Projekt 37389/01

Halbtechnische Erprobung eines umweltschonenden Verfahrens zur prozessintegrierten Verwertung von Bypassstäuben der Zementindustrie

Projektträger

reco process GmbH
Winckelhofertsr. 46
89584 Ehingen
Telefon: +49 7391 7817 296

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der Produktion von Zement fällt in modernen Zementwerken als Nebenprodukt ein sog. Bypassstaub an, der als nahezu CO2-freies salzhaltiges Gesteinsmehl aus dem Drehofen ausgeschleust wird, um den Brennprozess zu stabilisieren und von störenden Salzen zu entlasten. Deutschlandweit fallen ca. 300.000 – 450.000 t dieses Staubes an, dessen Verwertung als Zumahlstoff in den produzierten Zementen aus Gründen der Qualitätssicherung begrenzt ist. Der verbleibende Mengenstrom wird bisher anderen Verwertungswegen zugeführt. Der Bypassstaub soll mit einem neuen Verfahren so aufbereitet werden, dass er in einer Wäsche von den Salzen befreit wird und als CO2-freie Rohstoffkomponente dem Brennprozess wieder zugeführt werden kann. Gleichzeitig wird aus der erzeugten Sole ein marktfähiges Salz gewonnen, dass in anderen Industrien verwertet werden kann.
Ziel des Förderprojektes war es, den Waschprozess als kritischste Prozessstufe im halbtechnischen Maßstab zu erproben, um damit die Voraussetzungen für eine großtechnische Pilotinstallation zu schaffen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenBei der in einem Zementwerk durchgeführten Verfahrenserprobung wurde sowohl die Aufschlämmung der Bypassstäube, die mehrstufige Wäsche als auch die filtrierende Trennung von Salzlösung und Filterkuchen an einer mietweise zur Verfügung stehenden Bandfilteranlage in einem mehrwöchigen kontinuierlichen Betrieb erprobt. Bei diesen Untersuchungen wurden durch begleitende chemische Untersuchungen aller relevanten Stoffströme, insbesondere Bypassstaub, Filtrat und Filterkuchen, die Auswirkungen des Verfahrens auf die Stoffströme und insbesondere auf die Spurenelement-Bilanzen des Zementwerkes untersucht, um eine hohe Effizienz bei der Verwertung der entsalzten Bypassstäube zu gewährleisten.

Um auch hinsichtlich der als Filtrat gewonnenen Salzsole eine Verwertbarkeit der enthaltenen Salze sicher zu stellen, muss die Sole von Spurenlementen, insbesondere von Blei und Cadmium, gereinigt werden. Daher wurde parallel auch eine Elektrokoagulationsanlage betrieben, die eine weitgehende elektro-chemische Fällung der kritischen Spurenelemente ermöglicht und deren Wirksamkeit durch regelmäßige Probenahmen und Analysen nachgewiesen wurde.


Ergebnisse und Diskussion

Primäres Ziel der durchgeführten Behandlung der Bypassstäube war deren weitgehende Entsalzung in einer dreistufig durchgeführten Gegenstromwäsche, um eine Rückführung dieses Stoffstromes in den Drehofenprozess zu ermöglichen. Der maßgebliche Parameter ist dabei der Chlorgehalt, der gegenüber dem zugeführten Bypassstaub in allen Betriebsversuchen um mehr als 95 % reduziert werden konnte und somit eine Wiederverwendung als Rohstoffkomponente erlaubt.

Die benötigte Waschwassermenge betrug bei den an einem Taktbandfilter durchgeführten Versuchen ca. 1,8 Liter/kg Bypassstaub. Der als Filterkuchen vorliegende entsalzte Bypassstaub wies eine Restfeuchte von ca. 35 – 40 % auf, sodass der Soleanfall 1,2 – 1,4 Liter/kg Bypassstaub betrug und Salzkonzentrationen von 12 – 15 % aufwies.

Die Zusammensetzung der in der Sole gelösten Salze war wesentlich durch die als Additiv in den Anmaischprozess zugegebene CaCl2-Lösung bestimmt, durch die die löslichen Sulfate fast komplett gefällt wurden und somit in der Sole nur in Konzentrationen unter 2 g/l vorlagen. Durch die deutlich überstöchiometrische Zugabe des Additivs verblieb jedoch auch überschüssiges CaCl2 (ca. 30 %) in der Sole, die ansonsten Kaliumchlorid (> 60 %) und auch einen geringen Anteil an Natriumchlorid aufwies.
Die Spurenelementgehalte der Salzsole konnten durch die Behandlung in einer Elektrokoagulation sicher reduziert werden, um eine Verwertung der Salzfracht, z. B. als Kali-Komponente eines mineralischen Mischdüngers, zu ermöglichen. Insbesondere die kritischen Schwermetallkomponenten Blei und Zink, die in Bypassstäuben häufig angereichert vorliegen, konnten weitgehend gefällt und somit aus der Sole entfernt werden.

Der an der Versuchseinrichtung erzielte Durchsatz betrug im Mittel ca. 100 kg/h Bypassstaub und damit nur einen Bruchteil des nach vorangegangenen Laboruntersuchungen zu erwartenden Wertes. Tatsächlich zeigte sich, dass die eingesetzte Filteranlage sehr sensibel auf variierende Betriebsbedingungen reagierte und daher die ursprünglich vorgesehenen Betriebsvariationen nur eingeschränkt realisiert werden konnten. An Stelle entsprechender Betriebsuntersuchungen konnten jedoch anhand eines Simulationsmodells alle relevanten Betriebsparameter rechnerisch variiert werden und damit der vorgesehene Versuchsumfang abgebildet werden. Die Eignung der eingesetzten Fest-Flüssig-Trennung für eine robuste großtechnische Lösung der Bypassstaubwäsche muss jedoch grundsätzlich hinterfragt werden, weshalb in folgenden Untersuchungen alternative Verfahren getestet werden sollen. Diese Verfahrenstests sind als zusätzliche Untersuchungen vor einer großtechnischen Pilotinstallation durchzuführen, um das in allen stofflichen Fragen erfolgreich getestete Verfahrenskonzept betriebssicher umsetzen zu können.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es ist vorgesehen, die Ergebnisse des Forschungsprojektes in mindestens einer Fachpublikation zusammenzufassen und darüber hinaus das neue Verfahrenskonzept in Veranstaltungen des VDZ (Verein Deutscher Zementwerke) vorzustellen, um auf diesem Weg die gewonnenen Erkenntnisse in der Zementindustrie zu verbreiten.


Fazit

Mit der im halbtechnischen Maßstab durchgeführten Verfahrenserprobung und den begleitenden chemischen Untersuchungen konnte der Nachweis geführt werden, dass mit dem neuen Verwertungskonzept die stoffliche Verwertung der erzeugten Produkte uneingeschränkt möglich ist. Somit kann neben der optimierten Ressourceneffizienz auch die angestrebte Vermeidung von CO2-Emissionen gewährleistet werden, da der CO2-freie Filterkuchen eine äquivalente Menge an Carbonat-haltigem Rohstoff ersetzt.
Wegen einer Reihe von Betriebsproblemen mit der eingesetzten Filtertechnik konnten die vorgesehenen Variationen der Betriebsbedingungen nur eingeschränkt umgesetzt werden. Durch die Entwicklung eines rechnerischen Simulationsmodells gelang es jedoch, die ermittelten Betriebsdaten zu reproduzieren und durch rechnerische Parametervariationen die Optimierungspotenziale des Waschverfahrens aufzuzeigen, insbesondere hinsichtlich der Aufkonzentration der erzeugten Salzsole.
Als Konsequenz aus den Betriebseinschränkungen wird eine grundsätzliche Überarbeitung der gewählten Fest-Flüssig-Trennung vorgenommen, für die entsprechende Zusatzuntersuchungen bereits konkret geplant wurden, sodass das Ziel der Verfahrensentwicklung nicht in Frage steht.