-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umsetzung von Abfällen bestehend aus kunststoffverstärkten Carbonfasern und Glasfasern (CFK & GFK) - Abfällen zu Synthesegas in einer Wirbelschicht Diese (CFK & GFK) - 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“ (EoL) anfallen.
-
Der globale Absatz von Carbonfasern erreicht 2022 ca. 200.000 Tonnen/Jahr. 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.
-
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 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.
-
Die Entsorgung von CFK - Abfall ist aber 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.
-
Auch wenn es technisch umsetzbar wäre, ist von einer energetischen Verwertung von CFK - Abfall aber auf jeden Fall abzuraten, weil auf dieser Weise nur der Heizwert der CFK zur Erzeugung thermischer oder elektrischer Energie genutzt wird. Der erheblich größere Energieaufwand zur Produktion der Carbonfasern geht aber vollständig verloren.
-
Ein Recyceln der zu entsorgenden CFK - Materialien sollte daher nur bei CFK-Werkstoffe erfolgen, die qualitativ noch ausreichende Eigenschaften besitzen.
-
Betrachtet man glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), so stellt man fest, dass, sie neben Kunststoffe hauptsächlich Keramiken auf der Basis von Alumosilikate enthalten, die in der Feuerfestindustrie vielfach als Basismaterial benötigt werden. Vorteilhafterweise besitzen GFK-Materialien, je nach Zusammensetzung und Polymermatrix auch einen relativ hohen Heizwert, zwischen 10 und 25 MJ/kg und sie sind weltweit in sehr großen Mengen als Abfall vorhanden. Europaweit bleibt ca. 200.000 Tonnen/Jahr GFK-Abfall ungenutzt.
-
Das Recyceln von GFK-Abfäll aus „End of Life“ - Produkten (EoL) ist aber problematisch. Weltweit hat man zahlreiche Versuche, vor allem mittels chemischer Trennverfahren, zum Recyceln von GFK durchgeführt. Es hat sich aber herausgestellt, dass das gewonnene Recyclat teurer als neues Material ist. Aufgrund der niedrigen Herstellungskosten für GFK - Neuware hat sich daher bisher weltweit kein Recycling - Verfahren am Markt durchgesetzt.
-
Für die thermische Entsorgung von GFK -Abfällen sind einige Entsorgungspfade bekannt, die allerdings nicht nachhaltig sind. Hierzu zählt z.B. die Verbrennung als „Ersatzbrennstoff‟ in der Zementindustrie. Zu beachten ist hierbei, dass Materialien verbrannt und vernichtet werden, die mit viel Potenzial wesentlich umweltbewusster in andere Produkte z.B. Synthesegas umgewandelt werden könnten.
-
Insgesamt kann man festhalten, dass ein Recyceln von CFKAbfall nur bei zufriedenstellender Qualität opportun ist, aber die Umsetzung von (CFK & GFK) - Abfall zu Synthesegas nicht nur aus ökologischen, sondern auch aus ökonomischen Gründen angebracht ist. So, kann man aus öffentlich zugänglichen Stellen entnehmen, dass die Entsorgungskosten für eine Tonne carbonfaserhaltigen Abfall in Sondermüllverbrennungsanlagen mit anschließender Ablagerung der Aschen auf einer Sonderabfalldeponie bei etwa >400 € liegen. Nachteilig ist zu erwähnen, dass die Kapazitäten dieser Sondermüllverbrennungsanlagen auf lange Zeit ausgeschöpft sind.
-
Hier setzt die Erfindung ein, die eine Umwandlung des Abfalls zu Synthesegas zu ermöglicht. Dies wird durch eine Zerkleinerungsvorrichtung zum Zerkleinern der Abfälle, eine nachgeordnete Vorrichtung zum Trennen in eine metallische und eine nichtmetallische Fraktion sowie eine Vergasungsvorrichtung zur Rohgas Herstellung erreicht. In Ausgestaltung der Erfindung ist der Zerkleinerungsvorrichtung eine Sortiereinheit zur Trennung der nicht metallischen und metallischen Materialien von den GFK Abfällen und den CFK Abfällen nachgeschaltet, wobei, der Sortiereinheit ein indirekt beheizter Drehrohrofen und ein Zyklonabscheider folgt. Die Erfindung sieht auch vor, dass ein Eintragssystemmit einem Zyklonabscheider und dieser mit einem Wirbelschichtvergaser verbunden ist
-
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei, dass der gesamte Abfallkonvolut zerkleinert und anschließend werden die gesamten GFK-Abfälle direkt zu einer Vergasungsvorrichtung geleitet und die Kunststoffmatrix mittels Vergasungsmittel zur Rohgasproduktion eingesetzt und in nachgeschalteten Anlagen zu Synthesegas umgewandelt. Die CFK-Abfälle minderer Qualität können über die gleiche Route ebenfalls zur Synthese -Gaserzeugung eingesetzt werden.Zerkleinerte CFK Abfälle ausreichender Qualität dagegen werden in einem indirekt beheizten Drehofen mittels unterschiedliche gasförmiger Medien behandelt, wobei die Kunststoffmatrix unter Bildung von Recycelgas versetzt wird und der recycelte Teil der Kohlenstofffasem (rCF) übrig bleibt. Die rCF und das Recycelgas werden in einem Zyklonabscheider in grobe und feine rCF getrennt. Das Recycelgas wird gemeinsam mit den feinen rCF ebenfalls innerhalb der Vergasungsvorrichtung zur Rohgas Produktion eingesetzt.
-
Sollte eine Online - Messung oder Ofline-Analyse im Austrag des Zyklons), rCF - Faser mit nicht ausreichender Qualität detektieren, so besteht die Möglichkeit den Zyklon mittels Bypass, außer Betrieb zu nehmen und die gesamte recycelte rCF-Produktion (grobIfein) zur Synthesegasherstellung in einem nachgeschalteten Wirbelschichtvergaser einzusetzen.
-
Der C-Gehalt im Rohgas wird am Austritt der Vergasungsvorrichtung online gemessen und bei Änderung des Zielwertes über eine Düsenebene, die Vergasungsmittelzugabe oder die Leistung der Plasmabrenner geändert.
-
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in 1 eine vereinfachte Darstellung der Vorrichtung zum Recyceln von CFK - Fasern und/oder Umsetzung von CFK & GFK - Abfall in einem Wirbelschichtvergaser zur Produktion von Synthesegas entsprechend der Erfindung sowie in 2 die wählbaren Routen (R1, R2 & R3) innerhalb der Vorrichtung
-
Natürlich sind die beschriebenen Beispiele noch in vielfacher Hinsicht abzuändern und zu ergänzen, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So betrifft die Erfindung auch das Verfahren zur Umsetzung von GFK und CFK zu Synthesegas mit den oben beschriebenen oder ähnlichen Maßnahmen.
-
In 1 wird mit (1) eine Vorrichtung zur Behandlung von faserverstärkten Kunststoffen (CFK & GFK) mittels Recyclings- und/oder 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 dieser Abfall, der aus unterschiedlichen Materialien bestehen kann (CFK, GFK, Holz, Metalle u.a.m.) zu einer Zerkleinerungsvorrichtung (4) transportiert. Hier erfolgt eine Zerkleinerung auf Zielgröße. Über eine Leitung (5) wird es in (6) eingebracht und einer Sortierung in unterschiedlichen Werkstoffklassen unterzogen. In (7) stehen anschließend beispielsweise sortierte Eisen- und Nichteisenmetalle, Holz, u.a.m. für weiter Verwendung zur Verfügung.
-
Gegebenenfalls kann das Holz, in der Regel Balsaholz, mittels bekannten Vorrichtungen (Prallreaktoren u.a.m.) vom Epoxidharz separiert werden und steht z.B. aufgrund der extrem guten Isolationseigenschaften, zur Produktion von Dämmstoffen zur Verfügung. Das Epoxidharz kann ebenfalls zu Synthesegas umgesetzt werden. In der Sortiervorrichtung (6) kann mittels bekannter Techniken, wie z.B. elektrostatische Separation, CFK von GFK getrennt und die Qualität der Werkstofffraktionen beurteilt werden. Der separierte Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff (CFK) kann jetzt, je nach Bewertung der Qualität, in unterschiedlichen Routen über die Leitung (8) zur Weiterverarbeitung transportiert werden. Der GFK - Abfall kann direkt (9) zur Synthesegasproduktion in einem Wirbelschichtvergaser (32) eingeleitet werden (R1 in 2).
-
Wurde in (6) die Qualität von CFK als nicht ausreichend für ein Recycling bewertet, so bleibt die Leitung (10) verschlossen und der CFK - Abfall wird gemeinsam mit dem GFK-Abfall direkt über den Transportweg (9) & (R1 in 2) und einem Eintragssystem (25) in einem Wirbelschichtvergaser (32) eingebracht. Hier im Wirbelschichtbereich (28) des Vergasers besteht die Möglichkeit, mittels Vergasungsmittel wie CO2, Dampf und O2/ Luft (26), die Kunststoffmatrix thermisch zu behandeln und durch Zersetzung der Duro- und Thermoplaste einen ersten Betrag zur Rohgasproduktion zu leisten. Die, vom Kunststoff befreiten, Kohlen- und Glasfaser gelangen mit dem Rohgas in die Nachvergasungszone (29). Hier werden sie, mittels mindesten einer Düsenebene (30), mit O2 (31a) beaufschlagt und bei Temperaturen von über 2000 °C ebenfalls zu Rohgas umgewandelt. Es besteht aber auch die Möglichkeit durch Verwendung von Plasmabrenner (31b) die thermische Behandlung durchzuführen. Das produzierte Rohgas (34) wird mithilfe einer Messeinrichtung (33) kontinuierlich Online auf C-Gehalt am Austritt überprüft. Sollte dieser höher als ein festgelegter Grenzwert sein, so, besteht die Möglichkeit, die O2-Beaufschlagung oder Plasmabehandlung in der Ebene (30) zu variieren. Anschließend steht das produzierte Rohgas (34) für die Weiterverarbeitung zur Verfügung. Ein Teil dieses Rohgases (35) kann auch zur Beheizung des Drehrohrofens (11) eingesetzt werden.
-
Wird in der Separationseinrichtung (6) die Qualität der CFK - Abfälle als ausreichend hoch für einen Recyclingvorgang eingestuft, so, bleibt Leitung (9) für CFK verschlossen und man führt in diesem Fall die CFK - Abfälle über Leitung (10) & (R2 in 2) in einem indirekt beheizten Drehrohrofen (11). Dieser kann über einen Gas- oder Heizöltank (17) über Leitung (15) innerhalb eines Brennraumes (13) und nach Luftzugabe (14) die benötigte Anfangswärme produzieren. Das Abgas wird über (18) ausgetragen und kann zur Wärmeproduktion oder aber auch zur Behandlung der CFK - Faser innerhalb des Drehrohrofens verwendet werden.
-
Der CFK-Abfall kann über verschiedene Zuführleitungen (12a - 12d) mit unterschiedlichen Medien (CO2, Dampf, in manchen Fällen mit geringen Mengen an Luft und /oder O2, Abgasrückführung) zur thermischen Behandlung und Zersetzung der Kunststoffmatrix beaufschlagt werden. Innerhalb des Drohrohrofens erfolgt die Auflösung der Kunststoffmatrix und Separierung von der Kohlenstofffaser. Nach ausreichender Verweilzeit und geeigneter Temperatur strömt der mit rCF beladene Gasstrom über Leitung (21) in einen Zyklon (22). Die Separierung in feinen und groben Fasern erfolgt in diesem Zentrifugalabscheider. Die Qualität der recycelten groben Kohlenstofffaser kann Online in (23) oder Offline mittels bekannten Analyseverfahren überprüft werden. Ist diese ausreichend, können die rCF über Leitung (24) zur Weiterverarbeitung ausgetragen werden. Der innerhalb des Drehrohrofens erzeugte Gasstrom, mit der feinen rCF-Fraktion, wird über Leitung (19) in den Wirbelschichtvergaser (32) geführt. Hier erfolgt die gleiche Prozedur wie zuvor bereits beschrieben.
-
Wird die Qualität der im Drehrohrofen (11) produzierten rCF bei der Online-Messung in (23) oder aber Offline-Analyse als nicht ausreichend eingestuft, so wird die Leitung (21) zum Zyklon (22) geschlossen und über Leitung (20) & (R3 in 2) das gesamte produzierte rCF - Inventar zur Synthesegaserzeugung in den Wirbelschichtvergaser geleitet.
Ein Teil des im Drehrohrofen produzierten Gases kann hinter dem Zyklon abgezweigt werden (16) und steht für die Wärmeerzeugung im indirekt beheizten Drehrohrofen zur Verfügung.
-
In 2 werden die einzelnen Routen R1, R2 und R3 innerhalb der Behandlungsvorrichtung für (CFK & GFK) - Abfälle dargestellt. Hierbei stellen die Routen folgende Pfade dar:
- Route 1 (R1): Leitung zur Wirbelschichtvergasung für GFK - Abfall (kontinuierlich) und CFK - Abfall minderer Qualität.
- Route 2 (R2): Leitung für CFK - Abfall mit ausreichender Qualität, d.h. „Downcycling“ noch nicht erreicht, zur Recyclingvorrichtung (Drehrohrofen) mit anschließender Trennung zwischen grobe und feine rCF in einem Zyklon. Die feinen rCF werden mit dem Recycelgasstrom zum Wirbelschichtvergaser geleitet und dienen der Synthesegaserzeugung. Die groben rCF können als Basis für neue CFK - Produkte verwendet werden. R1 bleibt für GFK & CFK minderer Qualität offen. Eine Online - Messung oder Offline-Analyse der groben rCF - Qualität unterhalb des Zyklons dient als Teil des Regel - Konzeptes der Behandlungsvorrichtung
- Route 3 (R3): Falls die Online - Messung oder Offline-Analyse der groben rCF unterhalb des Zyklons ungenügende recycelte Faserqualitäten attestiert, wird R2 zum Zyklon geschlossen und die gesamte recycelte rCF - Produktion (grob & fein) gemeinsam mit dem Recycelgasstrom über Leitung R3 zum Wirbelschichtvergaser geleitet und kann zu Synthesegas umgesetzt werden. R1 bleibt für GFK und CFK minderer Qualität offen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung zur Behandlung von faserverstärkten Kunststoffen
- 2
- Abfall
- 3
- Zuführleitung
- 4
- Zerkleinerungsvorrichtung
- 5
- Transportleitung
- 6
- Sortiereinheit
- 7
- Leitung für nichtmetallische & metallische Materialien
- 8
- Transportleitung für CFK & GFK)
- 9
- Transportleitung für CFK minderer Qualität und GFK
- 10
- Transportleitung für CFK ausreichender Qualität
- 11
- Drehrohrofen (indirekt beheizt)
- 12a - 12d
- Zuführleitungen für Behandlungsmedien (CO2; O2; Luft; H2Og)
- 13
- Brennraum
- 14
- Verbrennungsluft
- 15
- Verbrennugsmedium
- 16
- Recycelgas
- 17
- Erdgastank /Heizöltank
- 18
- Abgas
- 19
- Transportleitung zum Vergaser
- 20
- Bypassleitung zum Vergaser (Recycelgas & rCF minderer Qualität
- 21
- Transportleitung zum Zyklonabscheider
- 22
- Zyklonabscheider
- 23
- Online Messung Qualität rCF / Offline - Analyse
- 24
- Austrag rCF mit ausreichender Qualität
- 25
- Eintragssystem zum Vergaser
- 26
- Vergasungsmittel zum Vergaser
- 27
- Austragssystem Bodenprodukt
- 28
- Wirbelschichtbereich
- 29
- Nachvergasungszo
- 30
- Düsenebene
- 31a
- Mehrstoffdüsen
- 31b
- Plasmabrenner
- 32
- Wirbelschichtvergaser
- 33
- Online Messung C-Gehalt
- 34
- Rohgas
- 35
- Rückführgas zur Beheizung Drehrohrofen
- R1
- Route 1: für GFK (gesamt) & CFK minderer Qualität
- R2
- Route 2: für CFK zum Recyceln im Drehrohrofen und Zyklon
- R3
- Route 3: für rCF minderer Qualität (Zyklon im Bypass)
