DE102007046820A1

DE102007046820A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Zerkleinerung von plastikhaligen Abfällen, wie Car fluff, auf eine Teilchengröße von bis zu 10-20 mit niedrigem Energieaufwand - Nanozerkleinerer

Info

Publication number: DE102007046820A1
Application number: DE200710046820
Authority: DE
Inventors: Uwe Feller; Christian Dr. Koch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-29
Filing date: 2007-09-29
Publication date: 2009-04-09

Abstract

Das Patent beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung für Plastikabfälle, wie beispielsweise aus der Zerlegung alter Autos, dem Car fluff, um diese bis auf eine Länge von 10-20 mm, also bis zum flüssigen Zustand zu zerkleinern, also einen Nanozerkleinerer oder Nanoshredder zu realisieren, indem die kunststoffhaltigen Abfälle mit Reibenergie und unter Zugabe spezieller Substanzen zu einem erkalteten Plastikschaum umgewandelt werden, dieser im zerfallenen Zustand in einem heißen Ölkreislauf mit den Substanzen reagiert und sich in ein Mitteldestillat auflöst, wobei die nicht umwandelbaren Rückstände kontinuierlich ausgetragen werden und ein Teil der Zuschlagstoffe des Eintrages zurückgewonnen werden.

Description

Die Erfindung hat die Aufgabe, kunststoffhaltige Abfälle bis auf Nanogröße bzw. bis zum flüssigen Zustand zu zerkleinern. Dabei soll der Energieeintrag minimiert werden, d. h. die unnötige Erwärmung, die zum Wiedervereinigen der schmelzenden Kunststoffteilchen führen, minimiert werden.
Die Entsorger von nicht wieder verwendbaren Kunststoffmaterialien stehen vor dem Problem, daß Shredder in der Zerkleinerung der Teilchen begrenzt sind. Wird die Zerkleinerungsleistung erhöht, dann erhöht sich auch der Energieeintrag, der dann die sich schmelzenden Kunststoffteilchen wieder zu größeren Partikeln vereinigt. Damit wird die Zerkleinerungsleistung begrenzt durch den Energieeintrag und die Partikelgröße solcher Shredder kann nicht beliebig verkleinert werden.
Damit ist der Einsatz der so zerkleinerten Fraktionen, die nicht wieder stofflich verwendet werden können, auf die Verbrennung beschränkt. Verbrennung von chlorhaltigen Kunststoffen produziert Dioxine, die auf 0,000 000 000 1 im Grenzwert limitiert sind.
Für die Entsorgung ist es aber wichtig, daß kunststoffhaltige Reststoffe auch einer sinnvolleren Nutzung zugänglich gemacht werden und die Chloranteile vollständig extrahiert werden. Diese Aufgabe widmet sich die vorliegende Erfindung.
Überraschenderweise wurde nun eine Reihe von physikalischen Phänomenen entdeckt, die diese Aufgabe lösen. Es wurde gefunden, daß sich diese kunststoffhaltigen Reststoffe vor ihrer Zerkleinerung mit Stoffen mischen lassen, die sowohl die mehrstufige Zerkleinerung als auch die Auflösung zu Nanopartikeln unterstützen in dem erfinderischen Verfahren und der erfinderische Vorrichtung.
Dazu gehören unbedingt die Stoffe, Natriumaluminiumsilikat und die Ionentauscher Kalk, Soda oder Magnesiumhydroxid, und die möglichen Zuschlagsstoffe Tiermehl, Klärschlamm und getrocknete landwirtschaftliche Abfälle. Mit diesen Zuschlagstoffen wird der kunststoffhaltige Abfall der Reihe nach einer Förderschnecke, einer Reibschnecke und einer Schäumdüse zugeführt.
Es wurde nämlich überraschenderweise gefunden, daß sich die geschilderten Mischungen dann über eine Düse aufschäumen lassen, wenn eine Reibschnecke diese Mischungen so lange gegen eine Wand drückt bis die Mischung den Zustand der Entspannungsschäumung erreicht hat.
Der aus der Düse austretende Schaum wird durch ein gekühltes Rohr gedrückt und stabilisiert sich dabei, wobei der Schaum in sich durch die zugegebenen Stoffe und die Schäumung eine große Spannung aufbaut.
Am Ende des Kühlrohres gelangt der Schaum über eine Vibrationsdüse mit starren oder beweglichen Messer, die diese Spannung zum spontanen Zerfall in kleine Blasenteilchen dünner Wandstärke zwingt. Das Ende des Kühlrohres ist mit einem Vakuumbehälter verbunden, in dem heißes Kreislauföl mit hoher Geschwindigkeit zirkuliert.
Dieses ist möglich, da unter dem Vakuumbehälter eine mehrstufige Ölhydraulikzirkulationseinheit angeordnet ist, die ein hohes Vakuum erzeugt und das Öl mit Überdruck aus der Fördereinheit heraus in einen Verdampfer drückt.
Durch den hohen Unterdruck, der bis zu 90% betragen kann, werden in den Vakuumbehälter auch noch andere flüssige und feste Eintragsstoffe eingetragen, die über Ventile an den Vakuumbehälter angebunden sind. Das ist notwendig, um auch im Falle des Anlaufens oder nicht vollen Arbeitens des Nanozerkleinerers Zusatzstoffe eintragen zu können.
Eine Möglichkeit des Eintrages zusätzlicher fester Stoffe ist die Anordnung einer 2. nicht mit dem Vakuumbehälter verbundenen Öffnung des Schaums aus der Schaumdüse in einen Vorratsbehälter, der den erzeugten zerplatzten Kunststoffschaum zwischenlagert.
In der mehrstufigen Ölhydraulikzirkulationseinheit geschieht nun der entscheidende Schritt der Nanozerkleinerung. Dazu muss die mehrstufige Ölhydraulikzirkulationseinheit entsprechend groß und leistungsfähig ausgestattet sein, um die Reaktionstemperatur von 300°C zu erreichen. Die beiden unbedingt beigemischten Stoffe Natriumaluminiumsilikat und die Neutralisatoren reagieren in dem Öl mit den Kunststoffschaumpartikeln durch Depolymerisation zu den Nanopartikeln in der Größe 10^–20 mm, d. h. es entsteht ein Dampf aus einer Mitteldestillat-Erdölfraktion.
Die Separation des Dampfes der Erdölfraktion wird unterstützt durch die Bildung einer großen Oberfläche nach dem Austritt aus der Ölhydraulikzirkulationseinheit in einen Dampfbehälter durch Aufteilen des Stromes in viele Einzelstrahlen und die Anordnung einer Destillationskolonne oberhalb des Behälters. Am Ende der Destillation sitzt ein Kondensator, der die Nanoflüssigkeit, das Mitteldestillat, kondensiert, wobei in der ersten Hälfte des Kondensators der Wasseranteil abgeleitet wird. Diese kann als Heizöl oder als Diesel verwendet werden.
Zur Abscheidung der nicht verdampfbaren Anteile, die sich am unteren Ende des Behälters sammeln, ist eine Rezirkulationsleitung zu dem Vakuumbehälter angeordnet. Unterhalb dieser Leitung ist eine Leitung zu einer elektrisch beheizten Pyrolyseeinheit angebracht, in der die ca. 5% anorganischen Anteile durch Ausheizung der Öle zu Asche umgewandelt und einer getrennten Verwertung zugeführt werden.
An der 1 wird das erfinderische Verfahren näher erläutert. Mit 1 ist der plastikhaltige Reststoff bezeichnet, wie er beispielsweise als Car-fluff gewonnen wird. Mit 2 ist der Zuschlagstoff mit Kristallwasser, wie beispielsweise Natriumaluminiumsilikat bezeichnet.
Mit 3 ist der Neutralisator, beispielsweise Kalkhydrat oder Soda bezeichnet. Mit 4 sind die organischen getrockneten Zuschlagstoffe, wie Tiermehl, getrockneter Klärschlamm oder Schrot aus Preßrückständen der Ölproduktion oder des Strohs bezeichnet. Diese gelangen in dem Verfahren in den Mischtrichter 5.
Unter dem Trichter 5 ist die Extruderpreßschnecke 6, die mit einem Motor angetrieben ist, angeordnet. Sie endet in einer Reibkammer 7, in der ein Reibrad das extrudierte Material so lange gegen die Wand reibt, bis die gewünschte Glastemperatur von 200 bis 350°C erreicht ist. Aus der Reibkammer 7 gelangt das Material über einen Sperrschieber in die Schaumkammer 8, die gekühlt ist.
Am Ende der Schaumkammer 8 ist dann das Material so kalt, daß die Schwingmesser 9 mit dem Schwingantrieb 10 die Spannung des erkalteten Schaums durch Zerfall des Schaums in kleine, dünne Teile bewirkt. Die zerkleinerten Platikschaumteile fallen in die Vakuummischkammer 11.
Diese Mischkammer hat weitere 3 Anschlüsse für feste zerkleinerte Stoffe, wie sie entstehen, wenn der Schaum 8 in die Vorratskammer 12 geleitet wird. Ein Tank für flüssige Rückstände 13 ermöglicht die Zufuhr flüssiger Reststoffe in die Vakuumkammer 11 und bei 14 wird die Vakuumkammer mit einer mehrstufigen Ölhydraulikzirkulationseinheit verbunden, der die Vakuumkammer unter Vakuum setzt.
Die Ölhydraulikzirkulationseinheit 15 ist mit einem Antriebsmotor 16 verbunden. Sie erzeugt bei 17 einen Überdruck, der den Ausgang mit dem Flüssigverteiler 18 verbindet. Durch die Reaktion der bei 5 eingegebenen Stoffe enthält die Flüssigkeit bei 18 einen hohen Dampfanteil, der über die Destillationskolonne 25 in den Kondensator 26 gelangt, dort kondensiert und sortiert nach der Dichte bei 27 als Wasser und bei 28 als Mitteldestillat gewonnen wird.
Der Mitteldestillatbehälter hat einen Anschluss an eine Vakuumpumpe 29, die den nötigen Unterdruck für die Kondensation erzeugt.
Dieses Mitteldestillat ist das Nanozerkleinerungsprodukt mit einer Partikelgröße von < 10^–20. Die nicht verdampfbaren Anteile gelangen nach unten in den Behälter 19 und von dort wieder in den Vakuumbehälter 11. Ein kleiner Teil wird über das Ventil 20 in die Heizschnecke 21 mit den Heizbändern 22 geleitet.
Dabei entstehen so hohe Temperaturen von 400 bis 550°C, daß die Kohlenwasserstoffe ausgetrieben werden und nur die Asche in den Aschebehälter 23 gelangt. Der Motor 24 sorgt dafür, daß die Asche in den Aschebehälter 23 gelangt. Die ausgedampften Kohlenwasserstoffdämpfe gelangen mit in den Kondensator 26 über die Dampfleitung 30. Sie sind ebenfalls ein Nanozerkleinerungsprodukt.
Die 2 zeigt die erfinderische Vorrichtung. Mit 101 ist der plastikhaltige Reststoff bezeichnet, wie er beispielsweise als Car-fluff gewonnen wird. Mit 102 ist der Zuschlagstoff mit Kristallwasser, wie beispielsweise Natriumaluminiumsilikat bezeichnet. Mit 103 ist der Neutralisator, beispielsweise Kalkhydrat oder Soda bezeichnet.
Mit 104 sind die organischen getrockneten Zuschlagstoffe, wie Tiermehl, getrockneter Klärschlamm oder Schrot aus Preßrückständen der Ölproduktion oder des Strohs bezeichnet.
Der Mischtrichter 105 ist der Behälter, der unter den Eingangsstoffanschlüssen angeordnet ist. Unter dem Trichter 5 ist die Extruderpreßschnecke 106, die mit einem Motor angetrieben ist, angeordnet.
Sie endet in einer Reibkammer 107 mit dem Reibrad und die Reibwand mit dem Austritt, der ein Austrittsventil und eine Austrittsmatrize besitzt. Nach der Reibkammer 107 ist die Schaumkammer 108 mit Kühlung angeordnet.
Am Ende der Schaumkammer 108 befindet sich das Schwingmesser 109 mit dem Schwingantrieb 110. Dieser Schwingantrieb sitzt an dem Eintritt der Vakuummischkammer 111.
Diese Vakuummischkammer 111 hat weitere 3 Anschlüsse. Der obere Anschluss verbindet einen Trichter 112 für Feststoffe über ein Ventil mit der Vakuummischkammer 111. Dieser Trichter 112 hat auch eine Verbindungsleitung zu dem Schwingmesser 109 für feste zerkleinerte Stoffe. Bei Schließen des Schiebers vor der Vakuumkammer wird diese durch einen Schieber geöffnet. Ein Tank für flüssige Rückstände 113 ist mit der Vakuumkammer 111 über ein Ventil verbunden. Bei 14 ist die Vakuumkammer 111 mit einer mehrstufigen Ölhydraulikzirkulationseinheit 115 verbunden.
Die Ölhydraulikzirkulationseinheit 115 ist mit einem Antriebsmotor 116 verbunden. Bei 117 ist die Ölhydraulikzirkulationseinheit 115 mit einer Überdruckleitung 117 über ein Ventil verbunden mit dem Flüssigverteiler 118. Oberhalb des Flüssigverteilers 118 ist die Destillationskolonne 125 angeordnet und unterhalb der Ölsammelbehälter 119. Oberhalb der Destillationskolonne 125 ist der Kondensator 126 verbunden, der als Ausgang die Verbindungsleitungen zu dem Wasserbehälter 127 und dem Mitteldestillatbehälter 128 hat.
Zwischen den beiden Ausgängen ist ein Blech angeordnet, welches die Trennung darstellt. Nach dem Mitteldestillatbehälter 128 für das Nanozerkleinerungsprodukt ist eine Vakuumpumpe 129 angeordnet und über eine Rohrleitung verbunden. Am unteren Ende des Ölsammelbehälters 119 ist eine Verbindungsleitung zu dem Vakuumbehälter 111 und ein weiteres Ventil 120 zu der Heizschnecke 121 mit den Heizbändern 122 angeordnet. Die Heizschnecke hat eine Verbindungsleitung für Dampf 130 zu den Kondensator 126 und eine Verbindung zu dem Aschebehälter 123 gelangt. Der Motor 124 ist mit der Heizschnecke 121 verbunden.
Ein Ausführungsbeispiel verdeutlicht das erfinderische Verfahren näher. In den Trichter 5 werden je Stunde 1 Tonne Car fluff, 50 kg Tiermehl, 50 kg getrockneten Klärschlamm, 50 kg Soda und 50 kg Katalysator, der aus dem Aschebehälter durch Lösen in Wasser und Dekantieren über einen Filter gewonnen wird, eingegeben. Die Mischung gelangt im Reibrad auf eine Temperatur von 320°C, wobei der Motor für die Einheit eine Leistung von 80 kW hat.
Die Ventile bei 12 und 13 bleiben geschlossen und der Motor der Ölhydraulikzirkulationseinheit hat eine Antriebsleistung von 350 kW und wird bei 300 kW Leistungsaufnahme betrieben. Die Schwingungs-Messer-Einheit ist eine Kaufeinheit aus der Fleischverarbeitung mit 10 kW Antriebsleistung. Über die Destillation 25 gelangen 700 kg Nanozerkleinerungsprodukt über den Kondensator in den Behälter 28 und 150 kg Asche in den Aschebehälter 23. Die Wassermenge in dem Behälter 27 beträgt 100 kg und die in der Vakuumpumpe 29 abgegebene CO₂-Menge beträgt 200 kg.
Die Asche von 150 kg besteht aus 50 kg Katalysator, der durch das Lösen mit Wasser und Dekantieren wieder zu dem Eingang zurückgeleitet wird, 70 kg Salze, die in dem Wasser gelöst bleiben und 30 kg Glasfaser aus dem Car fluff.
Ein Ausführungsbeispiel für die erfinderische Vorrichtung verdeutlicht die Maße. Der Trichter 105 hat ein Fassungsvermögen von 2 m³ und hat einen Durchmesser von 1,5 m. Die Extruderschnecke 106 hat einen Antrieb von 80 kW und einen Durchmesser von 120 mm. Die Reibkammer 107 hat einen Durchmesser von 400 mm und einen Reibraddurchmesser von 350 mm.
Am Ende der Reibkammer 107 ist ein Schieber und eine Düse mit einem Durchmesse DN 80 angeordnet. Die Schaumkammer 108 hat einen Durchmesser von 400 mm und eine Länge von 2 m. Am Ende verengt sich der Durchmesser wieder auf DN 100.
Die Abzweigleitung zu dem Trichter 112 hat ebenfalls einen Durchmesser DN 100 und beide Leitungen besitzen einen Messereinsatz vor einer Matrize mit dem Durchmesser DN 80. Der Vakuumbehälter 111 hat einen Durchmesser von 1,3 m und eine Höhe von 1,5 m. Die Ölhydraulikzirkulationseinheit hat einen Durchmesser von 400 mm und der Antriebsmotor hat eine Leistung von 350 kW. Die Anschlußleitungen 114 und 117 haben auf der Saugseite DN 100 und auf der Druckseite DN 80. Der Ölsammelbehälter hat einen Durchmesser von 1,5 m und eine Höhe von 2 m. Die Destillationskolonne hat einen Durchmesser von DN 400 und eine Höhe von 3 m.
Der Kondensator ist ein Röhrenbündelkondensator mit einem Durchmesser DN 300 und eine Länge von 2,4 m. Die Vakuumpumpe 129 hat eine Leistung von 200 m³/h. Die Schwelschnecke sitzt in einem Behälter DN 400 mit einer Länge von 2 m. Die Heizleistung ist 24 kW. Der Behälter 123 hat einen Durchmesser von DN 600 und eine Länge von 1 m. Der Antriebsmotor 124 hat eine Leistung von 1,5 kW. Die Verbindungsleitung 130 hat einen Durchmesser von 1,5 Zoll.

Beschreibung der Bezeichnungen der 1

1: Plastikabfall Car fluff
2: Natriumaluminiumsilikat
3: Neutralisationsmittel, Kalk, Soda
4: Organische Zuschlagstoffe, Tiermehl, Klärschlamm u. a.
5: Trichter für die Eingangsstoffe
6: Preßschnecke, Extruder
7: Reibkammer mit Reibrad
8: Schaumkammer, gekühlt
9: Messer, Vibrator mit Matrize
10: Antrieb für 9
11: Vakuumbehälter
12: Feststoffeintragsbehälter
13: Flüssigeintragsbehälter
14: Verbindung mit Saugseite der Ölhydraulikzirkulationseinheit
15: Ölhydraulikzirkulationseinheit
16: Antriebsmotor für Ölhydraulikzirkulationseinheit
17: Druckseite für Ölhydraulikzirkulationseinheit zur Ölverteilerrinne
18: Ölverteilerrinne, Verdampfer
19: Ölsammelbehälter
20: Verbindungsventil für die Heizschnecke
21: Heizschnecke
22: Heizung der Heizschnecke
23: Aschesammelbehälter
24: Antriebsmotor für Heizschnecke
25: Destillationskolonne
26: Kondensator
27: Produktwasserbehälter
28: Nanoproduktbehälter, Mitteldestillat
29: Vakuumpump
30: Dampfleitung von Heizschnecke zu Kondensator

Beschreibung der Bezeichnungen der 2

101: Plastikabfall Car fluff
102: Natriumaluminiumsilikat
103: Neutralisationsmittel, Kalk, Soda
104: Organische Zuschlagstoffe, Tiermehl, Klärschlamm u. a.
105: Trichter für die Eingangsstoffe
106: Preßschnecke, Extruder
107: Reibkammer mit Reibrad
108: Schaumkammer, gekühlt
109: Messer, Vibrator mit Matrize
110: Antrieb für 9
111: Vakuumbehälter
112: Feststoffeintragsbehälter
113: Flüssigeintragsbehälter
114: Verbindung mit Saugseite der Ölhydraulikzirkulationseinheit
115: Ölhydraulikzirkulationseinheit
116: Antriebsmotor für Ölhydraulikzirkulationseinheit
117: Druckseite für Ölhydraulikzirkulationseinheit zur Ölverteilerrinne
118: Ölverteilerrinne, Verdampfer
119: Ölsammelbehälter
120: Verbindungsventil für die Heizschnecke
121: Heizschnecke
122: Heizung der Heizschnecke
123: Aschesammelbehälter
124: Antriebsmotor für Heizschnecke
125: Destillationskolonne
126: Kondensator
127: Produktwasserbehälter
128: Nanoproduktbehälter, Mitteldestillat
129: Vakuumpump
130: Dampfleitung von Heizschnecke zu Kondensator

Claims

Verfahren zur Nanozerkleinerung von kunststoffhaltigen Rückständen bis auf eine Größe von 10^–20mm, dadurch gekennzeichnet, daß diese Rückstände über Extruder und Reibkammer in die Schaumform überführt, zerkleinert und im Ölbad mit den zugegebenen Substanzen zu einem destillierbaren Produkt zerlegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese zugegebenen Substanzen Natriumaluminiumsilikat enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese zugegebenen Substanzen Kalziumaluminiumsilikat enthalten
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese zugegebenen Substanzen Tiermehl, Klärschlamm und andere Biomasse oder eines dieser Stoffe enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1, daß die Zerkleinerung des Schaums über Vibrationen, Messer und Matrize erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gekühlte Schaumkammer 8 auch eine Verbindungsleitung zu einer Vorratskammer 12 hat, die alternativ mit dem Produkt gefüllt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hintereinanderschaltung eines Extruders, einer Reibkammer, einer Schaumkammer und einem Heißölkreislauf mit Verdampfer, Kondensator und Vakuumpumpe erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende des Ölsammelbehälters ein geheizter Rückstandsaustrag mit Dampfverbindung zum Kondensator angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerkleinerung im Öl katalytisch im Ölkreislauf unter Heizung der Ölhydraulikzirkulationseinheit 15 erfolgt.