EP4536779A2 - Verfahren und anlage zum recyceln von kohlenstoffhaltigen verbundwerkstoffen mit kohlenstoffhaltigem matrixmaterial und faser-, faden- oder drahtarmierung - Google Patents

Verfahren und anlage zum recyceln von kohlenstoffhaltigen verbundwerkstoffen mit kohlenstoffhaltigem matrixmaterial und faser-, faden- oder drahtarmierung

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EP4536779A2
EP4536779A2 EP23733260.6A EP23733260A EP4536779A2 EP 4536779 A2 EP4536779 A2 EP 4536779A2 EP 23733260 A EP23733260 A EP 23733260A EP 4536779 A2 EP4536779 A2 EP 4536779A2
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EP
European Patent Office
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carbon
matrix material
approximately
gasification
reinforcement
Prior art date
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Pending
Application number
EP23733260.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Liebel
Claudia Meike Martens
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Joulmine Co & Kg IGr GmbH
Original Assignee
Joulmine Co & Kg IGr GmbH
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Publication date
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    • Y02W30/62—Plastics recycling; Rubber recycling

Definitions

  • the invention relates to a method for recycling carbon-containing composite materials with carbon-containing matrix material and fiber, thread or wire reinforcement, in particular glass fiber or carbon fiber reinforced plastics, GRP/CFRP, and a system for recycling carbon-containing composite materials with carbon-containing matrix material and fiber thread or wire reinforcement , in particular glass fiber or carbon fiber reinforced plastics, GRP/CFRP, in particular for carrying out the process.
  • the invention relates to a system and a method for materially recycling waste made from polymeric materials, in particular composites with polymeric components.
  • Car tires for example, are recycled to a large extent, but are essentially used thermally, particularly through co-incineration in cement production plants.
  • GRP and CFRP have a very high calorific value, which is on the order of hard coal.
  • the present invention is therefore based on the object of enabling recycling of carbon-containing composite materials with carbon-containing matrix material and fiber, thread or wire reinforcement.
  • this object is achieved by a process for recycling carbon-containing composite materials with carbon-containing matrix material and fiber, thread or wire reinforcement, in particular glass fiber or carbon fiber-reinforced plastics, GRP/CFRP, the process comprising the steps: at least largely separating the reinforcement from the carbon-containing matrix material,
  • the proportion of reinforcement made of fiber, thread or wire-reinforced carbon-containing composites is reduced and in the third part of the system the matrix material freed from the reinforcement is converted into a, preferably fluid, fuel
  • a third system part for processing the products of gasification and/or pyrolysis into at least one, preferably fluid, fuel
  • the first system part having at least one cutting or breaking coarse comminution device for coarse comminution of the composite material, at least one pressing and/or squeezing fine comminution device for fine comminution Crushing the coarsely comminuted composite material for releasing the comminuted reinforcement from the comminuted composite material and a separation device for separating the detached comminuted reinforcement from the comminuted matrix material.
  • the composite material is reduced to a length and/or width and/or thickness in the range of approximately 50 mm to approximately 150 mm.
  • the composite material is advantageously comminuted to a length and/or width and/or thickness in the range of approximately 1 mm to approximately 5 mm.
  • the fine comminution is advantageously carried out using at least one hammer mill and/or at least one grinder. This enables particularly efficient and/or cost-effective shredding.
  • frictional heat generated during fine comminution is dissipated.
  • the separation is carried out using at least one sieve and/or at least one air classifier.
  • the matrix material advantageously has approximately 5 to approximately 15% by weight of fibers from the reinforcement.
  • the particle size of the matrix material is reduced to a maximum of 1500 ⁇ m, preferably a maximum of 500 ⁇ m, after sieving, for example by grinding or beating.
  • the gasification is advantageously carried out at a process temperature in the range of preferably approximately 950°C to approximately 1,400°C for entrained flow gasifiers, and up to approximately 1,150°C for fixed-bed gasifiers.
  • the gasification is carried out at a process pressure in the range of preferably approximately 5 bar to approximately 20 bar.
  • the gasification comprises a fixed bed and/or a fluidized bed or an entrained flow gasification, preferably with a sump made of liquid glass.
  • the carbon monoxide produced by gasification preferably by means of Steam reforming and/or water gas shift, converted into a mixture of hydrogen and carbon dioxide.
  • the carbon dioxide separated from the mixture is liquefied or compressed in order to facilitate its transport.
  • methanol can be synthesized from the carbon monoxide and hydrogen produced by gasification using the exothermic reaction CO + 2 H 2 ⁇ -> CH3OH.
  • the invention also includes embodiments in which the hydrogen is synthesized into ammonia, preferably with atmospheric nitrogen.
  • the gasification process requires the addition of significant amounts of oxygen, on the order of 50% by weight of the material to be gasified.
  • oxygen can conveniently be obtained from the air, in particular using low-temperature rectification, pressure swing adsorption or membrane technology.
  • reactant oxygen can also be partially replaced by carbon dioxide and/or water or water vapor.
  • hydrogen and oxygen are produced by electrolysis and the oxygen produced is used as a reactant in gasification.
  • At least 50% of the oxygen required for gasification is provided by electrolysis or obtained from the air.
  • the carbon dioxide produced can be released into the atmosphere.
  • carbon released during the division of the carbon dioxide can be synthesized into a fluid fuel or precursors thereof, the main components of which are carbon and hydrogen.
  • the carbon dioxide separated from the mixture is used for this purpose, preferably by means of oscillating electromagnetic fields, preferably where the frequency of the electromagnetic fields is approx. 2000 to approx. 3000 MHz, or electrostatic fields, preferably where the voltage of the electrostatic fields is approx. 20,000 V to approx. 50,000 V is separated.
  • the coarse shredding device can be designed to shred composite materials to a length and/or width and/or thickness in the range of approximately 50 mm to approximately 150 mm.
  • the fine shredding device is designed to shred composite materials to a length and/or width and/or thickness in the range of approximately 1 mm to approximately 5 mm.
  • the fine comminution device expediently has at least one hammer mill and/or at least one grinder, preferably with surfaces that move against one another and which, at least in sections, form an annular gap that tapers in the material flow direction.
  • the fine comminution device expediently has at least one cooling device for dissipating frictional heat.
  • the separation device also expediently has at least one sieve and/or at least one air classifier.
  • the separation device is advantageously designed in such a way that after separation the matrix material has approximately 5 to approximately 15% by weight of fibers from the reinforcement.
  • the second system part AT 2 has a gasification device, in particular with its process temperature being approximately 950° C. to approximately 1400° C. in the case of entrained flow gasification or approximately 1150° C. in the case of fixed bed gasification and/or its process pressure being approximately 5 bar to approximately .15 bar.
  • the gasification device is advantageously designed as a fixed bed or entrained flow or fluidized bed gasification device, preferably with a sump made of liquid glass.
  • the third plant part AT 3 advantageously contains a steam reforming and/or water gas shift device for converting the carbon monoxide produced in the gasification device into a mixture of hydrogen and carbon dioxide or a methanol synthesis device for synthesizing methanol from hydrogen and that produced in the gasification device Carbon monoxide or carbon dioxide.
  • the third part of the system has a separation device for separating carbon dioxide from the mixture of hydrogen and carbon dioxide produced in the third part of the system.
  • the third part of the system has a compression or liquefaction device to increase the density of the separated carbon dioxide.
  • the third part of the system has an ammonia synthesis device for synthesizing ammonia from the hydrogen, preferably with atmospheric nitrogen.
  • the system expediently further comprises a further system part which has an electrolysis device for producing hydrogen and oxygen by means of electrolysis, which is connected to the gasification device for supplying the oxygen produced for gasification.
  • system or system unit also has a further system part which has an atmospheric oxygen extraction device for obtaining oxygen from the air, in particular by means of low-temperature rectification, pressure swing adsorption or membrane technology.
  • the third system part AT 3 has a separation device for separating the carbon dioxide separated from the mixture, preferably by means of oscillating electromagnetic fields, preferably where the frequency of the electromagnetic fields is approximately 2000 to approximately 3000 MHz, or electrostatic fields, preferably where the voltage of the electrostatic fields is approximately 20,000 V to approximately 50,000 V.
  • the third system part has a fuel or precursor synthesis device for the synthesis of fluid fuel or Precursors to this, the main components of which are carbon and hydrogen, from the carbon released during the separation of carbon dioxide.
  • system or system unit is designed such that at least 50% of the oxygen required by the gasification device is provided by the electrolysis device or the atmospheric oxygen production device.
  • system parts are not installed in close proximity, but rather separately from one another, even in different locations.
  • the present invention is based on the surprising finding that the special type of separation makes stable and process-reliable gasification possible for the first time.
  • Figure 1 is a vertical sectional view of a grinder of a system according to a particular embodiment of the present invention
  • Figure 2 shows schematically components of a first system part of a system according to a special embodiment of the present invention
  • Figure 3 schematically shows a system with a gasification device according to a further special embodiment of the present invention
  • Figure 4 schematically shows a system with a pyrolysis device according to a further special embodiment of the present invention.
  • Figure 5 shows schematically a system with a gasification device according to a further special embodiment of the present invention.
  • carbon-containing composite materials in this example fiber composite materials, are largely separated from components into fibers or threads and powder and granular matrix material.
  • the components to be recycled are first manually disassembled to such an extent that they are smaller than the acceptance opening of a coarse shredding device, which is part of the first part of the system.
  • the acceptance opening has a width of approximately 2m to approximately 2.5m and a height of approximately 1 to approximately 2m.
  • the components are then cut or broken to a size that the subsequent fine shredding device can accommodate.
  • This size is advantageously between approx. 50mm and approx. 150mm. At less than approx. 50mm, the power consumption of the shredding device and at more than approx. 150mm that of the downstream fine shredding device can become too high.
  • the coarse comminution device can have several coarse comminution devices or machines of different designs.
  • B. crushers and/or shredding machines and/or hammer mills and/or cross-flow shredders can be combined.
  • the comminuted, still fiber-reinforced components are at least largely separated into reinforcement and matrix material.
  • the material is not cut or broken, but rather pressed or squeezed, which loosens and dissolves the bond between the reinforcement and the matrix material.
  • the fine comminution device can also have several fine comminution devices or machines of identical different designs, in particular hammer mills and grinders.
  • the size of the matrix material present after the comminution process can be e.g. B. can be adjusted by the distance between the hammers and the sieve basket and the hole size of the sieve basket.
  • Grinders that preferably have a tapering gap at least in sections, whereby the elements of the grinder forming the gap can move against each other in order to increasingly grind the still fiber-reinforced components in this tapered gap, are particularly suitable.
  • the gap is made from z. B. formed two truncated cones. This construction preferably has smooth gap walls at least in the last area, so that rubbing only takes place between the fiber-reinforced composite material elements in order to achieve the separation of the fibers, threads or wires from the carbon-containing matrix material, with the fiber, thread or wire length being largely retained remains.
  • the basic shape of such a grinder is shown in EP000002288452B1 as an example, but not limiting the teaching of the invention.
  • both the inner and outer truncated cones can be the stator, and the other can be the rotor.
  • the axes of the truncated cones can be identical, but can also be shifted parallel to one another and/or have an angle to one another.
  • the surfaces of the truncated cones on which the grinding takes place are made of particularly tough and abrasion-resistant material, preferably with at least HBW500.
  • the surfaces of the truncated cones on which the grinding takes place are designed to be interchangeable.
  • the surfaces of the truncated cones on which the grinding takes place can be smooth and at least partially structured.
  • the axes of the truncated cones preferably have an angle between 30° and 90°, with the angle between the inside of the outer truncated cone at its lowest position relative to the horizontal preferably being greater than 0° in order to support the flow of material.
  • An advantageous embodiment of the grinders has devices for dissipating the heat generated during grinding.
  • these include cooling fins, which are preferably designed on the movable part of the grinder in such a way that as much forced convection as possible is achieved.
  • forced convection can also or additionally be achieved with a fan.
  • Heat can e.g. B. can also be removed using cooling water.
  • raw coils attached to the wall or cooling water channels running in the wall can be used.
  • it can be advantageous to spray cooling water in or on. If the grinder is not installed in a frost-protected area, the cooling water should advantageously be provided with an antifreeze additive.
  • the product of the grinder is a mixture of glass fibers and powder or granular matrix material.
  • FIG. 1 shows a grinder 100 of a first system part AT 1 (see, for example, FIG. 2) of a system for recycling carbon-containing composite materials with carbon-containing matrix material and fiber, thread or wire reinforcement according to a special embodiment of the present invention.
  • the grinder 100 comprises a frame 106, a stator 101 which is conical in the lower region and is mounted in the frame 106, and a rotor 102 which is also conical in the lower region, the truncated cones of the The stator and the rotor form an annular gap S that tapers downwards.
  • the rotor 102 is powered by a motor, e.g. B. a geared motor 103 via a shaft, e.g. B. a hollow shaft 104, driven in the geared motor 103 and a bearing, for. B. a thrust bearing 105 is stored.
  • the lumen of the hollow shaft 104 is blocked at a point 104.1 and in this example has two openings 104.2 and 104.3.
  • the rotor can thus be cooled by z. B. Water is let in as cooling water.
  • the rotor 102 has several inspection openings 102.1 and can have devices such as. B. have baffles or spray nozzles with which the cooling water is distributed and thus heat transfer is improved.
  • the pre-shredded composite materials are fed to the grinder 100 via a feed opening 101.1.
  • the composite materials are ground in the tapering conical annular gap S between the stator 101 and the rotor 102 and leave the grinder 100 via a discharge opening 101.2.
  • Further embodiments of the fine comminution device according to the invention include, for. B. Ball or hammer mills.
  • the glass fibers can be separated from the matrix material in a separation device connected to the grinder. Complete separation is not necessary; a reduction in the glass fiber content from the original z. B. 50-60% on e.g. B. 5-15% is generally sufficient for the trouble-free further use of the material in the second part of a system according to a special embodiment of the present invention.
  • a preferred separation process is sieving.
  • the prerequisite for sieving is that the majority of the fibers are longer than the diameter of the powdery or granular matrix material.
  • Preferably, at least 90% by weight of the fibers have a length that is greater than the diameter of 90% by weight of the matrix material.
  • the density of glass is more than twice as high as that of the polymeric matrix material, e.g. B. a high degree of separation with high throughput can also be achieved with wind classifiers.
  • a separation device can e.g. B. also consist of a combination of different screening systems and air classifiers.
  • first part AT 1 of a system 200 comprises a coarse shredding device i, a fine shredding device 2 and a separation device 3.
  • Components made of composite materials 11, the dimensions of which z. B. can be several meters, are broken or shredded in the coarse shredding device 1.
  • the components can preferably be shredded to a size of approx. 50mm to approx. 800mm.
  • the coarse comminution device 1 comprises only one coarse comminution device or machine.
  • the fine comminution device 2 includes a hammer mill 2-1 and a grinder 2-2.
  • the hammer mill 2-1 the bond between, in this example, the glass fibers 16 and the matrix material 15 is loosened. The two fractions are then separated in the grinder 2-2.
  • the separation device 3 comprises an air classifier 3-1, in which part of the matrix material 15 is separated, and a sieve or a sieve device 3-2, in which the remaining material is largely completely separated into matrix material 15 and glass fibers 16.
  • connections between the fine comminution device 2 and the separation device 3 are preferably designed to be closed in order to prevent the spread of dust. This also applies to the connection of the screening device 3-2 with any storage devices for, in this example, the glass fibers and the powdery matrix material.
  • fluid fuels are produced from the products of the first part of the system.
  • a second part of the system (not shown in FIG. 2), which is connected downstream of the first part of the system and upstream of the third part of the system, has a pyrolysis device for the production of predominantly liquid hydrocarbons or a gasification device for producing a synthesis gas with the main components hydrogen and carbon monoxide.
  • the gasification device can z. B. be designed for continuous and/or batch operation.
  • quasi-continuous operation can be achieved in that the system has several gas generation units with which staggered operation and material changes are possible.
  • Continuous devices for syngas production are advantageous because they facilitate the process control of the downstream devices.
  • Embodiments such as those described by way of example in EP2639289A1 have proven successful.
  • the gasification pressure is preferably approximately 5 bar to approximately 20 bar. At ambient pressure, hydrogen production would be slightly higher, but larger volumes of gas would have to be processed and compressed in the subsequent process steps, which would reduce the overall efficiency.
  • both fluidized bed and fixed bed gasification can be used.
  • Fixed bed gasification enables a more stable process, especially when the quality and size of the input materials fluctuate.
  • fixed bed gasification enables the inclusion of the vast majority of by-products in a vitrified and therefore extremely inert slag.
  • a fixed bed gasification with a liquid glass sump as a fixed bed is particularly advantageous. Then remaining glass fiber components in the products of the first part of the system are actually advantageous because they replace the glass additive that would otherwise be required to maintain the glass sump.
  • Plasma gasification can also be provided. This has the advantage that due to the high process temperatures of over 3000°C, the synthesis gas hardly contains any higher molecular weight components. The disadvantage is the lower hydrogen concentration in the synthesis gas and the very high electricity requirement.
  • a combination of a gasification device with process temperatures of up to 1500 ° C with a downstream plasma gasification also has advantages Temperatures above 2000°C. This increases hydrogen production and reduces electricity requirements compared to pure plasma gasification.
  • the hydrocarbon-containing mixture of the pyrolysis device is synthesized into the desired end products.
  • Methanol (CO + H 2 -> CH 3 OH) or further hydrogen and carbon dioxide (CO + H 2 0 -> C0 2 + H 2 ) are preferably produced from the carbon monoxide contained in the synthesis gas .
  • a produced gas mixture can be separated and the produced fluid fuel can be dispensed.
  • the separation of a hydrogen-carbon dioxide mixture can in principle be carried out using all available technologies, such as: B. membrane, absorption and adsorption devices. If the gas mixture is at elevated pressures, membrane separation devices are particularly suitable because the main effort is to compress the gas mixture to approx. 10 bar, and this can at least be greatly reduced.
  • the hydrogen can be released e.g. B. done using a compressor station that feeds the hydrogen produced into a line.
  • This part of the system can also contain components for storing the fuel and, if necessary, for liquefying it.
  • the third part of the system can also have an ammonia synthesis device in which hydrogen produced is converted into ammonia with atmospheric nitrogen (e.g. using a Haber-Bosch process) in order to convert it into a fuel that is easier to transport and store.
  • an ammonia synthesis device in which hydrogen produced is converted into ammonia with atmospheric nitrogen (e.g. using a Haber-Bosch process) in order to convert it into a fuel that is easier to transport and store.
  • the system can also have a system part in which waste heat from other parts of the system can be collected and made available as process heat.
  • electricity can also be generated, for example, using a generator coupled to a steam turbine.
  • the state of the art in gasification plants is the release of the carbon dioxide produced into the atmosphere.
  • the carbon dioxide is processed for further uses. This can include components by means of which carbon dioxide produced can be compressed or liquefied and thus made available to replace fossil-produced carbon dioxide.
  • the system has one or more components in order to produce oxygen to supply the gasification system.
  • An electrolyzer is advantageously used, as the resulting hydrogen then further increases the overall hydrogen production of the system:
  • At least one atmospheric oxygen extraction device for obtaining oxygen from the atmosphere such as. B. low-temperature rectification, pressure swing adsorption or membrane technology.
  • the production of oxygen to supply the gasification device from the carbon dioxide produced is particularly advantageous.
  • a preferred embodiment of the system includes devices for separating the carbon dioxide into carbon and oxygen and synthesizing the carbon into hydrocarbons, which can be further processed, for example, in a refinery to produce commercially available fuels and raw materials for the chemical industry.
  • the separation devices for separating the carbon dioxide preferably have elements for generating oscillating electromagnetic or electrostatic fields, which support the separation of the C-O double formations.
  • the preferred frequency of the electromagnetic fields is approximately 200 to approximately 3000 MHz.
  • the preferred voltage for electrostatic fields is preferably approximately 20,000 to approximately 50,000 V.
  • the carbon dioxide production in a prior art gasification device is approximately twice the mass of the carbonaceous materials to be gasified.
  • the oxygen content in carbon dioxide is 16 forty-fourths its mass, ie 32 forty-fourths of the mass of the carbon-containing materials to be gasified and thus significantly more than the oxygen requirement of the gasification device, whereby the objective of covering the entire oxygen requirement of the gasification is met.
  • FIG. 3 shows schematically a system 300 with a gasification device 4 according to a further special embodiment of the present invention.
  • a gasification device 4 e.g. B. pumps/compressors, throttle devices, heat exchangers,
  • a coarse shredding device 1 such as. B. described above with reference to Figures 1 and / or 2, comminuted, previously manually dismantled composite materials 11 via a fine comminution device 2, such as. B. described above with reference to Figures 1 and/or 2, and a separation device 3, such as. B. described above with reference to Figures 1 and/or 2, supplied to a gasification device (carburettor) 4 in a second system part AT 2 .
  • Glass fibers 16 are separated in the separation device 3.
  • a synthesis gas produced in the gasification device 4 with a supplied reactant 17 is fed to a steam reforming device (steam reformer) 5, and slag 13 is drawn off.
  • the reactant 17 can in particular contain oxygen, carbon dioxide and/or water (steam).
  • the CO portion of the synthesis gas produced in the gasification device 4 is synthesized into H 2 and CO 2 using steam produced in a steam generator 6.
  • the synthesis gas can be cleaned and, if necessary, cooled.
  • the H 2 / CO 2 mixture is separated in a separation device 8, ie hydrogen 12 is obtained.
  • a separation device 9 in a third plant part AT 3 the remaining CO 2 is separated into oxygen and carbon and hydrocarbons are synthesized.
  • the hydrocarbons can be used as fuel or as a precursor, and oxygen is metered into the carburetor 4 in this example.
  • a system 400 with a pyrolysis device 40 according to a further special embodiment of the present invention is shown schematically in FIG.
  • the representation of e.g. B. pumps/compressors, throttle devices, heat exchangers, conveying devices, buffer storage as well as cooling and cleaning devices etc. are omitted.
  • a coarse shredding device 1 such as. B. described above with reference to Figures 1 and/or 2 and/or 3, shredded, previously manually disassembled composite materials 11 are transferred via a Fine comminution device 2, such as. B. described above with reference to Figures 1 and/or 2 and/or 3, and a separation device 3, such as. B. described above with reference to Figures 1 and/or 2 and/or 3, supplied to the pyrolysis device (pyrolysis reactor) 40 in a second system part AT 2 . Glass fibers 16 are separated in a separation device 3.
  • Liquid hydrocarbons 14a and gaseous hydrocarbons 14b are produced in the pyrolysis device 40.
  • FIG. 500 A further special embodiment of a system 500 according to the invention is shown in FIG.
  • a first system part AT 1 previously manually dismantled composite materials 11 are fed to a coarse shredding device 1, in which the matrix material is released from the glass fiber fabric by beating, with the glass fiber fabric largely remaining intact.
  • the dissolved matrix material is then comminuted in a fine comminution device 2 to a grain size of at most, for example, 1.5 mm, preferably, for example, 0.5 mm.
  • this powdery ground matrix material is fed to an entrained flow gasifier in which synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide is produced.
  • a synthesis gas produced in a gasification device 4 with a supplied reactant 17 is fed to a steam reforming device (steam reformer) 5, and slag 13 is drawn off.
  • the reactant 17 can in particular contain oxygen, carbon dioxide and/or water (steam).
  • the steam reformer 5 the CO portion of the synthesis gas produced in the gasification device 4 is synthesized into H 2 and CO 2 using steam produced in a steam generator 6.
  • the synthesis gas can be cleaned and, if necessary, cooled.
  • the H 2 /CO 2 mixture is separated in a separation device 8, ie hydrogen 12 is obtained.
  • a separation device 9 in a third plant part AT 3 the remaining CO 2 is separated into oxygen and carbon and hydrocarbons are synthesized.
  • the hydrocarbons can be used as fuel or as a precursor, and oxygen is metered into the carburetor 4 in this example.
  • system parts described above can be installed in close proximity, but also separately from one another, even in different locations.

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Abstract

Verfahren zum Recyceln von kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen mit kohlenstoffhaltigem Matrixmaterial und Faser-, Faden- oder Drahtarmierung, insbesondere Glasfaser - oder Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffen, GFK/CFK, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: wenigstens weitgehendes Trennen der Armierung vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial, Vergasen und/oder Pyrolysieren des kohlenstoffhaltigen Matrixmaterials zur Produktion von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid enthaltenden Synthesegases oder eines Kohlenwasserstoffe enthaltenden Fluidgemisches und Aufbereiten der Produkte der Vergasung und/oder der Pyrolyse zu wenigstens einem, vorzugsweise fluiden, Brennstoff, wobei das Trennen der Armierung vom kohlenstoffhaltigen grobes Zerkleinern des Verbundwerkstoffes durch Schneiden und/oder Brechen, feines Zerkleinern des grob zerkleinerten Verbundwerkstoffes durch Drücken und/oder Quetschen zum Lösen der zerkleinerten Armierung aus dem zerkleinerten Verbundwerkstoff sowie Separieren der herausgelösten zerkleinerten Armierung von dem zerkleinerten Matrixmaterial umfasst.

Description

Verfahren und Anlage zum Recyceln von kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen mit kohlenstoffhaltigem Matrixmaterial und Faser-, Faden- oder Drahtarmierung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Recyceln von kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen mit kohlenstoffhaltigem Matrixmaterial und Faser-, Faden- oder Drahtarmierung, insbesondere glasfaser- oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, GFK/CFK, und eine Anlage zum Recyceln von kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen mit kohlenstoffhaltigem Matrixmaterial und Faser Faden- oder Drahtarmierung, insbesondere glasfaser- oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, GFK/CFK, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Anlage und ein Verfahren, um Abfälle aus polymeren Materialien, insbesondere Verbundstoffen mit polymeren Anteilen, werkstofflich zu recyceln.
Verbundstoffe mit z. B. einer Faser-, Faden- oder Drahtarmierung und einem diese umschließenden polymeren Matrixmaterial sind heute großtechnisch nur schwer oder gar nicht wertstofflich verwertbar.
Autoreifen zum Beispiel werden zwar zu einem hohen Anteil recycelt, aber im Wesentlichen thermisch verwertet, insbesondere mittels Mitverbrennung in Anlagen zur Zementherstellung.
Ein noch größeres Problem stellen duroplastische Verbundstoffe wie Glasfaser- oder Kohlenfaser-verstärkte Kunststoffe (GFK/CFK) dar, da die Trennung von Armierungsfasern und Matrixmaterial bisher nicht großtechnisch realisiert werden konnte.
Auch die Verbrennung von GFK und CFK ist höchst problematisch. Der Glasanteil von GFK schmilzt und tropft nach unten, wodurch sich Glasschichten bilden, die zu Anlagenstörungen führen. Bei der Verbrennung von CFK dagegen gelangen unverbrannte Kohlenfasern in die Abluftreinigung und können dort in der elektrostatischen Reinigungsstufe zu Kurzschlüssen führen. Und schließlich ist das Einbringen in Deponien nur sehr begrenzt möglich. In der EU z.B. darf nur inertes Material in größeren Mengen deponiert werden. GFK und CFK haben jedoch einen sehr hohen Brennwert, der in der Größenordnung von Steinkohle liegt.
Diese Situation stellt sowohl ein ökologisches als auch ein betriebs- und volkswirtschaftliches Problem dar und betrifft eine Vielzahl von in großen Stückzahlen hergestellten Produkten, wie z. B. Flügel und Gondelgehäuse von Windkraftanlagen, Boote und Schiffe, Dusch- und Badewannen, Rohre, Schächte und Tanks, Bauteile von Automobilen und Luftfahrzeugen sowie der Elektrotechnik.
Des Weiteren wird im Rahmen des politisch getriebenen Umbaus der Brennstoffwirtschaft in Europa, in der EU-Direktive 2018/2001 definiert und durch nationale Regelungen umgesetzt, der Bedarf an aus nicht fossilen Quellen, insbesondere aus Abfällen hergestellten fluiden Brennstoffen in den nächsten Jahren sehr stark wachsen. Verfügbare Technologien, mit denen fluide Brennstoffe aus Kunststoffen hergestellt werden können, setzen jedoch einen geringen Anteil an Inertstoffen voraus. Da der Faseranteil zumindest bei hochwertigen GFK-Bauteilen in der Regel mehr als 50% beträgt, ist GFK auch für diesen Recyclingpfad derzeit nicht verfügbar.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Recyceln von kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen mit kohlenstoffhaltigem Matrixmaterial und Faser-, Faden- oder Drahtarmierung zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Recyceln von kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen mit kohlenstoffhaltigem Matrixmaterial und Faser-, Faden- oder Drahtarmierung, insbesondere Glasfaser- oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, GFK/CFK, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: wenigstens weitgehendes Trennen der Armierung vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial,
- Vergasen und/oder Pyrolysieren des kohlenstoffhaltigem Matrixmaterials zur Produktion eines Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid enthaltenden Gemisches und
Aufbereiten der Produkte der Vergasung und/oder der Pyrolyse zu wenigstens einem, vorzugsweise fluiden, Brennstoff, wobei das Trennen der Armierung vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial, grobes Zerkleinern des Verbundwerkstoffes durch Schneiden und/oder Brechen, feines Zerkleinern des grob zerkleinerten Verbundwerkstoffes durch Drücken und/oder Quetschen zum Lösen der zerkleinerten Armierung aus dem zerkleinerten Verbundwerkstoff sowie Separieren der herausgelösten zerkleinerten Armierung von dem zerkleinerten Matrixmaterial umfasst.
In dem ersten Anlagenteil wird der Anteil der Armierung von faser,- faden- oder drahtarmierten kohlenstoffhaltigen Verbundstoffen reduziert und in dem dritten Anlagenteil das von der Armierung entfrachtete Matrixmaterial in einen, vorzugsweise fluiden, Brennstoff umgewandelt
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine Anlage oder Anlageneinheit zum Recyceln von kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen mit kohlenstoffhaltigem Matrixmaterial und Faser Faden- oder Drahtarmierung, insbesondere glasfaser- oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, GFK/CFK, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Anlage bzw. Anlageeinheit umfasst: einen ersten Anlagenteil zum wenigstens weitgehenden Trennen der Armierung vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial,
- einen zweiten Anlagenteil zum Vergasen und/oder Pyrolysieren des kohlenstoffhaltigem Matrixmaterials zur Produktion eines Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid enthaltenden Synthesegases oder eines Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluidgemisches und
- einen dritten Anlagenteil zum Aufbereiten der Produkte der Vergasung und/ oder der Pyrolyse zu wenigstens einem, vorzugsweise fluiden, Brennstoff, wobei der erste Anlagenteil wenigstens eine schneidende oder brechende Grobzerkleinerungsvorrichtung zum groben Zerkleinern des Verbundwerkstoffes, wenigstens eine drückende und/oder quetschende Feinzerkleinerungsvorrichtung zum feinen Zerkleinern des grob zerkleinerten Verbundwerkstoffes zum Lösen der zerkleinerten Armierung aus dem zerkleinerten Verbundwerkstoff sowie eine Separationsvorrichtung zum Separieren der herausgelösten zerkleinerten Armierung von dem zerkleinerten Matrixmaterial enthält.
Ferner wird die Aufgabe durch eine Anlage oder Anlageneinheit gemäß Anspruch 40 und ein Verfahren gemäß Anspruch 41 gelöst. Besondere Ausführungsformen derselben ergeben sich aus beliebigen Kombinationen des Anspruches 40 mit einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 39 und aus beliebigen Kombinationen des Anspruches 41 mit einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 19.
Bei dem Verfahren kann vorgesehen sein, dass beim groben Zerkleinern der Verbundwerkstoff auf eine Länge und/oder Breite und/oder Dicke im Bereich von ca.50 mm bis ca. 150 mm verkleinert wird.
Vorteilhafterweise wird beim feinen Zerkleinern der Verbundwerkstoff auf eine Länge und/oder Breite und/oder Dicke im Bereich von ca. 1 mm bis ca. 5 mm zerkleinert.
Günstigerweise wird das feine Zerkleinern mittels mindestens einer Hammermühle und/oder mindestens eines Mahlwerks durchgeführt. Dies ermöglicht ein besonders effizientes und/oder kostengünstiges Zerkleinern.
Vorteilhafterweise wird beim feinen Zerkleinern entstehende Reibungswärme abgeführt.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform wird das Separieren mittels mindestens eines Siebes und/oder mindestens eines Windsichters durchgeführt.
Vorteilhafterweise weist nach dem Separieren das Matrixmaterial ca. 5 bis ca. 15 Gew.- % Fasern aus der Armierung auf.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die Partikelgröße des Matrixmaterial nach einem Sieben noch z.B. mahlend oder schlagend auf max. 1500 μm, bevorzugt max. 500 pm, reduziert.
Günstigerweise wird das Vergasen bei einer Prozesstemperatur im Bereich von vorzugsweise ca. 950°C bis ca. 1.400°C bei Flugstromvergasern, bei Festbettvergaser bis ca. bis 1.150°C, durchgeführt.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das Vergasen bei einem Prozessdruck im Bereich von vorzugsweise ca. 5 bar bis ca. 20 bar durchgeführt wird.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform umfasst das Vergasen eine Festbett- und/oder eine Wirbelschicht- oder eine Flugstromvergasung, vorzugsweise mit einem Sumpf aus flüssigem Glas.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das mittels des Vergasens produzierte Kohlenstoffmonoxid, vorzugsweise mittels Dampfreformierung und/oder Wassergas-Shift, in ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgewandelt.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass Wasserstoff aus dem Gemisch abgetrennt wird und damit als Brennstoff zur Verfügung steht.
Auch kann dabei vorgesehen sein, dass das aus dem Gemisch abgetrennte Kohlenstoffdioxid verflüssigt oder komprimiert wird, um dessen Transport zu erleichtern.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung kann aus dem mittels des Vergasens produzierten Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff mit der exothermen Reaktion CO + 2 H2 <-> CH3OH Methanol synthetisiert werden.
Zudem umfasst die Erfindung auch Ausführungsformen, bei denen der Wasserstoff, bevorzugt mit Luftstickstoff, zu Ammoniak synthetisiert wird.
Der Vergasungsprozess erfordert die Zuführung von erheblichen Mengen Sauerstoff, in der Größenordnung von 50 Gewichts-% des zu vergasenden Materials.
Als Alternative zum Einkauf kann Sauerstoff zweckmäßigerweise aus der Luft, insbesondere mittels Tieftemperaturrektifikation, Druckwechsel-Adsorption oder Membrantechnik, gewonnen werden.
Weiterhin kann der Reaktant Sauerstoff auch teilweise durch Kohlenstoffdioxid und oder Wasser bzw. Wasserdampf ersetzt werden.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform werden Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse hergestellt und wird der hergestellte Sauerstoff als Reaktant beim Vergasen verwendet.
Günstigerweise werden mindestens 50% des zum Vergasen benötigten Sauerstoffs durch die Elektrolyse bereitgestellt oder aus der Luft gewonnen.
Dem Stand der Technik entsprechend kann das produzierte Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre entlassen werden.
Ökologisch günstiger ist dagegen das Erfassen und Speichern des Kohlenstoffdioxids, oder der Ersatz von Kohlenstoffdioxid, das aus Erdgas hergestellt wurde. Dazu können auch Vorrichtungen, mit denen unerwünschte Spurenstoffe aus dem Kohlenstoffdioxid entfernt werden können, sowie Vorrichtungen, um das Kohlenstoffdioxid verdichten oder verflüssigen zu können, vorgesehen sein.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform kann bei der Aufteilung des Kohlenstoffdioxids frei werdender Kohlenstoff zu einem fluiden Brennstoff oder Vorstufen dazu, deren Hauptbestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff sind, synthetisiert werden.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform wird dazu das aus dem Gemisch abgetrennte Kohlenstoffdioxid, bevorzugt mittels oszillierender elektromagnetischer Felder, vorzugweise wobei die Frequenz der elektromagnetischen Felder ca. 2000 bis ca. 3000 MHz beträgt, oder elektrostatischer Felder, vorzugsweise wobei die Spannung der elektrostatischen Felder ca. 20.000 V bis ca. 50.000 V beträgt, aufgetrennt.
Im ersten Anlagenteil AT1 kann die Grobzerkleinerungsvorrichtung gestaltet sein, um Verbundwerkstoffe auf eine Länge und/oder Breite und/oder Dicke im Bereich von ca. 50 mm bis ca. 150 mm zu zerkleinern.
Vorteilhafterweise ist die Feinzerkleinerungsvorrichtung gestaltet, um Verbundwerkstoffe auf eine Länge und/oder Breite und/oder Dicke im Bereich von ca. 1 mm bis ca. 5 mm zu zerkleinern.
Zweckmäßigerweise weist die Feinzerkleinerungsvorrichtung mindestens eine Hammermühle und/oder mindestens ein Mahlwerk, vorzugsweise mit sich gegeneinander bewegenden Flächen, die zumindest abschnittsweise einen sich in Materialflussrichtung veijüngenden Ringspalt bilden, auf.
Zweckmäßigerweise weist die Feinzerkleinerungsvorrichtung mindestens eine Kühleinrichtung zur Abführung von Reibungswärme auf.
Ebenfalls zweckmäßigerweise weist die Separationsvorrichtung mindestens ein Sieb und/oder mindestens einen Windsichter auf.
Vorteilhafterweise ist die Separationsvorrichtung so gestaltet, dass nach dem Separieren das Matrixmaterial ca. 5 bis ca. 15 Gew.-% Fasern aus der Armierung aufweist.
Vorteilhafterweise weist der zweite Anlagenteil AT2 eine Vergasungsvorrichtung auf, insbesondere wobei deren Prozesstemperatur ca. 950°C bis ca. 1400°C im Falle einer Flugstromvergasung oder ca 1150°C im Falle einer Festbettvergasung und/oder deren Prozessdruck ca. 5 bar bis ca. 15 bar beträgt. Vorteilhafterweise ist die Vergasungsvorrichtung als Festbett- oder Flugstrom- bzw. Wirbelschichtvergasungsvorrichtung, vorzugsweise mit einem Sumpf aus flüssigem Glas, ausgeführt.
Günstigerweise enthält der dritte Anlagenteil AT3 eine Dampfreformierungs- und/oder Wassergas-Shift-Vorrichtung zum Umwandeln des in der Vergasungsvorrichtung produzierten Kohlenstoffmonoxids in ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid oder eine Methanol-Synthesevorrichtung zum Synthetisieren von Methanol aus Wasserstoff und dem in der Vergasungsvorrichtung produzierten Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxid.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der dritte Anlagenteil eine Abtrennvorrichtung zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus dem im dritten Anlagenteil produzierten Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid aufweist.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass der dritte Anlagenteil eine Verdichtungs- oder Verflüssigungsvorrichtung zur Erhöhung der Dichte des abgetrennten Kohlenstoffdioxids aufweist.
Vorteilhafterweise weist der dritte Anlagenteil eine Ammoniak-Synthesevorrichtung zur Synthese von Ammoniak aus dem Wasserstoff, bevorzugt mit Luftstickstoff, auf.
Zweckmäßigerweise umfasst die Anlage ferner einen weiteren Anlagenteil, der eine Elektrolysevorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse aufweist, die zur Zuführung des hergestellten Sauerstoffs zur Vergasung mit der Vergasungsvorrichtung in Verbindung steht.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Anlage oder Anlageneinheit ferner einen weiteren Anlagenteil, der eine Luftsauerstoffgewinnungsvorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft, insbesondere mittels Tieftemperaturrektifikation, Druckwechsel-Adsorption oder Membrantechnik, aufweist.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform weist der dritte Anlagenteil AT3 eine Auftrennvorrichtung zur Auftrennung des aus dem Gemisch abgetrennten Kohlenstoffdioxids, bevorzugt mittels oszillierender elektromagnetischer Felder, vorzugweise wobei die Frequenz der elektromagnetischen Felder ca. 2000 bis ca. 3000 MHz beträgt, oder elektrostatischer Felder, vorzugsweise wobei die Spannung der elektrostatischen Felder ca. 20.000 V bis ca. 50.000 V beträgt, auf.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der dritte Anlagenteil eine Brennstoff- oder Vorstufen-Synthesevorrichtung zur Synthese von fluidem Brennstoff oder Vorstufen dazu, deren Hauptbestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff sind, aus dem bei der Auftrennung des Kohlenstoffdioxids freiwerdenden Kohlenstoff aufweist.
Vorteilhafterweise ist die Anlage bzw. Anlageneinheit so gestaltet, dass wenigstens 50% des von der Vergasungsvorrichtung benötigten Sauerstoffs von der Elektrolysevorrichtung oder der Luftsauerstoffgewinnungsvorrichtung bereitgestellt werden.
Vorteilhafterweise ist die Funktion von wenigstens einem der Anlagenteile in einem anderen der Anlagenteile integriert.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass die Anlagenteile nicht in räumlicher Nähe, sondern getrennt voneinander, auch an verschiedenen Orten, installiert sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt als Ergebnis einer umfangreichen Verfahrensentwicklung die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die spezielle Art der Trennung insbesondere erstmalig eine stabile und prozesssichere Vergasung möglich wird.
Zumindest in einer besonderen Ausführungsform wird ein besonders effizientes und/oder kostengünstiges Zerkleinern ermöglicht.
Zudem wird zumindest in einer besonderen Ausführungsform eine robuste und prozesssichere Kombination von Maschinen zur Trennung der Armierung vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial bereitgestellt.
Ferner wird zumindest in einer besonderen Ausführungsform das produzierte Kohlenstoffdioxid in Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff aufgetrennt, wobei der Sauerstoff den gesamten Bedarf der Vergasung deckt und die Kohlenwasserstoffe als Brennstoffe oder zur Produktion von Brennstoffen verwendet werden können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von besonderen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen. Dabei zeigt:
Figur 1 eine Vertikalschnittansicht von einem Mahlwerk einer Anlage gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 schematisch Komponenten eines ersten Anlagenteils einer Anlage gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Figur 3 schematisch eine Anlage mit einer Vergasungsvorrichtung gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Figur 4 schematisch eine Anlage mit einer Pyrolysevorrichtung gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Figur 5 schematisch eine Anlage mit einer Vergasungsvorrichtung gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei einer Anlage bzw. Anlageneinheit gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in einem ersten Anlagenteil kohlenstoffhaltige Verbundwerkstoffe, in diesem Beispiel Faserverbundwerkstoffe, von Bauteilen weitgehend in Fasern oder Fäden und pulver- und granulatförmiges Matrixmaterial aufgetrennt.
Dazu werden die zu recycelnden Bauteile zunächst manuell so weit zerlegt, dass diese kleiner als die Annahmeöffnung einer Grobzerkleinerungsvorrichtung, die zum ersten Anlagenteil gehört, sind. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Annahmeöffnung eine Breite von ca. 2m bis ca. 2,5m und eine Höhe von ca. im bis ca. 2m auf.
Das manuelle Zerlegen erfolgt bevorzugt mit Sägen, insb. Kreissägen, Wasserstrahlschneidgeräten und Hydraulikzangen. Der Vorteil von Wasserstrahlschneidgeräten gegenüber Sägen liegt in der vermiedenen Staub- und deutlich geringeren Lärmproduktion. Dabei können auch z. B. metallische Komponenten der Bauteile, wie Spanten, Flansche etc. entfernt werden, damit diese eine nachgeschaltete Zerkleinerungsvorrichtung, die ebenfalls zum ersten Anlagenteil gehört, nicht schädigen oder übermäßig abnutzen kann.
In der Grobzerkleinerungsvorrichtung werden die Bauteile dann auf eine Größe geschnitten bzw. gebrochen, die die nachfolgende Feinzerkleinerungsvorrichtung aufnehmen kann. Diese Größe beträgt vorteilhafterweise zwischen ca. 50mm und ca. 150mm. Bei weniger als ca. 50mm kann die Leistungsaufnahme der Zerkleinerungsvorrichtung und bei mehr als ca. 150mm kann die der nachgeschalteten Feinzerkleinerungsvorrichtung zu hoch werden.
Die Grobzerkleinerungsvorrichtung kann mehrere Grobzerkleinerungsvorrichtungen bzw. -maschinen aufweisen. Diese können z. B. als Ein- oder Zweiwellenmaschinen ausgeführt und bevorzugt mit einem Überlastschutz mit Reversierbetrieb ausgestattet sein, um Beschädigungen an den Grobzerkleinerungsvorrichtungen bzw. -maschinen zu vermeiden. Alternativ oder zusätzlich ist der Einsatz einer Grobzerkleinerungsvorrichtung bzw. -maschine bevorzugt, deren Produkte möglichst gleichförmige Größe haben.
Die Grobzerkleinerungsvorrichtung kann mehrere Grobzerkleinerungsvorrichtungen bzw. -maschinen unterschiedlicher Bauart aufweisen. So können z. B. Brecher und/oder Zerkleinerungsmaschinen und/oder Hammermühlen und/oder Querstromzerspaner kombiniert werden.
In der Feinzerkleinerungsvorrichtung erfolgt eine zumindest weitgehende Trennung der zerkleinerten, noch faserarmierten Bauteile in Armierung und Matrixmaterial. Dazu wird das Material nicht geschnitten oder gebrochen, sondern gedrückt oder gequetscht, wodurch sich der Verbund zwischen der der Armierung und dem Matrixmaterial lockert und auflöst.
Auch die Feinzerkleinerungsvorrichtung kann mehrere Feinzerkleinerungsvorrichtungen bzw. -maschinen identischer unterschiedlicher Bauart aufweisen, insbesondere Hammermühlen und Mahlwerke.
Als Feinzerkleinerungsvorrichtung eignen sich unter anderem Hammermühlen und Mahlwerke. Bei Hammermühlen kann die Größe des nach dem Zerkleinerungsprozess vorliegenden Matrixmaterials z. B. durch den Abstand der Hämmer zum Siebkorb und die Lochgröße des Siebkorbes eingestellt werden.
Mahlwerke, die bevorzugt zumindest abschnittsweise einen sich veijüngenden Spalt aufweisen, wobei sich die den Spalt bildenden Elemente des Mahlwerkes gegeneinander bewegen können, um die noch faserarmierten Bauteile in diesem sich veijüngenden Spalt zunehmend zu zerreiben, eignen sich besonders gut. Vorteilhafterweise wird der Spalt aus z. B. zwei Kegelstümpfen gebildet. Diese Konstruktion weist bevorzugt zumindest im letzten Bereich glatte Spaltwände auf, womit ein Zerreiben nur zwischen den faserarmierten Verbundwerkstoff-Elementen stattfindet, um die Trennung der Fasern, Fäden oder Drähten vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial zu erreichen, wobei die Faser-, Faden- oder Drahtlänge weitestgehend erhalten bleibt. Die Grundform eines solchen Mahlwerkes ist beispielhaft, aber die Lehre der Erfindung nicht einschränkend, in der EP000002288452B1 gezeigt.
Bei einem solchen Mahlwerk kann sowohl der innere als auch der äußere Kegelstumpf der Stator, und der andere der Rotor sein. Die Achsen der Kegelstümpfe können identisch, aber auch gegeneinander parallel verschoben und/oder einen Winkel zueinander aufweisen.
Vorteilhafterweise sind die Oberflächen der Kegelstümpfe, an denen das Mahlen stattfindet, aus besonders zähem und abriebfestem Material, bevorzugt mit wenigsten HBW500, ausgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Oberflächen der Kegelstümpfe, an denen das Mahlen stattfindet, austauschbar ausgeführt.
Die Oberflächen der Kegelstümpfe, an denen das Mahlen stattfindet, können glatt und auch wenigsten teilweise strukturiert ausgeführt sein.
Gegenüber der Horizontalen weisen die Achsen der Kegelstümpfe bevorzugt einen Winkel zwischen 30° und 90° auf, wobei der Winkel zwischen der Innenseite des äußeren Kegelstumpfes an seiner untersten Position gegenüber der Horizontalen bevorzugt größer als 0° ist, um den Materialfluss zu unterstützen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Mahlwerke weist Einrichtungen zum Abführen der beim Mahlen entstehenden Wärme auf. In der einfachsten Ausführungsform umfassen diese Kühlrippen, die vorzugsweise am beweglichen Teil des Mahlwerkes so ausgeführt sind, dass möglichst viel erzwungene Konvektion erreicht wird. Insbesondere am feststehenden Teil kann erzwungene Konvektion auch oder zusätzlich mit einem Gebläse erreicht werden.
Wärme kann z. B. auch mittels Kühlwasser abgeführt werden. Beim feststehenden Element bieten sich dazu an der Wandung befestigte Rohschlangen an, oder in der Wandung verlaufende Kühlwasserkanäle. Insbesondere beim beweglichen Teil kann es vorteilhaft sein, Kühlwasser auch ein- bzw aufzusprühen. Falls das Mahlwerk nicht in einem frostgeschützten Bereich installiert ist, sollte das Kühlwasser vorteilhafterweise mit einem Frostschutzzusatz versehen werden.
Das Produkt des Mahlwerkes ist in diesem Beispiel ein Gemisch aus Glasfasern und pulver- oder granulatförmigem Matrixmaterial.
In Figur 1 ist ein Mahlwerk 100 eines ersten Anlagenteils AT1 (s. z. B. Figur 2) einer Anlage zum Recyceln von kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen mit kohlenstoffhaltigem Matrixmaterial und Faser-, Faden- oder Drahtarmierung gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Das Mahlwerk 100 umfasst einen Rahmen 106, einen im unteren Bereich kegelförmig ausgeführten Stator 101, der in dem Rahmen 106 montiert ist, und einen im unteren Bereich ebenfalls kegelförmig ausgeführten Rotor 102, wobei die Kegelstümpfe des Stators und des Rotors einen sich nach unten veijüngenden Ringspalt S bilden. Der Rotor 102 wird von einem Motor, z. B. einem Getriebemotor 103 über eine Welle, z. B. eine Hohlwelle 104, angetrieben, die im Getriebemotor 103 und einem Lager, z. B. einem Drucklager 105, gelagert ist. Das Lumen der Hohlwelle 104 ist in diesem Beispiel an einer Stelle 104.1 gesperrt und weist in diesem Beispiel zwei Öffnungen 104.2 und 104.3 auf. Damit kann der Rotor gekühlt werden, indem in die obere Öffnung 104.2 der Hohlwelle 104 z. B. Wasser als Kühlwasser eingelassen wird.
Der Rotor 102 weist in diesem Beispiel mehrere Revisionsöffnungen 102.1 auf und kann Einrichtungen, wie z. B. Leitbleche oder Sprühdüsen aufweisen, mit denen das Kühlwasser verteilt und damit die Wärmeübertragung verbessert wird. Die vorzerkleinerten Verbundwerkstoffe werden dem Mahlwerk 100 über eine Zuführöffnung 101.1 zugeführt. Im sich veijüngenden kegelförmigen Ringspalt S zwischen dem Stator 101 und dem Rotor 102 werden die Verbundwerkstoffe vermahlen und verlassen das Mahlwerk 100 über eine Abgabeöffnung 101.2.
Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen der Feinzerkleinerungsvorrichtung umfassen z. B. Kugel- oder Hammermühlen.
In einer sich an das Mahlwerk anschließenden Separationsvorrichtung können in diesem Beispiel die Glasfasern vom Matrixmaterial getrennt werden. Dabei ist keine vollständige Trennung erforderlich; eine Reduktion des Glasfaseranteil von ursprünglich z. B. 50- 60% auf z. B. 5-15% ist in der Regel für die störungsfreie Weiterverwendung des Materials im zweiten Anlagenteil einer Anlage gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausreichend.
Ein bevorzugtes Separationsverfahren ist Sieben. Voraussetzung für das Sieben ist, dass der Großteil der Fasern länger ist als der Durchmesser des pulverartigen oder granulatförmigen Matrixmaterials. Bevorzugt weisen wenigstens 90 Gewichts-% der Fasern eine Länge auf, die größer als der Durchmesser von 90 Gewichts-% des Matrixmaterials ist.
Da die Dichte von Glas mehr als doppelt so hoch ist wie der des polymeren Matrixmaterials, kann z. B. auch mit Windsichtern ein hoher Separationsgrad bei hohem Durchsatz erreicht werden.
Eine Separationsvorrichtung kann z. B. auch aus einer Kombination verschiedener Siebanlagen und Windsichtern bestehen.
In Figur 2 sind Komponenten eines ersten Anlagenteils AT1 einer Anlage 200 gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch gezeigt. Der erste Anlagenteil, in dem der Anteil der Armierung der faser,- faden- oder drahtarmierte kohlenstoffhaltige Verbundwerkstoffe reduziert wird, umfasst eine Grobzerkleinerungsvorrichtung i, eine Feinzerkleinerungsvorrichtung 2 und eine Separationsvorrichtung 3. Bauteile aus Verbundwerkstoffen 11, deren Abmessungen z. B. mehrere Meter betragen können, werden in der Grobzerkleinerungsvorrichtung 1 gebrochen oder zerkleinert. Je nach Nachfolgeeinrichtungen können die Bauteile bevorzugt auf eine Größe von ca. 50mm bis ca. 800mm zerkleinert werden. In diesem Ausfiihrungsbeispiel umfasst die Grobzerkleinerungsvorrichtung 1 nur eine Grobzerkleinerungsvorrichtung bzw. -maschine.
Die Feinzerkleinerungsvorrichtung 2 umfasst in diesem Beispiel eine Hammermühle 2- 1 und ein Mahlwerk 2-2. In der Hammermühle 2-1 wird der Verbund zwischen in diesem Beispiel den Glasfasern 16 und dem Matrixmaterial 15 gelockert. Im Mahlwerk 2-2 werden die beiden Fraktionen dann getrennt.
Die Separationsvorrichtung 3 umfasst in diesem Beispiel einen Windsichter 3-1, bei dem ein Teil des Matrixmaterials 15 abgetrennt wird, und ein Sieb bzw. eine Siebeinrichtung 3-2, in der das verbleibende Material weitgehend vollständig in Matrixmaterial 15 und Glasfasern 16 aufgetrennt wird.
Die Verbindungen zwischen der Feinzerkleinerungsvorrichtung 2 und der Separationsvorrichtung 3 werden bevorzugt geschlossen ausgeführt, um Staubausbreitung zu verhindern. Dies gilt auch für die Verbindung der Siebeinrichtung 3-2 mit etwaigen Lagereinrichtungen für in diesem Beispiel die Glasfasern und das pulverförmige Matrixmaterial.
Der erste Anlagenteil weist bevorzugt Luftabsaug- und Filteranlagen und/oder Explosionsschutz- und Feuerlöscheinrichtungen auf und/oder ist bevorzugt räumlich getrennt von anderen Anlagenteilen, z.B. in einer separaten Halle, installiert.
Vorzugsweise ist (auch) eine Pelletiervorrichtung vorgesehen, um die Gefahr von Staubexplosionen des pulverförmigen Matrixmaterials zu verringern, und oder dessen Transport und Weiterverarbeitung zu vereinfachen.
In einem dritten Anlagenteil (in Figur 2 nicht gezeigt) werden aus den Produkten des ersten Anlagenteils fluide Brennstoffe hergestellt.
Bevorzugt weist ein zweiter Anlagenteil (in Figur 2 nicht gezeigt), der dem ersten Anlagenteil nachgeschaltet und dem dritten Anlagenteil vorgeschaltet ist, eine Pyrolysevorrichtung zur Produktion von überwiegend flüssigen Kohlenwasserstoffen oder eine Vergasungsvorrichtung zur Produktion eines Synthesegases mit den Hauptbestandteilen Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid auf.
Die Vergasungsvorrichtung kann z. B. für kontinuierlichen und/oder für Batch-Betrieb ausgelegt sein.
Bei einer Ausführung für Batchbetrieb kann ein quasikontinuierlicher Betrieb dadurch erreicht werden, dass die Anlage mehrere Gaserzeugungseinheiten aufweist, mit denen ein zeitversetzter Betrieb und Materialwechsel ermöglicht wird.
Kontinuierliche Vorrichtungen zur Synthesegasproduktion sind vorteilhaft, da sie die Prozessführung der nachgeordneten Vorrichtungen erleichtern. Bewährt haben sich Ausführungsformen, wie beispielhaft in der EP2639289A1 beschrieben.
Die Vergasungstemperatur beträgt vorteilhafterweise ca. 1000°C bis ca. 1100°C, da in diesem Bereich die größte Wasserstoffproduktion stattfindet.
Der Vergasungsdruck beträgt bevorzugt ca. 5 bar bis ca. 20 bar. Bei Umgebungsdruck wäre zwar die Wasserstoffproduktion noch etwas höher, allerdings müssten bei den nachfolgenden Prozessschritten größere Gasvolumina verarbeitet und verdichtet werden, was den Gesamtwirkungsgrad reduzieren würde.
Grundsätzlich kann z. B. sowohl eine Wirbelschicht- als auch eine Festbettvergasung eingesetzt werden. Die Festbettvergasung ermöglicht einen stabileren Prozess insbesondere bei schwankender Qualität und variabler Größe der Eingangsmaterialien. Weiterhin ermöglicht ein Festbettvergasung den Einschluss der allermeisten Nebenprodukte in einer verglasten und damit äußerst inerten Schlacke.
Besonders vorteilhaft ist in diesem Beispiel eine Festbettvergasung mit einem flüssigen Glassumpf als Festbett. Dann sind verbleibende Glasfaseranteile in den Produkten des ersten Anlagenteils sogar vorteilhaft, weil sie den ansonsten erforderlichen Glaszusatz zur Aufrechterhaltung des Glassumpfes ersetzen.
Es kann auch eine Plasmavergasung vorgesehen sein. Diese hat den Vorteil, dass aufgrund der hohen Prozesstemperarturen von über 3000°C das Synthesegas kaum noch höhermolekulare Bestandteile aufweist. Nachteilig ist die geringere Wasserstoffkonzentration im Synthesegas und der sehr hohe Strombedarf.
Vorteile weist auch eine Kombination einer Vergasungsvorrichtung mit Prozesstemperaturen bis 1500°C mit einer nachgeschalteten Plasmavergasung mit Temperaturen über 2O00°C auf. Dadurch wird gegenüber einer reinen Plasmavergasung die Wasserstoffproduktion erhöht und der Strombedarf reduziert.
In einem dritten Anlagenteil wird gemäß einer besonderen Ausführungsform das kohlenwasserstoffhaltige Gemisch der Pyrolysevorrichtung zu den gewünschten Endprodukten synthetisiert. Bevorzugt wird aus dem im Synthesegas enthaltenen Kohlenstoffmonoxid Methanol (CO + H2 — > CH3OH) bzw. mittels Dampfreformation (Wassergas-Shift-Reaktion) weiterer Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid (CO+H20 -> C02 + H2) hergestellt.
Der zweite und/oder dritte Anlagenteil weist vorteilhafterweise Vorrichtungen zum Kühlen und/oder Reinigen der Gase von unerwünschten oder toxischen Komponenten auf. Je nach Belastung des Synthesegases kann z. B. ein Luftfilter und/oder Wasserwäscher ausreichend sein. Bei Belastungen mit Schwefel, Chlor usw. kann es erforderlich sein, z. B. chemische oder Absorptions-/Adsorptionsfilteranlagen einzusetzen.
In dem dritten Anlagenteil kann, falls erforderlich, ein produziertes Gasgemisch getrennt und der produzierte fluide Brennstoff abgegeben werden. Die Trennung eines Wasserstoff-Kohlenstoffdioxidgemisches kann grundsätzlich mit allen verfügbaren Technologien erfolgen, wie z. B. Membran-, Absorptions- und Adsorptionseinrichtungen. Wenn das Gasgemisch bei erhöhten Drücken vorliegt, bieten sich insbesondere Membrantrenneinrichtungen an, weil dort der Hauptaufwand in der Kompression des Gasgemisches auf ca. 10 bar besteht, und dieser zumindest stark verringert werden kann.
Im einfachsten Fall kann die Abgabe des Wasserstoffs z. B. mittels einer Kompressorstation erfolgen, die den produzierten Wasserstoff in eine Leitung einspeist. Dieser Anlagenteil kann aber auch Komponenten zum Speichern des Brennstoffes und ggfs. zu seiner Verflüssigung enthalten.
Der dritte Anlagenteil kann auch eine Ammoniak-Synthesevorrichtung auf weisen, in der produzierter Wasserstoff mit Luftstickstoff (z.B. mittels eines Haber-Bosch-Verfahrens) in Ammoniak umgewandelt wird, um ihn in einen leichter transportier- und lagerfähig Brennstoff umzuwandeln.
Die Anlage kann auch einen Anlageteil aufweisen, in dem Abwärme anderer Anlagenteile gesammelt und als Prozesswärme zur Verfügung gestellt werden kann. Bei entsprechendem Temperaturniveau kann auch z.B. mittels einem mit einer Dampfturbine gekoppeltem Generator Strom erzeugt werden. Stand der Technik bei Vergasungsanlagen ist die Abgabe des produzierten Kohlenstoffdioxids an die Atmosphäre. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dagegen das Kohlenstoffdioxid für weitere Nutzungen aufbereitet. Diese kann Komponenten umfassen, mittels derer produziertes Kohlenstoffdioxid verdichtet oder verflüssigt und somit für den Ersatz fossil hergestellten Kohlenstoffdioxids zur Verfügung gestellt werden kann.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Anlage eine oder mehrere Komponenten aufweist, um Sauerstoff zur Versorgung der Vergasungsanlage herzustellen. Vorteilhafterweise wird dabei ein Elektrolyseur eingesetzt, da dann der dabei anfallende Wasserstoff die Gesamt-Wasserstoffproduktion der Anlage weiter erhöht:
Für die Vergasung von z. B. 22.0001 Kunststoff werden ca 11.5001 Sauerstoff benötigt. Dabei werden 3.000 t Wasserstoff hergestellt. Wenn diese 11.500 t Sauerstoff mittels Elektrolyse gewonnen werden, entstehen weitere 1.275 t Wasserstoff.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann auch mindestens eine Luftsauerstoffgewinnungsvorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Atmosphäre, wie z. B. Tieftemperaturrektifikation, Druckwechsel-Adsorption oder Membrantechnik, vorgesehen sein.
Besonders vorteilhaft ist die Herstellung des Sauerstoffs zur Versorgung der Vergasungsvorrichtung aus dem produziertem Kohlenstoffdioxid.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Anlage beinhaltet dazu Vorrichtungen, um das Kohlenstoffdioxid in Kohlenstoff und Sauerstoff aufzutrennen und den Kohlenstoff zu Kohlenwasserstoffen zu synthetisieren, die z.B. in einer Raffinerie zu handelsüblichen Brennstoffen und Rohstoffen für die chemische Industrie weiterverarbeitet werden können.
Die Auftrennvorrichtungen zur Auftrennung des Kohlenstoffdioxides weisen bevorzugt Elemente zur Erzeugung oszillierender elektromagnetischer oder elektrostatischer Felder auf, mit der die Trennung der C-O-Doppelbildungen unterstützt werden, auf.
Die bevorzugte Frequenz der elektromagnetischen Felder beträgt ca. 200 bis ca. 3000 MHz. Die bevorzugte Spannung bei elektrostatischen Feldern beträgt bevorzugt ca. 20.000 bis ca. 50.000 V.
Die Kohlenstoffdioxidproduktion in einer Vergasungsvorrichtung nach dem Stand der Technik beträgt annähernd die doppelte Masse der zu vergasenden kohlenstoffhaltigen Materialien. Der Sauerstoffanteil im Kohlenstoffdioxid beträgt 16 Vierundvierzigstel dessen Masse, d.h. 32 Vierundvierzigstel der Masse der zu vergasenden kohlenstoffhaltigen Materialien und somit deutlich mehr als der Sauerstoffbedarf der der Vergasungsvorrichtung, wodurch die Zielsetzung, den gesamten Sauerstoffbedarf der Vergasung zu decken, erfüllt wird.
In der Figur 3 ist schematisch eine Anlage 300 mit einer Vergasungsvorrichtung 4 gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Der Übersichtlichkeit wegen wurde auf die Darstellung von z. B. Pumpen/Kompressoren, Drosseleinrichtungen, Wärmeübertragern,
Fördereinrichtungen, Pufferspeichern etc. verzichtet.
In einem ersten Anlagenteil AT1 werden von einer Grobzerkleinerungsvorrichtung 1, wie z. B. oben unter Bezugnahme auf die Figur(en) 1 und/oder 2 beschrieben, zerkleinerte, zuvor manuell zerlegte Verbundwerkstoffe 11 über eine Feinzerkleinerungsvorrichtung 2, wie z. B. oben unter Bezugnahme auf die Figur(en) 1 und/oder 2 beschrieben, und eine Separationsvorrichtung 3, wie z. B. oben unter Bezugnahme auf die Figur(en) 1 und/oder 2 beschrieben, in einem zweiten Anlagenteil AT2 einer Vergasungsvorrichtung (Vergaser) 4 zugeführt. Glasfasern 16 werden in der Separationsvorrichtung 3 abgetrennt. Ein in der Vergasungsvorrichtung 4 mit einem zugeführten Reaktanten 17 produziertes Synthesegas wird einer Dampfreformierungsvorrichtung (Dampfreformer) 5 zugeführt, Schlacke 13 wird abgezogen. Der Reaktant 17 kann insbesondere Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und oder Wasser(dampf) aufweisen. Im Dampfreformer 5 wird in der Vergasungsvorrichtung 4 produzierter CO-Anteil des Synthesegases mit Hilfe von in einem Dampferzeuger 6 produziertem Dampf zu H2 und CO2 synthetisiert. In einer Reinigungsanlage 7 kann das Synthesegas gereinigt und, falls erforderlich, gekühlt werden. In einer Abtrennvorrichtung 8 wird das H2/ CO2-Gemisch getrennt, d.h. Wasserstoff 12 gewonnen. In einer Auftrennvorrichtung 9 in einem dritten Anlagenteil AT3 wird das verbliebene CO2 in Sauerstoff und Kohlenstoff aufgetrennt und werden Kohlenwasserstoffe synthetisiert. Die Kohlenwasserstoffe können als Brennstoff oder als Vorprodukt dazu genutzt werden, und Sauerstoff wird in diesem Beispiel dem Vergaser 4 zudosiert.
In der Figur 4 ist eine Anlage 400 mit einer Pyrolysevorrichtung 40 gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Der Übersichtlichkeit wegen wurde auf die Darstellung von z. B. Pumpen/Kompressoren, Drosseleinrichtungen, Wärmeübertragern, Fördereinrichtungen, Pufferspeichern sowie Kühl- und Reinigungseinrichtungen etc. verzichtet.
In einem ersten Anlagenteil AT1 wird von einer Grobzerkleinerungsvorrichtung 1, wie z. B. oben unter Bezugnahme auf die Figur(en) 1 und/oder 2 und/oder 3 beschrieben, zerkleinerte, zuvor manuell zerlegte Verbundwerkstoffe 11 werden über eine Feinzerkleinerungsvorrichtung 2, wie z. B. oben unter Bezugnahme auf die Figur(en) 1 und/ oder 2 und/ oder 3 beschrieben, und einer Separationsvorrichtung 3, wie z. B. oben unter Bezugnahme auf die Figur(en) 1 und/oder 2 und/oder 3 beschrieben, der Pyrolysevorrichtung (Pyrolysereaktor) 40 in einem zweiten Anlagenteil AT2 zugeführt. Glasfasern 16 werden in einer Separationsvorrichtung 3 abgetrennt.
In der Pyrolysevorrichtung 40 werden flüssige Kohlenwasserstoffe 14a und gasförmige Kohlenwasserstoffe 14b produziert.
In Figur 5 ist eine weitere besondere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage 500 dargestellt. In einem ersten Anlagenteil AT1 werden zuvor manuell zerlegte Verbundstoffe 11 einer Grobzerkleinerungsvorrichtung 1 zugeführt, in der das Matrixmaterial durch Schlagen aus dem Glasfasergewebe gelöst wird, wobei das Glasfasergewebe weitgehend erhalten bleibt.
Das gelöste Matrixmaterial wird dann in einer Feinzerkleinerungsvorrichtung 2 auf eine Korngröße von höchstens beispielsweise 1,5 mm, bevorzugt beispielsweise 0,5 mm zerkleinert. In einem zweiten Anlagenteil AT2 wird dieses pulverförmig gemahlene Matrixmaterial einem Flugstromvergaser zugeführt, in dem Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid enthaltendes Synthesegas hergestellt wird.
Ein in einer Vergasungsvorrichtung 4 mit einem zugeführten Reaktanten 17 produziertes Synthesegas wird einer Dampfreformierungsvorrichtung (Dampfreformer) 5 zugeführt, Schlacke 13 wird abgezogen. Der Reaktant 17 kann insbesondere Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und/ oder Wasser(dampf) aufweisen. Im Dampfreformer 5 wird in der Vergasungsvorrichtung 4 produzierter CO-Anteil des Synthesegases mit Hilfe von in einem Dampferzeuger 6 produziertem Dampf zu H2 und CO2 synthetisiert. In einer Reinigungsanlage 7 kann das Synthesegas gereinigt und, falls erforderlich, gekühlt werden. In einer Abtrennvorrichtung 8 wird das H2/CO2-Gemisch getrennt, d.h. Wasserstoff 12 gewonnen. In einer Auftrennvorrichtung 9 in einem dritten Anlagenteil AT3 wird das verbliebene CO2 in Sauerstoff und Kohlenstoff aufgetrennt und werden Kohlenwasserstoffe synthetisiert. Die Kohlenwasserstoffe können als Brennstoff oder als Vorprodukt dazu genutzt werden, und Sauerstoff wird in diesem Beispiel dem Vergaser 4 zudosiert.
Die vorangehend beschriebenen Anlagenteile können in räumlicher Nähe, aber auch getrennt voneinander, auch an verschiedenen Orten, installiert sein.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
1 Grobzerkleinerungsvornchtung
2 Feinzerkleinerungsvorrichtung
2-1 Hammermühle
2-2 Mahlwerk
3 Separationsvorrichtung
3-1 Windsichter
3-2 Siebeinrichtung
4 Vergasungsvorrichtung
5 Dampfreformer
6 Dampferzeuger
7 Reinigungsanlage
8 Abtrennvorrichtung
9 Auftrennvorrichtung
11 Verbundwerkstoff
12 Wasserstoff
13 Schlacke 14a flüssige Kohlenwasserstoffe
14b gasförmige Kohlenwasserstoffe
15 Matrixmaterial
16 Glasfasern
17 Reaktant
40 Pyrolysevorrichtung 100 Mahlwerk
101 Stator
101.1 Zuführöffnung
101.2 Abgabeöffnung
102 Rotor
102.1 Revisionsöffnungen
103 Getriebemotor
104 Hohlwelle
104.1 Stelle
104.2 Öffnung 104.3 Öffnung 105 Drucklager 106 Rahmen
200 Anlage 300 Anlage 400 Anlage 500 Anlage AT1 erster Anlagenteil AT2 zweiter Anlagenteil AT3 dritter Anlagenteil
S Ringspalt

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Recyceln von kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen (11) mit kohlenstoffhaltigem Matrixmaterial (15) und Faser-, Faden- oder Drahtarmierung, insbesondere Glasfaser (16)- oder Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffen, GFK/CFK, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: wenigstens weitgehendes Trennen der Armierung vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial (15),
Vergasen und/oder Pyrolysieren des kohlenstoffhaltigen Matrixmaterials (15) zur Produktion von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid enthaltenden Synthesegases oder eines Kohlenwasserstoffe enthaltenden Fluidgemisches und
Aufbereiten der Produkte der Vergasung und/oder der Pyrolyse zu wenigstens einem, vorzugsweise fluiden, Brennstoff (14), wobei das Trennen der Armierung vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial (15) grobes Zerkleinern des Verbundwerkstoffes (11) durch Schneiden und/oder Brechen, feines Zerkleinern des grob zerkleinerten Verbundwerkstoffes (11) durch Drücken und/oder Quetschen zum Lösen der zerkleinerten Armierung aus dem zerkleinerten Verbundwerkstoff (11) sowie Separieren der herausgelösten zerkleinerten Armierung von dem zerkleinerten Matrixmaterial (15) umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim groben Zerkleinern der Verbundwerkstoff (11) auf eine Länge und/oder Breite und/oder Dicke im Bereich von ca. 50 mm bis ca. 150 mm verkleinert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei beim feinen Zerkleinern der Verbundwerkstoff (11) auf eine Länge und/oder Breite und/oder Dicke im Bereich von ca. 1 mm bis ca. 5 mm zerkleinert wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das feine Zerkleinern mittels mindestens einer Hammermühle (2-1) und/oder mindestens eines Mahlwerks (2-2; 100) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei beim feinen Zerkleinern entstehende Reibungswärme abgeführt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Separieren mittels mindestens eines Siebes (3-2) und/oder mindestens eines Windsichters (3-1) durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei nach dem Separieren das Matrixmaterial (15) ca. 5 bis ca. 15 Gewichts -% Fasern aus der Armierung aufweist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vergasen bei einer Prozesstemperatur im Bereich von vorzugweise ca. 950°C bis ca. 1400°C bei Flugstromvergasern, bei Festbettvergasern bis ca. 1150°C, durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vergasen bei einem Prozessdruck im Bereich von vorzugweise ca. 5 bar bis ca. 20 bar durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vergasen eine Festbett- und/oder eine Flugstrom- oder Wirbelschichtvergasung, bevorzugt mit einem Sumpf aus flüssigem Glas, umfasst. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mittels des Vergasens produzierte Kohlenstoffmonoxid, vorzugweise mittels Dampfreformierung und/oder Wassergas-Shift in ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgewandelt wird. Verfahren nach Anspruch 11, wobei Wasserstoff aus dem Gemisch abgetrennt wird. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das aus dem Gemisch abgetrennte Kohlenstoffdioxid verflüssigt oder komprimiert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Wasserstoff, bevorzugt mit Luftstickstoff, zu Ammoniak synthetisiert wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse hergestellt werden und der hergestellte Sauerstoff als Reaktant beim Vergasen verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei Sauerstoff aus der Luft, insbesondere mittels Tieftemperaturrektifikation, Druckwechsel-Adsorption oder Membrantechnik, gewonnen wird. - Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei mindestens 50% des zum Vergasen benötigten Sauerstoffs durch die Elektrolyse bereitgestellt oder aus der Luft gewonnen werden. . Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei das aus dem Gemisch abgetrennte Kohlenstoffdioxid, bevorzugt mittels oszillierender elektromagnetischer Felder, vorzugweise wobei die Frequenz der elektromagnetischen Felder ca. 2000 bis ca. 3000 MHz beträgt, oder elektrostatischer Felder, vorzugsweise wobei die Spannung der elektrostatischen Felder ca. 20.000 V bis ca. 50.000 V beträgt, aufgetrennt wird. . Verfahren nach Anspruch 18, wobei bei der Aufteilung des Kohlenstoffdioxids freiwerdender Kohlenstoff zu einem fluiden Brennstoff (14) oder Vorstufen dazu, deren Hauptbestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff sind, synthetisiert wird. . Anlage oder Anlageneinheit (200; 300; 400) zum Recyceln von kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen (11) mit kohlenstoffhaltigem Matrixmaterial (15) und Faser Faden- oder Drahtarmierung, insbesondere Glasfaser (16)- oder Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffen, GFK/CFK, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anlage bzw. Anlageneinheit (200; 300; 400) umfasst: einen ersten Anlagenteil AT1 zum wenigstens weitgehenden Trennen der Armierung vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial (15), einen zweiten Anlagenteil AT2 zum Vergasen und/oder Pyrolysieren des kohlenstoffhaltigem Matrixmaterials (15) zur Produktion eines Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid enthaltenden Synthesegases oder eines Kohlenwasserstoffe enthaltenden Fluidgemisches und einen dritten Anlagenteil AT3 zum Aufbereiten der Produkte der Vergasung oder der Pyrolyse zu wenigstens einem, vorzugsweise fluiden, Brennstoff (14), wobei der erste Anlagenteil AT1 wenigstens eine schneidende oder brechende Grobzerkleinerungsvorrichtung (1) zum groben Zerkleinern des Verbundwerkstoffes (11), wenigstens eine drückende oder quetschende Feinzerkleinerungsvorrichtung (2) zum feinen Zerkleinern des grob zerkleinerten Verbundwerkstoffes (11) zum Lösen der zerkleinerten Armierung aus dem zerkleinerten Verbundwerkstoff (11) sowie eine Separationsvorrichtung (3) zum Separieren der herausgelösten zerkleinerten Armierung von dem zerkleinerten Matrixmaterial (15) enthält. Anlage oder Anlageneinheit (200; 300; 400) nach Anspruch 20, wobei die Grobzerkleinerungsvorrichtung (1) gestaltet ist, um Verbundwerkstoffe (11) auf eine Länge und/oder Breite und/oder Dicke im Bereich von ca. 50 mm bis ca. 150 mm zu zerkleinern. Anlage oder Anlageneinheit (200; 300; 400) nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Feinzerkleinerungsvorrichtung (2) gestaltet ist, um Verbundwerkstoffe (11) auf eine Länge und/oder Breite und/oder Dicke im Bereich von ca. 1 mm bis ca. 5 mm zu zerkleinern. Anlage oder Anlageneinheit (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 20 bis
22, wobei die Feinzerkleinerungsvorrichtung (2) mindestens eine Hammermühle (2-1) und/oder mindestens ein Mahlwerk (2-2; 100), vorzugsweise mit sich gegeneinander bewegenden Flächen, die zumindest abschnittsweise einen sich in Materialflussrichtung veijüngenden Ringspalt S bilden, aufweist. Anlage oder Anlageneinheit (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 20 bis
23, wobei die Feinzerkleinerungsvorrichtung (2) mindestens eine Kühleinrichtung zur Abführung von Reibungswärme aufweist. Anlage oder Anlageneinheit (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 20 bis
24, wobei die Separationsvorrichtung (3) mindestens ein Sieb (3-2) und/oder mindestens einen Windsichter (3-1) aufweist. Anlage oder Anlageneinheit (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 20 bis
25, wobei die Separationsvorrichtung (3) so gestaltet ist, dass nach dem Separieren das Matrixmaterial (15) ca. 5 bis ca. 15 Gewichts -% Fasern aus der Armierung aufweist. Anlage oder Anlageneinheit (300) nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei der zweite Anlagenteil AT2 eine Vergasungsvorrichtung (4) aufweist, insbesondere wobei deren Prozesstemperatur ca. 950°C bis ca. 1400°C bei einem Flugstromvergaser, bei Festbettvergasern bis ca. 1150°C, und/oder deren Prozessdruck ca. 5 bar bis ca. 20 bar beträgt. Anlage oder Anlageneinheit (300) nach einem der Ansprüche 20 bis 27, wobei die Vergasungsvorrichtung (4) als Festbett- oder Flugstrom- oder Wirbelschichtvergasungsvorrichtung, bevorzugt mit einem Sumpf aus flüssigem Glas, ausgeführt ist. - Anlage oder Anlageneinheit (300) nach Anspruch 27 oder 28, wobei der dritte Anlagenteil AT3 eine Dampfreformierungs- (5) und/oder Wassergas-Shift- Vorrichtung zum Umwandeln des in der Vergasungsvorrichtung (4) produzierten Kohlenstoffmonoxids in ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid oder eine Methanol-Synthesevorrichtung zum Synthetisieren von Methanol aus Wasserstoff und dem in der Vergasungsvorrichtung (4) produzierten Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxid enthält. . Anlage oder Anlageneinheit (300) nach Anspruch 29, wobei der dritte Anlagenteil AT3 eine Abtrennvorrichtung (8) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus dem im dritten Anlagenteil AT3 produzierten Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid aufweist. Anlage oder Anlageneinheit (300) nach Anspruch 30, wobei der dritte Anlagenteil AT3 eine Verdichtungs- oder Verflüssigungsvorrichtung zur Erhöhung der Dichte des abgetrennten Kohlenstoffdioxids aufweist. . Anlage oder Anlageneinheit (300) nach einem der Ansprüche 29 bis 31, wobei sie eine Ammoniak-Synthesevorrichtung zur Synthese von Ammoniak aus dem Wasserstoff, bevorzugt mit Luftstickstoff, aufweist. . Anlage oder Anlageneinheit (300) nach einem der Ansprüche 27 bis 32, ferner umfassend einen weiteren Anlagenteil, der eine Elektrolysevorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse aufweist, die zur Zuführung des hergestellten Sauerstoffs zur Vergasung mit der Vergasungsvorrichtung (4) in Verbindung steht. . Anlage oder Anlageneinheit (300) nach einem der Ansprüche 27 bis 32, ferner umfassend einen weiteren Anlagenteil, der eine Luftsauerstoffgewinnungsvorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft, insbesondere mittels Tieftemperaturrektifikation, Druckwechsel- Adsorption oder Membrantechnik, aufweist. . Anlage oder Anlageneinheit (300) nach Anspruch 33 oder 34, wobei sie so gestaltet ist, dass wenigstens 50% des von der Vergasungsvorrichtung (4) benötigten Sauerstoffs von der Elektrolysevorrichtung oder der Luftsauerstoffgewinnungsvorrichtung bereitgestellt werden.
. Anlage oder Anlageneinheit (300) nach einem der Ansprüche 30 bis 35, wobei der dritte Anlagenteil AT3 eine Auftrennvorrichtung (9) zur Auftrennung des aus dem Gemisch abgetrennten Kohlenstoffdioxids, bevorzugt mittels oszillierender elektromagnetischer Felder, vorzugweise wobei die Frequenz der elektromagnetischen Felder ca. 2000 bis ca. 3000 MHz beträgt, oder elektrostatischer Felder, vorzugsweise wobei die Spannung der elektrostatischen Felder ca. 20.000 V bis ca. 50.000 V beträgt, aufweist. Anlage oder Anlageneinheit (300) nach Anspruch 36, wobei der dritte Anlagenteil AT3 eine Brennstoff- oder Vorstufen-Synthesevorrichtung zur Synthese von fluidem Brennstoff (14a) oder Vorstufen dazu, deren Hauptbestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff sind, aus dem bei der Auftrennung des Kohlenstoffdioxids freiwerdenden Kohlenstoff aufweist. . Anlage oder Anlageneinheit (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 20 37, wobei die Funktion von wenigstens einem der Anlagenteile in einem anderen der Anlagenteile integriert ist. . Anlage oder Anlageneinheit (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 20 bis 38, wobei die Anlagenteile nicht in räumlicher Nähe, sondern getrennt voneinander, auch an verschiedenen Orten, installiert sind. . Anlage oder Anlageneinheit (500) zum Recyceln von kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen (11) mit kohlenstoffhaltigem Matrixmaterial (15) und Faser
Faden- oder Drahtarmierung, insbesondere Glasfaser (16)- oder
Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffen, GFK/CFK, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19 und 41, wobei die Anlage bzw. Anlageneinheit (500) umfasst: einen ersten Anlagenteil AT1 zum wenigstens weitgehenden Trennen der Armierung vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial (15), einen zweiten Anlagenteil AT2 zum Vergasen und/oder Pyrolysieren des kohlenstoffhaltigem Matrixmaterials (15) zur Produktion eines Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid enthaltenden Synthesegase, oder eines Kohlenwasserstoffe enthaltendes Fluidgemisches und einen dritten Anlagenteil AT3 zum Aufbereiten der Produkte der Vergasung oder der Pyrolyse zu wenigstens einem, vorzugsweise fluiden, Brennstoff (14), wobei der erste Anlagenteil AT1 wenigstens eine Grobzerkleinerungsvorrichtung, die gestaltet ist, um das Matrixmaterial schlagend aus Gewebe aus glasfaserverstärkten Kunststoff zu lösen, und eine Feinzerkleinerungsvorrichtung aufweist, die gestaltet ist, um das gelöste Matrixmaterial, vorzugsweise auf eine Korngröße von max. 1,5 mm, besonders bevorzugt 0,5 mm, zu verkleinern, und der zweite Anlagenteil AT2 einen Flugstromvergaser aufweist, vorzugsweise wobei der Flugstromvergaser mit Temperaturen im Bereich 1200°C bis 1450°C betrieben wird bzw. betreibbar ist. Verfahren zum Recyceln von kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen (11) mit kohlenstoffhaltigem Matrixmaterial (15) und Faser-, Faden- oder Drahtarmierung, insbesondere Glasfaser (16)- oder Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffen, GFK/CFK, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: wenigstens weitgehendes Trennen der Armierung vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial (15),
Vergasen und/ oder Pyrolysieren des kohlenstoffhaltigen Matrixmaterials (15) zur Produktion von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid enthaltenden Synthesegases oder eines Kohlenwasserstoffe enthaltenden Fluidgemisches und
Aufbereiten der Produkte der Vergasung und/oder der Pyrolyse zu wenigstens einem, vorzugsweise fluiden, Brennstoff (14), wobei das Trennen der Armierung vom kohlenstoffhaltigen Matrixmaterial (15) grobes Zerkleinern des Verbundwerkstoffes (11) durch Schlagen des Matrixmaterials aus dem Glasfasergewebe gelöst wird, und feines Zerkleinern des gelösten Matrixmaterials, vorzugsweise auf eine Korngröße von max. 1,5 mm, besonders bevorzugt 0,5 mm, umfasst, und das fein zerkleinerte Matrixmaterial einer Flugstromvergasung unterzogen wird, vorzugsweise mit Temperaturen im Bereich 1200°C bis 1450°C.
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