Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen

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1 Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen Urban Mining Kongress Essen, R.Deike Universität Duisburg-Essen Institut für Technologien der Metalle

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Wirtschaftliche Aspekte des Recyclings von Metallen 3. Technische Aspekte des Recyclings von Metallen 4. Recyclingprozesse aus dem Bereich der Stahl- und Gießereiindustrie mit großen Stoffströmen 4.1 Die Herstellung von Stahl 4.2 Die Herstellung von Eisengusswerkstoffen 4.3 Der DK-Prozess, die Herstellung von Roheisen aus Filterstäuben 4.4 Der Wälzprozess, die Herstellung von Zinkoxid aus Filterstäuben 5. Der Anteil an Sekundärrohstoffen an der Metallproduktion 6. Recycling von Metallen aus Müllverbrennungsschlacken 7. Zusammenfassung Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 2

3 Die Knappheit der Güter zwingt die Menschen, mit ihnen zu haushalten, d.h. Entscheidungen über ihre alternative Verwendung zu treffen um die Gesellschaft und die Welt insgesamt, optimal mit Gütern und Dienstleistungen zu versorgen. Das wirtschaftliche Handeln unterliegt wie jedes auf Zwecke gerichtete Handeln dem allgemeinen Vernunftprinzip (Rationalprinzip), das fordert, ein bestimmtes Ziel mit dem Einsatz möglichst geringer Mittel zu erreichen. (in Anlehnung an Wöhe, G.: Einführung in die Allgemeine Betriebswirtschaftslehre, 15. Aufl., Verlag Vahlen, München 1984) Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 3

4 Die alte Faustregel, dass 20% der Menschheit in Europa, Nordamerika und Japan mehr als 80% der Weltbergbauproduktion konsumieren, gilt nicht mehr. Ein Strukturwandel hat sich vollzogen und mit der VR China, Indien sowie anderen bevölkerungsreichen Schwellenländern ist heute über die Hälfte der Weltbevölkerung an der Nachfrage nach Rohstoffen beteiligt Wagner, M.; Huy, D.: Commodity Top News No.24, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 4

5 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Wirtschaftliche Aspekte des Recyclings von Metallen 3. Technische Aspekte des Recyclings von Metallen 4. Recyclingprozesse aus dem Bereich der Stahl- und Gießereiindustrie mit großen Stoffströmen 4.1 Die Herstellung von Stahl 4.2 Die Herstellung von Eisengusswerkstoffen 4.3 Der DK-Prozess, die Herstellung von Roheisen aus Filterstäuben 4.4 Der Wälzprozess, die Herstellung von Zinkoxid aus Filterstäuben 5. Der Anteil an Sekundärrohstoffen an der Metallproduktion 6. Recycling von Metallen aus Müllverbrennungsschlacken 7. Zusammenfassung Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 5

6 Die wichtigsten Nationen bei der globalen Nachfrage nach Rohstoffen im Jahr 2011 Nach Daten der DERA: Deutschland Rohstoffsituation 2011, Deike, R.; Ebert, D.; Schubert, D.; Ulum, R.; Warnecke, R.; Vogell, M.: Berliner Schlackenkonferenz, Berlin, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 6

7 Die Entwicklung des BIP in China In 2012: GDP (current US$) 8,227 trillion Population 1,351 billion Deike, R.: Potenziale zur Rückgewinnung von Metallen aus der Abfallverbrennung, ZVEI-IZT Workshop, Berlin, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 7

8 Preisveränderungen bei diversen Metallen (1.Q = 100 %) Nach Daten: LME Deike, R.; Ebert, D.; Schubert, D.; Ulum, R.; Warnecke, R.; Vogell, M.: International VDI Workshop, Recovery of metals and minerals from bottom ash, Amsterdam, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 8

9 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Wirtschaftliche Aspekte des Recyclings von Metallen 3. Technische Aspekte des Recyclings von Metallen 4. Recyclingprozesse aus dem Bereich der Stahl- und Gießereiindustrie mit großen Stoffströmen 4.1 Die Herstellung von Stahl 4.2 Die Herstellung von Eisengusswerkstoffen 4.3 Der DK-Prozess, die Herstellung von Roheisen aus Filterstäuben 4.4 Der Wälzprozess, die Herstellung von Zinkoxid aus Filterstäuben 5. Der Anteil an Sekundärrohstoffen an der Metallproduktion 6. Recycling von Metallen aus Müllverbrennungsschlacken 7. Zusammenfassung Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 9

10 Die Entwicklung der Entropie im Verlauf der Herstellung, der Nutzung und des Recyclings In Anlehnung an Esser, R.: Thermodynamische Aspekte der Abfallverwertung, AbfallwirtschaftsJournal, vol 4, pp , 1992 Deike, R.: Die zukünftige Bedeutung des Recyclings metallischer und oxidischer Reststoffe unter dem Aspekt veränderter globaler Rohstoffmärkte, in Rohstoffeffizienz und Rohstoffinnovationen (Hrsg. U.Teipel u. R.Schmidt), Fraunhofer Verlag, Stuttgart, 2011 Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 10

11 Bedingungen die für ein internes oder externes Recycling möglichst erfüllt sein sollten Robuste und wenig störanfällige Prozesse sind notwendig In den Abfällen sollten hohe Konzentrationen der Stoffe enthalten sein die recycelt werden sollen Es muss ein neues Produkt entstehen, für das es einen Markt gibt!!! In den Abfällen sollten nur geringe Konzentrationen an störenden Begleitstoffen enthalten sein Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 11

12 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Wirtschaftliche Aspekte des Recyclings von Metallen 3. Technische Aspekte des Recyclings von Metallen 4. Recyclingprozesse aus dem Bereich der Stahl- und Gießereiindustrie mit großen Stoffströmen 4.1 Die Herstellung von Stahl 4.2 Die Herstellung von Eisengusswerkstoffen 4.3 Der DK-Prozess, die Herstellung von Roheisen aus Filterstäuben 4.4 Der Wälzprozess, die Herstellung von Zinkoxid aus Filterstäuben 5. Der Anteil an Sekundärrohstoffen an der Metallproduktion 6. Recycling von Metallen aus Müllverbrennungsschlacken 7. Zusammenfassung Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 12

13 Die wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Stahl Delwig, C.; Hartig, W., Hoffmann, M.; Lüngen, H-B.: stahl und eisen 127 (2007) Nr.6/7, S.S51-S66 Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 13

14 Die Entwicklung der Weltrohstahlproduktion Nach Daten der World Steel Association Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 14

15 Der internationale Schrottverbrauch und Schrotthandel Nach Daten der World Steel Association and Bureau of International Recycling Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 15

16 Die wichtigsten Schrott exportierenden Nationen Nach Daten des Bureau of International Recycling Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 16

17 Die wichtigsten Schrott importierenden Nationen Nach Daten des Bureau of International Recycling Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 17

18 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Wirtschaftliche Aspekte des Recyclings von Metallen 3. Technische Aspekte des Recyclings von Metallen 4. Recyclingprozesse aus dem Bereich der Stahl- und Gießereiindustrie mit großen Stoffströmen 4.1 Die Herstellung von Stahl 4.2 Die Herstellung von Eisengusswerkstoffen 4.3 Der DK-Prozess, die Herstellung von Roheisen aus Filterstäuben 4.4 Der Wälzprozess, die Herstellung von Zinkoxid aus Filterstäuben 5. Der Anteil an Sekundärrohstoffen an der Metallproduktion 6. Recycling von Metallen aus Müllverbrennungsschlacken 7. Zusammenfassung Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 18

19 Die Eisen-/Stahlguss- und NE-Metallgussproduktion in der Welt Nach Daten Modern Casting, Census of World Casting, Deike, R.: Einsatzstoffe und Elektroenergie die zwei wichtigsten Ressourcen für den induktiven Schmelzbetrieb, Induktives Schmelzen & Gießen, Dortmund, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 19

20 Die größten Eisen- und Stahlguss produzierenden Nationen in Europa Nach Daten CAEF Deike, R.: Einsatzstoffe und Elektroenergie die zwei wichtigsten Ressourcen für den induktiven Schmelzbetrieb, Induktives Schmelzen & Gießen, Dortmund, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 20

21 Die größten Eisenguss produzierenden Nationen Nach Daten Modern Casting, Census of World Casting, Deike, R.: Einsatzstoffe und Elektroenergie die zwei wichtigsten Ressourcen für den induktiven Schmelzbetrieb, Induktives Schmelzen & Gießen, Dortmund, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 21

22 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Wirtschaftliche Aspekte des Recyclings von Metallen 3. Technische Aspekte des Recyclings von Metallen 4. Recyclingprozesse aus dem Bereich der Stahl- und Gießereiindustrie mit großen Stoffströmen 4.1 Die Herstellung von Stahl 4.2 Die Herstellung von Eisengusswerkstoffen 4.3 Der DK-Prozess, die Herstellung von Roheisen aus Filterstäuben 4.4 Der Wälzprozess, die Herstellung von Zinkoxid aus Filterstäuben 5. Der Anteil an Sekundärrohstoffen an der Metallproduktion 6. Recycling von Metallen aus Müllverbrennungsschlacken 7. Zusammenfassung Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 22

23 Das Verhalten von Metallen unter Hochtemperaturbedingungen Deike, R.; Ebert, D.; Schubert, D.; Ulum, R.; Warnecke, R.; Vogell, M.: International VDI Workshop, Recovery of metals and minerals from bottom ash, Amsterdam, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 23

24 Freie Standard Reaktionsenthalpien verschiedener Oxidationsreaktionen pro mol O Deike, R.; Ebert, D.; Schubert, D.; Ulum, R.; Warnecke, R.; Vogell, M.: International VDI Workshop, Recovery of metals and minerals from bottom ash, Amsterdam, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 24

25 Freie Standard Reaktionsenthalpien verschiedener Sulfidreaktionen pro mol S Deike, R.; Ebert, D.; Schubert, D.; Ulum, R.; Warnecke, R.; Vogell, M.: International VDI Workshop, Recovery of metals and minerals from bottom ash, Amsterdam, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 25

26 Freie Standard Reaktionsenthalpien verschiedener Chloridreaktionen pro mol Cl Deike, R.; Ebert, D.; Schubert, D.; Ulum, R.; Warnecke, R.; Vogell, M.: International VDI Workshop, Recovery of metals and minerals from bottom ash, Amsterdam, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 26

27 Freie Standard Reaktionsenthalpien der Oxidationsreaktionen verschiedener wirtschaftsstrategischer Metalle pro mol O Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 27

28 Bei Recyclingprozessen unter Hochtemperaturbedingungen sind Elemente und Verbindungen unter den folgenden Aspekten zu berücksichtigen Gasförmige Emissionen (SO 2, F, Cl), Schlacken, Abwasser Störungen im Schmelzprozess durch Verdampfung und Kondensation (Zn, K 2 O, Na 2 O) Probleme durch Elemente und Verbindungen beim Recycling in Prozessen unter hohen Temperaturen Verunreinigung der Produkte durch die Aufnahme von störenden Elementen Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 28

29 Typische Zusammensetzungen von oxidischen Stäuben und Schlämmen Moore, C.M; Deike, R.; Hillmann, C.: 4th European Coke an Ironmaking Congress, Paris, France, June 2000 Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 29

30 Der DK-Prozess 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.: Die zukünftige Bedeutung des Recyclings metallischer und oxidischer Reststoffe unter dem Aspekt veränderter globaler Rohstoffmärkte, in Rohstoffeffizienz und Rohstoffinnovationen (Hrsg. U.Teipel u. R.Schmidt), Fraunhofer Verlag, Stuttgart, 2011 Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 30

31 Reaktionsgleichgewichte zwischen Zn/ZnO und Pb/PbO unter variierenden CO/CO 2 -Partialdrücken Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 31

32 Kondensierte Zinktropfen unter reduzierenden Bedingungen Die Bildung von Zinkoxid unter Luft Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 32

33 t/a Die Entwicklung jährlich zurückgewonnener Zinkmengen bei der DK aus Filterstäuben der Stahlindustrie Jahr Hillmann, C.; Sassen, K.-J.: Solutions for dusts and sludges from the BOF-process; stahl und eisen, vol 126, Nr.11, pp.s149-s156, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 33

34 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Wirtschaftliche Aspekte des Recyclings von Metallen 3. Technische Aspekte des Recyclings von Metallen 4. Recyclingprozesse aus dem Bereich der Stahl- und Gießereiindustrie mit großen Stoffströmen 4.1 Die Herstellung von Stahl 4.2 Die Herstellung von Eisengusswerkstoffen 4.3 Der DK-Prozess, die Herstellung von Roheisen aus Filterstäuben 4.4 Der Wälzprozess, die Herstellung von Zinkoxid aus Filterstäuben 5. Der Anteil an Sekundärrohstoffen an der Metallproduktion 6. Recycling von Metallen aus Müllverbrennungsschlacken 7. Zusammenfassung Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 34

35 Schematische Darstellung des Wälzprozesse zur Rückgewinnung von Zink aus hoch zinkhaltigen Filterstäuben aus der Elektrostahlerzeugung Stahlschrott verzinkt Elektrostahlwerk Flugstaub ca. 30% ZnO Materialvorbereitung / Pelletierung Grobstaubabscheidung Abgaskühlung von 800 C auf ca. 120 C Abgas Wälzrohr ZnO/C-Gemisch C pzn > 1 bar Brenner/Luft Zentralgebläse Abgasreinigung mittels eines Absorbers Feinstaubabscheidung im Gewebefilter ca. 90% ZnO ZnO Verarbeitung in einer Zinkhütte Schlacke Deike, R.: Die zukünftige Bedeutung des Recyclings metallischer und oxidischer Reststoffe unter dem Aspekt veränderter globaler Rohstoffmärkte, in Rohstoffeffizienz und Rohstoffinnovationen (Hrsg. U.Teipel u. R.Schmidt), Fraunhofer Verlag, Stuttgart, 2011 Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 35

36 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Wirtschaftliche Aspekte des Recyclings von Metallen 3. Technische Aspekte des Recyclings von Metallen 4. Recyclingprozesse aus dem Bereich der Stahl- und Gießereiindustrie mit großen Stoffströmen 4.1 Die Herstellung von Stahl 4.2 Die Herstellung von Eisengusswerkstoffen 4.3 Der DK-Prozess, die Herstellung von Roheisen aus Filterstäuben 4.4 Der Wälzprozess, die Herstellung von Zinkoxid aus Filterstäuben 5. Der Anteil an Sekundärrohstoffen an der Metallproduktion 6. Recycling von Metallen aus Müllverbrennungsschlacken 7. Zusammenfassung Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 36

37 % Die Anteile an Sekundärrohstoffen an der Gesamtproduktion verschiedener Metalle auf der Welt und in Deutschland im Jahr 2008 Prozentuale Anteile an Sekundärrohstoffen an der Gesamtproduktion Kupfer Blei Aluminium Stahl Zink Welt 2008 Deutschland 2009 (für Zn Daten aus 2008) Deike, R.: Die zukünftige Bedeutung des Recyclings metallischer und oxidischer Reststoffe unter dem Aspekt veränderter globaler Rohstoffmärkte, in Rohstoffeffizienz und Rohstoffinnovationen (Hrsg. U.Teipel u. R.Schmidt), Fraunhofer Verlag, Stuttgart, 2011 Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 37

38 Produktion und Verbrauch diverser NE-Metalle in Deutschland im Jahr 2011 Biedermann, H.; Meynerts, U.; Deike, R.: Wie funktioniert der Metallhandel?, Berliner Recycling- und Rohstoffkonferenz, Berlin Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 38

39 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Wirtschaftliche Aspekte des Recyclings von Metallen 3. Technische Aspekte des Recyclings von Metallen 4. Recyclingprozesse aus dem Bereich der Stahl- und Gießereiindustrie mit großen Stoffströmen 4.1 Die Herstellung von Stahl 4.2 Die Herstellung von Eisengusswerkstoffen 4.3 Der DK-Prozess, die Herstellung von Roheisen aus Filterstäuben 4.4 Der Wälzprozess, die Herstellung von Zinkoxid aus Filterstäuben 5. Der Anteil an Sekundärrohstoffen an der Metallproduktion 6. Recycling von Metallen aus Müllverbrennungsschlacken 7. Zusammenfassung Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 39

40 Oxidation von Eisenpartikel in der MV-Schlacke in der Fraktion < 2 mm Deike, R., Ebert, D.: VGB Workshop Produkte aus der thermischen Abfallverwertung, Bleicherode, Deike, R.; Ebert, D.; Warnecke, R.; Vogell, M.: 6th CEWEP Congress 2012, Würzburg, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 40

41 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, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 41

42 Darstellung verschiedener unterschiedlicher metallischer Partikel durch eine entsprechende Reinigung der Fraktionen Deike, R., Brümmer, A.: Qualitätssicherung bei der Schlackenaufbereitung neue Herausforderung, ZAR Stiftung Zentrum für Nachhaltige Abfall- und Ressourcennutzung, Hinwil, Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 42

43 Zusammenfassung 1. Die Welt befindet sich in einem globalen Strukturwandel. 2. Die Entwicklung von Rohstoffpreisen hängt in vielen Fällen von der wirtschaftlichen Entwicklung in China ab. 3. Recyclingprozesse müssen auch bei schlechteren Metallpreisen wirtschaftlich sein. 4. Durch Recyclingprozesse müssen neue Produkte entstehen. 5. Recyclingprozesse sind in der Stahl-, Metall- und Gießereiindustrie seit Jahrzehnten mit großen Stoffströmen und hohen Recyclingraten etabliert. 6. Selbst kompliziert zusammengesetzte Stäube können recycelt werden. 7. In den Feinfraktionen von MV-Schlacken sind so hohe Kupfergehalte wie in armen Kupfererzen. Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 43

44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Das wirtschaftliche Recycling von Metallen und Metalloxiden unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen 44