Dry Slag Granulation for Slag Sand Production and Heat Recovery – Development Status of the Pilotplant at Blast Furnace A at Voestalpine

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Dorfstraße 51

D-16816 Nietwerder-Neuruppin

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Herausgeber: Thomé-Kozmiensky (et.al.)

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Mineralische Nebenprodukte und Abfälle

Thomé-Kozmiensky und VersteylAschen • Schlacken • StäubeThomé-Kozmiensky

Karl J. Thomé-Kozmiensky

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– aus Abfallverbrennung und Metallurgie –

3 Karl J. Thomé-Kozmiensky

MINERALISCHE NEBENPRODUKTE UND ABFÄLLE 2 – Aschen, Schlacken, Stäube und Baurestmassen –

Karl J. Thomé-KozmienskyMineralische Nebenprodukte und Abfälle

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– aus Abfallverbrennung und Metallurgie – 2013 (ISBN: 978-3-935317-99-3) Preis: 50.00 EUR

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– Aschen, Schlacken, Stäube und Baurestmassen – 2018 (ISBN: 978-3-944310-41-1) Preis: 100.00 EUR

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Mineralische Nebenprodukte und Abfälle,Band 1 – 5

Packetpreis

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Metallurgische Nebenprodukte

Dry Slag Granulation for Slag Sand Production

and Heat Recovery – Development Status of the Pilotplant at Blast Furnace A at Voestalpine

Alexander Fleischanderl, Thomas Fenzl and Robert Neuhold

Over decades the majority of the blast furnace slags have been utilized as cement clinker additive applying the traditional wet granulation process. Even well proven, the wet process faces some disadvantages as inability to recover the enthalpy of 1.7 GJ per ton of slag, process water consumption and odor problems around the plant. Over the last couple of years Primetals has developed the DSG, Dry Slag Granulation process, which allows the recovery of heat out of the liquid blast furnace slag. After an intensive pilot plant operation phase it was decided to install a first of its kind industrial prototype at voestalpine’s BF #A with a design capacity of up to 2 tons per minute liquid slag.

The plant was commissioned in May 2017. In the time range of June 2017 till April 2018 many trial campaigns were performed and hundreds tons of slag was granulated with the dry process. A relining of the connected blast furnace in summer 2018 was giving the chance to install plant upgrades for the upcoming trial campaign starting in winter 2018/19. The new installations should bring the development of the dry slag granulation technology a huge step closer to its industrial mature. The paper is giving an overview on the dry slag granulation technology basics, trial results and achieved process parameters with the pilot plant.

Another focus beside the optimization of the dry slag granulation process is to achieve dry slag granulation product quality goals. The target was set to create a product with equal or even better properties than wet granulated product for the application as a byproduct in the cement industry. Intensive product analyses was done to prove the qualification of the dry granulated slag product as a cement clinker substitute.

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Trockenschlackengranulation zu Hüttensand mit Wärmerückgewinnung

– Entwicklungsstatus der Pilotanlage am Hochofen A der voestalpine –

Alexander Fleischanderl, Thomas Fenzl und Robert Neuhold

1. Hintergrund der Trockenschlackengranulation ...230

1.1. Hüttensand als Zementklinkerersatz ...230

1.2. Nassgranulation nach dem aktuellem Stand der Technik zur Herstellung von Hüttensand ...230

1.3. Trockengranulation – Leap-frog Innovation für die Herstellung von Hüttensand mit effizienter Energierückgewinnung ...231

2. Phase 2 – Pilotanlage zur Trockenschlackengranulation ...234

2.1. Pilotanlagenprozess der Phase 2 ...234

2.2. Prozessluftzufuhr ...235

2.3. Prozessluftauslass/Abgas ...235

2.4. Schlackenversorgung ...235

2.5. Granulationsverfahren ...236

2.6. Austragssystem ...236

3. Phase 2 – Pilotanlagenbetrieb ...237

3.1. Anlagenvorbereitung ...237

3.2. Anlagenbetrieb ...237

3.3. Versuchsanalysen ...237

4. Granulatprodukt...239

4.1. Mahlbarkeit ...239

4.2. Glasgehalt ...240

4.3. Zementeigenschaften ...241

5. Ergebnisse und Ausblick ...244

6. Schlussfolgerung ...244

7. Literatur ...245

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Jährlich werden weltweit etwa 400 Millionen Tonnen Hochofenschlacke mit einer Abstichtemperatur von etwa 1.500 °C produziert. Derzeit wird die Schlacke in Nass- granulationsanlagen mit großen Wassermengen granuliert und die Restwärme der geschmolzenen Schlacke mit etwa 1,7 GJ pro Tonne konnte bisher nicht genutzt werden.

In einem derzeit laufenden F&E-Projekt eines von Primetals Technologies geführten Unternehmenskonsortiums, bestehend aus voestalpine Stahl GmbH (Österreich), FEhS Building Materials Institute (Deutschland) und der Montanuniversität Leoben (Österreich), wird eine Trockenzerstäubungstechnologie entwickelt, die Luft zur Kühlung von geschmolzener Schlacke und zur Rückgewinnung der abgegebenen Wärmeenergie nutzt.

Phase 1 des Projekts ist abgeschlossen, in welchem 2012 eine technische Anlage errichtet wurde. Die Forschungsergebnisse haben die Prozessfähigkeit als industrielle Anwen- dung bestätigt, und es wurde beschlossen, das Projekt in Phase 2 mit der Installation einer halbindustriellen Pilotanlage fortzusetzen.

Die Planung und Errichtung der Pilotanlage der Phase 2 am Standort voestalpine Stahl in Linz wurde im Mai 2017 abgeschlossen, gefolgt von einer intensiven Inbetriebnah- mephase. Seit Juni 2017 wird ein diskontinuierlicher Batch-Kampagnenbetrieb durch- geführt, um Know-how zu gewinnen, Prozessoptimierungen durchzuführen, um eine spätere Vermarktung des Prozesses zu ermöglichen. Dieses Papier fasst die wesentlichen Ergebnisse bis Januar 2019 zusammen und skizziert die weiteren Entwicklungsarbeiten, die zur Erreichung der Industrietauglichkeit erforderlich sind.

1. Hintergrund der Trockenschlackengranulation 1.1. Hüttensand als Zementklinkerersatz

Die traditionelle Herstellung von Zementklinker aus Kalkstein, Sand, Ton und anderen Komponenten erfordert einen Hochtemperaturprozess (etwa 1.450 °C) in einem Drehofen. Neben dem hohen Bedarf an Rohstoffen ist der Prozess auch mit einem hohen Primärenergiebedarf und hohen spezifischen CO₂-Emissionen verbunden. Die Substitution von Zementklinker durch Hochofenhüttensand ist für die Zementindus- trie eine attraktive wirtschaftliche Alternative, da sie die Energiekosten senkt und den CO₂-Fußabdruck deutlich verbessert. Für jede durch Hüttensand substituierte Tonne Klinker können etwa eine Tonne CO₂-Emissionen vermieden werden (Primärener- gieeinsparung plus das im Kalkstein chemisch gebundene CO₂).

1.2. Nassgranulation nach dem aktuellem Stand der Technik zur Herstellung von Hüttensand

In diesem Fall wird die Schlacke in Granulationsanlagen mit großen Wassermen- gen schnell abgeschreckt und erzeugt ein feinkörniges, amorphes, aber auch nasses Produkt, den sogenannten Hüttensand. Aufgrund der amorphen Struktur bildet der Hüttensand beim Mahlen zu Zementadditivfeinmaterial in Verbindung mit Wasser

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Hydratationsprodukte mit latent hydraulischem Verhalten (Kalziumhydroxid regt Prozess an). Diese Produkte entsprechen im Wesentlichen den Hydratationsproduk- ten von Portlandzementklinker, dem Hauptbestandteil von Portlandzement. Damit ist die wesentliche Voraussetzung für den Einsatz von Hüttensand als Bindemittel in der Baustoffindustrie erfüllt. Daher werden etwa 80 % des Hochofenhüttensandes als Zementzusatz verwendet. Die Wertschöpfung als Zementzusatz ist in der Regel größer als die Verwertung der Schlacke als Zuschlagstoff für den Straßenbau.

Der Nassgranulationsprozess arbeitet mit einem hohen Wasser-Schlacke-Verhältnis von etwa 8:1. Der Vorteil des Nassverfahrens besteht darin, dass es große Schwan- kungen des Massenstroms und dessen physikalischen/chemischen Eigenschaften der Schlacke akzeptiert.

Das Nassverfahren hat aber auch erhebliche Nachteile:

• Beim Abschrecken der Schlacke mit Wasser wird das hohe Energiepotenzial der heißen flüssigen Schlacke verschwendet (Erwärmung und Verdampfung von Was- ser).

• Zur Granulation muss das zirkulierende Wasser in Kühltürmen oder mit anderen Kühlverfahren rückgekühlt werden. Vor allem Kühltürme sind meist mit elekt- risch angetriebenen Ventilatoren ausgestattet und auch der Kühlwasserkreislauf verbraucht erhebliche elektrische Energie. Schließlich wird die Wärme auf niedri- gem Temperaturniveau an die Umgebung abgegeben, ohne dass eine Möglichkeit der Nutzung besteht.

• Bei der Granulation in offenen Wasserkreisläufen wird ein schwefelhaltiger Dampf- strom mit starkem Geruch freigesetzt, und entsprechend viel Frischwasser (etwa 1 m³/t) muss in das System eingespeist werden. Granulationsanlagen mit geschlos- senen Wasserkreisläufen und Kondensationssystemen können solche Emissionen von schwefelhaltigem Wasserdampf weitgehend verhindern, sind aber auch kapi- talintensiv.

• Trotz mechanischer Entwässerung in Fässern, Silos oder Halden verbleibt im Hüt- tensand eine Restfeuchte von meist ~10 %. Für die Herstellung von Zement muss daher das Produkt getrocknet werden, was einen erheblichen Energieaufwand von mehr als 100 kWh pro Tonne Schlacke erfordern kann.

1.3. Trockengranulation – Leap-frog Innovation für die Herstellung von Hüttensand mit effizienter Energierückgewinnung

Durch Trockendispersion und schnelle Luftkühlung der flüssigen Schlacke kann ein hoher Wasserverbrauch und Energieaufwand für die Trocknung vermieden werden.

Der wesentliche Punkt bei jeder trockenen Schlackenverwertungstechnik ist, dass das erhaltene Schlackenprodukt die Eigenschaften als Zementzusatzstoff erfüllt. Grund- sätzlich ist es das Ziel, mindestens die Qualität von nassem Hüttensand zu erreichen.

Dies gilt insbesondere für den Glasgehalt, der ein Schlüsselparameter für die latente hydraulische Reaktivität und damit für die Qualität des Hüttensandes stellvertretend ist.

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Der Glasgehalt hat einen direkten Einfluss auf die Festigkeit des Betons. Der erforderliche Glasgehalt kann jedoch nur durch eine schnelle Abkühlung unterhalb der Umwandlungstemperatur erreicht werden. Aufgrund des weniger effizienten Kühl- mechanismus der wasserfreien Luftabschreckung ist der Trockenprozess technisch anspruchsvoller als die herkömmliche wasserbasierte Granulation.

Abluft

Schlackentropfen

Wasser gekühlte Wand

Frischluft Gebläse

~1,5 MW_el Granulat-tAustrag

Schlackenzufuhr

Drehteller Granulat-Bett Drehteller-Antrieb

Bild 1: Konzept der Trockenschlackengranulation (Dry Slag Granulation, DSG)

Die Trockenschlackengranulation basiert auf der Zerstäubung von geschmolzener Schlacke unter Verwendung eines drehbaren Tellers mit variabler Geschwindigkeit (Bild 1). Die Schlacke wird von der Schlackenrinne über ein senkrechtes, mit Feuer- fest ausgekleidetes Rohr direkt auf die Mitte des Drehtellers geleitet. Die Drehung des Tellers beschleunigt die Schlacke und drückt sie nach außen bis zur Kante, wo diese zerstäubt wird (Bild 2).

Durchmesser und Form des Drehtellers haben einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität der Funktionalität des Schlackenzerstäubungsprozesses. Die variable Dreh- zahlregelung muss den schwankenden Schlackenstrom und die schwankenden Schla- ckeeigenschaften kompensieren können. Durch die Anwendung von verschiedenen Fluidanalysemethodiken für den Drehteller wurden Parameter der Schlackenschicht- dicke und der Schlackengeschwindigkeitsvektoren für verschiedene Lastbedingungen und Drehtellerauslegungen ausgewertet. Diese Ergebnisse wurden mit den Betriebser- fahrungen aus der Pilotanlage zur Trockenschlackengranulation kombiniert, um eine geeignete Drehtellerauslegung festzulegen. Die Geschwindigkeit des Drehtellers wird entsprechend den Schlackenbedingungen (z.B. Durchfluss, Temperatur) angepasst, um eine gleichbleibende Produktqualität (z.B. Korngrößenverteilung, Glasgehalt) und Prozessstabilität zu erreichen.

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Die zerstäubten Partikel, hauptsächlich in einem Korngrößenbereich von 0,5 bis 3 mm, prallen auf eine geneigte, wassergekühlte Wand, prallen von der Wand ab und fallen in ein Granulatbett. Ein erster Partikelkühleffekt wird durch die Strahlung auf umliegende Anlagenteile sowie durch die Konvektionswärmeübertragung an die Kühlluft während der Flugphase zur wassergekühlten Wand und schließlich zum Granulat-Schlackebett erzielt. Ein Teil der Wärmeübertragung erfolgt an der wassergekühlten Wand durch leitende Wärmeübertragung.

Kleine Partikel haben bereits eine feste Oberfläche geschaffen, bevor sie auf die wasser- gekühlte Wand aufprallen und prallen ohne Verformung direkt von der wassergekühl- ten Wand ab. Größere Partikel können während ihrer ersten Flugphase keine stabile Kruste auf der Partikeloberfläche bilden. Sie werden beim Auftreffen auf die Wand in einen abgeflachten Zustand verformt, stellen aber nach dem Auftreffen auf die Wand aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Hochofenschlacke wieder annähernd eine Kugelform her. Der richtige Einschlagwinkel, die Materialqualität der Einschlag- fläche und die kalte Oberflächentemperatur der wassergekühlten Wand verhindern Klebeeffekte der Schlackenpartikel an den Seitenwandelementen.

Bild 2: Verschiedene Bilder trockener Drehtellergranulationen

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Das verfestigende Granulat fällt in ein Granulatbett. Die von mehreren verschiedenen Luftkammern in das Granulatbett eingeleitete Kühlluft strömt durch das Bett. Die aktive Steuerung der verschiedenen Kühlluftströme in die Kühlluftkammern sorgt dafür, dass das Granulatbett in einem stabilen Zustand bleibt. Die Verweilzeit des Granulats im Bett wird durch die Granulatmasse im Granulatbett und dem Schlackenstrom zum Granulator definiert. Der überwiegende Teil der Wärmeübertragung im Granulator findet im Granulatbett statt.

Das Austragssystem am Boden des Granulators ist für den unabhängigen Austrag von Granulat aus dem Granulatbett in ein Fördersystem ausgelegt. Die Kühlluft kann die Austragseinheit passieren, um einen direkten Kühlluftstrom im Granulatbett/Granu- lator von unten nach oben (Gegenstromprinzip) zu erhalten.

2. Phase 2 – Pilotanlage zur Trockenschlackengranulation

Da Energie- und Umweltaspekte immer wichtiger werden und in der Gesetzgebung verankert sind, besteht eindeutig Bedarf an einem deutlichen verbesserten Umgang mit Schlacken. Aus den gewonnenen Erfahrungen und Erkenntnissen mit der Tro- ckenschlackengranulationstechnologie ist eine Anlage nahe industriellem Maßstab errichtet worden. In Zusammenarbeit mit den Konsortialpartnern ist diese Anlage heute eines der größten F&E-Projekte bei Primetals Technologies. Der Standort der Voestalpine Stahl GmbH Linz wurde für den Bau einer neuen halbindustriellen Pilotan- lage zur Trockenschlackengranulation ausgewählt, die einen Schlackenstrom von bis zu 2 Tonnen pro Minute aus einem einzigen Abstichloch in STEP 1 bewältigen soll. Diese Anlage bewertet und verbessert den Prozess und wertet detaillierte Informationen über die Abgasparameter für die Ergänzung der Trockenschlackengranulationstechnologie mit einer Wärmerückgewinnungsanlage aus. Bei einem erfolgreichen Betrieb der STEP-1-Anlage ist beabsichtigt, die STEP-2-Entwicklung zur Behandlung des vollen Schlackenstroms aus mehreren Abstichlöchern eines Hochofens und die Installation einer Abwärmenutzungsanlage nachgeschaltet durchzuführen.

2.1. Pilotanlagenprozess der Phase 2

Ziel der Pilotanlage ist ein erstmaliger Langzeit-Schlackengranulationstest mit Schla- ckenströmen nahezu industrieller Anlagengrößen. Im folgenden Bild ist ein verein- fachtes Flussdiagramm mit der prinzipiellen Funktionsweise der STEP-1-Pilotanlage dargestellt.

Im Mittelpunkt steht der Kernprozess – der Drehtellerzerstäubungsprozess. Aber auch mehrere andere Bestandteile der Pilotanlage müssen intensiv auf ihre Zuverlässigkeit für einen Trockenschlackengranulationsprozess getestet werden. Ein genauerer Blick auf die Kernbereiche der Pilotanlage zur Trockenschlackengranulation wird in folgenden Punkten geworfen:

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2.2. Prozessluftzufuhr

Zur Versorgung des Granulators und dessen verschiedenen Luftkammern mit Prozess- luft ist ein Radialgebläse installiert. Basierend auf dem Wärmehaushalt des Granulators wird eine Luftmenge von maximal 180.000 Nm³/h bereitgestellt, um das Granulat auf dessen Solltemperatur abzukühlen. Diese Luftmenge und der vorhergesehene maximale Druckverlust im Granulator – hauptsächlich durch das Granulatbett verursacht – benö- tigt eine maximale Gebläseleistung von 1,5 MW_el. Der Luftstrom in den verschiedenen Luftkammern kann individuell geregelt werden, um die erforderliche Luftverteilung und die Granulatbettzustände zu erreichen.

2.3. Prozessluftauslass/Abgas

Die Solltemperatur des Prozessluftabgases beträgt 560 °C. Ein Schwerpunkt der Test- kampagnen mit der Pilotanlage liegt darin, diese Abgastemperatur zu maximieren, die Grenzen des Prozesses zu erkennen, aber dennoch die Anforderungen an das Schlackenprodukt zu erfüllen. Die aus dem Granulator austretende Luft wird durch zwei parallele Staubabscheider entstaubt, um die geforderten Emissionsgrenzwerte zu erreichen.

2.4. Schlackenversorgung

Die Schlacke wird über eine Schlackenrinne, die direkt mit dem Abstichloch des Hochofens verbunden ist, dem Granulator zugeführt. Da der Abstichstrom der Hoch- ofenschlacke die Granulatorleistung überschreiten kann, wird der Schlackenstrom mit Hilfe eines aus feuerfest gefertigten Stausteines auf einen bestimmten Durchfluss begrenzt. Kurz vor dem Schlackeneintritt in den Granulator kann die Schlacke im Falle einer Notabschaltung in ein Notgießbett umgeleitet werden.

Trockengranulation

Pilotanlage mit bis zu 2 t/min Hochofen-Schlackenfluss

Schlackenzufuhr 2 t/min bei 1.450 ºC;

-60 MW_th

Drehteller Schlackengranulatbett Drehteller-Antrieb Schlackengranulat-

Austrag 2 t/min bei -500 ºC

Heiße Abluft - 560 ºC, -180.000 Nm³/h

Schlackentropfen

wassergekühlte Wand Zyklon

Kamin

Frischluft Gebläse

~1,5 MW _el

Bild 3: Prozessschema der Phase 2 STEP-1-Pilotanlageninstallation bei voestalpine Stahl Linz

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2.5. Granulationsverfahren

Die Kerneinrichtung – die Drehtellereinheit – wird von oben mit Schlacke versorgt. Es ist möglich, den Granulator mit verschiedenen Drehteller-Konfigurationen auszustatten, um eine Prozessoptimierung der Drehtellerauslegungen durchzuführen. Die Geschwin- digkeit des Drehtellers wird innerhalb eines bestimmten Geschwindigkeits-bereichs aktiv geregelt. Zur Überwachung, Steuerung und Auswertung des Granulations- prozesses sind mehrere visuelle Hochgeschwindigkeits- und Temperaturmessgeräte installiert. Die Partikel treffen auf eine geneigte, wassergekühlte Wand. Der Haupt- innendurchmesser des Granulators beträgt etwa 6,5 Meter. Der Boden des Granulators bildet das Granulatbett mit einem Füllgewicht von etwa 25 Tonnen. Das Bett wird von unten und den Seitenwänden mit entsprechend Kühlluftverteilung intensiv gekühlt.

2.6. Austragssystem

Mit dem Austragssystem ist ein kontrollierter Austrag von Granulat am Boden des Granulators in Kombination mit einer großflächigen Kühlluftzufuhr möglich. Das Granulat wird mit zwei Förderern aus der Mitte des Granulators ausgetragen und in eine Granulat-Zwischenlagerbox gefördert.

Bild 4:

Blick auf die Pilotanlage zur Trockenschlackengranulation

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3. Phase 2 – Pilotanlagenbetrieb

Die Pilotanlage der Phase 2 wurde im Juni 2017 in Betrieb genommen und arbeitet seitdem in Kampagnen. Im ersten Jahr der Testphase wurden mehrere hundert Tonnen Hochofenschlacke granuliert.

3.1. Anlagenvorbereitung

Vor der Inbetriebnahme der Anlage werden die wichtigsten Betriebsparameter entsprechend definiert. Ein wichtiger Parameter ist die maximale Menge des Schlackenstroms, die dem Granulator zugeführt wird. Der Schlackenstrom zum Granulator wird dann auf die definierte Menge begrenzt. Der Überschuss an Schlacke wird an das bestehende Schlackenhandlingsystem weitergeleitet. Vor Beginn des Schlackenabstichs aus dem Hochofen wird die Schlackenrinne zur Pilotanlage mittels Brenner vorgewärmt. Die Granulationsanlage wird in einen stabilen Zustand versetzt, das heißt alle Systeme sind aktiv (Drehteller rotiert, Prozessluftversorgung vorhanden, Wasserkühlkreise aktiviert usw.) mit dem Schwerpunkt auf einem stabilen Zustand des Granulatbettes.

3.2. Anlagenbetrieb

Von der ersten Schlackezufuhr in den Granulator bis stationäre Prozessbedingungen erreicht sind dauert es etwa 15 bis 20 Minuten. Alle Komponenten im Granulator und im Wirbelbett müssen bis zum Erreichen ihrer stationären Temperatur erwärmt werden – wenn ein konstanter Schlackenstrom gegeben ist und die Prozessparameter (z.B. Prozessluftzufuhr) nicht verändert werden. Basierend auf der Analyse der Pro- zessparameter und der visuellen Überwachung des Granulationsprozesses werden während des Versuchs folgende Hauptparameter angepasst:

• Geschwindigkeit des Drehtellers,

• Menge der Prozessluft und deren Verteilung auf den Granulator und

• Granulatbetthöhe durch Steuerung des Austrags aus dem Granulatbett.

Ziel ist es, den Granulationsprozess während des gesamten Abstichs bis zum Wieder- verschließen des aktiven Abstichlochs am Hochofen durchzuführen. Nur im Notfall wird der Granulationsprozess durch die Umlenkung des Schlackestroms in das Not- gießbett unterbrochen.

3.3. Versuchsanalysen

Nach jeder Kampagne wird der Granulator sorgfältig geprüft, mit Schwerpunkt auf:

• Verschleißerscheinungen und dessen Auswirkung im Granulator – insbesondere am rotierenden Drehteller –,

• Menge an granulierter Schlacke,

• Granulatqualität,

• Umweltparameter, Energie- und Massenbilanz, Abgasparameter, usw.

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Alle aufgezeichneten Messdaten jedes Versuchs werden systematisch analysiert. In der folgenden Tabelle sind typische Hauptparameter eines Granulationsversuchs beschrie- ben (Parameter bei stationären Betriebsbedingungen):

Durchschnittlicher Schlackenstrom Tonne/Stunde 30 – 45

Dauer der Granulation min ~ 60

Granulierte Schlacke Tonnen 30 – 40

Temperatur des Wirbelbetts/

Granulataustragstemperatur °C 300

Gesamter Prozessluftstrom kNm³/h 120 – 170

Tabelle 1:

Typische Hauptprozessparame- ter eines Granulationsversuchs Basierend auf den aufgezeichneten Prozessdaten wird eine Energie- und Massenbi- lanz des Granulators erstellt. Dies ist eine wichtige Information zur Anpassung der Algorithmen zur Schlackenstrombewertung mit dem Prozessleitsystem. Eine typische Energiebilanz eines Granulationsversuchs ist im Bild 5 und Bild 6 zu sehen:

Granulat-Bett Temperaturanstieg -1,5 MW

Granulat -1,5 MW

Prozessluft - 12,5 MW Kühlwasser

1,5 MW

Schlackezufuhr 14 MW

Eintritt Austritt

Bild 5: Thermische Leistungsbilanz eines typischen Trockenschlackengranulationsversuchs

Schlackezufuhr 44,5 GJ

Granulat-Bett Temperaturanstieg -4,8 GJ

Granulat -4,9 GJ

Prozessluft - 39,8 GJ Kühlwasser

-4,7 GJ

Eintritt Austritt

Bild 6: Wärmebilanz eines typischen Trockenschlackegranulationsversuchs

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4. Granulatprodukt

Voraussetzung für den Start des Granulationsprozesses ist ein stationäres Granulatbett im Granulator. Schlacke wird für etwa eine Stunde granuliert, das Granulat im Granu- latbett gesammelt und gekühlt und kontinuierlich in eine Granulatbox ausgetragen.

Trockengranulat verlässt den Granulator mit Temperaturen bis zu 500 °C.

Bild 7: Trockenschlackengranulatprodukt

aus der Pilotanlage Bild 8: Trockenschlackengranulatprodukt aus der Pilotanlage

Die Erfüllung der geforderten Produktqualität für die Verwertung des Trockengra- nulatprodukts als Zementklinkerersatz ist ein wesentliches Ziel bei der Entwicklung des Verfahrens der Trockenschlackengranulation. Bestehende Qualitätsstandards für nassgranulierte Hochofenschlackeprodukte müssen eingehalten oder sogar übertroffen werden. Unter anderem wurden folgende charakteristische Granulatspezifikationen ausgewertet, um die Qualität des trockengranulierten Schlackenprodukts nachzuweisen:

• Mahlbarkeit,

• Glasgehalt und

• Zementeigenschaften.

Alle Daten wurden auf der Basis von Trockengranulatproben aus der Pilotanlage in Linz ermittelt. Produktanalysen wurden von den Instituten der Lösche Gruppe (Mahl- barkeitstests) und dem F.A. Finger Institut für Baustoffkunde der Universität Weimar (Produktanalysen) durchgeführt.

4.1. Mahlbarkeit

In einem technischen Maßstab wurden Mahlbarkeitstests von trockengranulierter Schlacke durchgeführt. Das gemahlene Trockengranulat wurde mit dem gemahlenen Nassgranulat verglichen. Es wurden mehrere Proben mit unterschiedlichem Feinheit gemahlen.

Ein weiterer Schwerpunkt des Mahlbarkeitstests lag auf der Feuchtigkeit des Aus- gangsmaterials. Trockenschlackegranulat hat, wenn es trocken gelagert wird, einen Feuchtigkeitsgehalt von nahezu Null. Nassgranulierte Schlacke weist je nach Lagerung und Entwässerungs-/Trocknungsanlage in der Regel einen deutlich höheren Feuchtig- keitsgehalt mit Werten von 10 % auf.

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Ist der Wassergehalt im Material für das Mahlen zu niedrig, wird in der Regel Wasser zugegeben, um den spezifischen Leistungsbedarf für das Mahlen zu reduzieren.

10 20 30 40 50 60 70

2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 5.500

Produkt Feinheit cm²/g (Blaine) spezifischer Energieverbrauch

kWh/t

Trockengranulat, 0,73 % Feuchte Trockengranulat, 2 % Feuchte Trockengranulat, 4 % Feuchte

Nassgranulat, 7,5 % Feuchte Nassgranulat, 0 % Feuchte

Bild 9: Mahlbarkeit – Leistungsmessdaten

Die Ergebnisse des Mahlbarkeitstests zeigen erwartungsgemäß den steigenden Leis- tungsbedarf bei steigender Produktfeinheit und reduziertem Feuchtigkeitsgehalt.

Überraschenderweise benötigt Trockenschlackengranulat bei gleichem spezifischen Mahlleistungsbedarf weniger Feuchtigkeitsgehalt als nassgranulierte Schlacke.

Höhere Feuchtigkeitsanteile des Mahlgutes erfordern eine zusätzliche Wärmeent- wicklung für die Produkttrocknung im Mahlprozess. Vergleicht man die 7,5 % feuchte nassgranulierte Schlacke mit 4 % trockengranulierter Schlacke mit annähernd ähnli- chem spezifischen Mahlleistungsbedarf, so muss für den Trocknungsprozess 30 kWh/t weniger Wärmeleistung bereitgestellt werden.

4.2. Glasgehalt

Die amorphe Phase bzw. der Glasgehalt ist ein ausgezeichneter Indikator für die Qualität von Schlackensand/Granulat als Zementklinkerersatz. Es wurden mehrere trocken- und nassgranulierte Schlackenproben von Hochofen-A-Schlacken in Linz analysiert.

Ein leicht reduzierter Glasgehalt der trockengranulierten Schlacke im Vergleich zur nassgranulierten Schlacke ist feststellbar.

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Es wird davon ausgegangen, dass die geringere Abkühlrate bei der Trockengranulation die Ursache für den reduzierten Glasgehalt ist. Der Glasgehalt der trockengranulierten Schlacke liegt aber noch im Bereich der typischen Werte für nassgranulierte Schlacke.

Probe Phasenzusammensetzung Ma.-%

Glasphase Melilith Akermanit Calcit

TG - 4379 95,5 2,7 1,1 < 1,0

TG - 6248 95,7 1,7 1,9 < 1,0

TGf2 - 4420 93,8 2,8 1,7 < 1,0

TGf4 - 4235 94,5 3,2 1,5 < 1,0

TGk - 4321 96,2 1,1 2,4 < 1,0

NG - 4349 98,4 0,4 0,6 < 1,0

NG - 6105 97,8 0,6 0,8 < 1,0

NGt - 4260 97,6 0,7 0,9 < 1,0

NGk - 4296 98,0 0,6 0,8 < 1,0

Tabelle 2:

Phasenzusammensetzung von Hüttensand in Linz

4.3. Zementeigenschaften

Granulierte Hochofenschlacke wird als Zementklinkerersatz für mehrere verschiedenen Zementklassen eingesetzt. Für die folgenden etablierten Zementklassen wurden Zementeigenschaften ausgewertet

• CEM II/B-S (30 % Hochofenschlacke, 70 % Portlandzementklinker)

• CEM III/A (50 % Hochofenschlacke, 50 % Portlandzementklinker)

• CEM III/B (70 % Hochofenschlacke, 30 % Portlandzementklinker)

Für die Untersuchung der Zementeigenschaften wurden 64 verschiedene Hochofen- schlackezementmischungen zusammengestellt.

Wasserbedarf, Erstarrungszeiten

TG Trockengranulat-Hochofenschlacke; NG Nassgranulat-Hochofenschlacke;

f2 Feuchtigkeit [%]; t Granulat getrocknet; 4379 Mahlfeinheit [blaine cm²/g]

k unterschiedliche Korngrößenverteilung gemahlenes Granulat

TG Trockengranulat-Hochofenschlacke; NG Nassgranulat-Hochofenschlacke;

f2 Feuchtigkeit [%]; t Granulat getrocknet; 4379 Mahlfeinheit [blaine cm²/g]

k unterschiedliche Korngrößenverteilung gemahlenes Granulat

CEM III/A mit WA EA EE

Ma.-% hh:mm

TG - 4379 31,5 03:20 04:00

TG - 6248 31,5 03:00 03:50

TGf2 - 4420 31,5 03:10 04:00

TGf4 - 4235 31,5 03:10 03:45

TGk - 4321 31,5 03:20 03:50

NG - 4349 31,5 03:30 04:00

NG - 6105 31,5 03:45 03:20

NGt - 4260 31,5 03:30 04:10

NGk - 4296 31,5 03:30 04:05

Tabelle 3:

Wasserbedarf und Erstarrungs- zeiten ausgewählter Zement mischungen

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Zwischen nass- und trockengranulierter Hochofenschlacke konnte kein signifikanter Unterschied in Bezug auf Wasserbedarf und Erstarrungszeiten festgestellt werden.

Hydratationswärme

Die Differenz der Hydratationswärme in Abhängigkeit vom Anteil der Hochofenschla- cke in der Zementmischung konnte für alle Zementmischungen eindeutig festgestellt werden. Es konnten keine systematischen Diskrepanzen in der Hydratationswärme zwischen Trocken- und Nassgranulationsproben festgestellt werden.

0 50 100 150 200 250 300

0 5 10 15 20 25

Druckfestigkeit N/mm² Hydratationswärme

J/g

nasse Granulation Regressionsgerade

trockene Granulation

Bild 10:

Zusammenhang von Hydrata- tionswärme und Druckfestigkeit

Bild 11:

Druckfestigkeit CEM II/B-S

0 10 20 30 40 50 60 70

1 2 7 28 56

Druckfestigkeit MPa

Tage dd Trockengranulat 3.600 cm²/g Nassgranulat 3.600 cm²/g Trockengranulat 4.300 cm²/g Nassgranulat 4.300 cm²/g

Trockengranulat 4.800 cm²/g Nassgranulat 4.800 cm²/g Trockengranulat 6.200 cm²/g Nassgranulat 6.200 cm²/g

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Ergebnisse zur Druckfestigkeit

Die Leistung des Zements wurde durch Festigkeitsmessungen der verschiedenen Ze- mentproben getestet. Eine Übersicht über die Ergebnisse der Druckfestigkeitsprüfungen ist in den Bildern 11 bis 13 dargestellt.

Bild 12:

Druckfestigkeit CEM III/A

Bild 13:

Druckfestigkeit CEM III/B

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Druckfestigkeit MPa

1 2 7 28 56

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Druckfestigkeit MPa

1 2 7 28 56

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Es konnten keine systematischen Unterschiede in der Festigkeit festgestellt werden.

Gemäß diesen Festigkeitsprüfungen kann kein Unterschied des Festigkeitsniveaus von trockengranulierter Hochofenschlacke im Verhältnis zur nassgranulierten Hochofen- schlacke festgestellt werden.

5. Ergebnisse und Ausblick

Der aktuelle Entwicklungsstand der Pilotanlage zur Trockenschlackengranulation be- stätigt, dass eine stabile Granulation für einen Schlackenstrom von bis zu 45 Tonnen pro Stunde erreicht werden kann. Folgende wesentliche Entwicklungsschritte sind geplant:

• Erhöhung der maximalen Durchflusskapazität der Pilotanlage für Schlacke auf bis zu 60 Tonnen pro Stunde,

• Prüfung der Prozessgrenzen zur Maximierung der Abgastemperatur,

• Langzeit-Granulationserfahrung zur Erkennung von Verschleiß und Schlackean- haftverhalten an potenziell kritischen Anlagenkomponenten.

6. Schlussfolgerung

Flüssighochofenschlacke stellt die größte noch ungenutzte Hochtemperatur-Energie- quelle in der Eisen- und Stahlindustrie dar. Die Konsortialpartner voestalpine Stahl GmbH, FEhS Building Materials Institute und die Montanuniversität Leoben, Prime- tals Technologies haben sich nach erfolgreicher Laborphase 1 im Zeitraum 2013 bis 2015 (40 kg/min) entschieden, in die Phase 2 einzutreten und eine semi-industrielle Pilotanlage zu installieren. Die Planung, Fertigung und Installation wurde im Mai 2017 abgeschlossen. Seit Juni 2017 wird die Pilotanlage in Batch-Kampagnen betrieben. In den ersten sechs Monaten lag der Schwerpunkt auf der Prozessoptimierung und der Sammlung von Betriebs-Know-how. Prozesssteuerungsparameter wurden entwickelt und implementiert. Ein paar hundert Tonnen Schlackenprodukt wurden granuliert.

Die Qualität des Produkts zeigt einen hohen Glasanteil von über 95 %. Zementpara- meter zeigen Werte, die auf dem gleichen Qualitätsniveau liegen wie nassgranulierte Hochofenschlacke. In der folgenden Zeit wird der Schwerpunkt auf der Gewinnung großer Datenmengen, der Kapazitätssteigerung, der Ablufttemperaturerhöhung, der Verbesserung der Prozesssteuerung, der Prozesssicherheit und der Bestimmung von Verschleißparameter liegen.

Die Vorteile des Trockengranulationsprozesses wurden bestätigt und sind signifikant.

Würde nur die Hälfte der betriebenen Hochöfen von Nass- auf Trockengranulation umstellen, könnten mehr als 3,5 Millionen Haushalte mit nachhaltigem Strom versorgt werden oder 6,5 Millionen Elektroautos auf Basis von 10.000 km pro Jahr gefahren werden.

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Die zusätzlichen Vorteile für die Zementhersteller liegen in der Verwendung eines erstklassigen Zementklinkeradditivs, das trocken, hochglasig, einfach zu handhaben ist und eine deutlich reduzierte CO₂-Bilanz aufweist. Dies macht es zu einer sehr guten Verfahren für die Erfüllung der Bedürfnisse der Kunden und Anlagenbetreiber.

Mit der Entwicklung und dem Betrieb der Pilotanlage zur Trockenschlackengranulation am Standort voestalpine Stahl in Linz rückt die Technologie der Trockenschlackengra- nulation der industriellen Vermarktung in greifbare Nähe.

7. Literatur

[1] Doschek, K.: Energetische Betrachtung einer Versuchsanlage zur trockenen Granulation von Hochofenschlacke. Masterarbeit, 2013. Montanuniversität Leoben, Leoben. Lehrstuhl für Ther- moprozesstechnik.

[2] Doschek, K.: Trockenschlackengranulation – Bewertung der Scheibenzerstäubung von Hoch- ofenschlacke mittels interaktiver Bilderfassung. Dissertation, 2017. Montanuniversität Leoben, Leoben. Lehrstuhl für Thermoprozesstechnik.

[3] Fenzl, T.: Dry Blast Furnace Slag Granulation with Waste Heat Recovery – presentation. In:

ECIC (Hg.): European Coke and Ironmaking Congress. 7th European Coke and Ironmaking Congress. Linz, 12.-14.09.2016.

[4] Fenzl, T.: Installation of a dry slag granulation pilot plant at blast furnace A of voestalpine.

In: ESTAD (Hg.): 3rd ESTAD – European Steal Technology and Application Days. Wien, 26.- 29.06.2017.

[5] Fenzl, T.: The future way to granulate blast furnace slag. In: AISTech (Hg.): AISTech 2018 – Steel’s Premier Technology Event. Philadelphia, 07.-09.05.2018.

[6] Kofler, M.: Dry Slag Granulation – Investigation on the Behaviour of Liquid Blast Furnace Slag in Combination with Heat Recovery. Dissertation, 2014. Montanuniversitaet Leoben, Leoben.

Chair of Thermal Processing Technology.

[7] Ludwig, H.-M.: Trockene Granulation zur Herstellung von Hüttensanden. In: 20. ibausil (Hg.):

Internationals Baustofftagung. Weimar, 12.-14.09.2018

[8] Werner, A.; McDonald, I.; Fleischanderl, A.: Dry Blast Furnace Slag Granulation with Waste Heat Recovery. In: ECIC (Hg.): European Coke and Ironmaking Congress. 7th European Coke and Ironmaking Congress. Linz, 12.-14.09.2016.

Ansprechpartner

Dr. Dipl.-Ing. Alexander Fleischanderl Primetals Technologies Austria

Technology Officer, Vice President Iron-, Steelmaking

& ECO Solutions Turmstrasse 44 4031 Linz, Österreich +43 732 6592 77125

alexander.fleischanderl@primetals.com

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Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, Thomas Pretz, Dieter Georg Senk, Hermann Wotruba (Hrsg.):

Mineralische Nebenprodukte und Abfälle 6 – Aschen, Schlacken, Stäube und Baurestmassen – ISBN 978-3-944310-47-3 Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH Copyright: Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Dr.-Ing. Stephanie Thiel Alle Rechte vorbehalten

Verlag: Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH • Neuruppin 2019 Redaktion und Lektorat: Dr.-Ing. Stephanie Thiel, Dr.-Ing. Olaf Holm,

Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc.

Erfassung und Layout: Elisabeth Thomé-Kozmiensky, Claudia Naumann-Deppe, Sarah Pietsch, Janin Burbott-Seidel, Ginette Teske, Roland Richter,

Cordula Müller, Gabi Spiegel Druck: Universal Medien GmbH, München

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