Impulse für eine nachhaltige Stahlproduktion – Aufbereitungstechnische Charakterisierung von Reststoffen der Stahlwerksindustrie

Die Siebanalyse des Hüttenkehrichts ergab, dass die maximale Partikelgröße bei etwa 40 mm liegt und 80 % kleiner als ca. 32 mm sind (siehe Abb. 2). Aufgrund des hohen zeitlichen Aufwands bei der Handklaubung wurde die untere Partikelgrößengrenze bei 3,15 mm festgelegt.

Das Ergebnis der Merkmalsklassenanalyse zeigte auf, dass der Hüttenkehricht in der Partikelklasse 40–3,15 mm überwiegend aus Hüttenschotter besteht, davon sind 49,4 % stark magnetisch und 38,2 % nicht magnetisch (siehe Abb. 3). Der verbleibende Anteil in Höhe von 12,4 % setzt sich aus inerten Komponenten (4,6 %), Kunststoffen und Holz‑/Karton (2 %) bzw. Metallen (5,8 %) zusammen. Bei Betrachtung der einzelnen Partikelklassen kann festgehalten werden, dass die Anteile der Komponenten der gröberen Partikelklassen > 6,3 mm ähnliche Werte aufweisen. Die feine Partikelklasse 6,3–3,15 mm allerdings besitzt einen wesentlich geringeren Anteil an stark magnetischem Hüttenschotter und einen hohen Anteil an mineralischen Komponenten.

Die maximale Partikelgröße des untersuchten Waggonkehrichts betrug 125 mm, 80 % waren kleiner als 28 mm (siehe Abb. 2). Die Merkmalsklassenanalyse des Waggonkehrichts ergab für das gesamte betrachtete Partikelspektrum 125–6,3 mm (siehe Abb. 4) Metallanteile von in Summe ca. 36 %, davon können 20 % in magnetische Metalle (Metalle m) und 16 % in nichtmagnetische Metalle (Metalle nm) eingeteilt werden. Ungefähr 42 % besteht aus inerten Komponenten. Der übrige Anteil setzt sich aus Holz/Karton (3 %), Kunststoffe (10 %), Hüttenschotter (3 %) und Restkomponenten (6 %) zusammen.

Die enthaltenen Metalle könnten durch eine Kombination von Magnetscheidung und Wirbelstromsortierung in einer Metallfraktion ausgebracht werden. Bei näherer Betrachtung der einzelnen Partikelklassen lässt sich folgendes beobachten: Die Metallgehalte sinken mit feiner werdender Partikelklasse. Beispielsweise liegt der Metallanteil in der Partikelklasse 80–63 mm bei ca. 62 %, während dieser in der Partikelklasse 10–6,3 mm nur mehr 12 % beträgt. Ganz anders verhält es sich bei den Anteilen an inerten Partikeln, diese steigen tendenziell mit feiner werdender Partikelgrößenklasse. So liegen die inerten Anteile in den Partikelklassen zwischen 80–20 mm bei ca. 30 %, diese steigen dann auf ca. 40 % in der Partikelklasse 20–10 mm und 74 % in der feinsten Partikelklasse 10–3,6 mm. Einen nicht zu unterschätzenden Anteil tragen Holz/Karton und Kunststoffe bei, vor allem da diese im Vergleich zu den anderen Komponenten eine geringe Stoffdichte besitzen und dementsprechend viel zum Schüttvolumen beitragen.

Schließlich muss angemerkt werden, dass mit zunehmender Partikelgröße die Unsicherheit hinsichtlich der ermittelten Werte der Stoffklassenanteile steigt. Das gilt vor allem für jene Partikelklassen > 63 mm mit geringem Masseanteil und damit geringerer Partikelanzahl. Für die Voruntersuchung wurde dieser Kompromiss eingegangen, um den Probenahmeaufwand in Grenzen zu halten.

Der Aufbereitungsgang, schematisch in Abb. 5 dargestellt, erzeugt nach einem Klassierschritt bei 20 mm und nachfolgender Magnetscheidung vier Produkte. Zwei stark magnetische Produkte (C & D), welche im Stahlwerk erschmolzen werden sollen und zwei schwach bzw. unmagnetische Produkte (A & B), welche Gegenstand der Untersuchungen hinsichtlich einer möglichen weiterführenden Verwertung sind (siehe Abb. 6 und 7).

Die gröbere unmagnetische Produktfraktion „B > 20 mm“ enthält unter anderem Nichteisenmetalle (Bleche, Profile und Gussformen etc.), Kunststoffe, Holz und Gesteine mit Partikelgrößen von bis zu 1,5 m. Die grobe Partikelgröße verlangt zumindest einen Zerkleinerungsschritt, dafür muss zum Maschinenschutz eine sog. Störstoffentfrachtung vorgeschaltet werden, wobei sehr dickwandige Metallprofile oder große Betonfragmente vor dem ersten Zerkleinerungsschritt aussortiert werden. Eine derartige Arbeit wird zumeist manuell durch händisches Aussortieren durchgeführt. Im Zuge dieses Versuches wurde die Eignung eines Schwerlastsiebes als Hilfestellung geprüft.

Für den nachfolgend vorgestellten Pilotversuch wurden ca. 1,5 t an feiner unmagnetischer Produktfraktion „A < 20 mm“ zur Verfügung gestellt. Die Aufbereitung von dieser Fraktion erfolgte nach dem in Abb. 8 gezeigten Stammbaum. Der dargestellte Aufbereitungsgang basiert auf den Erkenntnissen der in Abschn. 2 durchgeführten Merkmalsklassenanalyse. Zunächst wurden mittels vierstufiger Siebklassierung fünf Partikelfraktionen erzeugt (> 31,5 mm; 31,5–10 mm; 10–4 mm; 4–1 mm; < 1 mm). Das gröbste Siebdeck arbeitete dabei als sog. Müllsieb, womit eine gewisse 2D/3D-Sortierung erzielt wurde, um die nachfolgende Sortierung zu verbessern. An nahezu allen Partikelfraktionen fand eine dreistufige Magnetscheidung mit ansteigender magnetischer Flussdichte statt, wobei die Magnetfraktionen MF1 bis MF3 erzeugt wurden. Die unmagnetische Fraktion UMF wurde in einer nachgeschalteten Wirbelstromsortierung weiter aufbereitet, wobei die Erzeugung einer leitfähigen Fraktion (LF) und einer nichtleitfähigen Fraktion (NLF) erfolgte. Ausnahmen bildeten zum einen die grobe Partikelklasse > 31,5 mm (hier wurde eine Magnetscheidestufe weggelassen) und die Partikelklasse < 1 mm (wo auf eine Wirbelstromsortierung verzichtet wurde). Schlussendlich wurden 23 Fraktionen erzeugt.

Die Partikelgrößenverteilung der Aufgabe, rückgerechnet aus den einzelnen Verteilungen der erzeugten Fraktionen, ist in Abb. 2 als Waggonkehricht A zu sehen. Die Verteilung zeigt, dass 80 % der Partikel kleiner als 20 mm sind und die maximale Partikelgröße bei 80 mm liegt. Die bis zu vierfache Partikelgröße als der angestrebte Klassier-Trennschnitt von 20 mm ist durch die schlitzförmige Ausführung des zuvor verwendeten Schwerlastsiebdecks als sog. Jalousien-Sieb bedingt.

In Tab. 2 ist eine Massebilanz des Pilotversuches angeführt. Das Masseausbringen pro Fraktion (MF1 bis NLF) in den Partikelfraktionen (> 31,5 mm bis < 1 mm) wurde auf die Aufgabe bezogen. Somit ergibt die Summe aller Fraktionen und Partikelklassen 100 % und können beliebig addiert werden.

Demnach können folgende Erstaussagen getätigt werden: 74 % von der Aufgabemasse kann durch eine Magnetscheidung in stark- bzw. schwachmagnetische Fraktionen überführt werden. Die Magnetfraktionen > 10 mm könnten wieder direkt als Eisenschrott eingesetzt werden. Die Magnetfraktionen < 10 mm könnten bei ausreichender Qualität einer Sinteranlage zugeführt werden. Für 25 % von der Aufgabemasse besteht die Möglichkeit einer Zuführung in eine Wirbelstromsortierung. In der leitfähigen Fraktion „LF“ können Nichteisenmetalle wie Aluminium, Kupfer, Messing, Zink und ZAMAK-Legierungen angereichert werden. Die nichtleitfähigen Fraktionen „NLF“ aus der Wirbelstromsortierung könnten als Gewerbemüll weitergegeben werden. 1 % der Aufgabemasse fällt als unmagnetische Fraktion < 1 mm an.

Für eine genaue Beurteilung wurden die Fraktionen 80–1 mm einer Merkmalsklassenanalyse nach obigem Beispiel unterzogen. Die Ergebnisse der Merkmalsklassenanalyse sind in Abb. 9, bezogen auf die erzeugten Partikelfraktionen des Pilotversuches, dargestellt. Die Handklaubung der Partikelfraktion 4–1 mm wurde nur auf Metallpartikel beschränkt, somit ergibt sich die nicht weiter aussortierte Stoffklasse „Rest“. Augenscheinlich ähneln die Fraktionen jener der Partikelfraktion 10–4 mm. Bei Betrachtung des Gesamtgehaltes der Partikelfraktion 80–1 mm kann festgehalten werden, dass der Waggonkehricht zu 36,7 % aus Metallen, zu 1,8 % aus Verbunden (bestehend vor allem aus Elektronikkomponenten und Kabeln), 4,9 % aus Holz, 13,3 % aus Kunststoffen, 23 % aus inerten Komponenten und zu 20,3 % aus nicht weiter zuordenbarem „Rest“ besteht. Bei Gegenüberstellung der Partikelfraktionen lässt sich folgendes aussagen: Die Metallgehalte schwanken nicht wesentlich, der geringste Gehalt bei 80–31,5 mm liegt bei 27 % und der maximale Gehalt ist bei 31,5–19 mm mit 42 %. Die inerten Komponenten nehmen tendenziell mit feiner werdender Partikelklasse zu und sind bei 10–4 mm mit rund 42 % am höchsten. Die Verbunde sind in den beiden groben Partikelfraktionen präsent und nehmen zu vernachlässigbaren Anteilen mit der Partikelgröße ab, was auf einen verbesserten Aufschluss der Verbunde mit feiner werdender Partikelklasse hinweist. Holz dominiert in der Partikelfraktion 80–31,5 mm mit 16 % und 10–4 mm mit 10 %. Der Kunststoffgehalt nimmt von grob mit 38 % nach fein mit 12 % ab. Anzumerken ist, dass durch das hohe Masseausbringen der Partikelfraktionen < 31,5 mm folglich auch die Inhalte der Komponenten dominieren.

Die Auswertung des Pilotversuches ist in der Bilanz in Tab. 3 und in Abb. 10 und 11 zu sehen. Die Ergebnisse der erzeugten Fraktionen wurden rechnerisch aus den einzelnen Partikelfraktionen 80–1 mm zusammengefasst und ergeben somit einen Gesamtüberblick des Pilotversuches. Mit der ersten Magnetscheidestufe wird bereits 61 % des gesamten Metalls als stark magnetische Fraktion (MF1) mit einem Metallgehalt von rund 73 % ausgetragen. Die zweite Magnetscheiderstufe erzeugt eine magnetische Fraktion (MF2) mit einem Metallgehalt von 24 % und einem Ausbringen von ca. 14 %. Die letzte Magnetscheiderstufe erzeugt eine schwachmagnetische Fraktion (MF3) mit 18 % Metallgehalt und einem Ausbringen von 7 %. Wie zu erkennen ist, besteht bei allen Magnetfraktionen, vor allem bei MF2 und MF3, ein nicht vernachlässigbarer hoher Anteil an Fehlprodukteintrag. Magnetisches Haftkorn wie auch kleine Nägel oder Heftklammern sorgen dafür, dass unmagnetische Partikel wie Kunststoff, Holz und Textilien in die Magnetfraktion gelangt. Eine geeignete Dichtesortierung, z. B. vor der Magnetscheidung, könnte die Magnetscheider in Bezug auf den zu verarbeitenden Volumenstrom wesentlich entlasten und die Sortierqualität verbessern. Das Dichtesortierleichtgut könnte als sog. Shreddervormaterial weiterverarbeitet werden. Sollen die magnetischen Fraktionen wieder als Eisenschrott eingesetzt werden oder einer Sinteranlage zugeführt werden, muss eine solche Sortieroption in Betracht gezogen werden.

Ein vergleichbar sehr gutes Ergebnis erbrachte die Wirbelstromsortierung. Hierbei wurde eine leitfähige Fraktion (LF) mit 94 % an Nichteisenmetallen mit rund 17 % Ausbringen erzeugt. Eine Produktverbesserung könnte beispielsweise durch eine nachgeschaltete Dichtesortierung (NE-Schwer- und NE-Leichtfraktion) oder eine sensorbasierte Sortierung realisiert werden. Schließlich ergibt sich durch die Wirbelstromsortierung auch eine nichtleitfähige Fraktion (NLF) mit einem Metallgehalt von 2 % bei 1,6 % Ausbringen, wobei das überwiegend schwer induzierbare Elektrokabel oder Metallspäne sind. Erwartungsgemäß ist damit der Gehalt mit 98 % an Nichtmetallen hoch. Auch hier wäre eine Produktverbesserung mittels Dichte- oder sensorbasierten Sortierung hilfreich, um beispielsweise eine Gewerbemüllfraktion oder eine mineralische Fraktion für die Bauwirtschaft zu erzeugen. Ob sich die Leichtfraktionen, wie Kunststoffe und Holz/Karton, als Ersatzbrennstoff eignen, müsste gesondert unter Berücksichtigung der Abfallverbrennungsverordnung (AVV) untersucht werden.

Für die Fraktionen < 1 mm wurde aufgrund des hohen Aufwands auf eine Handklaubung verzichtet. Dennoch sind diese Fraktionen, welche insgesamt mit 28,7 % anfallen, nicht vernachlässigbar. Die Untersuchungen konzentrierten sich vor allem auf abfallrechtliche Belange, die bei allfälliger Nichteignung als Sinterprodukt schlagend werden. Untersucht wurden die Aufgabe der ersten Magnetscheiderstufe, die magnetische Fraktion MF1 (15,7 %) und die unmagnetische Fraktion UMF1 (13 %), welche die Aufgabe für die nächste Magnetscheiderstufe darstellt. Zur Bestimmung der Aquatoxizität der Aufgabefraktion wurde gemäß Abfallverzeichnisverordnung (HP14 Kriterium) ein Limittest von Eurofins Umwelt Ost GmbH durchgeführt. Die Ergebnisse in Tab. 4 zeigen, dass eine mittlere effektive Konzentration von mehr als 100 mg/l von Nöten ist, um bei 50 % der Versuchspopulation eine Wirkung zu entfalten und ist daher von keiner Aquatoxizität auszugehen.

Die beiden Fraktionen der Magnetscheiderstufe (MF1 und UMF1) wurden wie in Abschn. 2.1.1 nach DVO 2008 analysiert und um die Analyseparameter Eisen, Aluminium und Magnesium im Feststoff erweitert. Ausgewählte Analyseergebnisse sind in Tab. 5 gelistet, die Ergebnisse für die Aufgabe wurde aus den beiden Fraktionen errechnet. Die Grenzwerte für eine Reststoffdeponie werden bei allen Fraktionen durch drei Parameter, „Total organic carbon“ TOC im Eluat und im Feststoff, sowie Kohlenwasserstoffe C10–C40, überschritten. Erhöhte Werte sind bei Schrotten nicht unüblich, beispielsweise können Reste von Treibstoffen, Motor- oder Getriebeöle vorhanden sein. Die Magnetscheidung zeigt erwartungsgemäß für Eisen einen starken Effekt. Eisen wurde um einen Faktor von rund 1,4 von 26 % in der Aufgabe auf 37 % in der magnetischen Fraktion mit einem Ausbringen von ca. 79 % angereichert. Auch die Elemente Ba, Cr und Ni wurden um einen Faktor von rund 1,5 in der magnetischen Fraktion angereichert. Die Elemente Al, Mg, Zn, Pb, Cu und Sn wurden dagegen in der unmagnetischen Fraktion angereichert.