DE4306207A1 - Verfahren zum Einschmelzen von kunststoffbelasteten Schrotten mit fraktionierter Zersetzung der organischen Anteile in einem Schachtofen - Google Patents

Description

Stand der Technik

In den letzten Jahren sind Schrotte zunehmend mit Kunststoffen belastet. Schrott aus Altautos z. B. kann bis zu 25 Massen% Kunststoffe enthalten. Das Schmelzen solcher belasteter Schrotte bereitet aufgrund der bei der Vergasung und Verbrennung der Kunst­ stoffanteile entstehenden Schadstoffe erhebliche Probleme. Die meisten herkömmlichen Schmelzaggregate, wie z. B. der Elektrolichtbogenofen und der Konverter, sind für das Einschmelzen dieser Schrotte nur bedingt geeignet. Zur Zeit werden die oben genannten Schrotte vor dem Einschmelzen auf mechanischem Wege von den Kunststoffen getrennt. Eine solche Trennung wird überwiegend mit einem Shredderprozeß durchgeführt. Dabei wird der Schrott zuerst zu etwa faustgroßen Stücken zerschlagen. Diese werden an­ schließend durch Windsichtung, Magnetabscheidung und Schwimm-Sink-Trennverfahren in die drei Fraktionen Stahl, Nichteisenmetalle und Shredderleichtmüll aufgeteilt. Die metallischen Fraktionen können dann durch herkömmliche Verfahren geschmolzen werden. Der Shredderleichtmüll, der die organischen Bestandteile enthält, wird heute weitgehend noch auf Deponien entsorgt. Aufgrund des knapper und teurer werdenden Deponieraumes wird zur Zeit mit verschiedenen Pilotanlagen untersucht, wie der Shredderleichtmüll durch eine thermische Behandlung verringert werden kann [1, 2, 3].

Durch den Shredderprozeß wird der Stahl nahezu vollständig von den Nichteisenme­ tallen, insbesondere vom Kupfer getrennt. Man erhält dadurch zwar einen sehr hoch­ wertigen Stahlschrott, die Verarbeitungskosten durch den Shredderprozeß sind jedoch sehr hoch. In vielen Fällen ist allerdings ein solch hoher Qualitätsanspruch an den Schrott nicht notwendig, so daß beispielsweise noch geringe Kupferanteile im Schrott enthalten sein dürfen. Es reicht dann aus, den Altautos lediglich die kupferhaltigen Hauptbestandteile im Rahmen einer Vordemontage zu entnehmen. Diese vordemon­ tierten Altautos brauchen dann nicht mehr geshreddert zu werden, sondern können mit preiswerteren Verfahren für den Schmelzprozeß aufbereitet werden.

Zur Zeit ist bereits ein Verfahren zum Einschmelzen solcher vordemontierter Altautos in der Entwicklung, das als "Metallurgisches Recycling", bezeichnet wird [4, 5]. Hierbei werden diese so vorbehandelten Altautos nur noch paketiert. Die Pakete werden anschließend in herkömmlichen Schachtöfen eingeschmolzen.

Das Schmelzen von reinem Schrott in Schachtöfen ist für viele Metalle Stand der Technik [6]. Zum Beispiel Gußeisenschrott und in geringen Mengen auch Stahlschrott wird in sogenannten Kupolöfen eingeschmolzen. Hierbei wird entsprechend Bild 1 der Schrott zusammen mit Koks und Zuschlägen dem Schacht bei A von oben chargenweise zuge­ geben. Von unten wird Luft, die gegebenenfalls vorgewärmt oder mit Sauerstoff ange­ reichert sein kann, in sogenannten Windformen (B) eingeblasen. Die Luft verbrennt mit dem Koks zu Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂). Die Verbrennungsgase strömen nach oben durch den Schacht und wärmen den Schrott vor. Diese werden dann als sogenanntes Gichtgas im oberen Teil des Schachtes bei C abgezogen. Anschließend muß das Gichtgas noch nachverbrannt und gereinigt werden. Der vor den Windformen schmelzende Stahlschrott tropft über den Koks und wird dabei aufgekohlt. Man erhält dadurch ein kohlenstoffreiches Vormetall. Dieses wird zusammen mit der Schlacke in der Regel über einen Syphon (D) abgezogen und dabei voneinander getrennt.

Die zuvor erwähnten Autopakete können in dem beschriebenen Kupolofen einge­ schmolzen werden, wobei noch feinstückiger anderer Schrott zugesetzt wird, um die Hohl­ räume zwischen den Paketen auszufüllen. Da die Pakete eine schlechte Wärmeleitfähig­ keit aufweisen, erreichen diese die Schmelzzone noch mit einem kalten Kern. Dadurch bleibt ein erheblicher Anteil des Kunststoffes unzersetzt und wird somit als Brennstoff vor den Windformen genutzt. Die im Kunststoff enthaltene Verbrennungsenergie ist beträchtlich, wie folgende Überschlagsrechnung zeigt. Bei einem Heizwert von etwa 15 000 kJ/kg Kunststoff [7] und einem Anteil von etwa 0,22 kg Kunststoff pro kg Stahl ergibt sich ein Energiepotential von 3300 kJ/kg Stahl. Als Mindestenergie zum Schmelzen sind aber nur etwa 1650 kJ/kg Stahl (Vorwärmen 1200 kJ/kg + Schmelzen­ thalpie 275 kJ/kg + Schlacke 175 kJ/kg), also ungefähr die Hälfte, notwendig. Daher können schon durch die Nutzung eines relativ kleinen Kunststoffanteils als Brennstoff erhebliche Mengen an Koks eingespart werden. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähig­ keit benötigen die Pakete jedoch relativ lange Schmelzzeiten, womit geringe spezifische Ofenleistungen verbunden sind.

Erfindung

Die hier vorgestellte Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren entsprechend dem "Metall­ urgischen Recycling", wobei der vordemontierte Autoschrott (gegebenenfalls auch anderer kunststoffbelasteter Stahlschrott) nur noch in grobe Stücke geschnitten werden muß, was gegenüber der Paketierung eine weitere Vereinfachung darstellt. Das Ein­ schmelzen erfolgt ebenfalls nach dem zuvor beschriebenen Schachtofenprinzip. Bei dem neu vorgeschlagenen Verfahren wird der Kunststoff bereits im oberen Schachtteil voll­ ständig zersetzt, und zwar im Temperaturbereich bis etwa 600°C. Dabei entweicht der überwiegende Anteil der chlorhaltigen Zersetzungsgase schon bei relativ niedrigen Tem­ peraturen, ungefähr zwischen 200°C und 350°C, während sich im anschließenden Tempe­ raturbereich nur noch nahezu chlorfreie Gase bilden. Dieses Zersetzungsverhalten wird in Bild 2 am Beispiel von PVC gezeigt [8]. Mit dem hier vorgestellten Verfahren sollen nun die chlorhaltigen und nahezu chlorfreien Zersetzungsgase in möglichst reiner Form und getrennt von den Gichtgasen abgeführt werden. Die Gichtgase sind dann weitgehend chlorfrei, so daß bei deren Nachverbrennung die Dioxinbildung und die Gefahr einer Hochtemperaturkorrosion deutlich verringert wird. Folglich sind niedrigere Kosten für die Rauchgasreinigung zu erwarten.

Zur fraktionierten Gewinnung der Zersetzungsgase wird erfindungsgemäß das in Bild 3 dargestellte Verfahren vorgeschlagen. Der in Stücke geschnittene Schrott wird durch eine Siebung in mehrere Fraktionen mit jeweils etwa gleicher Stückgröße aufgeteilt. Die Chargen werden abwechselnd mit dem Koks und den Zuschlägen dem Schacht bei a zuge­ führt. Wie in [9] gezeigt wurde, ist in einem Schacht der Druckverlust kleiner und die Durchströmung besser, wenn ein Schüttgut mit unterschiedlichen Korngrößen vor der Aufgabe gesiebt wird und die einzelnen Fraktionen jeweils nacheinander chargiert werden.

Der aufgebende Schrott durchläuft zunächst die beiden Vorschächten b und c. Der erste Vorschacht b dient dazu, die chlorhaltigen Zersetzungsgase zu separieren, im zweiten Vorschacht c wird der restliche Kunststoff zersetzt. Entsprechend muß der Schrott im ersten Vorschacht auf etwa 350°C erwärmt werden, da, wie bereits mit Bild 2 gezeigt wurde, bis zu dieser Temperatur hauptsächlich die chlorhaltigen Gase entweichen. Im zweiten Vorschacht wird der Schrott weiter auf etwa 500°C erwärmt, da bei dieser Temperatur die Zersetzung weitestgehend abgeschlossen ist. Der Schrott wird in beiden Vorschächten nach demselben Prinzip erwärmt. Das am jeweiligen Fuß der beiden Vorschächte mit etwa 350°C bei b1 bzw. 500°C bei c1 abgezogene Zersetzungsgas wird in den Rekuperatoren d bzw. e (Reku) erhitzt und anschließend am Kopf des jeweiligen Schachtes bei b2 bzw. c2 wieder zugeführt. Die beiden Vorschächte werden somit im Gleichstrom mit dem Schrott durchströmt, um Kondensatbildung an kalten Schrott­ stücken zu vermeiden. Von der Kreislaufmenge wird kontinuierlich jeweils diejenige Gas­ menge abgezogen, die bei der Kunststoffzersetzung im Schacht entsteht. Dieses Gas wird anschließend in einem Wärmetauscher (Üh) leicht überhitzt, uni Kondensationser­ scheinungen zu vermeiden.

Das vom ersten Vorschacht abgezogene Gas (b3) wird in herkömmlichen Apparaten (f) in chlorhaltige und chlorfreie Fluide aufbereitet. Beispielsweise kann nach einer ent­ sprechenden thermischen Vorbehandlung des Gases über einen Waschprozeß Salzsäure (HCl) erzeugt werden. Da die Apparate u. a. von der technischen Chemie her bekannt sind, braucht auf diese hier nicht näher eingegangen zu werden.

Das vom zweiten Vorschacht abgeführte Zersetzungsgas besitzt einen hohen Heizwert, da dieses nicht durch andere Gase, wie z. B. Verbrennungsgase, verdünnt ist. Das Zer­ setzungsgas (c3) kann somit als hochwertiger Brennstoff an mehrere Verbraucher abge­ geben werden. Der Hauptanteil dieses Gases kann jedoch im Prozeß selbst zum Schmelzen genutzt werden. Dazu wird das Gas im unteren Teil des Hauptschachtes bei g1 in den Windformen mit Luft verbrannt. Sollten die bei der Verbrennung des Gases er­ reichten Temperaturen zum Schmelzen zu niedrig sein, so könnte zu deren Erhöhung die Luft mit Sauerstoff angereichert oder der Heizwert des Zersetzungsgases durch Zu­ mischen von Erdgas angehoben werden. Das Einkoppeln der Wärmeenergie aus der Gas­ verbrennung hat den Vorteil, daß dadurch Koks eingespart werden kann. Da Koks ein teurer Brennstoff ist, können folglich die Betriebskosten gesenkt werden.

Ein weiterer Anteil des Zersetzungsgases vom zweiten Vorschacht kann im Prozeß ge­ nutzt werden, indem es zur Erwärmung der Kreislaufströme in den beiden Rekupera­ toren d und e verbrannt wird. Gegebenenfalls kann das Verbrennungsgas unter Ein­ sparung des Rekuperators direkt dem Kreislaufstrom bei h und i zur Temperaturer­ höhung zugemischt werden, wie in Bild 3 gestrichelt dargestellt ist. In diesem Fall wird allerdings das Kreislaufgas durch die Verbrennungsgase verdünnt. Diesen Verdünnungs­ effekt kann man zwar gering halten, indem das Zersetzungsgas mit reinem Sauerstoff verbrannt wird, die zu entchlorende Gasmenge nimmt jedoch zu und der Heizwert des Zersetzungsgases wird herabgesetzt. Das noch überschüssige Zersetzungsgas kann ent­ weder als hochwertiger Brennstoff an Fremdverbraucher abgegeben oder mit dem Gicht­ gas zusammen bei j verbrannt und somit zur Wärme- und/oder Energieerzeugung ge­ nutzt werden.

Zwischen den einzelnen Schachtbereichen befinden sich Dichtungszonen ab, bc und cg, die nach dem gleichen Prinzip aufgebaut werden können wie eine herkömmliche Abdich­ tung eines Kupolofens zur Umgebung hin. Dieses Prinzip wird am Beispiel der obersten Dichtungszone erläutert. Der Druck an der Eintrittstelle des Kreislaufgases wird so einge­ stellt, daß dieser geringfügig unterhalb des Umgebungsdruckes liegt. Auf diese Weise kann kein chlorhaltiges Gas in die Umgebung entweichen. Um umgekehrt den Eintritt von Umgebungsluft, sogenannter Falschluft, in das Kreislaufgas zu begrenzen, wird zwischen der Schachtöffnung und dem Gaseintritt durch die Schüttung selbst ein Strömungswiderstand aufgebaut. Dazu wird die Höhe der Schüttsäule über dem Gasein­ tritt so eingestellt, daß diese entsprechend Bild 1 das ein- bis zweifache des Schacht­ durchmessers beträgt. Entsprechend kann die Dichtung zwischen den verschiedenen Schachtbereichen ausgelegt werden. Durch eine neutrale Schachtzone kann jeweils ein Strömungswiderstand aufgebaut werden. Die Druckdifferenzen können entsprechend so eingestellt werden, daß aus bestimmten Kreisläufen keine Gase austreten.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß die fraktionierte Gewinnung der Zer­ setzungsgase auch in separaten Schächten oder speziellen Apparaten und damit unab­ hängig vom Schmelzschacht durchgeführt werden kann. In diesem Fall muß der Schrott zwischen den Behandlungsstufen in heißem Zustand transportiert werden, was apparativ aufwendig ist und einen zusätzlichen Energieverlust bedeutet.

Schrifttumsverzeichnis

[1] Pruckner, E.: Verfahren zur thermischen Behandlung von Rückständen der Automobilindustrie. VDI-Berichte 967 (1992).

[2] Schmidt, R.; Kreischer, G.: Darstellung der Pyrolyseverfahren. VDI-Berichte 967 (1992), S. 75-86.

[3] Redepenning, H.-K.; Wenning, P .: Darstellung der Vergasungsverfahren. VDI-Berichte 967 (1992), S. 87-127.

[4] Franze, H.A.: Automobil-Recycling - heute und morgen. VDI-Berichte 967 (1992), S. 21-38.

[5] Paul, E.: Verschiedene Verfahren des metallurgischen Recyclings. VDI-Berichte 967 (1992), S. 39-71.

[6] Verein Deutscher Gießereifachleute: Grundlagen des Schmelzens im Kupolofen. Gießerei-Verlag Düsseldorf 1975.

[7] Vosteen, B.; Martin, R.; Vehlow, J.: Die Auto-Shredderleichtfraktion als Abfallbrennstoff. VDI-Tagung 13./14.05.1992 in Mannheim.

[8] Knümann, R.; Schleussner, M.; Bockhorn, H.: Untersuchungen zur Pyrolyse von PVC und anderen Polymeren. VDI-Berichte 922 (1991), S. 237-246.

[9] Jeschar, R.: Druckverlust in Mehrkornschüttungen aus Kugeln. Archiv für das Eisenhüttenwesen 35 (1964), S. 91-108.

Claims (8)

1. Verfahren und Vorrichtung von kunststoffhaltigen Schrotten (z. B. Automobil­ schrott) in einem kupolofenähnlichen Schachtofen, wobei dem üblichen Schmelz und Vorwärmschacht noch Vorschächte zur fraktionierten thermischen Zersetzung der organischen Bestandteile aufgesetzt sind.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrott in einem ersten Vorschacht nur so weit erwärmt wird, daß der Großteil der chlorhaltigen Gase aus dem Kunststoff entweicht und diese Gase zur Aufbereitung abgezogen werden.

3. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrott in einem anschließenden zweiten Vorschacht so weit erwärmt wird, daß die restlichen Gase aus dem Kunststoff entweichen und abgezogen werden.

4. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffzersetzung nur in einem einzigen Vorschacht durchgeführt wird.

5. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorwärmung des Schrottes im Kreislauf geführtes Zersetzungsgas verwendet wird, welches außerhalb des Schachtes erhitzt wird.

6. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des Zersetzungsgases zur Erhitzung der Kreislaufgase und/oder durch Verbrennung in den Windformen zum Schmelzen energetisch im Prozeß selbst ge­ nutzt werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoff­ zersetzung ein- oder zweistufig außerhalb des Schachtofens in separaten Apparaten durchgeführt werden kann.

8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrott grob zerkleinert und durch eine Siebung in Fraktionen mit jeweils etwa gleicher Stückgröße aufgeteilt wird und die verschiedenen Fraktionen zur Ver­ minderung des Druckverlustes nacheinander chargiert werden.