4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung
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Paper des Monats
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Introduction
We present the first results of a pilot-scale study on the effect of bulk chemistry, oxidation state and cooling practice on EAF-slag mineralogy, microstructure and leaching behaviour.
Methods
24 batches of synthetic EAF-slag were produced (ca. 80-100 kg per batch) by remelting industrial slag in a pilot electric-arc furnace and trimming the chemistry with additives to a suite of target compositions. Two different cooling practices were used for the main batches: 1) cooling under air, and 2) granulation with water. Smaller (ca. 500 g) spoon-samples were taken prior to tapping, with a cooling rate intermediate between the two. The produced batches span a wide range of chemical composition regarding total FeOx content (ca. 20 - 40 wt%), Fe3+/Fe(total) ratio (0.15 - 0.80), CaO/SiO2 (B2 = 1.0 - 2.2), Al2O3/SiO2 (A/S = 0.2 - 0.7) and MgO/SiO2 (M/S = 0.4-1.1). The targeted compositions simulate a) a range of scenarios of operational tap-slag composition, b) high-temperature modification of some of these by addition of SiO2 or Al2O3 to lower B2 or raise A/S after tapping, respectively, and c) variable oxidation state prior to solidification. For the scenarios (a) representing operational tap-slag compositions, the B2, A/S and total FeOx were primary experimental variables, while MgO content was adjusted for each to satisfy a consistently applied saturation criteria in solid Mg-wüstite at operational temperatures, resulting in a range from 7.6 to 16.3 wt%. The vanadium and chromium contents of the slags in those scenarios were targeted at around 1 wt% each. For the scenarios (b), the additions dilute all the other components in the slag. The mineralogy and amorphous content of the slags was analysed with the XRD-Rietveld method, using added metallic silicon standard to quantify amorphous content. The phase chemistry and microstructure was studied with SEM-EDS analysis.
Results
The air-cooled slags with highest B2 have C2S ± bredigite as the dominant silicate phases, while those with lower B2 have Ca-rich olivine ± merwinite as the dominant silicate phases with minor melilite. The total FeOx content is strongly correlated with the total fraction of crystalline Fe-Mg-Mn(-Cr-Al)-oxides in monoxide (Mg-wüstite) or spinel form, while the spinel/monoxide ratio correlates strongly with the Fe3+/Fe(tot) ratio. Differences in Al2O3/MgO also influence the spinel/monoxide ratio and strongly influence the C2S/bredigite and olivine/merwinite/melilite ratios at high and low B2, respectively. Water granulation of the same range of slag compositions yields products with widely variable amorphous glass content, ranging from < 10 wt% through to 73 wt%. The amorphous content and crystalline phase occurrence is strongly correlated with the bulk chemistry of the slags and, moreover, has a clear link with the predicted phase assemblage from thermodynamic equilibrium calculations (Factsage). The leaching tendency of vanadium is strongly correlated with the mineralogy of the samples, and is well described by a simple multi-linear regression comprising only three variables (mass fractions of key mineralogical phases).
Conclusions
Suppressing the formation of C2S in favour of more bredigite diminishes the V-leaching tendency, as does suppressing Ca-rich olivine in favour of merwinite. The amorphous content has a strong negative correlation with V-leaching. V- and Si-leaching are positively correlated for the studied slags. This suggests a mechanistic control by the relative ease of dissolution of the V-bearing silicate phases together with their V-content, where the amorphous glass phase corresponds with lowest Si and V leaching tendency, and C2S the highest.
Der Beitrag wurde als Impulsvortrag zum Strategie Workshop “Horizontale Normung“ in den Fachbereichen 08 „Boden- und Abfalluntersuchung“ und 09 „Wasseruntersuchung“ im DIN vorgestellt. Es wurden die Historie der Erarbeitung von Elutionsverfahren, der Bezug zu Regularien und zur internationalen und europäischen Normung dargestellt. Die zukünftige strategische Ausrichtung und Organisation der Normungsarbeit im DIN NAW wurde erörtert. Besondere Schwepunkte der Diskussion waren die Aquise von Experten und die Zusammenarbeit zwischen den Fachbereichen.
In Deutschland wird Klärschlamm häufig in Monoverbrennungsanlagen thermisch verwertet. Wir haben von den meisten Anlagen Aschen eingesammelt und diese auf deren chemische Zusammensetzung analysiert. Abhängig von der Zusammensetzung können die Aschen in unterschiedliche Kategorien eingeteilt werden, mit welchem P-Rückgewinnungsverfahren diese aufbereitet werden könnten.
Sowohl aus diesen Klärschlammaschen als auch aus dem Abwasser und den Klärschlamm können verschiedene Rezyklate hergestellt werden. Dies können Struvite, thermochemische Produkte, Calciumphosphate und Phosphorsäure sein.
In die Klärschlammmonoverbrennungsanlage der Emter GmbH in Altenstadt wurde ein thermochemisches Verfahren zur Phosphorrückgewinnung integriert. Während der Verbrennung reagiert der Klärschlamm mit Natriumadditiven, wodurch ein hochwirksamer anorganischer Phosphatdünger entsteht. Die Anlage produziert bis zu 15.000 Tonnen des Rezyklats pro Jahr. In Gefäß- und Feldversuchen wurde die hohe Düngewirksamkeit des Rezyklats erfolgreich nachgewiesen.
A thermochemical process for phosphorus recovery has been integrated into the sewage sludge co-incineration plant operated by Emter GmbH in Altenstadt. During incineration, the sewage sludge reacts with sodium additives, producing a highly effective inorganic phosphate fertilizer. The plant produces up to 15,000 metric tons of the recycled material per year. The high fertilizing effectiveness of the recycled material has been successfully demonstrated in pot and field trials.
In die Klärschlammmonoverbrennungsanlage der Emter GmbH in Altenstadt wurde ein thermochemisches Verfahren zur Phosphorrückgewinnung integriert. Während der Verbrennung reagiert der Klärschlamm mit Natriumadditiven, wodurch ein hochwirksamer anorganischer Phosphatdünger entsteht. Die Anlage produziert bis zu 15.000 Tonnen des Rezyklats pro Jahr. In Gefäß- und Feldversuchen wurde die hohe Düngewirksamkeit des Rezyklats erfolgreich nachgewiesen.
In Deutschland wird Klärschlamm häufig in Monoverbrennungsanlagen thermisch verwertet. Wir haben von den meisten Anlagen Asche eingesammelt und diese auf deren chemische Zusammensetzung analysiert. Abhängig von der Zusammensetzung können die Aschen in unterschiedliche Kategorien eingeteilt werden, mit welchem P-Rückgewinnungsverfahren diese aufbereitet werden könnten
Es wurden die Ergebnisse des laufenden Vorhabens SuSteelAG vorgestellt. Schwerpunkt lag auf der Eignung des Wasserstoff-Drehrohrofens für die Direktreduktion von Eisenoxid. Es konnte gezeigt werden, dass der Wasserstoff-Drehrohrofen ein robustes Aggregat für die Direktreduktion von Eisenerzen ist, da geringe Ansprüche an die Vorbehandlung des Materials bestehen. Im Gegensatz zu Anwendungen im Schachtofen muss das Eisenerz z.B. nicht aufwendig pelletiert werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit das im Drehrohrofen direkt reduzierte Eisen durch weitere mechanische Aufbereitungsschritte zu veredeln, da das Material nicht agglomeriert wurde. Es wurde ein Beispiel für eine industrielle Anlage vorgestellt, die im Rahmen des Projekts SuSteelAG in Namibia betrieben wird.
Die abschließenden Ergebnisse des R-Rhenania Projekts wurden vorgestellt. Kern des Projekts ist ein Verfahren zur Gewinnung von Phosphatdüngemitteln aus Klärschlamm und Klärschlammaschen. Beim Verfahren werden organische Schadstoffe zerstört, Schwermetalle abgetrennt und die schlecht pflanzenverfügbare Phosphatphase in düngewirksames Calcium-Natrium-Phosphat überführt. Es wurde eine großtechnische Anlage in Altenstadt, Bayern, umgesetzt.
The research project DRI-EOS - Modification of DRI-based EAF slag for use in the cement industry
(2026)
The research project DRI-EOS, funded by the German Federal Ministry of Research, Technology and Space investigates the utilization of increasing amounts of electric arc furnace (EAF) slags in the cement industry to compensate the decreasing production of traditional granulated blast furnace slags (GBS) as consequences of the transformation of the steel industry within the next decades. The focus is on direct reduced iron (DRI) as input material besides scrap. For this purpose, the research institutes BAM and FEhS cooperate with industry partners that are directly affected by the transformation, such as a steel producer, a slag handling company, a cement producer and a plant manufacturer. First insights of the project were presented in the previous Euroslag conference. The finalized results of already indicated lab scale reduction experiments as well as new findings of two melting campaigns in technical scale shall be presented in this talk.
Lab scale reduction experiments were conducted in a Tammann furnace at the FEhS institute with varying input materials, supplements and reducing agents, in either graphite or magnesium oxide crucible, while technical scale experiments are performed in BAM’s 450 kW and approx. 100 kg batch size EAF. Two slowly cooled model slags, adjusted to a potentially in future occurring real EAF slag, as well as eight modified slags, half of them reduced and all granulated, are generated in technical scale experiments. Granulation is conducted with the known mobile water granulation equipment of the FEhS institute as well as in a newly designed dry air granulation set-up. Cement and concrete investigations motivated by the replacement of GBS are performed for the granulated slags while the not further modified future model slags are assessed regarding their environmental impacts as well as physical and mechanical properties for a potential use in road construction or as concrete aggregate.
Lab scale and technical scale experiments confirmed the feasibility of modification and reduction of EAF slags in different set-ups with the comparison of water and dry air granulation. Several products were generated with instructive results in terms of reduction degree of different metal oxides, impact of the attained chemical composition as well as the applied cooling method on formation of mineral or glass phases, and compressive strength close to that of GBS.
The project DRI-EOS helps with its experiments in lab and technical scale to develop slag treatments concepts for new EAF slags that are associated with the transformation in the steel industry and the application of final products in the cement industry. For this purpose, a technical concept for an upscaling and the manufacturing of a pilot plant will be developed. Finally, a life cycle assessment and a feasibility study will evaluate the slag treatment and its final product within the steel production route for their ecological and economic impact. Thus, the potential transfer to industrial scale will be demonstrated under various considerations and the steel transformation is able to proceed regarding a sustainable use of the by-product steel slag.