4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung
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Bei der Stahlproduktion fallen verfahrensbedingt große Mengen an Nebenprodukten und Abfällen wie Stahlwerksschlacken, Filterstäube und Gichtgasschlämme an. Hohe Anteile dieser Stoffströme werden aufgrund ihrer Zusammensetzung immer noch deponiert, obwohl sie ein hohes Wertstoffpotential aufweisen. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) werden Verfahren untersucht
und entwickelt, welche eine Verwertung und Kreislaufführung dieser Materialströme ermöglichen. Aus sogenannten Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken können durch carbothermische Nachbehandlung Roheisen und ein dem Portlandzementklinker (PZK) ähnliches Bindemittel erzeugt werden. Aus Elektroofenstäuben und Gichtgasschlämmen kann Zink gewonnen und die Anteile an Eisen und Kohlenstoff in den Stahlproduktionsprozess zurückgeführt werden. Durch diese technischen Maßnahmen kann es gelingen die Deponierung von Abfällen der Stahlproduktion zukünftig deutlich zu reduzieren.
Bei der Stahlproduktion fallen verfahrensbedingt große Mengen an Nebenprodukten und Abfällen wie Stahlwerksschlacken, Filterstäube und Gichtgasschlämme an. Hohe Anteile dieser Stoffströme werden aufgrund ihrer Zusammensetzung immer noch deponiert, obwohl sie ein hohes Wertstoffpotential aufweisen. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) werden Verfahren untersucht und entwickelt, welche eine Verwertung und Kreislaufführung dieser Materialströme ermöglichen. Aus sogenannten Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken können durch carbothermische Nachbehandlung Roheisen und ein dem Portlandzementklinker (PZK) ähnliches Bindemittel erzeugt werden. Aus Elektroofenstäuben und Gichtgasschlämmen kann Zink gewonnen und die Anteile an Eisen und Kohlenstoff in den Stahlproduktionsprozess zurückgeführt werden. Durch diese technischen Maßnahmen kann es gelingen die Deponierung von Abfällen der Stahlproduktion zukünftig deutlich zu reduzieren.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung eines bestehenden pyrometallurgischen Prozesses zur Rückgewinnung von Tantal und Niob aus metallurgischen Reststoffen mit vorwiegend niedriger Wertstoffkonzentration.
Zur näheren Erforschung der im vorliegenden Stoffsystem ablaufenden Reduktionsprozesse wurden in einem Elektrolichtbogenofen Schmelzversuche im Pilotmaßstab durchgeführt. Als Reduktionsmittel diente Koks, welcher mithilfe einer Argon-gespülten Eisenlanze in die flüssige mineralische Schmelze eingebracht wurde. Während der Reduktionsbehandlung werden Refraktärmetalle wie Tantal und Niob in ihre Carbide überführt und anschließend in der erschmolzenen eisenbasierten Metallphase am Boden des Reaktors angereichert. Neben Tantal und Niob gelangt auch ein Teil des im Einsatzmaterial enthaltenen Titans als unerwünschtes Begleitelement in die Metallphase.
Sein Großteil verbleibt jedoch als Oxid in der Schlacke und wird dort hauptsächlich im Mineral Perowskit (CaTiO3) gebunden. Die erstarrten Schlackeproben wurden mit verschiedenen Methoden wie Röntgenfluoreszensanalyse, Röntgenbeugung und Rasterelektronenmikroskopie mit gekoppelter energiedispersiver Röntgenanalyse untersucht, um die Bildung tantalhaltiger Mineralphasen zu verschiedenen Stadien des Reduktionsprozesses zu verfolgen.
Die hier gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass weniger die durch das Einblasen von Koks verursachte Reduktionsreaktion, sondern das Absinken der tantalreichen Eisentröpfchen in der flüssigen mineralischen Schmelze, gefolgt von ihrer Anreicherung in die Metallphase, für die Kinetik ausschlaggebend ist.
Weltweit werden etwa 80–85 % aller abgebauten Rohphosphate für die Produktion von Düngemitteln verwendet. Bei noch steigendem Bedarf an Phosphor (P) geht man derzeit davon aus, dass die weltweiten P-Reserven noch über 200 Jahre ausreichen. Um den P-Vorrat langfristig abzusichern, sollte der in Reststoffen enthaltene Phosphor möglichst umfänglich genutzt werden. Dieser Forderung trägt das von der Bundesregierung 2012 erstmals beschlossene Deutsche Ressourceneffizienzprogramm ProgRess Rechnung. Rohphosphat wird auch seitens der Europäischen Kommission aufgrundseiner ökonomischen Bedeutung und des unsicheren Angebots als „kritischer Rohstoff“ eingestuft. Vor diesem Hintergrund hat die Bundesregierung in der Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung vom 27. September 2017 in Deutschland eine verpflichtende technische Rückgewinnung von Phosphor für Abwasserbehandlungsanlagen ab einer Ausbaugröße von 100.000 Einwohnerwerten (12 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) bzw. ab einer Ausbaugröße von über 50.000 Einwohnerwerten (15 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) vorgeschrieben. Die Verordnung enthält keine Vorgaben hinsichtlich der anzuwendenden Technologie bei der Phosphorrückgewinnung. Ausgenommen von der Rückgewinnungspflicht sind Klärschlämme mit niedrigen Phosphorgehalten (weniger als 20 Gramm Phosphor je Kilogramm Klärschlamm-Trockenmasse). Auch die im Jahre 2017 verabschiedeten neuen Rechtsvorschriften für die Düngung verlangen zukünftig einen nachhaltigen und ressourceneffizienten Umgang mit Nährstoffen bei der landwirtschaftlichen Erzeugung und schränken die P-Zufuhr insbesondere auf hoch versorgten Böden ein (Düngeverordnung vom 26. Mai 2017). Dies wird zu einem mehr am Pflanzenbedarf orientierten und ggf. vermehrt überbetrieblichen Einsatz von wirtschaftseigenen Düngern führen. Um den politischen und gesetzlichen Anforderungen gerecht zu werden, müssen einerseits wirksame und kosteneffiziente technische Verfahren zum P-Recycling (weiter)entwickelt werden. Andererseits müssen die Recyclingprodukte die Anforderungen für eine direkte Verwendung in der Landwirtschaft oder als Rohstoff für die Herstellung von Düngemitteln erfüllen. In dem vorliegenden Standpunkt wird zunächst der potenzielle Beitrag von Reststoffen zur Deckung des P-Bedarfs in der deutschen Pflanzenproduktion geschätzt. Für die wichtigsten Reststoffe werden technische Verfahren zur P-Rückgewinnung bzw. Aufarbeitung skizziert. Auf Basis der Anforderungen der Landwirtschaft bzw. der Düngemittelindustrie
an die P-Recyclingprodukte werden deren Herstellungsverfahren bewertet. Schließlich wird der Regelungs- und Forschungsbedarf formuliert.
Da das Recycling von tantalhaltigen Post-Consumer-Abfällen praktisch nicht existiert, stellen metallurgische Reststoffe eine äußerst wichtige Rohstoffquelle für das Tantalrecycling dar. Die meisten Zinnerze enthalten von Natur aus erhebliche Mengen an Refraktärmetallen. Diese Elemente werden in den Schlacken der pyrometallurgischen Primärzinngewinnung angereichert. Aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Wertstoffkonzentration und ihrer Funktion als zusätzlicher Schlackenbildner stellen diese Schlacken einen wertvollen Rohstoff für die Verhüttung tantalhaltiger Reststoffe dar. In der vorliegenden Arbeit wird ein existierendes Verfahren zur Tantalrückgewinnung diskutiert, dem hauptsächlich pyrometallurgische Rückstände geringer Wertstoffkonzentration als Einsatzstoff dienen. Mit Hilfe des Verfahrens sollte dasoxidisch vorliegende Tantal vollständig reduziert und in der Metallphase angereichert werden. Weiterhin sollte vermieden werden, dass unerwünschte Elemente wie Titan in die Metallphase überführt werden. Ziel der Untersuchung war es, die ablaufenden Reduktionsprozesse besser zu verstehen, um so Ansätze für die Prozessoptimierung identifizieren zu können.
In Bayern wird Klärschlamm aus der kommunalen Abwasserreinigung weitgehend verbrannt. Monoverbrennungsanlagen - ausschließlich für kommunalen Klärschlamm - gibt es in Altenstadt, München, Gendorf, Straubing, Neu-Ulm und zukünftig auch in Augsburg. Die Anlage in Altenstadt verbrennt jährlich ca. 55.000 t Klärschlamm-Trockensubstanz und produziert dabei rund 15.000 t phosphatreiche Aschen.
Die Asche aus Altenstadt wird zurzeit überwiegend direkt landwirtschaftlich genutzt. Aufgrund der niedrigen Schadstoffgehalte ist diese Nutzung nach den düngemittelrechtlichen Regelungen gesetzlich zulässig. Um der Intention der neuen Düngeverordnung (26. Mai 2017) nach hocheffizienten, d.h. gut pflanzenverfügbaren Düngemitteln zu entsprechen, ist eine Aufbereitung der Klärschlammasche geplant. Im Rahmen des R-Rhenania Projektes errichten der Betreiber der Klärschlammverbrennungsanlage Altenstadt in Bayern Emter GmbH - und der Düngemittelhersteller sePura GmbH gemeinsam eine AshDec®-Demonstrationsanlage, die im Jahr 2023 den Betrieb aufnehmen soll. Das angewandte AshDec®-Verfahren schließt die Phosphate in der Klärschlammasche thermisch im Drehrohrofen auf und macht diese für Pflanzen vollständig verfügbar. Gleichzeitig werden Schadstoffe wie Arsen, Blei und Cadmium entfernt. Den thermischen Aufschluss kennt man bereits vom erfolgreichen, aber nicht mehr produzierten Düngemittel „Rhenania-Phosphat“, das auf der Basis von Rohphosphaten hergestellt wurde.
Die geplante Anlage wird neben den Aschen aus Altenstadt zusätzlich die Aschen aus weiteren bayerischen Verbrennungsanlagen verwerten und für eine Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Asche ausgelegt sein. Der Projektpartner sePura plant den produzierten Dünger vollständig in Bayern zu verwerten. Dies verringert die Umweltbelastung durch lange Transportwege und fördert die Regionalität des Vorhabens.
Es wurden erste Ergebnisse des Projekts extraWERT vorgestellt. Im Projekt werden monatlich Klärschlammproben von 10 kommunalen Kläranlagen untersucht, deren P-Gehalt im Grenzbereich der AbfKlärV liegt zwischen 1,7 und 2,3%. Die ersten Ergebnisse lagen zu fünf Kläranlagen vor, es wurden Daten zum TS-Gehalt, zur oTS und zu den Nährstoffgehalten präsentiert.
Das Element Phosphor ist für alle Lebewesen essenziell und wird beispielsweise von Pflanzen in Form von Phosphaten aufgenommen.
In der landwirtschaftlichen Produktion werden dem Boden die Phosphate durch Wachstum und Ernte der Pflanzen entzogen und müssen ihm in Form von Phosphatdüngemitteln wieder zugeführt werden, um die Nahrungsmittelproduktion zu sichern. Rohphosphat stellt die Grundlage unserer derzeitigen Phosphatdüngemittel dar, ist aber gleichzeitig ein endlicher Rohstoff.
Des Weiteren sind insbesondere sedimentäre Rohphosphate oftmals mit erheblichen Konzentrationen toxischer Schadstoffe wie Cadmium, Uran und Thorium belastet. Eine Kreislaufführung des Phosphats sollte erfolgen, um natürliche Rohstoffvorkommen zu schonen und den Eintrag von Schadstoffen auf unsere Böden zu unterbinden.
Das Element Phosphor ist für Pflanzen, Tiere und Menschen essenziell. Um die Phosphorversorgung für Pflanzen in der Landwirtschaft zu gewährleisten, werden Phosphordünger eingesetzt. Die Nährstoffe werden hauptsächlich durch Wirtschaftsdünger (Gülle, Jauche, Stallmist) zurückgeführt. Zusätzlich werden in der konventionellen Landwirtschaft mineralische Phosphordünger eingesetzt, die vorwiegend aus dem fossilen Rohstoff Phosphorit gewonnen werden. Um die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu reduzieren, sollen nährstoffhaltige Rest- und Abfallstoffe zur Phosphordünger aufbereitet werden. In Abwasserkläranlagen fällt phosphorreicher Klärschlamm als Abfallstoff an. Der größte Anteil des Klärschlammes wird in Steinkohlekraftwerken, Zementwerken oder in Monoklärschlammverbrennungsanlagen verbrannt. Die Klärschlammaschen aus den Monoverbrennungsanlagen enthalten bis zu 12 Gew.-% Phosphor und sind daher für die Düngerherstellung geeignet.
Ein geeignetes Verfahren zur Aufbereitung der Klärschlammaschen ist die thermochemische Behandlung im Drehrohrofen. Mit dem sogenannten AshDec®-Prozess, kann ein Phosphordünger hergestellt werden. Aktuell wird eine großtechnische Anlage in Altenstadt (Bayern) geplant, die im Jahr 2023 den Betrieb aufnehmen soll. Der zentrale Bestandteil ist die Phasenumwandlung von schlecht pflanzenverfügbaren Phosphaten in der Klärschlammasche (vorwiegend das Calciumphosphat Whitlockit und Aluminiumphosphat) zu gut pflanzenverfügbaren Calciumalkaliphosphaten im Produkt. Um dies zu erzielen, werden die Aschen mit Natrium- und/oder Kalium-Verbindungen gemischt und einer thermochemischen Behandlung bei 800-1000 °C zugeführt. Um die Pflanzenverfügbarkeit und Düngewirkung von Phosphaten abschätzen zu können, ist die chemische Extraktionsmethode mit neutraler Ammoniumcitratlösung geeignet.
In der Dissertation werden die (Phosphor-)Phasenreaktionen und die Prozessbedingungen des thermochemischen Verfahrens untersucht, um das Verfahren gezielt zu modifizieren und die Wirtschaftlichkeit zu steigern. Die Zielphasen der thermochemischen Behandlung sind die Calciumalkaliphosphate CaNaPO4 und CaKPO4, und deren Mischphasen Ca(Na,K)PO4, welche in der Publikation 3.1 synthetisiert wurden. Für diese Calciumalkaliphosphate wurden die thermodynamischen Daten der Standardbildungsenthalpie, Standardentropie, Wärmekapazität und die Wärmemenge der Phasenumwandlung bestimmt (Publikation 3.1).
Bei der thermochemischen Behandlung von Klärschlammaschen wurden als Additive Natrium- und Kaliumsulfat bei verschiedenen Temperaturen getestet. Der Einsatz von Kaliumadditiven ist erwünscht, um den Marktwert des Produktes durch die Produktion eines Phosphor-Kalium-Düngers zu erhöhen. Zusätzlich wird eine möglichst geringe Prozesstemperatur angestrebt, bei der die erwünschten Calciumalkaliphosphate gebildet werden.
In den Publikationen 3.2 und 3.3 wird gezeigt, dass für Klärschlammaschen eine komplette Phasenumwandlung zu Calciumnatriumphosphaten ab 875 °C in Laborversuchen (Korundtiegel) mit dem Additiv Natriumsulfat erzielt werden kann. Der Einsatz von Kaliumsulfat erforderte notwendige Reaktionstemperaturen von über 1100 °C. Diese
unterschiedlichen Reaktionstemperaturen hängen mit den Schmelzpunkten von Natriumsulfat (890 °C) und Kaliumsulfat (1070 °C) zusammen. Um Kaliumsulfat in den Prozess bei niedrigen Temperaturen zu integrieren, wurden Natriumsulfat und Kaliumsulfat vor der Behandlung gemischt. Dies führte zu einer Schmelzpunkterniedrigung und resultierte in Reaktionstemperaturen zwischen 900 °C bis 1000 °C für die untersuchten Mischungen von Natrium- und Kaliumsulfat (Publikation 3.3).
Die Zusammensetzung der Calciumalkaliphosphate Ca(Na,K)PO4 war anders als erwartet. Bei der Phasenanalytik stellte sich heraus, dass bei geringem und mittlerem Anteil von Kaliumsulfat im Alkali-Additiv nur Calciumnatriumphosphate mit sehr geringen Kaliumgehalten gebildet wurden. Erst bei einem hohen Anteil von Kaliumsulfat in der Mischung der Alkalisulfate konnten kaliumhaltige Calciumalkaliphosphate nachgewiesen werden (u.a. (Ca0.9Mg0.1)(Na0.6K0.4)PO4). Dieser geringere Einbau von Kalium in die Calciumalkaliphosphate hängt mit den zusätzlich stattfindenden Reaktionen zwischen den Alkalien und den Silikaten zusammen. Es ist bekannt, dass die zugegebenen Alkalisulfate zuerst mit Silikaten und anschließend mit den Phosphaten reagieren. Silikate bauen bevorzugt Kalium ein, deswegen konnten erst kaliumhaltige Phosphate gebildet werden, wenn die Reaktion mit den Silikaten abgeschlossen war. Dies führte zu einem geringeren Kaliumanteil in den gebildeten Phosphaten im Vergleich zum Kaliumanteil der verwendeten Alkaliadditive. Das in Silikaten gebundene Kalium ist wahrscheinlich schlecht für die Pflanzen verfügbar. Dies könnte den Einsatz der produzierten Phosphor-Kalium-Dünger einschränken. Der bevorzugte Kaliumeinbau in Silikaten konnte auch in Kalkulationen mit den thermodynamischen Daten aus der Publikation 3.1 gezeigt werden.
Mittels Phasenanalytik vor und nach der chemischen Extraktion, konnte die Zugehörigkeit zu verschiedenen Modifikationen der Calciumalkaliphosphaten sicher bestimmt werden und eine ungefähre Zusammensetzung dieser Calciumalkaliphosphate abgeschätzt werden. So konnte nachgewiesen werden, dass die Modifikation vom CaNaPO4 ungefähr 10 % Magnesium einbauen kann. Wenn mehr Magnesium eingebaut wird, bildet sich die Phase (Ca,Mg)NaPO4, die eine vergleichbare Struktur wie die bekannte Phase (Ca0.72Mg0.28)NaPO4 aufweist. Dieses magnesiumreiche Calciumnatriumphosphat entstand vermutlich, wenn entweder erhöhte Anteile an Kalium eingebaut wurden (Ca0.8Mg0.2)(Na0.85K0.15)PO4 (Publikation 3.3) oder die Phasenumwandlung vom Calciumphosphat Whitlockit zum Calciumalkaliphosphat CaNaPO4 noch nicht abgeschlossen war (Publikation 3.2). Wenn mehr Kalium eingebaut wird, dann entsteht eine Phase (u.a. (Ca0.9Mg0.1)(Na0.6K0.4)PO4) ähnlich zu den Mischphasen aus der Publikation 3.1.
In den Publikationen 3.4 und 3.5 wurden keine Klärschlammaschen untersucht, sondern Biokohlen aus Modellklärschlämmen (Publikation 3.5) und Biomasseaschen (Publikation 3.4) aus der Vergasung oder Verbrennung einer Mischung aus Zuckerrohrbagasse und Hühnertrockenkot. Die thermochemischen Produkte der Biokohlen bzw. Biomasseaschen enthielten das gewünschte CaNaPO4 und hatten eine hohe Düngewirkung in Pflanzenwachstumsversuchen mit Sojapflanzen bzw. Gräsern.