RESycling für eine ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft
Im Forschungsprojekt „RESycling“ stellen sich die Kolleg:innen von thyssenkrupp Materials Services der Herausforderung, sogenannte Roheisen-Entschwefelungsschlacke, ein Nebenprodukt der Stahlproduktion,vollumfänglich recycelbar zu machen. Statt auf der Deponie, soll das Nebenprodukt zukünftig in den Wertschöpfungsketten verschiedener Industriezweige Gebrauch finden. Wir haben mit dem Projektleiter Dr. Michael Dohlen über das ambitionierte Forschungsprojekt gesprochen.
Ammoniak aus erneuerbaren Energien: Farblos, aber grün.
Im Alltag begegnet uns Ammoniak etwa beim Lebkuchenbacken, da das Backtriebmittel Hirschhornsalz leicht danach riecht. Reines Ammoniak in größeren Mengen ist jedoch nur für den industriellen Einsatz mit hohen Sicherheitsstandards vorgesehen. In der Industrie erfüllt es viele Aufgaben, vor allem in Düngemitteln zur Erhaltung fruchtbarer Böden, und dient außerdem als Kältemittel, etwa in Eishallen.
Ammoniak ist wie Wasserstoff farblos, riecht jedoch stechend und kann je nach Herstellungsweise „grün“ sein. Heute wird es noch überwiegend aus Erdgas hergestellt, erklärt Thore Lohmann von thyssenkrupp Uhde. Grünes Ammoniak hingegen kommt ohne fossile Ressourcen aus: Mit grünem Strom werden Stickstoff aus der Luft (N₂) und Wasserstoff per Elektrolyse (H₂) gewonnen und zu Ammoniak (NH₃) verbunden.
Diese sogenannte Mineralik kann in der Bauindustrie als Sandersatz, z.B. als Gesteinskörnung im Beton oder als Zementsubstitut genutzt werden. In diesem Rahmen arbeiten die Expert:innen von thyssenkrupp eng mit dem Fraunhofer IBP in Valley, den Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna sowie dem Südbayerischen Portland-Zementwerk Gebr. Wiesböck & Co. GmbH zusammen.
Schwefel – ein wichtiger oder unverzichtbares Düngemittel
Neben der Bauindustrie kann das schwefelhaltige Nebenprodukt auch in anderen Branchen eingesetzt werden, denn Schwefel ist auch ein gefragtes Düngemittel in der Agrarwirtschaft. Angesichts der wachsenden Weltbevölkerung ist die Landwirtschaft einem enorm hohen Produktivitätsdruck ausgesetzt. Die aufbereitete Roheisen-Entschwefelungsschlacke kann dieser wachsenden Nachfrage entgegenkommen. Partner des Forschungsprojektes von thyssenkrupp Materials Services ist auf diesem Fachgebiet die Hochschule Weihenstephan-Triesdorf.
Der gewonnene Schwefel aus dem "Entschwefelungsprozess“ bildet die ideale Basis für Düngemittel.
Wie entsteht Roheisen-Entschwefelungsschlacke?
Um das Potential der Roheisen-Entschwefelungsschlacke und ihre Entstehung zu verstehen, müssen wir uns das Prinzip des Hochofens anschauen: „Ein klassischer Hochofen wird von oben schichtweise mit Eisenerz, schwefelhaltigem Koks und Zuschlagsstoffen wie Kalkstein beschickt“, erklärt Dohlen. „Von Unten wird heiße Luft eingeblasen. Durch das entstehende Kohlenstoffmonoxid werden die Eisenoxide im Eisenerz reduziert.“ Es entsteht flüssiges Roheisen.
In regelmäßigen Abständen wird das Roheisen abgestochen – die klassische Hochofenschlacke entsteht. Bevor das flüssige Roheisen im Stahlwerk weiterverarbeitet werden kann, muss der Schwefelgehalt im Roheisen gesenkt werden. „In einem Entschwefelungsstand wird dem Roheisen Kalk als Schlackenbildner zugeführt. Der Kalk reagiert mit dem Eisensulfid. Der Schwefel wird als Calciumsulfid gebunden“, so Dohlen.
Ein Teil der entstehenden Roheisen-Entschwefelungsschlacke wandert zurück in die Sinteranlage und den Hochofen und wird dort wiederverwendet. „Aber eben nur ein Teil. Der Rest wird entsorgt“, so der Experte. Eine Verschwendung von Rohstoffen, die Dohlen und sein Team jetzt für verschiedene Industriesparten nutzbar machen möchten, etwa in der Zementindustrie und in der Landwirtschaft.
Nutzung in der Zementindustrie
„Um möglichst viel der Roheisen-Entschwefelungsschlacke wiederzuverwenden, ist es unser Ziel möglichst reines Eisen aus der Schlacke zu gewinnen“, erklärt Dohlen. „Mittels sogenannter elektrodynamischer Fragmentierung wird die Schlacke ultrakurzen Unterwasserimpulsen sog. Blitzentladungen ausgesetzt und dabei selektiv in ihre mineralischen Bestandteile und Eisen zerlegt“.
Vorbereitungen auf den Einsatz im industriellen Maßstab
„Nach der erfolgreichen Ausarbeitung der Prozesskette im Labor werden wir eine Versuchsanlage aufbauen“, so Dohlen. „Sie wird die Grundlage für die Weiterentwicklung der Aufbereitung und Verwendung von Roheisen-Entschwefelungsschlacke bilden“. Durch die enge Einbindung der anderen Industrieunternehmen sollen realitätsnahe Bedingungen entstehen. „Wir wollen den Energieaufwand und die CO2-Emissionen der Recyclingprozesse soweit reduzieren, dass eine ökologische und ökonomische Tragfähigkeit gewährleistet ist“, erläutert der Experte die weitere Planung.
Damit bereitet das Forschungsteam das Projekt RESyling auf einen Einsatz im industriellen Maßstab vor, der sowohl wirtschaftlich als auch nachhaltig ist. Denn, die Rohstoffe, die aus den Recylingprozessen entstehen, verringern nicht nur die Ressourcenabhängigkeit von Deutschland, sie sparen auch viele Kilometer an Transportwegen und die damit verbundenen Emissionen ein sowie den Abbau von Primärrohstoffen. Ganz zu schweigen von der Deponierung.
Fraktionen, die beim Entschwefelungsprozess von Roheisen entstehen, können zum Beispiel als Sandersatz in der Zementindustrie Verwendung finden.