DE10302226A1

DE10302226A1 - Verfahren zur Fraktionierung von Abfallfetten, insbesondere zur Herstellung von Brennstoff

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Publication number: DE10302226A1
Application number: DE10302226A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Eisner; Andreas Dipl.-Ing. Malberg; Michael Dr. Menner; Udo Dipl.-Ing. Knauf; Christian SCHÄFER
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-07-29
Also published as: AU2003299283A1; WO2004065528A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fraktionierung von Abfallfetten, die Fettkomponenten und partikuläre Störstoffe enthalten, insbesondere zur Herstellung von Brennstoffen aus den Abfallfetten, bei dem den Abfallfetten ein flüssiger organischer Hilfsstoff zugegeben und mit diesen vermischt wird, der mit den Fettkomponenten eine einphasige Lösung bildet, in der sich zu entfernende partikuläre Störstoffe nicht lösen und die eine Viskosität und Dichte aufweist, die eine Abtrennung der zu entfernenden partikulären Störstoffe von der Lösung über ein mechanisches Fest-Flüssig-Trennverfahren ermöglichen, und bei dem die zu entfernenden partikulären Störstoffe von der Lösung über ein mechanisches Fest-Flüssig-Trennverfahren abgetrennt werden. DOLLAR A Mit dem vorliegenden Verfahren wird eine scharfe Trennung zwischen Fettkomponenten und Störstoffen erreicht. Die erhaltene Lösung kann direkt oder nach Abtrennung des Hilfsstoffes als störstofffreier Brennstoff für Verbrennungsmotoren und Verbrennungsanlagen eingesetzt werden.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fraktionierung von Abfallfetten, die Fettkomponenten und partikuläre Störstoffe enthalten, insbesondere zur Herstellung von Brennstoffen aus den Abfallfetten. Die Brennstoffe können in stationären oder mobilen Verbrennungsmotoren bzw. -anlagen eingesetzt werden.
Im Folgenden werden unter Abfallfetten alle Mischungen von pflanzlichen und tierischen Fetten und Ölen verstanden, die z.B. in den Bereichen der Tierkörperbeseitigung (Tierfette), Speiseresteverwertung (Restaurantfett) und in Fettabscheidern (Abscheiderfett) als zu entsorgende Abfälle anfallen und die Verunreinigungen wie Kunststoffe, Knochenpartikel, pflanzliche Fasern, Metalle, Wasser und andere eine Verwertung störende Stoffe enthalten können. Abfallfette können nur aus einer Abfallquelle stammen oder Mischungen aus Fetten und Ölen aus verschiedenen Abfallquellen sein. Unter Abfallfetten werden weiterhin auch bereits abgetrennte Fraktionen der o.g. Abfallfette wie z.B. Pressrückstände und Filterkuchen verstanden.
Für die Verwertung von Tierfetten nach dem Stand der Technik werden Tierkadaver und Schlachtabfälle sterilisiert, getrocknet und der erhaltene Rückstand mechanisch in Tiermehl und Tierfett getrennt. Seit dem Auftreten von BSE in Deutschland müssen Tiermehle und Tierfette thermisch behandelt, d.h. in der Regel in Müllverbrennungsanlagen beseitigt werden.
Restaurantfette fallen bei der Aufbereitung von Speiseresten, Rückständen aus Großküchen und als verbrauchte Chargen von Frittierfetten an. Hier erfolgt heute noch eine stoffliche Verwertung. Diese Verwertungsart setzt einen Sterilisationsschritt und anschließend eine Trennung nach Größe und Dichte mit Absetzverfahren oder Zentrifugen voraus. Allerdings ist auch hier mittelfristig mit einem Verbot der stofflichen Verwertung und einem Zwang zur thermischen Behandlung zu rechnen.
Abscheiderfette werden teils beseitigt, teils nach entsprechender Aufbereitung stofflich verwertet.
Abfallfette bestehen aus Speisefetten und -ölen, die in geschmolzenem oder kristallinem Aggregatszustand oder in beiden Aggregatszuständen vorliegen und die in der Regel weitere verunreinigende Bestandteile enthalten.
Im Sprachgebrauch wird unter Fett der feste und unter Öl der flüssige Aggregatszustand von Triglyceriden bei Raumtemperatur verstanden. Im Folgenden werden die in Abfallfetten vorliegenden Fette und Öle auch kurz als Fettkomponenten bezeichnet. Die Fettkomponenten können aus pflanzlichen oder tierischen Fetten und Ölen oder aus einer Mischung derselben bestehen. Es ist möglich, dass Teile der Fettkomponenten von biologischem Gewebe umgeben und damit nicht mobil sind.
In Abfallfetten sind in der Regel 0,5 bis 50% Nichtfett-Bestandteile enthalten, die im Sinne einer Verwertung als Störstoffe anzusehen sind. In den meisten Abfallfetten liegt der Anteil an Störstoffen aber unter 10%. Bei einer brennstofflichen Verwertung in Motoren, Dampfkesseln oder anderen Verbrennungsanlagen können z.B. Knochenreste oder Metallpartikel Einspritzdüsen beschädigen und im Verbrennungsraum zu Ablagerungen führen. Außerdem können Kunststoffpartikel, Stickstoffverbindungen oder anorganische Salze zu unzulässigen Abgaswerten führen, so dass diese Komponenten ebenfalls aus dem Brennstoff entfernt werden müssen. Die Abtrennung von partikulären Störstoffen mit einem Durchmesser von ca. 5 μm bis zu wenigen mm ist zwingend erforderlich.
Ein Abfallfett kann aufgrund seines großen Brennwerts einer hochwertigen thermischen Verwertung als Heiz- oder Dieselöl-Substitut zugeführt werden, wenn die enthaltenen Verunreinigungen wie Pflanzenfasern, Proteine, Partikel aus Knochen, Polymeren, Metallen und anderen Störstoffen abgetrennt werden. Dies ist auf mechanischem Wege durch Filtration nicht zu erreichen, weil die Viskosität und Teilkristallinität des Abfallfettes einen technischen Filtrationsbetrieb extrem erschwert bzw. unmöglich macht. Auch eine durch Temperaturerhöhung herbeigeführte Viskositätserniedrigung in Kombination mit einem anschließenden Dichte-Trennverfahren wie z.B. die Sedimentation oder Zentrifugation erlaubt bisher keine zufriedenstellende scharfe Trennung zwischen Störstoff und den Fettkomponenten.
Stand der Technik
Brennstoffe und Brennstoffmischungen, die auf Pflanzen- oder Tieröl basieren, sind in der DE 4116905 C1 , der WO 95/25152 A1, der EP 855436 A2 , der US 5713965 A und der WO 01/29154 A1 beschrieben. In diesen Schriften werden insbesondere Mischungen aus Rapsölen mit Benzin oder Diesel verwendet, denen eine zusätzliche Substanz hinzugefügt wird. In der DE 4116905 C1 ist dieser zusätzliche Bestandteil ein Alkohol, in der WO 95/25152 A1 ein Alkylester einer Fettsäure und in der EP 855436 A2 ein Acetal. In der US 5713965 A wird ein Bio-Brennstoff erhalten, indem die Triglyzeride oder die freien Fettsäuren in den pflanzlichen oder tierischen Ölen oder Fetten mittels einer Lipase mit einem Alkohol verestert werden. Alle diese Verfahren setzen störstofffreie Fette und Öle ohne partikuläre Verunreinigungen ein. In der WO 01/29154 A1 wird der direkte Einsatz von Tierfett in Verbrennungsmaschinen beschrieben.
Aus den Dokumenten DE 4116905 C2 , WO 95/25152 A1, EP 855436 A2 und US 5713965 A geht hervor, dass biologische Fette und Öle als Brennstoffe nicht so verwendet werden können wie sie technisch in ihrem jeweiligen Gewinnungsprozess anfallen. Es werden Zusätze benötigt und/oder Änderungen der chemischen und physikalischen Eigenschaften durchgeführt. V.a. hochpreisige Zusätze, deren Beschaffungsaufwand deutlich über den Kosten von konventionellen flüssigen Brennstoffen liegt, erhöhen die Kosten der Alternativ-Brennstoffe und machen einen Einsatz oft nicht mehr wirtschaftlich.
In der WO 01/29154 A1 wird der direkte Einsatz von Tierfett-Abfällen in Verbrennungsmaschinen als angeblich wirtschaftliche Lösung beschrieben. In dieser Schrift wird nicht darauf eingegangen, wie das Fett gereinigt werden soll. Es wird nur kurz erwähnt, dass ggf. eine Filtration des Fettes nötig sei. Abfallfette und im speziellen Tierfette aus Tierkörperbeseitigungsanstalten enthalten jedoch mit 0,5% bis über 10% einen für die Verbrennung unzulässig hohen Anteil an partikulären Störstoffen wie Knochensplitter, Knochenmehl, tierische Gewebestücke, Proteine, Proteinbruchstücke, Metallpartikel, Kunststoffpartikel und -fasern sowie diverse pflanzliche Rückstände wie z.B. Rückstände pflanzlicher Lebens- oder Futtermittel. Die Abtrennung dieses Materials gestaltet sich aus o.g. Gründen sehr schwierig. Da zum Teil auch infektiöse Materialien wie die transmissible spongiforme Enzephalopatie, (TSE) verursachenden Agglomerate aus Prionen als Partikel in Abfallfetten vorliegen, könnte durch Abtrennung der Partikel eine Reduktion der TSE-Infektiosität des Abfallfettes erreicht werden. Wird das Tierfett ohne ausreichende Vorreinigung verbrannt, kann es zu starken Verunreinigungen in der Brennstoffzufuhr, Beschädigungen der Einspritzanlage, zu massiven Ablagerungen im Verbrennungsraum und zu einer unvollständigen Verbrennung von infektiösem Material kommen. Darüber hinaus ist es ohne vorherige Aufreinigung kaum möglich, die Werte für die Zusammensetzung von Stoffen einzuhalten, die von Seiten der Behörden für die Zulassung von Abfällen als Ersatzbrennstoffe üblicherweise festgelegt werden. Außerdem muss Abfallfett bei erhöhter Temperatur gelagert werden, da es sich bei Raumtemperatur verfestigt. Speziell bei Dieselmotoren in Kraftfahrzeugen ist diese Vorgabe nur mit viel Aufwand zu erfüllen.
Das Problem der Reinigung liegt unter anderem in der Dispersionsstabilität des Abfallfettes: Die Viskosität der Fettkomponenten ist so groß, dass die feinpartikulären Verunreinigungen im Bereich von wenigen μm bis wenigen mm stabil dispergiert vorliegen. Die Feststoffe sedimentieren nicht.
Mechanische Trennverfahren wie Sedimentation, Zentrifugation und Filtration können als Reinigungsmaßnahmen nur sehr begrenzt eingesetzt werden. Mit zentrifugalen Verfahren kann man technisch nur große Partikel (> 1mm) oder Partikel mit sehr großem Dichteunterschied zu den Fettkomponenten von den hochviskosen Fettkomponenten abtrennen. Filtrationsverfahren scheiden aus, da Filter, die Partikel mit wenigen μm abtrennen können, unter Einsatz von Abfallfetten sofort verblocken.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Fraktionierung von Abfallfetten zur Verfügung zu stellen, mit dem eine scharfe Trennung zwischen Fettkomponenten und Störstoffen und eine Infektiositätsreduktion erreicht werden kann und mit dem aus Abfallfetten störstofffreie Brennstoffe für Verbrennungsmotoren und Verbrennungsanlagen hergestellt werden können.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren zur Fraktionierung von Abfallfetten gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Beim vorliegenden Verfahren wird den Abfallfetten ein flüssiger organischer Hilfsstoff zugegeben und mit diesen vermischt. Hilfsstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren sind chemische Verbindungen, die in der Lage sind, feste Fettkomponenten aufzulösen und mit flüssigen Fettkomponenten eine einphasige Mischung auszubilden. Die im erfindungsgemäßen Verfahren entstehende einphasige Lösung weist die folgenden Eigenschaften auf:

– die zu entfernenden partikulären Störstoffe lösen sich in der Lösung nicht auf,
– die Lösung hat eine Viskosität und eine Dichte, die eine Abtrennung der Lösung von den zu entfernenden partikulären Störstoffen über ein mechanisches Fest-Flüssig-Trennverfahren ermöglicht.

Die zu entfernenden partikulären Störstoffe werden anschließend von der Lösung über ein mechanisches Fest-Flüssig-Trennverfahren abgetrennt. Die zu entfernenden partikulären Störstoffe umfassen dabei in der Regel Partikelgrößen mit einem Durchmesser von ≥ 5 μm, in einzelnen Fällen auch ≥ 1 μm oder im Falle der Infektiositätsreduzierung 0,45 μm. Die Bildung der Lösung kann dabei auch durch Temperaturerhöhung beschleunigt oder erst erreicht werden.
Unter den eingesetzten mechanischen Fest-Flüssig-Trennverfahren werden verfahrenstechnische Grundoperationen verstanden, mit deren Hilfe man Partikel und eine flüssige Phase

1. unter Ausnutzung von Dichtedifferenzen und unter der Wirkung der Schwerkraft oder einer Zentrifugalkraft oder
2. unter Ausnutzung einer Differenz zwischen Partikeldurchmesser und dem Durchmesser eines engen Strömungskanals (Porenfilter) voneinander trennen kann.

Die mit dem vorliegenden Verfahren erhaltene Lösung kann je nach Hilfsstoff direkt oder nach teilweiser oder vollständiger Abtrennung des Hilfsstoffes als Brennstoff eingesetzt werden. Die nach mechanischer Reinigung der Lösung gewonnenen Produkte sind vor allem durch die Abtrennung von amyloiden Fibrillen (Aggregate aus unlöslichen Proteinen) weniger infektiös und enthalten bei gleicher Anfangsbelastung weniger Keime oder Prionen als Brennstoffe oder andere Produkte aus Abfallfett, die mit mechanischen Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt werden. Mit dem vorliegenden Verfahren wird somit die Herstellung von störstofffreiem und Infektiositäts-reduziertem Brennstoff aus Abfallfetten ermöglicht, wobei dieser Brennstoff als Substitut für verschiedene Heizölfraktionen oder für Dieselkraftstoff eingesetzt werden kann. Auch bei einer weiteren Fraktionierung der erhaltenen Lösung, wie dies in einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens erfolgt, können eine oder mehrere der erhaltenen Fraktionen – mit oder ohne Hilfsstoff – als Brennstoff zum Einsatz kommen.
Ein besonderer und überraschender Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht darin, dass durch Zugabe des Hilfsstoffes und nachfolgende Sedimentation ein kompakteres Sediment und eine höhere Ausbeute d.h. eine schärfere Trennung erreicht wird, als dies bei gleicher Viskositätseinstellung des Abfallfettes alleine durch Temperaturerhöhung erreicht wird. Die eingesetzten Hilfsstoffe mit den beschriebenen Eigenschaften sind in der Regel auch in der Lage, Fette aus den Sedimenten in die einphasige Lösung herauszuziehen. Diese Fette können im Sediment in den folgenden Formen vorliegen:

– als feste Fettpartikel und/oder
– gebunden in biologischem Material (z.B. in tierischem Fettgewebe) und/oder
– in flüssiger Form in der Zwickelflüssigkeit zwischen den sedimentierten Partikeln.

Geeignete Hilfsstoffe für das vorliegende Verfahren sind dem Fachmann bekannt oder lassen sich in einfacher Weise bei Kenntnis der obigen Eigenschaft vom Fachmann ermitteln. In Versuchen zeigte sich, dass z.B. handelsübliche Brennstoffe wie Benzin, Kerosin, Heizöl, Biodiesel oder Diesel diese Eigenschaft aufweisen. Es ist auch möglich und vielfach auch vorteilhaft, reine Chemikalien als Hilfsstoffe zu verwenden. Geeignet sind bei Restaurantfetten und Tierfetten z.B. Kohlenwasserstoffe wie Hexan, Heptan oder ähnliche chemische Verbindungen. Auch Ether wie Diethylether, Aromaten wie Benzol und Toluol, halogenierte Kohlenwasserstoffe wie z.B. Chloroform aber auch Stoffe wie Tetrahydrofuran zeigen die Eigenschaft, dass sie mit den Fettkomponenten eine einphasige Lösung geeigneter Dichte und Viskosität bilden.
Je nach den technischen Anforderungen kann es bei der Hilfsstoffauswahl wichtig sein, dass neben dem Lösevermögen der Hilfsstoffe bezüglich der Fettkomponenten sichergestellt wird, dass z.B. keine zu entfernenden Kunststoffe oder andere zu entfernende Störstoffe aufgelöst und damit mechanisch nicht abgetrennt werden können. In einzelnen Fällen kann es aber gewünscht sein, bestimmte stoffliche Arten von Feststoffpartikeln, z.B. bestimmte Kunststoffe, mit in die Lösung zu überführen. Dann sollten Hilfsstoffe verwendet werden, die entsprechende Partikel selektiv lösen.
Unterstützt werden kann das Auflösen der Fettkomponenten im Hilfsstoff durch leichte Temperaturerhöhung, z.B. auf 40 bis 70 °C. Durch Temperaturerhöhung können die kristallinen Fette der Fettkomponenten aufgeschmolzen werden, was sich positiv auf die Löslichkeit im Hilfsstoff auswirkt. Zudem verbessert die Temperaturerhöhung auch die Aufnahmekapazität des Hilfsstoffes hinsichtlich der Fettkomponenten. Es ist bei der Temperaturerhöhung beim Vermischen nur darauf zu achten, dass die Siedetemperatur des Hilfsstoffs im System nicht überschritten wird. Im Falle von Hexan ist dies z.B, eine Temperatur von etwa 69 °C bei Normaldruck.
Es zeigt sich bereits bei Zugabe von 25% des ausgewählten Hilfsstoffs eine hervorragende Sedimen tation der Partikel bereits unter Schwerkrafteinfluss. Die Destabilisierung der ursprünglich stabilen Abfallfett-Suspension ist so weitgehend, dass alle partikulären Stoffe sedimentieren, die größer als 5 μm sind und deren Dichte über der Dichte der Lösung liegt. Überraschenderweise zeigt sich dabei, dass die Viskositätserniedrigung für die Trennschärfe zwischen den festen Störstoffen und den Fettkomponenten nicht der einzig entscheidende verfahrenstechnische Parameter ist. So hat z.B. ein hilfsstofffreies Abfallfett bei 50 °C die gleiche Viskosität wie eine Mischung aus Dieselkraftstoff als Hilfsstoff und Abfallfett im Verhältnis 1:1 bei 20 °C. Die Trennschärfe ist bei Verwendung von Hilfsstoffen aber deutlich verbessert. So ist das entstehende Sediment bei Einsatz des Hilfsstoffes weitaus kompakter, es hat ein kleineres Volumen und es enthält weniger Fett als das Sediment das entsteht, wenn die Störstoffe im Abfallfett mit der gleichen Viskosität ohne Hilfsstoff sedimentieren (vgl. Beispiel 3). Auch ist es nur unter Einsatz eines Hilfsstoffes möglich, in biologischem Gewebe vorliegendes oder gebundenes Fett in die einphasige Lösung zu überführen.
Auch eine Filtration mit 5 μm Porenweite ist nach Zugabe des Hilfsstoffes einfach möglich und betriebssicher zu realisieren. Die Lösung ist nach der mechanischen Behandlung so sauber, dass sie direkt als Brennstoff verwertet werden kann.
Es ist möglich, den Hilfsstoff in einem breiten Massenverhältnis zu den Fettkomponenten einzusetzen. Bei einer Konzentration von 5 bis 99 % Hilfsstoff können sich die gewünschten Bedingungen zur Abtrennung der Partikel aus der Lösung einstellen. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Fachmann unter Umständen versuchen, so wenig Hilfsstoff wie möglich einzusetzen, um Kosten zu sparen.
Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren so betrieben werden, dass

1. der eingesetzte Hilfsstoff für den Einsatz der Lösung als Brennstoff ganz oder teilweise in der Lösung verbleibt oder
2. ganz oder teilweise aus der Lösung abgetrennt und im Verfahren recycliert wird.

In beiden Fällen kann die Lösung grundsätzlich als Brennstoff eingesetzt werden. Insbesondere im zweiten Fall ist ein verfahrenstechnischer Vorteil zu erreichen, wenn ein Hilfsstoff eingesetzt wird, der aus nur einer chemischen Verbindung besteht. Diese kann nach dem mechanischen Trennverfahren leicht mittels destillativer Verfahren oder mittels Membranverfahren aus der Lösung oder mittels Trocknungsverfahren aus den abgetrennten Feststoffen bzw. dem Sediment abgetrennt werden. Der Hilfsstoff kann im Kreislauf gefahren werden und die anfallende Restabfallmenge wird auf ein Minimum reduziert.
Als mechanische Fest/Flüssig-Trennverfahren können alle nach Stand der Technik bekannten Trennverfahren zur Trennung von Feststoffen aus flüssigen Phasen verwendet werden. Als Verfahren bieten sich z.B. Filtration, Sedimentation, Zentrifugation einschließlich Hydrozyklonverfahren, aber auch Flotation sowie Klassierungsverfahren in nicht zentrifugalen Strömungen an, wie z.B. die Aufstromklassierung.
Es kann vorteilhaft sein, freies Wasser, das im Abfallfett enthalten sein kann, vor dem Vermischen von Abfallfett und Hilfsstoff vollständig aus dem Abfallfett abzutrennen. So wird z.B. vermieden, dass beim Mischen von Abfallfett und Hilfsstoff eine die spätere Partikelabtrennung behindernde Emulsion entsteht oder bei der späteren destillativen Abtrennung des Hilfsstoffes Wasser mit in den Hilfsstoff gelangt.
In einer verfahrenstechnisch optimierten Ausgestaltung des Verfahrens werden Temperatur und/oder Hilfsstoffmenge in der Lösung soweit erhöht, dass auch Partikel mit einem Durchmesser von 1 μm noch im Erdschwerefeld ausreichend schnell sedimentieren können. Damit kann sichergestellt werden, dass Feinstpartikel wie z.B. Knochenmehle annähernd vollständig aus der Lösung abgetrennt werden, ohne dass zentrifugale Kräfte oder Filter im Trennverfahren verwendet werden müssen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden nicht Abfallfette aus einer Abfallquelle, wie Tierfette oder Restaurantfette, mit einem Hilfsstoff gemischt, sondern definierte Mischungen aus Abfallfetten unterschiedlicher Herkunft. Das kann die Effizienz und Lösungskapazität des Hilfsstoffes im Einzelfall verbessern.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, mittels Hilfsstoffzugabe und Temperaturwahl eine gezielte Fraktionierung der im Abfallfett enthaltenen Fettkomponenten entsprechend ihrer Löslichkeit mit dem eingesetzten Hilfsstoff vorzunehmen. So kann das Abfallfett in einem ersten Schritt mit einem Hilfsstoff gemischt werden, der in Abhängigkeit von der vorliegenden Temperatur nur einen Teil der Fettkomponenten löst. Es zeigte sich z.B. in Versuchen mit verschiedenen Hilfsstoffen, dass bei 20 °C ein geringerer Anteil der Fettkomponenten mit dem Hilfsstoff gelöst werden kann als bei 50 °C. Diese Erscheinung kann für die Ausgestaltung des Verfahrens ausgenutzt werden. Somit kann erreicht werden, dass bei niedrigeren Temperaturen feste Bestandteile der Fettkomponenten nicht so schnell in die Lösung übergehen. Der Rest, also die nicht gemischten Bestandteile der Fettkomponenten (wie z.B. schwerlösliche Fettanteile) und die unlöslichen Störstoffe bleiben nach einem mechanischen Trennverfahren als fester Rückstand zurück. Nach Abdestillieren des Hilfsstoffs aus der Lösung wird je nach den gewählten Lösungsbedingung ein Produkt gewonnen, das sich ggf. auch unter normalen Lagerbedingungen (ca. 15 °C) nicht mehr verfestigt. Damit ist das Produkt im Besonderen als Substitut für lagerstabile Brennstoffe wie Heizöl geeignet. Aus der im ersten Schritt abgetrennten Rückstands-Fraktion können die nicht gelösten Komponenten der Fettkomponenten in einem zweiten Schritt durch Zugabe eines weiteren Hilfsstoffs, durch Zugabe einer größeren Menge des gleichen Hilfsstoffs und/oder durch Erhöhung der Temperatur, auch gelöst werden. Die festen Störstoffe werden dann in dem zweiten Schritt von der Lösung mechanisch abgetrennt. Das im zweiten Schritt aus der Lösung gewonnene Produkt besteht überwiegend aus reinen schwerlöslichen Fetten.
Diese können auch als Brennstoff verwertet werden. Je nach Zusammensetzung des gewonnenen Produktes kann es auch als Rohstoff in der chemischen Industrie zum Einsatz kommen. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Fraktionierung der Abfallfette genutzt werden, um definierte Produkte für unterschiedliche technische Anwendungen herzustellen. Es ist auch möglich, mehr als zwei Fraktionierungsschritte durchzuführen.
Eine Fraktionierung der Fettkomponenten kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch erreicht werden, indem die Temperatur der erzeugten Lösung vor oder nach der Abtrennung der Störstoffe so weit herabgesetzt wird, dass einzelne Komponenten, z.B. kristalline Fette, als Feststoff wieder ausfallen und somit von der Lösung abgetrennt werden können. Eine Fraktionierung der Fettkomponenten gestaltet sich besonders vorteilhaft, wenn definierte Anforderungen z.B. hinsichtlich Verfestigungstemperatur, Viskosität, Flammpunkt oder andere an den aus der Lösung gewonnenen Brennstoff gestellt werden oder wenn das Ziel verfolgt wird, feste Fettfraktionen zu erhalten.
Eine wirtschaftlich besonders interessante Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, als Hilfsstoff einen handelsüblichen Brennstoff (z.B. Dieselkraftstoff, Heizöl, Kerosin, Benzin, ...) zu verwenden, und diesen Hilfsstoff zum Teil oder vollständig nach der mechanischen Trennung in der Lösung zu belassen. Dieses Vorgehen hat einen direkten Einfluss auf die Verfestigungstemperatur des dabei gewonnenen Brennstoffs, da Reste des handelsüblichen Brennstoffs eine Erniedrigung der Verfestigungstemperatur bewirken. Somit kann neben der Ermöglichung einer mechanischen Reinigung mit Hilfe des Hilfsstoffes auch eine Verbesserung der Produkteigenschaften und der Lagerstabilität erreicht werden. Im Einzelfall ist es auch möglich, Reinchemikalien oder Chemikalien-Mischungen, die bislang nicht als Brennstoff eingesetzt werden wie z.B. Hexan, Heptan, Xylol oder andere für diese Ausgestaltung des Verfahrens zu nutzen. Eine Mischung aus Abfallfett mit einem handelsüblichen Brennstoff oder mit den genannten Reinchemikalien hat den Vorteil, dass der erhaltene Brennstoff bei Raumtemperatur flüssig. ist und als universell einsetzbarer Brennstoff einem konventionellen Brenner oder Verbrennungsmotor zugeführt werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, nach der mechanischen Reinigung der Lösung aus Fettkomponenten und Hilfsstoff und nach der teilweisen oder vollständigen destillativen Abtrennung des Hilfsstoffes zu dem gewonnenen Brennstoff einen handelsüblichen Brennstoff, eine Destillationsfraktion eines handelsüblichen Brennstoffes oder Mischungen aus handelsüblichen Brennstoffen (z.B. Dieselkraftstoff, Heizöl, Kerosin, Benzin, ...) zuzugeben, um die Eigenschaften der dabei erzeugten Brennstoffmischung hinsichtlich Viskosität, Verfestigungstemperatur und Flammpunkt zu verändern. Dabei kann durch die Auswahl des handelsüblichen Brennstoffes, der stets eine Mischung aus vielen Einzelkomponenten darstellt, gezielt auf die Eigenschaften des Brennstoffes Einfluss genommen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, vor, während oder nach der Zugabe des mit den Fettkomponenten mischbaren Hilfsstoffes oder nach Abtrennung des Hilfsstoffes als weiteren Stoff Wasser zuzugeben, damit Stoffe aus dem Brennstoff abgetrennt werden, die wasserlöslich sind und im Brennstoff unerwünscht sind, wie Kochsalz, Zucker oder andere Stoffe. Eine derartige Behandlung mit Wasser kann auch mehrstufig durchgeführt werden.
In einer besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens werden die Fettkomponenten des Abfallfettes vor der Vermischung mit dem Hilfsstoff durch Temperaturerhöhung aufgeschmolzen, d.h. es werden vor der Vermischung mit dem Hilfsstoff alle Fettbestandteile verflüssigt, die bei Raumtemperatur fest sind. Die Fettkomponenten der Abfallfette liegen je nach Zusammensetzung des Abfallfettes zwischen 40 °C und 100 °C vollständig flüssig vor. Die Fettkomponenten des verflüssigten Abfallfettes können in diesem Zustand sehr einfach, viel schneller und meistens auch vollständig mit dem Hilfsstoff in eine einphasige Lösung überführt werden, was den Lösevorgang beschleunigt und zu kleineren Mischgefäßen führt. Daneben kann auch in biologischem Gewebe vorliegendes und/oder gebundenes Fett nur unter Verwendung von Hilfsstoffen in eine einphasige Lösung überführt werden. Hierbei sollte mit Hilfsstoffen gearbeitet werden, deren Siedetemperatur oder Siedebereich bei Normaldruck oberhalb der Verflüssigungstemperatur der Fettkomponenten liegt. Wenn z.B. die Fettkomponenten erst oberhalb von 60 °C vollständig verflüssigt sind, sollte der Siedebereich des verwendeten organischen Hilfsstoffes noch nicht erreicht sein. Benzinmischungen, die bei 40 °C zu sieden beginnen, eignen sich dafür dann nicht mehr.
Wie bereits beschrieben, wird bevorzugt Tierfett oder sog. Restaurantfett als Basis für den Brennstoff verwendet, das nicht für Verzehr geeignet ist. Dies kann z.B. Tierfett sein, das eine oder mehrere Verunreinigungen in nicht annehmbaren Konzentrationen enthält. Es könnte auch ein Tierfett sein, das von infizierten oder potentiell infizierten Tieren stammt, wie z.B. von BSE-Rindern oder das aus spezifizierten Risikomaterialien wie z.B. Hirn oder Rückenmark gewonnen wurde. Abhängig von der Herkunft des tierische Bestandteile enthaltenden Abfallfettes ist es möglich, dass besondere gesetzliche Anforderungen erfüllt werden müssen. Abhängig von der tatsächlichen Situation ist ein Fachmann in der Lage, die geforderten Maßnahmen zu ergreifen.
In einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird als Abfallfett ein thermisch vorbehandeltes Abfallfett eingesetzt, dass 20 Minuten oder länger einer Temperatur von 132 °C oder höher ausgesetzt war. Überraschenderweise zeigt sich, dass durch diese Vorbehandlung das Fett den genannten Hilfsstoffen besser zugänglich gemacht wird. Es erscheint deshalb auch vorteilhaft, die Abfallfette einer noch stärkeren Temperatur-Zeit-Belastung auszusetzen, um sie einer Lösung noch besser zugänglich zu machen. Es ist dafür in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, die thermisch vorbehandelten Abfallfette einer weiteren thermischen Belastung bei Temperaturen über 60 °C auszusetzen, um die Zugänglichkeit der Abfallfette für eine Lösung mit Hilfsstoffen weiter zu verbessern. Dies kann auch im Lösungsprozess selbst erreicht werden, wenn die Temperatur der Lösung auf über 60 °C erhöht wird.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Nachfolgend wird die Herstellung von Brennstoffen auf Basis von Abfallfett mit dem vorliegenden Verfahren an drei Beispielen dargestellt.
Beispiel 1
In 100 g Tierfett werden 100 g Hexan gegeben (Temperatur der Lösung 20 °C). Nach intensiver Vermischung wird das Reaktionsgefäß im Erdschwerefeld stehen gelassen. Nach etwa 1 Stunde liegen die partikulären Störstoffe als kompaktes Sediment von ca. 2 Vol.-% am Boden des Gefäßes vor. Der Überstand besteht aus der klaren Lösung und im geringen Teil (< 1%) aus ausgeflockten Fettpartikeln, die sich bei Erhöhung der Temperatur lösen. Der Überstand kann zusammen mit dem Hexan oder nach teilweiser oder vollständiger Abtrennung des Hexans als Brennstoff verwertet werden.
Beispiel 2
In 100 g Tierfett werden 100 g Dieselkraftstoff gegeben. Nach intensiver Vermischung wird die Mischung mittels Papierfilter (5–10 μm Maschenweite) filtriert. Es bleiben etwa 4% Feststoffe auf dem Filter als Rückstand zurück. Das Filtrat kann direkt als Brennstoff oder als Kraftstoff eingesetzt werden. Ein vollständiges Abdestillieren des Dieselkraftstoffs erscheint nicht sinnvoll, da der Siedebereich des Heizöls mit dem Siedebereich der Fettkomponenten überlappt. Eine teilweise Abtrennung der leichter flüchtigen Bestandteile des Dieselkraftstoffes erscheint möglich und je nach den Anforderung auch sinnvoll.
Beispiel 3
100 g Restaurantfett werden in einem Gefäß auf ca. 50 °C erwärmt. Die Viskosität des Restaurantfettes wird damit auf einen Wert von ca. 25 mPas eingestellt. Die gleiche Viskosität wird eingestellt, wenn in einem Gefäß bei 20 °C 100 g des gleichen Abfallfettes gemäß dem vorliegenden Verfahren mit 100 g Hexan vermischt werden. Nach 12 Stunden liegen in beiden Gefäßen die partikulären Störstoffe als Sedimente vor. Das Sediment in der Mischung aus Hexan und Restaurantfett hat einen Volumenanteil von ca. 9%, das Sediment im 50 °C warmen Restaurantfett hat einen Volumenanteil von ca. 33%. Nach Entfernung des Sedimentes können ca. 67 g Fettkomponenten aus dem nur erwärmten Restaurantfett als Ersatzbrennstoff gewonnen werden. Nach Abtrennung des Sedimentes und Abdestillieren des Hexans gemäß dem vorliegenden Verfahren können aus der Lösung ca. 90 g Fettkomponenten als Ersatzbrennstoff gewonnen werden, also eine deutlich größere Menge. Somit fällt im Vergleich zu dem Verfahren nach Stand der Technik weniger Abfall an. Es kann gleichzeitig ein größerer Anteil der Fettkomponenten als Ersatzbrennstoff verwertet werden, was die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht.

Claims

Verfahren zur Fraktionierung von Abfallfetten, die Fettkomponenten und partikuläre Störstoffe enthalten, insbesondere zur Herstellung von Brennstoffen aus den Abfallfetten, bei dem den Abfallfetten ein flüssiger organischer Hilfsstoff zugegeben und mit diesen vermischt wird, der geeignet ist, mit den Fettkomponenten eine einphasige Lösung zu bilden, wobei sich zu entfernende partikuläre Störstoffe weder in der Lösung noch im Hilfsstoff lösen und die Lösung eine Viskosität und Dichte aufweist, die eine Abtrennung der zu entfernenden partikulären Störstoffe von der Lösung über ein mechanisches Fest-Flüssig-Trennverfahren ermöglichen; und bei dem die zu entfernenden partikulären Störstoffe von der durch die Vermischung gebildeten Lösung über ein mechanisches Fest-Flüssig-Trennverfahren abgetrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfallfette vor, während oder nach der Zugabe des Hilfsstoffes erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Abfallfetten vorhandenes freies Wasser vor der Zugabe des Hilfsstoffes aus den Abfallfetten abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu entfernenden partikulären Störstoffe von der Lösung über ein Dichtetrennverfahren im Zentrifugalfeld abgetrennt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu entfernenden partikulären Störstoffe von der Lösung über eine Sedimentation im Erdschwerefeld abgetrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Wahl der Temperatur und/oder der Art und/oder Menge des Hilfsstoffes eine Sedimentationsgeschwindigkeit von ≥ 0,5 mm/min für Partikel mit einem Durchmesser von 5 μm erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Wahl der Temperatur und/oder der Art und/oder Menge des Hilfsstoffes eine Sedimentationsgeschwindigkeit von ≥ 0,5 mm/min für Partikel mit einem Durchmesser von 1 μm erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu entfernenden partikulären Störstoffe von der Lösung über eine Filtrationstechnik abgetrennt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsstoff Brennstoffe, insbesondere Benzin, Kerosin, Heizöl, Biodiesel oder Diesel, oder Mischungen daraus, Kohlenwasserstoffe, Ether, Aromaten, flüssige Furane wie Tetrahydrofuran, halogenierte Kohlenwasserstoffe oder Mischungen aus einem oder mehreren der genannten Stoffe eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfsstoff zugegeben wird, in dem sich nicht zu entfernende Störstoffe lösen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsstoff in einer Menge zugegeben wird, die zu einer Konzentration von 5 bis 99 Gew.%, bevorzugt 20 bis 70 Gew.%, insbesondere 30 bis 50 Gew.%, des Hilfsstoffes in der Lösung führt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsstoff und die Abfallfette in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 vermischt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsstoff nach dem Abtrennen der zu entfernenden partikulären Störstoffe von der Lösung ganz oder teilweise aus der Lösung abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsstoff nach dem Abtrennen der zu entfernenden partikulären Störstoffe von der Lösung ganz oder teilweise von den abgetrennten partikulären Störstoffen abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsstoff aus der Lösung oder von den partikulären Störstoffen mittels eines destillativen Verfahrens abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsstoff aus der Lösung oder von den partikulären Störstoffen mittels eines Trocknungsverfahrens abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsstoff aus der Lösung mittels eines Membranverfahrens abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der abgetrennte Hilfsstoff dem Verfahren für die Fraktionierung weiterer Abfallfette erneut zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Zugeben des Hilfsstoffes verschiedene Arten von Abfallfetten vermischt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfsstoff zugegeben wird, der bei einer ersten Temperatur mit nur einem ersten Teil der Fettkomponenten eine einphasige Lösung bildet, und die Lösung von nicht gelösten festen Bestandteilen der Abfallfette über das mechanische Fest-Flüssig-Trennverfahren abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachfolgenden Schritt die nicht gelösten festen Bestandteile mit dem gleichen Hilfsstoff bei einer zweiten Temperatur vermischt werden, die höher als die erste Temperatur ist und bei der ein zweiter Teil der Fettkomponenten mit dem Hilfsstoff eine einphasige Lösung bildet, und die erhaltene weitere Lösung von den zu entfernenden partikulären Störstoffen über das mechanische Fest-Flüssig-Trennverfahren abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachfolgenden Schritt die nicht gelösten festen Bestandteile mit einem weiteren Hilfsstoff vermischt werden, mit dem ein zweiter Teil der Fettkomponenten eine einphasige Lösung bildet, in der sich die zu entfernenden partikulären Störstoffe nicht lösen, und die erhaltene weitere Lösung von den zu entfernenden partikulären Störstoffen über das mechanische Fest-Flüssig-Trennverfahren abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung nach dem Abtrennen von den zu entfernenden partikulären Störstoffen abgekühlt wird, um einzelne Fettkomponenten zu verfestigen und über ein Fest-Flüssig-Trennverfahren von der Lösung abzutrennen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung von Brennstoff zumindest ein Teil des zugegebenen Hilfsstoffes nicht aus der Lösung entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung von Brennstoff der Lösung ein anderer Brennstoff, eine Fraktion eines anderen Brennstoffes oder eine Mischung aus anderen Brennstoffen zugemischt wird, um spezielle Brennstoffeigenschaften einzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass vor, während oder nach der Zugabe des Hilfsstoffes durch Zugabe von Wasser wasser lösliche Störstoffe gelöst und durch anschließendes Abtrennen des Wassers aus dem Abfallfett oder der Lösung entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Zugabe des Hilfsstoffes feste Fettkomponenten durch Wärmezufuhr verflüssigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Abfallfett vor der Zugabe des Hilfsstoffes über einen Zeitraum von mindestens 20 Minuten einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 132°C oder darüber unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Abfallfett zusätzlich vor, während oder nach der Zugabe des Hilfsstoffes über einen Zeitraum von mindestens 20 Minuten auf eine Temperatur oberhalb von 60°C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Abfallfett vor, während oder nach der Zugabe des Hilfsstoffes über einen Zeitraum von mindestens 20 Minuten auf eine Temperatur oberhalb von 60°C erwärmt wird.
Brennstoff für Verbrennungsmaschinen, der nach einem Verfahren der vorangehenden Patentansprüche hergestellt ist.