Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen – Forschungsergebnisse aus praktischen Untersuchungen – Prof. Dr.-Ing. Peter Quicker Dipl.-Ing. Battogtokh Zayat-Vogel Jan Stockschläder, M.Sc. RWTH Aachen – Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe Prof. Dr.-Ing. Thomas Pretz Dipl.-Ing. Andrea Garth RWTH Aachen – Institut für Aufbereitung und Recycling Dr.-Ing. Ralf Koralewska Sasa Malek, M.Sc. Martin GmbH für Umwelt- und Energietechnik Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle – Aschen, Schlacken, Stäube und Baurestmassen – 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Prof. Dr.-Ing. Rüdger Deike Dominik Ebert, B.Eng. Universität Duisburg – Institut für Metallurgie und Umformtechnik Dipl.-Ing.(FH) Thilo Brämer Dr. Carsten Gellermann Fraunhofer-Projektgruppe für IWKS des Fraunhofer ISC Dr. Stefan Ratering Universität Gießen – Institute of Applied Microbiology Dr. Etther Gabor Dr. Yvonne Tiffert B.R.A.I.N. Biotechnologie AG Inhalt I. Projektübersicht i. ii. II. Schlackenentnahme III. Ergebnisse i. ii. iii. iv. v. IV. 2 von 103 Partner Vorgehen Mechanische Aufbereitung Nassmechanische Aufbereitung Biologische Aufbereitung der Feinfraktion a. Vorkonditionierung und chemische Extraktion b. Bioleaching c. Bioakkumulation Bautechnische Untersuchungen Chemische Analyse Fazit Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin 2 Projektübersicht Partner & Auftraggeber • Auftraggeber Umweltbundesamt (UFOPLAN-Vorhaben FKZ 371333303) • Titel Möglichkeiten einer ressourcenschonenden Kreislaufwirtschaft durch weitergehende Gewinnung von Rohstoffen aus festen Verbrennungsrückständen aus der Behandlung von Siedlungsabfällen • Projektpartner − RWTH Aachen Lehr- & Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe (Leitung) Institut für Aufbereitung und Recycling − Universität Duisburg – Institut für Metallurgie und Umformtechnik − Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC − Martin GmbH für Umwelt- und Energietechnik − Biotechnology Research And Information Network AG − Entsorgungsgesellschaft Mainz GmbH – MHKW Mainz 4 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Vorgehen Siebung TEER/I.A.R. Nass- und Trockenentschlackung MHKW Mainz Martin GmbH TEER & I.A.R. Bautechnische Untersuchungen TU München, TEER Mechanische Aufbereitung I.A.R. < 30 mm Nassmechanische Aufbereitung Klassierung 4-10 mm 10-30 mm 30-80 mm 0-2 mm 2-4 mm Nassklassierung Schauenburg MAB GmbH >80 mm < 0,25 mm Mehrstufige Metallabscheidung Steinert GmbH Mehrstufige Metallabscheidung Fe NE Mineralik FE Proben Hochenergiemahlung, Bioleaching ISC Metallurgische Untersuchung IMU Bioakkumulation B.R.A.I.N. Analytik TEER, ISC, IMU 6 von 103 4-30 mm 0,25-4 mm Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin NE Mineralik Schlackenentnahme Schlackenentnahme Input • Homogenisierung − Vormischung in separatem Bunkersegment • Zusammensetzung − 50 % Hausmüll − 50 % Gewerbeabfall • Mengenströme − Nass: 16,63 Mg/h − Trocken: 15,63 Mg/h 8 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Schlackenentnahme Schema MHKW Mainz Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Schlackenentnahme Umbau Entschlacker 18 von 75 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Schlackenentnahme Nassentschlackung 23 von 75 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Schlackenentnahme - Massenbilanz Nassentschlackung Trockenentschlackung Gesamt: 9,98 t Gesamt: 10,12 t 86,6 Ma.-% 7,4 Ma.-% Verworfen 6,0 Ma.-% Überkorn > 100 mm Fraktion < 100 mm Alterung für 3 Monate Verworfen Fraktion < 100 mm 16,6 Ma.-% Überkorn > 100 mm 2,4 Ma.-% Mechanische Aufbereitung 10 von 103 64,6 Ma.-% 18,8 Ma.-% Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin 12,4 Ma.-% Mechanische Aufbereitung Mechanische Aufbereitung Mechanische Aufbereitung Handsortierung Weitere Aufbereitung durch Partner Fe-Produkt Separation magnetische Teile NE-Produkt 12 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Mechanische Aufbereitung • Kreisschwingsieb 13 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin • Spannwellensieb Mechanische Aufbereitung Trockenschlacke & Nassschlacke • Vergleich der Sieblinien Kumulierter Siebrückstand [Ma.-%] 100 90 80 70 Trockenschlacke 60 Nassschlacke 50 40 30 20 10 0 0 14 von 103 10 20 30 40 Korngröße [mm] Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin 50 60 70 80 Mechanische Aufbereitung Fe - Schrott Metallabscheidung: Produkte • Fe – Schrott − Partikel mit hohem magnetischen Anteil können mit aushebendem Magnetscheider gewonnen werden − Fe > 80 % • Fe – Verbunde − Partikel mit hohem nicht-magnetischen Anteil (> 75 %) können mit abwerfendem Magnetscheider gewonnen werden − Magnetischer Anteil ~ 10 % Fe - Verbunde NE - Schrott • NE – Schrott − Abhängig von Form und Leitfähigkeit Sortierung mit Wirbelstromscheider • Rest Rest 16 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Mechanische Aufbereitung Metallrückgewinnung: Fe Output Überbandmagnet 4-10 mm ÜMS 4-10 mm ÜMS w 17 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin 10-30 mm ÜMS 10-30 mm ÜMS Mechanische Aufbereitung Wertstoffausbringen: Nass- und Trockenschlacke 100% w 80% 80% RW trocken Rw dry Rw wet R W nass 83% 68% 60% 54% 40% 20% 0% Ferrous scrap Fe – Schrott Non-ferrous scrap NE – Schrott Sind die Metallprodukte vergleichbar? Gibt es Qualitätsunterschiede? 19 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Mechanische Aufbereitung Wertstoffausbringen: Nass- und Trockenschlacke w Fe-Schrott Nassschlacke Rest Fe-Schrott Trockenschlacke Behandlung mit Prallmühle Verwertung 20 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Direkte Verwertung Mechanische Aufbereitung Wertstoffausbringen: Nass- und Trockenschlacke 90% 80%w 80% 83% 75% R Rw dry W trocken -10% Rw wet R W nass 68% 70% 60% R korrigiert Rw wet corrected W nass, 54% 50% 41% 40% 30% 20% 10% 0% Fe – Schrott Ferrous scrap 21 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin NE – Schrott Non-ferrous scrap -25% Nassmechanische Aufbereitung Nassmechanische Aufbereitung Versuchsdurchführung Siebung TEER/I.A.R. Je ca. 1 t < 30 mm • Vermischung der Schlacke beim Eintrag mit Wasser • Nasse Fraktionierung • Mehrstufige Metallasbcheidung der Fraktionen 4-30 und 0,25-4 mm Nassmechanische Aufbereitung Nassklassierung Schauenburg MAB GmbH < 0,25 mm 4-30 mm 0,25-4 mm Mehrstufige Metallabscheidung Steinert GmbH FE NE Mineralik Proben Chemische und Metallurgische Untersuchungen TEER 28 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Nassmechanische Aufbereitung Versuchsdurchführung der Nasssiebung Siebbelag 0,25-4 mm 31 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Versuchsstand Fa. Schauenbrug Nassmechanische Aufbereitung Metallabscheidung der nassklassierten Nass- und Trockenschlacke • Aufgabe mit einem Gabelstapler in einen Aufgabetrichter • FE-Abtrennung − Erste Stufe Magnetabscheider FE-Schrott Durchsatz: 1,148 t/h − Zweite Stufe Magnettrommel magnetisierbare FE-Metalle Durchsatz: 1,136 t/h • Aufgabe Probenmaterial NE-Abtrennung WSS NE-Metallabscheidung WSS 32 15 von 103 35 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Nassmechanische Aufbereitung Gesiebte Nassschlacke Kornfraktion 4 – 30 mm 36 von 103 Kornfraktion 0,25 – 4 mm Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker | Zayat-Vogel | Stockschläder | Pretz | Garth | Koralewska | Malek | Deike | Ebert | Gellermann | Brämer | Rateriing | Gabor | Tiffert Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle – Aschen, Schlacken, Stäube und Baurestmassen – 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Nassmechanische Aufbereitung Gesiebte Trockenschlacke Kornfraktion 4 – 30 mm 37 von 103 Kornfraktion 0,25 – 4 mm Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker | Zayat-Vogel | Stockschläder | Pretz | Garth | Koralewska | Malek | Deike | Ebert | Gellermann | Brämer | Rateriing | Gabor | Tiffert Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle – Aschen, Schlacken, Stäube und Baurestmassen – 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Nassmechanische Aufbereitung Metallabscheidung der nassklassierten Nass- und Trockenschlacke • Vergleich Massenausbringen RM Metallabscheidung (Korngröße 0,25-4 mm) Massenausbringen RM 60 Ma.-% 57 50 50 Trockenschlacke Nassschlacke 40 30 20 10 0 4 FE-Schrott 40 von 103 3 1 FE-Magnetisch Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin 3 NE-Schrott Nassmechanische Aufbereitung Metallabscheidung der nassklassierten Nass- und Trockenschlacke • Massenausbringen RM Korngröße 4-30 mm Massenausbringen Rm Ma.-% 50 47 Trockenschlacke Nassschlacke Nassschlacke 40 30 25 20 12 10 4 2 4 0 FE-Schrott 41 von 103 FE-Magnetisch Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin NE-Schrott Nassmechanische Aufbereitung Mikroskopie NE-Metalle • 3 Wochen nach Nassaufbereitung NE aus Nassschlacke (0,25 – 4 mm) 38 von 103 NE aus Trockenschlacke (0,25 – 4 mm) Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Nassmechanische Aufbereitung Mikroskopie Fe-Metalle • 3 Wochen nach Nassaufbereitung Fe aus Nassschlacke (0,25 – 4 mm) 39 von 103 Fe aus Trockenschlacke (0,25 – 4 mm) Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Biologische Aufbereitung Biologische Aufbereitungsverfahren Bioleaching Freisetzung von Metallionen aus mineralischen Partikeln Abtrennung aus Überstand Metallpartikel S0 Bioakkumulation Änderung der Oberflächeneigenschaften von metallischen Partikeln Verbesserung der Trenneigenschaften Quelle: BRAIN AG 55 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin SO42- Fe2+ Me+ Fe3+ Mex+ Mex+ Mex+ Mex+ Biologische Aufbereitung Vorgehen Probenaufbereitung (Klassierung) TEER/I.A.R. 0 - 2 mm 2 – 4 mm Vorkonditionierung und Vorversuche Fraunhofer ISC Ungemahlene Proben Biologische Aufbereitungsverfahren Hochenergetische Mahlung 0 – 2 mm 2 – 4 mm 0 – 2 mm 2 – 4 mm Bioleaching mit Mikroorganismen Fraunhofer ISC Bioakkumulation mit Mikroorganismen B.R.A.I.N. AG Chemische Extraktion Analytik 43 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Analytik Bioleaching Vorkonditionierung der Feinfraktion Vor dem Mahlprozess Nach dem Mahlprozess Ausgangsund gemahlene Fraktion Planetenkugelmühle 47 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Bioleaching Extraktionsversuch (1M Salzsäure = 130 ml 25%ige HCl pro g) • Vergleich Nass- und Trockenschlacke ungemahlen und gemahlen 130 120 110 Aluminium 100 Kupfer Konzentration [mg/g] 90 80 Eisen 70 Blei 60 Zink 50 40 30 20 10 0 TR 0-2 TR 0-2 ungemahlen ungemahlen 50 von 103 TR 0-2 TR 0-2 gemahlen gemahlen TR TR 0-2 0-2 gemahlen gemahlen 90°C 90°C NA 0-2 NA 0-2 ungemahlen ungemahlen NA 0-2 NA 0-2 gemahlen gemahlen NA 0-2 NA 0-2 gemahlen gemahlen 90°C 90°C Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin TR 2-4 TR 2-4 gemahlen gemahlen TR2-4 2-4 TR gemahlen gemahlen 90°C 90°C NA2-4 2-4 NA gemahlen gemahlen NA2-4 2-4 NA gemahlen gemahlen 90°C 90°C Bioleaching Bioleaching Versuchsdurchführung • Mikroorganismus: Acidithiobacillus ferrooxidans: − Stoffwechsel: Oxidation von Eisen(II) (Fe2+), Reduktion von Fe3+ • Mischung 1 g Schlackeprobe zu 100 ml in Kolben • Inkubation auf Schüttler für 14 Tage − 3 Kolben mit A. ferrooxidans − 3 Kolben ohne A. ferrooxidans Kolben vor dem Versuch 51 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Kolben nach 14 tagen Bioleaching Vergleich Extraktionsversuch mit Bioleaching • Bioleaching mit Acidithiobacillus ferrooxidans Trockenschlacke 0 – 2 mm Inkubationszeit 14 Tage (n = 3) Konzentration [mg/l] 250 TrI biologisch TrI chemisch TrII biologisch TrII chemisch 200 150 100 50 0 Al 52 von 103 Cd Cr Cu Mn Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Ni Pb V Zn Bioleaching Vergleich Extraktionsversuch mit Bioleaching • Bioleaching mit Acidithiobacillus ferrooxidans Trockenschlacke 2 – 4 mm Inkubationszeit 14 Tage (n = 3) Konzentration [mg/l] 300 TrI biologisch TrI chemisch TrII biologisch TrII chemisch 250 200 150 100 50 0 Al 53 von 103 Cd Cr Cu Mn Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Ni Pb V Zn Bioakkumulation/Biologisches Trennverfahren Bioakkumulation BRAIN „Green Mining“ Mikroorganismen Quelle: BRAIN AG 56 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Bioakkumulation Vorgehen Vorkonditinierte Feinfraktion ISC < 100 µm B.R.A.I.N. Voranalyse ICP-MS < 100µm < 100 µm Vorgehen A Vorgehen B Konditionierung, pH-Kontrolle Inkubation pH-Kontrolle 100-300 mg Biotrockenmasse/l 50-150 mg Biotrockenmasse/l Flotation mit biologischen Flotationshilfsmitteln Eindickung mit biologischen Flokkulationshilfsmitteln Analyse ICP-MS 57 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Bioakkumulation Eindickung – Einsatz Mikroorganismen MO1 Nassschlacke – MO1 Wiederfindung • Anreicherung Quelle: BRAIN AG 61 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Trockenschlacke – MO1 Bioakkumulation Nassschlacke - MO4 Eindickung • Einsatz verschiedener Mikroorganismen 100 mg/l Biotrockenmasse 250 g/l MVA-Schlacke Nassschlacke – MO1 Ag Nassschlacke - MO2 Dy Ag Wiederfindung • Anreicherung Quelle: BRAIN AG 62 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Nd Biologische Aufbereitung Fazit • Vorversuche − Aufmahlung (hohe Oberfläche) wesentlich für Extraktionsverhalten − (Chemische) Extraktion aus Trockenschlacke scheint effizienter als aus Nassschlacke • Bioleaching − Biologische Extraktion effizienter als chemische Behandlung für Al, Cu, Zn und Mn − Kupferextraktion besonders effizient bei Fraktion 2-4 mm (Erklärung?) • Bioakkumulation − Schlacke kann mit Mikroorganismen flotiert und eingedickt werden − Für Trockenschlacke in den Tastversuchen keinerlei Ergebnis − Relativ hohe Wiederfindungs- und Anreicherungsraten − Gezielte Rückgewinnung bestimmter Elemente durch spezialisierte MO denkbar 86 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Bautechnische Untersuchungen Bautechnische Untersuchung Untersuchungen durch Labor A und Labor B Probenlieferung TEER 0 – 100 mm gealtert 0-35 mm gealtert, entschrottet Bautechnische Untersuchung Labor A Klassierung Verworfen > 32 mm 0 – 32 mm Sortierung FE- und NE Metalle Unverbranntes Versuche 64 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Bautechnische Untersuchung Labor B Versuche Bautechnische Untersuchung Raumbeständigkeit – Hebungsversuch • Verlauf der Hebungsversuche Trockenschlacke – TR Nassschlacke – TR 95 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Bautechnische Untersuchung Raumbeständigkeit – Hebungsversuch Nassschlacke 75 von 103 Trockenschlacke Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Bautechnische Untersuchung Korngrößenverteilung • Messung Labor B Nassschlacke – TR Trockenschlacke – TR 95 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Bautechnische Untersuchung Gesteinsspezifische Eigenschaften Nassschlacke Anforderungen Labor A Labor B Trockenschlacke Labor A Labor B Zusammensetzung Asche 30-80 %; Glas/Keramik10-50 %; Metalle 0-5 %; Unverbranntes ≤ 0,5 % 50; 27,4 --- ; 0,5 Rohdichte Rohdichte 2,2 – 2,7 [Mg/m³] 2,38 2,08 2,64 2,32 Wasseraufnahme Wasseraufnahme – WA24[%] 10,9 7,4 4,5 3,3 Kornform Kornkennzahl (SI ) ≤ 50%( Labor A: 4 – 32 m) (Labor B: 8 – 12 mm) 34 20 32,4 17 Frost-Tau Widerstand Absplitterung für Feinkorn ≤ 4 mm [Ma.-%] 12,2 4 0,8 2,6 Mineralogische Eigenschaften Calcit-Counts ≥ 140 Counts Anhydrit-Counts ≤ 40 Counts Verhältnis Calcit und Anhydrit ≥ 3 126 76 1,7 489 353 1,38 130 82 1,6 621 644 0,96 76 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin 52,2; 24,7 ---; 0,0 Bautechnische Untersuchung Gemischspezifische Eigenschaften Anforderungen Korngrößenverteilung Anteil < 0,063: max. 5 % Nassschlacke Trockenschlacke Labor A Labor B Labor A Labor B 5,2 1,1 8 5,3 Frosthebeversuch max. Frosthebung: 15 mm 6,1 Protordichte Proctordichte nach M HMVA 1,5 – 1,9 g/cm³ 2,1 1,4 1,7 1,7 Tragfähigkeit CBR Wert 19 – 42 % 35 43,8 40 46,9 Zertrümmerungsversuch Gehalt an Feinanteilen max. 7,0 % 11,1 Wasserdurchlässigkeit Wasserduchlässigkeit ≥ 5*10-5 m/s 1,1*10-5 5,7*10-7 2,4*10-5 2,3*10-5 Raumbeständigkeit Hebung nach 30 Tagen ≤ 3 % 2,5 0,4 10,7 3,3 77 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin 12,5 6,2 Bautechnische Untersuchung Fazit • Nassschlacke Höherer Feinanteil Höhere Wasseraufnahme & Porosität Geringerer Widerstand gegen Frost-Tau-Wechsel Höherer Feinanteil nach Zertrümmerung Höhere Raumbeständigkeit • Trockenschlacke Frosthebung unzureichend Raumbeständigkeit unzureichend • Gemeinsame Eigenschaften Mineralogische & stoffliche Zusammensetzung, Wasserdurchlässigkeit, Tragfähigkeit & gute Verdichtbarkeit von TR und NA (typische für MVA-Schlacke) 86 von 103 Beide Materialien sind noch reaktiv (Hebung & Verfestigung), TR ist reaktiver (Korrosion Proctor-Behälter) Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Metallurgische Untersuchungen Metallurgische Untersuchungen Vorgehen des Umschmelzversuchs der NE-Metalle NE-Metalle (4-10/10-30/30-80 mm) IMU Manuelle Sortierung und Brechen Schwimm-Sinktrennung [3 g/cm³] Leichte Fraktion 50 – 80 Ma.-% schwere Fraktion Umschmelzversuch „Leicht“ Umschmelzversuch „Schwer“ • Umschmelzen Hochfrequenz-Induktionsofen • Umschmelzen Hochfrequenz-Induktionsofen • Trennung der metallischen Phase und Schlackenphase • Trennung der metallischen Phase und Schlackenphase • Analyse mit dem Funkenemissions-Spektrometer • Analyse mit dem Funkenemissions-Spektrometer 23 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Metallurgische Untersuchungen Fraktion „leicht“ und „schwer“ für Umschmelzversuch „leicht“ 30-80 mm Nassschlacke Trockenschlacke 24 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin „schwer“ 10-30 mm Metallurgische Untersuchungen Analyse der Nebenelemente der Fraktion „leicht“ 3,0 4-10mm, trocken 4-10mm, nass 10-30mm, trocken 10-30mm, nass 30-80mm, trocken 30-80mm, nass Massenamteil [Ma.-%] 2,5 2,0 Al > 95% 1,5 1,0 0,5 0,0 Si 25 von 103 Fe Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Cu Mn Metallurgische Untersuchungen Analyse der Hauptelemente der Fraktion „schwer“ Begleitelemente Hauptbestandteile 80 Massenanteil [Ma.-%] Massenanteil [Ma.-%] 90 70 60 50 40 30 20 10 0 Zn 26 von 103 Cu 4 0,7 3 0,6 Massenanteil [Ma.-%] 100 Edelmetalle 3 2 2 1 0,2 0,0 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Ni 30-80mm, nass 0,3 0 Fe 30-80mm, trocken 0,4 0,1 Sn 10-30mm, nass 0,5 1 Pb 4-10mm, nass Ag Au Pt Metallurgische Untersuchungen Fazit • Leichte Fraktion − Ca. 65% (± 15%) der gesamten NE-Masse − Anteil Aluminium > 95% − Keine Edelmetalle identifiziert − Evtl. Verwendung als Sekundäraluminium, z.B. Desoxidation in Stahlindustrie • Schwere Fraktion − Ca. 4 bis 17 % der gesamten Masse der NE-Metalle − Hauptanteil Kupfer > 60% (rein und verschiedene Legierungen) − Zink bis zu 40%, hauptsächlich als Messing-Legierung, auch rein − Kaum Edelmetalle 85 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Chemische Analysen Chemische Untersuchung Vorgehen Nass- und Trockenentschlackung Laborproben TR < 30 Laborproben 14-tägig NA < 30 Alterung 3 Monate Mechanische Aufbereitung Klassierung 0-2 mm 2-4 mm 4-10 mm 10-30 mm 30-80 mm >80 mm Laborproben NA/TR: 4-10/10-30/ 30-80/>80 Laborproben NA/TR < 30 Mehrstufige Metallabscheidung Restfraktionen Laborproben NA/TR: 0-2/2-4/4-10/10-30/30-80/>80 79 von 103 Alterung 3 Monate Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Chemische Untersuchung Feststoffparameter Trockenschlacke < 30 mm Nassschlacke < 30 mm 3% 3% 2% 1% CaO 28% 2% 1% Al2O3 12% Fe2O3 11% CaO 18% SiO2 36% 2% 2% 8% 3% 2% 2% 1% 2% 1% Al2O3 10% Fe2O3 14% SiO2 46% 2% Al2O3 9% Fe2O3 9% 2% CaO 29% SiO2 34% 2% 80 von 103 5% Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin 2% 3% 3% 1% CaO 23% 1% Al2O3 11% Fe2O3 11% SiO2 43% Al2O3 Fe2O3 MnO SiO2 TiO2 Cr2O3 CaO K2O SO3 Na2O MgO P4O10 ZrO3 Chemische Untersuchung Metallgehalte im Feststoff trocken entschlackt (5) Zn nass entschlackt (4) Cu Fe Al 0 20.000 40.000 60.000 Massenanteil [mg/kg] 82 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin 80.000 100.000 120.000 Chemische Untersuchung Eluatwerte (Eluat-S4, 1:10 nach DIN 38414) Konzentration [mg/l] Aluminium Blei Eisen 100 25 5 80 20 4 60 15 3 40 10 2 20 5 1 53,7 0 83 von 103 0 0 nass entschlackt (33) trocken entschlackt (21) Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Kupfer Chemische Untersuchung Eluatwerte Aluminium (Eluat-S4, 1:10 nach DIN 38414) 100 trocken entschlackt (21) Konzentration [mg/l] 80 nass entschlackt (33) 1,3 60 40 20 53,7 0 83 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Chemische Untersuchung Eluatwerte Kupfer (Eluat-S4, 1:10 nach DIN 38414) 4,0 3,5 trocken entschlackt (21) 3,0 nass entschlackt (33) 1,3 2,5 2,0 1,5 1,0 53,7 0,5 0,0 83 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Fazit Fazit Fazit • Entschlackung technisch problemlos • Mechanische Aufbereitung: Trockenschlacke − Geringere Anhaftungen effektivere Wertstoffabtrennung − Wesentlich mehr und größere Agglomerate größerer Aufwand für Aufbereitung − Höheres Fe- und NE-Metallausbringen • Nassmechanische Aufbereitung − Geeignetes Verfahren für Metallrückgewinnung aus Feinfraktion. Auch für Trockenschlacke? • Biologische Aufbereitung − Vielversprechende erste Resultate Verifizierung & Optimierung • Analytik − Bautechnisch ähnliches Verhalten von Nass- und Trockenschlacke − Stoffspezifisches Eluationsverhalten der Metalle 85 von 103 Wertstoffpotenziale von trocken und nass ausgetragenen Abfallverbrennungsaschen Quicker et al. Berliner Konferenz Mineralische Nebenprodukte und Abfälle | 4. und 5. Mai 2015 in Berlin Herzlichen Dank an … die Leitung und das Team des MHKW Mainz … die Martin GmbH für Umwelt- und Energietechnik … die B.R.A.I.N. AG … die C.C. Umwelt AG … stoffstromdesign - ralf ketelhut – Sortierkontor … Schauenburg MAB GmbH … Steinert GmbH … L.S.I. Mechatronics GmbH … und die Mitglieder des projektbegleitenden Ausschusses Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Prof. Dr.-Ing. Peter Quicker RWTH Aachen University 52056 Aachen www.teer.rwth-aachen.de
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