Recycling metallischer Reststoffe

Sonderdruck aus
Internationale
Zeitschrift für
Kernenergie
Jahrgang LIV (2009), Heft 10 Oktober
Die in Deutschland einzigartige
Schmelzanlage CARLA wird seit 1989
durch Siempelkamp in Krefeld betrieben.
20 Jahre Betriebserfahrung haben eindrucksvoll gezeigt, dass Recycling für
schwach kontaminierte Metalle aus Betrieb und Stilllegung von kerntechnischen
Anlagen wirtschaftlich möglich ist. Von
25.000 t Schmelzmenge konnten 9.000 t
nach § 29 StrlSchV freigegeben werden,
14.500 t wurden bei der Herstellung von
Abschirmungen und KONRAD-Behältern
verwertet. Dadurch wurde Volumen für
Zwischen- und Endlagerung von radioaktiven Abfällen in einer Größenordnung
von 24.000 m3 eingespart. 20 Jahre Anlagenbetrieb haben bestätigt, dass das Anlagenkonzept und die Unternehmensphilosophie Sicherheit, Ökologie und Ökonomie vorbildlich vereinen.
1 Einleitung
Die Schonung knapper werdender Ressourcen ist der wesentliche Anreiz für das
Recycling von metallischen Reststoffen und
deren Verwendung als Sekundärrohstoff in
der Neuproduktion. Bei radioaktiven metallischen Reststoffen aus Betrieb und Stilllegung kerntechnischer Anlagen ist darüber
hinaus die Minimierung des radioaktiven
Abfallvolumens und daraus folgender Kosteneinsparungen das Hauptargument für Recycling.
Anschrift der Verfasser:
Dipl.-Ing. Ulrich Quade und
Dipl.-Ing. Thomas Kluth
Siempelkamp Nukleartechnik GmbH
Siempelkampstraße 45, 47803 Krefeld
Tel. 02151/894 297, Fax 02151/894 488
[email protected]
www.siempelkamp.com
Recycling metallischer
Reststoffe
20 Jahre Betrieb der Schmelzanlage
CARLA durch Siempelkamp
Nukleartechnik GmbH
Ulrich Quade und Thomas Kluth, Krefeld
Der Betrieb der Schmelzanlage CARLA (Centrale Anlage zum Recyclieren
Leichtaktiver Abfälle) in Verbindung mit
den Fertigungsmöglichkeiten der Siempelkamp Gießerei bietet seit 20 Jahren hierfür
die Voraussetzungen durch Anlagen, die
nach § 7 StrlSchV zum Umgang mit radioaktiven Stoffen genehmigt sind. Dadurch
ermöglicht sich auch für Metalle, die nach
der Primärschmelze in CARLA nicht freigebbar sind, eine Wiederverwertung bei der
Herstellung von Produkten, die in der
Kerntechnik zum Einsatz kommen, wie
z.B. Abfallbehälter aus Guss oder Schwerbeton. Diese Recyclingpfade wurden bei
Siempelkamp seit den 1980er-Jahren entwickelt und kontinuierlich ausgebaut und sind
weltweit einzigartig. Mehr als 5.500 Abfallbehälter aus Sphäroguss in zylindrischer
oder kubischer KONRAD-Geometrie wurden mit Recyclingquoten zwischen 15 %
bis 25 % hergestellt.
Bei ca. 2.500 Abschirmbehältern aus
Schwerbeton, bei deren Herstellung Eisenerzzuschlag durch Eisengranulat, hergestellt aus
schwach radioaktiv belastetem Eisenschrott,
substituiert wurde, konnte auch für metallische Reststoffe, die wegen ihrer Legierungselemente nicht für eine spezifikationsgerechte
Gussherstellung geeignet sind, eine sinnvolle
Verwertung angeboten werden.
Durch Freigaben nach § 29 StrlSchV
nach erfolgreicher Schmelzdekontamination
einerseits und Verwertung im kerntechnischen Bereich andererseits, ergibt sich folgende Massenbilanz:
– Schmelzmenge
25.000 t
– Freigaben nach § 29 StrlSchV
9.000 t
– Verwertung in der Kerntechnik 14.500 t
Dadurch wurden ca. 24.000 m3 (1 t/m3)
Endlager für radioaktive Abfälle und das erforderliche Zwischenlagervolumen eingespart, da nur ca. 5 % als prozessbedingter Sekundärabfall zukünftig endzulagern
sind.
2 Historische Entwicklung
Im geschichtlichen Rückblick sind Gießereien die ältesten Recyclingunternehmen.
Recycling in der Kerntechnik
Knapper werdende Ressourcen zwingen zu
nachhaltigem Wirtschaften und unterstreichen die Notwendigkeit einer Recyclingwirtschaft in der heutigen Zeit. Metallische
Bauteile, die in kerntechnischen Anlagen
zum Einsatz kommen, sind nach ihrer Nutzung entsprechend ihrem Kontaminationsniveau zu bewerten. Ist eine Freigabe nicht
möglich, so verbleiben nur noch die Möglichkeiten der Konditionierung als radioaktiver Abfall oder der Verwertung bei Herstellung von neuen Komponenten für die Kerntechnik.
Der Umgang mit schwach radioaktiv
kontaminierten Metallen in einer Gießerei
wurde in den 1980er-Jahren bei Siempelkamp
erprobt. Die daraus abgeleitete notwendige
Ertüchtigung eines Schmelzbetriebes wurde
bei Planung und Bau der CARLA-Schmelzanlage konsequent umgesetzt.
Im Oktober 1989 wurde die Genehmigung zum Umgang mit radioaktiven Stoffen bis zu 200 Bq/g spezifischer Aktivität
erteilt und der Betrieb aufgenommen. Das
Servicespektrum der Anlage wurde kontinuierlich weiterentwickelt und bietet heute
der kerntechnischen Industrie in Europa
vielfältige Möglichkeiten der Reststoffbehandlung an:
– Im Sortier- und Zerlegebereich können
heute Komponenten bis zu der Größe eines
40´-Containers (2,50 m x 2,50 m x 12 m)
thermisch und mechanisch zerlegt werden.
– Nicht schmelzbare Fraktionen werden
aussortiert und Metalle sortenrein separiert.
– Vordekontamination in einer Strahlkabine
zur Erzielung höherer Freigabequoten nach
dem Schmelzprozess kann bei Bedarf durchgeführt werden.
Bild 1:
2
– Granulieren von Flüssigeisen
– Verwertung von Eisengranulat bei der Herstellung von Abfallbehältern aus Schwerbeton
– Verarbeitung von Eisen und Buntmetallen
sowie verzinktem Material
– Freigaben nach § 29 StrlSchV, Spalte 5,
10a und 9 für Metalle und Abfälle
– Verwertung von metallurgisch geeigneten
Metallblöcken zur Herstellung von Gussbehältern für schwach- und mittelaktive Abfalllagerung
20 Jahre Anlagenbetrieb haben gezeigt,
dass das Anlagenkonzept und die Unternehmensphilosophie Sicherheit, Ökologie und
Ökonomie vorbildlich vereinen [1].
3 Genehmigungs- und
Annahmegrenzwerte
3.1 Radiologische
Annahmegrenzwerte
Nach langjährigem erfolgreichem Betrieb wurde im März 2008 die Genehmigung
zur Annahme von Metallen und sonstigen
gießereitechnisch verwertbaren Stoffen von
ursprünglich 200 Bq/g auf nun 1.000 Bq/g
(gesamt a, b, g) erhöht. Für die Betastrahler
Fe-55, Ni-63, C-14 und H-3 sind zusätzlich
in Summe 10.000 Bq/g erlaubt. Die § 7-Genehmigung nach StrlSchV begrenzt den Anteil an Kernbrennstoffen auf 15 g/100 kg im
gesamten Prozess.
Eine nuklidspezifische Dokumentation
des Aktivitätsinventars eines Liefergebindes
ist durch den Kunden vor Anlieferung vorzulegen und ist Bestandteil der Anzeige an
die Aufsichtsbehörde. Die Genehmigung erlaubt die Annahme von Material von in- und
ausländischen Kunden.
Eine streng kundenspezifisch strukturierte Prozessführung verbunden mit umfangreichen strahlenschutztechnischen Maßnahmen bei Kunden- und Kampagnenwechseln
können Querkontaminationen ausschließen
oder zumindest auf das verfahrenstechnisch
mögliche Minimum begrenzen.
3.2 Schmelzbare Metalle
Die Anlage ist nach BImSchG für eine
Jahresschmelzmenge von 4.000 t genehmigt.
Bei einer mittleren Jahresschmelzmenge von
1.250 t im Einschichtbetrieb steht also noch
ausreichend Kapazitätsreserve zur Verfügung.
Die CARLA ist geeignet zur Verarbeitung aller Eisen- und Stahlqualitäten wie
Guss, C-Stahl, Edelstahl, verzinkter Stahl
und lackierte Stähle sowie Buntmetalle,
wie Aluminium, Kupfer, Messing und Blei.
Verbundwerkstoffe, die aus Metallkombinationen wie z.B. Edelstahl/Blei bestehen,
können ebenfalls in der CARLA behandelt
werden.
Für jede Metallart werden optimierte
Schmelzbehandlungen zur Erzielung einer
effektiven Dekontamination eingesetzt. Der
Elektroinduktionsofen kann mit verschiedenen Tiegeln ausgerüstet werden.
4 Anlagentechnik
Das Hallenkonzept der CARLA ist das
Ergebnis einer eigenen Entwicklung Mitte
Hallenlayout der CARLA-Anlage
atw 54. Jg. (2009) Heft 10 – Oktober
Recycling in der Kerntechnik
der 1980er-Jahre und vereint die Erfahrungen und Anforderungen aus sehr unterschiedlichen Bereichen wie Gießereitechnik, Strahlenschutz und Lüftungstechnik
miteinander. Das Ergebnis ist ein kompaktes Design mit einem optimalen Verhältnis
von Durchsatz zu Arbeitsfläche. Die gesamte Anlage besteht aus der CARLA-Halle mit dem Sortier- und Zerlegebereich sowie dem separat eingehausten Schmelzbereich, der Lagerhalle und den Außenlagerplätzen für Container und Gießlinge. Büround Sozialräume für die Betriebsmannschaft und den Strahlenschutz einschließlich des eigenen Messlabors komplettieren
das Gesamtbild einer autarken Betriebseinheit. Bild 1 zeigt das Hallenlayout mit den
einzelnen Arbeitsbereichen.
4.1 Anlieferungen, Lager- und
Handhabungseinrichtungen
Anlieferungen können grundsätzlich
als Straßentransport oder per Bahn erfolgen. Über den Rheinhafen Krefeld sind
bei Bedarf auch Anlieferungen per Schiff
möglich.
Angeliefertes Material, das in der Regel
in 20´-Containern verpackt ist, kann sowohl
in der Lagerhalle als auch auf dem Containerlagerplatz eingelagert werden. Beide Bereiche verfügen über eigene Krananlagen
mit Kapazitäten von 25 t bzw. 32 t und bieten Platz für ca. 150 Stück 20´-Container.
Für Anlieferungen per Bahn steht ein separates Hubgerüst zum Abladen der Container
zur Verfügung. Leere oder leicht beladene
Container können mittels 15 t-Betriebsstapler schnell und präzise gehandhabt werden.
Für die abgegossenen Metallgießlinge
steht ein versiegelter und abgeschlossener
Außenlagerplatz mit ca. 700 m2 Fläche zur
Verfügung. Anlieferungen dürfen bis zur
Verarbeitung 36 Monate, abgegossene Zwischenprodukte, wie z.B. die Gießlinge, max.
60 Monate gelagert werden.
Alle Lagerplätze sind als Kontrollbereiche eingerichtet und werden entsprechend
überwacht.
Häufigste Form der Anlieferung sind
Fässer oder Gitterboxen, in denen das Mate-
Bild 2a; Bild 2b; Bild 2c:
rial kundenseitig vorsortiert und bereits
ofengerecht zerlegt verpackt wurde. Diese
Gebindeformen ergeben sich meist aus den
jeweiligen anlagentypischen Prozeduren für
das Materialhandling und aus der Analytik.
Eine saubere Trennung der unterschiedlichen Metallarten ist ein wichtiger Faktor für
den Gesamterfolg der Materialbehandlung
in der CARLA.
Materialgemische können sich sehr ungünstig auf das Dekontaminationsverhalten
des Schmelzverfahrens, die Abfallrate als
auch auf die spätere Verwertbarkeit der Metallgießlinge auswirken und sind daher soweit wie möglich auszuschließen. Fass- und
Boxenanlieferungen werden vor dem Einschmelzen visuell kontrolliert und nur bei
Bedarf nachsortiert.
Eine weitere Form der Anlieferung stellt
Material dar, welches lose in Containern verpackt wurde. Dieses Material wird im Sortier- und Zerlegebereich vorbehandelt.
4.2 Zerlegen und Sortieren
Im Sortier- und Zerlegebereich können
heute standardmäßig Einzelteile und Komponenten bis zu der Größe eines 40´-Containers thermisch und mechanisch zerlegt werden. Für größere Komponenten wurde ein
Zerlegekonzept erarbeitet, welches eine
temporäre Erweiterung des Zerlegebereiches
beinhaltet und so auch das Handling wesentlich größerer Teile erlauben würde.
Die Container werden an die Containerschleuse der CARLA-Halle angedockt
und über die Fronttüren entladen. Das komplette Einbringen von Containern in den
Zerlegebereich zur Open-Top-Entladung ist
ebenfalls möglich.
Das Material wird sortenrein separiert
und soweit nötig ofengerecht zerlegt. Material gilt als ofengerecht bei Abmessungen
von < 500 mm x 500 mm x 1.500 mm. Für
das mechanische Trennen steht eine Hydraulikschere mit einer Presskraft von 450 t zur
Verfügung. Bei Presskanalabmessungen von
5.000 mm x 1.500 mm x 500 mm können
erfahrungsgemäß ca. 75 % der angelieferten
losen Schrotte so zerkleinert werden. In besonderen Fällen kann auch das Seilsägever-
fahren eingesetzt werden, eine im Hause
Siempelkamp erprobte und effektive Trenntechnik. Diverse Handgeräte komplettieren
das verfügbare Equipment zur mechanischen Zerlegung.
Größere oder besonders dickwandige
Komponenten können in der Brennkammer
thermisch zerkleinert werden. Dazu stehen
sowohl Gas- als auch Plasmabrenner zur
Verfügung.
Die Kombination aus beiden Verfahren,
mechanisches und thermisches Trennen, ergibt eine breite Basis für einen effektiven
und erfolgreichen Zerlegeprozess. Die Verlagerung von Zerlegearbeiten in externe Bereiche wie den der CARLA kann zu einer
deutlichen Beschleunigung der Projekte führen und dadurch unmittelbar einen hohen
Kundennutzen generieren. (Bild 2).
Neben dem Zerlegen ist das Sortieren
der Liefermenge ein wesentlicher Aspekt für
ein effektives und qualitätsgesichertes Recyclingverfahren. Im Sortierbereich der CARLA werden zuerst alle nichtmetallischen
Anteile aussortiert und in Presstrommeln
verpackt. Diese Anteile werden später als
Abfall an den Kunden zurückgeliefert. Der
nichtmetallische Anteil von Anlieferungen
sollte bei Mischabfall in der Regel nicht
mehr als 50 Gew.-% der Liefermenge betragen. Danach erfolgt die materialspezifische Aufteilung des metallischen Anteils
der Liefermenge in die verschiedenen Fraktionen der Eisen- und Nichteisenmetalle.
Eventuell erforderliche Demontagearbeiten
komplexer Baugruppen werden, soweit
sinnvoll möglich, parallel durchgeführt.
Die sortierten Anteile werden in Zwischengebinde gelagert, die über Nummernkreise
eindeutig dem Ursprungsgebinde zugeordnet werden können.
Ein weiterer möglicher Behandlungsschritt im Sortier- und Zerlegebereich ist
die Vordekontamination in einer Strahlkabine. Die Hängebahn-Schleuderstrahlanlage ist integraler Bestandteil der Abläufe in
der Anlage und wurde so dimensioniert,
dass Kabine und Schmelzofen annähernd
die gleichen Abmessungen haben. Als
Strahlmittel kommt ausschließlich Stahlgranulat zum Einsatz, das nach Verbrauch
Thermische Zerlegung und 450 t-Schere
atw 54. Jg. (2009) Heft 10 – Oktober
3
Recycling in der Kerntechnik
Bild 3a; Bild 3b; Bild 3c:
Schmelzaggregate, Induktionsofen und gasbeheizte Bleipfanne
dem Recyclingprozess zugeführt werden
kann. Die Strahlkabine verfügt über eine
eigene Filteranlage, in der die anfallenden
Stäube kundenspezifisch erfasst werden.
Die Strahlanlage kommt in der Regel dann
zum Einsatz, wenn für die laufende Kampagne die Freigabe nach dem Schmelzen
das primäre Ziel ist. In den meisten Fällen
handelt es sich dabei um Materialien, die
metallurgisch nicht für eine spätere Verwertung innerhalb der Kerntechnik bei
der Gussbehälterherstellung geeignet sind.
Diese trockene, abrasive Oberflächendekontaminationstechnik hat sich über viele
Jahre etabliert und liefert sehr gute Dekontaminationsfaktoren bei geringem Abfallaufkommen.
Ist durch Sortieren, Zerlegen und Strahlen ausreichend Material vorbereitet erfolgt
die Übergabe an den Schmelzbetrieb.
4.3 Schmelzbetrieb
Zentrales Element der CARLA ist der
Schmelzofen. Der gesamte Materialfluss
und das Lüftungskonzept sind auf diese
Komponente ausgerichtet.
Der Ofen ist ein Mittelfrequenz-Induktionsofen mit einer Kapazität von 3,2 t für
Stahl und einer Schmelzleistung bei Volllast von 2 t/h. Lüftungstechnisch vom Rest
der Halle durch eine innere Einhausung abgetrennt, kann der Ofen parallel zu den
Zerlege- und Sortierarbeiten betrieben werden (Bild 3).
Der Ofen zeichnet sich durch hohe Leistungseinkoppelung und stark ausgeprägte
elektromagnetische Zirkulation der Schmelze aus. Beides sind wesentliche Aspekte für
eine erfolgreiche Anwendung in diesem speziellen Bereich. Die Steuerung des Ofens
wurde 2008 komplett auf digitale Umrichterelektronik von ABP und SPS Siemens S7
umgestellt und sichert langfristig den Status
„Stand der Technik“. In den Ofen wurden
einige Sicherheitssysteme integriert. Ein
Überwachungssystem prüft permanent den
Zustand des Tiegels und warnt im Falle eines drohenden Tiegeldurchbruches optisch
und akustisch das Bedienpersonal. In solchen Notfällen kann der Ofeninhalt sofort in
4
eine vor dem Ofen eingelassene Abgussgrube abgegossen werden, wodurch die Anlage
direkt wieder in einen sicheren Zustand
überführt werden kann. Wichtige Ofenkomponenten, wie z.B. die Induktionsspule, werden permanent vorrätig gehalten, um im Bedarfsfall in kürzester Zeit wieder betriebsbereit zu sein. Der Spül- und Umrichterkreis
wurde mit einem speziell dimensionierten
Wasserkühlungssystem ausgerüstet, welches
sehr lange Schmelzzeiten unter Volllast erlaubt. Dies ist für einige Schmelzverfahren,
in denen die Schmelze durchaus mehrere
Behandlungsschritte durchläuft, ein wichtiger Aspekt.
Die eingebaute Ofenwaage ist in die
Steuerung eingebunden und ermöglicht die
Erfassung sämtlicher Zu- und Abgaben je
Ofencharge.
Durch den Einsatz verschiedener Tiegelmaterialien und Anwendung spezieller
Schmelzprozeduren kann der Ofen sowohl
für das Schmelzen von Stahl und Eisen als
auch für Buntmetalle wie Kupfer, Messing
und Aluminium verwendet werden. Außerdem erlaubt das Ofen- und Abluftkonzept
auch die Verarbeitung von verzinktem Stahl,
eine sehr anspruchsvolle Aufgabe, die zudem gießereierfahrenes Personal erfordert.
Siempelkamp kann für die verschiedenen
Materialien und Kontaminationsarten auf
spezielle Schmelzverfahren und Behandlungsalgorithmen zurückgreifen, die über
viele Jahre selbst entwickelt wurden und an
deren Optimierung kontinuierlich weiter gearbeitet wird.
Die Steuerung des Ofens und der Ofenbeschickung erfolgt über einen durch Spezialglasscheiben abgetrennten Leitstand. Dadurch wird die Sicherheit des Betriebspersonals erhöht und gleichzeitig die Dosisbelastung deutlich reduziert. Für das Chargieren des Schrottes in den Ofen steht neben
einem Kran mit speziellen Greifern und
Magneten ein Manipulator zur Verfügung
(Bild 3).
Dieser Manipulator wurde speziell für
das Anforderungsprofil eines Schmelzbetriebes entwickelt und erfüllt vielfältige Aufgaben. Neben der Schrottchargierung wird er
hauptsächlich zum Abgreifen der sich bildenden Schlacke von der Schmelzbadober-
fläche genutzt. Weitere Optionen sind Probenahme und Temperaturmessung, die aber
nur in Sonderfällen zur Anwendung kommen. Da der Manipulator sowohl Zug- als
auch Druckkräfte aufbringen kann, ist er ein
wichtiges Element im Betriebs- und Sicherheitskonzept der Anlage geworden. Die Bedienung des Manipulators erfolgt aus dem
Leitstand heraus von einem Operatorplatz
mit optimaler Sichtposition in die innere
Einhausung. Mittels Joystick und Kamerasystem kann der Operator sehr präzise am
und im Ofen arbeiten. Die Spezialkamera ermöglicht gleichzeitig eine ständige visuelle Kontrolle der Schmelze und erlaubt dem Operator in Interventionsfällen
ein fernhantiertes Eingreifen mittels Manipulator.
Ganz ohne personellen Einsatz kommt
der CARLA-Ofenbetrieb jedoch nicht aus.
Zuarbeiten beim Abschlacken, Temperaturmessen oder Probenehmen sind manuell am
effektivsten durchzuführen.
Das Einschmelzen von Blei wird nicht
im Induktionsofen durchgeführt. Hierzu
steht ein separates Aggregat in Form einer
adaptierten Schmelzpfanne mit einem temperaturgesteuerten Gasbrenner zur Verfügung (Bild 3). Die niedrige Schmelztemperatur von Blei sowie dessen Penetrationsverhalten in Tiegelstampfmassen führten zu
dieser technischen Lösung, die sich bei einer mittleren Jahresschmelzmenge von 50 t
Blei etabliert hat. Die Bleipfanne wird im
Betrieb direkt unter dem schwenkbaren Absaugstutzen des Ofens platziert, wodurch
entstehende Bleidämpfe vollständig erfasst
werden. Das geschmolzene Blei wird anschließend gespült und dabei turbulent
durchmischt. Dieser Behandlungsschritt
dient primär der Reinigung der Bleischmelze. Aufschwimmende Schlacken, hier auch
Krätzen genannt, werden abgezogen und
verpackt.
Wie alle Nichteisenmetalle (Kupfer,
Messing, Aluminium) weist Blei im besonderen Maße deutlich höhere Dekontfaktoren
durch Schmelzen auf, als zum Beispiel Stahl
und Eisen.
Nach dem Schmelzen, Behandeln, Abschlacken und der Beprobung erfolgt der
Abguss.
atw 54. Jg. (2009) Heft 10 – Oktober
Recycling in der Kerntechnik
Bild 4a; Bild 4b; Bild 4c:
Abguss zu 1 t-Block
4.4 Abguss der Schmelze
Der Abguss der Schmelze (Bild 4) erfolgt üblicherweise in vorgewärmte, zylindrische Dauerformen, auch als Kokillen bezeichnet. Die Form der Kokille wurde so gewählt, dass der später erstarrte Metallblock
annährend den Innenmaßen eines 200-l-Fasses entspricht. Die Kokillen bestehen aus einer äußeren Stahlhülle mit Tragzapfen zum
Handling und einem gebrannten Feuerfesttiegel als Einsatz. Der Tiegeleinsatz ist gießereikonform ausgeführt und thermomechanisch sehr stabil. Dadurch können die Kokillen über längere Zeit quasi als Dauerform genutzt werden, was zur Minimierung der Sekundärabfallmenge beiträgt. Nach intensiven
Optimierungsmaßnahmen können die Einsätze heute für mindestens 80 bis 100 Abgüsse genutzt werden. Nachdem sich die
Schmelze beruhigt hat, werden noch vorhandene Schlackereste von der Oberfläche entfernt und ein Eisenbügel in die Schmelze
eingesetzt, der später die sichere Handhabung des Blockes ermöglicht. Mit dem Bügel wird auch ein Stahlblechstreifen mit einer Schlagzahlkennung angebracht. Diese
Blocknummer wird später nochmals als dauerhafte Farbmarkierung auf die Mantelfläche des Blockes aufgebracht, wodurch die
Blöcke jederzeit eindeutig und sicher der
Ursprungscharge zuzuordnen sind. In der
Kokillenkühlstation werden die befüllten
Kokillen dann für einen Tag zur Abkühlung
eingestellt. Danach werden die Blöcke aus
der Kokille gezogen und in der Strahlkabine
von eventuell noch anhaftenden Schlacke-
Bild 5:
partikeln befreit. Obwohl die Blöcke verfahrensbedingt frei von Oberflächenkontamination sind, werden alle Blöcke vor dem Ausschleusen durch den Strahlenschutz ausgemessen und für die Außenlagerung freigegeben. Die Eisenblöcke haben ein mittleres
Gewicht von 1.000 kg und durch die schnelle Erstarrung eine extrem harte Oberfläche.
Projekt- und verfahrensbedingt kann keine
spezifizierte Qualität der Eisenblöcke erreicht werden. Diese Punkte subsumieren
sich als passive Sicherheit, worauf später
noch eingegangen wird. Es sei an dieser
Stelle auch auf das optimale Verhältnis
von Masse zu Oberfläche eines solchen
Blockes hingewiesen. Die Metallblöcke
werden auf dem Blocklagerplatz nach Verwertungsklassen eingelagert, bis die Entscheidung über den weiteren Verwertungsweg in Abstimmung mit dem Kunden getroffen wurde.
Eine weitere Abgussform bei Siempelkamp ist das Eisengranulat (Bild 5). Diese
wird vorrangig für Material angewendet, das
nicht für die Herstellung von qualifiziertem
Guss geeignet ist. Die gesamte Verfahrenstechnik resultiert aus einem eigenen Entwicklungsprojekt und wird seit Mitte der 1990erJahre als Alternative angeboten. Das flüssige Eisen wird hierbei nach einer kalkulierten
Überhitzung in eine Gießpfanne in Chargen
von je 1.500 kg abgegossen. Zur Entgasung
der Schmelze werden entsprechende Additive zugegeben. Die Gießpfanne wird zur
Granulierstation transportiert, und dort wird
das Flüssigeisen in einer vorgegebenen Geschwindigkeit durch einen Hochdruckwas-
serstrahl in das Granulierbecken abgegossen. Über die Parameter der Schmelze, wie
chemische Analyse, Temperatur, Sauerstoffgehalt und Gießgeschwindigkeit sowie
Druck und Temperatur des Wasserstrahles,
lassen sich Form und Größe des Granulates
beeinflussen. Zielgrößen unseres Verfahrens
sind kugelförmige Granulate mit Körnungen
von bis zu 8 mm. Nach dem Abkühlen wird
das Granulat in einem Drehrohrofen getrocknet und anschließend entweder in 200-l-Fässer oder BigBags abgefüllt. Je Granulatcharge wird zusätzlich die Schüttdichte ermittelt
und dokumentiert. Das Granulat wird vorrangig als Beton-Zuschlagstoff für die Herstellung von Granulatbetonbehältern eingesetzt. Dabei wird das sonst zum Einsatz
kommende Hämatit durch Eisengranulat
substituiert und so Betondichten von ca.
4 g/cm3 erzielt. Damit stellt das Granulat einen weiteren wichtigen Baustein in unserem
Recyclingkonzept dar.
Natürlich kann das Granulat auch anderweitig genutzt werden, wie z.B. für die
Hohlraumverfüllung bei der Konditionierung von Endlagergebinden.
Andere Abgussformen können bei Bedarf kundenspezifisch realisiert werden.
4.5 Lüftungstechnik
Die Abluft- und Filtertechnik ist eines der wichtigsten Elemente im Sicherheitskonzept der CARLA-Anlage. Das Abluftsystem hat sicherzustellen, dass unkontrollierte Abgaben radioaktiver Stoffe an
Recyclingpfad Granulat
atw 54. Jg. (2009) Heft 10 – Oktober
5
Recycling in der Kerntechnik
die Umwelt ausgeschlossen sind,
dass Ableitungen radioaktiver Stoffe
über die Luft die Grenzwerte der
StrlSchV nicht überschreiten, und
dass die Dosisbelastung der Mitarbeiter in den Arbeitsbereichen soweit
möglich minimiert wird. Dazu ist das
Abluftsystem in mehrere Zonen aufgebaut. Der Ofen wird über eine sehr
effektive Kombination aus Ringabsaugung und schwenkbarer Ofenhaube mit 15.000 m3/h abgesaugt. Weitere 15.000 m3/h umfasst die Firstabsaugung der Inneren Einhausung.
Damit werden ca. 60 % der gesamten
Absaugleistung auf diesen räumlich
begrenzten Bereich konzentriert und
sehr hohe Luftwechselraten sichergeBild 6: Filteranlage
stellt. Im Sortier- und Zerlegebereich
werden neben der Firstabsaugung für die
Schmelzdekontamination und Freigabe erHalle separate Bereichsabsaugungen für die
zielbar ist, macht diesen Pfad zu einem
Schere, die Brennkammer und die Strahlkaökonomischen Baustein eines jeden Entsorbine betrieben, auf die die restlichen ca.
gungsprojektes [2].
40 % der Absaugleistung entfallen. Die FilDie Verteilung der Schmelzmengen
teranlage ist redundant ausgeführt und benach In- und Auslandskunden zeigte mit ca.
steht jeweils aus einem Zyklon, einem
93 % den hohen Anteil aus deutschen AnlaTuchfilter und einem HEPA-Filter, der sich
gen. Einen Anteil von 7 % hatten Projekte
durch einen Abscheidegrad von 99,997 %
mit Kunden aus dem europäischen Ausland.
auszeichnet (Bild 6). Die Anlage wird durch
In diesen Märkten liegt Potenzial zur EinDruckdifferenzmessung überwacht und reiführung der in Deutschland entwickelten
nigt sich automatisch bei Erreichen der einRecyclingoptionen.
gestellten Grenzwerte durch Vibration ab.
Gefüllte Staubfässer werden durch optische
Signale im Leitstand angezeigt und dann
ausgetauscht. Durch den permanenten Betrieb der Filteranlage wird eine Druckdifferenz von 0,1 mbar erzeugt, die eine gerichtete Luftströmung von Außen nach Innen
gewährleistet.
Durch das breite Spektrum an Behandlungs- und Verwertungsoptionen, das die
CARLA für radioaktive Metalle anbieten
kann und das in Bild 8 dargestellt wird, kann
Siempelkamp im internationalen Vergleich
eine Spitzenposition einnehmen. Die Rückführung der Metalle in den Wertstoffkreislauf, sei es in Form neuer Produkte für die
Kerntechnik oder als Sekundärrohstoff nach
erfolgter Freigabe, ist die primäre Aufgabe,
der sich Siempelkamp mit dem Betrieb und
der Weiterentwicklung der CARLA stellt.
Die bisherige Verwertungsbilanz ist beeindruckend und macht deutlich, dass Siempelkamp derzeit der einzige Anbieter in diesem
Segment ist, der einen wirklich geschlossenen Kreislauf anbieten kann. All dies funktioniert natürlich nur mit starken Partnern
wie z.B. der Gesellschaft für Nuklear-Service mbH, die den Großteil der Recyclingkomponenten als Verpackungen für radioaktiven Abfall einsetzen.
Ein erfolgreiches Schmelz- und Recyclingverfahren ermöglicht maximale Volumen- und Kostenreduktion hinsichtlich der
Endlagerung. Von den eingesetzten 100 %
Metallschrott bleiben in der Regel nach der
Schmelzbehandlung ca. 5 % radioaktiver Abfall in Form von Sekundärabfällen übrig,
die endzulagern sind. 95 % der Einsatzmenge können verwertet werden, soweit die
5 Bilanzen
In 20 Jahren effektiven Anlagenbetriebes konnten 25.000 t radioaktiv belastete
Metalle behandelt werden. Mit 23.400 t stellen die Eisenmetalle dabei den deutlich dominierenden Anteil dar, was sowohl den
Anlagenkonzepten unserer Kunden als auch
unseren Recyclingoptionen geschuldet ist
(Bild 7). Dabei werden alle Sorten von
FE-Metallen wie Eisen, C-Stahl, Edelstahl
und verzinkter Stahl eingeschmolzen. Der
Stahl kann dabei auch nahezu beliebig beschichtet sein, ohne dass sich dies negativ
auf das Verfahren auswirken würde. Eine
Einschränkung gilt für Gummierungen, die
im Einzelfall betrachtet werden müssen,
aber auch nicht generell ausgeschlossen
werden. Neben dieser großen Menge an Eisen und Stahl konnten auch 1.600 t
NE-Metalle erfolgreich schmelztechnisch
behandelt und einer Verwertung zugeführt
werden. Die hohe Wertschöpfung, die
durch die Rückführung der Buntmetalle in
den Rohstoffmarkt nach erfolgreicher
6
Bild 7:
Materialbilanz
Bild 8:
Verwertungsbilanz
atw 54. Jg. (2009) Heft 10 – Oktober
Recycling in der Kerntechnik
Bild 9:
Abfallbilanz
dargelegten Optionen nutzbar sind. Die
Menge an Sekundärabfall ist dabei ausschließlich materialabhängig und unterliegt
Schwankungen. Aus dem bisherigen Betrieb hat sich folgende Aufteilung der Abfallarten als statistisches Mittel ergeben
(Bild 9).
6 Freigaben
Neben der Verwertung der Metallgießlinge aus der CARLA bei der Herstellung
neuer Produkte für die Kerntechnik spielt
die Freigabe und spätere Nutzung als Sekundärrohstoff eine wichtige Rolle in unserem Recyclingkonzept. Das Schmelzverfahren liefert dazu verfahrenstechnisch die mit
Abstand besten Voraussetzungen. Eine homogene flüssige Schmelze lässt sich sehr
einfach repräsentativ beproben und anhand
dieser Standardproben effektiv radiologisch
analysieren. Mit einer sogenannten Talerprobe können ca. 3.000 kg Metallschmelze
qualifiziert werden. Der Beprobungs- und
Messaufwand anderer Verfahren ist bei gleicher Qualität deutlich höher. Zusätzlich entnommene Rückstellproben können jederzeit
zu Kontrollzwecken durch Behörden, Sachverständige oder auch den Kunden herangezogen werden. Die verfahrensbedingte
Mischqualität in der Materialanalyse, Geometrie und Masse der Gießlinge (ca. 1.000
kg) sowie deren sehr harte Oberfläche sind
passive Sicherheitsfaktoren, die jede andere
Nutzung als das erneute Einschmelzen zusammen mit anderen Schrotten nach erfolgter Freigabe ausschließen. Neben den aktiven Maßnahmen, wie z.B. entsprechende
Verpflichtungserklärungen der Abnehmer,
sind es gerade diese passiven Aspekte, die
eindeutig für den Gießling als bevorzugtes Freigabeobjekt bei Metallen sprechen.
Siempelkamp führt seit Mitte der 1990erJahre Freigaben im Rahmen der erteilten
atw 54. Jg. (2009) Heft 10 – Oktober
Bild 10: Detektoranlage
Umgangsgenehmigung durch. In der aktuellen Genehmigung U 101/01 vom 19. März
2008 ist die Freigabe nach § 29 StrSchV mit
Auflagen zum Verfahren integriert. Ergänzende Regelungen zur Freigabe von Metallen finden sich in 2 Freigabebescheiden der
Genehmigungsbehörde. Metalle werden
demnach im Standardverfahren nach Spalte
5 oder 10a freigegeben und unter Beachtung
der entsprechenden Randbedingungen in
den Wertstoffkreislauf zurückgeführt. Als
letzter interner Prüfschritt hat sich dabei der
Einsatz einer Großflächen-Detektoranlage
zur Überprüfung der Marktgängigkeit der
Blöcke bewährt (Bild 10). Sollte sich für
Blöcke, die nach Spalte 10a freigegeben
werden könnten, kein Abnehmer auf dem
Metallmarkt finden, kann Siempelkamp auf
eine interne Lösung über die Schmelzanlage
GERTA zurückgreifen. Diese Variante ist
auf ca. 250 Jahrestonnen begrenzt und stellt
einen weiteren Baustein des Servicepaketes
dar. Hinsichtlich der Abläufe sind die Metallfreigaben nach Spalte 5 und 10a gleichgestellt, da die Verwertungswege in beiden Fällen stets identisch sind. Die jahrelange Zusammenarbeit mit ausgewählten Schrotthändlern, die sich in den unterschiedlichen Marktsegmenten der Eisen- und Nichteisenmetallbranche etabliert haben, eröffnet uns einen
sowohl qualitativ als auch auf Dauer abgesicherten Zugang zu den Abnehmern, den
Stahl- und Hüttenwerken.
Jährlich werden bei Siempelkamp zwischen 300 und 600 t Gießlinge freigegeben.
Für Metallblöcke, deren
Restaktivität
nach
der
Schmelzbehandlung oberhalb
der Freigabewerte liegt, kann
eine Abklinglagerung mit
späterer Freigabe eine sehr
sinnvolle Option darstellen.
So können weiteres Abfallvolumen vermieden und Rohstoffe erhalten werden. Siempelkamp kann in Zusammenarbeit mit einem anderen Genehmigungsinhaber eine externe Abklinglagerung anbieten. Dafür steht in einem nach § 7 StrSchV genehmigten Bereich ein Areal
für max. 1.000 t CARLA-Gießlinge zur
Verfügung.
Sollten alle Bemühungen scheitern, für
einzelne Metallgießlinge eine Verwertung
im Rahmen unserer Optionen und des behördlich fixierten Zeitfensters umzusetzen,
besteht die Möglichkeit, solche Gießlinge
nach Spalte 9 als Abfall freizugeben und zu
entsorgen. Hierzu stehen entsprechend genehmigte Entsorgungswege zur Verfügung.
Die jährliche Abgabemenge ist derzeit begrenzt auf 100 t.
Neben den Metallen kann Siempelkamp
auch Prozessabfälle wie z.B. Schlacke,
Staub und Ofenausbruch freigeben und
Bild 11: Messlabor der CARLA-Anlage
7
Recycling in der Kerntechnik
entsorgen. Die Freigabe von Abfällen bedarf der Genehmigung durch die Genehmigungsbehörde und erfolgt in Form kampagnenbezogener Freigabebescheide. Auch
für diese Abfälle liegen genehmigte Entsorgungswege vor, die auf Jahresmengen
von 30 t begrenzt sind. Da sich in den Prozessabfällen die Aktivität verfahrensbedingt
konzentriert, ist dieses Kontingent in der
Vergangenheit stets abdeckend gewesen.
Beide Aspekte, die Freigabe von Metallgießlingen und die Freigabe von Sekundärabfällen, sind wichtige Bestandteile aller
laufenden Projekte in der CARLA, wenngleich diese von Fall zu Fall sehr unterschiedlich gehandhabt werden. Freigaben
werden nur mit Zustimmung des Kunden initiiert und durchgeführt, wobei kundenspezifische Anforderungen jederzeit berücksichtigt werden.
ISO/IEC 17025 akkreditiertes Messlabor, in
dem sämtliche Materialproben aus dem laufenden Prozess qualitätsgesichert analysiert
werden und das auch externen Kunden offen
steht. Es stehen 3 Reinstgermaniumdetektoren für gammaspektrometrische Messungen
zur Verfügung (Bild 11). Das Labor nimmt
seit 1997 am Ringversuch des Bundesamtes
für Strahlenschutz (BfS) teil und konnte stets
mit sehr guten Ergebnissen überzeugen.
8 Referenzen
[1] U. Quade, T. Kluth: German Experience in
Recycling of Ferrous Metallic Residues from Nuclear Decommissioning by Melting. Proc. SFEN,
Decommissioning Challenges: An Industrial Reality? Avignon, Sept. 2008
[2] U. Quade, T. Kluth, R. Kreh: Melting of
Low-Level Radioactive Non-Ferrous Metal for
Release. Proc. ICEM ’07, Paper 7036, Brügge,
Sept. 2007
o
ã Copyright INFORUM Verlag
Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil dieses Sonderdruckes darf ohne schriftliche Genehmigung des
Verlages vervielfältigt werden. Unter dieses Verbot fällt insbesondere auch die gewerbliche Vervielfältigung per Kopie, die Aufnahme in elektronische Datenbanken und die Vervielfältigung auf
CD-ROM.
_____________________
Anzeige
7 Strahlenschutz und Analytik
Die Mitarbeiter in der CARLA sind beruflich strahlenexponierte Personen der Kategorie A und unterliegen gemäß § 60
StrlSchV einer ständigen arbeitsmedizinischen Überwachung. Die Effektivität des
Gesamtkonzeptes „CARLA“ lässt sich dabei
auch anhand der Mitarbeiterdosen verdeutlichen. Die amtliche Dosis wird mit Hilfe
von Gleitschatten-Filmdosimetern ermittelt,
die beim Materialprüfungsamt Dortmund
monatlich ausgewertet werden. In der Regel
wird dabei der Schwellenwert von 100 mSv
unterschritten, sodass als Monatsdosis 0 mSv
registriert werden kann. Die nichtamtliche
Dosis der Mitarbeiter wird mit elektronischen
Dosimetern gemessen. Die Anzeigegenauigkeit liegt hier bei 1 mSv, wodurch eine Auflösung auf Tagesdosen möglich wird. Die
ermittelten Dosen werden kontinuierlich erfasst und ausgewertet. Dabei zeigt sich in
dem aktuellen Auswertezeitraum der Jahre
2000 bis 2008 ein sehr niedriges Niveau an
Mitarbeiter – Jahresdosen von < 1 mSv mit
fallender Tendenz. Die halbjährlich durchgeführten Inkorporationsuntersuchungen beim
Landesinstitut für Gesundheit und Arbeit in
Düsseldorf erbrachten in den zurückliegenden Jahren keine Ergebnisse oberhalb der
Nachweisgrenze.
Die Ermittlung der Ableitungen mit der
Luft wird für die CARLA mit einem Luftentnahmesystem in der Reinluft durchgeführt.
Dazu ist am Kamin ein Aerosolsammelgerät installiert. Über einen Bypass wird ein
kleiner Teil des Abluftstromes isokinetisch
über einen Filter geleitet, der monatlich
gammaspektrometrisch ausgewertet wird.
Die Messergebnisse liefern am Beispiel von
Co-60 und Cs-137 üblicherweise Grenzwertausschöpfungen von < 1 % für die Anlage.
Zum Leistungsspektrum der CARLA
gehört auch ein eigenes, nach DIN EN
8
atw 54. Jg. (2009) Heft 10 – Oktober