Recyclingpotenziale von Metallen bei Rückständen aus der Abfallverbrennung

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1 Recyclingpotenziale von Metallen bei Rückständen aus der Abfallverbrennung Berliner Schlackenkonferenz Berlin, R. Deike, D. Ebert, D.Schubert, R. Ulum, Institut für Metallurgie und Umformtechnik, Universität Duisburg-Essen R.Warnecke, Gemeinschaftskraftwerk Schweinfurt GmbH M. Vogell, C.C. Reststoff-Aufbereitung GmbH + Co. KG, Würzburg

2 Inhalt 1. Wann sind Recyclingprozesse sinnvoll? 2. Metalle in MV Schlacken 3. Metallrecycling im Rahmen von konventionellen Aufbereitungsprozessen von MV-Schlacke 4. Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 5. Mögliche Recyclingverfahren 6. Zusammenfassung 1

3 1.Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q.2013 Relative Änderung Quartalsmittelwert [%] 1.Q.2000 = 0% Preisveränderungen bei diversen Metallen (1.Q = 100%) Kupfer Nickel Zink Aluminium Wann sind Recyclingprozesse sinnvoll? 2

4 Die 5 wichtigsten Nationen bei der globalen Nachfrage nach Rohstoffen im Jahr 2011 Nach Daten der DERA: Deutschland Rohstoffsituation 2011, 1. Wann sind Recyclingprozesse sinnvoll? 3

5 Elementgehalte von abbauwürdigen Erzen in der Erdkruste Stribrny, B.; Wagner, M.: Geowissenschaftliche Aspekte der Verfügbarkeit von Rohstoffen für die Stahlindustrie, Stahltag, Düsseldorf 10./ Wann sind Recyclingprozesse sinnvoll? 4

6 Durchschnittliche Müllzusammensetzung im Einzugsbereich des Gemeinschaftskraftwerks Schweinfurt GmbH Warnecke, R.; Deike, R.; Ebert, D.; Vogell, M.: 17. Internationaler Erfahrungsaustausch für Betreiber thermischer Abfallbehandlungsanlagen Dreiländertreffen, Linz, Metalle in MV-Schlacken 5

7 Nichtmetallische Bestandteile die bei Sortieruntersuchungen als Metall mit erfasst werden Quelle: R.Warnecke Deike, R. Ebert, D.; Schubert, D.; Ulum, R, Warnecke, R.; Vogell, M.: 12. VDI Fachkonferenz Feuerung und Kessel, Köln, Metalle in MV-Schlacken 6

8 Verbrennung einer Fischdose aus Aluminium Holz auf rotglühender Oberfläche rund 850 C; Gasphase im Flammenbereich rund C Fisch-Dose: Gewicht Gewicht bez. auf "aus Spülmasch." [g] [%] Volle Dose ,6% angegebene Einwaage ,6% theoretisches "Metallgewicht" ,0% einfach entleert gut entleert ,2% sauber entleert ,7% "ausgeleckt" aus Spülmaschine, getrocknet ,0% nach Verbrennung 18 94,7% Quelle: R.Warnecke Deike, R. Ebert, D.; Schubert, D.; Ulum, R, Warnecke, R.; Vogell, M.: 12. VDI Fachkonferenz Feuerung und Kessel, Köln, Metalle in MV-Schlacken 7

9 Allgemeine Darstellung eines konventionellen Aufbereitungsprozesses für HMV-Schlacken. Warnecke, R.; Deike, R.; Ebert, D.; Vogell, M.: Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Abfallbehandlung und Wertstoffrückgewinnung, DECHEMA, Frankfurt, Metallrecycling im Rahmen von konventionellen Aufbereitungsprozessen von MV-Schlacke 8

10 Unterschiedliche Schrotte aus MV-Anlagen die mit konventionellen Aufbereitungsanlagen gewonnen und in den Wertstoffkreislauf zurückgeführt werden Warnecke, R.; Deike, R.; Ebert, D.; Vogell, M.: Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Abfallbehandlung und Wertstoffrückgewinnung, DECHEMA, Frankfurt, Metallrecycling im Rahmen von konventionellen Aufbereitungsprozessen von MV-Schlacke 9

11 Analysen diverser NE-Mischfraktionen, die im Verlauf einer konventionellen Schlackenaufbereitung über eine Wirbelstromtrennung abgeschieden wurden. Deike, R. Ebert, D.; Warnecke, R.; Vogell, M.: International VDI Conference 2013, Energy and Materials from Waste, Frankfurt, Metallrecycling im Rahmen von konventionellen Aufbereitungsprozessen von MV-Schlacke 10

12 Vorgehensweise zur Berechnung von potenziellen Recyclingquoten Warnecke, R.; Deike, R.; Ebert, D.; Vogell, M.: Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Abfallbehandlung und Wertstoffrückgewinnung, DECHEMA, Frankfurt, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 11

13 Metallgehalt von MVA-Schlacke und Recycling-Quote nach derzeitigem Stand der Technik Deike, R.; Ebert, D.; Warnecke, R.; Vogell, M.: 24. VDI Fachkonferenz, Thermische Abfallbehandlung, Würzburg, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 12

14 Schmelz-und Verdampfungspunkte verschiedener Metalle und Metallverbindungen Nach Werten von Barin,I.: Thermochemical Data of Pure Substances, 3rd Ed., VCH Verlag Weinheim, 1994/1995 Deike, R. Ebert, D.; Schubert, D.; Ulum, R, Warnecke, R.; Vogell, M.: 12. VDI Fachkonferenz Feuerung und Kessel, Köln, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 13

15 Makroskopische 3D-Aufnahme eines Partikels Deike, R., Ebert, D.: VGB Workshop Produkte aus der thermischen Abfallverwertung, Bleicherode, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 14

16 Lichtmikroskopische Aufnahme von oxidierten Eisenpartikeln bei einer Aufheizung bis auf 850 C Deike, R.; Ebert, D.; Warnecke, R.; Vogell, M.: 6th CEWEP Congress 2012, Würzburg, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 15

17 Oxidationsverhalten von Stahl bei unterschiedlichen Temperaturen Deike, R. Ebert, D.; Warnecke, R.; Vogell, M.: International VDI Conference 2013, Energy and Materials from Waste, Frankfurt, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 16

18 Darstellung verschiedener unterschiedlicher metallischer Partikel durch eine entsprechende Reinigung der Fraktionen Ausgangsmateria l Säure 1 Säure 2 Säure 3 Kupfer Messing Zink Aluminium Blei Deike, R., Brümmer, A.: Qualitätssicherung bei der Schlackenaufbereitung neue Herausforderung, ZAR Stiftung Zentrum für Nachhaltige Abfall- und Ressourcennutzung, Hinwil, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 17

19 Die Bildung von Oxidschichten auf Cu-Partikeln Deike, R. Ebert, D.; Warnecke, R.; Vogell, M.: International VDI Conference 2013, Energy and Materials from Waste, Frankfurt, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 18

20 Vergleich der Gehalte ausgewählter Elemente im magnetischen und nichtmagnetischen Anteil Deike, R., Ebert, D.: VGB Workshop Produkte aus der thermischen Abfallverwertung, Bleicherode, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 19

21 Vergleich der Gehalte ausgewählter Elemente im magnetischen und nichtmagnetischen Anteil Deike, R., Ebert, D.: VGB Workshop Produkte aus der thermischen Abfallverwertung, Bleicherode, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 20

22 Aluminiumpartikel aus HMV-Schlacken mit Schlackenanhaftungen Aluminium metal Slag inclusions Metallographic resin Deike, R.; Ebert, D.; Warnecke, R.; Vogell, M.: International VDI Conference 2013, Energy and Materials from Waste, Frankfurt, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 21

23 Oxidationsverhalten von Kupfer und Aluminium Deike, R. Ebert, D.; Warnecke, R.; Vogell, M.: International VDI Conference 2013, Energy and Materials from Waste, Frankfurt, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 22

24 Das Aufheizen einer dünnen Aluminiumfolie auf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes Deike, R. Ebert, D.; Warnecke, R.; Vogell, M.: International VDI Conference 2013, Energy and Materials from Waste, Frankfurt, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 23

25 Erhitzen und partielles Aufschmelzen von dünnem Verpackungsaluminium 5. Mögliche Recyclingverfahren 24

26 Lichtmikroskopische Aufnahme der aufgeheizten Folie in dem zerstörten Bereich Metallographic resin Aluminiumoxide Aluminium metal Deike, R. Ebert, D.; Warnecke, R.; Vogell, M.: International VDI Conference 2013, Energy and Materials from Waste, Frankfurt, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 25

27 Mikroskopische Aufnahme eines thermisch unbehandelten und thermisch behandelten Aluminiumdeckels einer Milchprodukteverpackung Deike, R. Ebert, D.; Schubert, D.; Ulum, R, Warnecke, R.; Vogell, M.: 12. VDI Fachkonferenz Feuerung und Kessel, Köln, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 26

28 REM-Aufnahme und EDX-Analysen eines thermisch behandelten Aluminiumdeckels Deike, R. Ebert, D.; Schubert, D.; Ulum, R, Warnecke, R.; Vogell, M.: 12. VDI Fachkonferenz Feuerung und Kessel, Köln, Zukünftige Recyclingpotenziale von Metallen aus der mineralischen Fraktion der MV-Schlacke 27

29 Metallgehalte der Feinfraktion einer nass ausgetragenen HMV-Schlacke Deike, R. Ebert, D.; Schubert, D.; Ulum, R, Warnecke, R.; Vogell, M.: 12. VDI Fachkonferenz Feuerung und Kessel, Köln, Mögliche Recyclingverfahren 28

30 Mikroskopische 3D-Aufnahmen unterschiedlicher Fraktionen nach der magnetischen Trennung Deike, R. Ebert, D.; Schubert, D.; Ulum, R, Warnecke, R.; Vogell, M.: 12. VDI Fachkonferenz Feuerung und Kessel, Köln, Mögliche Recyclingverfahren 29

31 Feldemission REM-Aufnahmen und EDX-Analyse unterschiedlicher Fraktionen nach der magnetischen Trennung Schwere Partikel magnetisch Spektrum 1 Element Wt% O Na Al Si S Ca Fe Spektrum 2 Element Wt% O Na Al Si Mo K Ca Fe Spektrum 1 Spektrum 2 Spektrum 3 Spektrum 3 Element Wt% O Na Si S K Ca Mögliche Recyclingverfahren 30

32 Feldemission REM-Aufnahmen und EDX-Analyse unterschiedlicher Fraktionen nach der magnetischen Trennung Schwere Partikel nichtmagnetisch Spektrum 1 Spektrum 1 Element Wt% O Na Al Si Ca Fe Spektrum 2 Element Wt% O Cu Spektrum 2 Spektrum 3 Spektrum 3 Element Wt% O Ni Si Ca Fe Mögliche Recyclingverfahren 31

33 >2mm >1mm >1mm >0,5mm >0,5mm <0,5mm <0,5mm Prozentualer Anteil Anteile von Leicht- und Schwerfraktionen die in den Kornklassen vorliegen, die durch das Mahlen der ursprünglichen Kornfraktion 4-8 mm hergestellt Massengehalte der ursprünglichen wurden Kornfraktion 4-8 mm nach einem 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% Mahlprozess und einer Schwimm-Sink-Trennung (3000 kg/m³) 0% Light particle Heavy particle Light particle Heavy particle Light particle Heavy particle 5. Mögliche Recyclingverfahren 32

34 >2mm >1mm >1mm >0,5mm >0,5mm <0,5mm <0,5mm Prozentualer Anteil Magnetische Anteile die in den Leicht- und Schwerfraktionen der Kornklassen vorliegen, die durch das Mahlen der ursprünglichen Kornfraktion Massengehalte der magnetischen Fraktionen der ursprünglichen Kornfraktion 4-8 mm nach einem Mahlprozess 4-8 mm und einer hergestellt Schwimm-Sink-Trennung wurden (3000 kg/m³) in den 90,0% 80,0% 70,0% 60,0% 50,0% 40,0% 30,0% 20,0% 10,0% verschiedenen Korngrößenklassen 0,0% Light particle Heavy particle Light particle Heavy particle Light particle Heavy particle 5. Mögliche Recyclingverfahren 33

35 Prinzip der Herstellung von Roheisen gereinigtes Gichtgas Bunkeranlage für Erz und Recyclingmaterial Mischer Rolliertrommel Sinterband Cowper Heißwind Wasser Gichtgas Hordenwäscher Theissenwäscher Abwasser Kraftwerk Strom Dampf Cyclator Zinkschlamm Abgase Kalkmilch -anlage Braunkohlen -koksstaub Koks Zuschläge Brechung und Siebung Hochofen E-Ofen Zuschläge E-Ofen Gasreinigungsanlage mit Elektround Gewebefiltern Möller Gießmaschine gereinigte Abgase Schlacke Roheisen Roheisenmasseln Deike, R., Dings, J.: Giesserei, vol , pp , Mögliche Recyclingverfahren 34

36 Aluminiumrecycling in der Automobilindustrie Shredder Shredderleichtfraktion Magnetische Trennung Eisen Schwimm-Sink Trennung Wirbelstromabscheider <2,1 >3,1 Plastik, Holz, Gummi Schwermetalle, Edelstähle Mineralik Aluminium In Anlehnung an: Cui, J.; Roven, H.J.: Trans. Nonferrous Met. Soc. China 20 (2010) Mögliche Recyclingverfahren 35

37 Fließbild eines Prozesses zum Kupferrecycling 5. Mögliche Recyclingverfahren Nach Angaben der AURUBIS AG, Lünen, 36

38 Zusammenfassung 1. Die Wirtschaftlichkeit von Recyclingprozessen zur Rückgewinnung von Metallen hängt sehr wesentlich von der Entwicklung der Metallpreise ab. 2. Bei der Realisierung bisher ungenutzter Potenziale sind für MV-Schlacken Recyclingraten > 100% möglich, da in der Schlacke kleine Metallpartikel gesammelt werden, die mit einer Sortierung nicht zu erfassen sind. Diese Partikel können durch entsprechende Recyclingprozesse aus der MV-Schlacke zurückgewonnen werden. 3. In der Feinfraktion von MV-Schlacken können Cu-Gehalte (0,3-0,4%) wie in armen Cu-Erzen vorliegen, womit die MV-Schlacke im Sinne des Urban Mining zukünftig eine kontinuierlich existierende Rohstoffquelle sein kann. 3. Wie sauber die einzelnen Fraktionen getrennt werden können, wird entscheiden, ob die mineralischen Restfraktionen einer höherwertigen Verwertung zugeführt werden können. 6. Zusammenfassung 37