NE-Metallrückgewinnung aus Abfallverbrennungsschlacken

NE-Metallrückgewinnung aus Abfallverbrennungsschlacken
NE-Metallrückgewinnung aus Abfallverbrennungsschlacken
unterschiedlicher Herkunft
Boris Breitenstein, Daniel Goldmann und Benedikt Heitmann
1. Einleitung......................................................................................................255
1.1. Ausgangslage.................................................................................................256
1.2. Wertschöpfungspotentiale aus frischen MVA-Schlacken.......................257
1.3. Wertschöpfungspotentiale aus abgelagerten MVA-Schlacken...............257
1.4. Wertschöpfungspotentiale aus Rückständen
der thermischen Behandlung von deponiestämmigen Brennstoffen...258
2. Herausforderungen bei der Aufbereitung
der genannten MVA-Schlacken.................................................................258
3. Untersuchte Stoffströme..............................................................................260
3.1. Frische Müllverbrennungsschlacke............................................................261
3.2. Abgelagerte Müllverbrennungsschlacke (Alter etwa zwölf Jahre).........262
3.3. Müllverbrennungsschlacke der thermischen Behandlung
von deponiestämmigen Ersatzbrennstoffen.............................................263
4. Rückgewinnung der enthaltenen NE-Metalle..........................................266
4.1. Ergebnisse der Grobkornaufbereitung......................................................266
4.2. Ergebnisse der Feinkornaufbereitung mit dem RENE-Verfahren........266
4.3. Ergebnisse der Feinkornaufbereitung
mit dem RENE-Adapt Verfahren...............................................................268
5. Zusammenfassung und Ausblick...............................................................269
6. Quellen..........................................................................................................270
1. Einleitung
Aschen und Schlacken, welche in Deutschland als Ausbrannt in Müllverbrennungsanlagen (MVA) oder Ersatzbrennstoff (EBS)-Kraftwerken anfallen, bestehen aus
einer Mischung aus auf- bzw. angeschmolzener Mineralik (Schlacke i.e.S.), Asche,
Unverbranntem und gröberen metallischen Bestandteilen. Das Wertstoffrückgewinnungspotential dieser sogenannten Müllverbrennungsschlacken (MVA-Schlacken) ist
255
Boris Breitenstein, Daniel Goldmann, Benedikt Heitmann
hoch. Grund hierfür sind bisher nicht zurückgewonnene hohe Kupfer- und Aluminiumfrachten, insbesondere in den feinkörnigen Bestandteilen. Aufgrund des Fehlens
einer kompletten Aufbereitungskette zur Rückgewinnung dieser Wertmetallfrachten
bis in den Feinstkornbereich wird dieses Ressourcenpotenzial aktuell nur unzureichend
genutzt [1, 2, 3].
1.1. Ausgangslage
Im Spannungsfeld zwischen Ressourcenknappheit und Ressourceneffizienz bedarf es
einer deutlichen Verbesserung und Weiterentwicklung bestehender Prozesse sowie
Verfahrensneuentwicklungen, um aus den Rückständen der thermischen Abfallbehandlung dissipativ verteilte Wertmetallfrachten, insbesondere Aluminium, Kupfer
und Eisen, besser zurückzugewinnen und nachfolgend wieder nutzen zu können. [5]
Mit trocken-mechanischen Verfahren gemäß dem Stand der Technik (Klassieren,
Sichten, Magnetscheiden und Wirbelstromscheiden) werden Metalle aus Müllverbrennungsschlacken in einigen modernen Industrieanlagen bis zu einer unteren Korngröße
von 2 mm zurückgewonnen und in Konzentrate überführt. In diesem Bereich ist eine
Fe- und NE-Konzentratrückgewinnung möglich, da einerseits robuste und erprobte
Technik existiert und andererseits geringe Verwachsungen zwischen Metall und umgebender Mineralmatrix bestehen. [2, 3]
Für Verbrennungsrückstände mit einem Korndurchmesser < 2 mm sind hingegen kaum
Technologien und Verfahren zur Rückgewinnung von Wertmetallen bekannt. Die in
dieser Fraktion auftretenden starken Verwachsungen von Metall und Mineralmatrix
erschweren eine Aufbereitung. Die Feinfraktionen werden daher oftmals unbehandelt
einer Verwertung als Deponiebaustoff zugeführt. Die Entwicklung geeigneter Verfahren zur Aufbereitung dieser feinkörnigen Anteile ist zur Effizienzsteigerung dringend
erforderlich.[1, 5]
Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen dieses Beitrags das an der Technischen
Universität Clausthal entwickelte Verfahren Recycling von NE-Metallen, kurz RENE
sowie das RENE-Adapt-Verfahren vorgestellt.
Dabei ermöglicht das RENE-Verfahren die Rückgewinnung bedeutender Anteile an
Kupfer und Aluminium im Kornspektrum < 6 mm. Das RENE-Adapt-Verfahren ist
eine Weiterentwicklung des RENE-Verfahrens, welches speziell für die Behandlung
von Materialien mit einer Korngröße < 2 mm ausgelegt ist.
Im Folgenden werden die Möglichkeiten der Wertstoffrückgewinnung für vier unterschiedliche Verbrennungsrückstände vorgestellt. Dabei handelt es sich erstens um
frische MVA-Schlacken als Referenzmaterial, zweitens um MVA-Schlacke, die über
einen Zeitraum von zwölf Jahren abgelagert und künstlich gealtert wurde sowie drittens und viertens um zwei MVA-Schlacken, die bei der thermischen Behandlung von
deponiestämmigen Materialien und Ersatzbrennstoffen generiert wurden. Alle vier
untersuchten MVA-Schlacken wurden in den jeweiligen Müllverbrennungsanlagen
nach Stand der Technik nass-entschlackt.
256
NE-Metallrückgewinnung aus Abfallverbrennungsschlacken
1.2. Wertschöpfungspotentiale aus frischen MVA-Schlacken
Frische Müllverbrennungsschlacken entstehen bei der thermischen Behandlung von
Abfällen in Müllverbrennungsanlagen nach dem Austrag aus der Rostfeuerung in
einen Nass-Entschlacker. In der Regel wird nach dem Austrag aus dem Nass-Enschlacker eine Aufbereitung mit dem Ziel der Wertstoffrückgewinnung durchgeführt.
Wie bereits oben erwähnt, werden Metalle durch die Aufbereitung von frischen
Müllverbrennungsschlacken aus den Kornklassen > 6 mm bzw. > 2 mm zurückgewonnen. Dennoch verbleiben insbesondere in den feineren Kornklassen erhebliche
Mengen an Wertmetallen, die derzeit Kupfergehalte zwischen 0,2 Prozent und
0,4 Prozent mit steigender Tendenz [1] aufweisen. Eigene Untersuchungen konnten
diese Entwicklung bestätigen; so liegen die Kupfergehalte verschiedener untersuchter Proben im Bereich zwischen 0,45 Prozent und 1 Prozent [2]. Für das Jahr 2010
wird angegeben, dass etwa 17.000 Tonnen Kupfer mit den entstandenen Feinfraktionen ausgeschleust wurden [1]. Durch die Integration neuer Wirbelstromtechnik,
welche bis zu einer Korngröße von 2 mm arbeitet, kann ein positiver Effekt erzielt
und größere Teile der enthaltenen Wertmetalle zurückgewonnen werden. Durch
steigende Wertstoffkonzentrationen, insbesondere in den Fraktionen < 2 mm, ist
jedoch davon auszugehen, dass weiterhin ähnliche Mengen aus dem Wertstoffkreislauf ausgeschleust werden.
Die Integration neuer Verfahren, wie das RENE- [2], bzw. das RENE-Adapt-Verfahren, bieten die Möglichkeit auch die in den bisher nicht behandelten Kornklassen
lokalisierten Wertmetallfrachten auszubringen, so dass eine direkte pyrometallurgische Verwertung der Konzentrate angestrebt werden kann.
1.3. Wertschöpfungspotentiale aus abgelagerten MVA-Schlacken
Der Verlust von erheblichen Wertmetallfrachten durch die nicht ausreichende Behandlung von frischen MVA-Schlacken ist bekannt.
In noch größerem Maße hat die fehlende Behandlung von MVA-Schlacken in den
Jahren vor der flächendeckenden Integration von intensiver MVA-Schlackenaufbereitung zum Verlust von Wertmetallen aus dem Wertstoffkreislauf geführt. Bei einer
konservativ angenommenen MVA-Schlackenmenge von etwa 40 Millionen Tonnen
für die vergangenen zehn Jahre ist davon auszugehen, dass große Teile der enthaltenen
Wertmetalle, u.a. etwa 100.000 Tonnen Kupfer mit den MVA-Schlacken in unterschiedlichen Maßnahmen in Bau- und Abdeckmaßnahmen eingebracht wurden. [1, 5]
Viele der durchgeführten Verwertungsmaßnahmen bedeuten dabei die endgültige
Ausschleusung der Materialien aus dem Wirtschaftskreislauf und damit den Verlust der
enthaltenen Wertmetalle, unabhängig von der Korngröße. Zwar enthielten früher die
Vorlaufmaterialien der thermischen Abfallbehandlung geringere Wertmetallfrachten
im Gegenzug war weniger Technologie vorhanden, um die enthaltenen Wertmetalle
aus den MVA-Schlacken auszubringen. Daher ergeben sich auch für abgelagerte
MVA-Schlacken interessante Wertstoffrückgewinnungspotentiale.
257
Boris Breitenstein, Daniel Goldmann, Benedikt Heitmann
Sollten die erzeugten MVA-Schlacken in Mono-Poldern, Deponieabdeckungsmaßnahmen oder bestenfalls auf Monodeponien abgelagert worden sein, besteht die
Möglichkeit, diese einer Aufbereitung zuzuführen und die enthaltenen Wertstoffe
zurückzugewinnen.
Die stoffliche Zusammensetzung, die Metallkonzentrationen sowie die Ergebnisse
einer Aufbereitung von MVA-Schlacke mit einem Alter von zwölf Jahren werden in
Kapitel 3.1. beschrieben.
1.4.Wertschöpfungspotentiale aus Rückständen
der thermischen Behandlung von deponiestämmigen Brennstoffen
Ähnlich den abgelagerten MVA-Schlacken stellt sich die Situation für Rückstände aus
der thermischen Behandlung von deponiestämmigen Ersatzbrennstoffen und deponiestämmigen Materialien dar. Diese werden bisher nicht einer Wertmetallrückgewinnung
durch MVA-Schlackenaufbereitung zugeführt. Dies ist vor Allem darin begründet,
dass bisher keine dauerhaften Maßnahmen zur Herstellung von Ersatzbrennstoff aus
deponiestämmigen Materialien durchgeführt wurden. Dennoch ist das Wertschöpfungspotential für die Metallrückgewinnung aus solchen Materialien als hoch einzuschätzen, da erhebliche Mengen an Metallen auf Siedlungsabfalldeponien abgelagert
wurden. Basierend auf Untersuchungen an deutschen Deponien wird vermutet, dass
in den seit 1975 deponierten Abfällen Eisen, Kupfer und Aluminium im Wert von
etwa 9 Mrd. EUR und heizwertreiche Fraktionen im Wert von etwa 60 Mrd. EUR,
bezogen auf Erdöläquivalente, enthalten sind [4]. Beispielhaft können in einer Deponie
mit einer abgelagerten Abfallmenge von 500.000 Tonnen, etwa 17.000 Tonnen Eisenschrott, 570 Tonnen Kupferschrott und 330 Tonnen Aluminiumschrott lagern sowie
749 GWh gewinnbare Energieträger vorhanden sein. [6] Letztlich wird das resultierende
Potential aber dadurch bestimmt, welche Materialmengen aus Deponien rückgebaut
und in Anlagen zur thermischen Behandlung von Abfällen genutzt werden können.
Im Rahmen des Landfill Mining Forschungsprojektes Töns-LM (BMBF- Förderkennzeichen: 033R090) wurde in weitreichenden Untersuchungen die gesamte Prozesskette
vom Rückbau der Abfälle, einer angeschlossenen Aufbereitung, welche auch Ersatzbrennstoffe erzeugte, der thermischen Verwertung bis hin zur Rückgewinnung der
Metalle aus den erzeugten Rückständen betrachtet.
Im Folgenden wird ein kurzer Überblick über die Herstellung solcher Ersatzbrennstoffe
und insbesondere die Rückgewinnung der enthaltene Wertmetallfrachten nach einer
thermischen Behandlung durch intensive MVA-Schlackenaufbereitung beschrieben.
2. Herausforderungen bei der Aufbereitung
der genannten MVA-Schlacken
Für die in Kapitel 1 aufgeführten MVA-Schlacken bestehen vergleichbare verfahrenstechnische Anforderungen für die Rückgewinnung der enthaltenen Metallfrachten.
258
NE-Metallrückgewinnung aus Abfallverbrennungsschlacken
Zusätzlich besteht für die Herstellung von Ersatzbrennstoffen aus deponiestämmigen
Materialien die Herausforderung, dass zunächst Landfill Mining zur Gewinnung und
Herstellung des deponiestämmigen Ersatzbrennstoffes durchgeführt werden muss [4].
Hierfür ist als erstes die Zustimmung der politischen Entscheidungsträger notwendig.
Des Weiteren sind für solche Maßnahmen die erforderlichen Genehmigungen sowie die
Akzeptanz in der Bevölkerung, der ökologische Mehrwert und die Wirtschaftlichkeit
von besonderer Relevanz. Nach diesem vorgeschalteten Prozess kann eine Rückgewinnung der Metalle durch MVA-Schlackenaufbereitung erreicht werden.
Grundvorraussetzung für die Rückgewinnung der Metalle, insbesondere von Kupfer
und Aluminium aus MVA-Schlacken unterschiedlicher Herkunft ist, dass diese in
einer Form vorliegen, die einen ausreichenden Aufschluss für eine nachgeschaltete
Separation mittels mechanischer Verfahren ermöglichen [1, 3, 5].
In gröberen Kornklassen ist diese Grundvoraussetzung aufgrund gut aufgeschlossener
Komponenten, z.B. Münzen oder Klinken, gegeben. In den feineren Kornklassen sind
Verwachsungen zwischen einzelnen Metallphasen oder Metallphasen und umgebender
Matrix häufiger und deutlich stärker ausgeprägt. Diese Verwachsungen resultieren aus
unterschiedlichen Mobilisierungen der enthaltenen Metalle, die z.T. auf Deponien
über die wässrige Phase stattgefunden haben oder Mobilsierungen in den thermischen
Prozessen und Abscheidungen in der Abkühlungsphase.
Mikroskopische Analysen und Mikrosondenuntersuchungen der unterschiedlichen Stoffströme zeigen deutlich diese
starken Verwachsungen zwischen den
einzelnen Metallphasen sowie Verwachsungen zwischen den Metallphasen und
der umgebenden Matrix [2].
Bild 1 zeigt eine Aufnahme im Auflicht
eines Körnerpräparates der Kornklasse
630 µm ≥ x ≥ 500 µm, klassiert aus frischer
MVA-Schlacke. In der Mitte der AufKupferpartikel mit Einschlüssen
nahme ist ein Partikel aus elementarem Bild 1: und Poren in einer Matrix aus
Kupfer mit Poren und verschiedenen EinSilikaten, silikatischen Schlacken
schlüssen zu erkennen. Die umgebenden
und Eisenoxidphasen aus frischer
MVA-Schlacke (Auflichtaufnahme
Mineralphasen setzen sich weitestgehend
an poliertem Dünnschliff, Ölaus Silikaten, silikatischen Schlacken
Immersion)
und Eisenoxiden zusammen. Weiterhin
wurden Abscheidungen von Kupfer auf Partikeln aus Eisen mit Übergängen von der
metallischen Phase zu Oxiden beobachtet.
Das Körnerpräparat der Kornklasse 2.000 µm ≥ x ≥ 1.000 µm klassiert aus abgelagerter
MVA-Schlacke zeigt in Bild 2 Umkrustungen und Intrusionen von Eisenphasen (2) in
und um Kupferpartikel (1).
259
Boris Breitenstein, Daniel Goldmann, Benedikt Heitmann
Bild 2:
Kupferpartikel, umkrustet und
intrudiert von oxidischen Eisenphasen in silikatischer Matrix
aus abgelagerter MVA-Schlacke
(Auflichtaufnahme an poliertem
Dünnschliff, Öl-Immersion)
Da bei den Eisenphasen metallisches Eisen, Martit, Maghemit, Magnetit, Hämatit,
Limonit sowie einige andere Übergangsphasen identifiziert werden konnten, ist das
z.B. Separationsverhalten entsprechender Partikel bei der Magnetscheidung nicht
eindeutig vorhersehbar. Um diese Kupferbestandteile separieren zu können, bedarf
es Technologien, die eine Separation unabhänig von magnetischen Eigenschaften
erreichen können.
Weiterhin wurden im Rahmen der mineralogischen Untersuchungen keine ähnlichen
Verwachsungen zwischen Eisen- und Aluminiumphasen sowie Kupfer- und Aluminiumphasen festgestellt.
3. Untersuchte Stoffströme
Die vier untersuchten Verbrennungsrückstände (frische MVA-Schlacke, abgelagerte
MVA-Schlacke, MVA-Schlacke aus deponiestämmigen EBS und MVA-Schlacke aus
einer 10:1 Mischung, Frischmüll/Deponat) weisen bezüglich ihrer mineralogischen,
chemischen und physikalischen Eigenschaften große Ähnlichkeiten auf. Der größte
Unterschied liegt im Alter der Materialien und zwar im Hinblick auf die Zusammensetzung des Abfalls zum Zeitpunkt des Anfalls selbst und zur Alterung der Schlacken
nach dem Verbrennungsvorgang. Die 3 wesentlichen Faktoren:
• Änderungen in der Zusammensetzung des Abfalls (ältester Abfall aus dem Jahr
1989),
• Änderungen in der Separations- und Verbrennungstechnik,
• Alterungseffekte nach der Ablagerung von Abfall bzw. MVA-Schlacke
haben einzeln entweder nur einen geringen Umfang gehabt oder sich gegenseitig
kompensiert.
Weiterhin hat nur bei der frischen MVA-Schlacke eine vorhergehende Aufbereitung
stattgefunden, bei den übrigen drei Materialien nicht.
260
NE-Metallrückgewinnung aus Abfallverbrennungsschlacken
Zur Verdeutlichung der enthaltenen Wertmetallfrachten und der Abschätzung der
daraus resultierenden Wertschöpfungspotentiale werden im Folgenden die Korngrößenverteilungen und Siebmetallanalysen der einzelnen Stoffströme vorgestellt.
3.1. Frische Müllverbrennungsschlacke
Bei der untersuchten Probe frische Müllverbrennungsschlacke, handelt es sich um eine
Mischprobe von MVA-Schlacken aus unterschiedliche Anlagen. Diese arbeiten nach
Stand der Technik mit einer Rostfeuerung und Nassentschlacker.
Im deutlichen Unterschied zu den im Weiteren beschriebenen Materialien entstand
die Probe bei der thermischen Behandlung von frischen Abfällen und wurde nach der
thermischen Behandlung über einen Zeitraum von etwa drei Monaten unter freiem
Himmel gelagert, damit diese ausreagieren kann.
Das untersuchte Material wurde vorlaufend in einer modernen Anlage zur MVA-Schlackenaufbereitung behandelt. Für die Rückgewinnung der in den gröberen Kornklassen
enthaltenen Wertmetalle wurden mehrstufige und kornklassenspezifische Prozesse,
basierend auf Siebung, Sichtung, Magnet- und Wirbelstromscheidung, durchlaufen.
Die untersuchte Probe entsteht als Rückstand der vorlaufenden Aufbereitung und liegt
im Korndurchmesser bei < 2 mm. Die Fraktionen > 2 mm wurden einer Verwertung
als Deponiebaustoff zugeführt.
Aus der Korngrößenverteilung und der Siebmetallanalyse, welche in Tabelle 1 dargestellt sind, wird deutlich, dass mit der bisher nicht behandelten Fraktion < 2 mm
erhebliche Mengen an Kupfer und Aluminium einer metallurgischen Verwertung
entzogen werden.
Tabelle 1: Korngrößenverteilung und Siebmetallanalyse frischer MVA-Schlacke < 2 mm
Siebmaschenweite
x0 bis xu
Masse
Ausbringen
µm
Aluminium
Gehalt Ausbringen
Kupfer
Gehalt Ausbringen
% ppm % ppm%
2.500
2.000
10,23
32.366
8,28
32.632
25,60
2.000
1.600
11,27
35.389
9,98
21.910
18,94
1.600
1.000
21,59
36.231
19,56
12.055
19,96
1.000
630
18,51
38.543
17,84
9.512
13,50
630
400
11,54
38.938
11,24
10.154
8,98
400
250
6,68
42.294
7,07
7.344
3,76
250
160
4,17
48.323
5,04
5.851
1,87
160
100
3,25
53.488
4,35
5.631
1,41
100
0
12,76
52.113
16,64
6.102
5,97
Gesamt36.668 9.703
Die Aluminiumkonzentration steigt mit sinkender Korngröße, etwa 50 Prozent des Aluminiums sind im Korngrößenbereich < 1 mm lokalisiert. Gegenläufig ist die Konzentrationsverteilung des Kupfers. Analog zur Korngröße sinkt die Kupferkonzentration.
Etwa 64 Prozent des enthaltenen Kupfers sind in den Kornklassen > 1 mm zu finden.
261
Boris Breitenstein, Daniel Goldmann, Benedikt Heitmann
Insbesondere die hohe Gesamtkupferkonzentration von etwa ein Prozent ist auffällig
und liegt klar im Bereich abbauwürdiger Kupfererze. In der Zusammenführung mit
den an einzelnen Standorten anfallenden Tagesmengen von etwa 500 Tonnen muss
festgestellt werden, dass täglich bis zu 5 Tonnen Kupfer unterschiedlichen baustofflichen Verwertungsmaßnahmen zugeführt werden und somit einer metallurgischen
Nutzung verloren gehen. Diesem Zustand sollte dringend entgegen gewirkt werden.
3.2. Abgelagerte Müllverbrennungsschlacke (Alter etwa zwölf Jahre)
Bei den untersuchten Proben der abgelagerten Müllverbrennungsschlacke handelt es
sich um Material, welches im Jahr 2002 bei der thermischen Behandlung von Abfällen
in der MVA-Helmstedt anfiel. Eine repräsentative Probe wurde für ein am Institut für
Aufbereitung, Deponietechnik und Geomechanik der TU Clausthal durchgeführtes
Forschungsprojekt zur Sickerwasserprognose genutzt.
Die für die Untersuchungen verwendeten
Schlacken wurden damals mit einem 40 mm
Sieb klassiert und danach in einen Perkulator (Bild 3) gegeben.
Im Perkulator wurde eine künstliche Alterung der etwa 6 m³ MVA-Schlacke durch
die Zugabe von etwa 35 m³ Wasser, CO2,
Essigsäure sowie eine externe Beheizung
über mehrere Monate auf maximal 55 °C,
erreicht.
Im Gegensatz zur frischen MVA-Schlacke,
wurde die hier beschriebene MVA-SchlaBild 3: Perkulator zur Sickerwasserprognose
cke aus Abfällen des Jahres 2002 hergestellt und weist demnach ein natürliches
Alter von zwölf Jahren auf. Aufgrund der künstlichen Alterung des Materials im Rahmen von Langzeituntersuchungen zur Sickerwasserprognose kann davon ausgegangen
werden, dass es Eigenschaften aufweist, die einer längeren Ablagerung entsprechen.
Nach dem Ausbau des Materials aus dem Perkulator wurde eine Siebung mit einem
6 mm Sieb durchgeführt und das erzeugte Grobkorn (siehe Tabelle 2) einer Aufbereitung mit dem Ziel der Fe- und NE-Abtrennung zugeführt.
Tabelle 2: Massenausbringen nach Siebklassierung mit einer Siebmaschenweite
von 6 mm
Fraktion
Massenausbringen %
> 6 mm
45,01
< 6 mm
54,09
262
Die Korngrößenverteilung und Siebmetallanalyse der Fraktion < 6 mm wird in Tabelle 3
dargestellt. Diese Fraktion wird im Weiteren mit dem RENE-Verfahren behandelt.
NE-Metallrückgewinnung aus Abfallverbrennungsschlacken
Tabelle 3:
MVA-Schlacke mit einem Alter von zwölf Jahren
Siebmaschenweite
x0 bis xu
Masse
Ausbringen
µm
Aluminium
Gehalt Ausbringen
Kupfer
Gehalt Ausbringen
%ppm%ppm%
6.3004.00012,0332.37011,07 6.48911,20
4.0002.00037,4435.82038,11 8.61046,24
2.0001.00016,8437.82918,11 9.16922,16
1.000
630
9,01
33.693
8,62
5.027
6,49
630
315
9,75
27.906
7,73
3.877
5,42
315
200
4,34
28.809
3,55
3.084
1,92
200
100
2,92
34.424
2,85
3.119
1,31
100
0
7,67
45.591
9,94
4.777
5,26
Gesamt35.185 6.971
Im Unterschied zu den frischen MVA-Schlacken ist für Aluminium kein klares Konzentrationsgefälle mit sinkender Korngröße zu erkennen. Im Vergleich zur frischen MVASchlacke ergibt sich eine ähnliche Wertstoffverteilung bei insgesamt etwas geringerer
Konzentration. Für Kupfer ist ein deutlicheres Konzentrationsgefälle mit der sinkenden
Korngröße zu erkennen, wobei die Gesamtkupferkonzentration etwas geringer als die
der frischen MVA-Schlacke ist. Besonderheiten der Massen- und Wertstoffverteilung
sind die leichten Erhöhungen des Massenausbringens sowie der Wertstoffkonzentrationen der Fraktion < 100 µm. Dies ist durch Mobilisations- und Adsorptionsprozesse
der Schwermetalle sowie durch eine Verwitterung der Matrix zu begründen, welche
durch die natürliche und die künstliche Alterung hervorgerufen wurden.
3.3. Müllverbrennungsschlacke der thermischen Behandlung
von deponiestämmigen Ersatzbrennstoffen
Bei den untersuchten Materialproben handelt sich um zwei Rückstände, die durch die
thermische Behandlung von deponiestämmigen Material und Ersatzbrennstoffen in
einem Sonderversuch in der MVA-Hannover erzeugt wurden. Beide Materialien wurden
im Rahmen des Landfill Mining Projektes Töns-LM generiert. Zum einen wurde aus
dem Deponiekörper ausgebauter Abfall, sogenanntes Deponat, mit Frischmüll in einem
Verhältnis von 1:10 gemischt und dann der Feuerung aufgegeben. Zum anderen wurde
aus dem genannten Deponat in einer Mechanisch-Biologischen Aufbereitungsanlage
(MBA) ein EBS hergestellt und in einer Monoverbrennung der Feuerung zugeführt.
Die bei der jeweiligen Verbrennung entstehenden MVA-Schlacken wurden direkt im
Schlackenbunker beprobt und für die Untersuchungen zur Verfügung gestellt.
Folglich handelt es sich bei den untersuchten MVA-Schlacken von der Entstehung
her, um frische MVA-Schlacken, der genutzte Brennstoff wurde hingegen aus Materialien hergestellt, welche ein Alter von > 16 Jahren aufweisen und auf einer Deponie
abgelagert waren.
263
Boris Breitenstein, Daniel Goldmann, Benedikt Heitmann
In Tabelle 4 wird das Massenausbringen nach einer Siebklassierung mit einer Siebmaschenweite von 6 mm dargestellt.
Fraktion
Frischmüll/Deponat (10:1)Mono-Schlacke
(EBS aus Deponat)
Tabelle 4:
Massenausbringen %
> 6 mm
53,81
54,06
< 6 mm
46,19
45,94
Massenausbringen nach Siebklassierung mit einer Siebmaschenweite von 6 mm
Es ist zu erkennen, dass für die beiden Materialien fast identische Massenverteilungen
für die Grob- und Feinfraktion vorliegen. Analog zu der abgelagerten MVA-Schlacke
wurden die bei der Siebklassierung entstandenen Grobfraktionen einer Aufbereitung
mit dem Ziel der Wertmetallrückgewinnung zugeführt und die erzeugten Feinfraktionen mit dem RENE-Verfahren behandelt.
In Tabelle 5 und Tabelle 6 werden die Korngrößenverteilungen und die Siebmetallanalysen für die Materialien < 6 mm dargestellt.
Tabelle 5:
MVA-Schlacke aus einer 10:1 Mischung Frischmüll und Deponat
SiebmaschenweiteMasseAluminium
x0 bis xu
Ausbringen
Gehalt Ausbringen
Kupfer
Gehalt Ausbringen
µm
% ppm% ppm %
6.300
4.000
7,69
28.883
4,75
14.851
9,51
4.000
2.000
24,25
45.934
23,84
26.208
52,95
2.000
1.000
15,42
64.408
21,24
13.035
16,74
1.000
630
11,13
56.703
13,50
7.602
7,05
630
315
20,12
42.885
18,46
4.636
7,77
315
200
8,78
35.954
6,75
3.001
2,20
200
100
6,41
40.074
5,49
2.792
1,49
100
0
6,21
44.891
5,96
4.442
2,30
Gesamt46.740 12.005
Tabelle 6: MVA-Schlacke aus deponiestämmigem Ersatzbrennstoff
Siebmaschenweite
x0 bis xu
Masse
Ausbringen
µm
Aluminium
Gehalt Ausbringen
Kupfer
Gehalt Ausbringen
% ppm % ppm%
6.300
4.000
11,80
36.011
11,41
12.108
19,20
4.000
2.000
38,46
39.025
40,32
6.497
33,58
2.000
1.000
18,69
42.104
21,14
12.686
31,86
1.000
630
10,16
35.534
9,70
4.326
5,91
630
315
10,78
29.209
8,46
3.728
5,40
315
200
3,30
30.100
2,67
2.979
1,32
200
100
2,50
32.145
2,16
3.456
1,16
100
0
4,31
35.860
4,15
2.727
1,58
Gesamt37.229 7.442
264
NE-Metallrückgewinnung aus Abfallverbrennungsschlacken
Sowohl die Massenverteilungen als auch die Konzentrationsverteilungen für Aluminium
und Kupfer sind vergleichbar mit den Verteilungen der frischen und abgelagerten MVASchlacken. Auffällig sind an dieser Stelle die hohen Konzentrationen und hohen Ausbringen
von Kupfer in den Kornklassen > 2 mm und die eher geringen Aluminium- und Kupfergesamtkonzentrationen der MVA-Schlacke, welche aus deponiestämmigem EBS hergestellt
wurde. Das in Kapitel 3.3. beschriebene hohe Wertstoffrückgewinnungspotential für Aluminium und Kupfer aus deponiestämmigen Materalien konnte dennoch bestätigt werden.
4. Rückgewinnung der enthaltenen NE-Metalle
Zur Rückgewinnung der in den Proben enthaltenen Wertmetallfrachten wurden weitreichende Untersuchungen vorgenommen. Diese orientieren sich klassischer Weise an der
Korngröße. Für die Aufbereitung der Materialien wurden im Korngrößenbereich > 6 mm
nach einer vorhergehenden Siebklassierung, Magnetscheidungen und eine Abtrennung der
NE-Metalle über mehrstufige Wirbelstromscheidung durchgeführt.
Die bei der Grobkornaufbereitung erzeugten Stoffströme < 6 mm werden im Weiteren mit
dem RENE-Verfahren aufbereitet, welches speziell für Schlacken in diesem Korngrößenbereich entwickelt wurde. Mit dem RENE-Verfahren können dissipativ verteilte Metalle
aus MVA-Schlacken zurückgewonnen werden, wobei der Fokus auf der Rückgewinnung
der enthaltenen Kupfer- und Aluminiumfrachten liegt. Nach dem aktuellen Stand der
Entwicklung ist die Aufbereitung aufgrund der abnehmenden Korngrößen in drei Verfahrensstufen zu unterteilen:
• Stufe 1: Trocken-mechanische Aufbereitungsstufe zur Abtrennung gröberer Metallpartikel (6 mm 1 mm, ggfs. 6 - 0,6 mm)
• Stufe 2: Nass-mechanische Aufbereitungsstufe zur Abtrennung feinerer Metallpartikel
(1 mm bis 0,3 mm)
• Stufe 3: Nass-chemische Aufbereitungsstufe zur Schwermetallentfrachtung im Feinstkornbereich ( < 0,3 mm).[2]
Durch die inzwischen erfolgte Integration neuer Siebtechnik und Wirbelstromscheider in
modernen MVA-Schlackenaufbereitungsanlagen wurde die obere Eingangskorngröße des
RENE-Verfahrens von 6 mm auf 2 mm reduziert. Im Zuge dieser Korngrößenreduzierung
wurde das bisherige RENE-Verfahren zum RENE-Adapt-Verfahren weiterentwickelt. Die
Neuerungen des RENE-Adapt-Verfahrens sind:
• Verschiebung der Korngröße der trocken-mechanischen Aufbereitungsstufe (von
6 mm bis 1 mm auf 2 mm bis 0,5 mm)
• Verschiebung der Korngröße der nass-mechanischen Aufbereitungsstufe (von 1 bis
0,3 mm auf 0,5 bis 0,16 mm)
• Verschiebung der Korngröße der nass-chemischen Aufbereitungsstufe (von < 0,3 mm
auf < 0,16 mm)
• Integration einer zusätzlichen mechanischen Prozessstufe zur weiteren Aufbereitung
der mechanisch erzeugten Konzentrate.
265
Boris Breitenstein, Daniel Goldmann, Benedikt Heitmann
4.1. Ergebnisse der Grobkornaufbereitung
Wie in den Kapiteln 3.2. und 3.3. beschrieben, standen für die Untersuchungen drei
unterschiedliche Materialien für eine Grobkornaufbereitung zur Verfügung. Nach einer
Klassierung bei 6 mm wurden die erzeugten Grobfraktionen einer Aufbereitung mit
dem Ziel der Metallrückgewinnung zugeführt. Der besondere Fokus lag hierbei auf
der Rückgewinnung der enthaltenen NE-Metalle. In Tabelle 7 werden die Ergebnisse
der Metallrückgewinnung dargestellt und Literaturdaten gegenübergestellt.[1]
Tabelle 7:
Ergebnisse der Grobkornaufbereitung
MVA-Schlacken
Bezeichnung
Alter
deponiestäm-
MVA-Schlacke aus Literatur
12 Jahre
miger EBS
Frischmüll:Deponat (10:1)
(2010)
Anteil an der Gesamtmasse %
Fe-Fraktion6,45
7,089,127,27
NE-Fraktion
0,55
0,610,720,67
Rückstand (> 6 mm)
38,91
46,37
43,97
Rückstand (< 6 mm)
54,09
45,94
46,19
Rückstand (Gesamt)
93,00
92,3190,1692,06
Quelle: Alwast, H., Riemann, A.: Verbesserung der umweltrelevanten Qualitäten von Schlacken aus Abfallverbrennungsanlagen,
2010, http://www.prognos.com/fileadmin/pdf/publikationsdatenbank/UBA_Endbericht.pdf
Es wird deutlich, dass aus allen aufbereiteten Stoffströmen etwa 7,5 Prozent der Masse
als metallische Bestandteile separiert werden konnten. Dabei sind keine deutlichen
Unterschiede zwischen den einzelnen Materialien zu erkennen. Einzige Auffälligkeit
ist, dass die separierten Metallfrachten der zwölf Jahre alten und abgelagerten MVASchlacke etwas geringer als die der übrigen und die in der Literatur angegeben Werte
sind.
Die durch Siebklassierung erzeugten Fraktionen < 6 mm wurden in weiteren Schritten
mit dem RENE-Verfahren aufbereitet.
4.2. Ergebnisse der Feinkornaufbereitung mit dem RENE-Verfahren
Die bei der Grobkornaufbereitung erzeugten Feinkornfraktionen < 6 mm und die frische
MVA-Schlacke < 2 mm wurden mit dem RENE-Verfahren behandelt. Dazu wurde in
der ersten Stufe nach einer Ausschleusung der Partikel < 1 mm mittels Siebung ein
Aufschluss durch mechanische Zerkleinerung vorgenommen, welchem eine weitere
Klassierung zur Abtrennung des neu erzeugten Feinkorns nachgeschaltet wurde.
Anschließend wurden nach einer vorbereitenden Magnetscheidung aus der > 1 mm
Fraktion große Anteile der enthaltenen Aluminium- und Kupferfrachten über einen
Feinkornwirbelstromscheider in ein erstes Konzentrat separiert.
Nach der Feinkornwirbelstromscheidung wurden die bisher nicht weiterbehandelten
Fraktionen < 1 mm, die magnetische Fraktion und der Rückstand der Feinkornwirbelstromscheidung einer selektiven Zerkleinerung mit nachgeschalteter sortierenden
Klassierung zugeführt. Mittels der selektiven Zerkleinerung ist es in dieser zweiten
266
NE-Metallrückgewinnung aus Abfallverbrennungsschlacken
Stufe möglich, die in Kapitel 2 beschriebenen Kupfer-Eisen-Phasen sowie KupferMineralphasen so aufzuschließen, dass ein Austrag in das Konzentrat gewährleistet
wird. Folglich kann über die sortierende Klassierung eine Rückgewinnung der bisher
in der magnetischen Fraktion ausgeschleusten Wertmetallbestandteile erreicht werden.
Weiterhin werden auch Wertmetallbestandteile mit ungünstiger Kornform oder feiner
Körnung in das Konzentrat ausgetragen. Somit werden unabhängig von den magnetischen Eigenschaften und der Kornform weitere große Aluminium- und Kupferfrachten
in einem zweiten Konzentrat zurückgewonnen.
Nach einer Vereinigung der einzelnen Konzentrate der Wirbelstromscheidung und
sortierenden Klassierung ergeben sich die in Tabelle 8 dargestellten Kenngrößen für
das zusammengeführte Konzentrat und den verbleibenden Rückstand.
Tabelle 8: Ergebnisse der Behandlung der MVA-Schlacken mit dem RENE-Verfahren
Frische Schlacke
Alter
12 Jahre
deponie- stämmiger EBS
Frischmüll:Deponat
(10:1)
mm
<2
<6
<6
<6
Konzentrat (1+2) %
1,22
Rückstand
%98,78
MVA-Schlacken Bezeichnung
Ausgangskorngröße
Massenausbringen
Kupferkonzentration Kupferausbringen 1,67
2,52
98,33
97,48
Konzentratkenngrößen nach den mechanischen Stufen
Aluminiumkonzentration ppm
Aluminiumausbringen 1,68
98,32
%
ppm
%
246.065
235.690
344.659
8,19
14,26
15,54
378.746
14,27
370.053
298.778
287.539
296.589
51,96
71,66
65,14
67,23
Es wird deutlich, dass insbesondere bei der Behandlung der Materialien mit einem
Korndurchmesser < 6 mm hohe Kupferausbringen in einem Bereich > 65 Prozent erreicht werden. Dies ist damit zu begründen, dass durch das größere Kornspektrum der
Inputmaterialien dementsprechend größere Mengen Kupfer im jeweiligen Stoffstrom
lokalisiert waren. Für die frische MVA-Schlacke ist zusammenzufassen, dass aufgrund
des fehlenden Kornbandes 6 mm bis 2 mm wie erwartet ein geringeres Ausbringen
für Kupfer erreicht wurde. Für Aluminium lassen sich ähnliche Ergebnisse feststellen.
Die im Konzentrat erreichten Aluminiumkonzentrationen liegen in einem Bereich von
24 Prozent bis 37 Prozent und es werden aus den gröberen Stoffströmen etwa 15 Prozent des enthaltenen Aluminiums zurückgewonnen, aus der frischen Schlacke mit der
geringeren Eingangskorngröße etwa 8 Prozent. Die im Vergleich zu den hohen Kupferausbringen eher geringen Aluminiumausbringen sind damit zu begründen, dass im
Rahmen der durchgeführten Analytik auch mineralische Aluminiumbestandteile mit
analysiert werden, jedoch nur metallisches Aluminium zurückgewonnen werden kann.
Um die Wertstoffausbringen der frischen MVA-Schlacke zu steigern und wieder auf
das Niveau der übrigen Stoffströme zu bringen, wird das RENE-Adapt-Verfahren für
die Behandlung der frischen MVA-Schlacke eingesetzt. Weiterhin wird das gewonnene
Aluminium-Kupfer-Kollektivkonzentrat einer nachlaufenden Sortierung zugeführt,
die zwei Einzelkonzentrate für Aluminium und Kupfer erzeugt.
267
Boris Breitenstein, Daniel Goldmann, Benedikt Heitmann
4.3. Ergebnisse der Feinkornaufbereitung mit dem RENE-Adapt Verfahren
Für die Feinkornaufbereitung mit dem RENE-Adapt-Verfahren wurde die frische
MVA-Schlacke unter Berücksichtigung der in Kapitel 4. beschriebenen Änderungen
des RENE-Verfahrens aufbereitet. Nach der zweistufigen mechanischen Aufbereitung,
welche ein Aluminium-Kupferkonzentrat erzeugt, wurde eine weitere Prozessstufe
integriert, welche einen Split zwischen Aluminium und Kupfer ermöglicht und folglich
zwei Einzelkonzentrate erzeugt. In dieser Prozessstufe wird eine Sortierung über Unterschiede in der spezifischen Dichte der Bestandteile des Ausgangsmaterials genutzt.
Die Ergebnisse der Aufbereitung mit dem RENE-Adapt-Verfahren werden in den
Tabelle 9 und Tabelle 10 dargestellt.
Verfahren
RENERENE-Adapt
Frische MVA-Schlacke < 2 mm
MVA-Schlacken Bezeichnung
Fraktion
Konzentrat %
Rückstand
%98,78 97,80
1,22
2,20
Tabelle 9:
Ergebnisse der Behandlung der
frischen MVA-Schlacke mit dem
RENE-Adapt-Verfahren
Konzentratkenngrößen nach den mechanischen Stufen
Aluminiumkonzentrationppm
246.065
Aluminiumausbringen%
Kupferkonzentration appm
248.439
8,19
370.053
14,91
286.409
Kupferausbringen% 51,96 65,67
Tabelle 10: Einzelkonzentrate für Al und Cu nach einer Sortierung über Unterschiede in der Dichte
Massenaus- Al-Konz. Al-AusbringenCu-Konz.Cu-Ausbringen
bringen
%ppm%ppm%
Aluminiumkonzentrat1,46
472.451
14,74
1.9067
2,91
Kupferkonzentrat0,74 1.0475 0,17 806.93662,76
Durch die in Kapitel 4 beschriebenen Anpassungen konnten die Wertstoffausbringen
für Kupfer und Aluminium in den Bereich des RENE-Verfahrens, welches mit einem
Ausgangsmaterial < 6 mm arbeitet, gesteigert werden (Tabelle 9). Trotz der reduzierten
Eingangskorngröße des Inputmaterials (von < 6 mm auf < 2 mm) werden Wertstoffausbringen von 15 Prozent für Aluminium und 65 Prozent für Kupfer erreicht. Die
weitere Aufbereitung des erzeugten Mischkonzentrates mittels einer Sortierung über
Dichteunterschiede hat eine erhebliche Verbesserung der Wertstoffkonzentrationen
in den erzeugten Einzelkonzentraten bewirkt. Weiterhin konnten die Fehlausträge
in die jeweiligen Konzentrate minimiert und die Vermarktungsfähigkeit erheblich
gesteigert werden. Während vor der Trennung über Dichteunterschiede nur ein Konzentrat vermarktet werden konnte, ist nach der Trennung eine Vermarktung von zwei
hochwertigen Einzelkonzentraten möglich.
268
NE-Metallrückgewinnung aus Abfallverbrennungsschlacken
5. Zusammenfassung und Ausblick
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass in MVA-Schlacken unterschiedlicher Herkunft
und unterschiedlichen Alters auch nach längeren Zeiträumen ähnliche Mineral- und
Metallphasen vorliegen. Von besonderer Relevanz sind an dieser Stelle Kupfer-Eisenphasen, welche eine Ausschleusung solcher Partikel in magnetische Fraktionen fördern.
Da bisher die NE-Metallabtrennung über Wirbelstromscheider erfolgt, können die
Partikel, welche Kupfer-Eisenphasen aufweisen, nicht zuverlässig zurückgewonnen
werden. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass in allen untersuchten Stoffströmen
im Feinkornbereich starke Verwachsungen zwischen Metall- und Mineralphasen vorliegen, welche vor einer Sortierung mechanisch durch Zerkleinerung aufgeschlossen
werden müssen. Eine Möglichkeit für die Rückgewinnung der Wertmetallbestandteile
aus solchen feinkörnigen Materialien, welche starke Verwachsungen zwischen einzelnen
Metallen und /oder der umgebenden Matrix aufweisen ist das RENE-Verfahren, bzw.
dessen Weiterentwicklung das RENE-Adapt-Verfahren.
Mit einer dem RENE-Verfahren vorgeschalteten Grobkornaufbereitung von drei unterschiedlichen MVA-Schlacken (Alter zwölf Jahre, deponiestämmiger EBS, 10:1 Mischung
Frischmüll/Deponat) konnten mittels Überbandmagnet und Wirbelstromscheidung
ähnliche Mengen an Fe- und NE-Bestandteilen separiert werden, wie sie auch bei der
Aufbereitung von frischen MVA-Schlacken in industriellen Anlagen entstehen.
Für die Feinkornaufbereitung wurde das RENE-Verfahren eingesetzt. Mittels der beiden
mechanischen Stufen konnten sowohl aus den 3 genannten Materialien, welche einen
Korndurchmesser < 6 mm aufweisen, als auch aus frischer MVA-Schlacke < 2 mm,
erhebliche Mengen Aluminium und Kupfer separiert werden. Insbesondere ist es
durch die selektive Zerkleinerung der Materialien in der zweiten Stufe möglich die
beschriebenen Kupfer-Eisen Phasen sowie Kupfer-Mineral-Phasen so aufzuschließen,
dass eine Sortierung der Wertmetallbestandteile ermöglich wird. Folglich können hohe
Wertstoffausbringen in die erzeugten Konzentrate erreicht werden. Dabei sind die
Wertstoffausbringen für Aluminium und Kupfer aus den Fraktionen < 6 mm höher
als aus der Fraktion < 2 mm.
Um die Wertstoffausbringen des < 2 mm Materials weiter zu steigern, wurde das
RENE-Adapt-Verfahren zur Aufbereitung genutzt. Durch eine intelligente Korngrößenverschiebung der mechanischen Stufen in den Feinkornbereich konnten die
Wertstoffausbringen für Kupfer und Aluminium erheblich gesteigert werden. Weiterhin konnten durch eine nachfolgende Behandlung des erzeugten Konzentrates eine
Separation in ein Aluminium- und ein Kupferkonzentrat erreicht werden. Für diesen
Aufbereitungsschritt wurde ein Verfahren eingesetzt, welches eine Sortierung über
Unterschiede in den Dichten der einzelnen Bestandteile bewirkt.
Im Rahmen fortführender Untersuchungen soll die Planung einer Pilotanlage vorangetrieben sowie neue Absatzmöglichkeiten für den enstehenden Rückstand aufgezeigt
werden.
269
Boris Breitenstein, Daniel Goldmann, Benedikt Heitmann
6. Quellen
[1] Alwast, H., Riemann, A.: Verbesserung der umweltrelevanten Qualitäten von Schlacken aus
Abfallverbrennungsanlagen, 2010, http://www.prognos.com/fileadmin/pdf/publikationsdatenbank/UBA_Endbericht.pdf
[2] Breitenstein, B., Goldmann D., Quedenfeld, I.: Das RENE-Verfahren zur Rückgewinnung Metallen aus Verbrennungsrückständen; In: Thomé-Kozmiensky, K. J. (Hrsg): Aschen, Schlacken,
Stäube aus Abfallverbrennung und Metallurgie, TK-Verlag, Neuruppin, 2013
[3] Deike, R.; Ebert, D.; Warnecke, R.; Vogell, M.: Abschlussbericht zum Projekt Recyclingpotenziale
bei Rückständen aus der Müllverbrennung, 2012, https://www.itad.de/information/studien/201
30110DEIKEHMVARecyclingpotentialAbschlussbericht.pdf
[4] Fricke, K.; Münnich. K.; Heußner, C.; Schulte, B.; Wanka, S.: Landfill Mining – Ein Beitrag
der Abfallwirtschaft für die Ressourcensicherung. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Goldmann, D.
(Hrsg.): Recycling und Rohstoffe – Band 5, Nietwerder: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky,
2012
[5] Lukas, R.; Bleischwitz, R.; Krause, M.; Stürmer, M.,;Scharp, M.: Kupfereffizienz – unerschlossene
Potenziale, neue Perspektiven, 2008, http://www.econbiz.de/archiv1/2009/67707_kupfereffizienz_potenziale_perspektiven.pdf
[6] Rettenberger, G.: Rohstoffpotential in Deponien. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Goldmann, D.
(Hrsg.): Recycling und Rohstoffe – Band 5, Nietwerder: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky,
2012
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Band 1
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