Entwicklung des Schlackerecyclings am. Dr. Stefan Lübben

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1 Entwicklung des Schlackerecyclings am Beispiel der MVA Klimaschutzbeauftragter

2 MVA Bullerdeich (Hamburg) 1896 nimmt die erste MVA ihren Betrieb auf (theoretisch ti h 7,4 Mg/d Verbrennungsleistung je Ofen, 36 sog. Herdöfen waren vorhanden, Mg wurden im ersten Betriebsjahr verbrannt) Reichsmark kostete die Anlage, davon RM für den Schlacken- verarbeitungsschuppen Schlacke wird in Kippwagen geladen (extreme körperliche Belastung) Fe wird für 15 RM/Mg verkauft, die Schlacke geht für 2 RM/m³ in den Straßenbau Die Nachfrage nach Schlacke übertrifft die Produktion bei weitem Hamburg TREND Folie 2

3 MVA Bullerdeich - Schlackeaufbereitung Shl Schlackekippwagen kki fahren durch Kühlapparate mit notdürftiger Kühlung durch Wasserbrausen Schlackebrecher von Krupp s Grusonwerk Elevator zur Siebtrommel Absiebung auf 5 / 25 / 60 mm Siebdurchgang = Baustoff Siebüberlauf: Auslese von Metall per Hand, der Rest geht nochmal durch den Brecher 190 Mg Metallvermarktung im ersten Betriebsjahr, in den Folgejahren bis zu 300 Mg/a Rückgewonnene Fe-Anteile entsprechen 0,2 bis 0,6% der Verbrennungsmenge 3 Hamburg TREND 2013 Folie 3

4 MVA Ruhrstrasse (Hamburg) 1913 geht die dritte MVA in Hamburg in Betrieb Die Entschlackung ist teilautomatisiert über die schienengeführte Entschlackungsmaschine Schlacke läuft durch eine Schlackenmühle, eine Schüttelrinne auf eine Magnettrommel, weiter in eine Siebtrommel mit drei Korngrößen Hamburg TREND Folie 4

5 Rückgewinnung von Fe in den Anfangsjahren der Müllverbrennung Verbrennungsmenge (Mg/a) Fe-Metalle (%) ,90 verbrannt ,80 Anteil Fe , , , , , , MVA Bullerdeich 2MVA 0,10 0, Rückgewinnung der Fe-Metalle in % der Verbrennungsmenge (inkl. lierter Fe-Metalle) Folie 5

6 Weitere Entwicklung MVA Werft Blohm & Voss (1914 -???) Magnetabscheider holen jährlich 272 Mg Nieten, Unterlegscheiben und Schrauben aus der Schlacke Abfallsortierung 1938 Freiburg i. Breisgau (Bezugsgröße: ca m³ = Jahresmenge) Quelle: Metallgehalt / Mg Müll Berlin (vor 1914) 0,8% Hamburg ( ) 3,7 4,0% Bundesweit (50er Jahre) ,5 Fe Folie 6

7 Aufwertung der Schlacke durch Fe- Abtrennung Die Städtereinigung i Nr. 4+5, 1932, S. 43/59: 20% der Müllbeseitigungskosten entfallen auf Schlackebeseitigung Schlackeverwertung ist daher wichtig! Durch die Einrichtung von Sieb- und Gradieranlagen und die Ausscheidung des Eisens aus der Schlacke kann Nachfrage nach diesem Material hervorgerufen werden. Die Entnahme der Blechwaren ist notwendig, wenn es einen Absatz für die Schlacke gibt. Autor: Oberbaurat Müller: Lohnt sich das Heraussuchen nach verwertbarer Stoffe aus dem Hausmüll? Wie ist es vom kaufmännischen und hygienischen Standpunkt aus zu bewerten? Folie 7

8 MVA Borsigstraße (1931/ ) Schlackenaustrag durch hydraulische Ausdrückmaschine in Transportkübel Schlackenaufzüge bringen die Kübel zur Schlackenlöschstelle in den Rohschlackebunker Polypgreifer beschickt die Aufbereitungsanlage, dabei 3 Auslese von Grobschrott Trommelmagnet in der Aufbereitungsanlage Abtrennung einer Sandfraktion und Absiebung von drei Siebfraktionen als Baustoff Fe-Anteile: vor 1959 = 83% 8,3%, nach 1959 = 6,9% (Stand 1964) Folie 8

9 Erkenntnisse aus den 70ern MV-Schlacken enthalten 15% Fe, eine Abscheidung durch Magnete ist vorzusehen und sollte wirtschaftlich vertretbar sein (Hirt, ETH Zürich 1974) MV-Schlacke im Straßenbau führt zu Aufplatzungen des Asphalts. Metallisches Al bildet bei Feuchtigkeit Al-Hydroxid mit hoher Quellfähigkeit und bis zu 100 bar Druck. Al ist daher aus der Schlacke weitestgehend t zu entfernen, Reste sollen durch viermonatige Lagerung oxidieren (Kluge, Asphalt-Labor 1980) Folie 9

10 Potenziale des Metallrecyclings aus Hausmüll (1978) I 4 7 % des Hausmülls bestehen aus Metallen, davon 90 % Fe-Schrott 8 % Al und seine Legierungen 2 % Buntmetalle Potenzial (Mg/a): Fe-Schrott Al-Schrott Buntmetallschrott Da nur 35% des Hausmülls verbrannt oder geordnet deponiert wird, werden nur Bruchteile dieses Potenzials tatsächlich genutzt. Theoretisches Potenzial (Mg/a): Fe-Schrott Al-haltigem Schrott Buntmetallschrott Da zudem etliche Verbrennungsanlagen, Deponien und Kompostwerke die Metalle nicht abtrennen, gelangen weite Teile davon auf Deponien. Prof. J. Krüger: Verwertungsmöglichkeiten der Schrottfraktion aus der mechanisierten Sortierung von Haushaltsabfällen.- In:Materialrecycling aus Haushaltsabfall (1978). Hrsgb.: B. Jäger u. K.J.Thomé-Kozmiensky, Schriftenreihe der TU Berlin Folie 10

11 Potenziale des Metallrecyclings aus Hausmüll (1978) II Zusammensetzung von Metallschrott nach Magnetabscheidung 90 % Fe 1% Al < 04%C 0,4% Cu < 02%S 0,2% Sn < 0,1% Pb < 0,1% Zn Dieser Schrott ist kaum vermarktbar, da die Cu- und Sn- Gehalte die Stahlqualität deutlich mindern Es gibt bislang keine praxisreifen Verfahren zur Abtrennung von NE-Metallen aus Abfällen In der abgesiebten Schwerfraktion des Mülls können NE- Metalle mit sehr unbefriedigendem Erfolg abgetrennt werden durch: - Schwertrübescheider (speziell Schwermetalle) - elektrostatische Scheidung - Wirbelstromscheider (nur Al) Zusammensetzung abgetrennter NE-Metalle (in %) Al Cu Zn 8 5 Pb 3 5 Ni 1 2 sonstige Physikalische Aufbereitung vor metallurgischer Trennung erforderlich. Hierzu besteht umfangreicher Entwicklungsbedarf! Prof. J. Krüger: Verwertungsmöglichkeiten der Schrottfraktion aus der mechanisierten Sortierung von Haushaltsabfällen.- In:Materialrecycling aus Haushaltsabfall (1978). Hrsgb.: B. Jäger u. K.J.Thomé-Kozmiensky, Schriftenreihe der TU Berlin Folie 11

12 Wert des Recyclings von NE-Metallen 2011 Produktion (Erz) (Recycling) Marktwert* Einheit Mg/a Mg/a Mg/a Mio Euro Aluminium Kupfer Blei/Zink Hamburg TREND 2013 Quelle: Metallstatistik 2011, Wirtschaftsvereinigung Metalle * Quelle: Geschäftsbericht 2011/2012 Wirtschaftsvereinigung Metalle, Jahresdurchschnittswerte an der London Metal Exchange Folie 12 12

13 MV-Schlacke MV- Schlacken sind Aschen, da aufgrund der niedrigen Verbrennungstemperaturen keine Versinterung stattfindet 4,8 Mio Mg MV-Rohschlacke fallen jährlich an (2009) Durchschnittliche Rohschlackezusammensetzung: Fraktion Gew.-% Mineralik Unverbranntes 1 5 Fe-/ NE-Metalle* 7-10 Kumulierter energetischer Aufwand zur Metallherstellung: UBA/Prognos 2010 * 30% davon sind Mineralik (KEZO /Recovery 1/2012) Metall KEA (MWh/Mg) Fe 6,2 Al 31,1 Cu 21,5 Folie 13

14 MV-Schlacke Nur die gediegen vorliegenden Metallanteile der Schlacke haben Wertstoffcharakter Metallstücke können in gesinterten Schlackebrocken oder erstarrten Schmelzen eingeschlossen sein oder aber von Mineralneubildungen während der Kalzinierung umschlossen sein > Aufbereitung! In der Schweiz werden 80% des Fe und 36% der NE- Metalle aus der MV-Schlacke zurück gewonnen Fe und Cu schmelzen in der MVA nicht, sie werden unverändert ausgetragen Al schmilzt bei 600 Grad und erstarrt im Entschlacker zu bizarren Nuggets, Al-Hydroxid-Überzug Messing (40% Zn, 60% Cu) kann anschmelzen Hamburg TREND 2013 R. Bunge, UMTEC: Wertstoffgewinnung aus KVA-Rostasche 14 Folie 14

15 MV-Schlacke Weite Teile des Cu und Al liegen in der Fraktion < 10mm vor Zerkleinerung der Schlacke erschließt diese Potenziale besser Pulverisierung Pulverisierung der Schlacke macht die Nutzung als Baustoff unmöglich Resümee: Hoher Klimaschutz (= viel Metallabscheidung) bedeutet geringe Schlackequalität alität (= hohe Eluatwerte, ungünstige Körnung) R. Bunge, UMTEC: Wertstoffgewinnung aus KVA-Rostasche 15 Hamburg TREND 2013 Folie 15

16 Aussagekraft von Analysen Zusammensetzung MVA-Schlacke SiO2 60,5 (Hamburg und Bremen, Jan-Aug 1973, % i.d.ts) Metallgehalte der aufbereiteten Schlacken (Gew.%, Handsortierung, 64 Proben von , Schlackenbericht 2011): Stapelfeld MVB MVR Fe2O3 8,1 Al2O3 7,1 CaO 9,9 MgO 1,6 1,3 1,0 1,3 Pb 0,2 Cu-Gehalte in Hamburger MV-Schlacke: Mn 005 0,05 Zn 0,32 Sn <0,5 Schlackebericht 2002: Cu in Matrix ca. 0,2% Cu in Metallfr. ca. 6% Cu-gesamt in Rohschlacke ca. 0,9% Folie 16

17 Untersuchung zur 2mm-Fraktion von verschiedenen MV-Schlacken Schematische h Darstellung möglicher Metall-Bindungsformen in MV-Schlacke (Deike et al. 2012) 2mm-Fraktion von Rohschlacke besteht zu 50 Gew.% aus magnetischen Eisenoxiden (Verwertung im Hochofen möglich, da 18% Fe) Durch die Nutzung der Fe-Oxide kann die Recyclingquote der Metalle aus MV-Schlacke auf über 110% ansteigen. Quelle: Deike, R. et al. (2012): Abschlussbericht zum Projekt Recyclingpotenziale bei Rückständen aus der Müllverbrennung Folie 17

18 Untersuchung zur 2mm-Fraktion von verschiedenen MV-Schlacken Auf die Schlackefraktion < 2mm entfallen 25% der trockenen Schlacke und 30% der Metalle. In der 2mm-Fraktion sind 0,3-04%Cu 0,4% zu erwarten (entspricht armem Cu-Erz). Nutzung durch Laugungsverfahren und anschließende Elektrolyse denkbar. Cu-Anreicherung durch vorherige Fe-Oxid-Entnahme! Schlacken enthalten ppm Seltene Erden, keine wirtschaftliche Rückgewinnung möglich Cr- und Co-Gehalte sind in der magnetischen Fraktion < 4mm deutlich höher als in der nicht magn. Fraktion. Bei Cu, Zn, Al und Ni gibt es diese Unterscheidung nicht. Quelle: Deike, R. et al. (2012): Abschlussbericht zum Projekt Recyclingpotenziale bei Rückständen aus der Müllverbrennung Folie 18

19 Aggregate für die konventionelle Schlackeaufbereitung Bauarten für Magnetscheider (Kranert / Cord-Landwehr 2010) Links: Naßentschlacker Wirbelstromscheider (Kranert / Cord-Landwehr 2010) Folie 19

20 Trockenentschlackung als innovativer Ansatz Pro Contra Weitergehende Metallentfrachtung (8% statt 6% Fe, fraktion evtl. nicht mehr als 2% statt 1,5% NE), 97% der Baustoff verwertbar (<2mm) NE-Metalle abgetrennt* 20% der Schlacke als Fein- Besserer Ausbrand 40% mehr Flugasche (3,5%) Deutlich reduzierte Eluatwerte Stärkere Staubentwicklung (Salze, Metalle) Metalle werden mit geringem Aufwand blank abgeschieden, höherer Marktwert Keine Korrosion durch Schlackenwasser Technologie in deutschen MVAen nicht vorhanden, umfassende Nachrüstung notwendig Adam et al. (2006): Trockenaustrag von Kehrichtschlacke / * KEZO in: Recovery 1/2012 Material Mineralik < 2 Al 70 Cu 15 Sonst. Metalle Gew.% > 13 Zusammensetzung der NE-Fraktion der KEZO-Anlage Hinweil, Schweiz Hamburg TREND 2013 Folie 20 20

21 Konventionelle Schlacke- aufbereitung Abbildung: MVA aus den 90ern Die Alterung der Schlacke führt zu Hydratation, Karbonatisierung, Oxidation. Schwermetalle werden immobilisiert, metallisches Al reagiert unter H 2 -Freisetzung zu Al-Hydroxid. 8 Wochen Lagerung! In manchen MVAen erfolgt die Metallabtrennung erst nach der Alterungsphase, dann evtl. geringere Metallausbeute und schlechtere Metallqualität Schlackenwäsche: Erhöhte Wasserzufuhr im Naßentschlacker führt zur Halbierung der Salzgehalte lt in der Schlacke. Hamburg TREND 2013 Transport ins Lager Folie 21 21

22 MVA: Output an Schlacke und Metallen 32 mm [Mg] Fertigschlacke 0-32 Grobschrott Feinschrott NE-Metalle talle [Mg] Fertigs schlacke Sch hrott, NE-Met 0 0 Feinschrott geht vor der Vermarktung durch die Prallmühle Aktuell werden ca. 6,5% Fe- und 1% NE-Metalle der Schlacke entnommen Ständige Verbesserung an der NE-Abscheidung führt zu steigenden Mengen für die Rückgewinnung Folie 22

23 Optimierungspotenziale bei der NE- Abtrennung einer konkreten MVA Korngröße Frachtver- Aktuelle, umfassende Unter- (mm) teilung (%) suchen zeigten, dass die Fertigschlacke 0-32mm noch 30 2,7 ca. 0,9% Al als Partikel enthält ,7 Erkenntnis: Die Körnung ,4 ist zu umfassend, Siebschnitte mit Teilmengen sind auf ,4 getrennte NE-Scheider zu ,7 leiten Resultat: Es wird eine 12mm Siebung zwischengeschaltet, beide Teilströme (0-12 / 12-40) gehen auf gesonderte NE-Scheider Gute NE-Scheidung bei geringer g Materialfeuchte und dünnem Stoffstrom auf dem Band NE-Scheider arbeiten besonders effizient, wenn der Stoffstrom t nur einen kleinen Körnungsbereich umfasst 23 Hamburg TREND 2013 Folie 23

24 Weitergehende Schlackeaufbereitung Die konventionelle Aufbereitung trennt ca. 93 % des Fe- und ca. 34 % des NE-Metalls ab (in Prognos 2010, S. 32) Nur nach weitergehender Klassierung können Wirbelstromabscheider weitere NE-Metalle abtrennen Zerkleinerung (Prallmühlen, Horizontalbrecher ) Siebung Hydrobandabscheidung (Schwerkrafttrennung) Magnetabscheidung Wirbelstromabscheidung Naßchemische Verfahren Flotation.. (diverse Techniken) Sandabscheidung (Sand als Baustoff und schadstoffbelasteter Schlamm als Rest) Folie 24

25 Sensortechnologie als Innovation Alle Metalle ab 4mm Korngröße werden anhand ihrer Leitfähigkeit erkannt, unabhängig vom Grad der Verzunderung Geringer Anlagendurchsatz, daher unbedingt Fe vorab mit konventioneller Technologie entnehmen Trennung der Metallpartikel nach Farbe (CombiSense) Hamburg TREND 2013 R. Bunge, UMTEC: Wertstoffgewinnung aus KVA-Rostasche Folie 25 25

26 Weitergehende Aufbereitung - Specials Nassmechanische Aufbereitung ähnlich einer Boden- wäsche holt gediegene Metallpartikel tik l zwischen 0, mm aus der Schlacke Hydrometallurgische Extraktion: Überführung der Metalle in wässrige Lösungen durch Laugen, Säuren, Komplexbildner und anschließende Gewinnung durch Fällung oder Elektrolyse (z.b. Saure Wäsche) Thermische Extraktion: Abdampfen der Metalle R. Bunge, UMTEC: Wertstoffgewinnung aus KVA-Rostasche Hydrobandscheider Folie 26

27 NE Metallarten und deren Vorkommen in der MV - Schlacke weitergehend w Die Metallquelle der Zukunft Quelle: Precious metals and rare erth elements in municipal soild waste - Sources and fate in a Swiss incineration plant Morf, Gloor, Haag, Haupt, Skutan, Di Lorenzo, Böni- Zentrum für nachhaltige Abfall-und Ressourcennutzung ZAR,Hinwil,Switzerland, ECD Hamburg GmbH konventionell Folie 27

28 A TAR - PROCESSING α - Linie β -Line input MV - Schlacke Dosieraufgabe Flow Chart A Prallmühle HSI Trocknung Dieselaggregat B NE-Metalle > 75 mm Magnetscheidung FE - Metalle β - Linie HSIC High - Speed - Impact - Chamber B C Lesestand > 75 mm unverbrannte (Störstoffe) Absiebung 0/3mm 3 / 75 mm > 75 mm 3/75 mm Fraktion 0 / 3 mm Neodymanlage FE - Metalle C D E F NE - Metalle 3 / 10 mm NE - Metalle 10 / 75 mm Fraktion 3 / 10 mm Wirbelstromabscheidung Wirbelstromabscheidung Windsichter 10 / 75 mm α - Linie HSIC High - Speed - Impact - Chamber Magnetscheidung Absiebung 0 / 3 mm (3/10 mm) + (10/75 mm) ISS STEINERT Induktionssortiersystem FE - Metalle Fraktion 0 / 3 mm Absiebung Bypass GTS - Siebung 100 μm - 2 mm Dosierstation Spezial Wirbelstromabscheider Gemisch aus NE - Metalle und Leichtgut Edelmetalle (Störstoffe) NE - /VA - Metalle Fraktion 10 / 32 mm 100 μm -2 mm Mineralik Fraktion μm Mineralik Fraktion 100 μm -2 mm Folie 8 28 D E F

29 A.T.R. Projektstruktur Verfahrensschritte des F & E Vorhabens Mg Schlacke: Mineralik 0/3 aus der Alpha- Linie AP Aufschluß, Trennung, Rückgewinnung mit der Beta Linie -großtechnisch h - AP 6 ökologische / ökonomische Bedeutung Gewinnung ( großtechnisch ) AP 4 NE Metalle gediegen Strategische Metalle 100 μm 3 mm Prof. Deike Gewinnung AP 4 Al Partikel 100 μm 3 mm Wasserstoffgewinnung Reduktionsmittel für Edelstahlproduktion Helmholtz - Zentren Flotations- Verfahren BAM Herstellung ( großtechnisch ) AP 5 Raffinade 50 μm 1mm Bioelektro- chemische h Reaktionskinetik SPICON Hydrothermal - verfahren LMU Gewinnung Gewinnung Gewinnung Cu + Cu Verbindungen strategische Metalle Berechnung von CO 2 Einsparpotenziale KEA- Bilanzen / Energie-Bilanzen Landfill Strategien Anfertigen eines Katasters über abbauwürdige Lagerstätten Ökonomische und ökologische Bilanzen basierend auf den möglichen Rück- gewinnungspotenzialen Konzepte für zukünftige Abfallbehandlungsprozesse atz Entwicklungszentrum Folie 29

30 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Folie 30