EP2459932A2 - Verwendung eines kunststoff-haltigen einsatzstoffes für eine feuerung - Google Patents

Verwendung eines kunststoff-haltigen einsatzstoffes für eine feuerung

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EP2459932A2
EP2459932A2 EP10752271A EP10752271A EP2459932A2 EP 2459932 A2 EP2459932 A2 EP 2459932A2 EP 10752271 A EP10752271 A EP 10752271A EP 10752271 A EP10752271 A EP 10752271A EP 2459932 A2 EP2459932 A2 EP 2459932A2
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EP
European Patent Office
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plastic
mill
firing
waste
starting material
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10752271A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Andreae-Jäckering
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Altenburger Maschinen Jaeckering GmbH
Original Assignee
Altenburger Maschinen Jaeckering GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/30—Technologies for a more efficient combustion or heat usage

Definitions

  • the invention is directed to a method for producing a plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing
  • Feedstock suitable for use in furnaces such as e.g. in cement kilns and power plants is suitable, from residual fractions, as in the separate collection of
  • Plastic waste or waste sorting and treatment plants usually incurred, also from plastic waste, such as those incurred in manufacturing plants and
  • wastes may also be provided with numerous impurities, such as inert or metallic portions such as e.g. Aluminum foils, or with organic substances and paper and need not necessarily consist predominantly of plastics. They fall after a first pretreatment usually in crushed form, but the bulk is usually not defined.
  • impurities such as inert or metallic portions such as e.g. Aluminum foils, or with organic substances and paper and need not necessarily consist predominantly of plastics. They fall after a first pretreatment usually in crushed form, but the bulk is usually not defined.
  • the invention solves this problem by using a plastic-containing organic compound
  • the particle size achieved is used to control the firing process in the furnace.
  • Plastic-containing starting materials are hereby understood to mean, but not exclusively, what are known as secondary fuels, as obtained in the case of separate waste collection or obtained from waste sorting and treatment plants.
  • the particles in this case either foil-like shape, hereinafter referred to as two-dimensional particles, or lumpy forms, as they arise from plastic molded parts, hereinafter referred to as three-dimensional particles, on. You have before the grind
  • Coal grinding plants is the case, but it reduces the weights of the particles by spanting three-dimensional particles, the two-dimensional particle or powder arise.
  • the experiments have shown that two-dimensional particles are only fiberized and not further comminuted.
  • a feedstock which has a substantially lower bulk density
  • the bulk density is only one-third to one-fifth of the starting material, which also has a significantly higher surface-to-mass ratio of the particles and an average about ten times lower individual particle mass ,
  • Starting material to feed can be between 5 and 50.
  • the invention also differs from other plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic-containing plastic
  • the starting materials are pelletized in order to optimize the conveying and storage properties, especially to avoid pellet breakage and to achieve a high bulk density.
  • a grinding takes place in which the pellets are ground like coal to a fine-grained granules, whereby an ultra-rotor is used for the grinding.
  • it is not possible to produce a feedstock with the properties according to the invention, since no two-dimensional particles are formed, but only fine grains or powders which show a different ignition behavior.
  • significantly more technical effort must be driven in advance of the grinding.
  • the typical combustion behavior of powdered secondary fuels is very different from that of the feedstock according to the invention.
  • combustion of powdered fuel always involves the problem of air admixing, especially in the case of staged combustion, as is common practice. Thereafter, it is very complicated to set a suitable flame shape, which is no longer the case with the feedstock according to the invention, which is obtained as a mixture of two-dimensional particles with good burnout and powdery constituents.
  • the AT 232830 describes a plant and a process for the fine and ultrafine grinding of thermoplastics, in particular the
  • DE 42 00 827 A1 discloses a method and an apparatus for detecting a plastic or rubber from a waste mixture is described, in which also a grinding in a fluidized air mill is made, however, with the aim of rubber and not sorted submitted plastic mixtures of each other as pure as possible separate. Also a Mahltrocknung is described.
  • the grinding is supplemented by drying.
  • the invention then solves this problem by using a plastic-containing material.
  • Feedstock which is obtained by mill-drying of plastic-containing waste using an air vortex mill and hot air for firing, such as a rotary kiln cement kiln during cement clinker production or a power plant.
  • plastic waste which are intended for use in a cement kiln, with a grain size ⁇ 50 to 60 mm in one
  • both the degree of moisture achieved by the mill drying and the particle size and geometry achieved are used to control the firing process in the cement kiln.
  • Plastic-containing feedstock without further intermediate storage directly into the cement kiln or the power plant to bring. But also a filter in a cyclone filter with
  • EP 0 226 900 B1 is described. Of course, similar or similarly built mills can be used in the context of the invention.
  • the invention solves the problem also by a method for producing a plastic-containing feedstock in an ultra-rotor, wherein a plastic-containing
  • samples of plastic-containing waste before and after grinding were taken using an air vortex mill and investigated in their behavior according to the use, which are referred to below as the starting material and as a feedstock. Both samples were sorted manually and optically divided into fractions of comparable material properties. Furthermore, the combustion times for selected particles of the
  • the bulk densities of the samples were determined before sorting.
  • the bulk density of the starting material is 63.5 kg / m 3 about 4 times as large as that of the starting material.
  • the sample of the 25% heaviest particles forms the critical fraction of the starting materials, whose burning behavior in the cement kiln usually leads to the known limitations in the prior art.
  • Table 2 shows the mass fractions of the individual fractions on the sorted sample of the starting material:
  • the fractions E and F together have a mass fraction of about 64%, while in the feedstock, the fractions of the films I and J have the largest mass fraction of the sample of the 25% heaviest particles.
  • a clear difference can also be seen in the number of particles. This is for the starting material 35 pieces, the number of particles in the sample of the 25% heaviest particles of the feedstock is more than 12 times as large and is 441 pieces.
  • Table 3 shows the mass fractions of the individual fractions on the sorted sample of the feedstock:
  • the starting material has a significantly higher proportion of films, ie two-dimensional particles, in comparison to the starting material.
  • the starting material contains more three-dimensional plastic particles, which have only a weight fraction of less than 10% in the starting material.
  • the fractions of the starting material and the starting material as listed in Table 2 and Table 3, summarized, while the 5 heaviest particles were selected from the starting material and feedstock with the largest mass fraction of the sorted samples.
  • the combustion times were not determined since the mass fraction of these fractions was less than 2%.
  • the inert fraction D of the starting material was likewise not investigated.
  • the single particle reactor used consisted of two segments, which were made of refractory material, and which enclose a particle chamber.
  • the upper Operating temperature of this material is 1800 0 C.
  • the two segments are channels for the hot gas, for optical access, thermocouples and the introduction of the fuel particle embedded.
  • the two segments are surrounded by a steel frame to which is attached a hot gas generator, water cooled sight glass sockets of the optical ports, and a quick charger for introducing the fuel.
  • the hot gas generator was a plasma nozzle. In the nozzle, the noble gases argon and helium were heated by an electric arc. In the particle chamber temperatures of up to 1300 0 C can be achieved. As a result, the operating conditions are simulated in a cement kiln.
  • a fast charging device is provided for its delivery into the particle chamber.
  • the design of the loading device and the channel cross section in the area of. Particle chamber allow a supply of particle sizes up to an edge dimension of 25 mm.
  • the detection of the time of entry into the particle chamber is carried out by a in the
  • thermocouple The temperature is recorded centrally with the other measuring points on a computer. This temperature signal represents the starting time for the time measurement of the burnout characteristic.
  • a digital video camera is installed, with the help of which the particle can be recorded during the experiment. By analyzing the recorded video, it is possible to determine changes in the particle shape and structure as well as the time course of the conversion process.
  • the oxygen is preheated by means of an electric heater and fed to the system in front of a catalyst.
  • the catalyst is a platinum-doped honeycomb body of silicon carbide, which is also heated with an electrical heating tape from the outside.
  • the catalyst connects the particle chamber with a gas measuring cell.
  • the gas cell is heated to a temperature of at least 185 0 C.
  • the temperatures in the region of the catalyst and the gas measuring cell are measured continuously in the test mode by thermocouples and a temperature sensor of the heating system.
  • the length of the gas measuring cell corresponds to an optical path length of one meter.
  • the measuring principle of the laser module is based on the principle of single-line spectroscopy.
  • a single cross-sensitivity-free absorption line of oxygen is chosen.
  • a receiver unit opposite the laser measures the absorption caused by the molecules of oxygen. From the absorption, the gas concentration is calculated.
  • the oxygen profile and the temperature measuring points are recorded online and reflect the time course of the fuel conversion. If the time course of the oxygen concentration is known, then the characteristic times associated with ignition and burnout can be determined therefrom. Within the scope of this test series, the combustion times were determined exclusively with the help of the digital video camera. The analysis of the combustion process is carried out by the evaluation of the videos taken during combustion.
  • the five heaviest particles of the starting material and the starting material were examined and their reaction times determined.
  • the experiments were ⁇ at a temperature of 800 0 C in the particle chamber and a
  • Oxygen concentration of 9 vol .-% performed in the process gas.
  • plasma gas only argon was used, the relative gas velocity (flow around the
  • FIG. 1 shows the sum curves of the converted sample mass fractions thus calculated for the starting material and the starting material.
  • Figure 1 shows that after a time of 10 seconds already more than 80% of
  • Burning rate is reached, thus stabilizing the firing process and increasing the product quality is achieved

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Abstract

Verwendung eines Kunststoff-haltigen Einsatzstoffes, der durch Mahlung oder Mahltrocknung von Kunststoff-haltigen Abfällen unter Einsatz einer Luftwirbelmühle wie eines Ultra-Rotors erhalten wird, zur Befeuerung etwa eines Drehrohr-Zementofens während der Zementklinkerherstellung oder eines Kraftwerks. Sowohl der durch die Mahltrocknung erreichte Feuchtegrad als auch die erreichte Partikelgeometrie können zur Steuerung des Bennnvorgangs genutzt werden.

Description

Verwendung eines Kunststoff-haltigen Einsatzstoffes für eine Feuerung
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines Kunststoff-haltigen
Einsatzstoffes, der für den Einsatz in Feuerungen wie z.B. in Zementöfen und Kraftwerken geeignet ist, aus Reststofffraktionen, wie sie bei der Getrenntsammlung von
Kunststoffabfällen oder aus Abfallsortier- und Behandlungsanlagen üblicherweise anfallen, ferner auch aus Kunststoffabfällen, wie sie in Produktionsbetrieben anfallen sowie
Mischungen daraus. Solche Abfälle können auch mit zahlreichen Verunreinigungen versehen sein, etwa mit inerten oder metallischen Anteilen wie, z.B. Aluminiumfolien, oder mit organischen Stoffen und Papier und müssen nicht notwendigerweise überwiegend aus Kunststoffen bestehen. Sie fallen nach einer ersten Vorbehandlung üblicherweise in zerkleinerter Form an, wobei jedoch die Stückigkeit meist nicht definiert ist.
Die Möglichkeit, Kunststoffabfälle bei der Zementherstellung und bei anderen Feuerungen als Energieträger zu verwenden, ist seit langem bekannt. Bei der praktischen Umsetzung treten jedoch regelmäßig Probleme auf, wenn es sich um inhomogene Kunststoffmischungen handelt. Diese beeinflussen das Brennverhalten im Zementofen in ungünstiger Weise, weil sie zu räumlich unterschiedlichen Brennbedingungen führen. Diese ungünstigen Einflüsse führen dazu, dass nach herkömmlichem Stand der Technik immer nur begrenzte Mengen an Kunststoffabfällen für die Zufeuerung in Betracht kommen.
Will man beispielsweise ein nach herkömmlicher Verfahrensweise auf ca. 20 mm
zerkleinertes Kunststoffgemisch aus Flaschenverschlüssen oder anderen dickeren
Kunststoffteilen und gleichzeitig aus Kunststofffolien aus z. B. Einkaufstüten verbrennen, so ist das Brennverhalten der dreidimensionalen und zweidimensionalen Teile völlig
unterschiedlich. Während die Kunststofffolienteile aus Einkaufstüten innerhalb von 1 oder 2 Sekunden komplett verbrannt sind, brennen die dickeren dreidimensionalen Kunststoffteile wesentlich länger, normalerweise zwischen 5 und 20 Sekunden. Im Zementofen bedeutet dieser Zeitunterschied, dass diese Teile dann verschleppt werden in Bereiche des Ofens, wo sie unerwünscht sind und teilweise unverbrannt zur Kontamination von End- oder
Nebenprodukten führen. Diese Problematik wird auch beschrieben in„Disruptive substances and the buming behaviour of solid alternative fuels, Hubert Baier, ZKG International No. 6- 2010".
Bei den bisher üblicherweise eingesetzten Brennstoffen aus festen Abfällen, die zumeist aus Gewerbe- und Produktionsabfällen, aber auch aus bearbeiteten Hausmüllfraktionen stammen, kam es aufgrund der physikalischen Heterogenität des eingesetzten Sekundärbrennstoffes hinsichtlich Partikelgrößen, Gewicht, Oberfläche, und Dichte oft zu Ausbrandproblemen. Insbesondere größere dreidimensionale Partikel brannten z. T. nicht vollständig aus und führten damit zu Qualitätsproblemen beim hergestellten Produkt, z. B. in der Zementindustrie, oder zu unerwünschten Verunreinigungen der Verbrennungsaschen, etwa in Kohlekraftwerken. Darüber hinaus veränderte die, im Vergleich zu z. B. Kohlestaub sehr heterogenen Partikelgeometrie des Sekundärbrennstoffes, oft das angestrebte
Flammenbild des jeweiligen Verbrennungsprozesses negativ.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sekundärbrennstoff so zu konditionieren, dass die bekannten Nachteile entfallen und damit auch eine wirtschaftliche Möglichkeit zur
Befeuerung eines Kraftwerkes oder eines Drehrohr-Zementofens während der
Zementherstellung bzw. Zementklinkerherstellung zur Verfügung zu stellen, die die bisherigen Nachteile nicht mehr aufweist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch Verwendung eines Kunststoff-haltigen
Einsatzstoffes, der durch Mahlung von Kunststoff-haltigen Abfällen unter Einsatz einer Luftwirbelmühle erhalten wird, zum Betrieb einer Befeuerung, insbesondere zur Befeuerung eines Drehrohr-Zementofens während der Zementklinkerherstellung oder eines Kraftwerkes. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass die erreichte Partikelgröße zur Steuerung des Brandvorgangs in der Feuerung genutzt wird.
Unter Kunststoff-haltigen Einsatzstoffen werden hierbei vor allem, aber nicht ausschließlich, sogenannte Sekundärbrennstoffe verstanden, wie sie bei der Getrenntmüllsammlung anfallen oder aus Abfallsortier- und Behandlungsanlagen erhalten werden. Die Partikel weisen hierbei entweder folienartige Form, im Folgenden als zweidimensionale Partikel bezeichnet, oder stückige Formen, wie sie aus Kunststoff-Formpressteilen entstehen, im folgenden als dreidimensionale Partikel bezeichnet, auf. Sie haben vor der Mahlung
Längsabmessungen von bis zu 6 cm, Flächen von bis zu 30 cm2, und Gewichte bis zu 3 Gramm, wobei die meisten Partikel zwischen 0,1 und 1 Gramm schwer sind. Nach der Mahlung sind die Längsabmessungen wie auch die Flächen im Wesentlichen unverändert, aber die Gewichte betragen nur noch bis zu 0,3 Gramm, wobei die meisten Partikel nur noch zwischen 0,01 und 0,1 Gramm schwer sind.
Die Mahlung in der Luftwirbelmühle bewirkt also nicht primär eine Verkleinerung der Längenabmessungen oder eine Verringerung der Oberflächen, wie es etwa bei
Kohlemahlanlagen der Fall ist, sondern sie verringert die Gewichte der Partikel, indem sie dreidimensionale Partikel so spant, das zweidimensionale Partikel oder Pulver entstehen. Hierbei haben die Versuche gezeigt, dass zweidimensionale Partikel nur angefasert und nicht weiter zerkleinert werden.
Im Ergebnis wird ein Einsatzstoff erzeugt, der eine wesentlich geringere Schüttdichte aufweist, wobei die Schüttdichte nur noch ein Drittel bis ein Fünftel des Ausgangsstoffes beträgt, der weiterhin ein deutlich höheres Oberfläche-zu-Masse- Verhältnis der Partikel und eine durchschnittlich etwa zehnfach geringere Einzelpartikelmasse aufweist, wobei je nach Ausgangsstoff und Betriebsbedingungen das Einzelpartikelmassenverhältnis von
Ausgangsstoff zu Einsatzstoff zwischen 5 und 50 betragen kann.
Über die Partikelmassen und das Oberfläche-zu-Masse-Verhältnis lässt sich der
Brandvorgang im Zementofen bzw. im Kraftwerk beeinflussen. Eine hohe spezifische Oberfläche führt zu einer schnellen Aufheizung und Zündung der einzelnen Partikel, eine kleinere Masse führt zu einem schnelleren Abbrand. Auf diese Weise lassen sich Anfangsund Endpunkt der Flamme bzw. die Ausbrandzone einstellen und damit der Brennvorgang kontrollieren.
Hierdurch unterscheidet sich die Erfindung auch von anderen Kunststoff-haltigen
Einsatzstoffen, wie sie beispielhaft in der DE 600 16 122 T2 beschrieben werden. Hierbei werden die Ausgangsstoffe pelletiert, um die Förder- und Lagereigenschaften zu optimieren, vor allem Pelletbruch zu vermeiden und eine hohe Schüttdichte zu erreichen. Vor der eigentlichen Verbrennung findet ein Mahlvorgang statt, bei der die Pellets wie Kohle zu einem feinkörnigen Granulat gemahlen werden, wobei auch ein Ultrarotor zum Einsatz bei der Mahlung eingesetzt wird. Auf diese Weise ist es jedoch nicht möglich, einen Einsatzstoff mit den erfindungsgemäßen Eigenschaften zu erzeugen, da keine zweidimensionalen Partikel entstehen, sondern nur feine Körner bzw. Pulver, die ein anderes Zündverhalten zeigen. Außerdem muss erheblich mehr technischer Aufwand im Vorfeld der Mahlung getrieben werden.
Auch ist das typische Abbrandverhalten von pulverförmigen Sekundärbrennstoffen sehr verschieden von dem des erfindungsgemäßen Einsatzstoffes. Wie beispielhaft die DE 697 30 702 T3 beschreibt, besteht bei der Verbrennung von Pulverbrennstoff immer das Problem der Luftzumischung, ganz besonders bei gestufter Verbrennung, wie sie allgemein üblich ist. Hiernach ist es sehr kompliziert, eine geeignete Flammenform einzustellen, was bei dem erfindungsgemäßen Einsatzstoff, der als Mischung aus zweidimensionalen Partikeln mit guten Ausbrandbedingungen und pulverförmigen Bestandteilen anfällt, auch nicht mehr der Fall ist. In einem weiteren Beispiel beschreibt die AT 232830 eine Anlage und ein Verfahren zum Fein- und Feinstmahlen von thermoplastischen Kunststoffen, wobei besonders die
Möglichkeiten der Behandlung PVC-haltiger kommunaler Abfälle beschrieben werden.
Allerdings sind die erhaltenen Fraktionen nicht für einen Zementofen geeignet. Eine
Trocknung findet nicht statt.
In der DE 42 00 827 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung eines Kunststoffes oder Gummi aus einem Abfallgemisch beschrieben, bei dem ebenfalls eine Vermahlung in einer Luftwirbelmühle vorgenommen wird, allerdings mit dem Ziel, Gummi und nicht sortenrein vorgelegte Kunststoffmischungen voneinander möglichst sortenrein zu trennen. Auch eine Mahltrocknung wird beschrieben.
In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung wird die Mahlung durch eine Trocknung ergänzt. Die Erfindung löst diese Aufgabe dann durch Verwendung eines Kunststoff-haltigen
Einsatzstoffes, der durch Mahltrocknung von Kunststoff-haltigen Abfällen unter Einsatz einer Luftwirbelmühle und Heißluft erhalten wird, zur Befeuerung, etwa eines Drehrohr- Zementofens während der Zementklinkerherstellung oder eines Kraftwerkes. Hierdurch können auch Gemische heizwertreicher Abfallstoffe mit einer großen Spannbreite beim Wassergehalt, es wurden in Versuchen Tests gefahren bis fast 70 % Feuchte, eingesetzt werden.
Die Verwendung von Wirbelluftmühlen für die Mahltrocknung ist an sich bekannt, wie auch in der EP 1 787 722 bereits beschrieben, wobei jedoch für die Mahltrocknung eines wie oben beschriebenen Ausgangsgemisches keine Veranlassung bestand. Zur Bereitstellung von Heißluft wird vorzugsweise Abwärme eines Zementofens eingesetzt. Kunststoffhaltige Gemische aus der Abfallsortierung oder -behandlung enthalten je nach
Materialzusammensetzung bis zu 30 % Feuchte, die, wenn sie in den Zementofen oder die Kraftwerksfeuerung direkt eingebracht werden, den Heizwert entsprechend der
aufzubringenden Verdunstungsenthalpie verringern. In jedem Zementwerk und jedem Kraftwerk steht jedoch heiße Abluft günstig zur Verfügung und kann daher zur Trocknung eingesetzt werden. Hierdurch wird der Heizwert entsprechend erhöht. Unter dem Strich mag es unerheblich erscheinen, ob die Verdunstungswärme im Ofen selbst oder aus der Abwäme des Ofens außerhalb des Ofens aufgebracht wird, wobei die Trocknungsstufe und der Aufwand der Abwärmeauskopplung als zusätzlicher Aufwand zunächst gegen eine
Mahltrocknung sprechen würden. Aufgrund des geänderten Abbrandverhaltens,
insbesondere aber des schnelleren Zündens der Partikel aufgrund des Entfalls des Wasserverdampfungsvorgangs vor der Partikelzündung innerhalb der Flamme selbst, ist eine Mahltrocknung in der Wirbelluftmühle technisch-wirtschaftlich sinnvoll. Außerdem entsteht keine ungewollte überschüssige Menge an Wasserdampf im Ofensystem selbst.
Keines der beschriebenen Verfahren legt die Kombination dieser Verfahrensschritte zur Herstellung eines geeigneten Brennstoffes für eine Feuerung in einem Zementofen oder einem Kraftwerk oder deren Verwendung hierzu nahe. In den Dokumenten zum Stand der Technik mussten die Kunststoffabfälle, bevor sie in eine Luftwirbelmühle gegeben werden, auf eine Korngröße < 25 mm vorzerkleinert bzw. pelletiert werden, was aufwändig ist.
Überraschenderweise wurde hier aber gefunden, dass Kunststoffabfälle, die für den Einsatz in einem Zementofen vorgesehen sind, mit einer Korngröße < 50 bis 60 mm in eine
Luftwirbelmühle gegeben werden können, wobei die folienartigen Kunststoffe ohne weitere Mahlung durch die Mühle hindurchgefördert werden und dabei auch keinen
Energiemehrverbrauch verursachen. Eine Vorsortierung bzw. Vorbehandlung wie z. B. eine Pelletierung ist nicht erforderlich, was ein Vorteil der Erfindung ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sowohl der durch die Mahltrocknung erreichte Feuchtegrad als auch die erreichte Partikelgröße und -Geometrie zur Steuerung des Brandvorgangs im Zementofen genutzt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Feuchtegrad des erhaltenen Kunststoffgemisches variabel gehalten wird und dem jeweiligen Heizbedarf des Zementofens oder Kraftwerks angepasst werden kann, und die Partikelgröße dem geregelten Abbrandverhalten entsprechend angepasst wird, was durch Variation der Luftmengen in der Luftwirbelmühle möglich ist. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn das erfindungsgemäße Verfahren dazu genutzt wird, den erhaltenen
Kunststoff-haltigen Einsatzstoff ohne weitere Zwischenlagerung direkt in den Zementofen oder das Kraftwerk einzubringen. Aber auch eine Filterung in einem Zyklonfilter mit
Abscheidung und eine sich anschließende separate Förderung in den Zementofen oder das Kraftwerk ist Gegenstand der Erfindung.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Verwendung eines Ultra-Rotors als Luftwirbelmühle für die Mahlung oder Mahltrocknung, wie er beispielsweise in der
EP 0 226 900 B1 beschrieben wird. Natürlich können auch ähnliche oder gleichartig gebaute Mühlen im Sinne der Erfindung verwendet werden.
Die Erfindung löst die Aufgabe auch durch ein Verfahren zur Erzeugung eines Kunststoff- haltigen Einsatzstoffes in einem Ultra-Rotor, wobei ein Kunststoff-haltiges
Ausgangsgemisch, erhalten aus Kunststoff-haltigen Abfällen, bei einer Umlaufgeschwindigkeit von 40 bis 80 m/s tangential und gleichsinnig zur Drehrichtung auf pneumatische Weise seitlich in den Mahlungsbereich eingespeist wird. Durch den Gleichsinn von Drehung und Zugabe sowie durch die relativ langsame Umlaufgeschwindigkeit wird eine besonders Energie- und Material-schonende Betriebsweise erreicht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Versuchen näher erläutert. Hierzu wurden Proben Kunststoff-haltiger Abfällen vor und hinter einer Mahlung unter Einsatz einer Luftwirbelmühle genommen und in ihrem verwendungsgemäßen Verhalten untersucht, die im Folgenden als Ausgangsstoff und als Einsatzstoff bezeichnet werden. Beide Proben wurden manuell sortiert und optisch in Fraktionen vergleichbarer Materialeigenschaften eingeteilt. Ferner wurden die Verbrennungszeiten für ausgewählte Partikel des
Ausgangsstoffs und des Einsatzstoffs in einem Einzelpartikelreaktor mit Hilfe einer digitalen Videokamera ermittelt, wobei die Ausbrandverhältnisse einer Feuerung, wie sie im Kraftwerk oder im Zementofen zum Einsatz kommt, im Einzelpartikelreaktor eingestellt wurden.
Zunächst wurden von Ausgangsstoff und Einsatzstoff zwei gleich große homogene
Probenmengen von je 68,8 g genommen. Aus der Probe des Ausgangsstoffes und des Einsatzstoffes wurden jeweils die Partikel aussortiert, welche zu den 25% schwersten Partikeln der Probe zählen. Dies entspricht einer Probenmenge von 17,4 g für den
Ausgangsstoff und 17,3 g für den Einsatzstoff. Die Schüttdichten der Proben wurden vor der Sortierung ermittelt. Die Schüttdichte des Ausgangsstoffes ist mit 63,5 kg/m3 etwa 4-mal so groß wie die des Einsatzstoffes. Die Probe der 25 % schwersten Partikel bildet dabei den kritischen Anteil der Einsatzstoffe, deren Abbrandverhalten im Zementofen üblicherweise zu den bekannten Beschränkungen im Stand der Technik führt.
Tabelle 1 :
Tabelle 2 zeigt die Massenanteile der einzelnen Fraktionen an der sortierten Probe des Ausgangsstoffes:
Die Fraktionen E und F weisen zusammen einen Massenanteil von etwa 64 % auf, während im Einsatzstoff die Fraktionen der Folien I und J den größten Massenanteil an der Probe der 25 % schwersten Partikel besitzen. Ein deutlicher Unterschied ist ebenfalls in der Anzahl der Partikel zu erkennen. Diese beträgt für den Ausgangsstoff 35 Stück, die Partikelanzahl in der Probe der 25 % schwersten Partikel des Einsatzstoffs ist mehr als 12-mal so groß und liegt bei 441 Stück.
Tabelle 3 zeigt die Massenanteile der einzelnen Fraktionen an der sortierten Probe des Einsatzstoffes:
Der Einsatzstoff weist einen deutlich höheren Anteil an Folien, also zweidimensionalen Partikeln, auf, im Vergleich zum Ausgangsstoff. Der Ausgangsstoff hingegen enthält mehr dreidimensionale Kunststoffpartikel, welche im Einsatzstoff lediglich einen Gewichtsanteil von weniger als 10 % haben.
Für die Untersuchungen zu den Verbrennungszeiten im Einzelpartikelreaktor wurden die Fraktionen des Ausgangsstoffes und des Einsatzstoffes, wie in Tabelle 2 und Tabelle 3 aufgeführt, zusammengefasst, dabei wurden aus Ausgangsprodukt und Einsatzstoff jeweils die 5 schwersten Partikel mit dem größten Massenanteil an den sortierten Proben ausgewählt. Für Partikel der Fraktionen A und G des Ausgangsstoffs und aus der Fraktion N des Einsatzstoffs wurden die Verbrennungszeiten nicht ermittelt, da der Massenanteil dieser Fraktionen bei weniger als 2 % lag. Die Inerte Fraktion D des Ausgangsstoffes wurde ebenfalls nicht untersucht.
An einem Einzelpartikelreaktor wurden Versuche zur Ermittlung der Verbrennungszeiten ausgewählter Sekundärbrennstoffpartikel aus Ausgangsstoff und Einsatzstoff durchgeführt.. Der verwendete Einzelpartikelreaktor bestand aus zwei Segmenten, welche aus feuerfestem Material gefertigt worden sind, und die eine Partikelkammer umschließen. Die obere Einsatztemperatur dieses Materials beträgt 1800 0C. In die zwei Segmente sind Kanäle für das Heißgas, für einen optischen Zugang, Thermoelemente und die Einbringung des Brennstoffpartikels eingelassen. Die zwei Segmente werden von einem Stahlrahmen umgeben, an dem ein Heißgaserzeuger, wassergekühlte Schauglasfassungen der optischen Zugänge und eine Schnellladevorrichtung zur Einbringung des Brennstoffs befestigt sind. Als Heißgaserzeuger diente eine Plasmadüse. In der Düse wurden die Edelgase Argon und Helium durch einen elektrischen Lichtbogen aufgeheizt. In der Partikelkammer können Temperaturen von bis zu 13000C erreicht werden. Hierdurch werden die Betriebsverhältnisse in einem Zementofen simuliert.
Um eine definierte Einbringung des Brennstoffs in den Heißgasstrom zu erreichen, ist für dessen Zuführung in die Partikelkammer eine Schnellladevorrichtung vorgesehen. Die Ausführung der Ladevorrichtung und des Kanalquerschnitts im Bereich der. Partikelkammer ermöglichen eine Zufuhr von Partikelgrößen bis zu einem Kantenmaß von 25 mm. Die Erfassung des Zeitpunkts des Eintritts in die Partikelkammer erfolgt durch ein in die
Vorrichtung integriertes Thermoelement. Die Temperatur wird zentral mit den weiteren Messstellen auf einem Rechner erfasst. Dieses Temperatursignal stellt den Startzeitpunkt für die Zeitmessung der Ausbrandcharakteristik dar.
An einem der optischen Zugänge ist eine digitale Videokamera installiert, mit Hilfe derer das Partikel während des Versuches aufgenommen werden kann. Durch die Analyse der aufgezeichneten Videos können Änderungen der Partikelform und -struktur sowie der zeitliche Verlauf des Umwandlungsprozesses ermittelt werden.
Im Anschluss an die Reaktionskammer befindet sich eine zweite Sauerstoffzufuhr. Der Sauerstoff wird mit Hilfe einer elektrischen Heizung vorgeheizt und vor einem Katalysator dem System zugeführt. Der Katalysator ist ein mit Platin bedampfter Wabenkörper aus Siliziumcarbid, welcher ebenfalls mit einem elektrischen Heizband von außen beheizt wird. Der Katalysator verbindet die Partikelkammer mit einer Gasmesszelle. Die Gasmesszelle wird auf eine Temperatur von mindestens 185 0C beheizt. Die Temperaturen im Bereich des Katalysators und der Gasmesszelle werden im Versuchsbetrieb durch Thermoelemente sowie einen Temperaturfühler des Heizsystems kontinuierlich gemessen. Die Länge der Gasmesszelle entspricht einer optischen Weglänge von einem Meter. Das Messprinzip des Lasermoduls beruht auf dem Prinzip der Einlinienspektroskopie. Im Infrarotbereich wird eine einzelne querempfindlichkeitsfreie Absorptionslinie des Sauerstoffs gewählt. Eine dem Laser gegenüberliegende Empfängereinheit misst die durch die Moleküle des Sauerstoffs verursachte Absorption. Aus der Absorption errechnet sich die Gaskonzentration. Das Sauerstoffprofil sowie die Temperaturmessstellen werden online erfasst und spiegeln den zeitlichen Verlaufs der Brennstoffumwandlung wieder. Ist der zeitliche Verlauf der Sauerstoffkonzentration bekannt, dann können daraus die charakteristischen Zeiten ermittelt werden, die mit Zündung und Ausbrand verbunden sind. Im Rahmen dieser Versuchsreihe wurden die Verbrennungszeiten ausschließlich mit Hilfe der digitalen Videokamera ermittelt. Die Analyse des Verbrennungsprozesses erfolgt durch die Auswertung der während der Verbrennung aufgenommen Videos.
Im Einzelpartikelreaktor wurden jeweils die fünf schwersten Partikel des Ausgangsstoffes und des Einsatzstoffes untersucht und deren Umsetzungszeiten ermittelt. Die Versuche ■ wurden bei einer Temperatur von 8000C in der Partikelkammer und einer
Sauerstoffkonzentration von 9 Vol.-% im Prozessgas durchgeführt. Als Plasmagas wurde ausschließlich Argon verwendet, die relative Gasgeschwindigkeit (Umströmung des
Partikels) betrug 1 ,4 m/s.
Die durch die Experimente ermittelten Verbrennungszeiten wurden auf die gesamte
Probenmenge übertragen, indem die für die einzelnen Partikel ermittelten Abbrandraten für die übrigen Partikel der gleichen Fraktion übernommen wurden. In Figur 1 sind die damit berechneten Summenkurven der umgesetzten Probenmassenanteile für den Ausgangsstoff und das Einsatzstoff dargestellt.
Figur 1 zeigt, dass nach einer Zeit von 10 Sekunden bereits mehr als 80 % der
Probenmasse des Einsatzstoffes umgesetzt worden ist, während nach 10 Sekunden im Ausgangsstoff erst etwa 10 % der Probenmasse umgesetzt worden ist. Der Figur 1 ist ferner zu entnehmen, dass die Umsetzung des Einsatzstoffes in weniger als 100 Sekunden vollständig abgeschlossen ist. Die Umsetzung aller brennbaren Partikel des Ausgangsstoffes benötigt eine Zeit von etwa 155 s.
Auf diese Weise wird durch den Einsatz einer Luftwirbelmühle ein Einsatzstoff erzeugt, welcher aus einem problematischen Ausgangsstoff, der nur in begrenztem Anteil als Zusatzbrennstoff in einem Zementofen eingesetzt werden kann, ein vollwertiger Brennstoff erzeugt. Dies geschieht durch Umwandlung von Partikeln in der Luftwirbelmühle, die dann für eine Verbrennung ein deutlich günstigeres Oberfläche-zu-Masse-Verhältnis aufweisen Das erfindungsgemäße Verfahren hat somit die Vorteile, dass
• der Ausbrand im Zementofen homogen erfolgt und eine Vergleichmäßigung der
Abbrandgeschwindigkeit erreicht wird, somit eine Stabilisierung des Brennprozesses und eine Erhöhung der Produktqualität erreicht wird,
• der Anteil an zuführbaren Kunststoffen und heizwertreichen Abfallgemischen gegenüber konventionellen Brennstoffen erhöhbar wird,
• eine höhere kalorische brennwerttechnische Ausbeute des Produktes durch
Vorverdampfung des Wassers während des Vermahlungsprozesses erreicht wird,
• eine umweltschonendere Nutzung von heißer Abluft zur Wasserverdampfung erreicht wird, und
• eine verringerte bzw. keine Vorzerkleinerung oder Vorbehandlung (z. B. Pelletierung) erforderlich ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung eines Kunststoff-haltigen Einsatzstoffes, der durch Mahlung von
Kunststoff-haltigen Abfällen unter Einsatz einer Luftwirbelmühle erhalten wird, in einer Feuerung.
2- Verwendung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die Befeuerung eines
Drehrohr-Zementofens während der Zementklinkerherstellung.
3. Verwendung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die Befeuerung eines
Kraftwerkes
4. Verwendung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erreichte Partikelgröße zur Steuerung des Brandvorgangs genutzt wird.
5. Verwendung eines Kunststoff-haltigen Einsatzstoffes nach einem der Ansprüche 2 bis 4, der durch Mahltrocknung von Kunststoff-haltigen Abfällen unter Einsatz einer Luftwirbelmühle und Heißluft erhalten wird, zur Befeuerung.
6. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung von Heißluft Abfallwärme eines Zementofens eingesetzt wird.
7. Verwendung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der durch die Mahltrocknung erreichte Feuchtegrad als auch die erreichte Partikelgröße zur Steuerung des Brandvorgangs genutzt werden.
8 Verwendung eines Ultra-Rotors als Luftwirbelmühle nach einem der Ansprüche 1 bis
7
9. Verwendung eines Ultra-Rotors als Mahltrocknung nach einem der Ansprüche 5 bis 7.
10. Förderung des Kunststoff-haltigen Einsatzstoffes entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 9 direkt aus der Wirbelmühle in die Feuerung.
11. Abscheidung des Kunststoff-haltigen Einsatzstoffes entsprechend einem der Ansprüche 2 bis 8 direkt nach der Wirbelmühle in einem Zyklonfilter und Förderung des Filtrates in die Feuerung.
12. Verfahren zur Erzeugung eines Kunststoff-haltigen Einsatzstoffes in einem Ultra- Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kunststoff-haltiges Ausgangsgemisch, erhalten aus Kunststoff-haltigen Abfällen, bei einer Umlaufgeschwindigkeit von 40 bis 80 m/s tangential und gleichsinnig zur Drehrichtung auf pneumatische Weise seitlich in den Mahlungsbereich eingespeist wird.
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