BFI VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

Das BFI unterstützt die Stahl- und andere Prozessindustrien umfassend bei ihren Bestrebungen, den Ressourcenverbrauch bei der Produktion zu verringern und die Wertschöpfung auch aus ihren flüssigen und festen Nebenprodukten, Reststoffen und Prozessgasen zu steigern. Von Bedeutung ist dabei insbesondere der branchenübergreifende Ansatz. Das BFI befasst sich deshalb mit der Entwicklung und Umsetzung von neuen Verfahren und Betriebsweisen für ressourceneffiziente Stoffumwandlungen sowie für die alternative Nutzung fester und flüssiger Nebenprodukte, Reststoffe und Prozessgase. Dabei liegen die Schwerpunkte in folgenden Bereichen:

Im Rahmen des EU-geförderten internationalen Projekts REUSteel hat sich das BFI an einer Sammlung von Wissen über die Wiederverwendung und das Recycling von Nebenprodukten in der Stahlindustrie beteiligt. Dabei wurden die Auswirkungen der Ergebnisse auf die Nachhaltigkeit und die Wettbewerbsfähigkeit bewertet, die vielversprechendsten und nützlichsten neuen Entwicklungslinien sowie die technologischen und nicht technologischen Barrieren identifiziert.

Die gezielte Rückgewinnung von Wertstoffen aus Reststoffen sowie die Steigerung der Materialeffizienz erfordern eine genaue Kenntnis der physikalischen und chemischen Stoffeigenschaften. Das BFI verfügt über einen Laborbereich, in dem mit modernster Messtechnik alle relevanten Eigenschaften flüssiger und fester Medien mit Bezug zur Herstellung und Verarbeitung von Stahl ermittelt werden.

Metalle sind für die europäische Industrie von entscheidender Bedeutung, werden aber hauptsächlich nach Europa importiert. Gleichzeitig verfügt Europa über große Bestände an industriellen Nebenprodukten wie Schlacken, die beträchtliche Konzentrationen an Metallen enthalten können. Ziel des CHROMIC-Projekts war die Rückgewinnung von Chrom, Vanadium, Niob und Molybdän aus Kohlenstoffstahl, Edelstahl und Ferrochromschlacken. Durch Mikrowellen- und konventionelles Rösten, kombiniert mit Wasserlaugung, konnten > 95 % Cr und geringere Mengen an V, Mo und Nb (< 10 %) gewonnen werden.

Die Umstellung der Eisen- und Stahlindustrie von einer kohlenstoffbasierten Produktion (Sinteranlagen, Hochöfen, Sauerstoffblasöfen) auf eine wasserstoffbasierte Produktion (Direktreduktion, Elektrolichtbogenöfen) führt zu einer Reduzierung der bestehenden internen Recyclingwege über Sinteranlagen und Hochöfen. Ziel des Projekts TransZeroWaste ist unter anderem eine hydrometallurgische Behandlung von ölhaltigen Schlämmen unter Verwendung geeigneter Reinigungsmittel sowie der Rückgewinnung des Entölungsmittels mittels keramischen Flachmembranen zur Abtrennung von Öl und Feststoffen.

Bei der Behandlung flüssiger Medien wie Kühl- und Gaswaschwasser sowie den jeweiligen Prozesswässern stellt die Kreislaufführung zur Minimierung des Frischwassereinsatzes den wesentlichen Ansatz dar. Zur Erreichung werden Behandlungsverfahren neu oder weiterentwickelt, so das gelöste Salze wie Chlorid, Sulfat oder Nitrat abgetrennt bzw. andere Komponenten wie Cyanid oder Organik umgewandelt werden.

Die Wasseraufbereitung mittels Membrandestillation (MD) ist eine thermisch getriebene Trennmethode. BFI-F&E-Arbeiten im EU-geförderten Projekt CORNERSTONE adressieren die Auskopplung von Wärme aus dem Gaswaschwasser (ca. 82 °C) einer Eisen-Direktreduktionsanlage zum Betrieb einer MD-Anlage, in der Gaswaschwasser nach Abtrennung partikulärer Stoffe aufbereitet wird. Des Weiteren wird die MD-Technologie zur Entsalzung von Abwässern im EU-Projekt ZHyRON eingesetzt. Bei der Rückgewinnung von Säuren und Metallen aus Beizlösungen durch kombinierte Membranverfahren wurde die Eignung des MD-Verfahrens in Kombination mit der Diffusionsdialyse untersucht (ReWaCEM).

Um die Kreislaufführung von industriellem Prozesswasser zu ermöglichen, müssen gelöste Schwermetalle aus hochsalzhaltigen Abwässern, wie Kühl- und Waschwässern, entfernt werden. Die Adsorption bietet hierbei eine effektive Methode zur selektiven Entfernung von Schwermetallen bei niedrigen Konzentrationen. Allerdings sind bestehende Adsorptionsmittel oft zu teuer und nicht für die speziellen Anforderungen industrieller Abwässer geeignet. Daher wurde in dem AiF-ZIM-Forschungsvorhaben Schwermetall-Adsorber ein kostengünstiges Adsorptionsmittel auf Eisenhydroxid-Basis entwickelt, das speziell für feststoffhaltige und salzhaltige Abwässer konzipiert ist. Dieses neue Adsorptionsmittel und die zugehörigen Verfahren wurden in Suspensionsreaktoren und Festbetten getestet, um die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Schwermetallentfernung sicherzustellen.

Das EU-geförderte Forschungsprojekt WaterWatt zielte darauf ab, Marktbarrieren für energieeffiziente Lösungen in Kühl- und Prozesswasserkreisläufen zu beseitigen und Basiswissen über Energiemanagement und Einsparpotenziale zu schaffen. Die Ziele wurden erreicht durch: i) Fallstudien in relevanten Industrien, ii) Entwicklung von Verbesserungsmaßnahmen für die Energieeffizienz in industriellen Wasserkreisläufen, iii) Marktstudien, iv) Aktivitäten zum Kapazitätsaufbau und v) Verbreitung in Workshops und durch E-Learning.

Es wurde eine Plattform zur Bewertung der Energieeffizienz (E3-Plattform) entwickelt, um Wissen/Know-how über Energieeffizienzverbesserungen mit Hilfe von Spielen zu verbreiten.

Die Verwertung von festen Rohstoffen, Nebenprodukten und Reststoffen erfordert in der Regel eine vorgeschaltete Aufbereitung. Hierbei werden die gewünschten Materialeigenschaften z.B. durch Zerkleinerung, Klassierung, Sortierung, Trocknung, Entölung, Agglomeration oder thermische Vorbehandlung für den anschließenden Verwertungsprozess eingestellt. Das BFI verfügt über langjährige Erfahrung und diverse Technikumsanlagen für eine solche Aufbereitung, wie z.B. Magnettrennung, Brech-, Mahl-, Sieb-, Pelletier- und Granuliereinrichtungen, sowie Brikettpressen.

Durch den Übergang zur wasserstoffbasierten Stahlerzeugung auf Basis der Direktreduktion werden die derzeitigen internen Verwertungswege für eisenhaltige Materialien, die bei der Eisen- und Stahlerzeugung über Sinteranlagen und Hochöfen anfallen, abgeschnitten. Im internationalen Projekt TransZeroWaste konzentriert sich das BFI auf die optimierte und ressourceneffiziente Aufbereitung sowie Agglomeration von eisenhaltigen Materialien, wie minderwertige Eisenerze, ölhaltigen Zunder und weitere Materialien als obligatorischen Schritt vor einer metallurgischen Wiederverwendung in der Direktreduktionsroute. Neben der bereits weiter oben beschriebenen hydrometallurgischen Behandlung zur Entfernung störender Verunreinigungen wie Öle und Fette wurden zwei weitere Ansätze wie die kalte Pelletierung und Brikettierung, sowie die Heisspelletierung mit Mikrowellen als CO₂-emissionsarme Aufbereitungsverfahren untersucht.

Bei der kalten Pelletierung und Brikettierung entwickelt das BFI in Laborversuchen für repräsentative Hüttenreststoffe optimierte Rezepturen mit innovativen Bindemitteln zur Erzielung einer bestmöglichen Festigkeit. Hierbei werden auch entölte oder entfettete Materialien nach der entsprechenden Vorbehandlung untersucht. Die hier erzielten Ergebnisse werden von internationalen Partnern im Pilotmaßstab validiert.

Im Projekt PSP-BOF wurde die Entfernung von Phosphor aus Konverterschlacke untersucht. Themen hierbei sind z.B. die Entwicklung einer neuen Kühlstrategie für die Konverterschlacke, die mechanische Auftrennung der behandelten Schlacke in eine P-arme & Fe-reiche sowie Fe-arme & P-reiche Schlackenfraktion, sowie Untersuchungen zur Übertragung in den industriellen Maßstab. Ergebnis ist die Abtrennung des Phosphors aus der BOF-Schlacke und die Verwendung als Düngemittel für die Landwirtschaft und die landwirtschaftliche Produktion, während die verbleibende Schlacke durch internes Recycling über Sinteranlagen/Hochöfen verwendet werden kann.

Im Rahmen des Nachfolgeprojekts SlagReus wurde im BFI mit Hilfe magnetischer Trennverfahren, sowie unter Nutzung geeigneter Zerkleinerungs- und Mikrowellentechnologie eine Prozesskette entwickelt, um Stahlwerksschlacke ebenso in eine phosphorreiche Fraktion für den Düngemittelsektor und eine eisenreiche Fraktion zur Rückführung in metallurgische Prozesse zu fraktionieren.

Das BFI setzt selbstreduzierende Agglomerate in Schachtöfen und Elektrolichtbogenöfen zur Rückgewinnung von Eisen und Legierungselementen aus Hüttenreststoffen ein. Weiterhin besitzt das BFI umfangreiche Expertise zur Zink-Rückgewinnung aus zinkhaltigen Stäuben u.a. durch Schmelzbadinjektion (SchmelzInjekt) sowie in der Rückgewinnung wertvoller Legierungselemente wie Chrom bei der Herstellung hochlegierter Stähle. Letzteres erfolgt durch Reduktionsbehandlung der flüssigen Schlacke im Elektrolichtbogenofen, wobei feinkörnige Reduktionsmittel pneumatisch in die Schmelze injiziert werden (EPOSS). Hierzu stehen am BFI umfangreiche Injektionsanlagen für Betriebsversuche zur Verfügung. 

Im vom Land NRW geförderten Projekt DRI-Einschmelzer liegt neben der Untersuchung und Optimierung des Einschmelzens von Eisenschwamm aus der wasserstoffbasierten Direktreduktion ein weiterer Fokus auf der gezielten Einstellung der Schlackenzusammensetzung durch geeignete Verfahrensweise und Zugabe entsprechender Additive. Die Produktschlacke des Einschmelzers soll ähnlich wie derzeit die Hochofenschlacke als Einsatzstoff für die Zementherstellung genutzt werden. Ein weiterer Aspekt ist daneben aber auch die Untersuchung des Recyclings eisenhaltiger Hüttenreststoffe.

Im Rahmen des InSGeP-Projekts untersucht das BFI als Teil eines internationalen Konsortiums Schlacken, die bei der Stahlerzeugung der nächsten Generation in Europa anfallen. In diesem Projekt werden Leitlinien für die Verwendung der neuen Schlacken aus der künftigen Stahlerzeugung erstellt. Das Projekt stützt sich unter anderem auf Schlackenproben, die bei Versuchen im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab erzeugt werden. Die Schlacken werden mit verschiedenen Kühl- und Granulierverfahren behandelt und auf der Grundlage chemischer, mineralischer, ökologischer und physikalischer Eigenschaften bewertet, um die für verschiedene Anwendungen erforderlichen physikalischen Eigenschaften und umweltverträgliche Produkte zu erzeugen. Die Verwendung der Schlacken in Anwendungen wie Straßenbau, Zement/Beton oder 3D-Druck wird getestet.

Im Zusammenhang mit der metallurgischen Verwertung von Reststoffen werden auch in Zukunft Kohlenstoffträger gebraucht, deren Einsatz aber CO₂-Emissionsneutral erfolgen muss.

Im vom Land NRW geförderten Projekt SCI4Climate2.0 quantifiziert das BFI die stofflich notwendige Kohlenstoffnutzung in der zukünftigen wasserstoffbasierten Stahlerzeugung und bewertet das entsprechende Potential zum Einsatz von Bio-Kohlenstoff bzw. Biomasse.

Das BFI besitzt umfangreiche Erfahrung auf dem Gebiet der Herstellung und dem betrieblichen Einsatz von Kohlenstoffagglomeraten oder -mischungen aus alternativen oder biogenen Kohlenstoffträgern, die eine entsprechende CO₂-Emissionseinsparung ermöglichen (INNOCARB).

Daneben entwickelt das BFI aktuell im Technikumsmaßstab die Aufwertung von kohlenstoffhaltigen Reststoffen durch Rekristallisation aus Metallschmelzen (RekCarb; RekCarb2). Dazu wird in einer Mini-Plant die Schmelzrekristallisation umgesetzt um Graphen-Nano-Platelets (GNP) im kontinuierlichen Betrieb herzustellen. Durch den Einsatz von induktiver Beheizungstechnik (Mittelfrequenz) wird ein kontinuierlich-zyklischer Betrieb ermöglicht. Die Qualität des erzeugten Graphens wird unter anderem mittels Raman-Spektrometrie bewertet. Die Aufstellung einer belastbaren Massen- und Energiebilanz dient als Basis zur Abschätzung von Kosten und Aufwand für den Produktionsbetrieb. Die Anwendung der GNP wird z.B. in Zementmischungen und Leitmitteldispersionen getestet. 

Im Rahmen aller genannter Themenbereiche sind Prognosen zur Qualität der erzeugten Produkte, sowie zum Ressourcenbedarf von Bedeutung, ebenso wie die Optimierung des produktspezifischen Ressourcenverbrauchs. Diese werden vom BFI durch thermochemische Berechnungen oder mittels Flow Sheet-Modeling durchgeführt auf Basis der Software-Tools HSC Chemistry® oder FactSage®. Diese Tools finden zum Beispiel Anwendung in den Projekten Schmelzinjekt2, DRI-Einschmelzer sowie InSGeP.

Des Weiteren setzt das BFI für Modellierungen und Simulationen von Fragestellungen in Kühl- und Prozesswasserkreisläufen in verschiedenen geförderten F&E-Projekten (WEISS4PN, IndiWater, CORNERSTONE, DynaWater4.0) und bilateralen Projekten das kommerzielle Software-Tool SIMBA#® ein. Die digitale Abbildung von Prozesswasserkreisläufen ermöglicht Prognosen zum Prozesswasser-, Chemikalien- und Energiebedarf, Prozess- und Ressourcenoptimierungen, Vermeidung von Stillständen und Engpässen, eine optimale Planung von Instandhaltungsmaßnahmen sowie die digitale Erprobung neuer Prozesswasserbehandlungsanlagen vor der betrieblichen Realisierung.

Das BFI hat in Zusammenarbeit mit Partnern in verschiedenen F&E-Projekten eine modellgestützte Messtechnik (DynAcid®) zur kontinuierlichen und simultanen Überwachung der Säuren- und Metallsalzkonzentrationen in Prozessbädern der Oberflächenbehandlung der stahl- und metallverarbeitenden Industrie entwickelt.  Die Messtechnik wird erfolgreich in industriellen Behandlungsanlagen eingesetzt (derzeit verfügbare für folgende Säure-System-Applikationen: HCl-Fe, H₂SO₂-Fe, HF-HNO3-Metalle, HNO3-H₂SO4-Zn, H₂SO4-Zn).

In Zusammenarbeit mit Partnern entwickelt das BFI derzeit in dem durch das BMWi geförderten AiF-IGF-Projekt ZinkAtline eine Atline-Analysetechnik (Analysefrequenz 15 Minuten) zur Messung der Zinkkonzentration in Prozesswässern und Schlämmen.

Die Säuretaupunkttemperatur schwankt bei der Verbrennung von Stahlwerksgasen stark. Um Korrosionsschäden zu vermeiden, wird die Abgastemperatur üblicherweise 10 - 20 K über der berechneten maximalen Säuretaupunkttemperatur (ADP) eingestellt, was jedoch Energieverluste bei niedrigeren ADP-Temperaturen verursacht. Im RFCS-Projekt SafeDewPoint wurde nachgewiesen, dass eine Rückgewinnung von bis zu 20 % Abwärme durch dynamische Anpassung der Abgastemperatur möglich ist. Ein neuartiger Inline-Säuretaupunktsensor wurde hierfür entwickelt und erfolgreich erprobt.