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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umsetzung von carbonfaserverstärkter Kunststoffabfall (CFK) zu Synthesegas in einer Wirbelschicht. Diese (CFK) - Abfälle, die erfindungsgemäß behandelt werden, sind fest und hauptsächlich Rückstände, die im Bereich Freizeit & Sport, Automobil, Schifffahrt/Yachten, Luftfahrt, Windenergie usw., die bei Erreichung „end of life“ anfallen.
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Die Entsorgung von CFK - Abfall gestaltet sich sehr komplex. Aufgrund der sehr hohen Zersetzungstemperatur der Carbonfaser (3600 °C) ist eine thermische Entsorgung (Müll- & Sondermüllverbrennungsanlagen, Zementindustrie usw.) nicht möglich. Durch eine weitere mechanische Belastung bei der Behandlung der Fasern werden diese immer weiter zerkleinert bis sie lungengängig werden und dann eine massive gesundheitliche Bedrohung darstellen.
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Beim CFK handelt es sich um einen Faserverbundwerkstoff, der aus einem Verbund aus Kohlenstofffasern und einer Kunststoffmatrix, in der Regel duroplastische Epoxidharze, besteht. Aufgrund der sehr guten mechanischen Eigenschaften und chemische Beständigkeit in Verbindung mit geringem Gewicht werden Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) immer mehr als Ersatz für bisher genutzte metallische Materialien bei anspruchsvollen Konstruktionen eingesetzt.
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Als Basismaterial zur Herstellung von Kohlenstofffaser wird aktuell am meisten Polyacrylnitril (PAN) verwendet, der über einer Carbonisierungsbehandlung im Temperaturbereich von 1200 - 1800 °C carbonisiert wird. Werden spezielle Eigenschaften gefordert, so, kann eine Graphitiesierung im Temperaturbereich von 1800 - 3000 °C durchgeführt werden.
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Zur Herstellung der gewünschten Geometrie werden die Carbonfasern ausgelegt und mit einer Polymermatrix, bestehend in der Regel aus duroplastischen Materialien, vernetzt und stehen für zahlreiche anspruchsvolle Anwendungen zur Verfügung.
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Der globale Absatz von Carbonfasern erreicht 2022 ca. 200 Tausend Tonnen. Aufgrund des enormen Leichtbaupotentials wird dieser Verbundwerkstoff auch in Zukunft immer öfter genutzt werden. Verschiedene Studien gehen von einem jährlichen Wachstum der CFK-Branche im zweistelligen Prozentbereich aus. Eine jährliche Steigerung von 10 % und mehr im Bereich Automotive, Luftfahrt, Windenergie, Militär usw. erscheint daher sehr realistisch.
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Beispielsweise bestehen moderne Großraumflugzeuge aktuell zu über 50 % aus CFK (A350 77 Tonnen CFK). Das Material wird großflächig zur Stabilisierung von Tragflächen oder dem Rumpf eingesetzt, weil sie eine leichtere und gleichzeitig sehr stabile Alternative zu den bisher verwendeten Materialien darstellt. Der herausragende Vorteil des Verbundwerkstoffes ist, dass durch das geringere Gewicht Flugzeuge erheblich weniger Kerosin verbrauchen. Hierbei ist aber zu bedenken, dass bis 2030 auch bis zu 10.000 Flugzeuge das Ende ihrer Lebensdauer erreichen und somit eine erhebliche Menge an Verbundstoffen als Abfälle entstehen werden.
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Auch bei der Elektromobilität im Individualverkehr, welches ja als Transportmittel der Zukunft definiert wird, spielt Gewicht (=>Reichweite) eine große Rolle und es werden ebenfalls hier immer mehr CFK - Bauteile verwendet. Diese Vorteile bietet dieses Material bei einer vergleichsweise niedrigen Dichte von 1,8 g/cm3. Daher besteht in diesem Sektor weltweit eine große Nachfrage nach CFK Die Klimaproblematik und der steigende Energiebedarf haben beispielsweise zu Folge, dass weltweit die Windenergie enorm ausgebaut wird. Aufgrund der Effizienz werden zunehmend die Rotordurchmesser vergrößert. Aktuell werden Blattlängen von ca. 80 Meter eingesetzt. Es sind aber Planungen über Blattlängen von 100 Meter und mehr bekannt, die aufgrund der positiven Eigenschaften von CFK- Materialien, wie Festigkeit, Steifigkeit und geringes Gewicht, verstärkt aus diesem Material hergestellt werden sollen. Im Bereich der Windstromproduktion wird beispielsweise erwartet, dass der kumulative Abfall von CFK, der bei der Produktion von Turbinenschaufeln eingesetzt wird, allein in Europa 483.000 Tonnen bis 2050 erreichen wird. Aber auch im Bereich Sport und Freizeit hat man die Leistungsfähigkeit von CFK - Verbundwerkstoffe erkannt und setzt es verstärkt ein.
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Aufgrund der enorme Nachfrage wird sich die Menge an CFK-Abfällen in den kommenden Jahren mit zweistelligen %-Zahlen erheblich erhöhen. Hieraus lässt sich aber einfach ableiten, dass die CFK- haltigen Abfallströme kontinuierlich zunehmen werden.
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Großtechnische Untersuchungen zur energetischen Verwertung von Carbonfaser-haltiger Abfälle in Siedlungs- und Sonderabfallverbrennungsanlagen sowie Zementofenanlagen haben gezeigt, dass eine sichere Umsetzung der Gesundheit gefährdenden Fasern nicht realisierbar ist.
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Die erreichbaren Prozesstemperaturen sind bei den herkömmlichen Müllverbrennungsanlagen (Rostfeuerung) viel zu niedrig um die Carbonfaser thermisch abzubauen. Während des Verbrennungsprozesses löst sich die Carbonfaser aus dem Materialverbund, wird mechanisch zerkleinert und die Faserfilamente gelangen durch ihr geringes spezifisches Gewicht leicht in den Flugstaub der Verbrennungsanlagen und werden über den Abgasstrom ausgetragen und bauen sich dann im Bereich der Elektrofilter auf. Aufgrund ihrer erheblichen elektrischen Leitfähigkeit können sie umfangreiche Probleme, bis hin zu Bränden, in Filteranlagen verursachen, so, dass deren Funktion komplett ausfällt. Konventienelle Kerzenfilter können ebenfalls durch Einlagerung der vorliegenden extrem kleinen faserartigen Struktur in das Filtergefüge verstopft werden. Dies kann dazu führen, dass bei stetig steigendem Druckverlust die Filter nicht abgereinigt werden können.
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Außerdem sind herkömmliche Müllverbrennungsanlagen für die Verbrennung von Hausmüll und Gewerbeabfällen mit mittleren Heizwert von ca. 10-14 MJ/kg ausgelegt. Eine Zufuhr von hochkalorischem kohlenstoffhaltigem Abfall (Heizwert > 30 MJ/kg) kann daher zu einer thermischen Überlast führen. Diesem kann nur durch eine Reduktion der zugeführten Abfallmenge oder durch die Vermischung mit anderen Abfallfraktionen begegnetet werden.
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Mittels der Entsorgung über Sondermüllverbrennungsanlagen, die mit deutlich höheren Temperaturen betrieben werden, könnten Carbonverbunde teilweise thermisch entsorgt werden, aber auch bei diesen Anlagen stellte man fest, dass es zu keiner 100 prozentigen thermischen Zerstörung kommt. In der Schlacke wurden wiederholt Fasern aus Carbon gefunden. Aufgrund der kanzerogenen Wirkung von Carbonfasern verhalten sich diese im Lungengewebe ähnlich wie Asbestfasern und werden auch so eingestuft. Außerdem ist festzuhalten, dass die Kapazitäten von Sondermüllverbrennungsanlagen erschöpft sind und diese aktuell schon am Limit betrieben werden.
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Es gäbe noch die theoretische Möglichkeit der Verwertung als Ersatzbrennstoff für die Drehrohröfen bei der Zementherstellung. Im Drehrohrofen liegt aber die Prozesstemperatur bei ca. 1.600°C. Diese ist jedoch zu niedrig um sicher die Carbonfasern zu 100% abzubauen. Erforderlich wären Prozesstemperaturen von annähernd 2.500 °C. Somit stellt diese Variante auch keine realistische Lösung dar.
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Weitere Untersuchungen zur Steigerung der Festigkeit von Beton mit Kohlenstofffasern als Substitut für Stahl haben gezeigt, dass eine deutliche Steigerung der Festigkeit und damit Betoneinsparungen von 80 % erzielbar sind. Allerdings sieht man beim Betonrecycling keine Möglichkeit der vollständigen Trennung von Beton und Faser. Die Gefahr der ubiquitären Faserverteilung beim Betonrecycling (WHO -Problematik) kann man nicht ausschließen, daher ist der Einsatz von Carbon-Beton derzeit nicht tragbar.
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Aktuelle Untersuchungen besagen, dass derzeit kein industrielles thermisches Verfahren zur Entsorgung von CFK zur Verfügung steht. Produkte, die CFKs enthalten, sollten getrennt gesammelt werden, um einen unkontrollierten Eintrag in thermische Abfallbehandlungsanlagen zu vermeiden.
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Erschwerend kommt noch hinzu, dass aufgrund der Einbettung in einer Polymermatrix die CFK-Abfälle in Summe über einen hohen organischen Kohlenstoffanteil verfügen und entsprechend der Deponieverordnung seit 2005 eine Deponierung solcher Abfälle nicht mehr gestattet ist.
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Die weltweit steigende Verwendung von CFK Kunststoffen erfordert daher geeignete Entsorgungstechnologie. Aufgrund des hohen C-Gehaltes und Heizwertes von CFK- Abfall ist es besonders vorteilhaft dieses Abfallmaterial zur Synthesegasproduktion einzusetzen.
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Bekanntlich wird in den nächsten Jahren die Produktion von Ökostrom mittels Windkraftanlagen enorm zunehmen, entsprechend sind sehr viele alte Windräder zu entsorgen. Die Windenergiebranche berichtet, dass bis 2025 ca. 42.000 Rotorblätter zu entsorgen sind. Daher wäre eine Umsetzung zu Synthesegas des CFK-haltigen Anteils der Rotorblätter oder aus anderen Quellen im Sinne der Nachhaltigkeit anzustreben.
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Hier setzt die Erfindung an, CFK - Abfall kann aufgrund des hohen C-Gehaltes und Heizwertes, zur Synthesegasproduktion, beispielsweise in einer (bestehenden) Anlage zur Wirbelschichtvergasung eingesetzt werden.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in 1 eine vereinfachte Darstellung der Vorrichtung zur Umsetzung von CFK - Fasern in einem Wirbelschichtvergaser zur Produktion von Synthesegas entsprechend der Erfindung.
- In 1 wird mit (1) eine Vorrichtung zur Behandlung von CFK - Abfall mittels Vergasungsverfahren dargestellt. Diese Faser werden mit stetiger Zunahme in sehr unterschiedlichen Produkten (2) verwendet und fallen bei Erreichen „end of life“ als Abfall an. Über der Zuführleitung (3) wird der CFK-Abfall zu einer Zerkleinerungsvorrichtung (4) transportiert. Hier erfolgt eine Zerkleinerung auf Zielgröße. Über eine Zuleitung (5) wird der es anschließend über ein Bevorratungs- (6) und Eintragssystem (7) zur Synthesegasproduktion innerhalb der Nachvergasungszone (9) eines Wirbelschichtvergasers (10) eingebracht.
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Die, für die Zersetzung des CFK - Abfalls, erforderlichen hohen Temperaturen können durch direkte Zugabe von Sauerstoff (8a) über Mehrstoffdüsen zu dem CFK-Abfall realisiert werden, eine weitere Möglichkeit besteht durch Verwendung von Plasmabrennern (8b).
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Nicht umgesetztes Material kann in einem Zyklon (11) abgeschieden werden und über eine Rückführleitung (12) erneut innerhalb des Wirbelschichtvergasers (10) thermisch behandelt werden. Das produzierte Rohgas wird anschließend in einem Rohgaskühler (13) gekühlt. Am Austritt des Rohgaskühlers besteht die Möglichkeit, durch eine Kohlenstoff - Online - Messung (14) die Qualität der Faserumsetzung zu bewerten. Sollte diese Detektion nicht dem Zielwert entsprechen, kann über ein Regelungssystem (15, 16) die thermische Behandlung mit Sauerstoff (8a) und/oder Plasmabrenner (8b) variiert werden. Die Einspeisung von CFK-Abfall, in Abhängigkeit von der Umsetzungsqualität, kann ebenfalls über dieses Regelungssystem erfolgen (16,17).
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Nach der Online- Messung des C-Gehaltes im Rohgas (14) kann dieser innerhalb eines Warmgasfilters (20) vom Staub separiert werden und steht für weitere Anwendung zur Verfügung (19). Sollte es erforderlich sein Staub, aufgrund eines zu hohen C-Gehalt, innerhalb des Vergasers weiter thermisch zu behandeln, kann über das Regelungssystem (15, 18) die Staubrückführung (21, 22) zum Wirbelschichtvergaser (10) aktiviert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Behandlung von GFK - Abfall
- 2
- GFK - Abfall
- 3
- Zuführleitung
- 4
- Zerkleinerungsvorrichtung
- 5
- Transportleitung
- 6
- Bevorratungssystem
- 7
- Eintragssystem
- 8a
- O2 - Mehrfachdüsen
- 8b
- Plasmabrenner
- 9
- Nachvergasungszone
- 10
- Wirbelschichtvergaser
- 11
- Rückführzyklon
- 12
- Rückführleitung
- 13
- Rohgaskühler
- 14
- Online-Messung C-Gehalt
- 15
- Regelsystem
- 16
- Regelbereich O2 - Mehrfachdüsen und/oder Plasmabrenner
- 17
- Regalbereich CFK - Einspeisung Richtung Wirbelschichtvergaser
- 18
- Regelbereich Staubrückführung vom Warmgasfilter zum Vergaser
- 19
- Rohgas
- 20
- Warmgasfilter
- 21
- Staubaustragssystem Warmgasfilter
- 22
- Staubrückführung zum Wirbelschichtvergaser
