Intelligente Agglomerationstechnik zum Recycling von Stahlwerksreststoffen

M‌etallurgische Verfahren wie Hochofenprozess, Corex-Prozess oder Direktreduktionsverfahren basieren auf gasdurchströmten Materialbetten. Die durch den Gasstrom mitgerissenen feinen Partikel müssen anschließend aus den Prozessgasen gefiltert werden. Dazu kommen Trockenfilter und/oder Nassabscheider für die Abgasreinigung in den Stahlwerken zum Einsatz.

1 HAVER SCARABAEUS-Pelletierteller^®
© HAVER NIAGARA

Beispielhaft wird im Folgendem der Einsatz des Pelletiertellers HAVER SCARABAEUS^® im Recycling von Stahlwerksreststoffen, Walzwerkstäuben sowie Schlacken dargestellt. Da diese Stoffe signifikante Anteile an Zink und Blei enthalten, kann die direkte Wiederverwendung dieser Reststoffe in der primärmetallurgischen Produktion problematisch sein. Einige dieser Materialien werden deponiert, der Großteil jedoch zu verwendungsfähigen Zink, Nickel, Molybdän oder Chrom recycelt.

Jährlich fallen weltweit ca. 6,75 Mio. t Stäube aus Elektrolichtbogenprozessen an. Darin sind durchschnittlich ca. 1,6 Mio. t wertvolles Zink enthalten. Noch vor wenigen Jahren war die Deponierung dieser Stäube und Schlämme das Mittel der Wahl. Die erheblichen Mengen der darin enthaltenen Wertstoffe beförderten jedoch ein Umdenken der Strategie hin zur vermehrten industriellen Verwertung, sodass nur noch wenige Restmengen auf Deponien zwischengelagert bzw. entsorgt werden. Für das Recycling stehen derzeit weltweit ca. 35 Wälzöfen mit einer durchschnittlichen Kapazität von 75 000 t/a zur Verfügung. Diese verarbeiten jedes Jahr 3,4 Mio. t Lichtbogenofenstaub [1].

2 Vor dem Wälzprozess werden zinkhaltige Stäube und Schlämme mit Kohle und Kalk im HAVER SCARABAEUS^® homogenisiert und pelletiert
© HAVER NIAGARA

Die sehr kleinen Partikelgrößen der Stäube und Schlämme verursachen einen erhöhten Aufwand hinsichtlich der Transport-, Lager- und Verarbeitungseigenschaften. Durch geeignete vorgeschaltete Aufbereitungsprozesse wie der Agglomeration lassen sich diese Eigenschaften entscheidend verbessern und ermöglichen eine Rückführung der Materialien in den metallurgischen Prozess. Der HAVER SCARABAEUS^®-Pelletierteller eignet sich dabei hervorragend, um feine Partikel in größere Agglomerate mit definierter, enger Partikelgrößenverteilung zu überführen [2].

Im Zinkrecycling werden zinkhaltige Rückstände mithilfe von Kohlenstoffträgern in Drehöfen, dem sogenannten Wälzofen reduziert. Zink und Blei sublimieren und werden anschließend im Gegenstromverfahren mit Hilfe des Luftstroms reoxidiert und in der nachgeschalteten Abgasreinigungsanlage abgetrennt. Bei dem Wälzprozess genannten Verfahren zur Herstellung von Wälzoxid wird Kalk u.a. als Schlackenbildner verwendet. Vor dem Wälzprozess werden die zinkhaltigen Stäube und Schlämme (ca. 74 Ma-%) mit Kohle (ca. 19 Ma-%) und Kalk (ca. 7 Ma-%) homogenisiert und pelletiert. Durch die Bindung der feinen Stäube und Schlämme werden verbesserte Transport- und Lagereigenschaften und vor allem deutlich verbesserte Verarbeitungseigenschaften im Wälzofen erreicht.

Bedingt durch das Gegenstromverfahren (Material- und Luftstrom) besteht die Gefahr der Kontamination des Produktes durch unverarbeitete Stäube. Durch die Pelletierung im HAVER SCARABAEUS^® und die Erzeugung einer definierten Partikelgröße kann dem entgegengewirkt und die Wälzprozesse optimiert werden. Typischerweise zeigen die Pellets einen Feuchtigkeitsgehalt von ca. 14 Ma-% bei einem Zielkorngrößenbereich von 4 – 8 mm. Die Kapazität des HAVER SCARABAEUS^® im Recyclingbereich beträgt ca. 50 000 – 150 000 t/a.

Bereits 2010 entwickelte HAVER ENGINEERING GmbH ein Pelletierverfahren, welches an die Anforderungen des Wälzofenprozesses ideal angepasst ist [4]. Ein Jahr später lieferte die HAVER NIAGARA GmbH einen HAVER SCARABAEUS^® 4200 für diesen Prozess an einen Kunden in Deutschland aus. Die Altanlage beinhaltete einen Intensivmischer, welcher die zugeführten Materialien homogenisierte. Um die Ofenkapazität und die Wälzoxidleistung zu optimieren, entschied sich der Kunde, die Anlage zu erweitern und Agglomerate im HAVER SCARABAEUS^® herzustellen. Aufgrund der höheren Gasdurchlässigkeit der Pelletschüttung konnte eine verbesserte Reaktion des Prozessgases im Ofen erreicht werden. Weiterhin kann die enge Partikelgrößenverteilung des Produktes während des kontinuierlichen Betriebs variiert werden. Somit wurde die Wälzoxidleistung durch die Kombination aus Mischer und Pelletierteller mit einer Kapazität von ca. 17 t/h deutlich gesteigert.

Ziel des Projekts war es, den Gesamtdurchsatz des Wälzofens zu erhöhen und die Zinkrückgewinnung zu optimieren. Durch die Pelletproduktion wurden die geforderten Ziele nicht nur erreicht, sondern sogar übertroffen.

Die Grundidee des Kunden war, durch Verwendung eines Agglomerats mit hoher Porosität eine schnellere Diffusion des Prozessgases in den inneren Kern der Agglomerate zu fördern. Der  Vergleich der Eigenschaften der Agglomerate aus einem Intensivmischer und Agglomeraten, welche in einem Pelletierteller erzeugt wurden, zeigt u.a. Unterschiede in der Rohdichte der Agglomerate. Durch den höheren Energieeintrag der Mischorgane weisen die im Mischer erzeugten Pellets eine höhere Dichte auf. Ebenfalls ist die Partikelgrößenverteilung bei einer Mischgranulation breiter als bei der Agglomeration im Pelletierteller mit seinem ausgeprägten Segregationseffekt.

Der Prozessraum des HAVER SCARABAEUS^® besteht aus einem geneigten, rotierenden, flachzylindrischen Prozessraum. Durch die Rotation wird das feine Material bis zum obersten Punkt des Tellers mitgenommen und rollt dann auf dem Materialbett ab. Durch die Materialabrollbewegung im Teller kommt es unter Zugabe von Wasser zu Keimbildung und Partikelwachstum infolge dieser Bewegung. Dabei entstehen typischerweise Pellets mit einer sehr engen Partikelgrößenverteilung, welche durch den Segregationseffekt kontinuierlich über den Rand des SCARABAEUS^® ausgetragen werden.

Aufgrund der Porosität der Pellets und der engen Partikelgrößenverteilung, die zu einer hohen Pelletbett-/Massendurchlässigkeit führen, steigt die Kapazität des Wälzofens und zudem die Zinkrückgewinnung.

In den folgenden Jahren wurde dieser Prozess an vergleichbare Verfahren angepasst. Pelletierteller mit Durchmessern von 2,2 – 5,2 m finden sich heute in Recyclinganlagen für Stahlwerksreststoffe.

HAVER & BOECKER NIAGARA unterstützt seine Kunden bei der Entwicklung und Optimierung ihrer Prozesse, Maschinen und Anlagen. Im Labor werden verschiedene Aggregate der Agglomeration dazu genutzt, die Grundlagen für ein ausgereiftes Engineering zu ermitteln,  welches die technischen Kundenanforderungen erfüllt und zudem die Erträge der Kunden steigert.