Inserat
Martin GmbH
Metallrückgewinnung
aus trocken ausgetragenen MVA-Schlacken
Edmund Fleck, Eva-Christine Langhein und Edi Blatter
1. Entwicklung ...324
2. Beschreibung der KVA Monthey ...325
3. Beschreibung des Verfahrens ...326
4. Betriebserfahrungen an der KVA Monthey ...328
5. Weiterentwicklung der MARTIN Trockenentschlackung und der Schla- ckenaufbereitung der SATOM SA ...331
6. Metallrückgewinnung und Verwertung ...333
7. Wertschöpfung ...336
8. Zusammenfassung und Ausblicke ...337
9. Literaturverzeichnis ...339
Schon 1713 formulierte Hans Carl von Carlowitz den Gedanken der nachhaltigen Nut- zung von Rohstoffen für die Holzwirtschaft, da Holz zu dieser Zeit ein knapper Rohstoff war. 300 Jahre später greift die Brundtland-Kommission diesen Gedanken wieder auf (1). Dauerhafte Entwicklung ist Entwicklung, die die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne zu riskieren, dass künftige Generationen ihre eigenen Bedürfnisse nicht befriedigen können. Die Begriffe Nachhaltigkeit und Dauerhaftigkeit sind gleichwertig und stehen für das Ziel, soziale, ökonomische und ökologische Bedürfnisse so zu erfüllen, dass keine Nachteile, wie z.B. eine Rohstoffverknappung, entstehen können.
Heute sind bestimmte Metalle knapp, wie z.B. Kupfer. Die Rückgewinnung von Me- tallen und anderen Rohstoffen aus Schlacken von Abfallverbrennungsanlagen gewinnt daher zunehmend an Bedeutung, Urban-Mining wird immer attraktiver. Neben der Energieeffizienz wird zukünftig der effizienten Nutzung von Rohstoffen, also der Res- sourceneffizienz, größere Bedeutung zukommen.
Vor allem in der Schweiz verfolgt die Politik das Ziel, aus Schlacke mehr Metalle, speziell Nichteisen-Metalle, in besserer Qualität und mit höherer Ausbeute als bisher möglich zurückzugewinnen. Um mit möglichst geringem Energieaufwand und hoher Effizienz dieses Ziel zu erreichen ist der trockene Austrag der Schlacke ein unverzicht- barer erster Schritt. Ein zweiter wichtiger Schritt ist die Beherrschung der trockenen Schlacke in Bezug auf das Staubverhalten der in ihr enthaltenen Feinanteile. Vor diesem Hintergrund wurde das Martin System der Trockenentschlackung entwickelt und in der Abfallverbrennungsanlage der SATOM SA in Monthey an den beiden bestehenden Linien großtechnisch umgesetzt.
SATOM SA
Die SATOM SA (Schweiz) wurde 1972 gegründet und wird von 94 Aktionärskom- munen getragen. Ihre Hauptaufgabe ist entsprechend dem Motto Energy Production
& Recovery die Behandlung von Abfall, der heute allgemein als wichtiger Rohstoff für die Produktion von Wärme und elektrischer Energie gesehen wird. SATOM SA betreibt die Kehrichtverbrennungsanlage in Monthey (KVA Monthey), eine Biogasanlage in Villeneuve, Fernwärmenetze für die Kommunen Collombey-Muraz, Monthey sowie Haut-Lac und liefert Prozessdampf an die Industrie. Darüber hinaus gewinnt die SATOM SA in der KVA Monthey Metalle aus der Schlacke direkt nach dem Verbren- nungsprozess zurück.
MARTIN GmbH für Umwelt- und Energietechnik
Gegründet 1925, ist MARTIN heute, gemeinsam mit seinen Partnern, weltweit füh- rend auf dem Gebiet der thermischen Behandlung und energetischen Nutzung von kommunalen und gewerblichen Abfällen tätig. Bis Mitte 2013 sind fast 400 Anlagen weltweit installiert worden, in denen täglich etwa 240.000 t Abfall umweltfreund- lich behandelt werden. Sie sind ausgelegt für eine thermische Leistung von etwa 25.300 MW, nach der Verbrennung bleiben etwa 52.000 t Schlacke pro Tag, die mit Ausnahme von wenigen Anlagen in Japan nass ausgetragen werden, was dem allge- meinen Stand der Technik entspricht.
Mit der Trockenentschlackung wird der Beitrag von Martin`s Technologien zur um- weltgerechten Behandlung von Restabfällen mit einer hohen Nutzung der Energie sinnvoll ergänzt. Sie bildet die Grundlage für eine Erhöhung der Rückgewinnungsraten von in der Schlacke enthaltenen Metallen und trägt damit zur nachhaltigen Rohstoff- nutzung bei.
1. Entwicklung
Seit Anfang der neunziger Jahre wurden in Japan Erfahrungen mit der Trockenent- schlackung gesammelt. Dort sind sechs Anlagen mit trockenem Austrag von Schlacken über den Martin Stößelentschlacker in Betrieb. Der trockene Austrag wurde 1996 in
der Abfallverbrennungsanlage München Nord, 1997 in der KVA Buchs und 2005 in der KVA KEZO Hinwil getestet.
Basierend auf diesen Erfahrungen wurde das Konzept entwickelt, den trockenen Austrag der Schlacke mit dem Stößelentschlacker im direkten Verbund mit einem Windsichter zu realisieren. Mit dieser Konfiguration wird auf die staubende Feinschlacke im tro- ckenen Schlackenstrom reagiert, die durch die Windsichtung aus dem Schlackenstrom abgetrennt wird. Der speziell für diese Anwendung ausgelegte Windsichter wurde in einer Technikumsanlage erprobt, mit dem Ergebnis, dass das neu entwickelte Aggregat als ergänzende Komponente zum Stößelentschlacker für den Austrag von trockener Schlacke aus der Verbrennung geeignet ist [2]. In Zusammenarbeit mit der SATOM SA ist dieses Konzept großtechnisch in der KVA Monthey umgesetzt worden.
Derzeit sind zwei KVA‘s in der Schweiz mit Trockenentschlackung ausgestattet. Dies sind die KVA Monthey der SATOM SA sowie die KEZO (Kehrichtverbrennung Zü- richer Oberland) in Hinwil.
Die KVA Monthey ist die erste und einzige Anlage in der Schweiz, in der die gesamte, trocken ausgetragene Schlacke aller Verbrennungslinien aufbereitet wird. Die Schlacke wird mit dem Stößelentschlacker ausgetragen. Direkt nach dem Entschlacker erfolgt die Abtrennung der Feinschlacke < 1 mm mittels Windsichtung. Diese Feinschlacke ist nahezu metallfrei. Die von der Feinschlacke befreite, metallangereicherte Grobschlacke wird, mit allen darin befindlichen Eisen- und Nichteisen-Metallen ohne Zwischenla- gerung der auf der Anlage bestehenden Metallrückgewinnung zugeführt. Diese ist in ihrer Konzeption für nasse Schlacke ausgelegt und wurde hinsichtlich ihres Aufbaus nicht angepasst. Lediglich die NE-Abscheider wurden kundenseitig optimiert.
In der Anlage der KEZO sind bisher zwei von drei Verbrennungslinien auf Trocken- austrag umgerüstet. Als Austragsystem wurde hier der Entschlackungskanal gewählt, d.h. die Schlacke wird vom Verbrennungsrost direkt auf eine Austragsförderrinne abgeworfen, auf der die Feinschlacke < 5 mm abgesiebt wird. Die durch diesen Kanal in die Feuerung strömende Luft wird zur Kühlung der Schlacke eingesetzt und gelangt danach in die Feuerung. Mit dieser Luft wird ein Teil des Schlackenstaubs in den Feu- erraum zurückgetragen und mit der Flugasche entsorgt. Um eine nahezu metallfreie Feinschlacke für die Weiterverarbeitung zu erhalten und weil die Feinschlacke alle Metalle < 5 mm enthält, hat die KEZO eine ausgeklügelte Sortieranlage zur Rückgewin- nung der Metalle gebaut. Die Grobschlacke wird der vorhandenen Metallaufbereitung nicht zugeführt.
2. Beschreibung der KVA Monthey
Die KVA Monthey liegt im Rhonetal. Sie hat 2 Verbrennungslinien. Die Verbrennungs- linien wurden nach den in der folgenden Tabelle dargestellten Vorgaben ausgelegt.
Bild 1: KVA Monthey, Auslegungsdaten
Die Linie 3 ist 1996 und die Linie 1 ist 2003 in Betrieb genommen worden. Beide Kehrichtverbrennungslinien sind mit Martin Rückschub-Rost und einem Kessel mit zwei Vertikalzügen und einem horizontalem Konvektionszug mit Schutzverdampfer, Überhitzer und Economiser ausgerüstet. Die nachgeschaltete Abgasreinigung jeder Linie besteht aus Elektrofilter, Nasswäscher und einer Denox-Anlage.
3. Beschreibung des Verfahrens
Das installierte Martin Trockenentschlackungssystem jeder Linie besteht aus den Kom- ponenten: Stößelentschlacker, Windsichter, Zyklon, Feinschlackesieb und Luftsystem mit Gebläse. Der vorhandene Stößelentschlacker wird weiterverwendet, jedoch ohne Wasser betrieben. Die trocken aus dem Verbrennungssystem ausgetragene Schlacke wird einem direkt angeflanschten Windsichter zugeführt (Bild 2).
Der Schlackentransport im Windsichter erfolgt mittels Vibration über mehrere Stu- fen. Dabei wird der Fein- und Staubanteil der Schlacke mittels Windsichtung von der Grobschlacke abgetrennt.
Der Windsichter ist eingehaust. In der Einhausung wird über den Lufthaushalt für die Windsichtung ein Unterdruck eingestellt. Damit wird verhindert, dass Staub ins Kessel- haus und über den Entschlacker Falschluft in den Feuerraum gelangt. Für Letzteres wird zusätzlich die Schlacke im Schlackenschacht aufgestaut. Die Oberflächentemperatur des Entschlackers und der Schlacke liegen im Mittel bei 60 °C.
Die trockene Schlacke wird mit dem Trockenentschlackungssystem in drei Produktströ- me aufgeteilt, Grobschlacke, Feinschlacke und Schlackenstaub. Die aus dem Feuerraum über den Entschlacker ausgetragene Schlacke gelangt in den Windsichter. Hier wird der erste Produktstrom, die Grobschlacke separiert und mit dem anschließenden Transportband zur Schlackenaufbereitung gefördert.
Einheit L 1/L 3 Abfalldurchsatz t/h 12/10 Heizwert kJ/kg 11.160/12.600 Bruttowärmeleistung GJ/h 135 Dampfdruck bar 50 Dampftemperatur °C 410 Dampfmenge t/h 45,7 Speisewassertemperatur °C 130 Abgastemperatur nach Kessel °C 180
Für das Aussortieren von Grobschlackebestandteilen größer 50 cm ist am Ende des Sichters ein Stangensieb installiert. Diese Bestandteile werden von der restlichen Grobschlacke getrennt und in einer Mulde gesammelt. Zur Überwachung ist ein Flammenmelder und eine optische Kamera montiert (Bild 3).
Umgebungsluft
Staub- abscheidung
Fein- schlacke Windsichter
Schlackestrom Absaugluftstrom Grobschlacke Kabine
Umge- bungsluft
Schlacken- staub
Bild 3: Fertig montierter Windsichter
Bild 2: Prinzipskizze der Trockenentschlackung mit integrierter Entstaubung
Feinschlacke und der Schlackenstaub werden aus dem Schlackenstrom von der, den Windsichter im Querstrom durchströmenden Luft, mitgerissen, mit dieser Luft aus dem Windsichter ausgetragen und zum Zyklon gelei- tet. Hier wird die Feinschlacke aus dem Luftstrom abgeschieden (Bild 4).
Die entfrachtete Windsichterluft, mit dem Schlackenstaub, wird als Teil- strom der Sekundärluft zugeführt.
Der Metallanteil in der Feinschlacke wird über die Absauggeschwindigkeit im Windsichter gesteuert. In ihr enthaltene, mit dem Wind mitgerissene, großflächige, leichte Bestandteile, wie z.B. Dosendeckel, werden im Zyklon mit der Feinschlacke ausgeschieden, in einer nachgeschalteten Siebrinne (Bild 5) abgetrennt und in die Grobschlacke zurückgeführt.
Bild 4: Stahlbau, Zyklone und Gebläse Bild 5: Siebrinne
Kleine schwere Metallnuggets verbleiben in der Grobschlacke. Die vom Überkorn befreite Feinschlacke wird pneumatisch in ein Silo transportiert, dort für die weitere Verwertung gesammelt und kann z.B. in der Flugaschewäsche als Zementersatz ein- gesetzt werden.
Das Trockenentschlackungssystem kann bei Betriebsstörungen auch nass, d.h. mit nassem Schlackenaustrag über den Stößelentschlacker betrieben werden, ohne dass die Gesamtkonfiguration des Systems diesem Betriebsfall angepasst werden muss. Im nassen Betriebsfall wird der Entschlacker geflutet und die Luftzuführung zum Wind- sichter unterbrochen.
Die Trockenentschlackung ist flexibel einsetzbar. Hinsichtlich der Luftführung gibt es verschiedene Varianten, die anlagenspezifisch anwendbar sind. Eine Erhöhung des Luftüberschusses in der Feuerung ist mit diesem System nicht zu befürchten.
4. Betriebserfahrungen an der KVA Monthey
Die Inbetriebnahme der Trockenentschlackung an der KVA Monthey erfolgte im April 2010. Die Betriebserfahrung von mittlerweile mehr als drei Jahren demonstriert die verfahrenstechnische Funktionalität.
Brand- und Temperaturüberwachung
Maßnahmen zur Brandvorbeugung wie Temperaturmessung und Flammenerkennung sowie eine frühzeitige Kühlung von sehr heißen Schlackenpartikeln gewährleisten, dass
Tabelle 1: Anteil kleiner 1 mm in den Schla- ckenfraktionen
Anteil < 1 mm % Grobschlacke 6,4 bis 12,1 Feinschlacke 97,9 bis 99,3 Schlackenstaub 100
Tabelle 2: Staubender Anteil in den Schlacken- fraktionen kleiner 63 µm
Anteil < 63 µm % Grobschlacke 0,4 bis 0,6 Feinschlacke 20 bis 35 Schlackenstaub 100
die nachgeschalteten Förderbänder keinen Schaden nehmen und keine Brandgefahr besteht. Aufgrund der Schlackenkühlung gibt es keine zu heißen Schlackepartikel nach dem Windsichter. Die Eindüsung von Wasser erfolgt, wie vom Kunden vorgegeben, nur in Ausnahmefällen.
Abrasionsschutz und Dimensionierung
Für die Absaugrohrführung, den Entstauber und das Gebläse werden abrasionsfeste Materialien eingesetzt. Die freien Querschnitte für Doppelpendelklappe und Abführ- rohre nach Siebrinne wurden so dimensioniert, dass eine Brückenbildung der trockenen leichten Schlackenbestandteile ausgeschlossen ist.
Feinschlacke
Wie Tabelle 1 zeigt, wird die Feinschla- cke mit einer vorrangigen Korngröße von < 1 mm abgeschieden.
Dies hat den Vorteil, dass die staubende Fraktion in der Feinschlacke angerei- chert wird und damit die Vorgabe einer ausreichenden Entstaubung erreicht wird. Der Anteil potenziell staubender Partikel in der Grobschlacke wird gleichzeitig wesentlich verringert und verhilft zu einer leichteren Handhabung bei Transport, Aufbereitung und Verwertung.
Schlackenstaub
In der Baustofftechnik wird die Fraktion kleiner 63 µm (Tabelle 2) im Allgemeinen als Staub oder Schluff bezeichnet. Die nachstehende Tabelle zeigt, wie hoch der Staubanteil in den Schlackenfraktionen ist.
Es ist zu erkennen, dass der überwie- gende Teil in der Feinschlacke und im Schlackenstaub enthalten ist.
Die Schlackenförderanlagen der KVA Monthey wurden optimiert. Sie wurden mit einer leichten Einhausung versehen um in der Grobschlacke enthaltenen, aufgewirbelten Reststaub über die Windsichtung mit abzusaugen. Eine staubdichte Einkapselung ist nicht notwendig. Letz- tere wäre bei einem Störfall schwer zugängig und müsste redundant ausgelegt werden.
Massenbilanz
2010, 2011 und 2012 wurden Bilanzierungen der Reststoffströme bei trockenem Betrieb durchgeführt. Im Folgenden angegebene Konzentrationen beziehen sich auf
Abfall
Entschlacker Windsichter Feuerungssystem
Staubabscheider
Flugstaub
Schlacke Grobschlacke Feinschlacke Schlackenstaub
kg/tAbfall
172 ± 19 158 ± 15 14 ± 5 1 ± 0,2
Rostschlacke Feinschlacke 7,0
6,0 6,5
5,0 5,5
4,0 4,5
3,0 3,5
2,5 2,0
0,5 1,0 1,5
%
Grobschlacke TOC
0
DepV DK II DepRL EU A DepRL EU B1a
DepV DK I TVA
den Abfalldurchsatz. Die resultierenden durchschnittlichen Stoffströme sind in Bild 6 dargestellt. Schlacke und Grobschlacke enthalten Metalle.
Bild 6: Massenbilanz Schlackenströme KVA Monthey
Qualität
Ein Vergleich der umweltrelevanten Inhaltsstoffe von Feinschlacke und Grobschla- cke zeigt, dass die Konzentration fast aller Organika in der Grobschlacke geringer ist. Schwermetalle, die in wasserlöslichen Verbindungen vorliegen, werden mit der Feinschlacke abgetrennt [4]. Die Gesamtkonzentration von Cadmium und Zink in der Grobschlacke nimmt deutlich ab. Verglichen mit der Feinschlacke sinkt die Aus- laugbarkeit von fast allen Metallen und Salzen.
Bild 7: Vergleich des Ausbrands
Bild 8: Austrags- und Sichtereinheit Trockenentschlackung mit Entstaubung
Die Trockenentschlackung führt zu einer deutlichen Verringerung der Konzentration von umweltrelevanten Inhaltsstoffen in der Grobschlacke. Dies ist besonders gut am Ausbrand- parameter TOC (Bild 7) zu sehen. Für die Grobschlacke liegt der TOC im Mittel bei etwa 0,4 ± 0,5 Gew.-% und bei der Feinschlacke bei etwa 1,4 ± 0,4 Gew.-%. Den Summen- parameter TOC beeinflussende Inhaltsstoffe werden in der Feinschlacke angereichert.
Der durchschnittliche TOC-Wert der Schlacke wurde rechnerisch mit Hilfe der Stoff- stromanalyse ermittelt.
Alle Schlacken erfüllen die Anforderungen der technischen Verordnung Abfall (TVA) in der Schweiz, der Deutschen Deponieverordnung (DepV) und der Europäischen Deponierichtlinie (DepRL) an den Ausbrand.
Die dargestellten Ergebnisse sind Durchschnittswerte der Anlage KVA Monthey. Sie sind nicht ohne weiteres übertragbar, da Betriebsbedingungen und Brennstoffzusam- mensetzung die Schlackenqualität stark beeinflussen. Für die Einschätzung anderer Anlagen sind eigene Untersuchungen sinnvoll.
5. Weiterentwicklung der MARTIN Trockenentschlackung und der Schlackenaufbereitung der SATOM SA
Die Haube wird zukünftig in Form einer konstruktiv vom Windsichter getrennten Kabine ausgeführt (Bild 8), die ständig im Unterdruck gehalten wird, so dass kein Staub in das Kesselhaus ausgetragen wird. Die Baubreite des Windsichters richtet sich nach der Nennbreite des eingesetzten Entschlackers. Der Entschlacker kann mit einer anhebbaren Vorderwand ausgestattet werden, um den Austrag sperriger Schlackenbe- standteile zu erleichtern. Die Anordnung des Windsichters zum Entschlacker kann in Schlackenflussrichtung oder um 90° quer zur Schlackenflussrichtung erfolgen.
Der Windsichter kann die Leistung einer vorhandenen, nachgeschalteten Schlacken- aufbereitung erheblich erhöhen, da er die Feinschlacke vor dem Aufbereitungsprozess abscheidet. Die Siebmaschinen werden entlastet und die Metallabscheider können effizienter ausgelegt werden.
Bild 9: Windsichter, Containerverladung Bild 10: Windsichter, Förderband, Contai- nerverladung
Bild 11: Konzept eines Anlagenverbundes mit Trockenentschlackung
Das nach Windsichter folgende Förderaggregat, das in Förderrichtung oder um 90°
gedreht eingeplant werden kann, ist zum Teil in die Kabine integriert und bildet mit dem Windsichter eine lufttechnische Verbindung. Dadurch wird gewährleistet, dass an der Übergabestelle zum nachfolgenden Aggregat kein Staub freigesetzt wird.
Dieses kann z.B. ein direkt anschließender Standard-Container sein, der zu einem nachgerüsteten Verladesystem im Schlackebunker gehört (Bilder 9 und 10). Die Zu- führung und das Umschichten der Container erfolgt mittels der bestehenden Schla- ckenbunkerkräne.
Bei einer Anpassung an den heutigen Stand der Technik der bei SATOM SA installier- ten Metallabscheidung ist eine höhere Rückgewinnungsrate an Metallen zu erwarten.
Zurzeit plant SATOM SA, die Aufbereitung der Schlacke zur Metallrückgewinnung auf einer Schlackendeponie neu aufzubauen.
50
40
30
20
10
Verteilung Fe-Metalle
%
0 FS
< 1 GS
< 2 GS 2 bis 16
GS 16 bis 32 mm
GS 32 bis 63
GS
> 63
Bild 12:
Verteilung der Fe-Metalle Fein- schlacke (FS) und Grobschlacke (GS)
Dort sollen 250.000 t abgelagerte Schlacken und die jährlich in der KVA Monthey anfallenden 30.000 t Schlacke in einem neu zu konzipierenden Aufbereitungszentrum verarbeitet werden. Die weitgehend entstaubte Grobschlacke soll in der KVA Monthey, direkt im Anschluss nach dem Windsichter, in Container verladen und zur Aufberei- tungsanlage transportiert werden. Der Transport ist einfach durchzuführen, da wie in Kapitel 4 dargestellt die Trockenentschlackung den Anteil an staubenden Partikeln in der Grobschlacke enorm reduziert. Das verhilft zu einer leichteren Handhabung bei Transport, Aufbereitung und Verwertung. Ein gekapselter Transport ist nicht nötig.
Denkbar wäre auch die Schlacke mehrerer Anlagen zu einer Schlackenaufbereitungs- anlage zu transportieren und dort zu behandeln.
Bild 11 zeigt ein mögliches und wirtschaftliches Logistikkonzept. Basis ist hier der Gedanke, die weitergehende Metallseparation sowie die Aufbereitung der minerali- schen Schlackefraktion nicht an der KVA selbst sondern in einer großen, zentralen Aufbereitungsanlage durchzuführen, die von mehreren KVA’s mit Trockenentschla- ckung beliefert wird.
6. Metallrückgewinnung und Verwertung
Die aussortierbaren Metalle werden mit der Trockenentschlackung in der Grobschlacke angereichert. NE-Metalle sind insbesondere in der Fraktion 2 – 32 mm und Fe-Metalle sind in den Fraktionen >16 mm zu finden (Bilder 12 und 13).
Dieser Effekt hängt mit der massenabhängigen Fraktionierung im Windsichter zusam- men und wird von der gewählten Absauggeschwindigkeit beeinflusst. Im Vergleich zur Fraktionierung der Schlacke mittels korngrößenabhängiger Siebung wird der Metallanteil in der Feinschlacke stark reduziert.
Neben der Abtrennung von Feinschlacke und Grobschlacke erfolgt gleichzeitig eine Anreicherung von schweren Metallen in der Grobschlacke. Bezogen auf die Schlacke ist der Anteil der mechanisch abtrennbaren Metalle in der Feinschlacke so niedrig, dass eine Metallabscheidung aus dieser Fraktion nicht rentabel ist. Deshalb und weil der
Bild 13:
Verteilung NE-Metalle in FS und GS
8
6 7
5
3 4
1 2
Verteilung NE-Metalle
%
0 FS
< 1 GS
< 2 GS 2 bis 16
mm GS 16 bis 32
GS 32 bis 63
GS
> 63
Gesamtschlacke < 64 mm
100 %
Schlackenstaub 0,5 % - 0,8 %
≤ 100 µm 10,1 % - 6,2 %
≤ 1 mm 10,6 % - 10,3 %
74,4 % - 79,4 %
4,4 % - 3,3 % Feinschlacke
Grobschlacke
89,4 % - 93 %
> 1 mm
Fe-Metalle
Minerale
NE-Metalle
Massenstrom der Grobschlacke im Vergleich zur Schlacke geringer ist, kann mit der Trockenentschlackung die Metallsortieranlage effizienter ausgelegt werden. Gleichzeitig werden die Kosten für die Metallrückgewinnung reduziert.
Bild 14: Stoffbilanz – Metalle der KVA Monthey
Die nachstehenden Bilder zeigen einen Vergleich der durchschnittlichen, aussortierba- ren Metalle aus nasser und trockener Schlacke. Schwankungen im Brennstoffmix, der Wirkungsgrad der Metallabscheidung und Alterationsvorgänge können die Abschei- deraten beeinflussen. Im ersten Fall handelt es sich um die mögliche Steigerung der Metallrückgewinnungsraten in der KVA Monthey (Bild 15). Bild 16 zeigt im Vergleich das mögliche Potential der Fe- und NE-Metallrückgewinnung anderer Anlagen [5, 6, 7, 8]. Entsprechend dieser Werte können aus der trockenen Schlacke mehr Fe-Metalle abgeschieden werden als aus nassen Schlacken. Tendenziell ist das Rückgewinnungs- potential aus trockenen Schlacken sehr viel höher als bei nassen Schlacken.
NE 12
10
6 8
2 4
Fe trocken
+ 8 % Rückgewinnungsrate
% + 56 %
0
nass
NE 12
10
6 8
2 4
Fe trocken
+ 26 % + 80 %
0
nass Rückgewinnungsrate
%
Bild 15: Steigerung Rückgewinnungsraten
KVA Monthey Bild 16: Steigerung Rückgewinnungsraten andere Anlagen
Sieb 2 Sieb 1
Trocken- schlacke
> 1 mm
Brecher
AbscheidungFe- AbscheidungFe-
AbscheidungNE- AbscheidungNE-
AbscheidungFe-
AbscheidungNE-
VA und Verbund-
NE Abscheidung VA und Verbund
NE Abscheidung VA und NE-
Verbunde VA und NE-
Verbunde
Rest Fe
20-60 mm 6-20 mm
1-6 mm < 20 mm > 60 mm
Option
NE
Fe
NE
Fe
NE
Bild 17: Schema einer Schlackenaufbereitung
Im Vergleich zu anderen Anlagen mit durchschnittlich 1 %, hat die KVA Monthey bereits eine hohe Rückgewinnungsrate von etwa 2 % NE-Metallen aus der nassen Schlacke. Deshalb fällt die Steigerungsmöglichkeit hier geringer aus.
Bei Einsatz einer trockenen Entschlackung können prinzipiell auch andere wertvolle Metalle wie Gold, Silber und seltene Erden zurückgewonnen werden. Die puzzola- nischen Eigenschaften der mineralischen Fraktion bleiben erhalten. Die SATOM SA in Monthey verwendet die Feinschlacke in der dort installierten Flugaschewäsche als Ersatz für Zement. Ein Einsatz der Feinschlacke in der Zementindustrie ist ebenfalls möglich [9], wobei noch detaillierter untersucht werden muss, wie dieser Stoffstrom sich im Vergleich zu den von ihr zu substituierenden Produkten materialtechnisch verhält [10]. Der Einsatz als Deponiebaustoff ist darüber hinaus jederzeit uneinge- schränkt denkbar.
Bild 18:
Eisen, Messing, Kupfer und Alu- minium aus trockener Schlacke sortiert
Das Schema einer möglichen Aufbereitung ist in Bild 17 dargestellt. Das Konzept kann sowohl für eine von mehreren Abfallverbrennungsanlagen belieferte, zentrale Trocken- schlackenaufbereitungsanlage, als auch für eine in einer Abfallverbrennungsanlage integrierte Aufbereitung eingesetzt werden. Es ist unabhängig von Produktionsort und -art der trockenen Schlacke einsetzbar.
Die durch den Windsichter vorentstaubte und klassierte Grobschlacke größer 1 mm wird gesiebt. Schlackenbestandteile größer 60 mm werden gebrochen und dem Pro- zess erneut zugeführt. Optional kann die Fraktion kleiner 20 mm nochmals gesiebt werden, um die Ausbeuten zu erhöhen. Alle Fraktionen durchlaufen dann jeweils eine Eisenabscheidung und eine Nichteisenabscheidung. Die Fraktion größer 60 mm durchläuft eine separate Edelstahl- und Verbund-NE Abscheidung. Die aussortierte Restschlacke kann dann einem weiterführenden Entsorgungs- oder Verwertungsweg zugeführt werden.
7. Wertschöpfung
Bei einer Umrüstung auf Trockenentschlackung kann mit zusätzlichen Erlösen aus dem Verkauf von Fe- und NE-Metallen gerechnet werden. Es können mehr Metalle abgetrennt werden, in höherer Qualität, da die bei Nassentschlackung typischen, grauen Schlackenüberzüge fehlen (Bild 18).
Die Metalle liegen in einer sauberen, leicht abtrennbaren, nicht korrodierten und qua- litativ hochwertigen Form vor. Darüber hinaus sind in der trockenen Schlacke mehr sortierbare Metalle enthalten.
Die tatsächlichen Erlöse werden zum einen von den real zurückgewinnbaren Mengen, aber vor allem auch den stark schwankenden Marktpreisen beeinflusst. Beispielsweise liegt die derzeitige Vergütung für Eisenmetalle bei etwa 5 bis 7 % der NE-Metalle.
Die mögliche prozentuale Steigerung des Ertrags für Fe- und NE-Metalle zeigt die folgende Grafik.
NE 100
Ertragssteigerung
%
60 80
20 44
Fe Ertraganteil trocken 0
Ertraganteil nass
Bild 19: Prozentuale Ertragssteigerungen
Im Wesentlichen sind höhere Erlöse über die NE-Metalle zu erwarten. Wei- terhin reduzieren sich die laufenden Kosten durch sinkende Aufwendungen für Transport und Entsorgung, da sich die abzulagernde Schlackenmenge wegen des fehlenden Wassers und der aussortierten Metalle reduziert.
Gegengerechnet werden müssen Kosten für den Umbau auf Trockenentschla- ckung, für den Energieverbrauch neuer Anlagenteile wie z.B. den Windsichter, für Wartungsaufwand, eventuell für die Entsorgung der Feinschlacke und – falls gewünscht – für eine eigene Metallrück- gewinnungsanlage.
8. Zusammenfassung und Ausblicke
Die in diesem Beitrag beschriebene Martin Trockenentschlackung ist in der KVA Monthey erfolgreich umgesetzt worden. Es ist die erste und einzige Anlage in der Schweiz, in der die gesamte, trocken ausgetragene Schlacke ohne Zwischenlagerung hinsichtlich Eisen und Nichteisenmetallabscheidung, aufbereitet wird. Die Betriebser- fahrung von mittlerweile mehr als drei Jahren demonstriert die verfahrenstechnische Funktionalität. Alle Vorgaben des Betreibers sind erfüllt worden. Das sind:
• Abtrennung der Feinschlacke kleiner 1 mm von der Schlacke,
• ausreichende Abkühlung der Schlacke bis zum bestehenden Transportsystem, wo- bei eine Wasserbedüsung der Schlacke möglich, jedoch die absolute Ausnahme ist,
• ausreichende Entstaubung der Schlacke,
• sauberere Fe- und NE-Metalle,
• Gewichtsreduzierung der zu transportierenden Schlacken,
• bessere Qualität der abgeschiedenen Grobschlacke im Vergleich zur Schlacke,
• Störungsfreier Betrieb des Trockenaustrags mit Windsichtung, des bestehenden Schlackentransportsystems und der vorhandenen Schlackenaufbereitungsanlage.
In der separierten Grobschlacke sind alle Fe- und NE-Metalle aus der gesamten Schlacke enthalten. Qualität und Abtrennbarkeit der Metalle werden durch die Trockenentschla- ckung signifikant gesteigert. Das Rohstoffpotenzial der Grobschlacke ist durch höhere Abscheideraten bei Fe- und NE-Metallen, kombiniert mit einer geschickt konfigurierten
Sortiertechnik, besser nutzbar. Insbesondere hinsichtlich der NE-Metalle ist eine höhere Ausbeute möglich. Der mineralische Anteil der Schlacke kann als Deponieersatzstoff, Versatzmaterial oder in der Schweiz als Zementersatz in der Flugaschewäsche einge- setzt werden. Eine Wiederverwertung im Rahmen der Zementherstellung scheint gut möglich zu sein, bleibt jedoch noch zu untersuchen.
Die Qualität der Grobschlacke verbessert sich signifikant. Dies zeigt besonders gut der Ausbrandparameter TOC, welcher die Anforderungen der Deutschen Deponie- verordnung, der Europäischen Deponierichtlinie und der Schweizer TVA mit hoher Sicherheit erfüllt.
Die Trockenentschlackung entsprechend der in der KVA Monthey umgesetzten Technologie bietet zahlreiche technische Vorteile gegenüber anderen auf dem Markt angebotenen Verfahren. Es verfügt über eine definierte Absaugluftmenge und die Nut- zung dieser Luft als vorgewärmte Sekundär- oder Primärluft, so dass der Verbrennung keine Falschluft zugeführt wird. Es besteht jederzeit die Möglichkeit, den Entschlacker wahlweise nass oder trocken fahren zu können, so dass auch im Störungsfall, d.h. bei brennenden Teilen im Entschlacker, eine hohe Sicherheitsreserve besteht durch die Flutungsmöglichkeit der Entschlackerwanne. Die Separierung der stark staubenden Feinschlacke verringert Staubemission und erhöht die Effizienz einer Schlackenaufbe- reitung erheblich. Maßnahmen hinsichtlich Staub- und Abrasionsschutz sind wichtig und wurden berücksichtigt.
Den Errichtungs- und Wartungskosten der Trockenentschlackung sind Ersparnisse durch sinkende Entsorgungs- und Transportkosten, durch den fehlenden Wasseranteil sowie Gewinne durch die bessere Vermarktbarkeit der qualitativ höherwertigen Fe- und NE-Metalle sowie höherer NE-Rückgewinnungsraten gegenüber zu stellen. Die Metall- rückgewinnung kann zusätzlich noch wesentlich effizienter ausgelegt werden. Durch die Abscheidung von Feinstäuben reduzieren sich die Kosten und Aufwendungen für Staubschutzmaßnahmen im Rahmen der weiteren Aufbereitungsschritte wesentlich.
Die Trockenentschlackung kann als Sekundärluft-, Primärluft- und Absaugsystemva- riante eingesetzt werden. Der Lieferumfang enthält – je nach Kundenwunsch – den Windsichter mit Entstaubung, den Windsichter mit Entstaubung und Förderung oder auch den Windsichter mit Entstaubung, Förderung und nachgeschalteter Aufberei- tung. Staubschutzmaßnahmen und Einhausung sind selbstverständlich jeweils im Lieferumfang enthalten.
Die Trockenentschlackung ist ein zentraler Baustein im Rahmen des Urban Mining.
Die KVA der Zukunft wird nicht nur energieeffizient und schadstoffarm zu betreiben sein, sondern auch eine wichtige Position in einer Kreislaufwirtschaft bei der weitge- henden Rückgewinnung von Metallen spielen. Hierbei liegt der Fokus nicht nur auf den Fe- und NE-Metallen sondern auch auf seltenen und sich zunehmend verknappenden Spuren-Metallen (z.B. Edelmetallen).
9. Literaturverzeichnis
[1] Ell, R.; Kuhn, G.: http://www.br.de/radio/bayern2/sendungen/iq-wissenschaft-und-forschung/
nachhaltigkeit-ressourcen-umwelt-100.html. [Online] 04. Juni 2013
[2] Martin,J. J. E.; Langhein, E.-C.; Brebric,D.; Busch, M.: Die Martin Trockenentschlackung mit integrierter Klassierung. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Ab- fall, Band 6. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2009
[3] Westiner, E.: mündliche Auskunft. s.l. : Materialprüfungsamt – MPA Bau, Abteilung Baustoffe, 2013
[4] Fierz, R.; Bunge, R.. Trockenaustrag von KVA-Schlacke. Rapperswil: UMTEC, 2007
[5] Friedl, K.: Erstellung und Bewertung eines Konzeptes zum trockenen Schlackeaustrag in der MVA Augsburg. Weihenstephan-Triesdorf: s.n., 2012
[6] SATOM: www.satom.ch (Online), 2010
[7] Zweckverband Kehrrichtverwertung Züricher Oberland: http://www.kezo.ch/ (Online) [8] Zweckverband Abfallverwertung Südostbayern: http://www.zas-burgkirchen.de/muellheiz-
kraftwerk/reststoffe.php (Online)
[9] Beckmann, M.; Langhein, E.-C.; Liebrich, C.: Prozessintegrierte Verbesserung der Qualität von Aschen aus Abfallverbrennungsprozessen für den Einsatz als Baustoff. Weimar: Bauhaus-Uni- versität Weimar, Lehrstuhl Verfahren und Umwelt, 2004
[10] Pestalozzi, A.: Analysis and Characterisation of Metal-Depleted Dry Incinerator Bottom Ash.
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Die Deutsche Bibliothek – CIP-Einheitsaufnahme Aschen • Schlacken • Stäube
– aus Abfallverbrennung und Metallurgie – Karl J. Thomé-Kozmiensky.
– Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2013 ISBN 978-3-935317-99-3
ISBN 978-3-935317-99-3 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 2013
Redaktion und Lektorat: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Dr.-Ing. Stephanie Thiel, M.Sc. Elisabeth Thomé-Kozmiensky
Erfassung und Layout: Ginette Teske, Ina Böhme, Petra Dittmann, Cordula Müller, Fabian Thiel, Martin Schubert
Druck: Mediengruppe Universal Grafische Betriebe München GmbH, München Foto auf dem Buchdeckel: Dipl.-Ing. Daniel Böni, KEZO Kehrichtverwertung Zürcher Oberland
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