Effizientes Wassermanagement und Schadstoffkontrolle in modernen Stahlwerken

Wassermanagement und Schadstoffkontrolle im Stahlwerk

Wasser ist eine unverzichtbare Ressource für die Erzeugung von Roheisen und Stahl in einem Stahlwerk. Lange Zeit war Wasser billig und reichlich vorhanden, sodass die Stahlindustrie es als selbstverständlichen Produktionsfaktor betrachtete. Doch heute werden Wasserressourcen aufgrund des wachsenden Ungleichgewichts zwischen Süßwasserverfügbarkeit und -verbrauch zunehmend knapp. Der Zugang zu sauberem und sicherem Süßwasser hat sich zu einer der größten Herausforderungen der modernen Gesellschaft entwickelt.

Der Wasserbedarf steigt stetig an, bedingt durch: (i) Bevölkerungswachstum und Migration in trockenheitsgefährdete Regionen, (ii) rasante industrielle Entwicklung und steigender Pro-Kopf-Wasserverbrauch sowie (iii) Klimawandel mit veränderten Wettermustern in besiedelten Gebieten. Dies hat die Stahlindustrie in ein neues, wasserbeschränktes Zeitalter geführt. In den letzten drei Jahrzehnten haben sich zudem die Umweltbedenken weltweit verstärkt, was zu strengeren Umweltvorschriften führte. Angesichts drohender Wasserknappheit hat die Stahlindustrie ihre Wasserstrategie und -politik grundlegend geändert – hin zur Reduzierung des Frischwasserverbrauchs.

Herausforderungen des Wassermanagements

Da Frischwasserverfügbarkeit und -qualität zentrale Anliegen darstellen, ist Wassermanagement eine entscheidende Aufgabe für die Stahlwerksleitung zur Verbesserung der Nachhaltigkeit des Produktionszyklus. Wie Stahl kann auch Wasser wiederverwendet und recycelt werden. Allerdings kann eine verstärkte Wasserrückführung nach Reinigung und Kühlung die Wasserqualität beeinträchtigen. Daher muss das Stahlwerk kontinuierlich Reinigungstechnologien verbessern, um den Wasserverbrauch zu senken. Da wasserbezogene Herausforderungen (Verfügbarkeit, saisonale Engpässe, Konkurrenz mit anderen Nutzern) stark vom Standort abhängen, ist ein lokaler Ansatz mit maßgeschneiderten Lösungen unerlässlich. Abbildung 1 zeigt den Lebenszyklus von Wasser.

In einem integrierten Stahlwerk werden große Wassermengen eingesetzt, der tatsächliche Verbrauch ist jedoch gering, da der Großteil des Wassers wiederverwendet oder in die Quelle zurückgeführt wird. Der größte Teil des verbrauchten Wassers verdunstet, und durchschnittlich 90 % (88 % in integrierten Werken, 94 % in EAF-basierten Werken) wird nach Reinigung und/oder Kühlung abgeleitet und häufig von anderen Nutzern weiterverwendet. Das nicht verbrauchte Wasser wird gereinigt, gekühlt und in die Quelle zurückgeführt – oft in besserer Qualität als bei der Entnahme.

Wasserbedarf in den verschiedenen Prozessschritten

Ein Stahlwerk umfasst zahlreiche Prozesse von der Rohstoffaufbereitung bis zum Walzen des Fertigstahls – alle benötigen Wasser. Dabei wird das Wasser mit Schadstoffen in unterschiedlicher Menge und Konzentration belastet. Der typische Wasserbedarf schwankt stark zwischen den Werken und liegt zwischen 20 und 150 m³ pro Tonne Roheisen. Entsprechende Förderkapazitäten sind für den Betrieb unerlässlich. Der Wasserverbrauch definiert sich als Differenz zwischen Wasserentnahme und -ableitung und beträgt bei Vorhandensein von Aufbereitungs- und Rückführungssystemen typischerweise 1,5 bis 4 m³ pro Tonne Roheisen.

Frischwasser wird in großen Mengen für Kühlung, Staubunterdrückung, Reinigung, Temperaturkontrolle (Wärmebehandlung), Transport von Abfallmaterialien (Asche, Schlamm, Zunder) und weitere Zwecke eingesetzt. Wasser ist essenziell für Prozesse wie Feuchteeinstellung des Kokskohlegemischs, Pelletierung des Sintergemischs, Herstellung von Grünpellets bei Eisenerzpellets, Dampf- und Stromerzeugung sowie Granulation von Hochofenschlacke. Die große Wassernutzung erzeugt entsprechend viel Abwasser, das vor der Einleitung behandelt werden muss.

Wasser-Fußabdruck und ganzheitliches Management

Jede technologische Verbesserung der Kühltechnik, die den Wasserverbrauch auch nur um einen kleinen Prozentsatz senkt, kann erhebliche Wassermengen in der Umwelt einsparen und den Wasser-Fußabdruck minimieren. Der Wasser-Fußabdruck (nach Hoekstra) quantifiziert die Süßwasserinanspruchnahme und macht indirekte Wassernutzung entlang der Lieferketten sichtbar.

Wassermanagement-Strategien helfen Stahlwerken, Wasser zurückzugewinnen, wiederzuverwenden und zu recyceln – was erhebliche Kosteneinsparungen durch geringere Entnahmemengen und reduzierte Ableitvolumen ermöglicht. Das Management in integrierten Werken hängt primär von lokalen Bedingungen, Wasserverfügbarkeit und regulatorischen Anforderungen ab.

In jüngster Zeit ist Wassermanagement zu einem der wichtigsten Aspekte nachhaltiger Stahlproduktion geworden. Nachhaltiges Wassermanagement ist für die Werksleitung essenziell, da Wasser einen fundamentalen gesellschaftlichen Wert hat. Ständige Evaluierung der optimalen Wassernutzung sowie Verbesserungen bei Einsparung und Wiederverwendung sind erforderlich.

Energieeffizienz im Wassermanagement

Wie Stahl kann Wasser wiederverwendet und recycelt werden, was die Effizienz steigert und Bedarf sowie Kosten senkt. Durch erhöhte Wasserrückführung und Kaskadennutzung (von höherer zu niedrigerer Qualität) lässt sich der Verbrauch deutlich reduzieren. Dabei muss jedoch der potenzielle Anstieg des Energiebedarfs berücksichtigt werden.

Die effektivste Methode zur Reduzierung der Wasserentnahme ist die Wiederverwendung, wofür Reinigung und Kühlung zwischen den Nutzungszyklen nötig sind. Einige dieser Behandlungen (z. B. Kühlung) erfordern große Energiemengen und können durch höhere Verdunstung den Wasserverbrauch sogar erhöhen. Zusätzliche Prozesse stehen oft im Konflikt mit Zielen zur Energieeinsparung und führen zu höheren CO₂-Emissionen. Daher muss die Effektivität der Wasserrückführung ganzheitlich unter Berücksichtigung aller Umweltaspekte bewertet werden.

Energieeffizienz ist somit ein zentraler Aspekt des Wassermanagements. Wassereinsparmaßnahmen sind mit energieeffizienten Pumpen und Wärmerückgewinnungssystemen zu koppeln. Effiziente Pumpen reduzieren den Energiebedarf für Wasserentnahme, -aufbereitung und -zirkulation. Die Wassernutzungseffizienz muss den tatsächlichen Verbrauch (Differenz Entnahme minus Ableitung gleicher oder besserer Qualität), Verfügbarkeitsaspekte und Einflüsse auf andere Ressourcenkategorien (Energie) berücksichtigen. In einer Hochtemperaturindustrie wie der Stahlproduktion kann Wasserrückführung den Verbrauch sogar erhöhen.

Einflussfaktoren und Kernprobleme

Der Wasserverbrauch variiert stark und hängt ab von: (i) Wasserverfügbarkeit, (ii) eingesetzter Technologie, (iii) Alter und Zustand von Anlage und Equipment, (iv) Produktionsprozessen und (v) Betriebsverfahren. Drei Grundfaktoren sind für effizientes Wassermanagement entscheidend: (i) Qualität des Zuschusswassers, (ii) klimatische Bedingungen am Standort und (iii) regulatorische Anforderungen.

Die wichtigsten wasserbezogenen Probleme, die das Management beeinflussen, sind: (i) benötigte Prozesswasserqualität, (ii) Abwasserqualität, (iii) Wasserrückführung und Verbrauchsminimierung, (iv) Schadstoffe im Wasser, (v) Implementierung neuer Wassermanagement-Technologien und (vi) Implementierung von Abwasserbehandlungstechnologien und deren Wirtschaftlichkeit.

Angesichts erhöhtem Verbrauch, zusätzlichem Energiebedarf und der Notwendigkeit, anfallende Nebenprodukte zu behandeln/zu entsorgen, ist ein ganzheitlicher Ansatz unerlässlich, der alle Umweltaspekte berücksichtigt – mit dem Ziel der Nulleinleitung. Abbildung 2 veranschaulicht diesen ganzheitlichen Ansatz.

Wasserverwendungszwecke

Wasser hat im Eisen- und Stahlwerk vielfältige Verwendungszwecke, wobei die erforderliche Wasserqualität je nach Einsatz variiert. Es gibt Einmal-Systeme sowie Systeme mit teilweiser oder vollständiger Rückführung.

Der Großteil des Wassers dient der Kühlung zum Schutz von Anlagen und Verbesserung der Arbeitsbedingungen. Ein kleinerer, aber bedeutsamer Teil wird als Prozesswasser genutzt, eine geringe Menge als Kesselspeisewasser sowie als Haus- und Betriebswasser.

Wasser wird nicht nur für Kühlung, sondern auch für andere Zwecke eingesetzt. Unterschiedliche Wasserqualitäten decken die Anforderungen an verschiedenen Stellen ab. Frischwasser wird hauptsächlich für Prozesse und direkte/indirekte Kühlung verwendet, Seewasser meist für Einmalkühlung nach Entfouling-Vorbehandlung. Der Frischwasserverbrauch gilt als Leistungsindikator. Bei direkter Kühlung kontaktiert Wasser Material und Equipment, bei indirekter Kühlung nicht.

Seewasser wird hauptsächlich für Einmalkühlung ohne Vor- oder Nachbehandlung genutzt – ohne Kontakt mit Material/Equipment. Frischwasser dient Prozessen und Kühlung, kontaktiert Material/Equipment und wird vor Wiederverwendung oder Einleitung behandelt. Die wichtigsten Verwendungszwecke in einem integrierten Stahlwerk sind:

• Prozessbedarf: Feuchteeinstellung Kokskohlegemisch, Nasslöschung Koks, Zugabe im Sintergemisch für Pelletierung, Wassersprühung am Hochofenkopf zur Temperaturkontrolle, Granulation flüssiger BF-Schlacke, Gusseisenguss, Stranggießen, Entzunderung vor Warmwalzen, Online-Wärmebehandlung und Temperaturkontrolle in Warmwalzwerken, Einstellung der Beizsäurestärke etc.
• Materialkonditionierung für Handling/Transport: Zundertransport im Stranggießen/Warmwalzen, Wasserzugabe zu Rohstoffen zur Staubunterdrückung bei Transport/Lagerung, Schlammherstellung für Rohrleitungs-Transport, Flugaschetrag zum Ascheteich und Lagerung etc.
• Gaskühlung, -reinigung, -konditionierung: Verschiedene Prozessgase werden mit Wasser gekühlt, gereinigt und konditioniert.
• Wärmeübertragung: Kühlung von Equipment, Walzen, Ofenmanteln – direkte und indirekte Kühlmethoden.
• Dampferzeugung: Für Prozessbedarf und Stromerzeugung wird vollentsalztes Wasser benötigt.
• Verschiedene Kühlzwecke: Öfen/Feuerfest vor Reparaturen/Neuauskleidung kühlen, Metall- und Schlackeüberläufe vor Transport kühlen.
• Wasserbasierte Mörtel, Rinnmassen, Tone: Benötigen dosiertes Wasser.
• Abwasser-/Wasserbehandlung: Wasserzugabe für effiziente Behandlung und bessere Reaktion, Neutralisation saurer Abwässer.
• Reinigung/Wäsche: Hallenböden zur Beseitigung abgesetztem Staub.
• Belüftung: Elektrische Steuerräume und Tunnel werden mit feuchter Luft belüftet (Wassersprüher).
• Löschwasser: Brandbekämpfung, Trinkwasser, Kühlgeräte, Kantinen, Waschräume.
• Begrünung: Erhalt von Grünflächen im Werk für die Umwelt.

Wasserflussdiagramm und Begriffsdefinitionen

Abbildung 3 zeigt das Wasserflussdiagramm eines Stahlwerks. Die im Diagramm verwendeten Begriffe werden im Folgenden definiert.

Entnahmewasser – Wasser, das an der Entnahmepumpenstation aus dem Gewässer gefördert und dem Wassersystem des Stahlwerks zugeführt wird.

Zuschusswasser (Make-up water) – Wasser, das dem System zugeführt wird, häufig in Umlaufsystemen nötig. Es kompensiert Verluste durch (i) Prozesseinbindung, (ii) Verdunstung und (iii) Leckagen.

Prozesswasser – Wasser, das mit Endprodukt oder in das Endprodukt eingehenden Materialien in Kontakt kommt. Umfasst Ströme, die Rohmaterialien oder Endprodukte der Stahlerzeugung berühren oder Teil des Endprodukts werden. Anwendungen: physikalische Trennung von Erzbestandteilen, Abschreckhärten, Entzunderung, Verzinken, Beschichten sowie Bestandteil von Lösungsmitteln, Säuren, Emulsionen zur Reinigung, Entfettung, Spülung von Stahloberflächen.

Kühlwasser – Ausschließlich für Kühlung genutztes Wasser. Bezeichnet Ströme, die überschüssige Wärme von Stahlprodukten und zugehörigen Anlagen ableiten. Kühlanwendungen machen den Großteil des Wasserverbrauchs aus: Kontaktkühlung in Warm-/Kaltwalzprozessen, Abgaskühlung/-eindämmung, Ofen-/Feuerungskühlung u. a. Der Wasserbedarf variiert stark je nach Kühlsystem: Einmalkühlung hat höchsten Bedarf, Umlaufkühlung behält fast das gesamte Wasser für wiederholte Zyklen.

Vollentsalztes Wasser (Demineralisiertes Wasser) – Wasser, dem die Mineralien entzogen wurden. Wird als Kesselspeisewasser eingesetzt. Die Entmineralisierung erfolgt, wenn Mineralien chemische Prozesse stören würden. Das Wasser wird durch Entfernung unerwünschter Mineralien enthärtet. Vollentsalztes Wasser hat höhere Leitfähigkeit als deionisiertes Wasser.

Kesselspeisewasser – Vollentsalztes Wasser zur Erzeugung von Prozessdampf für viele Stahlproduktionsprozesse. Kessel liefern Energie für Prozessheizung/-kühlung, mechanische Antriebe, Druckkontrolle. Hohe Wasserqualitätsstandards sind für sicheren Betrieb unter hohen Temperaturen/Drücken essenziell. Mit entsprechender Vorbehandlung kann Wasser aus verschiedenen Quellen als Kesselspeisewasser recycelt werden.

Löschwasser – Wasser zur Brandbekämpfung im Stahlwerk.

Weichwasser – Wasser mit niedrigen Ionenkonzentrationen, besonders Calcium und Magnesium. Entsteht durch Enthärtungsprozesse. Kann erhöhte Natrium- und Bicarbonat-Ionen enthalten. Bildet keine Kalkablagerungen in Heizsystemen und indirekter Wasserkühlung.

Abwasser (Effluent) – Aus dem Wassersystem abgeleitetes Abwasser. Wird in Entsorgungssysteme eingeleitet. Innerhalb des Werks kann Abwasser einer Einheit als Zufluss für eine andere dienen. Der tatsächliche Verbrauch ist schwer zu bestimmen und wird oft als Differenz Entnahme minus Abwasser geschätzt. Bei Einmalsystemen wird Abwasser meist nicht gemessen.

Hauswasser (Sanitärwasser) – Trinkwasser und Waschräume.

Betriebswasser – Allgemeine Hallenreinigung, Staubunterdrückung, Spülung von Abfällen etc.

Sonstige Wassernutzung – Nicht unter obige Kategorien fallende Nutzung: Belüftungssysteme, Transport von Abfallmaterialien (Schlämme), Gartenbewässerung etc.

Schadstoffe im Abwasser

Wassermanagement ist in integrierten Stahlwerken aufgrund des hohen Wasserbedarfs entscheidend für den erfolgreichen Betrieb. Während des Betriebs wird das Wasser verunreinigt. Wasserverschmutzungskontrolle und Wassermanagement sind eng verknüpft: Gutes Wassermanagement verringert die Verschmutzungskontrollnotwendigkeit, und effektive Verschmutzungskontrolle erfordert gutes Wassermanagement. Ziel ist Nulleinleitung oder minimale Ableitung durch aufwändige Aufbereitungssysteme zur Rückführung. Dies reduziert den Zuschusswasserbedarf, die Wasserverschmutzung (Ableitung wird vernachlässigbar) und die Notwendigkeit/Kosten der Abwasserbehandlung vor der Werkseinleitung. Folgende Schadstoffe liegen im Abwasser vor:

• Kolloidale und suspendierte Feststoffe: Erz- und Flussfeinstäube, Zunder, Sand, Flugasche, Kohle- und Koksfeinstäube etc.
• Temperatur und Wärme: Kühlwasser, Kesselabschlammung etc.
• Öl: Walzwerksöle, Schmierstoffe, Hydrauliköle, Abschrecköle, Brennstofföle, Lösungsmittel, Teer, Pech etc.
• Chemikalien: Beizlaugen, Säureschlamm, Laugenwäsche, Kalk, verbrauchte Ammoniaklauge, Kesselabschlamm, Giftstoffe etc.
• Sanitäre Abfälle: Kantine, Waschräume, Umkleiden, Toiletten etc.

Unbehandelte Abwassereinleitung verschmutzt Gewässer am Einleitort – daher ist adäquate Behandlung vor der Einleitung zwingend. Wichtigste Behandlungsmethoden:

• Absetzbecken: Konventionelle Sedimentation in rechteckigen/runden Becken für suspendierte Feststoffe. Bei Bedarf Flockung. Schlammabzug per Pumpen oder Kran mit Greifer.
• Feinste/varierende Suspensionsfeststoffe: Eindicker, Klärer, Klärflockler einzeln oder kombiniert. Koagulanzien: Alaun, Eisen(III)-chlorid, Eisen(III)-sulfat, Polyelektrolyte.
• Wärmeentfernung/Temperaturreduktion: Heißes Wasser in Kühlteichen, Sprühbecken oder Kühltürmen.
• Neutralisation: Abwasser-pH-Wert auf 6,5–7,5 einstellen. Saures Wasser (niedriger pH) mit Alkalien, alkalisches Wasser (hoher pH) mit Säuren behandeln.
• Ölhaltiges Abwasser: Konventionelle natürliche Flotation und Abschöpfung. Abgeschöpftes Öl über mobile Rinnen erfassen.
• Kokereiofen-Abwasser mit hohem BSB: Tropfkörperverfahren oder Belebtschlammverfahren. Belebtschlamm mit verlängerter Belüftung effektiver für BSB-Reduktion. Für mikrobielle Zersetzung Phosphatzugabe zur Nährstoffbalance. Rohabwasserzugabe unterstützt Belebtschlammprozess.

Abbildung 4 zeigt ein typisches Fließschema der Schlammbehandlung.