DE60104724T2 - Anlage zur thermischen behandlung von materialien und verfahren dafür - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Wärmebehandlung von Material, insbesondere von heterogenem Abfallmaterial, und auf das diesbezügliche Betriebsverfahren.
- Die Behandlung von heterogenem Abfallmaterial, das insbesondere aus der Elektronikindustrie stammt, ist derzeit höchst problematisch. Aufgrund der Komplexität dieser Materialien, deren Halogen-, insbesondere Chlor- und Brom-, Gehalt und der Mischung von Duroplasten und Thermoplasten, ist eine direkte saubere Umwandlung nicht wirklich durchführbar: insbesondere sind weder eine Umwandlung in thermischen Anlagen aufgrund des hohen Halogengehalts, noch eine Ablagerung aufgrund der hohen Kosten möglich.
- Bisher fand eine manuelle Trennung dieser Abfallmaterialien statt. Diese Vorgehensweisen sind jedoch arbeitsintensiv und in jedem Fall auf stark integrierte Vorrichtungen, wie z.B. edelmetallhaltige elektronische Platten und Karten, deren Rückgewinnung wirtschaftlich interessant ist, schwierig anzuwenden.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Anlage und des diesbezüglichen Betriebsverfahrens, welche eine zweckmäßige Behandlung von Material, insbesondere des obenstehend erwähnten heterogenen Abfallmaterials, ermöglichen.
- Erfindungsgemäß wird dieser Zweck mittels einer Anlage und ihres Betriebsverfahrens erfüllt, welche die in einem der nachfolgenden Ansprüche angegebenen Merkmale aufweisen.
- Vorteile und charakteristische Eigenschaften der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervor, welche anhand eines nicht einschränkend gedachten Beispiels dargelegt ist, und zwar unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen, wobei:
-
1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage ist, -
2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage ist, -
3 eine Schnittansicht gemäß Linie III-III der2 ist, -
4 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage ist, -
5 eine Schnittansicht gemäß Linie V-V der4 ist, -
6 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage ist, und -
7 eine schematische Ansicht einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage ist. - Eine Anlage für die Wärmebehandlung von Material, insbesondere die Pyrolyse von Abfallmaterial, umfasst (
1 ) eine Reaktionszone10 innerhalb eines gasdichten zylindrischen Drehofens12 , welcher eine im Wesentlichen horizontale Achse hat und um seinen Mantel herum mit ersten Heizmitteln14 , wie z.B. elektrischen Widerständen, ausgestattet ist. - Eine Schnecke
16 ist im Ofen12 , entlang von dessen Längsachse, drehbar angebracht. Die Schneckenwelle20 ist hohl und in ihrem inneren Hohlraum mit zweiten Heizmitteln18 , wie z.B. elektrischen Widerständen, ausgestattet. Überdies ist die Welle20 an ihren Enden mit Öffnungen22 für den Eintritt eines. Gases, beispielsweise eines Spülgases wie z.B. Methan, Stickstoff oder Wasserstoff, versehen, und an ihrer Oberfläche mit einer Mehrzahl von porösen gesinterten Platten oder Einlagen24 aus Metall oder Keramik, die den Eintritt des Gases in die Reaktionszone10 ermöglichen. Alternativ könnte ein solches Gas ein Verbrennungsförderer wie z.B. Sauerstoff sein, falls Verbrennungsreaktionen gewünscht sind. Wiederum alternativ könnten die Öffnungen22 und porösen Platten24 zum Absaugen aus der Reaktionszone10 verwendet werden, um im Ofen12 Behandlungen unter Vakuum durchzuführen. - Eine Mehrzahl von wärmeleitenden Partikeln ist innerhalb der Reaktionszone
10 bewegbar. Solche Partikel sind vorzugsweise Kugeln26 , z.B. aus Metall, Keramik oder SiC, und können eine funktionalisierte, z.B. katalytische, Oberfläche aufweisen. - Zwischen der Spitze (bzw. dem Kamm) des Schneckengewindes
29 und der Innenfläche der Wand des Ofens12 ist ein radialer Spielraum28 vorhanden, welcher kleiner als der Durchmesser der Kugeln ist. - Der Ofen
12 ist weiters mit einer Öffnung30 für den Eintritt der Kugeln und der zu verarbeitenden Materialien, einer weiteren Öffnung32 für deren Austritt und Öffnungen34 für den Austritt gasförmiger Substanzen versehen. Alternativ könnten separate Öffnungen für den Eintritt der Kugeln26 und der zu verarbeitenden Materialien vorgesehen sein. Überdies sind der Ofen12 und die dazugehörige Schraube16 mit gasdichten Einbauten36 mit Vorrichtungen wie z.B. zusammenschiebbaren Abdichtungssystemen versehen, welche die unterschiedliche Wärmedehnung ausgleichen können. - Die (aus Gründen der Klarheit in den Zeichnungen nicht dargestellten) Materialien, die mittels der soeben beschriebenen Anlage verarbeitbar sind, können von verschiedener Art sein: z.B. Gummi, Elastomere, Reifen, Thermoplasten, Duroplasten, Erdreich, kontaminiertes Erdreich, Verbundmaterialien, Schredderfraktionen von Elektronikabfällen aus der Industrie und von Haushalten, welche Polymermaterialien und Halogenverbindungen enthalten, Biomasse, Stroh, Holz, verschmutztes Holz, Kohlefaserverbundstoffe und Mischungen davon. Auch die Konsistenz solcher Materialien kann verschieden sein: z.B. klebrige oder nicht klebrige Materialien, viskoses und hochviskoses Material mit einem hohen Gehalt an Metall und/oder inerten Bestandteilen, Verbundmaterialien, Pulver, feuchte Materialien, partikuläre Materialien und Mischungen von Materialien mit unterschiedlichen Konsistenzen.
- Während des Betriebs wird eine Zufuhr eines mit den Kugeln
26 vermischten Materials durch die Öffnung30 in den Ofen12 gespeist. Alternativ könnten das zu verarbeitende Material und die Kugeln26 durch verschiedene Öffnungen eingespeist werden. Das Vorhandensein der ersten und der zweiten Heizmittel14 ,18 sowie der wärmeleitenden Kugeln26 gestattet das Erreichen einer im Wesentlichen gleichmäßigen Temperatur von z.B. etwa 330°C im gesamten Querschnitt des Ofens12 sowie in dessen Längsachse, welche Gleichmäßigkeit dafür entscheidend ist, dass z.B. nur die gewünschten chemischen Reaktionen einer Pyrolyse und Dehalogenierung stattfinden. - Katalysatoren und/oder Scavenger – wie z.B. CaO, CaCO3, Natriumsilicate und Basen im Allgemeinen – die zum Erhalt einer weiteren Verringerung der Halogene und der Halogenfraktion im Endprodukt geeignet sind, können zu den zu verarbeitenden Materialien hinzugefügt werden.
- Aufgrund der Drehung der Schnecke
16 werden die Kugeln26 nach vorne geschoben und säubern die Innenwand des Ofens12 sowie die Platten24 von klebrigem Material sogar dann, wenn der Spielraum28 das Abkratzen einer solchen Innenwand durch die Spitze des Schneckengewindes29 verhindert. Der Spielraum28 bietet den Vorteil, das Entweichen des Spülgases sowie der gasförmigen Reaktionsprodukte wie z.B. HCl hin zu den Öffnungen34 zuzulassen. Dieses Merkmal verhindert, dass in der Gasphase möglicherweise unerwünschte Folgereaktionen stattfinden. - Die Schnecke
16 kann getrennt vom Ofen12 angetrieben werden, so dass es unter Einsatz von z.B. umgekehrten Drehrichtungen des Ofens12 und der Schnecke16 möglich ist, lange Retentionszeiten in Verbindung mit einer guten Durchmischung zu erhalten. - Das verarbeitete Material tritt zusammen mit den Kugeln
26 durch die Öffnung32 aus dem Ofen12 aus. Die Kugeln26 können daraufhin abgetrennt und gemäß Technologien, die dem Fachmann wohlbekannt sind, rückgeführt werden, während das verarbeitete Material, welchem beinahe die gesamte schädliche Halogenfraktion entzogen wurde, d.h. das dekontaminiert und entgiftet wurde, weiteren Behandlungen unterzogen werden kann. - Die
2 und3 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage, bei der die Schnecke16 in Bezug auf die Achse des Ofens12 außermittig und näher zu dessen Boden angebracht ist. Folglich hat der Spielraum28 seine Mindestbreite in seinem Bodenabschnitt, wobei diese kleiner als der Durchmesser der Kugeln26 ist. Die restlichen Strukturmerkmale der Anlage und von deren Betrieb stimmen mit jener überein, die unter Bezugnahme auf1 veranschaulicht ist. - Die
4 und5 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage, welche zusätzlich Mittel zum Ermöglichen der direkten Rückführung der Kugeln26 ohne deren Austritt aus dem Ofen12 umfasst. Insbesondere ist der innere Hohlraum der Schneckenwelle20 mit Öffnungen38 ,40 für den radialen Eintritt bzw. Austritt der Kugeln26 versehen. Die Austrittsöffnung40 steht mit einer stromaufwärts von der Reaktionszone10 gelegenen, ersten Kammer42 in Verbindung, während die Eintrittsöffnung38 mit einer stromabwärts von der Reaktionszone10 gelegenen, zweiten Kammer44 in Verbindung steht, deren Boden durch ein Gitter46 verschlossen ist. Eine als Schiene48 geformte Vorrichtung befindet sich in der Kammer44 und gestattet das Leiten der Kugeln26 hin zu den Eintrittsöffnungen38 . Die Enden des Hohlraums in der Schneckenwelle20 sind durch entsprechende Stöpsel50 verschlossen, welche entfernt werden können, um den Austausch möglicherweise beschädigter Kugeln26 zu ermöglichen. Weiters kann das Entfernen der Stöpsel50 die äußere Rückführung der Kugeln26 ermöglichen. - Während des Betriebs fallen die Kugeln
26 durch die Öffnungen40 aus dem inneren Hohlraum der Welle20 in die erste Kammer42 und werden durch die Drehung der Schnecke16 in die Reaktionszone10 geleitet. An deren Ende treten die Kugeln26 in die zweite Kammer44 , wo sie vom Gitter46 gehalten werden, während der Rest des verar-beiteten Materials durch dieses hindurchfallen kann. Die Kugeln26 werden durch die Vorrichtung48 zu den Öffnungen38 geleitet, so dass sie wieder in den inneren Hohlraum der Welle20 eintreten können, aus dem sie wiederum durch die Öffnungen40 ausgestoßen werden können und so weiter. Demgemäß wird eine beträchtliche Energieeinsparung erzielt, da die Wärmeenergie der Kugeln26 nicht verschwendet, sondern stetig wiederverwendet wird. -
6 offenbart eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage, bei der durch aufeinanderfolgende Abschnitte desselben Drehofens12 eine Kaskade von zwei Reaktionszonen10a ,10b gebildet ist. Solche Zonen10a ,10b sind durch ein Zwischenteil52 des Ofens12 getrennt, wobei die Spitze des Schneckengewindes29 im Wesentlichen an der Innenfläche der Wand des Ofens12 anliegt. In diesem Fall ist die Schnecke16 entlang der Längsachse des Ofens12 zentriert. Weiters ist der innere Hohlraum in der Schnecke16 durch eine Platte54 in zwei getrennte Unterhohlräume geteilt, welche mit entsprechenden unabhängigen zweiten Heizmitteln18a ,18b versehen sind, während die ersten Heizmittel14 unabhängig voneinander in Übereinstimmung mit den beiden Zonen10a ,10b einstellbar sind. - Demgemäß kann durch eine geeignete Anpassung der Heizmittel
14 ,18a ,18b in den beiden Reaktionszonen10a ,10b ein unterschiedliches Wärmeprofil hergestellt werden. - Daher können die enthalogenierten Materialien, die aus der ersten Zone
10a eintreffen – welche im Wesentlichen dieselbe Funktion wie der in1 dargestellte gesamte Ofen12 hat – beispielsweise einer höheren Temperatur von z.B. etwa 380°C ausgesetzt werden, um durch Pyrolyse Monomerverbindungen wie z.B. Styrol herzustellen, welche im gasförmigen Zustand aus der Öffnung34 austreten und in weiteren Industrieprozessen als Rohmaterialien verwendet werden können. -
7 offenbart eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage, bei der eine Kaskade von drei Reaktionszonen10a ,10b ,10c gebildet ist, und zwar durch entsprechende separate Öfen12 , die durch entsprechende Vorrichtungen56 – z.B. in Form von Rohren – in Serie verbunden sind, wodurch das Übertragen von aus einem stromaufwärtigen Ofen12 austretenden Materialien als Zufuhr für einen stromabwärtigen Ofen ermöglicht wird. Die Schnecken16 sind als entlang der Längsachsen der jeweiligen Öfen12 montiert dargestellt, sie könnten jedoch in Bezug auf diese genausogut außermittig angebracht sein. Weiters könnten die Öfen12 mit Vorrichtungen zum Rückführen der Kugeln26 versehen sein, so wie jene, die in den4 und5 dargestellt ist. - Tatsächlich können in den ersten beiden Öfen
12 dieselben Prozessbehandlungen wie in der ersten und in der zweiten Reaktionszone10a ,10b der in6 dargestellten Anlage stattfinden, während die verarbeiteten Materialien im dritten Ofen12 einer noch höheren Temperatur von z.B. etwa 440°C ausgesetzt werden. - Demgemäß produziert die im dritten Ofen
12 definierte Reaktionszone10c eine gasförmige aliphatische Fraktion (siehe Pfeil58 ) und einen Rückstand (siehe Pfeil60 ), der im Wesentlichen frei von schädlichen Verbindungen ist und in Abhängigkeit von der Qualität der Zufuhr Edel- und/oder Eisen- und/oder Nichteisenmetalle enthält. Letztere können zweckmäßigerweise und kostengünstig rückgewonnen werden, da sie nunmehr bereits von den meisten Materialien mit unterschiedlicher Beschaffenheit getrennt sind. - Einige nicht einschränkend gedachte Beispiele für eine Wärmebehandlung durch Verwendung der obenstehenden Anlagen sind im Folgenden geoffenbart:
- Beispiel 1
- Ein Fraktion aus Bildschirmen und Gehäusen von Computern und Computer-Towern ohne Schaltplatten oder große Metallstücke mit einem Chlor- und Bromgehalt von insgesamt 2,4 Gew. %, geringem Metallgehalt und größtenteils Duroplasten wie ungesättigten Polyestern und Epoxyharzen als Polymerfraktion wird in einer Stufe bei einer Temperatur von etwa 400°C pyrolysiert, und zwar in einer Anlage eines Verarbeitungstyps, welcher mit jenem vergleichbar ist, der bezüglich der in
1 dargestellten Anlage geoffenbart ist, wobei Stickstoff als inertes Strippergas verwendet wird. Zu den verarbeiteten Materialien werden keine Halogenspülmittel hinzugefügt. - Während der Pyrolyse wird aufgrund des Vorhandenseins von Epoxy- und Phenolharzen eine erhebliche Menge an Sauerstoff und Phenolen erzeugt.
- Trotz dieser ungünstigen Betriebsbedingungen wird ein Ölprodukt mit einem überraschend niedrigen Pegel an Halogenverbindungen, wie z.B. chlorierten Biphenylen PCBs, Dioxinen PCCDs und Furanen PCDF, erhalten. Durch Anwendung eines Nachweisverfahrens zur Bestimmung von PCBs, PCCDs und PCDFs, wie des Verfahrens, das in der USEPA 8280A, 8290, geoffenbart ist, wird das Vorhandensein von nur 1 mg/g PCBs nachgewiesen.
- Beispiel 2
- Dieselben Ausgangsmaterialien, die in Beispiel 1 betrachtet wurden, werden in einer Anlage, die mit den Anlagen des in
6 dargestellten Typs vergleichbar ist, bei Temperaturen von etwa 330°C bzw. 400°C einer zweistufigen Pyrolysebehandlung unterzogen. Das Verfahren ermöglicht den Erhalt einer geringen Menge eines ersten Produkts, das Öl mit hohem Halogengehalt (> 2 Gew.%) umfasst, aus der Headspace-Phase der ersten Reaktionszone und einer großen Menge eines zweiten Produkts, das Öl mit geringem Halogengehalt (0,002–0,2 Gew.%) umfasst, aus der Headspace-Phase der zweiten Reaktionszone. Das erste Produkt wird geeigneterweise in einer oxidativen Gegenstrom-Einheit des in der US-A-6 100 440 geoffenbarten Typs verarbeitet. Das zweite Produkt wird geeigneterweise mit einem Dehalogenierungsmittel, wie z.B. einem Alkali- oder Erdalkalimetall, einem Polyalkylenglycol, einem Nixolens (eingetragene Marke), einem Hydroxid oder einem C1-C6-Alkoholat eines Alkali- oder Erdalkalimetalls, verarbeitet, wie in der EP-A-675 748 geoffenbart. Die beiden verarbeiteten Produkte weisen einen sehr geringen Halogengehalt von z.B. weniger als 0,0002 Gew.% auf und können beispielsweise für die Erzeugung von Elektrizität oder die Destillation für eine Momomerrückgewinnung verwendet werden. - Beispiel 3
- Das Ölprodukt aus Beispiel 1 wird mit den in der EP-A-675 748 geoffenbarten Dehalogenierungsmitteln behandelt, um die restlichen Halogenverbindungen in organische Verbindungen und anorganische Halogensalze umzuwandeln. Letztere werden danach unter Verwendung von AgNO3 gefällt, wodurch ein endgültiges Ölprodukt mit einem Halogengehalt < 0,0002 Gew.% erhalten wird. Ein solches Endprodukt kann für die Erzeugung von Elektrizität verwendet werden, welche beispielsweise für die Heizung der Anlage und eine Elektrolysebehandlung zur Rückgewinnung des gefällten Ag eingesetzt wird, so dass das gesamte Verfahren energetisch selbsterhaltend ist.
- Die Erfindung ist durch die angeschlossenen Ansprüche definiert, und die Konstruktionsdetails und Ausführungsformen können in Bezug auf jene, die rein anhand eines Beispiels beschrieben sind, weitgehend variiert werden. Insbesondere die Längsachse des Ofens (der Öfen) ist nicht notwendigerweise horizontal, sondern kann in Bezug auf eine Horizontalebene um bis zu ± 45°, vorzugsweise um bis zu ± 15°, geneigt sein.
Claims (18)
- Anlage zur Wärmebehandlung von Material, insbesondere von Abfallmaterialien, umfassend zumindest eine Reaktionszone (
10 ,10a ,10b ,10c ) innerhalb eines Drehofens (12 ), dessen Längsachse in Bezug auf eine Horizontalebene in einem Winkel im Bereich von 0° ± 45° geneigt ist und der mit ersten Heizmitteln (14 ) und zumindest einer Drehschnecke (16 ) mit zweiten Heizmitteln (18 ) ausgestattet ist, wobei die Schneckenwelle (20 ) hohl ist und zumindest örtlich Öffnungen aufweist, welche die Gasströmung aus der und/oder in die Reaktionszone (10 ,10a ,10b ,10c ) ermöglichen, und eine Mehrzahl von wärmeleitenden Partikeln innerhalb der Reaktionszone (10 ,10a ,10b ,10c ) bewegbar ist. - Anlage gemäß Anspruch 1, wobei diese Partikel Kugeln (
26 ) sind. - Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel aus Metall, Keramik und/oder SiC bestehen.
- Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel eine funktionalisierte Oberfläche aufweisen.
- Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Längsachse des Ofens in Bezug auf eine Horizontalebene in einem Winkel im Bereich von 0° ± 15° geneigt ist und vorzugsweise im Wesentlichen horizontal ist.
- Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schnecke (
16 ) in Bezug auf die Längsachse des Ofens (12 ) außermittig und näher zum Boden des Ofens (12 ) angebracht ist. - Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schnecke (
16 ) entlang der Längsachse des Ofens (12 ) angebracht ist. - Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Reaktionszone (
10 ,10a ,10b ,10c ) zwischen der Spitze des Schneckengewindes (29 ) und der Innenfläche der Wand des Ofens (12 ) ein radialer Spielraum (28 ) vorhanden ist, welcher zumindest in seinem unteren Teil kleiner als der Durchmesser der Kugeln (26 ) ist. - Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche mit Mitteln zum Zurückführen der wärmeleitenden Partikel ausgestattet ist.
- Anlage gemäß Anspruch 9, wobei die Mittel zum Zurückführen zumindest eine entsprechende Öffnung für den radialen Austritt (
40 ) und Eintritt (38 ) der Partikel aus dem bzw. in den inneren Hohlraum der Schneckenwelle (20 ) umfassen, wobei die Austrittsöffnung (40 ) mit einer stromaufwärts von der Reaktionszone (10 ,10a ,10b ,10c ) gelegenen, ersten Kammer (42 ) in Verbindung steht und die Eintrittsöffnung (38 ) mit einer stromabwärts von der Reaktionszone (10 ,10a ,10b ,10c ) gelegenen, zweiten Kammer (44 ) in Verbindung steht, in welcher Kammer (44 ) sich eine Vorrichtung (48 ) zum Leiten der Partikel hin zur Eintrittsöffnung (38 ) befindet. - Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schneckenwelle (
20 ) an ihrer Oberfläche mit einer Mehrzahl von porösen gesinterten Platten oder Einlagen (24 ) versehen ist, welche den Durchgang des Gases ermöglichen. - Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Kaskade von Reaktionszonen (
10a ,10b ,10c ) umfasst. - Anlage gemäß Anspruch 12, wobei die Reaktionszonen (
10a ,10b ,10c ) durch aufeinanderfolgende Abschnitte desselben Drehofens (12 ) gebildet sind, welche durch entsprechende Zwischenteile (52 ) des Ofens (12 ) getrennt sind, wobei die Spitze des Schneckengewindes (29 ) im Wesentlichen an der Innenfläche der Wand des Ofens (12 ) anliegt. - Anlage gemäß Anspruch 12, wobei die Reaktionszonen (
10a ,10b ,10c ) innerhalb separater Öfen (12 ) gebildet sind, welche durch entsprechende Vorrichtungen (42 ) in Serie verbunden sind, wodurch das Übertragen von aus einem stromaufwärtigen Ofen (12 ) austretenden Materialien als Zufuhr für einen stromabwärtigen Ofen ermöglicht wird. - Verfahren zum Betrieb einer Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, für die Wärmebehandlung von Materialien, insbesondere die Pyrolyse von Abfallmaterialien.
- Verfahren gemäß Anspruch 15, dessen Produkt einer oxidativen Gegenstrom-Dehalogenierung unterzogen wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 15, dessen Produkt einer Behandlung mit einem Dehalogenierungsmittel, wie z.B. einem Alkali- oder Erdalkalimetall, einem Polyalkylenglycol, einem Hydroxid oder einem C1-C6-Alkoholat eines Alkali- oder Erdalkalimetalls, unterzogen wird.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei Katalysatoren und/oder Scavenger verwendet werden, um beim Endprodukt eine weitere Verringerung der Halogene und der Halogenfraktion zu erzielen.
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