativiert werden. Ohne neuere Zahlen thema- tisieren zu wollen, ermöglicht die Intensivierung der Klassierung eine weitergehende Metallseparation und somit ein gesteigertes Wertstoffausbringen.
Nachfolgend sind Anlagenkonzepte nach dem Stand der Technik dargestellt. Das Ausbringen von Fe-Materialien wird in ausgewählten Körnungsbändern durch eine Kombination von Trommelmagnetscheidern und Überbandmagnetscheidern op- timiert, sodass eine höhere Materialreinheit der Fe-Fraktion erreicht werden kann.
Diese Anlagenkonzepte beinhalten bis zu fünf Klassierstufen und ermöglichen so einen auf die Materialeigenschaften adaptierten Einsatz von nachgeschalteten Separations- stufen. Die Stoffstromtrennung mittels Neodym-Eisen-Bor-Magnetbandrollen kann entfallen, da die Stoffstromtrennung auch im unteren Körnungsband mittels Klassier- technik erreicht werden kann. Untersuchungen aufbereiteter Rostasche zeigen, dass der Einsatz von Wirbelstromscheiderkaskaden die Wertstoffentnahme intensiviert. Eine hinreichende Separation von VA-Metallen wird durch den Wirbelstromscheider nicht erreicht. Nach mehrstufiger Klassierung und Entnahme von Fe- und NE-Metallen kann mittels einer VA-Separationseinheit (häufig Induktive Systeme) die verbliebene Me- tallfraktion separiert werden, die eine Anreicherung von VA-Bestandteilen beinhaltet.
nicht leitend
Nicht- eisen- metall
Schmelzverlust 15 %
NE-Metall 63%
Fehlwürfe, Anhaftungen 22%
Ein hohes Produktausbringen und eine hohe Produktreinheit müssen gegeneinander
abgewogen werden.
Zusammensetzung des NE-Konzentrates
Auch Stoffströme, die aufgrund ihrer geringen Menge nicht fokussiert werden, können durch optimierte Prozessabläufe das Gesamtergebnis nachhaltig verbes- sern. Beispielsweise lässt sich durch eine integrierte Handklaubung in der Fraktion
> 45 mm im Vergleich zum Kampagnenbetrieb die Entnahmeleistung um bis zu fünfzig Prozent steigern.
Bild 6: Planungen nach Stand der Technik
Allein die Auswahl und Installation von optimierten Klassier- und Separationsverfahren ermöglicht nicht ein vollständiges Erreichen von Aufbereitungszielen. Erst das positive Zusammenwirken der Einzelkomponenten führt zum gewünschten Erfolg.
In der nachfolgenden Darstellung sind ausgewählte Anlagenkomponenten visualisiert.
Um zu verdeutlichen, inwiefern Einzelaspekte in der Planung zu berücksichtigen sind, werden einzelne Problemstellungen in dieser Ausarbeitung beispielhaft aufgeführt.
Dass eine Einzelkornseparation (Punkt 1) vorteilhaft ist, ist hinreichend diskutiert.
Das im Punkt 2 dargestellte Überfahren einer Klassiereinheit ermöglicht – unter Be- rücksichtigung der Baubreiten von Klassierung und Fördertechnik – die vollständige Ausnutzung der Siebfläche. Im Gegensatz zu einer Materialzuführung im 90° Winkel ist zudem ein Versagen der Transportwirkung der Klassiermaschine minimiert, sodass tendenziell mit kleineren Sieböffnungsweiten gearbeitet werden kann.
Punkt 3 diskutiert die Beschickung und Neigung der ersten Klassierstufe. Ohne Störstoff- bzw. Wertstoffentnahme ist die Funktionsweise der Klassiermaschine eingeschränkt.
Rostasche aus der Nassentschlackung
Klassierung 10 bis 32 mm 32 bis 80 mm 0 bis 2mm +
2 bis10 mm 2 bis 10 mm 80 bis 400 mm > 400 mm
Fe-Metalle
NE-Metalle
mineralische Fraktion
händische NE-Separation Fe-Separation
NE-Separation
Fe-Separation Fe-Separation
NE-Separation
Fe-Separation
NE-Separation
Fe-Separation
NE-Separation
Weiterhin werden häufig durch nicht optimale Neigungseinstellungen der ersten Klas- sierstufe rollfähige Materialien, die aufgrund ihrer Korngröße in den Siebdurchgang transportiert werden müssten, in den Siebüberlauf überführt.
4
Materialzufuhr – Dosierung 4
Materialzufuhr, Siebneigung Transportwirkung vs. Wirkungsgrad 3
Überfahren einer Klassiermaschine 2
Einzelkornseparation und potenzieller Verzicht auf eine Vibrorinne
1
1
1 2
3
NE 32 bis 80 mm Fe
< 400 mm
Bild 7: Konfiguration einer Rostaschenaufbereitungsanlage
Diskussionspunkt 4 wird häufig unterschätzt, hat jedoch entscheidenden Einfluss auf die Funktionsweise der Gesamtanlage. Die Materialdosierung muss unabhängig von individuellen Fähigkeiten des Betriebspersonals (Radladerfahrer) ausschließlich in Abhängigkeit der Materialfeuchte erfolgen. Die Dosierwirkung sollte über eine me- chanische Einheit erfolgen, die eine gleichmäßige Materialaufgabe gewährleistet. In dem nachfolgenden Bild ist eine Dosiereinrichtung dargestellt, die keine ausreichende Dosierwirkung hat. Die Materialzufuhr und Dosierung der Materialaufgabe erfolgt kontrolliert, aber nicht gleichmäßig, sodass ein entscheidender Einfluss auf die weiteren Klassier- und Separationsschritte zu befürchten ist. Während die Auswirkungen auf die Separationsschritte durch eine Überschickung und den damit verbundenen Wert- stoffverlust und Verunreinigungen der Produkte charakterisiert werden können, sind die Auswirkungen auf die Klassieraggregate vielschichtiger. Wird auf unzureichende Materialdosierung nicht reagiert, so kommt es auch bei der Klassierung zu einer Über- schüttung der Maschine, die einen guten Siebwirkungsgrad verhindert. Wird mittels Einsatz einer überdimensionierten Klassiermaschine dagegengehalten, so kommt es zu Partikelsprüngen auf dem Siebbelag, die wiederrum den Siebwirkungsgrad stark einschränken. In Bild 8 sind mögliche Siebfahrweisen dargestellt.
Um den gewünschten Sieberfolg zu erreichen, ist beim Einsatz einer Spannwellentech- nologie die Schichtsiebung vorteilhaft. Einzelne Partikel stehen im direkten Kontakt zueinander und werden so auf dem Siebbelag transportiert. Der Betreiber hat bei
der Schichtsiebung darauf zu achten, dass eine intensive Schichtsiebung nicht in eine Überschickung der Siebmaschine mündet und der Transport der zu siebenden Ma- terialien eingestellt wird. Gerade im Körnungsband zwischen 0 und 20 mm, das die wertstoffreichste Fraktion darstellt, sind Probleme in der Siebeinstellung nur durch eine Materialanalyse hinreichend genau zu beschreiben. Resultiert durch eine unregel- mäßige Materialzuführung (Bild 8) eine Einzelkornsiebung, ist der Siebwirkungsgrad ebenfalls eingeschränkt, da die Partikel über das Sieb springen und nur unzureichend häufig mit der Siebmatte in Berührung kommen.
Schichtsiebung Einzelkornsiebung
Aufgabe
Bild 8: Auswirkungen der Dosierung auf die Klassierung
Neben der in Diskussionspunkt 1 detaillierten Einzelkornseparation hat sich bei der Anordnung von Wirbelstromscheidern eine Reihenschaltung als zielführend gezeigt.
In ausgewählten Körnungsbändern erreicht ein einem Wirbelstromscheider gleicher Konfiguration nachgeschaltes Wirbelstromscheider-Aggregat Partikel, die im ersten Verarbeitungsschritt nicht separiert wurden. In dem nachfolgenden Bild ist dieses verdeutlicht.
Bei vorherrschender Einzelkornseparation erscheint eine Notwendigkeit bzw. der Nutzen einer Wirbelstromscheiderkaskade unter Berücksichtigung des physikalischen Separationsschritts als nicht verständlich. Erst unter Einsatz einer Hochgeschwindig- keitskamera wird deutlich, warum angesprochene NE-Partikel in der ersten Wirbel- stromscheiderstufe nicht, jedoch in der zweiten, die identisch konfiguriert ist, in die Wertstofffraktion überführt werden.
Der gesamte Prozess der Rostaschenaufbereitung beinhaltet verfahrenstechnische Problemstellungen, die als solche erkannt werden müssen, wenn eine zielgerichtete und differenzierte Wertstoffentnahme angestrebt wird.
Bild 9: Wirbelstromscheiderkaskade
4. Materialansprache der Fraktion 0 bis 3 (4) mm
Eine Berücksichtigung der Wertstoffpotenziale im Kornbereich 0-3 bzw. 0-4 mm wurde in der Vergangenheit nur eingeschränkt erreicht. Dies ist damit zu begründen, dass die konventionelle Klassierung in diesem Körnungsband mit nur eingeschränkten Sieb- wirkungsgraden funktionsfähig ist und dadurch für die Separationsaggregate bisher keine ausreichende Basis bildet.
Die Eigenschaften des Siebgutes hängen stark von dessen Wassergehalt ab. Bei der Siebung von feuchtem Material können verschiedene Probleme auftreten, sodass der Sieberfolg darunter leidet. Zum einen wird die Auflockerung des Materials erschwert und die Segregation des Feinkorns zum Siebboden behindert. Zum anderen können Feinkörner an gröberen Partikeln des Überkorns anhaften und somit als Haftkorn in den Siebüberlauf gelangen. Des Weiteren können mehrere feine Körner ein Agglomerat bil- den, dessen Korngröße über dem Trennschnitt liegt und das Agglomerat als sogenanntes Ballkorn in das Überkorn gelangt. Weiterhin können feine Körner im Siebbelag anhaften und somit die offene Siebfläche verringern. Um aneinander haftende Feinkornpartikel in den Siebunterlauf zu führen, müssen die Siebkräfte groß genug sein, um die Haftkräfte zwischen den Partikeln zu überwinden. Die kapillaren Haftkräfte hingegen sind abhän- gig vom Wassergehalt. Die Wassergehalte sind in verschiedene Abschnitte unterteilt. Der erste Abschnitt des Wassergehaltes beschreibt das Innenwasser. Ist nur das Innenwasser vorhanden, kann von einer trockenen Siebung gesprochen werden, da keine Haftkräfte aufgrund des Wassers wirken. Steigt der Wassergehalt, bilden sich erste Zwickelwas- serbindungen und es entstehen zwischen den Partikeln Haftkräfte. Somit spricht man
3,5
2,5 3,0
2,0 1,5 1,0 0,5
Ausbringen NE-Konzentrat t
Ausbringen NE-Konzentrat absolut Ausbringen NE-Konzentrat anteilig
% 1,60 1,37 1,14 0,91 0,69 0,46 0,23 0 1. Auf-
berei- tung
2. Auf- berei- tung
3. Auf- berei- tung
Aufbereitungsdurchgang 4. Auf- berei- tung
5. Auf- berei- tung 0
von der Feuchtsiebung. Mit zunehmendem Wassergehalt werden mehr Zwickel mit Wasser gefüllt und die Haftkraft steigt. Wenn alle Berührungspunkte des Haufwerkes mit Zwickelwasser verbunden sind, herrscht das Maximum der Haftkraft. Wird mehr Wasser hinzugegeben, wird das überschüssige Wasser in den Hohlräumen angelagert, sodass sich die Zwickelwasserbindungen auflösen und die Haftkraft wieder sinkt. Wenn alle Hohlräume gefüllt sind, sind auch alle Haftkräfte aufgelöst. Das Haufwerk liegt dann als Suspension vor und es wird von einer Nasssiebung gesprochen. [vgl. 2, 4]
Die Wasserkapazität ist ein weiterer Einflussfaktor des Siebgutes. Vereinfacht kann die Wasserkapazität durch den Wassergehalt beschrieben werden, den ein Schüttgut entgegen der Schwerkraft halten kann. Übertragen auf das Wasservorkommen in Hauf- werken kann davon ausgegangen werden, dass die Wasserkapazität zusammengesetzt wird aus Innenwasser, Porenwasser, Anlagerungsflüssigkeit und Zwickelkapillarwasser sowie Hohlraumwasser, das als Kapillarwasser gegen die Schwerkraft gehalten werden kann. Liegt der Wassergehalt über der Wasserkapazität, kommt es zu frei vorliegendem Wasser und die Kapillarkräfte nehmen ab. Bei Untersuchungen mit einer Scherzelle konnte festgestellt werden, dass die Scherkraft des Schüttgutes mit steigendem Wasser- gehalt ansteigt. Erst mit einem Wassergehalt entsprechend der Wasserkapazität sinkt die Scherkraft und erreicht sogar Werte, die unterhalb der Scherkraft des trockenen Materials liegen [vgl. 2, 4].
Zusammengefasst lässt sich somit festhalten, dass eine Klassierung bei <4 mm nur mit Kenntnis und verfahrenstechnischer Reaktion auf den Wassergehalt von Rostasche funktionieren wird. In Bild 10 ist die Korrelation von Siebwirkungsgrad und Was- sergehalt an einem Materialbeispielgemisch dargestellt. Deutlich wird, dass in einer Nasssiebung der Siebwirkungsgrad in Abhängigkeit des Wassergehalts variiert. Die dargestellte Kurve ist anhand einer Materialprobe bestehend aus 33 % 0-2 mm (Basalt gebrochen); 33 % 2-7 mm (Kalkstein gebrochen), 33 % 7-14 mm (Kalkstein gebrochen) im Technikum erarbeitet. Der Transfer dieser grundlegenden Zusammenhänge auf Rostasche ist möglich und bereits erarbeitet. Die Ergebnisse weisen ein identisches Bild, wenn auch abweichende Verarbeitungskorridore aus.
100 95 90 85 80
Siebwirkungsgrad
%
0 1 2 3 4 5
Wassergehalt bei der Spannwellensiebung %
6 7 8 9 10
75
Bild 10: Korrelation Wassergehalt und Siebwirkungsgrad
Die Basis für eine Verarbeitung der Kornfraktion 2-4 mm ist somit gegeben, sodass auch dieses Körnungsband den Separationsstufen zugeführt werden kann.
Anlagen, die bereits heute bei 2 mm absieben, adaptieren den gewählten Siebschnitt auf den vorherrschenden Wassergehalt, sodass die Anlagen häufig in einem Sommer- (2-3 mm) und Winterbetrieb (5 mm) arbeiten. Über die gesamte Witterungsperiode – auch nicht im Sommer – ist keine trockene Klassierung mit hinreichenden Siebwir- kungsgraden zu erreichen.
Neben der zuvor beschriebenen Möglichkeit, eine Klassierung bei 2 mm stattfinden zu lassen, gibt es mehrere Ansätze, die Korngrößenaufteilung mittels eines mechani- schen Separationsschritts zu erreichen. Herzstück dieser Anlagen ist eine Trommel, an der Schlagleisten angebracht sind. Durch die Rotation der Trommel erfahren die aufgegebenen Partikel an den Leisten einen Impuls in horizontaler Richtung. Durch den auf die Partikel bzw. Agglomerate einwirkenden Impuls können Kohäsionskräfte gelöst und größere Partikel von kleineren anhaftenden getrennt werden. Die Partikel gelangen dadurch unmittelbar von einer vertikalen Fallbewegung in eine horizontale Wurfparabel. In Abhängigkeit ihrer Beschaffenheit (Form, Korngröße und Dichte) gelangen die Partikel mit verschiedenen Abständen zur Trommel zu Boden. Bei geeig- neter Einstellung eines Trennscheitels kann so eine scharfe Klassierung bei Korngrößen
< 3 mm vollzogen werden.
Bild 11: Zusätzliche Wertstoffpotenziale im Korngrößenbereich 0 bis 3 mm
Aufgabe
Vibro- rinne
Rotor
Material
> 2 mm
Material
< 2 mm
mechanische Klassierung Nasssiebung
ansprechbare Wertstoffpotenziale
= 0,3 bis 0,4 % zusätzlich möglich 5
3 4
2 1
Siebrückstand
% NE-Metall
Potenziale im Input
< 3 mm, die bisher nicht bilanziert wurden
13 mm10 100 Siebschnitt mm
1.000 0
Sowohl die Nasssiebung als auch die Korngrößenaufteilung mittels beschriebenem mechanischen Klassierschritt erreichen bisher noch nicht angesprochene Wertstoff- potenziale.
5. Ergebnisse einer optimierten, konventionellen Aufbereitungstechnik
Unter konventioneller Aufbereitungstechnik ist mitnichten eine antiquierte Anlage zu verstehen, die eine technische Optimierung und Innovation von erprobten Aggregaten unberücksichtigt lässt, sondern vielmehr eine Anlage, die im industriellen Standard den Anforderungen einer Rostaschenaufbereitung gerecht wird. Eine Rostaschenaufberei- tungsanlage, die mitunter auch mit dem Produktionsprozess der Verbrennungsanlage verschaltet ist, darf nicht auf filigrane Technologien mit verminderten Verfügbarkeiten zurückgreifen, sondern zeichnet sich durch robuste Technik aus, die für die Verarbei- tung von abrasivem Material mit puzzolanischen Eigenschaften ausgelegt ist und aus diesem metallische Wertstoffe entnehmen kann. Technologien, die in der Erprobungs- phase oder die noch nicht im großindustriellen Maßstab einsatzbereit sind, werden von unserer Ingenieurgesellschaft beobachtet, finden in den Umsetzungen jedoch keine Berücksichtigung.
Eine konventionelle Aufbereitungstechnik entspricht dem unter dem Stand der Tech- nik dargestellten Technisierungsgrad. Des Weiteren werden Optimierungsansätze umgesetzt, die eine zielgerichtete Einstellung der Separationsaggregate zulassen. Ohne alle verfahrenstechnischen Details diskutieren zu wollen, sei an dieser Stelle erwähnt, dass eine Sieb- und Wirbelstromscheider-Neigungsverstellbarkeit (in ausgewählten Körnungsbändern) erheblichen Anteil am Gesamtergebnis haben kann. Auch die zuvor dargestellte Untersuchung mittels Hochgeschwindigkeitskamera ermöglicht erst das zielgerichtete Einstellen von Wirbelstromscheidern.
Die nachfolgend detaillierten Ergebnisse wurden im Rahmen einer Inbetriebnahme einer Rostaschenaufbereitungsanlage erzeugt. In Bild 12 ist der Technisierungsgrad dieser Anlage dargestellt.
Auffällig ist, dass in dieser Konfiguration (temporär und) entgegen der allgemein ge- sammelten Erfahrungen im Bereich der Körnungsbänder 0-3 und 3-5 mm mit konven- tioneller Klassier- und Separationstechnik gearbeitet wird. Auch mit dem Wissen, dass der Siebwirkungsgrad bei feuchtem Material (etwa 18 % Materialfeuchte) eingeschränkt ist, war das in dieser Konfiguration erschließbare Wertstoffergebnis zu eruieren.
Die Probenahme wurde in Anlehnung an die LAGA PN 98 durch das Institut für Aufbereitung und Recycling (I.A.R. RWTH Aachen) durchgeführt. Im Zeitraum der Probenahme wurden insgesamt etwa 200 Tonnen Rostasche als Input in die RAA aufgegeben. Insgesamt wurden zwölf Einzelproben à 10 l von jeder Stofffraktion ent- nommen. Jeweils vier Einzelproben jeder Stofffraktion wurden zu einer Mischprobe vereint, sodass insgesamt drei Mischproben jeder Stofffraktion zur Analyse verwendet wurden. Als Ergebnis dieser Untersuchung konnte folgendes Wertstoffausbringen der Sortieraggregate erreicht werden.
Die Berechnung des Wertstoffausbringens der einzelnen Sortieraggregate erfolgte an- hand der Mittelwerte der rechnerischen Massenverteilung der jeweiligen Kornklasse sowie der ermittelten Wertstoffgehalte der NE-/Restfraktionen.
Bild 12: Ablaufdiagramm der Rostaschenaufbereitungsanlage
Wertstoffgehalt Wertstoff- NE-Scheider im Wertstoff in Reststoff in Aufgabegut ausbringen
% %
0-3 mm 32 0,4 0,5 20
3-5 mm 74 0,3 1,9 82
5-10 mm 46 0,1 1,2 94
10-32 mm 81 0,9 4,2 80
32-80 mm 77 0,8 5,1 85
Tabelle 1:
Wertstoffausbringen der Wirbel- stromscheider und Wertstoff- gehalte
Anzumerken sei zudem, dass die Proben der Restfraktion 0-5 mm bei den Korngrößen 1, 3 und 5 mm gesiebt wurden, um eine Bewertung der Sortierleistung der Wirbelstromscheider 0-3 mm und 3-5 mm vorzunehmen. Das abgesiebte Feinkorn < 1 mm wurde jedoch nicht weiter analysiert.
Schutzsiebung
Klassierung
Magnet- scheidung zweistufig
Wirbelstrom- scheidung
ein- oder mehrstufig
Rest Induktions-
scheidung
NE-Metalle NE-Metalle
VA-Metalle
Fe-Metalle Fe-Metalle
Ferrit-Kerne manuelle Sortierung
manuelle Sortierung Magnet-
scheidung
80 bis 400 mm
32 bis 80 mm 10 bis 32 mm
5 bis 10 mm
< 3 mm
< 400 mm
Bild 13: Ergebnisse der Materialbilanzierung
Unter Berücksichtigung der Rahmenbedingungen, unter denen der Betrieb der An- lage stattgefunden hat, sind die Ergebnisse dieser Anlage als sehr vielversprechend zu betrachten. Neben der Tatsache, dass ein Wassergehalt von etwa 18 % im Aufga- bematerial festzustellen war, gilt zu fokussieren, dass eine Aufbereitung der Fraktion 0-3 mm und 3-5 mm mit einem guten Separationsergebnis möglich war, ohne die in Bild 11 vorgestellten Technologien einzusetzen. Die uns vorliegenden Ergebnisse von Schmelzanalysen weisen zudem für die Fraktionen 0-3 und 3-5 mm eine Aufkonzen- tration von Schwermetallen (Kupfer, Zink, Zinn) nach.
Das Wertstoffausbringen in der Fraktion 5-10 mm ist technisch an der Grenze des Realisierbaren, die Wertstoffqualität jedoch stark verbesserungswürdig. Auffällig war, dass etwa neunzig Prozent des Fehlaustrags durch Glas geprägt waren. Weitere Unter- suchungen haben gezeigt, dass Glas auf dem Wirbelstromscheider eine von Mineralik abweichende Flugparabel aufweist, die in Teilbereichen der von NE-Metallen gleicht.
Durch Feineinstellungen im Bereich der Wirbelstromscheider konnte das Problem des Glaseintrags in das NE-Produkt gelöst werden, sodass unter Beibehaltung des Wertstoffausbringens die NE-Qualität maßgeblich gesteigert werden konnte.
Abschließend ist festzuhalten, dass auch unter Berücksichtigung der zuvor benannten guten Qualität der einzelnen Wertstofffraktionen ein NE-Metallausbringen bezogen auf die Inputmenge von > zwei Prozent erreicht werden kann.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Massenanteil Ma.-%
0 bis 3 mmNE
Feinkorn < 1 mm Unverbranntes
Mineralik NE-Konzentrat 3 bis 5 mmNE NE
5 bis 10 mm NE
10 bis 32 mm NE 32 bis 80 mm 25
43
12 40
9
20
81 77
46 74
32
13 15 10
Eine heute nach dem Stand der Technik geplante und aufgebaute Aufbereitungsanlage für Rostasche kann selbst bei einem Materialfeuchtegehalt von 18 % aus der Fraktion 0-5 mm ein sehr gutes Wertstoffergebnis generieren. Ob eine Zuhilfenahme weiterer Technik, wie die in Bild 11 dargestellten Verfahren, einen wirtschaftlichen Mehrwert erreicht, ist nicht allgemeingültig festzustellen, sondern projektabhängig zu bewerten.
6. Innovationen im Bereich der Rostaschenaufbereitung
Wenngleich, wie zuvor dargestellt, noch erhebliches Optimierungspotenzial in der konventionellen Rostaschenaufbereitung zu realisieren ist und dieses das Thema dieser Ausarbeitung ist, sollte an dieser Stelle nicht verschwiegen werden, dass es neue Ansätze gibt, die mehr oder weniger Marktreife erreicht haben.
Verfahren wie die elektromagnetische Fragmentierung oder der Einsatz eines Hoch- geschwindigkeitszerkleinerers sollten neben der Fokussierung auf Verbesserung der Metallseparation nicht die Verwertungsnotwendigkeit der mineralischen Fraktion (etwa 85 Ma.-%) vernachlässigen. Ist die Kornstruktur nachhaltig zerstört, wird ein Einsatz als Baustoff deutlich eingeschränkt.
Seit Sommer 2012 forschen bundesweit 50 Unternehmen und 40 Forschungseinrich- tungen allein in der BMBF-Fördermaßnahme r³ Innovative Technologien für Ressour- ceneffizienz – Strategische Metalle und Mineralien mit dem Ziel, die Rohstoffeffizienz zu steigern. Auszugsweise sind nachfolgend vielversprechende Forschungsverfahren dargestellt, die sich mit einer optimierten Rostaschenaufbereitung auseinandersetzen:
• VeMRec – Verlustminimiertes Metallrecycling aus Müllverbrennung durch sen- sorgestützte Sortierung
• ATR – Aufschluss, Trennung und Rückgewinnung von ressourcen-relevanten Me- tallen aus Rückständen thermischer Prozesse mit innovativen Verfahren
• TÖNSLM – Entwicklung innovativer Verfahren zur Rückgewinnung ausgewählter Ressourcen aus Siedlungsabfall- und Schlackedeponien
7. Zusammenfassung
Die Rostaschenaufbereitung wurde in den letzten Jahren an vielen Standorten intensi- viert und optimiert. Mit dem aktuellen Verwertungsniveau der Metallfraktionen und dem stetig wachsenden Druck, der durch die steigenden Kosten der mineralischen Fraktion hervorgerufen ist, besteht auch heute eine Möglichkeit und Notwendigkeit zur Steigerung der Wertstoffentnahme durch Anpassung der Aufbereitungstechnik.
Anlagen, die heute ohne eine mehrstufige Klassierung und Separation (NE, VA usw.) auskommen, entsprechen nicht dem Stand der Technik und können ihr ggf. gutes Betriebsergebnis durch Installation von aufeinander abgestimmter Verfahrenstechnik nachhaltig verbessern.
Standortspezifisch und unter Kenntnis der Eigenschaften der zu verarbeitenden Rostasche ist das Gesamtkonzept zu berücksichtigen und zu untersuchen und daraus einzelne Handlungsempfehlungen für den jeweiligen Standort abzuleiten. Der Stand der Technik ermöglicht eine nachhaltige Steigerung der Wertstoffergebnisse, ohne auf Techniken zurückgreifen zu müssen, die zwar spektakuläre Betriebsergebnisse versprechen, aber noch keine Marktreife besitzen.
Wichtig ist die Kenntnis über die Materialart und das Verständnis der Verwertungs- notwendigkeit von hundert Prozent der Materialinputstoffe. Ein reiner Fokus auf die metallischen Wertstoffe ermöglicht kein umfassendes Behandlungskonzept. Gerade die Weiterentwicklung der Vermarktungsmöglichkeiten der mineralischen Fraktion müssen in den nächsten Jahren intensiviert werden, um das sehr gute Betriebsergebnis einer Rostaschenaufbereitungsanlage nachhaltig zu konservieren.
8. Quellen
[1] Alwast, H.; Riemann, A.: Verbesserung der Umweltrelevanten Qualitäten von Schlacken aus Abfallverbrennungsanlagen; Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau, 2010
[2] Batel, W.: Untersuchung zur Absiebung feuchter, feinkörniger Haufwerke auf Schwingsieben;
Institut Aachen der Forschungsgesellschaft Verfahrenstechnik e.V.; Köln 1956
[3] Gillner, R.: Nichteisenmetallpotential aus Siedlungsabfällen in Deutschland; Schriftenreihe zur Aufbereitung und Veredelung 40; Aachen, 2011
[4] Gruszcyzynski,D.: Wet Screening – Part 1; Properties of Granular Materials and the Screening Process; powder handling & Processing, Band 8, nummer 1; 1996
[5] Meinfelder, T.; Richers, U.: Entsorgung der Schlacke aus der thermischen Restabfallbehandlung, 2008
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Thomé-Kozmiensky, K. J. (Hrsg.): Mineralische Nebenprodukte und Abfälle 2 – Aschen, Schlacken, Stäube und Baurestmassen – ISBN 978-3-944310-21-3 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
Copyright: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky Alle Rechte vorbehalten
Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2015
Redaktion und Lektorat: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Dr.-Ing. Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc.
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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