Granulation von Hochofenschlacke im Gießhaus: Prozesserläuterung

Hochofenschlacke-Granulation im Gießhaus

Der Hochofen (BF) ist ein geschlossenes System: Eisenhaltige Materialien (Erz, Sinter, Pellets), Flussmittel (Schlackenbildner) und Reduktionsmittel (Koks) werden kontinuierlich von oben über das Beschickungssystem zugeführt. Produkte der Reduktion: Roheisen (HM) und Flüssigschlacke. Beide sammeln sich im Ofenherd; Schlacke schwimmt aufgrund geringerer Dichte auf dem HM. Periodisch laufen beide über die Abstichöffnung in ein Rinnensystem, wo sie durch Wehre und Dämme getrennt werden. HM in Pfannen (offen oder Torpedo), Flüssigschlacke entweder in große Gruben zur Luftabkühlung (Kornschlacke) oder in eine Granulationsanlage.

Bis in die 1970er galt BF-Schlacke als Abfall und wurde abgelagert. Granulationsverfahren für Flüssigschlacke im Gießhaus wurden ab Anfang der 1970er entwickelt (unterschiedliche Entwässerungskonzepte). Heute ist Granulation weltweit Standard an allen BFs.

Schlackenmenge & -temperatur

Schlackenmenge hängt stark von Beschickung ab: Erzqualität, Gangartgehalt, Flussmittelzugabe. 1940/50er: ~980 kg/t HM. Heute durch besseres Prozessverständnis kontrollierbar: 175–350 kg/t HM. Flüssigschlackentemperatur: 1400–1550 °C.

Ziel der Granulation

BF-Schlacke = nichtmetallisches Nebenprodukt (Silikate, Alumosilikate, Calciumalumosilikate). Bindet Großteil des Schwefels aus der Beschickung. Hauptziel der Granulationsanlage: Verarbeitung zu wertvollem Rohstoff für Zement- und Bauindustrie.

Qualitätsbeeinflussende Parameter:

• Chemie der Flüssigschlacke (BF-Betrieb)
• Temperatur der Flüssigschlacke (BF-Betrieb)
• Glasgehalt der granulierten Schlacke (Granulationsprozess)
• Korngrößenverteilung (Granulationsprozess)

Prozessparameter: Wasser温度, Druck, Durchfluss, Granulationsfläche für Wärmeübergang.

Wert der Schlacke hängt ab von mineralogischen, chemischen, physikalischen, mechanischen Eigenschaften: Basizität, Glasgehalt, Struktur, Feuchte. Diese hängen ab von BF-Beschickung/Prozess, Granulationstechnik, Betriebsbedingungen, Lagerung/Entwässerung. Komplexe Abhängigkeiten (Abb. 1).

Eigenschaften granulierter Schlacke

Aussehen: Betonsand; glasig, faserig. Keine Kristallisationswärme; latente hydraulische Eigenschaft (wie Zement). Löst sich nur in alkalischem Milieu (Aktivator z. B. Kalk). Typische Eigenschaften (Tab. 1).

Tab. 1: Typische Eigenschaften granulierter Schlacke
Nr.	Merkmal	Einheit	Wert
Physikalische Eigenschaften
1	Zustand	–	Feste Granulate
2	Größe	mm	<10
Chemische Eigenschaften
3	SiO₂	%	32–38
4	FeO	%	0,2–2
5	CaO	%	32–38
6	MnO	%	0,02–5
7	Al₂O₃	%	16–22
8	S	%	0,1–1,2
9	MgO	%	6–17
10	TiO₂	%	0,5–1,2
11	(CaO+MgO+Al₂O₃)/SiO₂	–	1–2
12	Feuchte	%	8–15
13	Unlöslicher Rest	%	0,7–5
14	Glühverlust	%	–
15	Glasgehalt	%	>90

Produktarten

• Luftgekühlte BF-Schlacke: Kristallin, hart, klumpig; nach Zerkleinerung/Siebung als Grob-/Feinkorn für Beton.
• Granulierte BF-Schlacke: Abschrecken zum Glaszustand → sandförmige Fragmente (Frit-ähnlich), teils friable Klinker. Daraus wird Hüttensand (GGBS) gemahlen – zementartige Eigenschaften, Teilersatz/Zusatz zu Portlandzement.

Granulationskonzept

Flüssigschlacke wird durch Hochdruckwasserdüsen im Granulationskopf (nah am BF) gegossen. Kontrolliertes Abschrecken in kaltem Wasser – keine Zeit für Kristallwachstum. Optimales Wasser/Schlacke-Verhältnis ~10:1. Schmelze wird in Lamellen, Fäden, Tropfen zerlegt. Bester Wärmeübergang bei maximaler Kontaktfläche (Tropfen vollständig von Wasser umhüllt). Erstarrungszeit hängt ab von Tropfengröße, Temperaturdifferenz, Kontaktumgebung.

Wärmeentzugsmechanismen (je nach Wassertemperatur):

1. Nur Dampfabfuhr (Wasser am Siedepunkt).
2. Dampfabfuhr + Wärmeeintrag ins Wasser (häufigster Fall).
3. Reine Wärmeleitung ins kalte Wasser (sofortige Dampfkondensation).

Meist: Dampfabfuhr + Wärmeeintrag. Kalte Wassergranulation ermöglicht schnellere Wärmeabfuhr als heiße.

Wasserkreislauf: Heiß vs. Kalt

Heißwasserkreislauf

Kein Kühlturm. Wasser im geschlossenen Kreislauf heizt sich nahe Siedepunkt auf (Ø 90–95 °C). Wärmeentzug hauptsächlich durch Dampfabfuhr. Kaltes Nachspeisewasser nur für Dampf-/Feuchteverluste. An Aufprallstelle Wassertemperaturen ≥95 °C.

Kaltwasserkreislauf

Kühlturm hält Granulationswasser konstant kalt. Wärmeentzug: Wärmeleitung ins Wasser + teils Dampfabfuhr (bei hohen Schlackenströmen). Höheres Potenzial für schnelle Wärmeabfuhr. Kalter Rinnenauslauf: Fortsetzung der heißen Rinne mit Einblasbox am vorderen Ende. Einblasbox vollständig in kalter Rinne eingebettet (unter heißem Rinnenende). Kalte Rinne führt Wasser-Schlacke-Gemisch zum Auffangtrichter; verschleißfeste Auskleidung. Wärmefluss erfordert Zusatzwasserdüsen an vorderer Rinne.

Granulationsbecken (Basin)

Unter heißem Rinnenauslauf: Wasserbecken (Größe layoutabhängig). Zusätzlicher Wasservorrat für Granulation. Turbulentes Wasserbad beschleunigt Granulation. Weniger Wasser/Schlacke-Verhältnis, aber mehr Wasservolumen verfügbar. Geringerer Verschleiß (becken leicht schützbar). Wasserstrahlen erzeugen Turbulenz → schnellere Abkühlung. Verkürzte Erstarrungszeit.

Granulationsanlage: Hauptkomponenten

• Heiße Rinne, Einblasbox, Granulationsbecken, Stapel/Kondensationsturm, Verteiler/Verlangsamungsboxen, Entwässerung, Heißwassertank, Pumpen, Kühlturm, Kaltwassertank, Pufferbehälter, Nachspeisewasser, Förderband, Halde.

Drei Abschnitte: (1) Granulation, (2) Entwässerung, (3) Lagerung. Granulationsabschnitt verbindet heiße BF-Rinne mit Entwässerung. Schematisches Diagramm (Abb. 4).

Granulationsabschnitt

Flüssige BF-Schlacke wird wasserabgeschreckt und zu Feinkorn verfestigt → keine schwere Zerkleinerung nötig. Schlacke (~1500 °C) aus Rinne in Hochgeschwindigkeitswasserstrahl am Granulationskopf → ~50 °C im Granulationsbecken. Rasche Erstarrung + Zerlegung durch Wasserüberschuss gesteuert. Teils Wasserverdampfung → Kondensation im Kondensationsturm über Becken.

Schlackenproduktion beim Abstich: bis 10 t/min. Wasserstrom über Energiebilanz geregelter Ventil gesteuert. Granulationskopf = technologisches Herz: intensives Mischen Wasser/Schlacke. Düsenkonfiguration: Hauptvolumen bildet schnellen Wassertrichter am Beckenboden (Granulation + Rinnenschutz + Abtransport). Seitendüsen für vollständige Granulation, Zusatzkühlung, Vortrieb. Schlacke berührt unter Normalbedingungen Beckenboden nicht. Düsenköpfe: abnehmbare Düsenplatten mit Keramikeinsätzen, schnelle Wartung.

Wassermengen: unterer Bodendüsenkopf ~1200 m³/h, oberer ~600 m³/h, Seitendüsen ~100 m³/h. Normal 1800 m³/h; bei Endabstich (höhere Schlackenmenge) +600 m³/h → 2400 m³/h. Anforderungen: einfache/logische Bauweise, verschleißfeste Materialien (Keramik), leicht inspizier-/austauschbar, zugänglich/reinigbar.

Bei Abschrecken: Wasserdampf + SOx-Emissionen. Beseitigung durch Kondensationsturm mit Wasserdüsen (Lösung in Wasser, teilweisen Neutralisation durch CaO aus Schlacke). Ganzer Granulationsbecken mit verschleißfestem Feuerfest ausgekleidet (turbulente, erosive Mischung). Schwerkraftförderung in Entwässerung.

Entwässerungsabschnitt

Granulation fügt Wasser zu; muss entfernt/recycelt werden. Restfeuchte ~10–12 %. Entwässerte Schlacke direkt in LKW oder Förderanlage. Verschiedene Systeme: Kiesfilterbett, Dehydrator, Drehentwässerungsrad, Entwässerungstrommel, statische Entwässerungssilos. INBA-Dreh trommel am beliebtesten: Schlacke-Wasser-Schlamm gleichmäßig über Trommellänge; Axialschaufeln heben Schlacke auf Förderband; Feinmasche außen hält Schlacke zurück, lässt Wasser durch. Selbstfiltereffekt durch Schlackeschicht am Trommelboden.

Lagerabschnitt

Entwässerte Granulate → Schlackenlager (Silos oder Freilager). Anlage kompakt, für begrenzten Platz geeignet. Granulation, Entwässerung, Lager physisch unabhängig, separat aufstellbar. Mehrere Kombinationen möglich.

Gießhaus-Schlackegranulationsverfahren

Wichtige Verfahren: OCP (Open Cycle Process), russische Anlagen (Abb. 5), RASA-System, INBA-Schlackegranulation (Abb. 6).

Ablauf: Trennung Flüssigschlacke/HM → Granulationskammer durch ausgekleidete Rinnen. Direkter Kontakt Druckwasserstrahl/Flüssigschlacke. Rasche Abkühlung + Wasserdruck → glasige Sandpartikel → Schlamm (Wasser + Granulat) → Entwässerung.

Einfachste Entwässerung: Kiesfilterbett (periodisch Rückspülung Wasser/Luft). RASA: Mehrere Filterbetten mit Kieslagen unterschiedlicher Kornung. INBA-Drehtrommel (s.o.). Restfeuchte 10–12 %. Entwässertes Wasser gereinigt, gekühlt, recycelt. Trockene Schlacke → Lager → Versand. Wasserdampf über Edelstahlschornstein.

Emissionen bei der Granulation

BF-Schlacke: ~1 % S (bis 2 % je Koks/Kohle). Hauptverbindung: CaS. Bei Granulation gasförmige S-Verbindungen: H₂S, SO₂ (vereinfacht: CaS + H₂O = H₂S + CaO; CaS + 1,5 O₂ = SO₂ + CaO). Reaktionen >1100 °C. Solange Tropfen flüssig, CaS an Grenzfläche verfügbar. Nach Hautbildung (Erstarrung) nur Diffusion aus Haut → stark reduzierter S-Transfer. Dampf + gasförmige S-Verbindungen in umgebendem Granulationswasser → Lösung nach Partialdrücken. Freisetzung hängt ab von Wassertemperatur, pH, Löslichkeit von H₂S/SO₂; Teil gebunden an CaO im Wasser.

Nutzen der Schlackegranulation

• Abfall → wertvolles Produkt.
• Vermeidung von Schlackendeponien (alle Nachteile entfallen).
• Investitions- und Betriebskosten niedriger als Deponierung.
• Zuverlässiger Prozess.
• Geringerer Personalbedarf vs. Deponierung.
• Vollautomatisierbar.
• Flächenersparnis (Deponie entfällt).
• Kompakte Anlage, geringer Platzbedarf.
• Nachbar zum Gießhaus → kontinuierlicher Datenaustausch unterstützt BF-Betrieb.