DE4305964A1 - Verfahren zur mehrstufigen thermischen Behandlung von Verbundmaterial im Interesse einer emissions- und reststoffarmen, stofflichen und energetischen Verwertung (Recycling) - Google Patents

Description

Gattung des Anmeldegegenstandes

Die Erfindung betrifft ein mehrstufiges thermisches Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Verfahren ist der Gattung der thermische Zersetzung (Entga­ sung) von Kohlenwasserstoffen in sauerstoffarmer bis sauer­ stofffreier Atmosphäre und der prozeßintegrierten Oxidation (Vergasung) des Kohlenstoff zuzuordnen.

Da als Einsatzstoffe vorzugsweise gebrauchte oder defekte Bau teile, Werkstücke und Materialien im Materialverbund organisch­ anorganisch in Betracht kommen, handelt es sich um eine Recyc­ lingtechnologie.

Stand der Technik

Unter dem Begriff der Pyrolyse ist die thermische Zersetzung von Verbundmaterial bekannt. Im Pyrolyseprozeß werden Prozeßga­ se in Form von gasförmigen Kohlenwasserstoffen und der soge­ nannte Pyrolysekoks erzeugt, der im Gemisch mit der anorgani­ schen Materialfraktion anfällt und mit dieser partiell "anhaf­ tend" verbunden ist.

Als Vorrichtungen kommen überwiegend Drehrohre und in Ausnahme­ fällen Autoklaven als apparative Einrichtungen zum Einsatz. Die Drehrohre werden grundsätzlich indirekt beheizt.

Die Autoklaven lassen zwar eine parallele, direkte Beheizung zu, dies jedoch unter Einsatz von Verbrennungsgasen, die ge­ meinsam mit den entstehenden Prozeßgasen abgezogen werden müs­ sen.

Bei den bekannten Verfahren der Gattung steht für den thermi­ schen Prozeß jeweils nur ein Reaktionsraum zur Verfügung. Als Ergänzung sind lediglich Materialaufgabe- und -entnahmevorrich­ tungen, zum Beispiel als Schleusen, berücksichtigt.

Kritik des Standes der Technik

Die bekannten Verfahren der Gattung sind durch einen Aufheiz­ vorgang charakterisiert, der vorzugsweise als Niedrigtempera­ tur-Pyrolyse eine kontinuierliche Aufheizung des Einsatzstoffes bis maximal 500°C vorsieht. Der bei etwa 250°C beginnende thermische Zersetzungsprozeß der Kohlenwasserstoffe läßt mit weiterem Anstieg der Temperatur Prozeßgase in unterschiedlicher Menge und Zusammensetzung entstehen.

Die Entstehung von "Mischgasen" als Prozeßgase ist zusätzlich durch die Tatsache bedingt, daß nur ein Reaktionsraum zur Ver­ fügung steht.

Eine Variante der bekannten Verfahren sieht die Kondensation des kondensierbaren Anteils der Prozeßgase und die Verbrennung des unkondensierbaren Anteils vor. Das entstehende Kondensat (Pyrolyseöl) war als chemischer Grundstoff vorgesehen. Die heterogene Zusammensetzung, insbesondere unter dem Einfluß von Halogenen, stellt jedoch eine Nutzung dieser Pyrolyseöle als Grundstoff grundsätzlich in Frage. Eine erfolgreiche Verwertung dieses Stoffes ist bisher nicht bekannt geworden.

Die andere Verfahrensvariante führt die Prozeßgase insgesamt der Verbrennung zu. Das Prozeßgas liegt als Mischgas vor, da es bei unterschiedlichen Temperaturen in einem Reaktionsraum ent­ steht. Es enthält, je nach der Zusammensetzung der Einsatzstoffe, Schadstoffe wie zum Beispiel halogen-organische Verbindun­ gen.

Eine optimierte Verbrennungsführung und eine auf bestimmte, in ihrer Zusammensetzung weitgehend definierte Gasfraktionen kon­ zentrierte Schadstoffabscheidung ist nicht möglich oder nur bedingt möglich.

Die im Prozeß entstehenden, sogenannten Pyrolysereststoffe stellen sich als Koks im Gemisch mit anorganischen Stoffen dar. Soweit eine Verwertung der anorganischen Stoffe vorgesehen ist, muß eine aufwendige mechanische Trennung von Koks und zum Beispiel Metallen durchgeführt werden. Für die stoffliche oder energetische Verwertung des Kokses sind Ansätze vorhanden, Nachweise für einen emmissions- und reststoffarmen Verwertungs­ prozeß fehlen jedoch.

Als eine Alternative der Koksverwertung wurde die Hochtempera­ turverbrennung gewählt, die jedoch im Koks enthaltende Schad­ stoffe, zum Beispiel Schwermetalle, freisetzt und damit zusätz­ lichen verfahrenstechnischen Aufwand im Rahmen der erforderli­ chen Verbrennungsgas-Reinigung erfordert.

Bei der Prozeßvariante mit direkter Beheizung des Reaktions­ raums mit Verbrennungsgas ergibt sich eine deutliche Heizwert­ minderung, da ein Mischgas aus Prozeß- und Verbrennungsgasen entsteht, das gemeinsam abzuziehen und der Verbrennung zuzufüh­ ren ist. Zusätzlich entsteht die Aufgabe der Förderung großer Gasvolumenströme.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den mehrstufigen thermischen Prozeß in allen Bereichen unter definierten Bedin­ gungen zu fahren, um bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Zusammensetzungen der Reaktionsraumatmosphä­ re, die Menge und die Zusammensetzung der Prozeßgase beeinflus­ sen zu können.

Damit soll unter anderem die Voraussetzung dafür geschaffen werden, daß die in einem bestimmten Temperaturbereich aus schadstoffhaltigen Kohlenwasserstoffverbindungen entstehenden Prozeßgase gesondert abgezogen werden können, um nur einen be­ grenzten Volumenstrom einer Gasreinigung zuführen zu müssen.

Desweiteren ist im Interesse eines optimierten Wärmeübergangs im Rahmen der Aufheizung des Einsatzmaterials eine direkte Beheizung ohne andere verfahrenstechnische Nachteile anzustre­ ben.

Als weitere Aufgabe ist die Vermeidung von Reststoffen zu se­ hen, das heißt, aus dem Prozeß sollen möglichst nur anorgani­ sche, zum größten Teil sekundärrohstofflich verwertbare Materi­ alfraktionen entstehen.

Lösung

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer fraktionierten und damit mehrstufigen thermischen Zerset­ zung bei verschiedenen Temperaturen in verschiedenen, durch Verschlußelemente getrennten Reaktionsräumen Prozeßgase unter­ schiedlicher, jedoch jeweils definierter Zusammensetzung er­ zeugt und getrennt abgezogen werden und daß aus dem bei der thermischen Zersetzung entstandenen oder bereits ursprünglich vorliegenden Kohlenstoffin unmittelbar anschließenden Prozeß­ stufen durch Oxidation (Vergasung) Prozeßgas und Aschen ent­ stehen und die anorganischen Materialkomponenten, zum Beispiel Metalle, als Sekundärrohstoffe vorliegen (siehe Anspruch 1).

Als Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens kommen Konstruktionsvarianten von sogenannten Durch­ lauföfen zum Einsatz, die in ihrer Grundkonzeption dem Stand der Technik entsprechen, für die prozeßtechnischen Ansprüche jedoch zu optimieren sind.

Die Optimierung konzentriert sich auf die Rohr-, Armaturen- und Gasfördertechnik im Rahmen der Prozeßgasführung.

Dabei sind die Erfordernisse der direkten Beheizung durch einen Prozeßgaskreislauf zu erfüllen. Ein Teilstrom der Prozeßgase wird außerhalb der Reaktionsräume in einem ersten Wärmetauscher vorgeheizt, damit im nachgeschalteten Heißgasgebläse keine Kondensatbildung erfolgt. Nach dem Heißgasgebläse übernimmt ein weiterer Wärmetauscher die Aufheizung auf Heizgastemperatur von zum Beispiel 700°C. Die aufgeheizten Prozeßgase werden in den jeweiligen Reaktionsraum zurückgeführt.

Die Wärmeenergie für die Wärmetauscher (Rekuperatoren) liefert das bei der Verbrennung eines Teilstroms der Prozeßgase erzeug­ te Verbrennungsgas mit Temperaturen bis zum Beispiel 1300°C.

Der indirekten Beheizung aller Reaktionsräume dienen Strahlroh­ re, die vorzugsweise mit dem vorgenannten Verbrennungsgas oder alternativ mit Primärbrennstoff beheizt werden. Als weiteres Element der indirekten Beheizung wird der für alle Reaktions­ räume vorgesehene Doppelmantel bezeichnet, der mit dem unter den vorgenannten Bedingungen erzeugten Verbrennungsgas beauf­ schlagt wird.

Die Einsatzstoffe als Verbundmaterial werden im Normalfall ohne Vorbehandlung in Behältnissen chargiert, zum Beispiel Stahl­ blechwannen, und in einen Durchlaufofen, der als mehrkammeriger Durchlaufreaktor konzipiert ist, aufgegeben.

Als Materialbeispiele werden benannt:
Materialverbund organisch-anorganisch
+ Elektro- und Elektronikschrott
+ Bauteile und Werkstücke im Materialverbund Kautschuk/Metall, Kunststoff/Metall
+ Kunststoffkaschierte Metallfolien
+ Gebrauchte Verbundmaterial-Verpackungen
+ Fe- und NE-Schrott in einem Gemisch oder mit anhaftenden organischen Stoffen (z. B. Kunststoffe, Kautschuk) Materialverbund organisch-organisch
+ beschichtetes Altholz
+ imprägniertes Altholz
über Schub- oder Stoßvorrichtungen erfolgt der Durchlauf der mit dem Einsatzstoffen beladenen Behältnisse, beginnend mit der Aufgabeschleuse durch die verschiedenen Reaktionsräume bis zur Materialaustragsschleuse. Die Schleusen und Reaktionsräume sind durch gasdichte Verschlußelemente getrennt.

Der Teilstrom der Prozeßgase, der aufgrund der prozeßbedingten Gasproduktion aus dem vorbeschriebenen Prozeßgaskreislauf abge­ zogen werden muß, gelangt in eine Spezialbrennkammer, die eine Verbrennung im Hochtemperaturbereich ermöglicht, zur oxidieren­ den Verbrennung. Das dabei erzeugte Verbrennungsgas wird zur Beheizung des beschriebenen, mehrkammerigen Durchlaufreaktors. eingesetzt.

Erzielbare Vorteile

Gegenüber den bisher bekannten Verfahren der thermischen Zerle­ gung von Verbundmaterial zeigen sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren drei Hauptvorteile:

• 1. Durch den Einsatz eines mehrkammerigen Durchlaufreaktors ist eine definierte Prozeßführung in Bezug auf die jewei­ lige Reaktionsraumatmosphäre, die Reaktionsraum- und damit Zerlegungstemperatur und auf die Auswahl der Beheizungs­ kriterien ermöglicht.
• 2. Die definierte Prozeßführung gestattet die fraktionierte Erzeugung von Prozeßgasen und damit die separate Erfassung von schadstoffhaltigen Prozeßgasen und deren Behandlung im Sinne einer Minimierung von Schadstoffemissionen.
• 3. Die prozeßtechnischen Möglichkeiten gemäß Ziffer 1. erlau­ ben eine Oxidation des Kohlenstoffs im Sinne einer prozeß­ integrierten Reststoffminimierung und Separation sekundär­ rohstofflich zu verwertender Materialfraktionen.

Claims (9)

1. Thermisches Verfahren zur Trennung des Materialverbundes organisch-metallisch, zum Beispiel Kunststoff-Metall, oder organisch-anorganisch, zum Beispiel Kunststoff-Keramik, Kunststoff-Glas, oder organisch-organisch, wobei letztere Kombination durch deutlich unterschiedliche, stoffliche Eigenschaften gekennzeichnet ist, im Interesse der stoff­ lichen und energetischen Verwertung der Verbundmaterial­ komponenten, dadurch gekennzeichnet, daß in einer fraktionierten und damit mehrstufigen, ther­ mischen Zersetzung bei verschiedenen Temperaturen Prozeß gase unterschiedlicher, definierter Gaszusammensetzung erzeugt und getrennt abgezogen werden und daß aus dem bei der thermischen Zersetzung stammenden Kohlenstoff (Koks) in unmittelbar anschließenden, thermischen Prozeßstufen durch Oxidation (Vergasung) Prozeßgas und Aschen entstehen und die anorganischen Materialkomponeneten, zum Beispiel Metalle, als Sekundärrohstoffe vorliegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung vorzugsweise in einer Vor­ richtung abläuft, die sich als mehrkammeriger Durchlaufre­ aktor darstellt und einen quasikontinierlichen, zum Bei­ spiel "Taktbetrieb" ermöglicht, bei dem das Einsatzmate­ rial, in speziellen Behältnissen chargiert, die verschie­ denen Prozeßstufen in durch gasdichte Verschlußelemente getrennten Reaktionsräumen durchläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß schadstoffhaltige, zum Beispiel halogenierte, Prozeß­ gase fraktioniert abgezogen und einer Schadstoffabschei­ dung zugeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß schadstoffarme bis schadstofffreie Prozeßgasfraktionen aus der thermischen Behandlung in einer Verbrennungsein­ richtung zur Erzeugung der für endotherme Aufheizvorgänge und Prozeßstufen erforderlichen Prozeßwärme eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die direkte Beheizung durch die Kreislaufführung eines Teilstroms der Prozeßgase mit äußerer Überhitzung in einem mit Prozeßgasen oder Fremdbrennstoff beheizten Rekuperator und eine zusätzliche, indirekte Beheizung durch verbren­ nungsgas- oder brennstoffbeheizte Strahlrohre innerhalb der Reaktionsräume oder einen verbrennungsgasbeheizten Doppelmantel erfolgt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur direkten, konvektiven Beheizung aus den Reak­ tionsräumen abgezogenen Prozeßgase als Teilstrom im Kreis­ lauf geführt werden und in einer äußeren, apparativen Ein­ richtung durch einen Vorheizwärmetauscher zur Vermeidung von Kondensatbildung, ein Heißgasgebläse und einen Überhitzungswärmetauscher in die Reaktionsräume zurückge­ langen, wobei die beiden genannten Wärmetauscher vorzugs­ weise mit Zersetzungsgas beheizt werden, das in der dem Gesamtsystem zugeordneten Verbrennungsanlage verbrannt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oxidation (Vergasung) des ursprünglich vorhandenen oder bei der thermischen Zersetzung entstandenen Kohlen­ stoffs (Koks) in einem nachgeschalteten Prozeß erfolgt, um zum Beispiel im Koks fein verteilte Wertstoffe (Edelme­ talle) zurückzugewinnen, wobei hierfür ein durch äußere Beheizung endotherm geführter Prozeß unter Einsatz von zum Beispiel Kohlendioxid oder Wasser als Vergasungsmittel abläuft, um Temperaturspitzen oberhalb der Schmelzpunkte der zu gewinnenden Metalle zu vermeiden und damit Verpackungen durch Anschmelzen auszuschließen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung sowohl in einer in Prozeßzo­ nen unterteilten, apparativen Einheit als auch in ge­ trennten Vorrichtungen abläuft.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß fremdstoffhaltige Prozeßgase aus der thermischen Be­ handlung in nachgeschalteten, apparativen Vorrichtungen derart chemisch-physikalisch behandelt werden, daß der hier als Schadstoff vorliegende Fremdstoffanteil als ver­ wertbarer Stoff, zum Beispiel bei chlorhaltigen Prozeßga­ sen Chlorwasserstoff, in wiederverwendbarer Form gewonnen werden kann.