7. Feinsand-Rückgewinnung und Goldsortierung in Kies- und Sandwerken

Dipl.-Ing. Bernd Bohle, Bohle Ing.-Beratung, Oer-Erkenschwick, Deutschland

7.1 Feinsand-Rückgewinnung in Kies- und Sandwerken

In den vergangenen Jahren sind leistungsfähige Verfahren zur Feinsandrückgewinnung in der europäischen Kies- und Sandindustrie eingeführt worden. Wir berichteten bereits im letzten Jahr an dieser Stelle über unsere Schrägzyklon-Systeme. Bei Anfall von Feinkornanteilen in Unterläufen von Siebmaschinen, bei der Grobsand-und Kiesaufbereitung, in Überlaufen von Aufstromsortieren, Sandwäschen, Aquamatoren und Schöpfrädern wird der Einsatz von Rückgewinnungsanlagen aus wirtschaftlichen Gründen erforderlich, um Verluste an Fein-und Feinstfraktionen zu vermeiden, die für synthetische Körnungen i. d. R. benötigt werden.

Das Waschen mit Wasser in einem Kieswerk hat natürlich auch den Rückfluß an Abwasser zurück zum Baggersee, in einen Schlammteich oder in eine Abwasser-Aufbereitungsanlage zur Folge. Auch wenn der Kieswerksbetreiber glaubt, ausreichend für eine Feinsandproduktion Sorge getragen zu haben, so wundert er sich oft , dass trotz aller vermeintlichen Schutzmaßnahmen sein „Auffangsystem“ wie z.B.Baggersee an der einen oder anderen Stelle relativ schnell wieder versandet, oder Fraktionen mit abschlämmbaren Bestandteilen sich wolkenmäßig auf der Baggerseeoberfläche ausbreiten.

Die nachfolgenden Aufnahmen stellen nur einzelne Fälle von Feinsandverlusten in der deutschen Kies- und Sandindustrie dar.

Feinsandverluste auf einem Greifbagger

Bild 1: Feinsandverluste auf einem Greifbagger (Quelle: Bohle)

Bild 2: Feinsandverluste am Auslauf einer Abwasserleitung (Quelle: Bohle)

Bild 3: 63 µm-Prüfsieb gezogen aus einem überlasteten Schöpfrad (Quelle Bohle)

Man weiß also, dass man verkaufsfähige Sandprodukte im Abwasserteich wieder verliert und dass man sie gegebenenfalls in einer aufwendigen Nachbaggerphase wieder neu gewinnen muss.

Manchmal kommt es sogar vor, dass Kieswerksbetreiber Fremdsand zur Erfüllung ihrer Produktqualität zukaufen und gleichzeitig ihren eigenen gewonnenen Feinsand ungewonnen in den Teich abfließen sehen.

Bei der Feinsandtrennung mit Hydrozyklonen sind Fehlausträge an Grobkorn im Überlauf sowie an Feinstkorn im Unterlauf nicht zu vermeiden. Außerdem führen unterschiedliche Feststoffgehalte in der Aufgabe oftmals zu Schwankungen bei der Eindickung des Zyklonunterlaufs.

Bild 4: Fehlkornaustrag im Unterlauf (Quelle: Multotec)

Bild 4: Fehlkornaustrag im Überlauf (Quelle: Multotec)

Diesen Schwankungen entgegnet man mit der Installation von vertikalen Zyklonen mit vakuumgesteuerter Unterlauftasche (Stacker Cyclones), oft verbunden mit dem Nachteil des siltigen Fehlkornaustrages im Überlauf bei Übersteuerung des Vakuums.

Bild 6: Vakuumgesteuerter Taschenzyklon (Quelle Multotec)

Bei konisch zulaufenden Zyklonen ist der Einbau in vertikaler Lage oder liegend möglich, wobei der Zyklon unter besonderen Einsatzbedingungen auch in Schräglage betrieben werden kann. Die Vorteile, die sich aus der Schräglage für die betriebliche Praxis ergeben, werden nachfolgend vorgestellt.

Bild 7: Flüssigkeitssäule im Vertikalzyklon (Quelle: Multotec)

Bild 8: Flüssigkeitssäule im Schrägzyklon

Die liegende bzw. schräggeneigte Installation von Hydrozyklonen findet man vor allem bei großen Zyklonen mit Nenndurchmessern über 400 mm. In diesem Fall verringert sich der in der Unterlaufdüse anstehende Flüssigkeitssäulen-Druck (Fg) um die Höhe der eingesparten Suspensionssäule. Bei den ohnehin recht niedrigen Aufgabedrücken für große Zyklone um ca. 70 kPa ist dieser Anteil durchaus nicht zu vernachlässigen. Der Luftkern kann beim liegenden Zyklon in der Unterlaufdüse wie ein Luftpolster wirken, wobei sein Durchmesser je nach Feststoffkonzentration variiert: Bei höheren Konzentrationen expandiert der Luftkern, bei geringeren Feststoffgehalten konzentriert er sich. Dies hat zur Folge, dass die Feststoffkonzentration im Unterlauf auch bei wechselnden Aufgabebedingungen nahezu konstant bleibt. Außerdem wird der Einsatz größerer Unterlaufdüsen möglich, da ein Umschlagen zum Strangaustrag nicht zu erwarten ist.

Bild 9: Luftkern als Luftpolster in der Unterlaufdüse (Quelle: Bohle)

Die Verringerung des Druckes in der Unterlaufdüse und die Erhöhung des Düsendurchmessers führt zu einem veränderten Austragsverhalten: Es liegen wesentlich geringere Austragsgeschwindigkeiten vor, was sich positiv auf die Standzeiten der Unterlaufdüsen und damit auf die Betriebskosten auswirkt.

Weitere Vorteile von schrägliegenden Zyklonen gegenüber Vertikalzyklonen sind:

  • Die Überlauf- und Unterlaufaustragseinrichtungen befinden sich auf einem Bühnenniveau; der Zugang zum Aggregat wird erleichtert und das Austragsverhalten kann leichter kontrolliert werden.

Schrägzyklone beanspruchen vor allem bei größeren Zyklondurchmessern eine wesentlich geringere Installationshöhe als Vertikalzyklone; damit ergeben sich Kosteneinsparungen bei Stahlbau, Pumpenbetrieb und -einbau.

  • Auf vakuumgesteuerte Unterlauftascheninstallationen kann kosteneinsparend verzichtet werden
  • Schrägzyklone werden aufgrund ihrer geringeren Einlaufhöhe bei Freifalleinrichtungen eingesetzt; dies spart die zusätzliche installation und Investition von Pumpenvorlagebehältern und Pumpen.

Etliche Betriebseinsätze bei der Feinsandrückgewinnung haben gezeigt, dass überall dort, wo konstante Unterlauf-Feststoffverhältnisse gefordert sind, der Einsatz von Schrägzyklonen erfolgreich ist.

Bild 10: Freifallzyklon nach einem Aufstromsortierer für 950 m³/h Feinsand-Trübe (Quelle: Bohle)

7.2 Goldsortierung in Kies- und Sandwerken

… und was passiert, wenn dann noch alluviales Gold im Sand ist …?

Zunächst einige Pressestimmen/Pressetitel:

„Der Traum vom Rheingold“
„Goldenes Zeitalter für Europas Kiesgruben“
„beträchtlichen Mengen Goldes aus Kies und Sand“
„Gold tonnenweise gewinnbar“

7.2.1 Vorkommen von alluvialem Gold in Deutschland

  • Rhein (Oberrhein bis Niederrhein)
  • Edergebiet
  • Thüringen
  • Bayerischer Wald, Fichtelgebirge
  • Alpenflüsse
  • Donau
  • norddeutscher Moränenbereich

Vorwiegend in weiten Flusstälern (z.B. Oberrheintal) werden Goldablagerungen geologisch dargestellt. Dabei ist Gold eher fein anzufinden, in sichelförmigen Anreicherungen in den Beruhigungszonen der Innenkurven, über weite Flächen lokal und vertikal (oft in mehreren übereinander liegenden Schichten) verteilt, oft nur in Terrassen bestimmten Alters.

Im allgemeinen ist das Gold frei vorliegend, meist fein (zwischen 0,03 und 1mm), meist sehr dünn ausgewalzt (Plättchen, Flitter) und bei seltenen Ausnahmen größer und dicker („Nuggets“). Typischer Goldflitter haben im Querschnitt eine Dicke von ca. 18 µm und eine Länge von ca. 200 µm.

Es können Goldanreicherungen bis mehrere Gramm/Kubikmeter auftreten, diese sind aber lokal und in der Mächtigkeit begrenzt.

Gold ist dort, wo Körnung ist, und reine Sandschichten enthalten kaum Gold. Mittlere Lagerstättengehalte von ca. 3 bis 30 mg Gold je Tonne im Rohkies sind möglich. Dennoch sind die Goldgehalte meist sehr stark schwankend und können nur entweder durch Probenahme mit engem Bohrraster oder durch länger dauernde Beprobung des Feinsandes aus dem laufenden Betrieb annähernd zuverlässig ermittelt werden. DasProblem hierbei wird immer die zuverlässige Wirtschaftlichkeitsbetrachtung sein.

Ein nicht zu vernachlässigender Faktor können die begleitenden Schwermineralien (Schwarzsand) sein. Ja nach Lagerstätte gibt es wirtschaftlich interessante Gehalte an begleitenden Schwermineralen wie

  • Zirkon
  • Monazit
  • Rutil
  • Ilmenit
  • Granat

deren wirtschaftlicher Wert den des Goldes zum Teil übersteigen kann. Nach Universitätsaussagen ist das Problem der fehlenden Untersuchungen über Gold- und Schwermineralgehalte in Kies- und Sandlagerstätten bundesweit.

7.2.2 Moderne Aufbereitungsverfahren für alluviales Gold

Für die Aufbereitung von alluvialem Gold in Kies-und Sandwerken besteht die folgende Ausgangslage:

  • Gold ist frei aufgeschossen
  • Gold ist fein <<1mm
  • Gold ist schwer (ca. 16-19 g/cm3)
  • Gehalte sind äußerst gering
  • eventuell sollen interessante Begleitmineralien mitgewonnen werden.

Weiterhin ergibt sich das folgende Anforderungsprofil an den Aufbereitungsprozess:

  • das Verfahren soll umweltfreundlich (chemikalienfrei) sein („Biogold“)
  • natürlich ist ein hoher Anreicherungsfaktor bei hohem Ausbringen gewünscht
  • es soll geeignet sein für feinstes und plattiges Gold
  • und, wenn möglich, die Mitgewinnung von wertvollen Begleitmineralen erlauben
  • die Goldgewinnung darf die Kies- und Sandaufbereitung im laufenden Betrieb nicht stören
  • letztendlich sind möglichst geringe Investitions- und Betriebskosten gefordert

Die folgenden Aufbereitungsschritte bei der Goldaufbereitung sind denkbar:

  1. Stufe:   Erste Anreicherung durch Absieben, d.h. sortiert wird nur das Material <2mm,
    noch besser <1mm, was hier ein Andocken an die bestehende
    Sandaufbereitung, z.B. Siebunterlauf Sandklassierung ermöglicht
  2. Stufe:   Vorkonzentration durch Dichtesortierung, wobei die Abgänge aus
    der Vorkonzentration zurück in die Sandaufbereitung fließen
  3. Stufe:   Nachreinigung des Vorkonzentrats durch Dichtesortierung
  4. Stufe:   Abtrennen der magnetischen Schwerminerale aus dem
    Vorkonzentrat (durch Schwachfeld- und Starkfeldscheidung)
  5. Stufe:   entweder nochmalige Dichtesortierung bis zum einschmelzbaren Konzentrat
    oder zuerst Abtrennen der nicht-leitenden Schwerminerale durch Elektrostatikscheidung
  6. Stufe:   Einschmelzen des Konzentrats, Vermarktung

Bei der chemikalienfreien Aufbereitung („Waschen mit Wasser“) von goldhaltigen Sanden im Kieswerk spielt die Dichtesortierung die Hauptrolle.

Hier sind die folgenden geeigneten Sortierapparate zu nennen:

  • Rinnenwäschen
  • Sortierspiralen (Wendelscheider)
  • Setzmaschinen (Feinkorn-Membransetzmaschinen)
  • Schüttelherde (zur Nachanreicherung)
  • Zentrifugalscheider oder Sortierzentrifugen
  • oder deren Kombinationen

Die einzelnen Sortierapparate mit ihren Vor- und Nachteilen :

Rinnenwäschen:

Vorteile:

  • einfach
  • preiswert lokal herzustellen
  • auch ohne Vorklassierung zu betreiben
  • hoher Anreicherungsfaktor
  • kein Antrieb
  • geringer Höhenverlust

Nachteile:

  • arbeitsintensiv
  • Sicherheitsproblem (Diebstahl)
  • kaum Ausbringen von wertvollen Begleitmineralen
  • Goldausbringen bei sehr feinem und plattigem Gold niedrig
  • diskontinuierliche Arbeitsweise

Bild 11: Rinnenwäsche vor dem Ausschlagen (Quelle: AMR-RWTH Aachen)

Sortierspiralen:

Vorteile:

  • einfache Handhabung
  • gutes Ausbringen bis ca. 30 µm
  • kein Antrieb
  • sehr gute Mitgewinnung von begleitenden Schwermineralen

Nachteile:

  • Höhenverlust
  • begrenzte Kapazität (Parallelschaltung bei hohen Durchsätzen)
  • bei vielen Spiralen aufwendige Trübeverteilung, Einstellung, Säuberung und Kontrolle
  • Ausbringensprobleme bei plattigem Gold

Bild 12: Sortierspirale (Quelle: Multotec)

Setzmaschinen:

Vorteile:

  • hoher Durchsatz
  • gutes Ausbringen bis ca. 50-100 µm
  •  wenig Höhenverlust
  • Mitgewinnung von wertvollen Begleitmineralen
  • zur Vor- und Nachanreicherung einsetzbar
  • kann plattiges Gold gut ausbringen

Nachteile:

  • relativ schwierig einzustellen
  • wartungsaufwendig
  • hohe Invest- und Betriebskosten

Schüttelherde:

Vorteile:

  • gut einzustellen und zu überwachen (einzelner Herd)
  • Mitgewinnung/selektive Abtrennung von begleitenden Schwermineralen
  • gutes Ausbringen bis ca. 30µm
  • hoher Anreicherungsfaktor

Nachteile:

  • geringer Durchsatz
  • verlangt konstante Überwachung Þ arbeitsaufwendig
  • nur zur Nachanreicherung geeignet

Bild 13: Schüttelherd (Quelle: AMR-RWTH Aachen)

Sortierzentrifugen:

Vorteile:

  • sehr kompakt und platzsparend bei geringem Höhenverlust
  • hoher Durchsatz
  • gutes Ausbringen auch von sehr feinem und plattigem Gold
  • sehr hoher Anreicherungsfaktor
  • sicher gegen Diebstahl

Nachteile:

  • relativ kompliziert einzustellen
  • Mitgewinnung von begleitenden Schwermineralen (ja, jedoch nur im „one cut“:schwer/ leicht)
  • quasi-diskontinuierliche Arbeitsweise (By-Pass-Ventil vor dem Sortierer notwendig)
  • relativ hoher Wasserverbrauch, Wasserfilter notwendig
  • verdünnte Bergetrübe (Abgang Leichtgut (Sand)

Bild 14: Sortierzentrifuge (Quelle: Sepro / Falcon)

7.2.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen

Die Wirtschaftlichkeit der Gewinnung von Gold und anderen wertvollen Schwermineralen aus Kies- und Sandlagerstätten hängt ab von folgenden Faktoren:

  • ausbringbare Gehalte
  • derzeitiger und absehbarer Goldpreis
  • Investkosten, diese sind im wesentlichen nach erfolgreichen By-Pass-Versuchen die
  • Modifikation der Sand- und Kiesaufbereitung
    • Installation der Vorkonzentration
    • Installation der Nachreinigung
    • In jedem Fall sinnvoll die Errichtung eines „Goldhauses“ mit allen

notwendigen Sicherheitsmaßnahmen

  • Exploration, Genehmigung
  • Betriebskosten, bes. Personal, Energie

Goldgehalt und Produktion, eine Annahme:

angenommen: 6mg/t Gold ausbringbar aus Rohkies

Drei Verfahrensvarianten zur Darstellung einer Witschaftlichkeitsberechnung

(Quellen Verfahrensoption 1-3: Dissertation Schiffers, AMR-RWTH Aachen, 2009)
Verfahrensoption 1: Maximales Ausbringen mit Sortierzentrifuge, Rinnen und Schüttelherd, sowie Magnetscheidung und Elektrostatik
Verfahrensoption 2: Minimaler Personalaufwand
Verfahrensoption 3: Minimale Investitionskosten

Zahlreiche Versuche auf verschiedenen Kieswerken in Europa sowie Simulationen im Technikum der drei vorbeschriebenen Verfahren einschließend, ergaben die folgenden Prognosen:

(Quelle: Dissertation Schiffers, AMR RWTH Aachen, 2009)

Es stellt sich heraus, dass die ausbringbare Goldmenge mit einem erhöhten Apparateaufwand ansteigt; das Goldausbringen errechnet sich für

  • Verfahren 1: 85 %
  • Verfahren 2: 73 %
  • Verfahren 3: 51 %

Bezogen auf einen Durchsatz von 80 t/h Feinsand < 1,0 mm ergibt sich die folgende Kapital- und Betriebskostenabschätzung zum Zeitpunkt der untersuchten, vorbeschriebenen Verfahren:

Tabelle 2: Kapital- und Betriebskostenabschätzung (Quelle: Dissertation Schiffers, AMR RWTH Aachen, 2009)

Der jeweils aktuelle Goldpreis bestimmt den Gewinn in Abhängigkeit vom Aufgabegoldgehalt (immer betrachtet im Feinsand < 1,0 mm) und damit die Wirtschaftlichkeit des angestrebten Verfahrens. Im nachfolgenden Diagramm wird das erforderliche Verhältnis von Goldgehalt und Goldpreis zum Erreichen eines bestimmten Jahresgewinnes beschrieben. Diese Ermittlung ist als Leitfaden anzusehen, denn oft ist es schwierig, dem „mittleren“ Goldgehalt der Lagerstätte auch einem über das Produktionsjahr „konstanten“ Goldgehalt aufgrund der sich oft ändernde Lagerstätte gleichzusetzen.

Tabelle 3: Erforderliches Verhältnis von Goldgehalt zu Goldpreis zum Erreichen eines bestimmten Jahresgewinns (Kurvenangaben in Tsd. €) (Quelle: Dissertation Schiffers, AMR-RWTH Aachen, 2009)

Mit zunehmenden Goldgehalt und zunehmenden Goldpreis steigt wegen des höheren Goldausbringens der Mehrgewinn mit den Verfahren, die eine Sortierzentrifuge beinhalten. Die Rinnnenwäsche ist trotz der weit geringeren Investitionskosten nur in einem engen Fenster von Gehallt und Goldpreis rentabel, eignet sich jedoch zur Ermittlung des Goldgehaltes im Vorfeld einer Verfahrensentscheidung sehr gut über einen längeren Zeitraum im By-Pass, um evtl. dann doch die höhere Investition zugunsten einer höheren Rentabilität (höheres Ausbringen) zu wählen.

7.2.4 Rechtliche Rahmenbedingungen

Die Regelung der Rechtsverhältnisse des Bergbaus ist in Deutschland seit dem 13. 08. 1980 bundeseinheitlich im Bundesberggesetz (BBerG) geregelt. Unterschieden wird zwischen grundeigenen Bodenschätzen (z. B. Bauxit, Quarz), die dem Grundeigentümer gehören und den wichtigeren bergfreien Bodenschätzen (z. B. Kohle, Eisen, Gold, Platin, Kupfer). Wer bergfreie Bodenschätze aufsuchen will, bedarf der behördlichen Erlaubnis, wer sie gewinnen will, der Bewilligung oder des Bergwerkseigentums.

In Österreich ist das Bergrecht im Berggesetz 1975 geregelt. In der Schweiz bestehen kantonale Vorschriften.

Gold ist bergfreier Bodenschatz nach § 3 BBergG, daher ist eine bergrechtliche Genehmigung notwendig; es bedarf der

  1. Erlaubnis zur Aufsuchung und Lagerstättenerkundung
  2. Bewilligung zur Gewinnung

Dieses erfordert folglich die Umstellung der gesamten rechtlichen Situation des Betriebes auf Bergrecht (Betriebsplanverfahren)

Die wichtigen Unterschiede hier: die Betriebsplanpflicht und v.a. das Recht auf Grundabtretung („Enteignung“)

Zusammenfassung

  • Die Mitgewinnung von wertvollen Schwermineralen aus Kies-und Sandlagerstätten ist technisch möglich
  • Es ist eine mehrstufige Anreicherung und Nachreinigung notwendig
  • Die Wirtschaftlichkeit der Gewinnung ist insbesondere von den ausbringbaren Gehalten abhängig. Diese sind im allgemeinen gering.
  • Die Gehalte lassen sich nur über engmaschige Bohrprogramme oder eine länger dauernde Beprobung aus dem laufenden Betrieb ermitteln
  • Bei einer gewerbsmäßigen Gewinnung von Gold und anderen wertvollen Schwermineralen ist eine bergrechtliche Genehmigung notwendig

Acknowledgements:

  • Dr.-Ing. Hermann Wotruba, AMR RWTH Aachen
  • Dr.-Ing. Andreas Schiffers, Cala Aufbereitungstechnik GmbH
  • Sepro Mineral Systems / Falcon Corp, Langley, Kanada
  • Multotec Process Equipment (Pty) Ltd, Kempton Park, Südafrika