Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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Thermochemische Aufarbeitung von Stahlwerksstäuben und -schlämmen zur Zink- und Eisenrückgewinnung
(2024)
Stahlwerksstäube und -schlämme enthalten in der Regel Schwermetalle wie Zink, Blei und Cadmium, die ein direktes Recycling verhindern und diese Stoffe potenziell umweltgefährdend machen. Um diese Schwermetalle aus den Materialien zu entfernen, werden drei thermochemische Verfahren zur Aufarbeitung von Gichtgasschlamm, Elektroofenstaub und ähnlichen Stahlwerksstäuben vorgestellt. Zum einen kann die Mischung von Elektroofenstaub mit chloridhaltigen Lösungen, wie sie z. B. in der Titandioxidproduktion anfallen, gemischt werden, um bei der thermischen Behandlung Schwermetallchloride zu effektiv verdampfen. Weiterhin kann der im Gichtgasschlamm enthaltene Kohlenstoff genutzt werden, um in Mischungen aus Gichtgasschlamm und Elektroofenstaub bei der thermischen Behandlung als Reduktionsmittel zu wirken. Dieses Verfahren führt zur Rückgewinnung von Zink und metallischem Eisen und wird im Technikums- und Pilotmaßstab erprobt. Abschließend wird die Nutzung von Wasserstoff als Reduktionsmittel für Elektroofenstaub vorgestellt. Hierbei lässt sich der Reststoff potenziell klimaneutral in Eisenschwamm umwandeln, wobei die chemischen Grundlagen anhand von DTA-Experimenten und thermodynamischen Simulationen ergründet werden.
Forschungsvorhaben RUNOFF
(2024)
Die Präsentation stellt das Runoff-Projekt in seiner Gesamtheit vor. Dabei liegt der Fokus vor allem auf die verschiedenen Untersuchungsverfahren zur Neubewertung der Dauerhaftigkeit von Dach- und Fassadenmaterialien. Dazu zählen elektrochemische Untersuchungen der Deckschichtstabilität, die Bestimmung der Korrosionsprodukte sowie des Massenverlustes und die Identifikation wichtiger Einflussfaktoren.
Der Vortrag stellt den aktuellen Stand des Forschungsprojekts RUNOFF vor. Dabei liegt der Fokus auf die Neubewertung der Dauerhaftigkeit von Zink und feuerverzinktem Stahl. Unter bewitterten Bedingungen erreichen beide Materialien stabile, karbonathaltige Deckschichten bereits nach einer Auslagerungszeit von zwei Monaten. In den parallel zu den Feldversuchen laufende Laborversuche werden aktuell der Einfluss dreier Faktoren (Ph-Wert, Winkel des Probenmaterials, Niederschlagsintensität) auf das Abschwemmverhalten von Zinkionen mithilfe eines an der BAM konstruierten Niederschlagsimulators untersucht.
Der Vortrag stellt das Forschungsvorhaben RUNOFF vor, welcher auf der zweitägigen Veranstaltung „24. Projekttage der Bauforschung“ gehalten wurde. Die Präsentation erläutert zunächst die Bedeutung der Abschwemmung von Metallionen für die Bauindustrie und Umwelt. Dabei werden Faktoren, welche den Schadstofftransport im urbanen Raum begünstigen sowie Stadtentwässerungstypen vorgestellt. Anschließend folgen Folien zum wissenschaftlichen Hintergrund zur Ausbildung von Deckschichten, aktuellen Wissensstand sowie Lücken in der Korrosionsforschung von metallenen Werkstoffen unter atmosphärischen Bedingungen. Nach einer kurzen Übersicht zu den Hauptzielen des Forschungsvorhabens wurde detaillierter auf die Versuchsdurchführung sowie fünf der acht Arbeitspakete mitsamt Zwischenergebnissen eingegangen.
During iron and steel production, several by-products such as slags, dusts, and sludges are generated in addition to pig iron and steel as primary products. Especially for filter dusts and sludges containing zinc and lead from gas purification, there are still considerable recycling problems. However, the high heavy metal contents make landfilling of these dusts and sludges cost-intensive and ecologically problematic. In addition, the relatively high zinc and iron loads represent a valuable resource, which can make reprocessing of the material with recovery of the zinc and iron loads as secondary raw materials ecologically as well as economically attractive. Nevertheless, established recycling methods like the Waelz process fall short in regaining more than one valuable metal from the dusts and operate only under narrow ranges of material compositions, which makes it problematic to adapt these processes to new dust compositions as are to be formed in future steel work operations.
To tackle these problems, the German Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) and Ferro Duo GmbH investigate innovative recycling methods for steelwork dusts and sludges in a joint project. This mainly focusses on regaining valuable metals such as iron as well as zinc from blast furnace sludge (BFS) and electric arc furnace dust (EAFD) by thermochemical treatment.
Therefore, mixtures of these materials are heated under inert atmosphere employing the carbon present in BFS as internal reducing agent. During the process, metallic iron is formed in the solid reaction product while zinc and other volatile heavy metals are evaporated. This paves the way for the generation of zinc as well as sponge iron as two separate products valuable for metallurgical processes. The process basically consists of heating a mixture of BFS and EAFD to temperatures between 700 and 1100 °C under inert (e.g., nitrogen) or reducing (e.g., CO) gas flow. When a suitable mixing ratio is applied, the carbon present in the BFS can be effectively used as reducing agent for iron and zinc present in both starting materials generating a solid residue with high metallic iron and low carbon content as well as a gas stream laden with zinc and other volatile heavy metals, that can be regained by off-gas treatment.
The project aims at testing this concept as a continuous process in a pilot plant established by Ferro Duo GmbH with BAM supplying comprehensive scientific support by lab- and small scale-experiments.
Additionally, considering the necessity to mitigate CO2 emissions and the resulting shift in compositions of steel work dusts and sludges, our research also investigates replacement of carbon present in the sludges by hydrogen as potentially carbon-neutral reducing agent. Here, the use of non-explosive forming gas as reducing agent for EAFD shows potential to give a product high in metallic iron while zinc and other heavy metals are effectively evaporated from the solid material making it possible to regain them from the exhaust gas stream.
Bei Betrachtungen zur Lebensdauer von Metallbauteilen im Bauwesen müssen Korrosions- und Runoff-Vorgänge an der Atmosphäre als verschiedene Reaktionen unterschieden werden. Korrosion ist der Prozess, der von elektrochemischen Reaktionen an der Grenzfläche Metall/Patina kontrolliert wird. Runoff dagegen wird durch chemische Reaktionen an der Grenzfläche Patina/Atmosphäre begünstigt. Mit zunehmender Bewitterungszeit nimmt die Korrosionsgeschwindigkeit stetig ab, während postuliert wird, dass die Geschwindigkeit des Runoffs über die gesamte Zeit konstant bleibt. Dieses Verhalten des Runoffs muss aber zunehmend bezweifelt werden. Die Gesamtmenge an abgezehrtem Metall beinhaltet zwei Bestandteile. Ein Teil wird in die Schicht aus Korrosionsprodukten eingebaut, der andere wird aufgrund von Niederschlägen aus der Patina gelöst. Aus diesem Grund ist die Menge an Zink-Runoff stark abhängig von den Eigenschaften der Korrosionsprodukt- bzw. Patinaschicht und nicht anhand der Zusammensetzung des Metalls abschätzbar. Vorhandene Modelle können die Menge an Runoff, und damit verbunden die Abzehrung einer Schicht aus Zink und Kupfer, sowie den resultierenden Eintrag von Schwermetallionen in die Umwelt nicht mehr darstellen und erklären. Um den Korrosionsschutz an Bauwerken zum einen dauerhaft unter Beachtung von Kostenaspekten und Ressourcenschonung und zum anderen unter ökologischen Gesichtspunkten auslegen zu können, müssen deshalb neue wissenschaftliche Grundlagen erarbeitet und die Mechanismen beschrieben werden.
Das BAM-Forschungsvorhaben RUNOFF widmet sich den Fragestellungen. Der Vortrag gibt einen kurzen Überblick zum Forschungsvorhaben.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
During iron and steel production, several by-products such as slags, dusts and sludges are generated in addition to pig iron and steel as primary products. While established recycling routes exist for slags, there are still considerable recycling problems for other residual materials, especially for filter dusts and sludges containing zinc and lead from waste gas purification. However, the high heavy metal contents make landfilling these dusts and sludges cost-intensive and ecologically problematic. In addition, the relatively high zinc and iron loads represent a valuable material potential, which can make reprocessing of the material with recovery of the zinc and iron loads as secondary raw materials ecologically as well as economically attractive. Against this background, a process is being developed in a cooperative project between Ferro Duo GmbH and the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), in which the heavy metals (zinc, lead, cadmium, etc.) contained in the filter dusts and sludges are selectively converted into chlorides in a thermochemical process after the addition of a chlorine donor and evaporated at temperatures between 650 and 1100 °C. This process can be used to recover zinc and iron as secondary raw materials.
Experiments to date in a batch reactor show that >99% of the zinc and lead can be removed from the treated material. However, a continuous process is necessary for an economical process, which is why this process is transferred to a rotary kiln and relevant process parameters are identified and optimized. The results of these investigations will be presented here.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Das Verhalten von Erdböden gegenüber metallenen Konstruktionswerkstoffen ähnelt in vielen Fällen der von neutralen Wässern. Der in natürlichen Erdböden vorhandene Wasseranteil bildet mit den löslichen Inhaltsstoffen eine Elektrolytlösung. Eine merkbare Korrosionsgeschwindigkeit tritt erst dann auf, wenn der Boden einen bestimmten Wassergehalt aufweist, der eine Sauerstoffdiffusion im Boden zur Oberfläche des Metalls gewährleistet. Von maßgebendem Einfluss auf die korrosionsverursachende Wirkung der Böden ist neben dem Feuchtegehalt, der die Leitfähigkeit des Bodens bestimmt, der pH-Wert. Verschiedene Bodenarten besitzen unterschiedliche Wasser- und Sauerstoffdurchlässigkeiten, sowie Unterschiede der gelösten Inhaltsstoffe wie Chloride oder Sulfate, wodurch sich das Korrosionsverhalten von Metallen in verschiedenen Böden stark unterscheidet. In der DIN 50929-3 werden Böden in vier verschiedene Bodenklassen mit Korrosionsbelastungen von sehr niedrig bis hoch unterteilt. Durch verschiedene Bodenanalysen und örtliche Gegebenheiten kann nach DIN 50929-3 zwar die Korrosivität eines Bodens bestimmt werden, jedoch ist die Reproduzierbarkeit eines Bodens (Prüfmediums) praktisch nicht möglich.
Es gibt jedoch Überlegungen, wie die Einstellung einer Bodenklasse durch Verwendung von Normsand und der Zugabe von Stoffen erzielt werden kann, wodurch die Reproduzierbarkeit eines Bodens ermöglicht wird.
Dieser Vortrag beschreibt die Entwicklung eines neuen chemischen Verfahrens, das in einem Kooperationsprojekt zwischen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Ferro Duo GmbH entwickelt wird. Mit dem entwickelten Verfahren soll es ermöglicht werden, schwermetallhaltige Filterstäube und -schlämme, die als Abfälle während der Produktion von Roheisen und Rohstahl anfallen und die derzeit größtenteils deponiert werden, zu recyceln und die darin enthaltenen Wertstoffe (v.a. Eisen, Kohlenstoff und Zink) wieder in den Rohstoffkreislauf zurückzugeben. Dies wird durch eine Chlorierung der in den Filterstäuben und -schlämmen enthaltenen Schwermetalloxiden erreicht, die bei Temperaturen zwischen 650 und 1100 °C in Form von Schwermetallchloriden verdampft und so selektiv separiert werden. Erste experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Gehalte an Schwermetallen wie Zink, Blei und Cadmium um bis zu 99,7% reduziert werden können und die thermochemisch behandelten Filterstäube und -schlämme durch das Verfahren in sekundäre Rohstoffe für die Roheisenproduktion umgewandelt werden können.