DE202021001452U1 - Anlage zur Produktion von fluiden Brennstoffen - Google Patents

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Abstract

Anlage zur Herstellung von Brennstoffen aus faser-, faden- oder drahtarmierten kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen, bestehen aus wenigstens einem ersten Anlagenteil zum Trennen der Armierung vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial, und wenigstens einer Vergasungsvorrichtung als zweiten Anlagenteil zur Herstellung eines brennbaren Gasgemisches aus dem Matrixmaterial.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anlage, mit der fluide Brennstoffe wie Synthesegas, Wasserstoff, Methanol oder Ammoniak aus Bauteilen aus faser-, faden- oder drahtarmierten Polymeren, wie Glasfaser- oder Kohlenfaserverstärktem Kunststoff (GFK/CFK) oder Autoreifen, hergestellt werden können.
  • GFK und CFK weisen eine Vielzahl von Vorteilen auf, können jedoch kaum werkstofflich recycelt werden, da die Trennung von Armierungsfasem und Matrixmaterial bisher nicht großtechnisch realisiert werden konnte.
  • Auch die Verbrennung von GFK und CFK ist höchst problematisch. Der Glasanteil von GFK schmilzt und tropft nach unten, wodurch sich Glasschichten bilden, die zu Anlagenstörungen führen. Bei der Verbrennung von CFK dagegen gelangen unverbrannte Kohlenfasem in die Abluftreinigung und führen dort in der elektrostatischen Reinigungsstufe zu Kurzschlüssen.
  • Und schließlich ist das Einbringen in Deponien nur sehr begrenzt möglich, da nur inertes Material deponiert werden darf, GFK und CFK jedoch brennbar sind.
  • Dies stellt sowohl ein ökologisches als auch ein betriebs- und volkswirtschaftliches Problem dar und betrifft eine Vielzahl von in großen Stückzahlen hergestellten Produkten wie Flügel und Gondelgehäuse von Windkraftanlagen, Boote und Schiffe, Dusch- und Badewannen, Rohre, Schächte und Tanks, Bauteile von Automobilen und Luftfahrzeugen sowie der Elektrotechnik.
  • Auch das Recycling von stahlfadenarmierten vernetzten Polymeren wie Autoreifen stellt ein ökologisches und ökonomisches Problem dar und ist großtechnisch noch nicht zufriedenstellend gelöst. Die derzeitige Praxis der Mitverbrennung in Öfen von Zementfabriken wird aufgrund verschärfter Emissionsschutzvorgaben zumindest in Europa stark reduziert werden, und auch hier behindert der Polymer-/Armierungsverbund die Verwertung.
  • Im Rahmen des politisch getriebenen Umbaus der Brennstoffwirtschaft in Europa, in der EU-Direktive 2018/2001 definiert und durch nationale Regelungen umgesetzt, wird der Bedarf an aus nicht fossilen Quellen, insbesondere aus Abfällen hergestellten fluiden Brennstoffen in den nächsten Jahren sehr stark wachsen. Verfügbare Technologien, mit denen fluide Brennstoffe aus Kunststoffen hergestellt werden können, setzen jedoch einen geringen Anteil an Inertstoffen raus. Da der Faseranteil zumindest bei hochwertigen GFK-Bauteilen in der Regel mehr als 50% beträgt, ist GFK auch für diesen Recyclingpfad derzeit nicht verfügbar.
  • Hier setzt die Erfindung ein, die eine Anlage vorsieht, in der in einem ersten Anlagenteil faser,- faden- oder drahtarmierte Verbundstoffe zunächst in die Armierung und das kohlenstoffhaltige Matrixmaterial getrennt und dann in einem zweiten Anlagenteil das Matrixmaterial in einen fluiden Brennstoff umgewandelt werden kann. Im Fall von GFK-Bauteilen können diese zunächst in Glasfasern einerseits und kohlenstoffhaltiges Matrixmaterial andererseits getrennt, und dann das kohlenstoffhaltige Matrixmaterial thermisch in ein bevorzugt Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes Gasgemisch (Synthesegas) zersetzt werden. Falls die Größe der GFK-Bauteile die Größe der Aufnahmeöffnung der ersten Vorrichtung des ersten Anlagenteils übersteigt, kann der erfindungsgemäßen Anlage ein Zerkleinerer oder Brecher vorgeschaltet werden.
  • Wenn die Glasfasern in ihrer im GFK-Bauteil vorliegenden Länge erhalten bleiben sollen, ist es erforderlich, die Aufnahmeöffnung der ersten Vorrichtung des ersten Anlagenteils größer als die Faserlänge auszuführen.
  • Vorteilhafterweise besteht dieser erste Anlagenteil zur Trennung der GFK-Bauteile in Glasfasern und kohlenstoffhaltiges Matrixmaterial aus wenigstens zwei Vorrichtungen: einer ersten Vorrichtung, in denen die GFK-Bauteile nicht gebrochen oder geschnitten, sondern zwischen Maschinenbauteilen gequetscht, und einer zweiten Vorrichtung, in dem die zerquetschten GFK-Elemente im Wesentlichen gegeneinander zerrieben werden.
  • Diese Vorrichtungen können in einem Anlagenteil zusammengefasst sein, wie es beispielhaft in der WO002016066159A1 beschrieben ist. Vorteilhafter ist jedoch, den ersten Anlagenteil in zwei Vorrichtungen aufzuteilen, damit beide Prozesse optimal unabhängig voneinander geregelt werden können, wie in der DE202020004665U1 beschrieben.
  • Bevorzugt weist die Vorrichtung zum Zerquetschen wenigstens eine angetriebene Walze oder ein Walzenpaar auf, bei dem wenigstens eine Walze angetrieben ist, die es ermöglichen, die GFK-Bauteile zwischen den Walzen oder zwischen den Walzen und einer Wandung zur zerquetschen. Vorteilhafterweise weisen wenigstens die angetriebenen Walzen eine Oberflächenstukturierung wie Rippen, Noppen oder Nuten auf, womit das Einziehen der GFK-Bauteile zwischen die Walzen verbessert wird.
  • Eine zweite Vorrichtung des ersten Anlagenteils zur Trennung von faserarmierten Bauteilen in Armierung und Matrixmaterial weist bevorzugt einen sich verjüngenden Spalt auf, wobei sich die den Spalt bildenden Elemente gegeneinander bewegen können, um die GFK-Elemente im Spalt zu zerreiben. Vorteilhafterweise wird der Spalt aus zwei Kegelstümpfen gebildet. Diese Vorrichtung weist bevorzugt zumindest im letzten Bereich glatte Spaltwände auf, womit ein Zerreiben nur zwischen den faserarmierten Verbundwerkstoff-Elementen stattfindet, um die Trennung der Fasern, Fäden oder Drähten vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial zu erreichen, wie beispielhaft, aber die Lehre der Erfindung nicht einschränkend in der EP000002288452B1 gezeigt.
  • Falls die Erhaltung der Faserlänge nicht gefordert ist, können die GFK-Bauteile vor Aufnahme in den ersten Anlagenteil stärker zerkleinert werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der erste Anlagenteil noch eine dritte Vorrichtung auf, die bevorzugt als Siebeinrichtung ausgeführt ist, um die voneinander gelösten Armierungsfasern, -drähte oder -fäden und das kohlenstoffhaltige Matrixmaterial voneinander zu separieren.
  • Eine Vergasungsvorrichtung als zweiter Anlagenteil der erfindungsgemäßen Anlage kann für kontinuierlichen und für Batch-Betrieb ausgelegt sein.
  • Kontinuierliche Vorrichtungen zur Synthesegasproduktion sind vorteilhaft, da sie die Prozessführung der nachgeordneten Vorrichtungen erleichtern. Bewährt haben sich Ausführungsformen wie beispielhaft in der EP000002639289A1 beschrieben.
  • Bei einer Ausführung für Batchbetrieb kann ein quasikontinuierlicher Betrieb dadurch erreicht werden, dass die Anlage mehrere Gaserzeugungseinheiten aufweist, mit denen ein zeitversetzter Betrieb und Materialwechsel ermöglicht wird.
  • Bei der konventionellen Synthesegasproduktion bei Temperaturen von meist deutlich unter 1000°C, aber selbst bei 1300°C befinden sich im produzierten Gas etliche höhermolekulare Bestandteile, die toxisch wirken oder beim Abkühlen zu Störstoffen wir Teere kondensieren können.
  • Die Vergasung mit Plasmabrennern hat den Vorteil, dass aufgrund der hohen Prozesstemperarturen von über 3000°C das Synthesegas kaum noch höhermolekulare Bestandteile aufweisen kann.
  • In der Regel wird es erforderlich sein, dass dem zweite Anlagenteil Vorrichtungen zum Kühlen und/oder Reinigen des Rohgases von unerwünschten oder toxischen Komponenten nachgeschaltet sind.
  • Die Erfindung umfasst weiterhin Anlagen, in denen in weiteren Anlagenteilen das Synthesegas in Kraftstoffe wie z.B. Wasserstoff, Methanol oder Ammoniak umgewandelt wird.
  • Für die Wasserstoffproduktion weist die erfindungsgemäße Anlage vorteilhafterweise einen dritten Anlagenteil mit einer Dampfreformierung auf, in der ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid produziert werden kann.
  • In 1 ist das Blockschema einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung von Wasserstoff aus GFK dargestellt:
    • In der Vorrichtung 1.1 können GFK-Elemente zerquetscht, in der nachfolgenden Vorrichtung 1.2 zerrieben und in der Vorrichtung 1.3 können die Glasfasern und das kohlenstoffhaltige Matrixmaterial getrennt werden. Eine Vorrichtung 1.4 dient als Pufferspeicher für die separierten Glasfasern.
  • Ein zweiter Anlagenteil weist eine Vergasung 2.1 auf, bevorzugt eine Plasmavergasung, in dem ein Wasserstoff-/Kohlenmonoxid-Gasgemisch hergestellt werden kann, und dem eine Gaskühlung 2.2 und eine Gasreinigung 2.3 nachgeschaltet ist.
  • In einer Dampfreformierungs- / Wassergas-Shift Anlage 3.1 kann Wasserstoff und Kohlendioxid aus dem Wasserstoff-/Kohlemnonoxid-Gasgemisch hergestellt werden.
  • In einem Anlagenteil 4.1 kann das Kohlendioxid abgetrennt und in einem Anlagenteil 5.1 verflüssigt werden. Die Abtrennung ist bevorzugt als Druckwechseladsorption, Membrantrennung, Absorption oder Gaszentrifuge ausgeführt.
  • In 2 ist das Blockschema einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung von Ammoniak aus GFK dargestellt.
  • Diese unterscheidet sich von der in 1 dargestellten dadurch, dass sie zusätzlich eine Haber-Bosch-Syntheseanlage (6.1) aufweist, mit dem aus dem produzierten Wasserstoff zusammen mit Luftstickstoff Ammoniak hergestellt werden kann.
  • In 3 ist das Blockschema einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung von Methanol aus GFK dargestellt, die sich von der in 1 dargestellten dadurch unterscheidet, dass sie anstelle der Anlagenteile 3.1, 4.1 und 5.1. bzw. 6.1 eine Vorrichtung 7.1 aufweist, mit der die Synthesegasbestandteile CO und H2 katalytisch zu CH3OH umgewandelt werden können.
  • Die Anlagenteile der erfindungsgemäßen Anlage können in räumlicher Nähe, aber auch getrennt voneinander, auch an verschiedenen Orten, installiert sein.
  • 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
    • WO 002016066159 A1 [0011]
    • DE 202020004665 U1 [0011]
    • EP 000002288452 B1 [0013]
    • EP 000002639289 A1 [0017]

Claims (13)

  1. Anlage zur Herstellung von Brennstoffen aus faser-, faden- oder drahtarmierten kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen, bestehen aus wenigstens einem ersten Anlagenteil zum Trennen der Armierung vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial, und wenigstens einer Vergasungsvorrichtung als zweiten Anlagenteil zur Herstellung eines brennbaren Gasgemisches aus dem Matrixmaterial.
  2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anlagenteil wenigstens eine Vorrichtung aufweist, mit der die Verbundwerkstoffe gegeneinander zerrieben werden, um die Trennung von Armierung und Matrixmaterial zu erreichen.
  3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anlagenteil wenigstens eine Vorrichtung aufweist, mit der die Verbundwerkstoffe, bevorzugt unter weitgehender Beibehaltung der Länge der die Armierung bildenden Fasern, Fäden oder Drähte zerquetscht werden können.
  4. Anlage nach einer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsvorrichtung wenigstens einen Plasmabrenner beinhaltet, mit dem bei Vergasungstemperaturen von wenigstens 2000°C, bevorzugt wenigstens 3000°C ein Gasgemisch hergestellt werden kann, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält.
  5. Anlage nach einer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen dritten Anlagenteil aufweist, in dem der Kohlenmonoxidanteil des im zweiten Anlagenteil produzierten Gasgemisches bevorzugt mittels Dampfreformierung/Wassergas-Shift in Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt werden kann.
  6. Vorrichtung nach einer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen vierten Anlagenteil aufweist, in dem Kohlendioxid verflüssigt werden kann.
  7. Vorrichtung nach einer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen fünften Anlagenteil aufweist, in dem Kohlendioxid aus dem im vierten Anlagenteil produzierten Gasgemisch abgetrennt werden kann.
  8. Vorrichtung nach einer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen sechsten Anlagenteil aufweist, in dem Wasserstoff mit Luftstickstoff zu Ammoniak synthetisiert werden kann.
  9. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen weiteren Anlagenteil aufweist, in dem Methanol aus Wasserstoff und Kohlendioxid synthetisiert werden kann.
  10. Vorrichtung nach einer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion von wenigstens einer der Anlagenteile in ein anderes Anlagenteil integriert ist.
  11. Vorrichtung nach einer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlage wenigstens ein Zerkleinerer vorgeschaltet ist, der die Verbundwerkstoffe auf eine Größe bricht, die vom ersten Anlagenteil aufgenommen werden kann.
  12. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage Einrichtungen zum Kühlen und/oder Reinigen des brennbaren Gasgemisches aufweist.
  13. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagenteile nicht in räumlicher Nähe, sondern getrennt voneinander, auch an verschiedenen Orten, installiert sind.
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