Wälzprozess

zwar potenziell interessantes und relevantes Lemma, Stub erklärt jedoch nichts zu diesem Verfahren - 7 Tage - - WolfgangS

Der Wälzprozess

Als Wälzprozess bezeichnet man ein metallurgisches Verfahren welches gegenwärtig, primär zur Aufarbeitung von zinkhaltigen Reststoffen (hauptsächlich zinkhaltige Stahlwerksstäube) verwendet wird. Dabei wird grundsätzlich zwischen dem sauren und den basisch betriebenen Wälzprozess unterschieden. Endprodukt des Prozesses ist möglichst reines Zinkoxid (ZnO), welches zur Zinkgewinnung verwendet wird.

Die Anfänge des heute bekannten Wälzprozesses reichen bis in das 19. Jahrhundert zurück. Bereits 1881 erfolgte von George Drue der Vorschlag Zink zwecks seiner Gewinnung zu verdampfen. Ursprünglich diente das Drehrohr primär zur Aufkonzentrierung von Blei- Zinkerzen, in Deutschland erstmals 1913 patentiert. Es kam aber auch als Röstaggregat (Debuch-Ofen) zur Vorröstung und Unterstützung von Krähl- oder Schachtröstern zum Einsatz. Mit dem kräftigen Ansteigen der Zink- und Bleierzeugung Anfang des letzten Jahrhunderts erhöhte sich zwangsläufig auch die Menge der bei der Primärproduktion anfallenden Rest- und Abfallstoffe. Darunter zum Beispiel zinkhältige Schlacken und Räumaschen aus IS- und Muffelöfen oder dem New Jersey Prozess. Wurden diese anfänglich beinahe zur Gänze deponiert, erkannte man doch rasch den Wert dieser Stoffe. Hohe Anteile an Kohlenstoff und Metallgehalte, die mitunter über jenen der Primärerze lagen, begründeten das Bestreben diese Stoffe einer Rückgewinnung zu unterziehen. Später gesellten sich mehr und mehr auch umwelttechnologische Aspekte hinzu, die vielerorts zur Aufarbeitung von über Jahrzehnte angehäuften Deponien führten. Einfache Funktion und hoher Durchsatz verhalfen dem Wälzprozess dabei zu einem breiten Einsatzgebiet. Durch laufende Prozessverbesserungen der Zink-Primärhütten verringerten sich jedoch die anfallenden Reststoffmengen bzw. deren Wertstoffgehalte kontinuierlich. Damit war die wirtschaftliche Grundlage des Wälzprozesses vielerorts nicht mehr gegeben, weshalb die Suche nach neuen Einsatzstoffen begann. Parallel zu dieser Entwicklung wurde zu dieser Zeit eine immer größere Zahl von kleinen Blas- und Elektrostahlwerken in Betrieb genommen. Diese Werke verfügten bereits über Entstaubungsanlagen, in denen bei der zunehmenden Verarbeitung von zinkhältigen Schrotten Stäube mit teilweise hohen Metallgehalten anfielen. Da im Wälzprozess bereits früher im geringen Maße Stahlwerksstäube eingesetzt wurden, bot es sich förmlich an, diese neue Rohstoffquelle zu nutzen. Die erste hauptsächlich EAF-Staub-verarbeitende Wälzanlage ging in Deutschland in den siebziger Jahren in Betrieb. Danach entwickelte sich das Wälzrohr schnell zum bedeutendsten Verfahren in der Aufarbeitung von Stahlwerksstaub und blieb dies bis heute. Etwa 80 % der gesamten rezyklierten Staubmenge, das entspricht etwa 1,6 Millionen Tonnen (im Jahr 2006), durchlaufen pro Jahr das Wälzrohrverfahren. Obwohl es keinen prozesstechnischen Minimalgehalt hinsichtlich des Zinkgehaltes des chargierten Staubes gibt, stellt in der Praxis ein Zinkgehalt von rund 20 % in den meisten Fällen die wirtschaftliche Untergrenze zur Zinkrückgewinnung dar.

Aufbau und Funktionsweise einer Wälzanlage

Die weltweit etwa 30 installierten Wälzanlagen unterscheiden sich zum Teil beträchtlich in Größe und Verarbeitungskapazität. Viele sind im Laufe ihres Einsatzes mehrmals den örtlichen Gegebenheiten angepasst und adaptiert worden. In ihrer Funktion sind sich aber alle Anlagen sehr ähnlich und grundsätzlich aus zwei beziehungsweise drei der folgenden Module aufgebaut:

• Rohstoffaufbereitung

• Drehrohr mit Abgas- und Schlackenbehandlung

• Wälzoxidlaugung (optional)

Da das primäre Einsatzgebiet des Wälzprozesses in der Aufarbeitung von zinkhältigem Stahlwerkstaub, speziell jenem aus Elektrostahlwerken liegt, ist das Hauptaugenmerk aller weiteren Verfahrensbeschreibungen hauptsächlich diesem Anwendungsbereich gewidmet.

Rohstoffaufbereitung

Die zu verarbeitenden Rohstoffe gelangen per LKW, Bahn oder Schiff zum Anlagenstandort, wo sie in Bunkern gelagert werden. Da die Stäube von unterschiedlichen Stahlwerken stammen und sich dementsprechend in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, werden diese zunächst getrennt eingebunkert. Ziel der Roststoffaufbereitung ist es, aus den verschiedenen Substanzen, wie

• Stahlwerksstaub (oder anderen Zn-Träger),

• Koksgrus (oder anderen C-Trägern) und

• Zuschlagstoffen (hauptsächlich Quarzsand und Kalk)

ein homogenes Einsatzmaterial zu formen, um einen möglichst gleichmäßigen Ofengang zu gewährleisten. Optimaler Stahlwerksstaub enthält wenig Eisen und einen Zinkgehalt von 20 - 25 %. Ein sehr hoher Zinkgehalt von beispielsweise 50 % würde zu einem zu heißen Ofen führen, wenn das gesamte Zink reduziert wird. Sofern die Stäube nicht schon in Pelletform geliefert werden, gelangen sie über eine Wiegeeinrichtung in eine Mischeranlage und werden dort nach dem jeweiligen werksinternen Rezept mit etwa 100 kg Koks pro Tonne Staub sowie mit Wasser, Bindemittel und je nach Fahrweise auch mit Kalk intensiv miteinander vermengt. Eine rotierende Trommel formt die Einsatzstoffe bei ca. 7 U/min zu sogenannten Self Reducing Pellets (SRP). Der optimale Durchmesser liegt zwischen 3 und 10 mm und wird durch den Wassergehalt der Pellets eingestellt. Die Feuchtigkeit der Grünpellets beträgt dann rund 14 %, als Binder werden beispielsweise Bentonit oder alkalische Sulfate verwendet. Je nach Mischertype kann die Herstellung geeigneter Grünpellets auch direkt im Mischer erfolgen, wie es beispielsweise im „Eirich-Intensivmischer“ praktiziert wird. Durch die Pelletierung verbessert sich die Diffusionskinetik im Wälzprozess, wodurch Kokseinsparungen von 15 bis 20 % realisiert werden und das Zinkausbringen steigt. SiO2 wird nicht direkt einpelletiert, da die Gefahr besteht, dass die Pellets im Wälzrohr eine harte Randschale ausbilden, durch welche die entstehenden Reaktionsgase nicht mehr entweichen können. Aufgrund der verbesserten Manipulationsfähigkeit von Pellets gegenüber losem Staub pelletieren manche Stahlwerke Wälzprozess ihre Stäube bereits werksintern. Diese Pellets sind meist größer und haben keinen Koks miteinpelletiert. Sie reagieren daher träger und drosseln deshalb die Ofenleistung.

Aufbau und Funktion von Drehrohr, Abgas- und Schlackenbehandlung

Das Kernstück jeder Wälzanlage ist das Drehrohr. Dieses hat eine Länge von 35 bis 75 m bei einem Durchmesser von 2,6 bis 5 m. Je nach Ofenlänge ist eine Abstützung durch 2 bis 4 Lagerpunkte erforderlich. Diese bestehen aus jeweils zwei Stützrollen (mit teilweise zusätzlichen Fixierrollen seitlich) auf denen sich das (an diesen Stellen verstärkte) Wälzrohr kontinuierlich mit etwa 1 U/min dreht. Dafür benötigt ein 50 m langes Drehrohr etwa 100 kW Antriebsleistung. Der Mantel des Ofens ist aus 20 bis 50 mm dicken Stahlblechen gefertigt. Unter dem Mantel liegt eine Isolationsschicht und eine etwa 25 cm dicke Feuerfestauskleidung mit hohem Al2O3-Anteil. In der Trocknungszone, nahe des Ofeneintrages, kommen Schamotte, im übrigen Ofen hauptsächlich harte Periklasspinelloder Korundsteine zum Einsatz. In der Reaktionszone werden auch Chrommagnesitsteine verwendet. Diese Art der Zustellung ist nötig, da durch die Ofenrotation, die Ofendurchbiegung und die Bewegung des Materials im Ofen, neben der thermischen und chemischen auch eine hohe abrasive Belastung auftritt. Hat die FF-Auskleidung nur noch eine Stärke von rund 10 cm, was nach durchschnittlich 11 bis 12 Monaten Betrieb der Fall ist, erfolgt eine teilweise Neuzustellung des Aggregates. Während des Betriebs bilden sich außerdem Ansätze an der Ofeninnenwand, die in regelmäßigen Abständen etwa alle 500 – 1500 Betriebsstunden abgeschmolzen werden müssen. Abbildung 10 zeigt den schematischen Aufbau einer Wälzanlage mit Abgas- und Schlackennachbehandlung. Neben der Drehbewegung sorgt eine 2 bis 3 %-ige Neigung gegenüber der Horizontalen für den Weitertransport des Aufgabegutes im Drehrohr. Der Wälzprozess arbeitet dabei im Gegenstromprinzip. Über eine Wiegeeinrichtung gelangen Pellets, Koks und Zuschlagstoffe in die Ofenbeschickung und durchwandern den Ofen in Richtung Schlackenaustritt. Das Prozessgas strömt währenddessen in die entgegengesetzte Richtung und wird über eine Staubkammer aus dem Drehrohr abgeführt. Wie Abbildung 10 zeigt, wird der Staub, der sich in dieser Kammer absetzt, wieder in das Drehrohr rückgeführt. Das so von groben Partikeln befreite Prozessgas gelangt anschließend in die Abgasreinigung.

Befeuert wird der Drehofen hauptsächlich über die Verbrennung des in der Chargiermischung enthaltenen Kokses. Zusätzlich stellt Erdgas und eine gewisse Rückoxidation der metallischen Schlackenkomponenten (Eisen) Prozessenergie bereit. Pro Tonne Stahlwerksstaub benötigt der Wälzprozess im Durchschnitt:

• 160 - 350 kg Koks

• 100 - 250 kg Sand (im sauren Prozess)

• 40 - 70 kg Kalk (im basischen Prozess)

• 0 - 180 m3 Erdgas

• 150 - 300 kWh elektrische Energie

• 0,5 - 2 m3 Wasser

Die Jahresleistung eines Drehrohres liegt zwischen 35.000 und 160.000 Tonnen Staub. Viele Anlagen bestehen aus einem Verbund von zwei oder mehreren parallel arbeitenden Drehrohröfen und erreichen dadurch eine entsprechend höhere Gesamtkapazität.

Literaturnachweise

-Kozlov, P.A., The Waelz Process, Ore and metals - publishing house, Moskau, 2003.

-Meurer, U., Gewinnung von Zinkoxid aus sekundären Rohstoffen - Neue Entwicklungen im Wälzprozess, Heft 87 der Schriftenreihe der GDMB (2000), 183 - 196.