DE102007026748A1

DE102007026748A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen thermischen Zerlegung von stark kohlenstoffhaltigen Reststoffen und Strukturen

Info

Publication number: DE102007026748A1
Application number: DE200710026748
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Thiel; Manfred Dr. rer. nat. Grigo
Original assignee: ATI KUESTE GmbH; Gesellschaft fur Technologie und Innovation; TECHNOLOGIE und INNOVATION GES
Current assignee: ATI KUESTE GmbH; Gesellschaft fur Technologie und Innovation; TECHNOLOGIE und INNOVATION GES
Priority date: 2006-12-23
Filing date: 2007-06-09
Publication date: 2008-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Zerlegung von stark kohlenstoffhaltigen Reststoffen und Strukturen z.B. aus faserverstärkten Kunststoffen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und Vorrichtung für einen kontinuierlich ablaufenden Pyrolyseprozess vorzuschlagen, mit denen eine thermische Zerlegung der Reststoffe und Strukturen in stoffliche, gasförmige bzw. flüssige Komponenten erreicht wird, die als Fasern in neuen Bauteilen wiederverwendet bzw. energetisch z.B. in Blockheizkraftwerken verwertet werden und dadurch zu weitestgehend geschlossenen Stoff- und Energiekreisläufen führen. Erfindungsgemäß wird das Verfahren dadurch gelöst, dass ein kontinuierlich ablaufender steuerbarer Pyrolyseprozess mit einer gegenläufigen Bewegung von Gasstrom und Stoffkomponenten in einem Reaktor realisiert wird, wobei Reaktionsbehälter den Erhalt des natürlichen Faserverbundes sichern, reaktionsarme Spülgase Anhaftungen an den Stoffkomponenten sowie eine chemische Reaktion an deren Oberfläche verhindern und die Wärmeenergie im Pyrolyseraum faserschonend mittels Wärmestrahlung und/oder -leitung (Gas bzw. Flüssigkeit) auf die Reststoffe und Strukturen übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen thermischen Zerlegung von stark kohlenstoffhaltigen Reststoffen und Strukturen vor allem aus faserverstärkten Kunststoffen in einem Tunnelreaktor.
Stand der Technik
Die weitere Durchdringung vieler technischer Bereiche mit Materialien aus faserverstärkten Kunststoffen führt auch zu vergrößerten Volumina an hochwertigen Reststoffen aus Faserverbundmaterialien auf der Basis von Kohlefasern und Glasfasern.
Die Entsorgung von CFK und GFK Altteilen erfolgt häufig auf Deponien. Das ist kostenintensiv und umweltbelastend.
Ein erster Schritt zur Lösung des Problems ist, die faserverstärkten Kunststoffe zu zerkleinern und als Füllstoff für unterschiedliche Anwendungsfälle einzusetzen. Verfahren hierzu sind in den Patentschriften: US 3995819 , US 4344579 und US 4123584 vorgeschlagen worden.
In mehreren weiteren Patentschriften werden Verfahren und/oder Vorrichtungen zur Rückgewinnung von Kohlefasern und Glasfasern dargestellt.
Für den Prozess der Trennung von Fasern und Matrix kann eine ganze Reihe von chemisch physikalischen Effekten genutzt werden.
Ein Verfahren für die Trennung der Fasern von der Matrix ist das Auflösen der Matrix mittels Lösungsmittel in einem chemischen Prozess. Die so erhaltene Lösung stellt jedoch ein erhebliches Umweltrisiko dar.
Die häufigste Realisierung erfolgt über eine thermische Zerlegung der faserverstärkten Kunststoffe, bei der die festen Fasern zurückerhalten werden und die Kunststoffmatrix den Werkstoffverband in gasförmiger Form verlässt.
Die Prozessführung kann in sehr unterschiedlichen Medien erfolgen.
Die Wärmeübertragung auf den zu zerlegenden Kunststoff erfolgt beispielsweise in einem Bad aus flüssigem Metall (in der Regel Zinn). Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass Kohlefasern mit hoher Güte erhalten werden. Als Nachteilig erweist sich, dass unkontrollierte chemische Reaktionen zwischen den organischen Komponenten in der entstehenden Gasphase und dem Zinn zu zinnorganischen Verbindungen führen, die ein hohes Umweltrisiko darstellen.
Aktuelle Untersuchungen versuchen, diesen wesentlichen Nachteil dadurch zu vermeiden, dass an Stelle des flüssigen Zinns ein Bad aus geschmolzenen Salzen eingesetzt wird. Dabei ist zu bemerken, dass die zusätzliche katalytische Wirkung der geschmolzenen Salze zu einer Beschleunigung der Trennung der Bestandteile führt.
Verfahren, die in einer gasförmigen Atmosphäre stattfinden sind dahingehend zu Unterscheiden, ob sie unter Sauerstoffabschluss stattfinden, oder nicht.
Die vorteilhafte indirekte Heizung führt zu einer Prozessführung unter Sauerstoffabschluss und wird auf unterschiedliche Weise realisiert. In der Schrift DE 10 2005 046 408 wird eine Pyrolysekammer mittels eines Wärmetauschers an die Abwärme eines Hochofens gekoppelt.
Eine indirekte Heizung mittels elektrischer Erwärmung ist in den Patentschriften DE 100 58 162 am Beispiel des Recyclings von Altreifen dargestellt.
Ein Aufheizen der faserverstärkten Kunststoffe auf Pyrolysetemperatur kann auch über eine geeignete Mikrowellenanordnung erfolgen.
Eine direkte Heizung im Pyrolyseraum unter Verwendung der aus dem Werkstoffverbund ausgasenden Pyrolysegase ist mit einer Verbrennung verbunden, die einen gewissen Teil Sauerstoff in den Pyrolyseraum einträgt. Somit kann eine partielle Oxydation der Fasern erfolgen, was sich nachteilig auf die Fasergüte auswirken kann.
Alle aufgeführten Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass das zu pyrolysierende Gut in einer bestimmten Menge als ein Paket in den Pyrolyseofen eingebracht wird, dann mit der Erwärmung begonnen wird und nach einer gewissen Verweildauer im Reaktor die Wärmequelle abgeschaltet wird und die Fasern nach erfolgter Abkühlung dem Reaktor entnommen werden.
Die Analyse des Standes der Technik zeigt, dass zurzeit kein kontinuierlich arbeitendes Verfahren zur Pyrolyse von faserverstärkten Kunststoffen bekannt geworden ist.
Aufgabenstellung
Steigende Abfallmengen und umweltschonende Deponierungsverbote führen zu Entsorgungsengpässen bei stark kohlenstoffhaltigen Reststoffen und Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen. Gleichzeitig steigt die Nachfrage und damit der Marktpreis für neue Faserwerkstoffe zur Herstellung von Bauteilen aus diesem Material.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, analog zur Metallverarbeitung, wo bereits durch Verschrottung und Einschmelzen des Altmetalls ein weitestgehend geschlossener Stoffkreislauf realisiert wird, ein Verfahren und Vorrichtung zur Entsorgung dieser Reststoffe und Strukturen vorzuschlagen, das eine maximale Wiederverwertung der stofflichen, gasförmigen und flüssigen Komponenten ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die vorstehend dargestellte Aufgabe durchs ein Verfahren und eine Vorrichtung mit folgenden Merkmalen gelöst:

• Es wird ein kontinuierlich ablaufender steuerbarer Pyrolyseprozess realisiert, der die für die Verwertung notwendigen Eigenschaften der Reaktionsprodukte (Fasern, Gase, Öle) sichert.
• Die gegenläufige Bewegung von Gasstrom und Stoffkomponenten führt zu einer optimalen Ausnutzung der dem Reaktor zugeführten Wärmeenergie.
• Alle stofflichen Komponenten durchlaufen die Pyrolyse in Reaktionsbehältern, so dass der natürliche Materialverbund erhalten bleibt und ein Austragen der Fasern mit dem Gasstrom nur in geringen Mengen erfolgt.
• Der gezielte Einsatz eines Spülgases vermeidet Anhaftungen an den Stoffkomponenten sowie eine chemische Reaktion an deren Oberfläche.
• Realisiert wird eine faserschonende indirekte Einbringung der Wärmeenergie über die Wände des Pyrolyseraumes des Tunnelreaktors, die dann mittels Wärmestrahlung und/oder -leitung (Gas bzw. Flüssigkeit) auf die Reststoffe und Strukturen übertragen wird.

Die vorgeschlagene Erfindung gestattet es, die faserverstärkten Materialien in Übereinstimmung mit europäischen und nationalen Regulatorien in einem kontinuierlich geführten industriellen Prozess thermisch zu zerlegen, die Fasern einem erneuten Werkstoffeinsatz und die hochkalorischen Gase einer energetischen Verwertung zuzuführen. Durch die kontinuierliche Prozessführung und das Gegenstromprinzip bei der Ableitung der Pyrolysegase lässt sich technisch eine kompakte Bauweise realisieren.
Die Vorteile der Erfindung bestehen in der stofflichen Wiederverwertung der Faserkomponenten für neue Bauteile sowie in der energetischen Verwertung der Kunststoffkomponenten, so dass der angestrebte geschlossene Stoff- und Energiekreislauf weitestgehend erreicht wird.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die beigefügten Zeichnungen zeigen die Vorrichtung in zwei Ausführungsformen:
1: Ausführungsform als linearer Tunnelreaktor
2: Ausführungsform als kreisförmiger Tunnelreaktor
Der Tunnelreaktor besteht aus einem wärmeisolierten Reaktormantel (1) vorzugsweise aus Edelstahl, der an beiden Enden durch je eine Schleusenkammer (2) gasdicht verschlossen wird. Zwei Trennwände (12) unterteilen den Reaktor in eine Vorwärmkammer (5), einen Pyrolyseraum (6) und eine Nachwärmkammer (7). Eine Transporteinrichtung (8) sichert den stetigen Transport der Reststoffe und Strukturen durch die Schleusen (2), die Kammern und den Pyrolyseraum des Tunnelreaktors. Über die Nachwärmkammer (7) wird Spülgas (12) zu- sowie über die Vorwärmkammer (5) Reaktorgas (9) abgeführt. Die indirekte Heizung des Tunnelreaktors erfolgt über die Reaktorwände des Pyrolyseraumes (6).

Mit diesem Tunnelreaktor kann das vorgeschlagene Verfahren erfindungsgemäß, in fünf Prozessschritten realisiert werden:

1. Schritt:	Einbringen der stark kohlenstoffhaltigen Reststoffe und Strukturen (3) vor allem aus faserverstärkten Kunststoffen in Reaktionsbehälter (10) sowie Beschickung des Tunnelreaktors durch das Ankoppeln dieser Behälter an das Transportsystem (8) in der Schleusenkammer (2).
2. Schritt:	Transport dieser Behälter (10) durch die Vorwärmkammer (5), wo die Reststoffe und Strukturen von den vorbeiströmenden heißen Reaktorgasen getrocknet und vorgeheizt werden. Erste Harzkomponenten gasen aus und werden mit dem sich abkühlenden Reaktorgas ausgetrieben (9).
3. Schritt:	Transport der Behälter (10) durch den Pyrolyseraum (6), wo die indirekte Heizung auch die tieferen Schichten der Reststoffe und Strukturen auf Pyrolysetemperatur bringt, so dass alle Kunststoffkomponenten ausgasen und mit dem sich ebenfalls erhitzenden Spülgas als Reaktorgas durch die Trennwand (12) in die Vorwärmkammer (5) strömt.
4. Schritt:	Transport der Behälter (10) durch die Nachwärmkammer (7), wo das kalte Spülgas (11) die zurückbleibenden festen stofflichen Komponenten auf Umgebungstemperatur abkühlt, sich dabei gleichzeitig erwärmt, die restlichen Pyrolysegase austreibt und durch die Trennwand (12) in den Pyrolyseraum gedrückt wird.
5. Schritt:	Transport der Behälter in eine vom Reaktorraum getrennte Schleusenkammer (2), Abkoppeln vom Transportsystem (8) sowie Entnahme und -leeren (4) der Reaktionsbehälter.

1: wärmeisolierender Reaktormantel mit rechteckigem, runden oder Sechskantquerschnitt, vorzugsweise aus Edelstahl
2: Schleusenkammer, gasdicht verschlossen
3: Bestückung
4: Entnahme
5: Vorwärmkammer
6: Pyrolyseraum
7: Nachwärmkammer
8: Transporteinrichtung
9: Abführung der Reaktorgase
10: Transportbehältnis
11: Zuführung des Spülgases in den Reaktorraum
12: Trennwände

Claims

Verfahren zum kontinuierlichen Zerlegen von stark kohlenstoffhaltigen Reststoffen und Strukturen z. B. aus faserverstärkten Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet, dass diese in Chargen zusammenfasst, stetig durch einen mit stabilen Temperaturfeldern und Prozessparametern betriebenen Vorwärm-, Pyrolyse- und Abkühlbereich eines Reaktors befördert und dabei in ihre stofflichen, flüssigen und gasförmigen Komponenten zerlegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass • zum Zwecke einer optimalen Ausnutzung der dem Reaktor zugeführten Wärmeenergie eine gegenläufige Bewegung von Gasstrom und Stoffkomponenten realisiert ist, • die Chargen zur Beibehaltung des natürlichen Materialverbundes in Reaktionsbehältern durch den Reaktor befördert werden, • der gezielte Einsatz eines reaktionsarmen Spülgases Anhaftungen an den Stoffkomponenten sowie eine chemische Reaktion an deren Oberfläche vermeidet, • die indirekte Einbringung der Wärmeenergie über die Wände des Pyrolyseraumes realisiert wird und • die Pyrolyse somit unter Ausschluss von Sauerstoff stattfindet.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 in Form eines linearen Tunnelreaktors, bestehend aus: • einem an beiden Enden durch je eine Schleusenkammer verschlossenen wärmeisolierenden Reaktormantel, • zwei beweglichen, flexibel positionierbaren Trennwänden, • einer Transporteinrichtung nebst Reaktionsbehältern, • einem System zur Spülgaszu- sowie Reaktorgasabfuhr und • einer indirekten Heizung des Pyrolyseraumes über die Reaktorwände.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tunnelreaktor nicht linear, sondern als parallele Anordnung der Vor- und Nachwärmkammer sowie der Schleusen ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Strukturelemente als Kreiskonstruktion ausgeführt ist und über eine sich drehende Transporteinrichtung verfügt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung als stehende Konstruktion ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyrolyseraum als Tauchreaktor ausgebildet ist, so dass die Wärmeübertragung auf die Reststoffe und stofflichen Strukturen in einer temperaturstabilen Reaktorflüssigkeit (z. B. Salz- oder Metallschmelze) stattfindet.