Natte werveling

In de as van de vuilverbrandingsovens blijven ieder jaar duizenden kilo's metaal achter. Met natte-wervelstroomscheiding is veel betere terugwinning mogelijk.

Dankzij zijn dimples kan een golfbal meer dan 400 meter ver worden geslagen. Dit komt door de opwaartse kracht die een roterend lichaam ondervindt als gevolg van asymmetrische turbulenties die er achter ontstaan. Dit zogenaamde `Magnus-effect' is genoemd naar de Duitse fysicus en chemicus H.G. Magnus die het als eerste in 1853 experimenteel heeft onderzocht. Het speelt ook een essentiële rol in cricket, baseball en tennis, maar afgezien daarvan zijn er vrijwel geen praktische toepassingen bekend. Recentelijk is er echter een patent verleend op een natte wervelstroom-metaal-scheidingsmethode die is ontwikkeld aan de Technische Universiteit Delft en waarbij gebruikt wordt gemaakt van het Magnus-effect. Dankzij deze vinding kunnen binnenkort vrijwel alle metalen uit de afvalstroom worden teruggewonnen.

De afvalverbrandingsinstallaties in Nederland genereren jaarlijks een miljoen ton bodemas. Hieruit wordt met behulp van magneten alle ijzer verwijderd. De veel waardevollere metalen zoals koper en aluminium kunnen slechts gedeeltelijk worden teruggewonnen in wervelstroomscheiders. De reststroom daarvan wordt in Nederland aangemerkt als een speciale categorie bouwmateriaal, dat bijvoorbeeld gebruikt mag worden als ondergrond bij de aanleg van wegen. Voorwaarde is wel dat het altijd boven het grondwaterniveau, en geïsoleerd van andere grondlagen wordt aangebracht. Tevens moeten de locaties waar bodemas wordt gebruikt notarieel geregistreerd worden. In België is het niet toegestaan om bodemas te hergebruiken. Het mag daar alleen op speciale locaties worden gestort.

Ongeveer de helft van alle bodemas bevindt zich in de zogenaamde `fijne fractie': deeltjes met afmetingen kleiner dan ca. 10-15 mm. Deze reststroom wordt momenteel niet verder verwerkt, hoofdzakelijk omdat het niet mogelijk is om hieruit de ca. 2.5% metalen die het bevat terug te winnen. Maar met de nieuwe natte wervelstroomscheider kunnen alle metaaldeeltjes groter dan 0.5 mm uit bodemas worden teruggewonnen.

Het hart van een gewone (droge) wervelstroomscheider wordt gevormd door een krachtige, zeer snel ronddraaiende permanente magneet. De stroom bodemas wordt daar vlak langs geleid, waardoor in de metaaldeeltjes wervelstromen (Eddy currents) ontstaan die een elektromagnetisch veld opwekken. Het worden daardoor kleine (elektro)magneetjes met een polariteit tegengesteld aan die van de roterende magneet. De niet-metaalhoudende stroom gaat onverstoord verder, maar het metaal wordt afgestoten en belandt elders. Deze manier om metaal uit afvalstromen te scheiden wordt reeds lang toegepast. Het eerste patent voor een wervelstroomscheider werd al in 1889 verleend aan Thomas Edison.

Helaas hebben droge wervelstroomscheiders een fysische beperking: alleen in metaaldeeltjes met een diameter groter dan ca. 5 mm kan een voldoende sterk magnetisch veld worden opgewekt om de deeltjes uit de stroom te stoten. De magnetische kracht is namelijk evenredig met de vijfde macht van de diameter, maar de massa schaalt slechts met de derde macht daarvan. De hoeveelheid metaal die hierdoor in de bodemas achterblijft is enorm: ca. 6.000 ton aluminium en 6.000 ton andere metalen (voornamelijk koper) gaan zo jaarlijks verloren. De omvang van dit verlies wordt nog beter benadrukt door het opmerkelijke feit dat het kopergehalte in bodemas bijna tweemaal zo hoog is als in de rijkste natuurlijke koperertsen voorkomt. Koper begint steeds schaarser te worden, en de prijs op de wereldmarkt ligt momenteel rond de 4000 gulden per ton. Dat betekent dat er alleen al in Nederland jaarlijks voor ruim 20 miljoen gulden aan koper de grond in verdwijnt.

Peter Rem van de faculteit Technische Aardwetenschappen van de Technische Universiteit Delft heeft recentelijk een natte wervelstroomscheiding ontwikkeld die ook het metaal uit de fijne fractie bodemas kan separeren. Het enige verschil met een droge wervelstroomscheiding is dat de stroom bodemas in een waterbassin valt, waardoor het Magnus-effect vele malen groter wordt dan in lucht. Tijdens zijn onderzoek naar het vergroten van de efficiëntie van wervel-stroomscheiding stuitte hij op discrepanties tussen de theorie en de experimenten die werden uitgevoerd. Metaaldeeltjes waarin wervelstromen worden opgewekt worden niet alleen elektromagnetisch, maar gaan tevens snel roteren, met enkele honderden omwentelingen per seconde. Rem hoopte dat onder invloed van het Magnus-effect de metaaldeeltjes zodanig zouden afbuigen dat ze konden worden gescheiden van de hoofdstroom. Maar de voorspelbaarheid van dit subtiele effect werd sterk bemoeilijkt door de invloed van turbulentie en luchtweerstand. Over een verval van een halve meter werd slechts een afbuiging van een enkele centimeter bewerkstelligt – onvoldoende voor een praktische separatie. Om de deeltjes te kunnen vertragen liet Rem ze in een bak water vallen. Het resultaat was verbijsterend: de afwijking werd tienmaal zo groot.

De krachtige werking van het Magnus-effect in water is heel eenvoudig te demonstreren, ook zonder draaiende magneten. Neem een bak water en laat daarin vanaf een hellend oppervlak metalen cylinders rollen. Op de foto is goed te zien hoe de roterende cylinders als gevolg van het Magnus-effect sterk naar rechts worden afgebogen. Niet-roterend materiaal ondervindt deze kracht niet, en belandt (als gevolg van de voorwaartse kracht) links onderin. Hoewel het effect maximaal is voor cylindervormige objecten (de horizontale verplaatsing in dit experiment is bijna 100% van de verticale weglengte) geeft het Magnus-effect ook aan roterende deeltje van willekeurige vorm een voldoende grote afbuiging om scheiding praktisch uitvoerbaar te maken. Rem kreeg een patent op zijn vinding en legde zijn uitgebreide kennis en ervaring vast in een monografie, getiteld Eddy Current Separation. Een door machinebouwer Bakker Magnetics gefabriceerd prototype op basis van natte wervelstroomscheiding is momenteel operationeel bij de TU Delft. De verwerkingscapaciteit van deze machine is ongeveer 8.5 ton bodemas per uur. Daarmee kan ruim 100 kg aluminium 100 kg koper per uur worden teruggewonnen. Naar verwachting zullen de eerste commerciële machines deze zomer op de markt komen.

In 2002 wordt de speciale categorie bouwmaterialen afgeschaft. Dat betekent dat bodemas in de huidige samenstelling niet langer mag worden hergebruikt. Maar indien ook de fijne fractie metaal daaruit verwijderd is, ressorteert de reststroom onder categorie 1 of 2 bouwmateriaal, en dat mag zonder verdere voorzorgsmaat-regelen worden gebruikt voor bijvoorbeeld dijkverzwaring of de aanleg van wegen. De Delftse vinding komt daarmee mooi op tijd, in tegenstelling tot een van de zeldzame andere praktische toepassingen van het Magnus effect: het Rotorschip van Anton Flettner. In 1924 werd de bouw van de Bruckau voltooid, een schip dat werd aangedreven door twee roterende cylinders die vertikaal voor en achter op het dek stonden. Door het Magnus-effect leverden die rotoren het equivalent van 850 vierkante meter zeildoek. In 1926 `zeilde' het schip (onder de naam Baden Baden) via Zuid Amerika naar New York. Maar jammer genoeg voor Flettner waren zeil-schepen reeds lang achterhaald.