Rückgewinnung von Zink aus Flugasche

«Die neue Flurec-Anlage gibt es nicht ab Stange. Sie ist sozusagen eine Weltneuheit», sagt Markus Juchli, Direktor der KEBAG, auf einem Rundgang durch das 25 Mio. CHF teure Gebäude, in dem die eigenentwickelte Anlage untergebracht ist. In ihr wird aus der so genannten Flugasche, deren Entsorgung die KEBAG bisher viel Geld kostete, wertvolles Zink gewonnen. Die tägliche Ausbeute beträgt rund 1 t Zink. Dieses kann für gutes Geld verkauft werden.

 

Entwicklung eines neuen Verfahrens

Bei der Verbrennung von Kericht fallen neben der Schlacke – den Feststoffen, die nicht verbrennen – jährlich rund 4000 t Flugasche an. «Es handelt sich dabei um den Staub im Rauch, der bei jedem Feuer entsteht», erklärt Juchli. In dieser Asche befindet sich ein Grossteil der problematischen Schwermetalle, die bei der Verbrennung entstehen: Zink, Blei, Cadmium und Kupfer. Eine einfache Entsorgung auf einer Deponie kommt also nicht in Frage.

Die KEBAG verfügt seit 15 Jahren über eine Flugaschen-Waschanlage. Hier wird die Asche mit Salzsäure, die bei der Rauchgasreinigung anfällt, vermischt. In der Säure lösen sich die Schwermetalle auf und lassen sich herausfiltern. Die Asche wird sauber genug, um zusammen mit der Schlacke auf einer Deponie entsorgt werden zu können. Zurück bleibt der Hydroxidschlamm mit den Schwermetallen. Dieser wurde bisher ins Ausland transportiert, wo die Schwermetalle recycliert wurden. Ein kostspieliges Verfahren, denn pro Tonne Hydroxidschlamm mussten 350 CHF bezahlt werden; im Jahr fallen rund 750 t des belasteten Schlamms an.

Eine Anfrage der BSH Umweltservice AG im Jahr 2008 brachte den Stein ins Rollen: Der Spezialist für Wertstoffrecycling suchte einen Partner zur Entwicklung eines Verfahrens, mit dem sich der Zink aus dem Schlamm in der Schweiz zurückgewinnen lässt. Die KEBAG zeigte Interesse. «Schon aus ökologischen Gründen machte das Projekt Sinn», sagt Markus Juchli. «Es ist auf jeden Fall besser, wenn wir problematische Stoffe, die bei uns anfallen, selber in den Griff bekommen und sie nicht im Ausland entsorgen müssen. Zudem ist Zink ein wertvoller Rohstoff, der vielfältig wieder eingesetzt werden kann.»

Gemeinsam mit der BSH wurde ein Verfahren entwickelt, um das Zink von den andern Schwermetallen zu trennen. «Als Grundlage diente uns eine Technik, die bereits bei der Zinkgewinnung aus Eisenerzen eingesetzt wird», erklärt Markus Juchli. Dem belasteten Schlamm wird Zinkpulver zugesetzt. Dies bewirkt, dass die unerwünschten Metalle wie Blei, Cadmium und Kupfer ausfallen und abgetrennt werden können. Um das in der Lösung verbleibende Zink in hochreiner Form zurückgewinnen zu können, sind weitere komplizierte Reinigungsschritte notwendig, bevor sich das metallische Zink elektrolytisch abscheiden lässt. Es lagert sich auf Aluminiumplatten (Kathoden) ab, von denen es «abgeschält» wird.

 

Beschreibung der Anlage

«Je nach dem, was für Abfall verbrannt wird, kann die Zusammensetzung des Hydroxidschlamms stark variieren», bemerkt Markus Juchli. «Es galt also herauszufinden, welche Bedingungen die Anlage erfüllen muss, um all diese Herausforderungen zu meistern.» Dies war keine einfache Aufgabe: Zwei Jahre lang tüftelten die Fachleute, bis sie die grössten Probleme im Griff hatten. Am 1. März 2010 erfolgte der Spatenstich zur neuen Anlage, im Herbst 2011 wurde der Versuchsbetrieb gestartet. Bis alle Abläufe reibungslos funktionierten, verging ein weiteres halbes Jahr. «Die Anlage ist ein Prototyp», sagt Markus Juchli. «Da ist es normal, dass nicht alles von Anfang an problemlos läuft. Wir werden bestimmt auch künftig immer wieder auf Probleme stossen. Aber wir wissen jetzt, dass das Verfahren an sich funktioniert.» Er ist überzeugt, dass diese Methode Schule machen wird, denn Zink sei ein wertvoller Rohstoff. Neben dem ökologischen Aspekt sei die Zinkrückgewinnung aus Abfall längerfristig auch lukrativ. Weil die Anlage mit der in Zuchwil anfallenden Asche nicht voll ausgelastet ist, wird zusätzlich die Asche der Verbrennungsanlage KEZO im zürcherischen Hinwil verwertet.

Der eigentliche Prozess «Zinkelektrolyse» ist bekannt. Dies trifft auch auf die damit verbundenen mechanischen und elektrischen Bedingungen zu, wie Abstände von Anoden zu Kathoden, Grösse der Kathoden, die Stromdichte mit der gefahren werden soll. Man weiss auch, dass sich während der Elektrolyse Wasserstoff bildet. Aufgrund dieser Vorgaben wurden Standardzellen bestimmt, woraus sich die Anzahl Anoden (29) und Kathoden (28) pro Zelle ergab. Die Kathoden sind aus Aluminium, die Anoden aus Titan. Alle Kathoden sollten täglich einmal «geerntet» werden, das heisst, Abschälen des Zinks. Dieser Vorgang erfolgt vollautomatisch:

 

Der Elektrolyseprozess läuft während rund 20 bis 22 h. In dieser Zeit steht die Automatisierung still. Während etwa 2 bis 3 h wird an allen Kathoden der Reihe nach das Zink abgeschält (wird auch strippen genannt).

 

Aufbau der Anlage

Die Anlage erstreckt sich über zwei Stockwerke. Im Erdgeschoss befinden sich die Elektrolysezellen mit der Automatisierung, im Untergeschoss werden die geernteten Zinkplatten palettisiert. Die komplette Anlage wird über einen Leitrechner gesteuert und kontrolliert. Die wesentlichen Komponenten sind in Bild 1 zu sehen.

Als Elektrolysezellen (1 und 2) wurden standardisierte Betonwannen, wie sie in Zinkhütten zum Einsatz kommen, verwendet. Ergänzt wurden sie mit Abluftkanälen. Auf den beiden Längsseiten sind spezielle Kontaktböcke für die Anoden und Kathoden aufgebaut und auf den beiden Schmalseiten Rolltore mit Servomotoren. Um beim Herausziehen der Anoden oder Kathoden ein Verschmutzen der Anlage zu vermeiden, sind auf den Rolltoren Spritzdüsen (Wasser) sowie Luftvorhänge montiert.

Der vierachsige Palettierroboter KR 180-PA (3) ist auf einem etwa 1.6 m hohen Sockel montiert. Die Steuerung ist in einem separaten Raum installiert. Damit der Roboter sowohl Anoden als auch Kathoden handhaben kann, musste ein speziell schmaler Greifer konstruiert werden. An den Anoden und Kathoden sind dafür Griffleisten befestigt. Der Abstand zwischen Kathode und Anode beträgt nur 42 mm. Im Greifer sind zwei kleine Wägezellen integriert, womit sich die einzelnen Gewichte der Kathoden feststellen lassen. Da die Anoden und Kathoden auf den Zellen nur einseitig in den Kontaktböcken positioniert sind, hilft beim Ablegen ein am Greifer befestigter Eindrückzylinder.

Die Gleichrichterschränke (4 bis 7) sind modular aufgebaut. In jedem Schrank sind sechs Gleichrichter (2000 A, 10 V) im Rack-Format eingebaut. Die Stromverteilung zu den Zellen ist mit Kupferschienen realisiert.

In zwei fahrbaren Gestellen stehen der Anlage Austauschanoden (8) beziehungsweise -kathoden (9) zur Verfügung. Der Roboter kann nach Bedarf einen Austausch ausführen.

In den Aluminiumblechen der Kathoden sind zwei runde Kunststoffteile eingeklebt. Da am Kunststoff das Zink nicht haftet, können die Messer der Strippstation (10) die Zinkschicht besser vom Aluminium lösen.

Für die Reinigung der Anoden steht hinter dem Roboter eine Spülzelle (11) mit einem Säurebad, einem Spülbad (Wasser) und einer Trocknungsstation.

Im Untergeschoss steht eine Hubsäule (12) mit angebautem, schwenkbarem Fangkorb (13). Er legt die geernteten Zinkplatten auf einer Palette, die auf einer Bodenwaage (14) steht, ab.

 

Programme und ihre Funktionen

Der Bediener kann am zentralen Bedienpanel des Leitsystems folgende Programme anwählen:

 

Ernten (abschälen oder strippen)

Der Roboter fährt über die entsprechende Zelle, und die beiden Rolltore fahren synchron an die Stelle, wo die erste Kathode dem Bad entnommen werden soll. Sie öffnen sich nur so weit, dass der Greifer dazwischen fahren kann. Für den Ernteprozess werden die Gleichrichter der zu bearbeitenden Zelle abgestellt. Mit einem Abstandssensor prüft der Roboter zuerst die Anwesenheit der Kathode.

Nun fährt der Roboter hinunter, greift die Kathode und zieht sie langsam nach oben. Während dem Hochziehen wird mit beidseitigen Spritzdüsen die Kathode abgespritzt und gleich wieder mit zwei Luftvorhängen getrocknet. Die Gebläse sind oberhalb der Spritzdüsen montiert. So lässt sich vermeiden, dass während dem Transport die Anlage nicht verschmutzt wird. Sofort nach dem Hochziehen schliessen die Rolltore wieder. Der Roboter fährt nun zur Strippstation. Die beiden Wägezellen im Greifer übermitteln das Gewicht der Kathode mit Zink an das Leitsystem. Mit dem bekannten Kathodenleergewicht wird nun das Zinkgewicht errechnet. Nach kurzem Auspendeln steckt der Roboter die Kathode zwischen die Messerbalken.

In der Zwischenzeit wurde im Untergeschoss der Fangkorb in die senkrechte Lage gebracht und unter die Strippstation hochgefahren. Die Messerbalken schliessen sich bis die Messer noch wenige Zehntelmillimeter Abstand von den Kunststoffeinsätzen haben. Der Roboter zieht die Kathode nun langsam hoch, die Zinkbleche beginnen sich zu lösen. Dabei erhält der Roboter von unten durch zwei Pneumatikzylinder Kraftunterstützung. Nach rund 100 mm wird die Hubbewegung unterbrochen. Die Messerbalken öffnen sich, und die Zinkplatten lösen sich auf der ganzen Kathodenbreite. Nun kann der Roboter mit voller Geschwindigkeit hochfahren. Bereits auf halber Strecke sind die beiden Zinkhälften von der Platte abgelöst und fallen in den Fangkorb. Die Hubsäule fährt abwärts, der Fangkorb wird um 90° in die horizontale Lage gedreht. Kurz vor Erreichen des Zinkstapels auf der Palette werden die Klappen am Fangkorb geöffnet, und die Zinkplatten fallen auf den Stapel.

Die Gewichtszunahme des Stapels wird von der Bodenwaage ebenfalls an das Leitsystem übermittelt. Das Gewicht des abgeschälten Zinks muss mit dem vorher ermittelten Zinkgewicht übereinstimmen. Dies wird gemacht, um zu kontrollieren ob die komplette Zinkschicht abgeschält wurde. Sollte dies nicht der Fall sein, darf die Kathode nicht wieder in die Zelle eingesetzt werden. Der Roboter setzt diese in das Transportgestell «Kathode» auf den Leerplatz. Im Wagen sind für diesen Fall neun intakte Kathoden gelagert. Der Roboter kann sich die erste aus dem Transportgestell holen und an den leeren Platz in der Zelle einsetzen. Stimmen die Gewichte überein, wird mit einem weiteren Abstandssensor die Anwesenheit der beiden Kunststoffeinsätzen im Kathodenblech geprüft. Denn würde eines fehlen, wäre der Strippvorgang nicht mehr gewährleistet. Sind die Platten in Ordnung, kann der Roboter diese wieder in die Zelle einsetzen. Er kann nun der Reihe nach die restlichen 27 Kathoden der Zelle «ernten».

Der Zinkstapel auf der Palette wird, wenn er ein bestimmtes Gewicht oder eine bestimmte Stapelhöhe erreicht hat, manuell gebunden und mit einem Kran von der Bodenwaage gehoben. Der Roboter wartet in einer definierten Parkstellung bis wieder eine leere Palette verfügbar sowie der Schutzzaun geschlossen und quittiert ist.

 

Anode oder Kathode zeigen

Dieses Programm lässt sich jederzeit während dem Elektrolyseprozess anwählen. Es wird die Zelle, die Anode oder Kathode gewählt, die man sehen möchte. Nach dem Start holt der Roboter die entsprechende Anode oder Kathode. Er fährt sie ganz nahe an den Schutzzaun, damit der Bediener sie genau betrachten kann (Qualitätsbeurteilung der Zinkoberfläche). Bei Gutbefund der einen Blechseite wird durch einen Tastendruck die Kathode beziehungsweise Anode gewendet, wodurch der Bediener die Rückseite sieht. Nun kann er wählen: zurück in die Zelle bei Gutbefund oder in Transportgestell ablegen bei einem Schlechtbefund.

 

Spannung messen

Dieses Unterprogramm gibt dem Bediener die Möglichkeit, pro Zelle die Spannungswerte zwischen Anoden und Kathoden zu prüfen. Dabei werden die Rolltore ein Stück geöffnet, und der Roboter taucht ein. Die beiden Kontaktstifte sind im Abstand von je einer Anode und Kathode installiert. Der Roboter fährt nun von einer Anode zur andern und misst die jeweilige Spannung zur anschliessenden Kathode. Die Rollladen fahren synchron mit dem Roboter. Die Spannungen werden im Rechner gespeichert. Der Grund für Werte, die stark vom Sollwert 3,6 V abweichen, können schlechte Kontaktierungen von Anode oder Kathode in den Kontaktböcken sein.

 

Gewichtmessung von Anode oder Kathode

Mit diesem Programm ist es möglich, jederzeit eine bestimmte Anode oder Kathode zu wägen. Der Roboter fährt über jene Stelle der Zelle, wo die zu wägende Anode beziehungsweise Kathode ist. Nach dem die Rolltore ein Stück geöffnet sind, zieht er die entsprechende Anode oder Kathode heraus, das Gewicht wird ermittelt und an den Rechner gegeben. Sofort wird die Elektrode wieder in die Zelle gefahren.

 

Anode oder Kathode spülen

Mit den Spritzregistern und den Abblasdüsen auf den Rolltoren werden Anoden und Kathoden direkt beim Herausziehen abgewaschen und wieder getrocknet. Durch diese Optimierung liess sich die Taktzeit beim Ernten massiv kürzen. Das Spülbecken wird nur noch für das Reinigen der Anoden benötigt.

 

Anode oder Kathode aus Zelle in Transportgestell

Dieses Programm wird dann verwendet, wenn zum Beispiel eine Zelle geleert werden soll. Dabei müssen jedoch leere Transportgestelle in der Anlage sein.

 

Anode oder Kathode aus Transportgestell in Zelle

Dieses Programm wird angewählt, wenn einzelne Anoden oder Kathoden in die Zelle eingesetzt werden sollen. Aber auch dann, wenn eine geleerte Zelle neu mit Anoden und Kathoden bestückt werden soll. Dabei müssen bestückte Transportgestelle in der Anlage sein.

 

Anode aus Zelle in Säurebad

Auf den Titananoden bildet sich mit der Zeit eine isolierende Schicht. Diese muss in regelmässigen Abständen entfernt werden. Zu diesem Zweck ist in der Anlage eine Spülzelle integriert. Eine einzelne Anode kann in ein Säurebad gestellt werden, um sie zu reinigen.

 

Anode aus Transportgestell in Zelle

Mit diesem Programm wird der Platz in der Zelle wieder besetzt. Die gereinigte Anode wird dann mit einem weiteren Unterprogramm vom Roboter aus der Spülzelle entnommen, und mit Wasser gespült und getrocknet. Danach wird sie in einen freien Platz des Transportgestells eingelegt.

 

Ausblick

Die wechselnde Zusammensetzung der zu beseitigenden Abfälle führte immer wieder zu Veränderungen der Aschenzusammensetzung und damit zu verfahrenstechnischen Problemen. So mussten verschiedene Optimierungen geplant und realisiert werden. Letztes Jahr wurde nun der Vollbetrieb mit der Produktion von reinstem Zink aufgenommen.

 

Werner Thurnheer

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KEBAG Kehrichtbeseitigungs-AG

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