Trockengranulation von Hochofenschlacke: Steigerung der Energierückgewinnung & Nachhaltigkeit

Bei der Produktion einer Tonne Roheisen in einem Hochofen (BF) fallen ca. 300 kg flüssige Schlacke als Nebenprodukt an. Diese Schlacke hat eine Temperatur von ca. 1500 °C und eine sensible Wärme von etwa 400 Mcal pro Tonne. Hochofenschlacke ist reich an CaO, SiO₂, Al₂O₃ und MgO, was den Bestandteilen von Portlandzement ähnelt.

Wenn die hochtemperierte flüssige BF-Schlacke schnell genug abgekühlt wird, hat die Schlacke einen großen Glaskomponentenanteil mit hoher hydraulischer Aktivität und kann daher als höherwertiges Produkt verwendet werden, insbesondere zur Substitution von Portlandzement. Dies ist auch ein guter Weg, um CO₂-Emissionen zu reduzieren, da die Zementherstellung ebenfalls große Mengen an CO₂ produziert.

Wassergranulation vs. Trockengranulation

Um Glaskomponenten in BF-Schlacke zu erhalten, wird die flüssige BF-Schlacke einem Wassergranulationsprozess unterzogen. Heute ist die rasche Abkühlung der flüssigen Schlacke in einer geschlossenen Wasser-Schlackengranulationsanlage Stand der Technik. Die rasche Abkühlung der flüssigen BF-Schlacke im Wasser verhindert die Kristallisation der Schlacke und bricht die Schlacke durch thermische Spannung in kleine Partikel. Die flüssige BF-Schlacke erstarrt in einem amorphen Granulat, genannt granulierte BF-Schlacke. Die Nichtkristallisationsrate der wassergranulierten BF-Schlacke kann ein Niveau von 95 % erreichen. Im Gegensatz dazu ist die Glaskomponente, die bei der Kristallisation der flüssigen BF-Schlacke durch langsames Abkühlen an der Luft erhalten wird, ziemlich begrenzt.

Die Wassergranulation von flüssiger BF-Schlacke verbraucht jedoch große Wassermengen (1.000 bis 1.500 Liter Verdunstungsverlust pro Tonne verarbeiteter flüssiger BF-Schlacke) und kann Säurenebel erzeugen, der Luftverschmutzung verursacht. Auch besteht die Notwendigkeit eines ordnungsgemäßen Wassermanagements einerseits und die Notwendigkeit der Trocknung der granulierten BF-Schlacke andererseits. So geht nicht nur die sensible Wärme der flüssigen BF-Schlacke verloren, sondern es ist auch eine vorgelagerte Schlackentrocknungsanlage für die Verwendung der granulierten BF-Schlacke in der Zementindustrie notwendig. Der Trocknungsprozess verbraucht normalerweise Wärmeenergie bis zu 72 Mcal/t Schlacke.

Im Bereich der Trockengranulation von flüssiger BF-Schlacke mit Wärmerückgewinnung wird der Prozess in vielen Ländern entwickelt. Die durchgeführten Arbeiten zur Prozessentwicklung werden unten beschrieben.

Fortschritte in Europa

Im Prozess, der bei der Tochtergesellschaft der staatlichen Stahlgesellschaft Merox Ltd in Schweden entwickelt wird, wird die Schlacke durch das Auftreffen eines fallenden Schlackenfilms mit zuvor verfestigten Schlackenteilchen granuliert. Dies bricht den Film in Granulate auf, die dann in ein mehrstufiges Wirbelschichtbett fallen, aus dem Wärme zurückgewonnen wird. Es wird behauptet, dass über 60 % der sensiblen Wärme in der Schlacke als Dampf durch diese Methode zurückgewonnen werden können und dass das Schlackeprodukt einen hohen Glasgehalt aufweist, was es für die Zementherstellung geeignet macht.

In den 1990er Jahren wurden bei British Steel (heute Tata Steel) in Redcar (UK) erste Tests mit Trockenschlackengranulation durchgeführt. Der Abstand vom Zerstäuberbecher zur Kammerwand betrug ca. 10 m, um zu verhindern, dass flüssige Schlacke anhaftet. Schlackenteilchen mit derselben Qualität und amorphen Struktur wie granulierte Schlacke aus Nasssystemen konnten gefunden werden, sodass die Trockenmethode für die Zukunft geeignet schien. Aber ein Scale-up wurde nicht durchgeführt.

In den Jahren 2002 bis 2004 wurde in Vítkovice in der Tschechischen Republik ein kleinerer Granulator verwendet. Diese Tests waren ebenfalls erfolgreich. Dieser Granulator war für einen Massendurchsatz von 20 kg/min flüssiger Schlacke ausgelegt und ohne Wärmerückgewinnung.

Eine neue Trockenschlacken-Granulations-Laboranlage (kurz DSG) wurde von Siemens VAI in Zusammenarbeit mit der Montanuniversität Leoben in der Halle des Lehrstuhls für Thermische Verfahrenstechnik für Forschung und Entwicklung installiert. An diesem Projekt sind die Partner voestalpine Stahl GmbH, ThyssenKrupp Steel Europe AG und FEhS-Institut für Baustoff-Forschung e.V. beteiligt. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert. Die DSG-Anlage wurde entwickelt, um die negativen Aspekte des Nassgranulationsprozesses zu vermeiden.

Die Hauptziele der DSG sind die Produktion von granulierter Schlacke für die Zementindustrie mit nahezu gleichen Eigenschaften (> 95 % glasig) wie das Nassverfahren einerseits und die Gewinnung von Heißluft aus der Schlackenkühlung zur Wärmerückgewinnung andererseits. Die DSG basiert auf dem „Rotating Cup“-Prinzip (auch Davy-Prinzip genannt), bei dem die flüssige Schlacke durch einen Becher zerstäubt wird, der mit variabler Drehzahl rotiert. Die flüssigen Teilchen gefrieren während ihres Fluges zur Granulatorwand, bevor sie in ein zuvor aus verfestigten Teilchen entwickeltes Wirbelschichtbett fallen.

Die Laboranlage an der Universität Leoben wurde auf Basis der Ergebnisse der Labortests am FEhS-Institut und der Modellierung von Siemens VAI ausgelegt, um die besten Betriebsparameter für die Produktion von hochwertiger granulierter BF-Schlacke und höchstmöglichen Luftaustrittstemperaturen zu finden. Daher werden für jeden Versuch in der Werkstatt der Universität ca. 300 kg Schlacke im „Flash-Reaktor“ geschmolzen. Die flüssige Schlacke wird in spezielle Schlacketöpfe abgestochen, die mit Feuerfestmaterial ausgekleidet sind, um Wärmeverluste zu verhindern. Anschließend wird der Schlacketopf in eine Kippeinheit manipuliert, die nahe am Granulator installiert ist. Der flüssige Schlackezufluss in den Granulator kann über Wägezellen gemessen und gesteuert werden. Die flüssige Schlacke wird dann über einen Schlackeläufer und ein vertikales Feuerfestrohr in die Mitte des Granulators geleitet. Nach der Zerstäubung kühlen die Schlackentröpfchen während ihres Fluges zur Granulatorwand schnell ab, einmal weggeschleudert vom schnell rotierenden Becher. Die Partikeloberfläche muss während dieser kurzen Flugzeit erstarren, bevor sie in ein aus granulierten Teilchen entwickeltes Wirbelschichtbett fallen.

Arbeiten in Australien

Die Forschung bei CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation), Australien, hat im Labor- und Pilotmaßstab demonstriert, dass Trockengranulation eine als Zementsubstitut geeignete Schlacke produziert; und dass die bei der Schlackenkühlung freigesetzte Wärme durch ein kleines Luftvolumen eingefangen werden kann – was den Prozess für hochwertige Wärmerückgewinnung geeignet macht. Ein Projekt war geplant mit dem Ziel, die Trockengranulationstechnologie weiterzuentwickeln, mit besonderem Schwerpunkt auf der Nutzung als Mittel zur Erfassung/Rückgewinnung der bei der Schlackenkühlung freigesetzten Abwärme und der Entwicklung von Know-how für den Scale-up vom Pilot- zum Industriemaßstab. Diese Arbeit war Teil des Beitrags der australischen Stahlindustrie zum CO₂-Breakthrough-Programm der World Steel Association. Das Gesamtziel des Projekts war die Entwicklung eines Trockengranulationsprozesses, der ein hochwertiges Schlackeprodukt erzeugt und die Erfassung/Rückgewinnung der bei der Schlackenkühlung freigesetzten Abwärme ermöglicht, während seine techno-ökonomischen, energetischen und nachhaltigen Vorteile im Pilotmaßstab demonstriert werden. Das Projekt zielte auch darauf ab, die Technologie zu skalieren und sie durch Anlagenversuche zu demonstrieren.

Das Konzept der integrierten Trockengranulation und Wärmerückgewinnung wurde erfolgreich durch die Prototyp-Pilotanlage bei CSIRO demonstriert. Der entwickelte Prozess funktionierte gut, lieferte reibungslosen Betrieb unter variablen Bedingungen und hohen Schlackeabstichraten. Viele Tests wurden mit industriellen Hochofenschlacken durchgeführt und die granulierten Produkte wurden gesammelt. Die Produkte wurden charakterisiert und hinsichtlich ihrer hydraulischen Eigenschaften bewertet. Eine weitere Bewertung durch ein Drittlabor ergab, dass die trockenen granulierten Schlacken gute hydraulische Eigenschaften haben und für die Zementproduktion geeignet sind.

Eine techno-ökonomische Bewertung zeigte, dass Trockenschlackengranulation signifikante Vorteile gegenüber dem Nassgranulationsprozess in Bezug auf sowohl Kapital- als auch Betriebskosten hat. Werksbesuche wurden durchgeführt, um Daten zu Abstichraten zu sammeln und Temperaturen von Schlacke und Roheisen aus den Hochöfen bei OneSteel's Whyalla Steelworks und BlueScope Steel's Port Kembla Steelworks zu messen. Diese Daten wurden weiter in Bezug auf die Implementierung der Trockengranulation bewertet und die Ergebnisse in einem Bericht dokumentiert.

Fortgeschrittene Computational Fluid Dynamics (CFD) Modellierung des Trockengranulationsprozesses wurde erfolgreich durchgeführt. Ein CFD-Modell für Wärmeübergang und Strömungsmechanik im Rotationsbecher-Zerstäubungsprozess wurde erstellt und das Modell mit experimentellen Daten aus der Pilotanlage bei CSIRO validiert. Ein Entwurf eines Businessplans für die nachfolgenden Projektphasen wurde entwickelt.

Arbeiten in Japan

In Japan werden drei separate Konzepte untersucht. Sumitomo Metals Industries entwickelt ein Trockengranulationsverfahren für Hochofenschlacke, bei dem ein Schlackenstrom zerbricht, während er auf eine rotierende Trommel trifft. Die Schlackenteilchen fallen dann in ein Wirbelschichtbett, wo die Wärme zurückgewonnen wird. Dieser Prozess zielt darauf ab, ein partikuläres Schlackeprodukt zur Substitution von Flusssand herzustellen sowie ca. 55 % der Wärme in der flüssigen Schlacke in einem Heißluftstrom zurückzugewinnen. Mitsubishi Heavy Industries und Nippon Kokan KK entwickeln ein Verfahren zur Granulation von Konverterschlacke (BOF-Schlacke) mit einem starken Luftstrahl, der einen Schlackenstrom aufbricht. Die Schlackenteilchen erstarren, während sie durch die Luft reisen, und die Wärme wird durch Strahlung vom Teilchenspray und auch aus dem Wirbelschichtbett, in das die Teilchen fallen, zurückgewonnen. Die Kawasaki Steel Corporation entwickelt ebenfalls ein Verfahren zur Wärmerückgewinnung aus Hochofenschlacke. Dies involviert die Granulation der Schlacke durch mechanische Rührung und die Wärmerückgewinnung aus dem Granulationsprozess durch Strahlung und später aus den granulierten Schlackenteilchen in einem Wirbelschichtbett. Das Schlackeprodukt wird als Zuschlagstoff für die Bauindustrie verwendet.

Trockengranulation mit Drehbecher-Luftstrahl-Zerstäuber

Der Trockengranulationsprozess besteht im Wesentlichen darin, die flüssige Schlacke zu zerstäuben und die Teilchen dann schnell abzukühlen, um eine glasige Schlacke zu produzieren. Die Zerstäubung erfolgt mit einem Drehbecher-Luftstrahl-Zerstäuber. Die Teilchen kühlen ab, während sie durch die Luft reisen, und werden dann in einem Wirbelschichtbett weiter gekühlt. Beide Prozesse liefern die für die Bildung eines glasigen Schlackeprodukts notwendige rasche Abkühlung. Das Wirbelschichtbett ist eine praktische Methode, um die Schlackenteilchen zu enthalten, da es die Agglomeration heißer Teilchen verhindert und zusätzlich schnelle Abkühlung bietet.

Schlackenteilchen mit einem mittleren Durchmesser von ca. 2 mm können durch den Zerstäuber produziert werden, sodass das Schlackeprodukt in einer leicht handhabbaren Form vorliegt. Tests haben gezeigt, dass die Schlackenteilchen schnell genug abgekühlt werden, damit das Produkt einen Glasgehalt von über 95 % aufweist. Auch wird sehr wenig Schlackewolle im Prozess produziert. Das Prinzip des Drehbecher-Zerstäubers ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1 Prinzip des Drehbecher-Zerstäubers

Vorteile des Drehbecher-Luftstrahl-Zerstäubers

• Er bietet sehr einfach feine Kontrolle. Die Partikelgröße kann durch Variation entweder der Drehbecherdrehzahl oder des Luftstrahldurchflusses gesteuert werden. Dieser Zerstäuber erzeugt auch einen relativ engen Partikelgrößenbereich. Das Problem eines rotierenden Bechers in Kontakt mit flüssiger Schlacke muss keine Einschränkung sein und kann mit sorgfältigem Design und der richtigen Materialwahl gelöst werden.
• Die zum Antrieb dieses Zerstäubers erforderliche Leistung ist erheblich geringer als die, die ein Zweiflüssigkeitszerstäuber benötigt. Ein Zweiflüssigkeitszerstäuber benötigt über 20-mal so viel Leistung, um die Schlacke auf ähnlich große Teilchen zu zerstäuben wie ein Drehzerstäuber. Dies könnte die Gesamtkosteneinsparungen des Wärmerückgewinnungsprozesses um bis zu 5 % beeinflussen.
• Die Flugbahn der Schlackenteilchen ist nach außen und oben gerichtet. Die Aufwärtsbewegung bedeutet, dass der Zerstäuber an einem Ort verwendet werden kann, wo begrenzte Höhe zwischen dem Schlackezufuhrpunkt und dem Boden besteht, wie im Fall eines Hochofens, wo die Schlacke vom Gießhallenboden geliefert wird, der normalerweise 7 m über dem Boden liegt.

Wärmerückgewinnung

Wärme wird auf folgende Weise aus der Schlacke zurückgewonnen:

• Während der Sprühnebel der Schlackenteilchen sich vom Zerstäuber nach außen bewegt, geht Wärme durch Strahlung an das Gefäß und durch Konvektion an die durch das Gefäß strömende Luft verloren. Da die Flugzeit jedoch kurz ist (in der Größenordnung von 0,1 Sekunden), fällt die Temperatur nur um etwa 100–200 °C.
• Beim Aufprall an der Gefäßwand wird etwas Wärme von der Schlacke auf die Wand übertragen. Aus Tests hat sich gezeigt, dass, wenn die Wand relativ kühl gehalten wird, die Schlackenteilchen nicht an der Wand haften, sondern entweder sofort abprallen oder nach sehr kurzer Zeit abfallen. In beiden Fällen ist die Kontaktzeit zwischen den Schlackenteilchen und der Gefäßwand erheblich weniger als 0,1 Sekunden und die Temperaturreduktion der Schlacke beträgt wieder ca. 150 °C.
• Weitere Wärme geht durch Strahlung und Konvektion verloren, während die Teilchen von der Wand in das primäre Wirbelschichtbett fallen.
• Der Rest der Wärmerückgewinnung erfolgt in den Wirbelschichtbetten, durch Wärmeübergang nur an die Fluidisierungsluft oder zusätzlich durch eingetauchte Kesselrohre oder andere Wärmeübertragungsflächen. Im Wirbelschichtbett verlassen die Fluidisierungsluft und die Feststoffe das Bett bei der gleichen Temperatur wie die Feststoffe im Bett. Die Temperatur des sekundären Betts muss sorgfältig gewählt werden. Wenn die Massenschlackenteilchentemperatur zu heiß ist, würde rückgewinnbare Wärme in der Schlacke verschwendet, und wenn sie zu kalt ist, würde die Nützlichkeit der heißen Fluidisierungsluft beim Austritt aus dem Prozess reduziert.

Experimentelle Arbeiten

Experimentelle Arbeiten wurden mit dem ursprünglichen Ziel durchgeführt, zu untersuchen, ob der Zerstäubungsprozess kleine Schlackenteilchen produzieren würde und ob die Teilchen eine glasige Struktur hätten. Ein Drehbecher-Luftstrahl-Zerstäuber wurde gebaut, mit einem Becher von 100 mm Durchmesser und einem Drehzahlbereich von 500–1500 U/min. Die in den Tests verwendeten Schlackedurchsatzraten variierten von 0,2 kg/s bis 0,5 kg/s. Die Tests waren auf eine Dauer von ca. 2,5 min beschränkt aufgrund der begrenzten Kapazität (ca. 30 kg) des Laborschlackenschmelzofens.

Die initialen Tests bewiesen, dass der Prozess funktioniert; kleine Teilchen mit 95 % Glasgehalt wurden produziert. Weitere Tests wurden dann durchgeführt, um die Partikelgrößen und Sprühflugbahnen zu untersuchen, die vom Zerstäuber erzeugt werden.

Energiebilanz und Potenzial

Die sensible Wärme in der flüssigen Schlacke relativ zu 30 °C, wenn sie den Hochofen bei 1500 °C verlässt, beträgt ca. 400 Mcal/kg. Vom gesamten Schlackestrom würden ca. 14 % den Schlackenakkumulator überlaufen und als Abfall verloren gehen. Von den verbleibenden 86 % können 32 % des Wärmeinhalts nicht zurückgewonnen werden, wegen:

• Die Kristallisationslatentwärme wird nicht freigesetzt, wenn eine glasige Schlacke gebildet wird
• Das feste Schlackeprodukt wird am Ende des Wärmerückgewinnungsprozesses bei 250 °C ausgetragen
• Wärmeverluste treten im Schlackenakkumulator auf

Daher können nur 58,5 % des sinnvollen Wärmegehalts der aus dem Hochofen abgestochenen Schlacke zurückgewonnen werden.

Die Hauptaufgabe des Trockengranulationsprozesses besteht darin, ein schnelles Einfrieren der Schlacke zu gewährleisten, um den Transformationpunkt der Schlacke sehr schnell zu erreichen. Andernfalls ist die verfestigte Schlacke nicht vollständig glasig, sondern teilweise kristallin, was für die weitere Verwendung in der Zementindustrie ungeeignet ist. Kühlung mit Luft ist aufgrund der wesentlich geringeren Wärmekapazität im Vergleich zu Wasser, das in konventionellen Schlackengranulationsanlagen verwendet wird, viel schwieriger. Darüber hinaus erwärmt sich die Luft, während sie durch das aufgewühlte Bett strömt. So verschlechtert zusätzlich der Temperaturunterschied den Erstarungsprozess.

Erste Kampagnen zeigten vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich Glasgehalt, Korngrößenverteilung und Partikelform. Auch ein signifikanter Anstieg der Abgastemperatur konnte gemessen werden. Mit den erhaltenen Daten kann Prozessoptimierung durchgeführt und ein Scale-up für weitere Untersuchungen in der Zukunft realisiert werden. Durch den Einsatz von Trockenschlackengranulation in integrierten Stahlwerken erhalten die Werke Zugang zur sensiblen Wärme der Hochofenschlacke. Die zurückgewonnene Energie kann für die Dampf- oder Stromerzeugung oder für andere nützliche Vorwärmprozesse verwendet werden. Ein Energiepotenzial für die Rückgewinnung von 20 MW thermischer Energie oder alternativ ca. 6 MW elektrischer Leistung aus einem Schlackezufluss von einer Tonne pro Minute kann berechnet werden. Ohne die Notwendigkeit eines vorgelagerten Trocknungssystems für die Hochofenschlacke können Energie und infolgedessen CO₂ eingespart werden. Zusammenfassend ermöglicht die Trockengranulation von Hochofenschlacke eine umweltfreundliche und nachhaltige nachgelagerte Verarbeitung für eines der großen Wärmerückgewinnungspotenziale an einem modernen Hochofen.