DE102005030147A1

DE102005030147A1 - Reinigung von Mg-Abfallpartikeln

Info

Publication number: DE102005030147A1
Application number: DE102005030147A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Danzer
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2007-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft die Wiederverwertung von Mg-Abfallpartikeln aus der abtragenden Bearbeitung, wobei die Abfallpartikel mit CO¶2¶ unter hohem Druck von Ölkontaminationen befreit und wieder eingeschmolzen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Reinigung von Abfallpartikeln aus der abtragenden Mg-Bearbeitung.
Damit sind beispielsweise Späne gemeint, die beim Bohren, Drehen, Fräsen oder anderen spanabhebenden Bearbeitungsverfahren anfallen. Es sind aber auch andere Mg-Abfälle in Form kleiner Partikel gemeint, etwa lang gestreckte Fäden oder Metallwolle ähnliche Abfälle, Körner, Stäube und dergleichen.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf Mg-Materialien im technischen Sinn, also auf Mg-Legierungen mit einem für die technischen Eigenschaften wesentlichen Mg-Anteil und natürlich nicht ausschließlich auf Mg im chemisch reinen Sinn.

Leichtmetalllegierungen mit wesentlichem Mg-Anteil finden zunehmend Anwendung in verschiedenen technischen Gebieten, in denen es auf die Verbindung geringen spezifischen Gewichts mit hoher Festigkeit ankommt. Beispiele sind Kfz-Bauteile und Bauteile von Mobiltelefonen oder anderen mobilen elektronischen Geräten.

Die Mg-Bauteile können beispielsweise gegossen und nachfolgend abtragend, etwa spanabhebend, nachbearbeitet werden. Ein grundsätzliches Problem besteht in der Oxidationsneigung von Mg-Legierungen, insbesondere auch in der Feuergefahr. Dieses Problem tritt bei größeren spezifischen Oberflächen wie kleineren Abfallpartikeln verschärft auf. Aus diesem Grund und auch zur Verbesserung der Bearbeitungsqualität und Schonung der Werkzeuge werden Werkstücke aus Mg-Legierungen bei der abtragenden Bearbeitung in der Regel mit Ölen oder ähnlichen kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeiten versehen, um dem Luftsauerstoff zugängliche freie Oberflächen der Mg-Legierungen möglichst vollständig und rasch zu bedecken. Im Folgenden wird der Einfachheit halber zur Bezeichnung solcher kohlenwasserstoffhaltiger Flüssigkeiten von Ölen gesprochen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, eine Verbesserung hinsichtlich der Behandlung solcher bei der Mg-Bearbeitung anfallender Abfallpartikel zu schaffen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reinigung von Mg-Abfallpartikeln aus der abtragenden Mg-Bearbeitung zur Entfernung von Ölkontaminationen, bei dem die Mg-Abfallpartikel mit CO₂ unter hohem Druck gewaschen werden, und eine entsprechend ausgestaltete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Kompressor zur Verflüssigung von CO₂, einer Waschkammer zum Waschen von Mg-Abfallpartikeln aus der abtragenden Mg-Bearbeitung zur Entfernung von Ölkontaminationen mit Hilfe des flüssigen CO₂, einer Verdampferkammer zum Verdampfen des flüssigen CO₂ aus der Waschkammer und einer CO₂-Rückführeinrichtung zum Zurückführen des verdampften CO₂ aus der Verdampferkammer zu dem Kompressor.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Im Übrigen bezieht sich die folgende Offenbarung der verschiedenen Merkmale implizit sowohl auf die Verfahrenskategorie als auch auf die Vorrichtungskategorie der Erfindung, ohne dass hierzwischen noch im einzelnen unterschieden wird.

Der Erfinder ist davon ausgegangen, dass ölkontaminierte Mg-Abfallpartikel aus verschiedenen Gründen ein zu lösendes Problem darstellen. Zum einen handelt es sich um problematische Abfälle, die nicht ohne Weiteres entsorgt werden können. Zum zweiten ist der Rohstoffgehalt ökonomisch und ökologisch von Interesse, wäre also ein Recycling von großem Vorteil. Eine vollständige Entfernung der bei der Bearbeitung verwendeten Öle ist jedoch nicht unproblematisch. Insbesondere führen die an sich bekannten Verfahren der Zentrifugierung und der Brikettierung zwar zu einer Reduktion des Ölgehalts, jedoch nicht soweit, dass die dabei gereinigten Mg-Abfallpartikel danach wieder eingeschmolzen werden könnten.

Ferner sind Waschvorgänge mit in Nasser gelösten Detergenzien oder ähnlichen konventionellen Waschlösungen mit dem Problem behaftet, dass in feinen Abfallpartikeln aus der abhebenden Metallbearbeitung sehr fein und verwinkelt verteilte Oberflächen zu erreichen sind und damit die Sicherstellung ausreichender Durchströmung und Spülung beim Waschen auf Schwierigkeiten stößt. Ferner wären nach dem Waschen verbleibende Waschlösungsreste, insbesondere Feuchtigkeitsreste, störend.

Die Erfindung schlägt daher den Einsatz von CO₂ unter hohem Druck, typischerweise mit zumindest einigen 10 bar, vor.

CO₂ unter hohem Druck, insbesondere flüssiges oder überkritisches CO₂, zeigt ein hervorragendes Löseverhalten gegenüber Kohlenwasserstoffen und Ölen im besonderen und ist dabei ganz außerordentlich kriechfähig. Feinverteilte Abfallpartikel lassen sich somit sehr günstig mit CO₂ waschen. Da das CO₂ beim Verringern des Drucks nach dem Waschen einfach abdampft, entstehen keine Probleme mit Waschlösungsresten. Die CO₂-Wäsche erlaubt eine Reduktion der Ölrückstände bis auf Restmengen, die für ein Recycling unbedenklich sind.

Bevorzugt ist eine Kombination der Erfindung mit einem vorgeschalteten Zentrifugiervorgang, um den Ölgehalt durch mechanische Einwirkung möglichst zu reduzieren. Zusätzlich kann die Erfindung mit einem vorgeschalteten Brikettiervorgang kombiniert werden, bei dem die Abfallpartikel stark komprimiert werden. Auch damit kann der Restölgehalt deutlich reduziert werden. Ferner verringert sich damit die Zugänglichkeit der Mg-Oberflächen, so dass die Handhabung der Briketts insbesondere im Zustand nach der CO₂-Wäsche weniger Sicherheitsprobleme bietet.

Die Erfindung erlaubt eine drastische Verringerung oder auch eine praktische Beseitigung des Restölgehalts in Mg-Abfallpartikeln aus der abtragenden Bearbeitung und damit die Vermeidung problematischen Mülls. Das gereinigte Mg kann in verschiedener Weise wieder verwendet werden, insbesondere wieder eingeschmolzen werden. Besonders bevorzugt ist dabei ein Einschmelzen der betreffenden Mg- Legierung als solcher, also eine Wiederherstellung, etwa durch Gießen des wieder eingeschmolzenen Mg von Teilen, die im Wesentlichen aus der gleichen Legierung bestehen wie die Werkstücke, bei deren Bearbeitung die Abfallpartikel angefallen sind. Natürlich sind aber auch Mischungen der Mg-Abfallpartikel mit anderen einzuschmelzenden oder anderweitig zu recycelnden Bestandteilen möglich.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei einen geschlossenen Recyclingkreislauf vor, bei dem die Herstellung, etwa das Gießen, von Mg-Werkstücken, die abtragende Bearbeitung, die erfindungsgemäße Reinigung der Mg-Abfallpartikel, deren Wiedereinschmelzen und das neue Herstellen von Werkstücken innerhalb derselben Fabrikanlage erfolgen. Das bedeutet, dass keine eigentlichen Transporte über öffentliche Straßen oder Schienenwege erforderlich sind, sondern in direkter räumlicher Nähe der anfallende Bearbeitungsabfall dem Herstellungsprozess wieder zugeführt werden kann. Gegenüber dem Stand der Technik wird damit nicht nur der Energie- und Rohstoffaufwand durch die Einsparung von "neuem" Mg verringert, sondern wird auch der Anfall von Sondermüll und werden unnötige Straßen- oder Schienentransporte zur Sondermüllentsorgung vermieden. Wegen der besonderen Brandgefahr von Mg stellen solche Transporte nämlich in der Regel Gefahrguttransporte dar.

Bei den Mg-Abfallpartikeln handelt es sich bei der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung um Abfallpartikel vom Bohren, Fräsen oder, besonders bevorzugterweise, Drehen, d. h. um Späne. Die bearbeiteten, insbesondere gedrehten, Mg-Werkstücke werden vorzugsweise zu Kfz-Teilen verarbeitet. In der Kfz-Industrie ist der Einsatz von Mg-Legierungen in größerem Maßstab und insbesondere in Verbindung mit abtragender Bearbeitung von besonderer Bedeutung.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere eine Vorrichtung, etwa einen Kompressor oder eine Kältemaschine, zur Verflüssigung von gasförmigem CO₂ und eine Waschkammer zum Waschen der Mg-Abfallpartikel mit dem verflüssigten CO₂ auf. Aus der Waschkammer abgeführtes flüssiges CO₂ wird in mindestens einer Verdampferkammer verdampft, so dass dort auch die ausgewaschenen Ölrückstände abgeschieden werden können. Das verdampfte CO₂ wird der Verflüssigungsvorrichtung zugeführt.

Im Übrigen sind CO₂-Waschanlagen in der Fachwelt bekannt, und zwar aus dem Bereich der Textilreinigung. Der Aufbau einer entsprechenden Anlage muss also nicht im einzelnen wiedergegeben werden. Vorzugsweise könnte gegenüber einer Textilreinigungsanlage eine an die Mg-Abfallpartikel, insbesondere die typische Größe und Form von anfallenden Mg-Briketts angepasste Waschkammer vorgesehen werden. Dabei kann die Führung des flüssigen CO₂ auch so erfolgen, dass es quasi durch die Briketts hindurchströmt, etwa unter dem von dem Kompressor aufgebauten Druck.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, wobei die einzelnen Merkmale auch in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein können und sich die Beschreibung gleichzeitig auf die Verfahrenskategorie und die Vorrichtungskategorie der Erfindung bezieht.
1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum CO₂-Waschen von Mg-Abfallpartikeln.
2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens als Kreislauf.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reinigung von Mg-Abfallpartikeln. In einem Vorratstank 1 ist CO₂ als Reinigungsfluid gespeichert. Dabei kann beispielsweise der Vorratstank 1 auf Drücke bis zu 80 bar ausgelegt sein.
In einer ersten Phase werden die Mg-Abfallpartikel in Form eines in an sich bekannter Weise durch Kompression hergestellten Briketts in die Waschkammer 5 geladen. Die vorzugsweise zur formangepassten Aufnahme einer solchen Briketts (in 1 als Rechteck dargestellt) ausgestaltete Waschkammer 5 wird dann aus dem Dom des Arbeitstanks 2 auf einen Druck größer als 6 bar vorgespannt. In Folge der Formanpassung zwischen Briketts und Waschkammer 5 wird das CO₂ im Folgenden durch das Brikett hindurch gepresst.
Anschließend wird die Waschkammer mit verflüssigtem CO₂ aus dem Arbeitstank 2 befüllt, wobei die notwendige Druckdifferenz über den Domdruck vom Vorratstank 1 dadurch erzeugt wird, dass dieser auf den Dom des Arbeitstanks 2 gegeben wird.
Nun folgt der eigentliche Reinigungsvorgang, der ein- oder mehrstufig ausgebildet sein kann. Bevorzugt wird ein ein- oder zweistufiger Waschvorgang gewählt. Parallel zum Befüllen der Waschkammer 5 können bei Bedarf auch über die Pumpe 11 Reinigungsverstärker zum CO₂ zugegeben werden.
Anschließend wird das CO₂ durch Druckaufbau über den Dom vom Vorratstank 1 über den Filter 4 in die Destillation 3 gegeben. Bei dem ersten Waschprozess werden nämlich relativ große Ölmengen ausgewaschen. Es erfolgt eine Druckabsenkung in der Waschkammer 5 durch eine Teilentspannung in den Arbeitstank 2. Anschließend wird die Waschkammer mit verflüssigtem CO₂ unter Ausnutzung des Domdrucks des Vorratstanks 1, welcher auf den Dom vom Arbeitstank 2 gegeben wird, für den zweiten Waschprozeß befüllt.
Er dient zum gründlicheren Auswaschen der Ölreste. Nach dem Reinigungsvorgang wird das CO₂ durch Druckaufbau durch den Dom vom Vorratstank 1 transportiert, wobei es über den Filter 4 in die Destillation 3 bei dosierter Entspannung über das Regelventil 12 (z.B. Druckstellventil) in den Arbeitstank 2 geleitet wird.
Anschließend wird ein Druckausgleich zwischen der Waschkammer 5 und dem Arbeitstank 2 durchgeführt.
Nun erfolgt ein Abpumpen des Restgases aus der Waschkammer 5 mittels des Kompressors 6 oder die Waschkammer wird an die Atmosphäre 13 entspannt. Dabei wird in der Regel die Waschkammer kurz beheizt oder mit einem beheizten Gas wie beispielsweise warme Luft, Stickstoff oder CO₂ gespült, um eine entspannungsbedingte Betauung der Wäsche zu verhindern.
Dann wird die Waschkammer 5 geöffnet und das gereinigte Brikett entnommen.
Damit ist ein Reinigungszyklus durchlaufen und ein neuer Zyklus kann beginnen. Zeitlich parallel zur Reinigung kann eine Destillation des CO₂ durch gezielte Wärmezufuhr und Transport des gereinigten CO₂ in den Arbeitstank 2 bei gleichzeitiger Kühlung des Arbeitstanks 2 durch die Kältemaschine 8 mit Hilfe eines Wärmetauschers 9 infolge der Temperatur- und Druckdifferenz erfolgen. Die Destillation im Destillationsbehälter 3 kann bei Bedarf dadurch beschleunigt werden, dass das gereinigte Gas zumindest zeitweise durch den Kompressor 6 aus der Destillation 3 abgesaugt (wodurch ein verstärktes Verdampfen auftritt) und in Richtung des Arbeitstanks 2 verdichtet wird.
Mit Vorteil können in der produktionsfreien Zeit und bei beruhigtem Inhalt des Arbeitstanks 2 folgende Schritte durchgeführt werden:

• Messen des O₂-Gehalts im Dom des Arbeitstanks 2 mittels des O₂-Meßgeräts 7,
• Abblasen einer definierten Menge Gas aus dem Dom des Arbeitstanks 2 über das Ventil 10,
• Auswechseln des Filters 4 nach Überschreitung einer vorgegebenen oder gewählten Druckverlustgrenze.

2 zeigt anhand eines Flussdiagramms den Gesamtablauf eines erfindungsgemäßen Kreislaufs, der die erfindungsgemäße und anhand 1 erläuterte CO₂-Wäsche einschließt.
Der Prozess geht von dem zur Verfügung Stellen "neuen", d. h. nicht recycelten, Mg-Materials aus. Dieses wird in einem an sich bekannten Verfahrensablauf durch Gießen und nachfolgendes Span abhebendes Drehen zu Mg-Werkstücken verarbeitet. Bei den Werkstücken handelt es sich um Kfz-Teile aus einer an sich bekannten Mg-Legierung.
Aus Sicherheitsgründen muss bei dem Drehvorgang relativ viel Öl verwendet werden, um eine Brandgefahr auszuschließen. Die anfallenden Drehspäne haben einen Restölgehalt in der Größenordnung von 30–40 Gew.-% und können optional durch Zentrifugieren auf einen Restölgehalt in der Größenordnung von 6–8 Gew.-% gebracht werden. Ein im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels vorgesehenes Brikettieren verringert diesen Restölgehalt nicht mehr wesentlich bzw. kann auch ohne vorgeschaltetes Zentrifugieren eingesetzt werden. Wesentlich ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels, dass durch das Brikettieren vergleichsweise kompakte Mg-Briketts erzeugt werden.
Diese werden in der anhand 1 bereits beschriebenen Weise in die Waschkammer 5 eingebracht und mit CO₂ gewaschen. Hiermit kann, insbesondere bei mehrstufigen Prozessen, ein sehr geringer Restölgehalt realisiert werden, der abhängig von den Anforderungen der folgenden Prozesse gewählt wird.
Das gewaschene Mg-Brikett hat infolge seiner komprimierten Form eine deutlich reduzierte, offen zugängliche freie Oberfläche und kann daher mit gewisser Vorsicht auch ohne Öl gehandhabt werden. Alternativ könnte auf das Brikettieren verzichtet werden, könnten entsprechend lose Mg-Späne mit CO₂ gewaschen werden, etwa in einer Waschtrommel, und könnte im Folgenden bspw. unter Schutzgas oder mit besonderer Vorsicht gearbeitet werden.
In jedem Fall können Mg-Briketts oder Mg-Späne wieder eingeschmolzen werden und damit dem Prozess auf der Stufe des Gießens wieder zugeführt werden.
Insgesamt wird damit ein deutlich über den Materialinhalt der Werkstücke hinausgehender Mg-Verbrauch vermieden, und eine entsprechende Kosten- und Energieeinsparung und entsprechende Umweltentlastung realisiert. Im Vergleich werden nämlich zur Neuherstellung von Mg etwa 35 kWh/kg, zum Rückschmelzen der Drehspäne allerdings nur etwa 3 kWh/kg benötigt. Weiterhin fällt als Müll nur noch das aus dem CO₂-Prozess abgeschiedene Öl an, das ebenfalls wieder aufbreitet und wiederverwertet oder anderen Verwendungen zugeführt werden kann. Die sicherheitstechnisch und kostenmäßig problematischen Sondermülltransporte zur Deponierung der ölkontaminierten Mg-Späne entfallen.

1: Vorratstank
2: Arbeitstank
3: Destillation (z.B. Destillationsbehälter)
4: Filter
5: Waschkammer
6: Kompressor
7: O₂-Messgerät
8: Kältemaschine
9: Wärmetauscher
10: Ventil (z.B. Ausblaseventil)
11: Pumpe für Reinigungsverstärker (z.B. Tensid-Pumpe)
12: Regelventil (z.B. Druckstellventil)
13: Atmosphäre

Claims

Verfahren zur Reinigung von Mg-Abfallpartikeln aus der abtragenden Mg-Bearbeitung zur Entfernung von Ölkontaminationen, bei dem die Mg-Abfallpartikel mit CO₂ unter hohem Druck gewaschen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das CO₂ beim Waschen flüssig oder überkritisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Mg-Abfallpartikel vor dem Waschen mit CO₂ zentrifugiert werden, um den Ölgehalt zu reduzieren.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Mg-Abfallpartikel vor dem Waschen mit CO₂ brikettiert werden, um den Ölgehalt zu reduzieren und die Mg-Abfallpartikel zu kompaktieren.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Mg-Abfallpartikel nach dem Waschen mit CO₂ eingeschmolzen und recycelt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die eingeschmolzenen Mg-Abfallpartikel zum Gießen neuer Mg-Werkstücke verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem ein geschlossener Recyclingkreislauf in Bezug auf die bei der Mg-Bearbeitung anfallenden Mg-Abfallpartikel innerhalb der selben Fabrik durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Mg-Abfallpartikel Späne sind, insbesondere Drehspäne.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Mg-Abfallpartikel bei der Herstellung von Kfz-Teilen aus Mg-Legierungen anfallen.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Vorrichtung (6, 8, 9) zur Verflüssigung von CO₂, einer an das Waschen der Mg-Abfallpartikel angepassten Waschkammer (5) zum Waschen von Mg-Abfallpartikeln aus der abtragenden Mg-Bearbeitung zur Entfernung von Ölkontaminationen mit Hilfe des flüssigen CO₂, einer Verdampferkammer (1, 2, 3) zum Verdampfen des flüssigen CO₂ aus der Waschkammer (5) und einer CO₂-Rückführeinrichtung zum Zurückführen des verdampften CO₂ aus der Verdampferkammer (1, 2, 3) zu der Verflüssigungseinrichtung (6, 8, 9).