DE102017007066A1

DE102017007066A1 - Verfahren zur Herstellung von Brennstoff-Pellets, nach diesem Verfahren hergestellte Brennstoff-Pellets sowie Flachmatrize zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102017007066A1
Application number: DE102017007066.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Schlephack Karl Heinz
Current assignee: Schlephack Karl Heinz
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2037-07-27
Also published as: DE102017007066B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoff-Pellets, bei dem ein Kunststoffpartikel enthaltender Materialstrom einer Pelletiervorrichtung zugeführt wird. Um ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoff-Pellets so auszugestalten, dass die erhaltenen Brennstoff-Pellets eine hohe Abriebfestigkeit und Bruchfestigkeit aufweisen und darüber hinaus einen hohen Brennwert aufweisen, ist das erfindungsgemäße Verfahren gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
a) homogenes Vermischen der Kunststoffpartikel und Faserstoffpartikel;
b) Zuführen von Harz- und Wachs-Komponenten mittels eines Wasser dampf enthaltenden Dampfgemisches zu dem im Verfahrens schritt a) erzeugten homogenen Gemisch und
c) verdichtendes Verpressen des im Verfahrensschritt b) erhaltenen Gemischs um mindestens das 10-fache mittels einer Flachmatrize der Pelletiervorrichtung und gleichzeitiges Ummanteln der Kunststoffpartikel mit den Faserstoffpartikeln.
Weiterhin betrifft die Erfindung nach diesem Verfahren hergestellte Brennstoff-Pellets sowie eine Flachmatrize zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoff-Pellets, bei dem ein Kunststoffpartikel enthaltender Materialstrom einer Pelletiervorrichtung zugeführt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung nach diesem Verfahren hergestellte Brennstoff-Pellets sowie eine Flachmatrize zur Durchführung des Verfahrens.
Verfahren zum Recyclen von Haushalts- und Industrieabfällen, bei denen aus den geschredderten Abfällen nach entsprechender Sortierung der Abfallstoffe brennbare Pellets hergestellt werden, sind aus der Praxis bekannt.
So ist es beispielsweise bekannt, geschredderten Haushaltsmüll mit Maismehl oder Melasse als Kleber zu versetzen und dieses Gemenge zu Brennstoff-Pellets zu verpressen. Diese bekannten Müll-Brennstoff-Pellets weisen einerseits nur einen geringen Brennwert auf und sind andererseits leicht brüchig.
Insbesondere die mangelnde Abriebfestigkeit und Brüchigkeit dieser bekannten Pellets schließt die Verwendung dieser Pellets als Ersatzbrennstoff in Hochöfen aus, da diese bei der Befeuerung im Wirbelschichtverfahren sofort zerfallen. Darüber hinaus weisen die bekannten Müll-Brennstoff-Pellets keinen ausreichenden Brennwert auf.
Aus dem US-Patent 5 342 418 ist ein Verfahren zum Herstellen von pelletiertem Brennstoff aus Haushaltsabfällen zur Verwendung als Ersatzbrennstoff in einem Gemisch aus Kohle zum Befeuern von Öfen bekannt. Zur Herstellung dieser bekannten Pellets werden die Abfälle durch Schreddern und Sortieren aufbereitet und der erhaltene Zuführstrom aus Kunststoff- und Zellulosepartikeln einer Pelletiervorrichtung zugeführt. Zur Beschaffenheit der Pellets heißt es in diesem US-Patent, dass die Partikel in den erhaltenen Pellets nur leicht gebunden sind und die Pellets leicht brechen.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoff-Pellets aus Kunststoffpartikeln so auszugestalten, dass die erhaltenen Brennstoff-Pellets eine hohe Abriebfestigkeit und Bruchfestigkeit aufweisen und darüber hinaus einen hohen Brennwert aufweisen.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) homogenes Vermischen der Kunststoffpartikel und Faserstoffpartikel;
b) Zuführen von Harz- und Wachs-Komponenten mittels eines Wasserdampf enthaltenden Dampfgemisches zu dem im Verfahrensschritt a) erzeugten homogenen Gemisch und
c) verdichtendes Verpressen des im Verfahrensschritt b) erhaltenen Gemischs um mindestens das 10-fache mittels einer Flachmatrize der Pelletiervorrichtung und gleichzeitiges Ummanteln der Kunststoffpartikel mit den Faserstoffpartikeln.

Die als Dampfgemisch mit Wasserdampf zugegebenen Harz- und Wachs-Komponenten dienen als Gleitmittel und Bindemittel, um einerseits den Durchtritt durch die Flachmatrize zu erleichtern und andererseits dem Gesamtgemisch einen gewissen Zusammenhalt zu geben.
Das eigentlich Herstellen der Brennstoff-Pellets erfolgt im Verfahrensschritt c), in dem das zuvor im Verfahrensschritt b) aufbereitete Gemisch durch eine Flachmatrize der Pelletiervorrichtung gepresst und so um mindestens das 10-fache verdichtet zu einem festen Pellet geformt wird.
Durch das hohe Verdichten des mit den Harz- und Wachs-Komponenten beinhaltenden Wasserdampf versetzten Kunststoff- und Faserstoffpartikelgemisches beim Hindurchpressen durch die Flachmatrize der Pelletiervorrichtung ist es möglich, die Kunststoffpartikel mit dem Faserstoffmaterial zu ummanteln und so ein abriebfestes Pellet zu erzeugen.
Aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften, insbesondere der Fließeigenschaften, der beiden Partikelkomponenten Kunststoffpartikel und Faserstoffpartikel sowie des bei der mindestens 10-fachen Verdichtung in der Flachmatrize der Pelletiervorrichtung auftretenden hohen Dampfdrucks der Harz- und Wachs-Komponentenergibt sich ein Pellet das einen Kernbereich aus Kunststoffpartikeln aufweist und das radial nach außen mit den Faserstoffpartikeln ummantelt ist.
Während die Kunststoffpartikel bei dem innerhalb der Flachmatrize auftretenden hohen Druck fließfähig werden und eher mittig durch die Durchgangsbohrungen der Flachmatrize hindurchtreten, werden die Faserstoffpartikel durch die auf der Oberseite der Flachmatrize abrollenden Koller an den Rändern der Durchgangsbohrungen durch die Flachmatrize gedrückt.
Diese Anordnung der Faserstoffpartikel an der Innenwand der Durchgangsbohrungen der Flachmatrize und der fließfähigen Kunststoffpartikel im Mittelbereich der Durchgangsbohrungen der Flachmatrize erzeugt beim pressenden Verdichten des Kunststoffpartikel-Faserstoffpartikel-Gemisches ein Pellet, dessen äußere Mantelschicht überwiegend aus Faserstoffpartikeln besteht und einen Kernbereich aufweist, der überwiegend aus Kunststoffpartikeln besteht.
Der in Abhängigkeit vom Verdichtungsverhältnis regelbare hohe Dampfdruck der Harz- und Wachs-Komponenten dient weiterhin als Gleitmittel, um den Materialabrieb an der Flachmatrize zu reduzieren und dazu, eine glatte Oberfläche des Pellets zu erzeugen.
Gerade diese Ummantelung der Kunststoffpartikel mit den Faserpartikeln erzeugt erstmalig Pellets mit sehr hoher Abriebfestigkeit, so dass diese beispielsweise als Ersatzbrennstoff bei der Wirbelschichtbefeuerung von Hochöfen einsetzbar sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Verdichten des Partikelgemischs im Verfahrensschritt c) bei einem Druck von min. 90bar.
Bei dem zur Herstellung der Brennstoff-Pellets verwendeten Kunststoff-Material handelt es sich vorteilhafterweise um Kunststoffabfälle, die aus gleichen oder unterschiedlichen Kunststoff-Materialien und/oder Kunststofffolien bestehen können.
Bei dem zur Herstellung der Brennstoff-Pellets verwendeten Faserstoff-Material handelt es sich vorteilhafterweise um Textil-Material und/oder Zellulose-Material.
Die nach dem voranstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Brennstoff-Pellets zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei hoher Verdichtung eine sehr glatte Oberfläche aufweisen und so eine hohe Abriebfestigkeit und Bruchfestigkeit aufweisen, die die Verwendung in der Wirbelschichtbefeuerung von Hochöfen ermöglicht.
Während die aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoff-Pellets neben ihrer Brüchigkeit einen Abrieb von größer 4 Gewichts-% beim Einblasen in eine Brennkammer aufweisen, zeichnen sich die erfindungsgemäßen Pellets dadurch aus, dass diese bruchfest sind bei gleicher Behandlung beim Einblasen in eine Brennkammer einen Abrieb von nur 0,8 Gewichts-% aufweisen.
Darüber hinaus weisen diese Brennstoff-Pellets je nach Verdichtungsverhältnis einen Brennwert von bis zu 40 MJ/kg auf. Über das gewählte Verdichtungsverhältnis lässt sich der Brennwert regulieren. Je höher das Verdichtungsverhältnis gewählt wird, desto höher liegt der Brennwert der so erhaltenen Brennstoff-Pellets und desto geringer ist der spätere Ascheanteil bei der Verbrennung. In Abhängigkeit vom Brennwert und dem Ölgehalt der Kunststoffpartikel sind Ascheanteile von 2-7% realistisch erzielbar.
Mit diesem hohen Brennwert eignen sich die erfindungsgemäßen Pellets als Reduktionsmittel zum Betrieb von Hochöfen, beispielsweise in der Stahlindustrie.
Ein nach dem voranstehenden Verfahren hergestellter Brennstoff-Pellet weist erfindungsgemäß folgende Zusammensetzung auf: 45% - 55% Kunststoff-Material, 30% - 40% Faserstoff-Material und 10% - 25% Harz- und Wachs-Komponenten.
Mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Kunststoff-Material teilweise durch Gummi-Material, beispielsweise aus Altreifen, ersetzbar ist.
Schließlich wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil der Harz- und Wachs-Komponenten ein Gleitmittel ist, um einerseits das Hindurchgleiten des zum Verdichten in die Flachmatrize gepressten Gemisches durch die Flachmatrize zu erleichtern und andererseits den Materialabrieb an der Flachmatrize zu reduzieren.
Eine Flachmatrize zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein Matrizenfutter mit einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen auf, die sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass das Matrizenfutter aus zwei druckfest miteinander verbundenen Matrizenscheiben besteht, wobei zur Ausbildung der Durchgangsbohrungen in der dem Aufgabebereich des zu verpressenden Materialgemischs zugewandten oberen Matrizenscheibe eine Durchgangsbohrung mit einem Durchmesser d_o ausgebildet ist, der größer ist als der Durchmesser d_u der in der unteren Matrizenscheibe ausgebildeten Durchgangsbohrungen und wobei ein Übergangsbereich der in der unteren Matrizenscheibe ausgebildeten Durchgangsbohrung als sich vom Durchmesser d_o auf den Durchmesser d_u verjüngender Konus ausgebildet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel einer Flachmatrize zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur beispielhaft dargestellt ist, ohne die Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel zu beschränken. In den Zeichnungen zeigt:

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Durchgangsbohrung einer Flachmatrize zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß hergestelltes Brennstoff-Pellet.

Die Abbildung 1 zeigt schematisch die Geometrie einer Durchgangsbohrung 1 durch das Matrizenfutter 2 einer Flachmatrize 3. Die Flachmatrize 3 weist eine Vielzahl gleichförmig ausgebildeter Durchgangsbohrungen 1 auf.
Wie aus 1 ersichtlich, besteht das Matrizenfutter 2 aus zwei druckfest miteinander verbundenen Matrizenscheiben 4 und 5. Zur Ausbildung der Durchgangsbohrungen 1 sind in der dem Aufgabebereich des zu verpressenden Materialgemischs zugewandten oberen Matrizenscheibe 4 Durchgangsbohrungen 1 mit einem Durchmesser d_o ausgebildet, der größer ist als der Durchmesser d_u der in der unteren Matrizenscheibe 5 ausgebildeten Durchgangsbohrungen 1, wobei ein Übergangsbereich 6 der in der unteren Matrizenscheibe 5 ausgebildeten Durchgangsbohrungen 1 als sich vom Durchmesser d_o auf den Durchmesser d_u verjüngender Konus 7 ausgebildet ist.
Die Durchgangsbohrung 1 erstreckt sich von der Oberseite 8 des Matrizenfutters 2 hin zu einer Unterseite 9 des Matrizenfutters 2. Entscheidend ist, dass die Durchgangsbohrungen 1 einen sich über die Bohrungslänge in Durchpressrichtung D verjüngenden Querschnitt aufweist.
Durch die Wahl der geometrischen Ausbildung der Durchgangsbohrung 1 von der Oberseite 8 hin zur Unterseite 9 der Flachmatrize 3 lässt sich das Verdichtungsverhältnis des in die Durchgangsbohrungen 1 der Flachmatrize 3 eingepressten, mit den Harz- und Wachs-Komponenten beinhaltenden Wasserdampf versetzten Kunststoffpartikel-Faserstoffpartikel-Gemischs variieren.
Durch das hohe Verdichten des mit den Harz- und Wachs-Komponenten beinhaltenden Wasserdampf versetzten Kunststoff- und Faserstoffpartikelgemisches beim Hindurchpressen durch die Flachmatrize der Pelletiervorrichtung ist es möglich, die Kunststoffpartikel 10 mit dem Faserstoffmaterial 11 zu ummanteln und so ein abriebfestes Pellet 12 (2) zu erzeugen.
Aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften, insbesondere der Fließeigenschaften, der beiden Partikelkomponenten Kunststoffpartikel 10 und Faserstoffpartikel 11 sowie des bei der mindestens 10-fachen Verdichtung in der Flachmatrize der Pelletiervorrichtung auftretenden hohen Dampfdrucks der Harz- und Wachs-Komponentenergibt sich ein Pellet 12 das einen Kernbereich aus Kunststoffpartikeln 10 aufweist und das radial nach außen mit den Faserstoffpartikeln 11 ummantelt ist.
Während die Kunststoffpartikel 10 bei dem innerhalb der Flachmatrize 3 auftretenden hohen Druck fließfähig werden und eher mittig durch die Durchgangsbohrungen 1 der Flachmatrize 3 hindurchtreten, werden die Faserstoffpartikel 11 durch die auf der Oberseite 8 der Flachmatrize 3 abrollenden Koller an den Rändern der Durchgangsbohrungen 1 durch die Flachmatrize 3 gedrückt.
Diese Anordnung der Faserstoffpartikel 11 an der Innenwand der Durchgangsbohrungen 1 der Flachmatrize 3 und der fließfähigen Kunststoffpartikel 10 im Mittelbereich der Durchgangsbohrungen 1 der Flachmatrize 3 erzeugt beim pressenden Verdichten des Kunststoffpartikel-Faserstoffpartikel-Gemisches ein Pellet 12, dessen äußere Mantelschicht überwiegend aus Faserstoffpartikeln 11 besteht und einen Kernbereich aufweist, der überwiegend aus Kunststoffpartikeln 10 besteht.
Der in Abhängigkeit vom Verdichtungsverhältnis regelbare hohe Dampfdruck der Harz- und Wachs-Komponenten dient weiterhin als Gleitmittel, um den Materialabrieb an der Flachmatrize zu reduzieren und dazu, eine glatte Oberfläche des Pellets 12 zu erzeugen.
Gerade diese Ummantelung der Kunststoffpartikel 10 mit den Faserpartikeln 11 erzeugt Pellets 12 mit sehr hoher Abriebfestigkeit, so dass diese beispielsweise als Ersatzbrennstoff bei der Wirbelschichtbefeuerung von Hochöfen einsetzbar sind.
Bezugszeichenliste

1: Durchgangsbohrung
2: Matrizenfutter
3: Flachmatrize
4: Matrizenscheibe (obere)
5: Matrizenscheibe (untere)
6: Übergangsbereich
7: Konus
8: Oberseite
9: Unterseite
10: Kunststoffpartikel
11: Faserstoffpartikel
12: Pellet
D: Durchpressrichtung
do: Innendurchmeser (obere Matrizenscheibe)
du: Innendurchmeser (untere Matrizenscheibe)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5342418 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Brennstoff-Pellets, bei dem ein Kunststoffpartikel und Faserstoffpartikel enthaltender Materialstrom einer Pelletiervorrichtung zugeführt wird, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) homogenes Vermischen der Kunststoffpartikel und Faserstoffpartikel; b) Zuführen von Harz- und Wachs-Komponenten mittels eines Wasser dampf enthaltenden Dampfgemisches zu dem im Verfahrens schritt a) erzeugten homogenen Gemisch und c) verdichtendes Verpressen des im Verfahrensschritt b) erhaltenen Gemischs um mindestens das 10-fache mittels einer Flachmatrize der Pelletiervorrichtung und gleichzeitiges Ummanteln der Kunststoffpartikel mit den Faserstoffpartikeln.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten des Partikelgemischs im Verfahrensschritt c) bei einem Druck von min. 90bar erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen des Dampfgemisch im Verfahrensschritt b) bei einer Temperatur von 90°C und bei einem Druck von größer 10 bar erfolgt.
Brennstoff-Pellet, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung: 45% - 55% Kunststoff-Material (10), 30% - 40% Faserstoff-Material (11) und 10% - 25% Harz- und Wachs-Komponenten.
Brennstoff-Pellet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserstoff-Material (11) ein Textil-Material und/oder Zellulose-Material ist.
Brennstoff-Pellet nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Material (10) teilweise durch Gummi-Material ersetzbar ist.
Brennstoff-Pellet, nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Harz- und Wachs-Komponenten ein Gleitmittel ist.
Brennstoff-Pellet, nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das gepresste Pellet (12) im Querschnitt einen Kernbereich aufweist, der überwiegend aus Kunststoff-Material (10) besteht und der von einer Ummantelung umgeben ist, die überwiegend aus Faserstoff-Material (11) besteht.
Flachmatrize zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, mit einem Matrizenfutter (2), in dem eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen (1) ausgebildet sind, die einen sich in Durchpressrichtung verjüngenden Durchmesser aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrizenfutter (2) aus zwei druckfest miteinander verbundenen Matrizenscheiben (4, 5) besteht, wobei zur Ausbildung der Durchgangsbohrungen (1) in der dem Aufgabebereich des zu verpressenden Materialgemischs zugewandten oberen Matrizenscheibe (4) eine Durchgangsbohrung (1) mit einem Durchmesser d_o ausgebildet ist, der größer ist als der Durchmesser d_u der in der unteren Matrizenscheibe (5) ausgebildeten Durchgangsbohrungen (1) und wobei ein Übergangsbereich (6) der in der unteren Matrizenscheibe (5) ausgebildeten Durchgangsbohrung (1) als sich vom Durchmesser d_o auf den Durchmesser d_u verjüngender Konus (7) ausgebildet ist.