-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umsetzung von Faserverbundwerkstoffen, wie carbonfaser- & glasfaserverstärkter Kunststoffabfall (CFK und GFK) -Abfall zu Synthesegas mittels Flugstromvergasung.
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”, oder aber auch als Produktionsrückstände anfallen.
-
Die Mitvergasung von EoL-(CFK & GFK) mit Biomassen und nicht wiederverwertbaren kohlenstoffhaltigen festen Abfallstoffen in Flugstromvergasem ermöglicht die Umwandlung dieser eigentlich minderwertigen Materialien in Synthesegas und damit in ein Ausgangsprodukt um wertvolle Erzeugnisse wie Chemikalien oder synthetische Kraftstoffe herstellen zu können. Hierdurch kann ein Beitrag zur Schließung des anthropogenen Kohlenstoffkreislaufes geleistet werden.
-
Anders als die Umsetzung von GFK-Abfall, ist die Entsorgung von CFK - Abfall sehr problematisch. Aufgrund der sehr hohen Zersetzungstemperatur der Carbonfaser 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.
-
Beim CFK handelt es sich um einen Faserverbundwerkstoff, der aus einem Verbund aus Kohlenstofffasem 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 immer mehr als Ersatz für bisher genutzte metallische Materialien bei anspruchsvollen Konstruktionen eingesetzt
-
Als Basismaterial zur Herstellung von Kohlenstofffasem wird aktuell am meisten Polyacrylnitril (PAN) verwendet, der über einer Carbonisierungsbehandlung im Temperaturbereich von 1200 bis 1800 °C carbonisiert wird. Werden spezielle Eigenschaften gefordert, so kann eine Graphitisierung im Temperaturbereich von 1800 bis 3000 °C durchgeführt werden.
-
Zur Herstellung der gewünschten Geometrie werden die Carbonfasem ausgelegt und mit einer Polymermatrix, bestehend in der Regel aus duroplastischen Materialien, vernetzt und stehen für zahlreiche anspruchsvolle Anwendungen zur Verfügung.
-
Der globale Absatz von Carbonfasem erreichte 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, Freizeit, Luftfahrt, Windenergie, Militär usw. erscheint daher sehr realistisch.
-
Mit dem enorm angestiegenen Einsatz dieser neuen CFK-Werkstoffe stellt sich jedoch auch immer drängender die Frage nach der Entsorgung. Die Deponierung ist bereits seit dem Jahr 2005 verboten.
-
Hier setzt die Erfindung an, CFK - Abfall kann aufgrund des hohen C-Gehaltes und Heizwertes (28 - 32 MJ/kg) gemeinsam mit GFK - Abfall, der ebenfalls einen hohen Heizwert besitzen kann (18 - 25 MJ/kg), zu Synthesegas in einer bestehenden Anlage zur Flugstromvergasung verwendet werden.
Bei der Flugstromvergasung (
DE 10 2007 044 726 A1 ) wird der staubförmige Brennstoff innerhalb von wenigen Sekunden in Rohgas umgewandelt Hierfür sind hohe Prozesstemperaturen, je nach Einsatzmaterial zwischen 1200 - 2000 °C, erforderlich. Zur Realisierung dieser Temperaturen wird als Vergasungsmedium reiner Sauerstoff gemeinsam mit Wasserdampf eingesetzt. Ziel ist es, die Brennstoffaschen bewusst aufzuschmelzen, um die Membranwand durch eine feste Schlackeschicht vor Korrosion und zu hohen Temperaturen zu schützen.
-
Die Erhöhung der Verweilzeit der Brennstoffpartikel innerhalb des Flammenbereiches des Flugstromvergasers ist durch die Aufprägung eines Dralles möglich. Zusätzlich werden mit dieser Maßnahme die gröberen und faserigen Brennstoffpartikel, durch Zentrifugalkräfte, in die abfließende Schlacke eingebunden und deren Verweilzeit zur Umsetzung in Rohgas verlängert
-
Der Aschegehalt der meisten Biomassen ist erheblich niedriger als die von Kohlen und es müssen, zur Bildung einer schützenden Schlackeschicht auf der Membranwand, Schlackebildner eingesetzt werden. Insgesamt bietet also die Vergasung von Biomassen und/oder Müll gemeinsam mit (CFK & GFK) - Abfall, neben des hohen Heizwertgehaltes noch den weiteren Vorteil, dass man auf die zusätzliche Zugabe von schlackebildenden Wertstoffen verzichten kann, weil sie schon ein Bestandteil des GFK's (Al2O3, CaO, MgO, SiO2) sind.
-
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 zur Umsetzung von (CFK & GFK)- Abfall in einem Flugstromvergaser zur Produktion von Synthesegas entsprechend der Erfindung. Hierbei erfolgt die Vorbereitung des (CFK & GFK)-Abfalls durch einen separaten Prozessschritt und die Einspeisung in die vorhandenen Brenner in den Flugstromvergaser über das bereits vorhanden System für andere Brennstoffe (Biomassen, Müll, Kohlen).
- 2 veranschaulicht ebenfalls einen Flugstromvergaser mit integrierter (CFK & GFK) - Umwandlung zu Synthesegas. Bei dieser Anordnung erfolgt die Einspeisung in den Vergaser über separate Brenner. Zur Erhöhung der Verweilzeit und zur Einbindung der CFK in die, an der Wand des Vergasers, abfließenden Schlacke wird in beiden Fällen das Vergasungsmittel mit dem Feed innerhalb des Vergasers in Rotation, ähnlich einer Zyklonströmung, gebracht
-
In 1 wird mit (1) eine Vorrichtung zur Behandlung von (CFK & GFK) - Abfall, gemeinsam mit anderen Brennstoffen, mittels Flugstromvergasung 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 & GFK) - Abfall zu einer ersten Zerkleinerungsvorrichtung (4) transportiert Hier erfolgt eine Grobzerkleinerung. Die weitere Größenreduzierung (Feinmahlung) erfolgt in nachgeschalteten Mühlen (5). Die Feinmahlung kann mit bekannten und bewährten Technologien, die auch mit integrierten Trennvorrichtungen wie z. B. Magnetabscheider für Metalle ausgestattet sind, erfolgen.
-
In letzter Zeit wird auch das kryogene Mahlen von „schwierigen“ Materialien als erfolgreich hervorgehoben. In einer bestehenden Vergasungsanlage mit Flugstromtechnologie bietet sich das an, weil in der Regel auch eine Luftzerlegungsanlage für die Produktion von Sauerstoff vor Ort ist Da flüssiges Stickstoff ebenfalls anfällt und man keine Verwendung für dieses Produkt hätte, ist eine Kaltmahlung zielführend. Hier erfolgt eine Zerkleinerung auf Zielgröße. Über eine Zuleitung (6) wird es anschließend zur Synthesegasproduktion, gemeinsam mit anderen Brennstoffen wie z. B. Biomassen/Müll (7) und Vergasungsmedien, über Brenner (8) in den Flugstromvergaser (9) eingeleitet
-
Der Brenner kann, zur Ausbildung einer Rotationsströmung, mit Drallscheiben ausgestattet sein. Durch diese aufgezwungene Rotationsströmung (10) wird die Verweilzeit der Brennstoffmischung und insbesondere des CFK's innerhalb des Vergasers erhöht und eine Einbindung in die Schlackeschicht gewährleistet Es ist ebenfalls bekannt, dass durch eine Drallströmung (10) der Stoffaustausch verbessert wird und der Einschluss der Flugaschepartikel an die Vergaserwand signifikant erhöht wird. Die flüssige Schlacke läuft an der Vergaserwand über einen Abtropftrichter im Vergaser nach unten und gelangt mit dem produzierten Rohgas in den Quenchbereich (11). Das gequenchte Rohgas kann über (13) zur weiteren Behandlung weitergeleitet werden. Die flüssige Schlacke wird in einem Wasserbad (15) granuliert und kann über (16) als Produkt ausgetragen werden. Die Einspeisung für das Kühlmedium erfolgt über (12).
-
Es besteht aber auch die Möglichkeit, wie in 2 gezeigt, das zerkleinerte (CFK & GFK) - Produkt über separate Brenner (17ab) in den Flugstromvergaser einzubringen. Aufgrund der vorteilhaften Betriebsart soll die Vergasung ebenfalls in einer Rotationsströmung erfolgen.
-
Die, für die Zersetzung des (CFK & GFK) - Abfalls, erforderlichen hohen Temperaturen können durch direkte Zugabe von Sauerstoff (17a) über die Brenner zu dem (CFK & GFK)-Abfall realisiert werden, eine weitere Möglichkeit besteht durch Verwendung von Plasmabrennern (17b).
-
Auch wenn die Abbildungen einen Flugstromvergaser mt Direkt- auch Vollquench genannt, zeigen, ist die Erfindung selbstverständlich auch in Flugstromvergasem mit Abhitzekessel umsetzbar. Auch besteht die Möglichkeit den (CFK & GFK) - Abfall mittels Slurry in den Flugstromvergaser einzutragen.
-
Die Mitvergasung von (CFK & GFK) - Abfall ist nicht nur im Sinne der Nachhaltigkeit anzustreben, sondern hat mehrfache ökonomische Vorteile.
-
Neben der Einsparungen für die Entsorgung der o.g. Abfälle kommt noch der Vorteil der erhöhten Synthesegasproduktion durch die zusätzliche Vergasung von (CFK & GFK)-Abfall.
-
Natürlich sind die beschriebenen Beispiele noch in vielfacher Hinsicht abzuändern und zu ergänzen, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der (CFK & GFK)-Abfall (2) zunächst in einer Zerkleinerungs- und Mahlvorrichtung (4,5) zerkleinert und anschließend über eine Zuführleitung (6) und Brennersystem (8) gemeinsam mit anderen Brennstoffen (7) in einem Flugstromvergaser (9) eingeleitet und themisch mit Sauerstoff und Wasserdampf zu Rohgas (13) umgesetzt wird. Die Erfidung betrifft auch das Verfahren zur Umsetzung von (CFK & GFK)-Abfall zu Synthesegas in einem Flugstromvergaser.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung zur Behandlung von (CFK & GFK) - Abfall
- 2
- (CFK & GFK) - Abfall
- 3
- Zuführleitung (CFK & GFK) - Abfall
- 4
- Zerkleinerungsvorrichtung
- 5
- Mahlvorrichtung
- 6
- Zuführleitung zerkleinerter (CFK & GFK) - Abfall
- 7
- Zuführleitung Brennstoff (Müll/Biomassen)
- 8
- Brenner
- 9
- Flugstromvergaser
- 10
- Rotationsströmung
- 11
- Quenchbereich
- 12
- Eintritt Kühlwasser
- 13
- Austritt Rohgas
- 14
- Austritt Kühlwasser
- 15
- Granulierbad
- 16
- Austritt Schlackengranulat
- 17a
- Sauerstoffbrenner
- 17b
- Plasmabrenner
-
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
-
- DE 102007044726 A1 [0009]
