Stahlnebenprodukte: Schlacken, Stäube und Schlämme mit hohem Wiederverwertungspotenzial

Während der letzten 20 Jahre ist die Wiedergewinnungsrate von Produktionsabfällen aus der Eisen- und Stahlindustrie deutlich gestiegen. Innovative technologische Entwicklungen und Synergien mit anderen Branchen haben die Industrie ihrem Ziel von möglichst wenig Abfall immer näher gebracht.

Mittlerweile haben Wiederverwertung und Einsatz von Abfallprodukten in der Stahlindustrie laut Angaben der World Steel Association zu einer weltweiten Materialeffizienz-Quote von 96 Prozent beigetragen. In einem Fact Sheet hat der Verband nun zusammengefasst, wo und wie Produktionsabfälle anfallen und wiederverwertet werden können.

Produktionsabfälle entstehen während zweier Verfahren zur Stahlproduktion:

  1. Auf die Stahlerzeugung aus Eisenerz entfallen etwa 70 Prozent der weltweiten Stahlproduktion. Eisenerz wird reduziert auf Eisen und anschließend in Stahl umgewandelt. Die Ausgangsmaterialien sind hauptsächlich Eisenerz, Kohle, Kalkstein und recycelter Stahlschrott. Die wichtigsten erzbasierten Produktionsmethoden sind die Eisenerzeugung im Hochofen (Blast furnace; BF), gefolgt von Stahlerzeugung im basischen Siemens-Martin-Ofen (Basic Oxygen Furnace; BOF), dann Eisenerzeugung durch direkte Reduktion (Direct Reduction; DRI) sowie Stahlerzeugung im Elektrolichtbogenofen (Electric Arc Furnace; EAF).
  2. Stahl aus Schrott macht rund 30 Prozent der weltweiten Stahlproduktion aus. Er wird hergestellt aus Recyclingstahl in einem Elektrolichtbogenofen. Je nach Konfiguration der Anlage und der Verfügbarkeit von Recycelstahl können auch andere Metalle wie direkt reduziertes Eisen oder heißes Metall für die Verarbeitung im Elektrolichtbogenofen verwendet werden.

200 bis 400 Kilogramm Abfallmaterial

Quelle: worldsteel

Quelle: worldsteel

Die häufigsten Abfallmaterialien während der Eisen- und Stahlproduktion sind Schlacken (90 Massenprozent), Stäube und Schlämme. Zu den Produktionsabfällen zählen auch Prozessgase aus den Koks-, Hoch- oder Siemens-Martin-Öfen. Den Angaben zufolge fallen pro Tonne produziertem Stahl 275 Kilogramm BF-Schlacke und 20,3 Kilogramm BF-Stäube und -Schlämme an sowie 125 Kilogramm BOF-Schlacke und 2,9 Kilogramm BOF-Stäube und -Schlämme. Da Anlagen mit Elektrolichtbogenofen oftmals einen Mix aus direkt reduziertem Eisen und Recyclingstahl einsetzen, liegt das Aufkommen hier bei nur 168,6 beziehungsweise 12,8 Kilogramm Stäuben und Schlämmen. Die durchschnittliche Abfallmenge pro Tonne Stahl beziffert world steel auf 200 (EAF) bis 400 Kilogramm (BF/BOF).

Weltweit fallen pro Jahr 400 Millionen Tonnen an Eisen- und Stahlschlacke an. Schlacken sind ein Gemisch aus Calciumoxid, Magnesiumoxid und Aluminium- und Eisenoxid. Während des Schmelzvorgangs werden Verschlackungsmittel und Fließmittel – in der Hauptsache Kalkstein oder Dolomit und Quarzsand – in den Hochöfen oder Metallurgie-Öfen zugefügt. Um Verunreinigungen aus dem Eisenerz oder dem Stahlschrott zu entfernen. Die Schlacken schützen das flüssige Metall vor äußerem Sauerstoff und erhalten die Temperatur aufrecht durch Bildung eines Deckels. Da die Schlacken leichter sind als das flüssige Metall, schwimmen sie und können leicht entfernt werden.

Luftgekühlt, granuliert oder pelletiert

Drei Arten von Schlacken lassen sich vermarkten:

  1. Luftgekühlte Schlacke ist hart und dicht und eignet sich besonders für den Einsatz in der Bauwirtschaft. Sie findet Verwendung bei Betonprodukten wie Transportbeton und Asphaltbeton, Trag- und Oberflächen, Füllmaterial, Klinker-Rohstoff, Bahndamm-Schotter, Dacharbeiten, Mineralwollen zur Isolierung und als Bodenverbesserungsmittel.
  2. Granulierte Schlacke bildet Sandkorn-große Partikel aus Glas und wird in erster Linie für zementhaltige Materialien verwendet. Beton mit eingeschlossener granulierter Schlacke entwickelt im Allgemeinen seine Festigkeit langsamer als Beton aus reinem Portland-Zement; dafür verfügt er aber über eine höhere langfristige Festigkeit, setzt während der Hydratation weniger Wärme frei, besitzt eine verringerte Durchlässigkeit und entwickelt in der Regel eine größere Beständigkeit gegen chemische Angriffe. Schlacke kann auch die Kosten von Zement senken helfen: Beispielsweise verkauft er sich in den Vereinigten Staaten um 15 Prozent billiger als Portland-Zement.
  3. Pelletierte oder geblähte Schlacke hat eine porenartige Textur ähnlich Vulkangestein und wird am häufigsten als leichter Zuschlag verwendet. Fein gemahlen, hat sie Eigenschaften von Zement. In einigen Ländern enthält der Zement bis zu 80 Prozent granulierte Hochofen-Schlacke. Laut der Slag Cement Association kann der Ersatz von Portland-Zement durch Beton aus Schlacke-Zement bis zu 59 Prozent der darin enthaltenen CO2-Emissionen und 42 Prozent der aufgenommenen Energie sparen, die sonst zur Herstellung von Beton und seiner Bestandteile benötigt wird.

Variierende chemische Eigenschaften

Abgekühlte Schlacke aus der Stahlherstellung (BOF und EAF) ist der luftgekühlten Hochofen-Schlacke ähnlich und wird meist für die gleichen Zwecke verwendet. Da sie bei der Produktion in dieser Phase je nach Art des herzustellenden Stahl variiert, haben die daraus resultierenden Schlacken ebenso unterschiedliche chemische Eigenschaften. Das macht ihre Verwendung schwieriger als solche aus der Roheisenerzeugung. Eines der größten Hindernisse bei der Verwendung einiger Schlacken aus der Stahlerzeugung ist ihr hoher Gehalt an ungebundenem Kalk, was sie ungeeignet für Anwendungen in der Bauindustrie macht. Verschiedene Technologien werden zurzeit entwickelt, um die Abscheidung von Kalk zu verbessern. Separierter Kalk findet Verwendung als Dünger, in der Zement- und Betonherstellung, in der Abwasserbehandlung und in Küstengewässer-Blöcken zur Ansiedelung von Korallen. Die weltweite durchschnittliche Wiederverwertungsrate für Schlacke variiert zwischen über 80 Prozent bei der Stahlerzeugung und fast 100 Prozent bei der Roheisenerzeugung. Die ökologischen und ökonomischen Vorteile bedeuten, dass es in vielen Ländern weiteres Potenzial zur Erhöhung der Schlackenverwendung gibt.

Produktionsgase selten abgefackelt

Sind Produktionsgase aus der Eisen- und Stahlindustrie wie der Kokerei, BF oder BOF gereinigt, werden sie anlagenintern verwendet, um Dampf und Strom zu erzeugen und damit den Bedarf an extern produziertem Strom zu verringern. Die Gase lassen sich am Ort der Stahlproduktion vollständig wiederverwenden und decken bis zu 60 Prozent des Strombedarfs. Alternativ können sie zur Stromgewinnung verkauft werden. Sie abzufackeln, gilt nur als letzte Möglichkeit.

Stäube und Schlämme: voll wertvoller Rohstoffe

Stäube und Schlämme werden von entsprechenden Filtern aufgefangen. Schlamm entsteht aus Staub oder Feinkorn während der verschiedenen Guss- und Roll-Prozesse und besitzt einen hohen Feuchtigkeitsgehalt. Die Stäube und Schlämme, die aus den Gasen entfernt werden, bestehen hauptsächlich aus Eisen und können meist für die Stahlerzeugung wiederverwendet werden. Eisenoxide, die nicht intern recycelt werden, lassen sich an andere Industriezweige für verschiedene Verwendungszwecke verkaufen – vom Portland-Zement bis zum Automotor. Auch im Elektrostahlwerk erzeugtes und gesammeltes Zinkoxid lässt sich als Rohstoff verkaufen. Beim BOF-Verfahren ergibt sich nach Reinigung des Kokereigases eine Reihe wertvoller Rohstoffe für andere Branchen, darunter Ammoniumsulfat für Dünger, BTX (Benzol, Toluol und Xylol) für Kunststoffe und Teer sowie Naphthalin für Bleistifte beziehungsweise Elektroden für die Aluminiumindustrie.

Mit „Null Abfall“

Die laufende Entwicklung ist auf dem Weg zu höheren Wiederverwertungsraten für Produktionsabfälle und – noch wichtiger – zu einer vermehrten Nutzung durch verbesserte Qualität der wiedergewonnenen Materialien. Nach Ansicht von worldsteel muss auch die öffentliche und politische Wahrnehmung verändert werden, um beispielsweise Bruchstein im Zement, unter Straßen und unter Eisenbahnen durch immer mehr Abfallstoffe aus der Stahlproduktion zu ersetzen. Der Verband ist davon überzeugt, dass Produktionsabfälle wie natürliche Ressourcen unter den gleichen rechtlichen Rahmenbedingungen eingesetzt werden sollten, da sie demselben Zweck dienen. Das schone die natürlichen Ressourcen, verringere Umweltbelastungen und sei aufgrund der generierbaren Erlöse durch Wertstoff-Verkauf auch ökonomisch nachhaltig. Das erklärte Ziel der World Steel Association ist daher die hundertprozentige, effiziente Nutzung von Rohmaterialien mit „Null Abfall“.

Foto: Dr. Jürgen Kroll

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