Optimierung der Feststoffabfallwirtschaft in Stahlwerken: Nachhaltige Verwertung & Wirtschaftliche Vorteile

Feststoffabfallwirtschaft in einem Stahlwerk

Die Stahlindustrie erzeugt im Allgemeinen große Mengen an Feststoffabfällen bei der Verarbeitung von Materialien durch ihre verschiedenen Prozesse. Diese Feststoffabfälle enthalten viele wertvolle Produkte, die wiederverwendet werden können, wenn sie wirtschaftlich zurückgewonnen werden. Die Stahlindustrie weltweit hat bereits eine Reihe innovativer Maßnahmen ergriffen und setzt weitere fort, um eine 100%ige Verwertung dieser Abfälle anzustreben, mit dem ultimativen Ziel, die betriebliche Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Stahlindustrie zu verbessern. Diese Maßnahmen reduzieren nicht nur die Kosten der Abfallentsorgung und die Umweltbelastung, sondern liefern auch erhebliche Mengen an Eisenerz und Flussmitteln sowie Brennstoffvorteile für den bestehenden Prozess, wodurch entsprechende Mengen an Rohstoffen eingespart werden.

Die Stahlindustrie ist sowohl kapital- als auch energieintensiv und ihre Produktionsvolumen sind sehr hoch. Prozessketten innerhalb der Industrie sind lang. Viele verschiedene Technologien werden angewendet und die Industrie hat erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt. Ein Hauptanliegen der weltweiten Stahlindustrie ist die Entsorgung von Abfällen, die in verschiedenen Verarbeitungsstufen anfallen. Aufgrund des natürlichen Bestrebens, kosteneffektiv zu sein, gibt es einen wachsenden Trend zur Einführung von Abfallverwertungstechnologien, die Abfälle in Wohlstand umwandeln, indem Abfälle als Nebenprodukte behandelt werden. Dies hat zur Zielsetzung der Entwicklung von Null-Abfall-Technologien geführt. Die Technologien, die entwickelt wurden, um Stahlwerksabfälle wirtschaftlich in Wohlstand umzuwandeln, bieten auch neue Geschäftsmöglichkeiten für potenzielle Unternehmer.

3-R-Prinzip und Weltstahlverband

Laut Weltstahlverband (WSA) wendet die weltweite Stahlindustrie die Prinzipien der Reduzierung, Wiederverwendung und des Recyclings (3 „R“) auf vielfältige Weise an, um die Nachhaltigkeit der Industrie zu verbessern. Dadurch hat die Industrie den Bedarf an Rohstoffen drastisch reduziert. In den 1970er und 1980er Jahren benötigten moderne Stahlwerke durchschnittlich 1,44 Tonnen Rohstoffe, um 1 Tonne Stahl herzustellen. Durch Investitionen in Forschung, technologische Verbesserungen und gute Planung verwendet die Stahlindustrie heute nur noch 1,15 Tonnen Input, um 1 Tonne Stahl herzustellen – eine Reduzierung um 21 %.

Heute gibt es viele Überschneidungen in der Interpretation der Begriffe „Feststoffabfälle“ und „Nebenprodukte“. Tatsächlich sind einige Feststoffabfälle in der Stahlindustrie wesentliche Nebenprodukte, die bei der Verarbeitung von Materialien in den Prozessen der Eisen- und Stahlerzeugung anfallen. Beispielsweise wurden bis vor einem Jahrzehnt die von der Stahlindustrie erzeugten Schlacken, Stäube und Schlämme als Feststoffabfälle bezeichnet, aber dieser Begriff wurde für diese Abfallmaterialien durch Nebenprodukt ersetzt. Durch die intensive Wiederverwertung der Abfälle werden einige Feststoffabfälle zunehmend als „Nebenprodukte“ bezeichnet.

Laut WSA können zurückgewonnene Koppelprodukte (ein synonym für Nebenprodukte verwendeter Begriff) während des Stahlerzeugungsprozesses recycelt oder für die Verwendung durch andere Industrien verkauft werden. Die Nutzung von Koppelprodukten unterstützt die Nachhaltigkeit der Stahlindustrie. Sie verhindert Deponieabfälle, reduziert CO₂-Emissionen und schont natürliche Ressourcen. Der Verkauf von Koppelprodukten ist auch wirtschaftlich nachhaltig. Er generiert Einnahmen für Stahlerzeuger und bildet die Basis einer lukrativen weltweiten Industrie. Einige Stahlerzeuger berichten von einer Koppelprodukt-Verwertungs- und Recyclingquote von bis zu 99 %. Die Hauptkoppelprodukte aus der Roheisen- und Rohstahlproduktion sind Schlacken, Stäube, Schrott und Schlämme.

Die Entsorgung von Feststoffabfällen, die aus den Stahlindustrieprozessen entstehen, ist das Hauptanliegen. Daher müssen die Reduzieren, Wiederverwenden, Recyceln (3 R) Philosophie und effizientes Abfallmanagement von der Stahlindustrie übernommen werden.

Hauptfeste Abfälle/Koppelprodukte/Nebenprodukte in verschiedenen Produktionsprozessen

Kokerei

Die Hauptfeststoffabfälle bei der Herstellung von Metallurgenkoks sind Kohlestaub, Kokstaub, Teerschlamm und Säureschlamm. Kohlestaub wird über die Kohlemischung zurückgeführt. Kohlestaub kann auch zusammen mit Kokstaub durch Zugabe zur Sintermischung recycelt werden. Teerschlamm wird der Kohlemischung zugesetzt, um deren Dichte zu verbessern. Säureschlamm muss vor der Entsorgung neutralisiert werden.

Sinterherstellung

Feststoffabfälle bei der Sinterherstellung sind Stäube und Schlämme. Stäube entstehen an Sinteranlagenböden, Zyklonen und Elektrofiltern (ESP). Schlamm entsteht im Klärer der Wasseraufbereitungsanlage. Diese Stäube und Schlämme sind reich an Eisen (Fe) und enthalten gute Mengen an Kalk (CaO), Magnesia (MgO) und Kohlenstoff (C). Dies sind sehr gute Materialien für das Recycling in der Sinterherstellung. Diese Materialien werden entweder mit Eisenerzfein gemischt oder zu Briketts verpresst zum Recycling.

Pelletieranlage

Die Hauptfeststoffabfälle in der Pelletieranlage sind Stäube und unterdimensionierte grüne Pellets. Beide werden in das Pelletzufuhrmaterial zurückgeführt.

Hochofen-Roheisenerzeugung

Feststoffabfälle während des Hochofenprozesses (BF) sind Stäube, Beschickungssiebreste am Vorratsbunker, Gießhaus-Läuferverstopfungen, Gießhaus-Muck, Hochofenschlacke, Rauchstaub, GCP-Staub oder -Schlamm, Feuerfestabfall und Roheisen (HM) Pfannenschädel.

Stäube und Beschickungssiebreste werden in der Sinterherstellung zurückgeführt. Gießhaus-Läuferverstopfungen werden entweder als Eisenschrott zum Wiederaufschmelzen verkauft oder im Stahlwerk recycelt. Gießhaus-Muck wird als Deponiematerial abgelagert.

Der größte Teil der BF-Flüssigschlacke wird granuliert und an Zementhersteller für die Herstellung von Hochofenzement verkauft. Ein kleiner Teil der BF-Schlacke wird luftgekühlt. Die luftgekühlte BF-Schlacke wird entweder als Deponie abgelagert oder für Straßenreparaturen im Stahlwerk verwendet. In beiden Fällen wird die Eisenverunreinigung der Schlacke getrennt und zum Wiederaufschmelzen verkauft.

Rauchstaub und GCP-Trockenstaub (bei Trockengasreinigung) werden in der Sinterherstellung recycelt. GCP-Nassschlamm (bei Nassgasreinigung) aus dem Klärer wird getrocknet und entweder mit Eisenerzfein im Rohstoffhof gemischt oder brikettiert und in der Sinterherstellung recycelt.

Feuerfestabfall aus der Pfannenreparaturwerkstatt wird verkauft und vom Feuerfesthersteller zur Herstellung von Mörteln verwendet. HM-Pfannenschädel wird entweder durch Gewichtsabwurf oder Lanzen aufgebrochen und der gebrochene Schädel als Eisenschrott verkauft oder im Stahlwerk verwendet.

Direktreduktion zur Roheisenerzeugung

Während des Roheisenerzeugungsprozesses durch Direktreduktion sind die Hauptfeststoffabfälle Koks (bei Anlagen mit kohlebasieter Technologie), Stäube (sowohl Kohle als auch Eisen), unterdimensioniertes DRI (Direct Reduced Iron) und DRI-Ausschuss. Koks wird im firmeneigenen Kraftwerk als Kesselfeuerung verwendet. Kohle- und Eisenstäube werden in Sinteranlagen verwendet. Kohlestaub kann auch im Kessel verwendet werden. Eisenstaub kann auch an Zementhersteller verkauft werden. Unterdimensioniertes DRI wird brikettiert und zusammen mit DRI im Stahlwerk verwendet. DRI-Ausschuss wird in den Prozess zurückgeführt.

Roheisenguss

Beim Roheisenguss von Roheisen fallen Abfallmaterialien wie Plattenverstopfungen, Läuferverstopfungen und Kalkschlamm an. Platten- und Läuferverstopfungen werden nach Verarbeitung als Eisenschrott verkauft. Kalkschlamm wird für Neutralisierungszwecke verwendet.

Basische Sauerstoff-Stahlerzeugung (BOF)

Die Hauptabfallmaterialien in der BOF-Stahlerzeugung sind Konverterschlacke, Schrott, Feuerfestabfall, Konvertermuck und Gasreinigungsanlagen (GCP) Schlamm. Außer GCP-Schlamm werden alle anderen Abfallmaterialien meist in gemischtem Zustand erzeugt, was bedeutet, dass bei der Entstehung ein Abfallmaterial mit anderem kontaminiert wird. Daher ist Sortieren ein sehr wichtiger Schritt für das Recycling der Abfallmaterialien in der Stahlerzeugung.

GCP-Nassschlamm aus dem Klärer wird getrocknet und entweder mit Eisenerzfein im Rohstoffhof gemischt oder brikettiert und in der Sinterherstellung recycelt.

Konverterschlacke nach Entfernung von Schrott wird im Sintergemisch als Ersatz für Kalkstein recycelt. Konverterschlacke wird auch für Straßenreparaturen, als Eisenbahnschotter und als Bodenverbesserer verwendet.

Schrott, der aus Konverterschlacke und aus dem Muck entfernt wird, wird zur Kühlung in den Konverter zurückgeführt. Stahlschrott entsteht auch bei Pfannendurchbruch oder Konverterdurchbruch, was jedoch sehr selten ist.

Aus Konvertermuck werden Schrott und Feuerfestabfälle entfernt und der Rest für Deponie verwendet.

Feuerfestabfälle sind meist von zwei Typen. Erster Typ stammt aus der verbrauchten Konverterauskleidung und besteht hauptsächlich aus Magnesia-Kohlenstoff-Feuerfesten. Die meisten dieser nicht kontaminierten Feuerfeste werden im Konverter für das Bodenflicken verwendet. Zweiter Typ sind Pfannenfeuerfestabfälle. Wenn diese basisch sind, werden sie ähnlich wie Konverterfeuerfestabfälle behandelt. Falls sie aus Alumina bestehen, wird der Feuerfestabfall für die Mörtelherstellung verwendet.

Elektrostahlerzeugung

Hauptabfallmaterial in der Elektrostahlerzeugung ist EAF (Elektrolichtbogenofen) GCP-Staub, Schlacke, Schrott und Feuerfestabfälle. Magnesia-Kohlenstoff-Feuerfestabfälle werden als Schlackenzusatz im EAF verwendet.

EAF-Schlacke hat aufgrund ihrer hohen Kristallinität und hohen Eisengehalts derzeit keine gut etablierte Methode für potenzielles Recycling. Der Basizitätsindex (BI) der Schlacke liegt allgemein zwischen 1,2-1,8, was in die niedrig-hydraulische Merwinit-Gruppe fällt. Auch der Mahlbarkeitsindex, ein Maß für die Energie, die zum Mahlen eines Materials auf eine bestimmte Größe erforderlich ist, ist aufgrund des hohen Eisenoxidgehalts hoch. Dies macht das weitere Mahlen und Verarbeiten der EAF-Schlacke energieintensiv. Die Schlacke wurde als effektives Zuschlagstoff für den Straßenbau verwendet. Vitrifizierte Keramikfliesen wurden ebenfalls aus EAF-Schlacke entwickelt.

Strangguss

Hauptabfallmaterialien im Stranggussprozess sind Stranggusszunder, Feuerfestabfall, Schrott, Schlacke und Muck. Auch hier werden Abfallmaterialien im gemischten Zustand erzeugt und Sortieren ist als erster Schritt zur Trennung der verschiedenen Abfallarten erforderlich.

Stranggusszunder wird in der Sinteranlage recycelt. Schrott wird in der Stahlerzeugung recycelt. Andere Abfallmaterialien werden als Deponie verwendet.

Walzwwerke

Hauptfeststoffabfallmaterialien in Walzwerken sind Walzzunder, Feuerfestabfall aus dem Aufheizofen und Schrott.

Walzzunder wird in der Sinteranlage recycelt. Schrott wird im Stahlwerk recycelt. Feuerfestabfall wird je nach Zustand entweder für die Mörtelherstellung verwendet oder abgelagert.

Kalkbrennen

Feststoffabfälle in der Brennerei sind Kalkstein- und Dolomitsiebreste, Kalkstaub und Kalkfein. Kalkstaub und Kalkfein werden brikettiert und entweder in der Sinteranlage oder im Stahlwerk recycelt. Kalkstein- und Dolomitsiebreste werden in der Sinteranlage recycelt.

Thermisches Kraftwerk

Hauptfeststoffabfälle im Kraftwerk sind Flugasche und Bodenasche. Flugasche wird in der Zementproduktion genutzt. In einigen Anlagen wird Asche in den Aschenteich geleitet. Aus dem Aschenteich zurückgewonnene Asche wird zur Erhöhung der Dammhöhe des Aschenteichs genutzt.

Feststoffabfallmanagement

Das Abfallmanagement von Feststoffabfällen besteht aus Erzeugung, Vermeidung, Charakterisierung, Überwachung, Behandlung, Handhabung, Wiederverwendung und Restentsorgung. Es erfordert eine neue Einstellung der Mitarbeiter und des Managements. Traditionelles Denken legt die gesamte Verantwortung auf wenige Experten, die dafür zuständig sind. Der neue Fokus liegt darauf, die Abfallwirtschaft zur Verantwortung jedes Mitarbeiters zu machen. Die Wichtigkeit des Feststoffabfallmanagements ist das, was produktionsorientierte Manager und Arbeiter lernen müssen. Für effektives Feststoffabfallmanagement sind ihre Teilnahme und Zusammenarbeit entscheidend.

Auch das Engagement des Managements ist notwendig und vital für ein erfolgreiches Abfallmanagementprogramm. Das Management kann sein Engagement durch Schulung der Mitarbeiter in Abfallmanagementtechniken, Ermutigung von Mitarbeitervorschlägen, Bereitstellung von Ressourcen für 3-R-Aktivitäten sowie Messung und Überwachung der Abfallerzeugung und des Abfallrecyclings demonstrieren.

Das ultimative Ziel des Managements muss der null Feststoffabfall aus dem Werk sein. Dafür sind Nachverfolgung und kontinuierliche Verbesserungen entscheidend. Messung und Berichterstattung über Abfallreduzierung und Erreichung von Kosteneinsparungszielen helfen ebenfalls, die Arbeitsergebnisse und die nachhaltige Entwicklung des Stahlwerks zu verbessern.

Die 3 „R“ des Feststoffabfallmanagements sind in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1 3 „R“ des Feststoffabfallmanagements