Die sichere Alternative im Bergbau

1‌ Einführung

Das Tailings Management im Bergbau ist in den letzten Jahren aufgrund von folgenschweren Dammbrüchen in den Blickpunkt geraten [1]. Weltweit gibt es in der Minenindustrie etwa 3500 Dämme für Rückhaltebecken. Nach den katastrophalen Dammbrüchen von Brumadinho (2019) und Samarco (2015) mit fast 300 Toten wurden die Sicherheitskonzepte solcher Bauwerke detailierter untersucht und auf den Prüfstand gestellt. Trotzdem sind danach weitere 8 Fälle u.a. in China, Indien, Brasilien, Mexiko, Peru und Myanmar bekannt geworden, mit teilweise gravierenden Folgen. Entsprechend waren die Sicherheitsstandards zu revidieren. Im August 2020 wurde ein neues Industriestandardwerk zum Tailings Management herausgegeben, es fehlt darin aber leider jeder Hinweis auf alternative Verfahren zu Rückhaltedämmen [2].

Führende Unternehmen der Minenindustrie haben das Tailings Management zu den wichtigsten strategischen Themen innerhalb der Sustainability-Aktivitäten aufgewertet. Dazu zählt u.a. die kanadische Teck Resources. Das Mining-Unternehmen hat insgesamt 55 TSF (Tailings Storage Facilities) zu managen, davon 16 aktive und 39 geschlossene, die keine neuen Tailings-Zuflüsse erhalten. Zu den Einrichtungen zählt auch der inzwischen geschlossene größte Sand-Rückhaltedamm (Bild 1) in der Highland Valley Copper Mine, 50 km südwestlich von Kamloops in British Columbia in Kanada. Für solche TSF sind nach kanadischen Regeln spätestens alle 5 Jahre aufwendige Sicherheitsüberprüfungen (DSI = Dam safety inspection) vorzunehmen. Die letzte Überprüfung erfolgte in 2018, bei der 29 Vorschläge zur Verbesserung der Dammsicherheit gegeben wurden, davon 2 auf dem zweithöchsten Prioritätslevel [3].

2 Alternativen zu Tailings Storage Facilities

Nasse, feinkörnige Rückstände aus der Aufbereitung werden komplett vermieden, wenn die gesamte Erzaufbereitung im Trockenverfahren erfolgt [4]. Ob sich trockene Verfahren einsetzen lassen, hängt oftmals von den Reinheitsgraden der Erze ab. Bei Eisenerz ist die Trockenaufbereitung bei Eisengehalten > 60 % möglich. Vale, einer der größten weltweiten Eisenerzproduzenten, produziert bereits 60 % seines Eisenerzes aus den Minen Carajas, Serra Leste und S11D nach dem Trockenverfahren. In 5 Jahren sind 70 % geplant. Dazu sind Investitionen von 2,5 Mrd. US$ veranschlagt. Vale wird dabei das FDMS-Magnetabscheideverfahren (Fines Dry Magnetic Separation) (Bild 2) ab dem Jahr 2022 zum Einsatz bringen. Eine erste Anlage in Minas Gerais soll eine Kapazität von 1,5 Millionen Jahrestonnen (Mta) haben.

Parallel dazu plant Vale, das große finanzielle Schäden durch Brumadinho und Samarco hatte und dessen Image ebenfalls gelitten hat, in mechanische Entwässerungsverfahren für Tailings und die Trockenstapelung (Dry stack tailings = DST) zu investieren. Im Jahr 2024 sollen von den verbliebenen 30 % Nasserzaufbereitung 16 % auf Filtertechnik bzw. Dry Tailings umgerüstet werden. Dazu werden 1,8 Mrd. US$ investiert. Die Technologie soll in den Minen Varcem Grande, Pico, Caue, Conceicao und Brucutu zum Einsatz kommen. Bisherige Versuche mit der Filtertechnik in der Mine Brucutu brachten bisher noch nicht unbedingt die gewünschten Ergebnisse, da die Kapazität der Mine nur zu 40 % ausgelastet werden konnte. Möglicherweise wurden nicht die richtigen Filterapparate eingesetzt bzw. die Vorentwässerung im Eindicken war ungenügend.

Weltweit werden im Bergbau jährlich etwa 7 – 9 Mrd. t Tailings erzeugt. Gemäß einer Untersuchung von Metso Minerals wurden im Jahr 2018 nur 5 % der Tailings der Minenindustrie entwässert, um eingedickten Schlamm oder eine Schlammpaste zu erzeugen und weniger als 1 % der Tailings wurden in DST-Anlagen mit Filtern entwässert. Gemäß Metso sollen die Anwendungen mit Filtern bis zum Jahr 2025 aber bereits auf 13 % anwachsen. Nach Untersuchungen u.a. von Anglo American und Consultingunternehmen sind die bisher ausgeführten DST-Anlagen bisher praktisch ausschließlich für kleinere bis mittlere Leistungen von 10 000 bis 20 000 Tagestonnen (t/d) ausgeführt. Solche Anlagenleistungen existieren beispielsweise bei der Golderzaufbereitung. Für die deutlich größeren Anlagenleistungen für Kupfererz oder Eisenerz sind bisher keine Anlagen ausgeführt.

Zu den wenigen bisher ausgeführten größeren DST-Systemen zählt die Gold-Silbermine La Coipa von Kinross Gold in Chile im Gebiet der Atacama Wüste. In der Mine wurden bis 2013 etwa 18 000 t/d tailings über Vakuum-Bandfilter entwässert und auf eine Restfeuchte < 20 % für das Trockenstapeln (Bild 3) gebracht. Die Mine war zwischenzeitlich außer Betrieb, Kinross plant jetzt aber eine Betriebsfortführung im Jahr 2020 mit Lagerstätte 7. Wie bei La Coipa sind DST-Systeme bisher fast nur in ariden Gebieten in Chile, Peru und anderen Teilen Südamerikas, in Westaustralien, im Südwesten der USA und in einigen arktischen Gebieten zum Einsatz gekommen. Prozesse mit Eindickern, die einen Schlamm mit bis zu 60 % Trockensubstanz erzeugen, sind dagegen weitaus öfter ausgeführt, insbesondere wenn der Schlamm für die Rückverfüllung von Untertageminen eingesetzt wird.

3 Technologische Aspekte und Lösungen

Die Körnungen des Feststoffs in den Tailings sind je nach Erz und vorheriger Aufmahlung sehr unterschiedlich. Für Metallerze erhält man beispielsweise Körngrößen von wenigen Mikrometern bis hin zu mehreren Millimetern. Die Entwässerungsmöglichkeiten der Tailings hängen somit weitgehend von den Korngrößen, Rauigkeiten und anderen Parametern ab. Bild 4 zeigt, wie die Kohäsionskräfte von nassen Mono-Partikeln im Verhältnis zu den Gravitationskräften steigen. Bei feinen Kornfraktionen können diese Kräfte weiter ansteigen. Man erkennt, dass die van der Waals-Kräfte im Vergleich zu den Kapillarkräften (Flüssigkeitsbrücken) in dem Feinbereich dominieren. Für die mechanische Entwässerung von feinkörnigen Schlämmen hat dies eine entscheidende Bedeutung.

Bild 5 zeigt die prinzipiellen Entwässerungsverfahren und die dabei erzielbaren Restfeuchten (Wassergehalte) bzw. Trockensubstanzgehalte. Bei der Aufbereitung von Metallerzen (ohne Eisenerz) haben die Suspensionen aus der Aufbereitung Wassergehalte in der Regel von 70 – 80 %. D.h. von z.B. einer Menge von 100 000 t/d Tailings sind etwa 75 000 t/d Wasser und 25 000 t/d Feststoff. In Eindickern werden die Schlämme auf Restfeuchten von 40 – 55 % gebracht. Hochleistungs-Eindicker erreichen bereits 25 – 35 %. Für die weitere Entwässerung werden Filterapparate eingesetzt, die je nach Verfahren und Filtrationszeiten Restfeuchten der Filterkuchen von 10 – 20 % ermöglichen. Entsprechend enthält der Filterkuchen etwa 25 000 t/d Feststoff und noch bis zu 5000 t/d Wasser für die quasi „Trockenstapelung“. Es gibt auch Hochleistungsfilter, die noch geringere Restfeuchten ermöglichen, für die Entwässerung von Tailings werden diese aber nicht eingesetzt.

In Bild 6 sind die gängigsten Entwässerungsapparate mit ihrem Einsatzbereich dargestellt. Man unterscheidet 4 Druckbereiche (Gravitationsverfahren, Vakuumverfahren bzw. Niedrigdruck sowie Mitteldruck und Hochdruck). Bei Vakuumfiltern werden Unterdrücke von bis zu 1 bar erzeugt, der Mitteldruckbereich geht bis zu 25 bar Überdruck. Entwässerungssiebe und -spiralen kommen im Millimeterbereich zum Einsatz, Eindicker bzw. Sedimentationsapparate werden über einen breiten Bereich eingesetzt, doch je feiner die Partikel sind und umso geringer die Sedimentationsgeschwindigkeit ist, desto größer und leistungsfähiger müssen die Eindicker werden. Für die weitergehende mechanische Entwässerung mit Filtern kommen verschiedene Filterapparate zum Einsatz. Bei feineren Schlämmen sind für die Entwässerung aufgrund der zunehmenden Kohäsionskräfte höhere Filterdrücke oder entsprechend längere Filterzeiten anzuwenden.

Aus einer Koppelung von verschiedenen Entwässerungsstufen ergeben sich eine Reihe von unterschiedlichen Lösungen im Vergleich zu der konventionellen Ablagerung der Tailings in Rückhaltebecken (Bild 7). Alle Verfahren haben zum Ziel, die Menge der Tailings zu reduzieren oder komplett zu eliminieren. Mit High-Performance Eindickern (Bild 8) oder Vakuum-Scheiben- und Bandfiltern können bereits Feststoffgehalte der Schlämme von 68 – 70 % und darüber hinaus erreicht werden. Derartige feste Schlämme können oberirdisch gelagert werden oder durch Zugabe von Bindemitteln wie Zement für die Rückverfüllung von Untertageminen eingesetzt werden. Will man allerdings höhere Trockensubstanzgehalte der Schlämme bzw. Filterkuchen erreichen, so kommen in der Bergbauindustrie meist Filterpressen zum Einsatz. In zahlreichen Fällen eignen sich anstelle der Filterpressen auch Dekanterzentrifugen [5].

Bei den Filterpressen hat es in den letzten 2 bis 3 Jahren eine gewaltige Entwicklung gegeben. Die bisher verwendeten konventionellen Membranfilter (Bild 9) erreichen nicht die gewünschten Durchsätze und Restfeuchten für große Tailings-Mengen von > 120 000 t/d wie z.B. in der Kupfererzaufbereitung. Für kleinere Mengen oder zur Entwässerung von Kohletailings sind diese Filter aber durchaus eine sinnvolle Option. Um größere Durchsätze bei Feintailings zu erzielen, haben sowohl FLSmidth als auch Metso Outotec die Technologie der Kammerfilterpressen auf die Belange der Bergbauindustrie weiterentwickelt. FLSmidth verwendet bei seinen Colossal-Kammerfilterpressen (Bild 10) mit einzelnen Platten bzw. Kammern mit Abmessungen von 2 x 4 m, Filterflächen > 2000 m², Volumenströmen > 40 m³/Zyklus und Filterdrücken bis zu 15 bar. FLSmidth ging es bei der Entwicklung der neuen Filterpressen-Generation insbesondere darum, die spezifischen Filterleistungen zu erhöhen und damit die spezifischen Filtrationskosten zu senken.

Metso Outotec (MO), die ihre VPX-Kammerfilterpresse (Bild 11) erst im Juni 2019 in den Markt eingeführt haben, haben vorher ebenfalls auf Membranfilterpressen gesetzt. MO haben bei ihrer Entwicklung auf einen kompakten Filter mit schnellen Zykluszeiten und hohen Leistungsdaten gesetzt. Die Filterpresse hat ein Filtervolumen von 1391 m² bei 36 m³/Zyklus Volumenstrom und Filterdrücken von maximal 25 bar. Die Filterzykluszeiten können relativ einfach auf die Aufgabenstellungen bei verschiedenen Erzen bzw. Feinheiten der Schlämme angepasst werden. Dies ist insbesondere wichtig, da im Laufe eines Betriebes sich die Prozessparameter ändern können, womit die Filterpresse auch einfach an künftige Anforderungen angepasst werden kann. Wie bei dem FLS Colossal-Filter wurden zudem einfache Reparatur- und Wartungsmöglichkeiten konzipiert.

Um die Vorteile von DST-Systemen vollständig zu nutzen, ist geplant, je nach Beschaffenheit der Tailings, Stapelhöhen von bis zu 100 m zu ermöglichen. Damit ließen sich große Platzeinsparungen gegenüber konventionellen Tailing-Systemen erzielen. Dies setzt aber besondere Materialtransporteinrichtungen und Absetzer voraus. Entsprechende Technologien (Bild 12) sind in der Bergbauindustrie vorhanden. Die besondere Herausforderung besteht darin, dass die Absetzer mit Raupenfahrwerken auf den Tailings verfahrbar sind und dass im Laufe der Betriebszeit die Förderhöhe stufenweise erhöht werden kann. Im Vergleich zu solchen besonderen Anforderungen werden aber auch konventionelle und weniger aufwendige Förderbänder und Absetzer zum Einsatz kommen. In einfachsten Fällen werden die Dry Tailings mit Minentrucks ausgebracht.

4 Kostenbetrachtungen, wichtigste Anbieter und

Referenzprojekte

Bisher ist in der Minenindustrie die breite Meinung vorherrschend, dass DST-Systeme deutlich teurer sind als konventionelle Tailings-Rückhaltebecken. Insbesondere bei den Betriebskosten wird davon ausgegangen, dass DST-Systeme um das 4- bis 5-fache oder sogar um das 10-fache höhere laufende Kosten verursachen.

FLSmidth und Metso sehen aber gerade hier durch Quantensprünge in der Entwicklung neuer Filterpressen zukünftig nahezu gleiche Kostenlevel (Bild 13), insbesondere wenn Wassereinsparmöglichkeiten eingerechnet werden. Durchschnittlich liegen die operativen Kosten von DST-Systemen damit nur noch unwesentlich über konventionellen Tailings mit Rückhaltebecken, die Kosten für die Sicherheitsüberwachung sind dabei noch nicht einmal eingerechnet. Außerdem werden höhere OPEX-Ausgaben durch geringe CAPEX-Ausgaben kompensiert. Es lohnt sich also ein Vergleich.

Momentan die wichtigsten Anbieter von kompletten DST-Systemen sind FLSmidth, Metso Outotec und TAKRAF Tenova. Daneben gibt es zahlreiche Anbieter, die bisher noch nicht über den kompletten Technologieumfang vom Eindicker, über die Filterpressen bis hin zu den Bandanlagen und Absetzern verfügen. Dazu zählen beispielsweise McLanahan, thyssenkrupp Industrial Solutions und WesTech. Wenn es nach der Anzahl der zuletzt erhaltenen Aufträge in dem Sektor geht, so sind FLSmidth und Metso Outotec führend. Metso Outotec entstand aus dem Zusammenschluss von Metso Minerals und Outotec und ist an der Nasdaq in Helsinki seit dem 5. August 2020 gelistet. Das Unternehmen beschäftigt 15 000 Mitarbeiter und hat 2019 einen Umsatz in Höhe von etwa 4,2 Mrd. € erwirtschaftet. Mit diesen Zahlen ist man weltweit der größte OEM für die Minenindustrie.

In den letzten Jahren hat Metso Outotec mehrere Aufträge für die Rückverfüllung von Schlammpasten erhalten. Einer dieser Aufträge wurde von OZ Minerals für die Gold-Kupfermine Prominent Hill in Südaustralien (Bild 14) erteilt. Geliefert wurde eine CHF-Anlage (CHF = Cemented Hydraulic Backfill), bei der maximal 2 % freies Wasser in der Schlammpaste enthalten sein dürfen. Der jüngste Auftrag wurde von Salares Norte in Chile für eine neue Greenfield-Mine entgegengenommen. Bei dem Auftrag werden u.a. drei VPX-Filterpressen für ein DST-System geliefert. Die Mine befindet sich in 4500 m Höhe in einer Andenregion, wo Wasserknappheit herrscht und jeder Tropfen Wasser kostbar ist. Die Inbetriebnahme der Anlage ist für 2023 geplant, und wird sicherlich ein Benchmark für die gesamte Industrie.

FLSmidth war in den letzten Jahren ebenfalls sehr erfolgreich, wenn es um Projekte für DST-Systeme oder die mechanische Entwässerung von Tailing-Schlämmen geht. Die meisten Anlagen wurden für Kapazitäten von < 20 000 t/d geliefert, so beispielsweise die Systeme für Schlammpasten bei Hindustan Zinc und bei Lundin Gold. Für das Goldcorp EcoTails Projekt im Atacama Gebiet in Chile wurde eine erste Demonstrationsanlage für ein DST-System mit Colossal-Filter (Bild 15) und einer Kapazität von 10 000 t/d gebaut und erfolgreich in Betrieb genommen. Ein weiteres Projekt mit dem Kunden ist in Penasquito/Mexiko geplant. Den größten Coup gelang FLSmidth mit dem Karara-Eisenerz-Projekt in Westaustralien. Dort wird das weltweit bisher größte DST-System installiert, als ökologische und ökonomische Alternative zu einer Tailings-Landschaft mit einer Fläche von 8 km² über die Minenlaufzeit von 30 Jahren.

TAKRAF Tenova liefert ebenfalls komplette DST-Systeme, wobei die Eindicker und Filter von Tenova Delkor kommen. Für einen Goldminenbetreiber wurde eine Anlage nach Usbekistan für einen Durchsatz von 120 t/h Tailings geliefert. Für die Société Nationale Industrielle et Minière de Mauritanie (SNIM) wurde für ein Eisenerzprojekt ein komplettes System (Bild 16) geliefert. Die Durchsatzleistung dort beträgt 880 t/h bzw. etwa 490 m³/h. Die maximale Höhe für den Brückenabsetzer beträgt 7 m.

5 Ausblick

Bei neuen Aufbereitungslinien werden nach Informationen von den führenden Anbietern DST-Systeme inzwischen optional angefragt und angeboten. Aufgrund der momentan relativ geringen Zahl an Neuprojekten besteht die größte Nachfrage nach Upgrades von bestehenden Tailing-Systemen. Dies hat mit mehreren Gründen zu tun: Einerseits sind viele Minen an ihrem Ende, was die Erweiterung der Tailings-Flächen und -Kapazitäten angeht, andererseits besteht in vielen Minen ein Mix aus unterschiedlichen Rückhaltebecken, von denen einige die Sicherheitsanforderungen nicht länger erfüllen und die beispielsweise gegen DST-Systeme auszutauschen sind. Im Laufe der letzten Monate ist daher bei den Minengesellschaften die Zuversicht gewachsen, dass auch konventionelle Rückhaltebecken-Tailingssysteme mit sicheren DST-Systemen ergänzt werden können. Die zunehmende Wasserknappheit sorgt für eine weitere Präferenz.