DE4029880A1 - Verfahren zum vergasen von kunststoffen zur erzeugung von brenngasen - Google Patents
Verfahren zum vergasen von kunststoffen zur erzeugung von brenngasenInfo
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Description
Abfälle aus Kunststoffen fallen in großer Menge bei verschie
denen Prozessen an. Sie machen z. B. beim Shreddern von Altauto
karosserien etwa drei Viertel der sogenannten Leichtfraktion
aus, d. h. sie sind in Anteilen von 12 bis 18% vom Autogewicht
enthalten. Derartige aus organischen Werkstoffabfällen beste
hende Gemische besitzen meist einen hohen Heizwert da sie größ
tenteils aus Polymeren bestehen, die aus Erdöl hergestellt wur
den. Es stellt sich daher die Frage, wie man die hier enthal
tene Energie nützlich zurückgewinnen könnte.
Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß eine Aufarbeitung über
die Schmelze bei derartigen Gemischen nur unter unwirtschaft
lich hohem Aufwand zu brauchbaren und verkäuflichen Erzeug
nissen führt. Es sind daher auch einige Verfahren vorgeschlagen
worden, die eine Spaltung der höhermolekularen Kohlenwasser
stoffverbindungen zu niedermolekularen Gasen und Ölen bewirken.
Dies sind vor allem die Pyrolyse, die Hydrolyse und das
Hydrierverfahren (1). Letzteres geht direkt zurück auf die Hy
drierung von Kohle, wie sie in großem Maße vor und im letzten
Weltkrieg in Deutschland ausgeführt wurde. Die Abfälle müssen
gereinigt und zerkleinert werden, um dann mit Altölen zu einer
Maische angeteigt, dem Hydrieren ausgesetzt werden zu können.
Leider erfordert das Hydrieren damit eine aufwendige Vor
bereitung der Abfälle durch Handverlesen und Mahlen zu einem
feinen Pulver. Bei der Pyrolyse hat sich gezeigt, daß sich die
Begleiter, wie Chlor und Schwefel, in Form unerwünschter, zum
Teil hochtoxischer Verbindungen in den Pyrolyseölen ansammeln,
sodaß diese teuer gereinigt werden müssen.
Das hier vorgeschlagene Verfahren geht einen völlig anderen
Weg. Es setzt sich nämlich zum Ziel, die organischen Polymere
zu niedermolekularen Oligo- und Polymeren abzubauen, die be
reits gasförmig oder zumindest so dünnflüssig sind, daß sie
leicht in einen Brennraum eingedüst werden können, um sie dann
als Brenngas zu benutzen.
Für die Verbrennung werden heute in der Regel Kohle, Erdöl und
vor allem Erdgas eingesetzt. Diese sollen durch diese Abfälle
und deren Vergasung ersetzt werden.
Dabei geht dieses neuartige Verfahren zur Vergasung von
Kunststoffabfällen sowohl von sauberen Kunststoffabfällen aus,
z. B. aus einer Kunststoffproduktion, kann aber auch verunrei
nigte Kunststoffabfälle verarbeiten. So kann z. B. die Leicht
fraktion, die beim Shreddern von Automobilen anfällt, der soge
nannte Shreddermüll, eingesetzt werden, wobei es zweckmäßig er
scheint, zuvor die nicht polymeren Bestandteile - in erster Li
nie Mineralstoffe, wie Glasbruch und Steine - abzutrennen. Es
unterscheidet sich von den bekanntgewordenen Verfahren zur
Spaltung von Polymeren in niedermolekulare Molekülgruppen, da
durch, daß die Polymermoleküle abgebaut und gleichzeitig durch
Erwärmung auf hohe Temperaturen verflüßigt werden, wobei im
Gegensatz zur Pyrolyse Sauerstoff oder Luft als Reaktionsstoffe
ebenso wie Wasser oder Wasserdampf hilfreich sind bzw. sein
können und daher in den Prozeß eingebracht werden.
Bei dem vorgeschlagenen, neuen Verfahren werden die Makromo
leküle der Kunststoffe durch Behandlung mit reaktiven Gasen,
wie Sauerstoff, Luft, Wasserstoff und/oder Wasserdampf, jeweils
allein oder in Kombination, gleichzeitig oder nachfolgend mit
dem Schmelzen aufgebrochen, d. h. die Moleküle verkürzt. Hier
durch und dank der hohen Temperaturen werden sie so dünnflüs
sig, daß sie sich mit verhältnismäßig niedrigem Druck durch
bekannte Düsen- oder Brennersysteme oder andere geeignete Vor
richtungen in die Brennräume oder Reaktoren eindüsen lassen.
Bei mechanisch verunreinigten Kunststoffen kann gleichzeitig
mit der Verflüssigung der Kunststoffe in einer geeigneten Vor
richtung eine ausreichende Abtrennung von nicht verflüssigten
bzw. nicht verflüssigbaren Bestandteilen erfolgen.
Nachstehend wird das neuartige Verfahren beschrieben.
Die auf ca. Handtellergröße zerkleinerten Kunststoffteile, z. B.
aus einem Shredder für Altautos stammend, werden je mehr sie
mit nicht thermoplastischen Kunststoffanteilen versetzt sind,
auf Anlagen mit umso höherer Scherung und gleichzeitig höherem
Sauerstoffgehalt behandelt. Das hier vorgeschlagene Verfahren
beruht auf der bei Temperaturen über 400° labilen kovalenten
Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen und gegebenenfalls Hete
ratomen der organischen Hochpolymeren. Diese für die Kunst
stoffe kennzeichnende Molekülbindung spaltet sich unter derar
tigen Bedingungen, kann jedoch, wenn keine Absättigung der
entstehenden Radikale stattfindet, rekombinieren. Aus diesem
Grund werden bereits der sich bildenden Schmelze Sauerstoff
oder Luft, eventuell Wasserstoff und/oder Wasserdampf als reak
tive Gase angeboten. Wasserdampf hat u. a. die spezielle Aufgabe
die im Shreddermüll vorhandenen Kunststoffe auf Polykonden
satbasis abzubauen; er kann auch dadurch zugeführt werden, daß
man dem Aufgabegut Wasser zugibt, bzw. solches beläßt. Der Ab
bau der Polymere kann noch verstärkt werden, wenn man den
Abfällen z. B. durch Auftrommeln vor der Einfüllung oder am An
fang des Schmelzzylinders Metalloxyde usw. zugibt, die kataly
tisch die Spaltung beschleunigen. So wirken z. B. eisenhaltige
Verbindungen katalytisch bei der Spaltung von Polyvinylchlorid
und Schwermetalle, insbesondere Kupfer, dementsprechend auf
Polypropylen und andere Polyolefine. Schließlich bewirken die
starken Scherkräfte z. B. in einer Schneckenmaschine, daß die
Moleküle, z. B. auch vernetzter Polymere, zerrissen werden.
Die vorsortierten und zweckmäßigerweise gewaschenen, bzw.
gereinigten Abfälle werden auf hohe Temperaturen von <300°
aufgeheizt, wozu sich mehrere Möglichkeiten anbieten. Eine Mög
lichkeit stellt ein Schmelzkessel dar, der durch einen horizon
tal angeordneten Rost in die oben angeordnete Materialaufgabe
und den unten liegenden Sammelraum für die Schmelze getrennt
ist. Aus dem Schmelzesammelraum kann die Schmelze kon
tinuierlich oder diskontinuierlich mittels einer geeigneten
Pumpe in eine Mischkammer gedrückt werden, wo sie mit den Reak
tionsgasen, Sauerstoff, eventuell Wasserstoff und Wasserdampf,
zusammengebracht und dann in die Brennkammer eingedüst wird.
Vorzugsweise wird jedoch mit einem Schneckenextruder gearbei
tet; z. B. ist ein gleichläufiger Zweischneckenkneter sehr ge
eignet. Dabei können die aufgegebenen Kunststoffschnitzel be
reits sehr frühzeitig, d. h. im Aufgabetrichter mit den, den ge
zielten Abbau der Polymermoleklüle einleitenden Reakti
onsstoffen, zusammengebracht werden, wozu z. B. der Trichter mit
dem oder den Gasen geflutet wird und pulverförmige Zusätze mit
geeignetten Vorrichtungen dem Aufgabegut zudosiert werden. Um
den Einzug der Kunststoff-Schnitzel zu erleichtern, können
Stopfvorrichtungen angeordnet werden.
Die Schnecken, die mit einer oder mehreren Knet- und Staustufen
versehen sind, haben die Aufgabe der kontinuierlichen Förderung
des Aufgabegutes, des Schmelzens, des Abbauens unter der unter
stützenden Wirkung der Scherung zusammen mit eventuell aufge
gebenen Reaktionsmitteln, des Aufbaues eines für das Eindüsen
ausreichenden Druckes und des Einmischens der Reaktionsstoffe
und des Verdüsungstreibmittels.
Das aufgegebene Polymermaterial wird in der Schnecke bis auf
hohe Temperaturen von über 300°, vorzugsweise über 400°C auf
geheizt. Unter dem Einfluß von hohen Temperaturen, Scherung,
Sauerstoff oder Luft, Wasser und der anderen Zusätze bzw. Pro
zeßgase werden die Moleküle gebrochen und abgesättigt, sodaß
eine dünnflüssige Schmelze entsteht. Im letzten Drittel der
Schnecke kann eine Dekompressionsstufe eingebaut sein, in wel
che die so vorbereitete Schmelze fließt und in der die aufge
heizten Reaktionsgase, Sauerstoff oder Luft, Wasserdampf und
eventuel Wasserstoff, eingedüst werden. In der darauf eventuell
folgenden, letzten Zone der Schnecken, die als Mischzone ausge
bildet ist, werden diese Reaktionsstoffe in die Schmelze
gleichmäßig eingearbeitet und das Gemisch auf 50 bar oder höhe
ren Druck verdichtet, der u. a. dazu dient die Verdüsung in den
Brennraum zu unterstützen.
Es ist aber auch eine kaskadenförmige Anordnung von Extrudern
bzw. Pumpen um die Mischkammer herum möglich.
Über eine Lochplatte, durch einen rotierenden Teller oder eine
andere Art einer geeigneten Vorrichtung wird die Schmelze dann
in den Brennraum eingebracht und zu feinen Tröpfchen verdüst.
Insbesondere über eine Lochplatte kann die Schmelze in dünne
Stränge zerteilt werden, sodaß die hochgespannten Gase in der
Schmelze diese in feine Tröpfchen zerlegen, sobald sie in den
unter niedrigeren Drücken stehenden Brennraum eintreten. Es
können jedoch auch andere, bekannte Düsen oder Brenner benützt
werden, um den verflüssigten Kunststoff in den Brennraum einzu
düsen.
Es ist ein besonderes Anliegen des hier gemachten Vorschlages,
die Polymermoleküle bereits beim Aufschmelzen weitgehend durch
die Beladung mit Sauerstoff oder Luft, ev. Wasserstoff und oder
Wasserdampf bzw. Wasser soweit abzubauen, daß die Schmelze, be
reits bevor sie in den Mischraum am Ende der Schnecke eintritt,
möglichst dünnflüssig ist, sodaß sowohl die Einmischung der
Reaktionsstoffe vereinfacht wird, als daß sie auch beim Aus
tritt in den Niederdruckraum, den der Brennraum darstellt,
leicht in feine Tröpfchen zerrissen werden kann. Der früh
zeitige Kontakt mit Sauerstoff oder Luft, gegebenenfalls Was
ser, eventuell Wasserstoff hat weiterhin die wichtige Aufgabe
eine Rekombination entstandener Polymerbruchstücke und Radikale
dadurch zu verhindern, daß stattdessen die Radikale und freien
Valenzen der Molekülbruchstellen mit den Atomen der reaktiven
Gase abgesättigt werden.
Eine weitere Möglichkeit, die insbesondere dann eingesetzt wer
den kann, wenn die Kunststoffteile grobstückig sein sollten,
besteht in einem Einschnecken-Extruder mit vergrößerter Ein
zugszone, der selbst als Reaktionsextruder ausgerüstet ist oder
dem Zweischneckenkneter als Füttermaschine vorgeschalten werden
kann.
Es kann sich für den laufenden Betrieb im Hinblick auf gleich
mässige Zusammensetung des Brenngases als zweckmäßig erweisen,
die Schmelze stetig im Hinblick auf den Wasserstoffanteil oder
andere Komponenten zu kontrollieren und automatisch diesen bzw.
diese dem Kunststoffangebot anzupassen. Der diese Daten ermit
telnde Sensor wird zweckmäßigerweise in einem Bypass montiert
und besteht z. B. aus einem Infrarotdetektor, der die kritischen
Moleküle detektiert. Diese Kontrolle eröffnet gleichzeitig die
Möglichkeit, über einen geeigneten Regler stets auch eine be
stimmte Menge eines, unerwünschte Begleiter absorbierenden Che
mikals zusätzlich zu Sauerstoff, Wasserstoff und Wasserdampf
zugegeben zu können.
Enthalten die zu verarbeitenden Kunststoffabfälle mechanische
Verunreinigungen, so wird der Extruder mit einer Vorrichtung
ausgerüstet, wie sie in Form von Schmelzefiltern in der Praxis
bekannt sind, um eine Trennung der verflüssigten Kunststoffe
von den Feststoffen zu bewirken.
Das Verfahren wird in dem nachstehenden Beispiel dargestellt.
Die von nichtorganischen Abfällen durch Sieben grob gereinigte
Leichtfraktion des Shreddermülls (auch organische Fraktion ge
nannt) stammte von einer Automobilshredderanlage. Die polymeren
Abfälle werden dort durch Windsichtung hinter der Hammermühle
gewonnen. Sie bestehen aus den verschiedensten Kunststoffen.
Bei den Polymerabfällen handelte es sich sowohl um Flocken und
Fasergewöll wie chipartige Bruchstücke von Kunststoffteilen.
Für die Versuche wurden die Bruchstücke abgetrennt. Da deren
Durchmesser für die in den Versuchen verwendete Labor-Schnec
kenmaschine zu groß waren, wurden sie auf einem Granulator zu
Bruchgranulat von weniger als 3 mm Durchmesser zusätzlich zer
kleinert. Der Extruder - ein Werner und Pfleiderer ZSK - Doppel
schneckenkneter ZSK 40 mit einem Schneckendurchmesser von 40 mm
war mit einem Trichter ausgerüstet, aus dem die Bruchstücke
freifließend von den Schnecken eingezogen wurden. Manuelle
Hilfe war nicht notwendig. Der Trichter wurde bei den Versuchen
teilweise mit Sauerstoff geflutet; in anderen oder den gleichen
Fällen wurde das Aufgabegut leicht angefeuchtet.
Die Steckschnecken des Extruders waren über die ersten 10·D
aus Förderelementen zusammengesetzt, welche abgeschlossen wur
den durch 3·D Scherelemente, auf welche eine 1·D lange Ra
dialdroßel folgte. Hinter der Radialdrossel waren wiederum
über 5·D Förderelemente mit doppelter Gangsteigung angeord
net. Da in dieser Zone ein niedrigerer Druck herrschte, wurden
hier auch die Eindüsungen von Sauerstoff bzw. Luft und Wasser
dampf vorgenommen. Die insgesammt 25·D lange Schnecke wurde
an ihrem Ende mit 6·D Förderelementen mit einfacher Gangstei
gung bestückt. Der Zylinder der Schnecke war mit einer Loch
platte abgeschlossen, die mit Bohrungen von 2 mm Durchmesser
versehen waren. Es wurde eine normale Siebplatte mit drei fein
maschigen Siebgeweben vorgeschaltet, vorzugsweise um einen
Druckaufbau in der Schmelze zu bewirken.
Der Extruderzylinder wurde in der ersten Hälfte ansteigend und
in der zweiten Hälfte auf bis zu 420° aufgeheizt. Der Durchsatz
betrug bei 150 Umdrehungen je Minute 60 kg/h. In die Schmelze
wurden vor der Mischzone auf 250° vorgewärmter Sauerstoff in
einer Menge von 50 bis 150 l/h und Heißdampf eingepreßt.
Der Extruder war an eine auf Umgebungsdruck eingestellte Brenn
kammer so angeflanscht, daß die Lochplatte in den Brennraum
hineinreichte. Der Brennraum konnte durch elektrische Heizbän
der für den Anfahrvorgang aufgeheizt werden; zudem war ein
Gasbrenner angeschlossen, der zur Zündung des aus dem Extruder
eintretenden Gas-Kunststoff-tröpfchen-Gemisches diente.
Claims (10)
1. Verfahren zum Vergasen von Kunststoffabfällen zur Erzeugung
von Brenngasen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoff
abfälle durch Zugabe von reaktiven Gasen, wie Sauerstoff, Luft,
eventuell Wasserstoff und Wasserdampf, bzw. Wasser, das als An
feuchtung des Aufgabegutes aufgegeben wurde, bei erhöhter
Temperatur durch Abbau der Polymere soweit verflüssigt werden,
daß sie mit konventioneIlen Vorrichtungen in Brennräume oder
Reaktoren eingedüst werden können.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß dem
Gemisch aus Kunststoffen und reaktiven Gasen Stoffe zugegeben
werden, die katalytisch Molekülabbau bewirken oder die Rekombi
nation der beim Zerstören der Hochpolymere entstehenden Radi
kale verhindern.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für
die erwähnten katalytischen Stoffe Metalloxide eingesetzt wer
den.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verfahren bei einer Temperatur von über 300°C durchgeführt
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Gehalt der Schmelze an Wasserstoff oder anderen Reaktions
stoffen durch einen geeigneten Sensor ständig getestet wird, um
daraufhin das Verhältnis von Kunststoff zu den reaktiven Stof
fen zu optimieren.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
mechanische Verunreinigungen der Kunststoffe aus den ver
flüssigten Kunststoffen abgetrennt werden.
7. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach den An
sprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage einen
Schmelzekessel mit einem Rost o. ä. besitzt, unter dem sich ein
Sammelraum für die Schmelze befindet, dem eine Schmelzepumpe
und eine Mischkammer nachgeschalten sind, wo die Reaktionsgase
eingemischt und eingepreßt werden.
8. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach An
spruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verflüs
sigung der Kunststoffe ein Schneckenkneter, vorzugsweise mit
einer gleichlaufenden Doppelschnecke, mit einer Einrichtung zum
Beimischen von reaktiven Gasen und pulverförmigen Katalysato
ren, der eine Reaktionstemperatur von über 400°C und einen Re
aktionsdruck von über 100 bar ermöglicht, verwendet wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet,
daß der Doppelschnecke eine Speisevorrichtung, vorzugsweise
eine Einfachschnecke mit vergrößerter Einzugszone vorgeschalten
wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9 dadurch gekennzeichnet,
daß an den Schneckenkneter ein Schmelzefilter so angebaut ist,
daß die Abtrennung von nicht aufgeschmolzenen Anteilen und
mechanischen, festen Verunreinigungen von den verflüssigten
Kunststoffen erfolgen kann.
Priority Applications (8)
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ID=6414660
Family Applications (1)
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