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Die Verwertung von verschmutzten und gemischten KStoffabfällen durch direktes Umschmelzen ist problematisch, da sich solche Produkte nur im geringem Umfang absetzen lassen. Deshalb gewinnt die Aufbereitung stetig an Bedeutung.
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Anlage und Verfahrensablauf:
Grobzerkleinerung (Shredder) Metallabscheidung (Transportband mit integriertem Metallsuchgerät) weitere Zerkleinerung (Schneidmühle ev. Naßmahlung bei starker Verschmutzung) Wasch- u. Sortieranlage (Schwimm- u. Sinkprinzip, Hydrozyklon) Silomischer (Chargenmischung) Agglomerieren und Regranulieren (Extruder, wichtig: Schmelzefilterung, Siebwechselsystem, Heißabschlag od. Kaltgranulierung)
4.1 Metallabscheiden
Vor dem Zerkleinern von KStoffabfällen auf Schneidmühlen empfiehlt sich die Entfernung von Metallverunreinigungen. Dies ist zur Schonung der Schneidmesser in den Mühlen, aber auch von Extruderschnecken oder Preßwerkzeugen in nachgeschalteten Verarbeitungsstufen erforderlich.
4.1.1 Magnetscheider
Mit Magnetscheidern lassen sich nur ferromagnetische Metalle oder Legierungen dieser Metalle abscheiden. Auf ferromagnetische Metalle wird dabei in einem Magnetfeld eine Kraft ausgeübt, welche deren Abscheidung bzw. Zurückhaltung bewirkt.
4.1.1.1 Überbandmagnet
Überbandmagnete werden eingesetzt, wenn die Altkunststoffe nur wenig Eisenteile enthalten. Sie können mit einem querlaufenden Band ausgerüstet sein, welches die entfernten Eisenteile austrägt.
Abbildung 4: Überbandmagnet
4.1.1.2 Trommelmagnet
Trommelmagnete eignen sich zur kontinuierlichen Eisenabscheidung und werden an Förderbändern installiert. Magnettrommeln bestehen aus einer unmagnetischen Trommel und einem feststehenden, kreissegmentförmigen Magnet. Der unmagnetische KStoffabfall wird am Förderbandende in üblicher Art abgeworfen, Eisenteile dagegen werden durch das Magnetfeld festgehalten und erst eine Viertelumdrehung später freigegeben.
Abbildung 5: Trommelmagnet
4.1.2 Metallsuchgeräte
Metallsuchgeräte sprechen auf ferromagnetische Metalle und Nichteisenmetalle an. Sie arbeiten meist nach induktivem Prinzip. Dazu wird der KStoff durch das Feld einer Induktionsschleife geführt. Dringt ein Metallteil in dieses Feld, so entstehen infolge von Wirbelströmen Feldverluste, die sich in ein elektrisches Schaltsignal umsetzen lassen. Zur Entfernung der metallischen Verunreinigungen werden als Ausstoßvorrichtungen Weichen, Pendelrohre und Preßluftinjektoren eingebaut. Bei diesen Methoden werden relativ große Mengen an KStoffteilchen mit ausgeschleust.
4.1.2.1 Wirbelstromabscheider
Abbildung 6: Wirbelstromabscheider (schematisch)
Bei diesen erst seit einigen Jahren in voll funktionstüchtiger Ausführungen erhältlichen Abscheidern induziert eine schnellumlaufende Magnetrolle in den NE- Metallen Wirbelströme. Jeder Wirbelstrom erzeugt ein eigenes Magnetfeld, das dem angelegten Magnetfeld entgegengesetzt gerichtet ist. Als Folge werden die Verunreinigungen am Förderbandabwurf weggestoßen.
4.2 Zerkleinern
Wichtigste Grundoperation beim KStoffrecycling ist das Zerkleinern. Erst danach kann man die möglichst gleich großen KStoffteilchen auf wirtschaftliche Weise reinigen, sortieren und granulieren.
Die Auswahl und die Entscheidung für eine bestimmte Zerkleinerungsmaschine werden bestimmt von den Eigenschaften der zu verarbeitenden KStoffe. Zusätzlich spielen natürlich auch wirtschafltliche Überlegungen eine wichtige Rolle. Praktisch wird die Auswahlentscheidung am besten aufgrund von Mahlversuche mit Original- KStoffabfällen getroffen.
Abbildung 7: Zerkleinerungsaggregate für KStoffabfälle
4.2.1 Grobzerkleinerung
4.2.1.1 Shredder
Das von Walzen vorverdichtete Aufgabegut wird an einer Amboßkante durch Hämmer, die an einem langsamdrehenden Rotor befestigt sind, in kleine Stücke gerissen. Oberhalb des Rotors befindet sich ein Siebrost, der grobe Abfallbrocken zurückhält, bis sie ausreichend zerkleinert sind. Schwere Teile werden vom Rotor nach außen gefördert und ausgetragen. Leichtstoffe wie KStoffe, Textilien oder Papier führt der entstehende Luftstrom nach oben ab.
4.2.1.2 Guillotinescheren
Guillotinescheren dienen zur Vorverkleinerung großer Blöcke, Faser- oder KStoffballen. Die Zu- und Abführung der Produkte erfolgt mit Förderbändern. Ein Hydraulikstempel bzw. beidseitig angeordnete Hydraulikstempel bewegen einen Messerträger gegen einen Amboß, am dem der Zerkleinerungsschnitt erfolgt.
Abbildung 8: Vollautomatisches Guillotinesystem
4.2.1.3 Schneidwalzenzerkleinerer
Für das KStoffrecycling werden gewöhnlich zweiwellige Maschinen eingesetzt. Die beiden Walzen sind mit gezahnten Scheiben besetzt und drehen sich langsam gegeneinander. Der von oben aufgegebene KStoffabfall wird von den gezahnten Scheiben erfaßt und in 15 - 50 mm große Stücke gerissen.
Abbildung 9: Schneidwalzenvorzerkleinerer
4.2.2 Mittelzerkleinerung
4.2.2.1 Schneidmühlen
Schneidmühlen haben bei der Aufbereitung von KStoffabfällen zentrale Bedeutung erlangt. Sie werden verwendet zur Zerkleinerung von Massivteilen, Hohlkörpern und Folien, aber auch von Verbundmaterialien. Geeignet für zähe und elastische KStoffe (z.B. PVC, PE, PP, PA). Die Zerkleinerung des Aufgabegutes erfolgt durch Schnitt zwischen schnellaufenden Rotor- und feststehenden Statormessern. Die zu zerkleinernden KStoffe werden dann im Mahlraum solange umgewälzt, bis die gewünschte Teilchengröße erreicht ist und das Mahlgut durch den Siebeinsatz austritt.
Abbildung 10: Schnitt durch eine Horizontalschneidmühle
Abbildung 11: Rohr und Profil Schneidmühle mit horizontaler Zwangsbeschickung
4.2.2.2 Hammermühle
Hammermühlen werden beim KStoffrecycling für die Zerkleinerung von spröden KStoffen (PS, PVC- U, PF, PMMA) benutzt. Ihr Vorteil ist die Robustheit und Unempfindlichkeit gegenüber Fremdkörpern. An einem Rotor sind feststehende oder pendelnd aufgehängte Hämmer befestigt. Der KStoffabfall wird tangential von oben zugeführt, von den umlaufenden Hämmern an feststehenden Gehäuseleisten zerbrochen und das Feinkorn durch den Siebeinsatz getrieben.
Eingesetzt werden Hammermühlen vorwiegend beim Recycling von Duroplasten. Außerdem finden sie weiter Anwendung beim Aufmahlen von kaltversprödeten Polymerisaten, wie z.B. Altreifen.
Abbildung 12: Hammermühle
4.2.3 Feinstzerkleinerung
In vielen Fällen ist es notwendig, die KStoffreststoffe zu Pulver zu zerkleinern, um sie wieder allein oder im Verschnitt mit Neuware zu plastifizieren zu können. Es gibt eine ganze Reihe von Verarbeitungsverfahren, die nicht vom Granulat, sondern vom Pulver ausgehen. Dazu zählen z.B. Beschichten Pressen Kalandrieren und Doppelschnecken- Extrusion. Weiterhin lassen sich manche Abfälle, die noch Fremdstoffe enthalten, erst dann wieder störungsfrei verarbeiten, nachdem sie zu Pulver gemahlen sind. Die Fremdstoffe haben dann die Eigenschaft eines Füllstoffs.
In Anwendung sind Feinschneidmühlen, Universalmühlen, Pralltellermühlen, Walzenrotormühlen und Zahnscheibenmühlen.
Abbildung 13: Schema einer Pralltellermühle
4.3 Waschen
Gebrauchte KStofferzeugnisse aus den Haushalten aber auch aus dem gewerblichen Bereich, enthalten oft 10 und mehr Prozent Verunreinigungen. Zur Ablösung und Trennung der Verunreinigungen ist beim KStoffrecycling ein Waschritt erforderlich.
Die dafür eingesetzten Anlagen sind in ihrer Bauweise sehr vielfältig.
. Ein einfaches Waschsystem, bestehend aus Waschtrog mit Siebeinsatz und Paddelschnecke zeigt Abb. 14. Die sich langsam drehende Paddelschnecke wirkt gleichzeitig als Förderorgan und trägt die gewaschenen KStoffteilchen aus. Die Verunreinigungen sinken zu Boden und werden mit dem Waschwasser abgezogen. Aus ökologischen Gründen ist die Aufbereitung des anfallenden Schmutzwassers ein weiterer unumgänglicher Verfahrensschritt.
Abbildung 14: einfaches Waschsystem, bestehend aus Waschtrog mit Siebeinsatz und Paddelschnecke
. Eine andere einsetzbare Wäscherbauart sind Kesselwaschanlagen. In ein oder zwei hintereinandergeschalteten Waschkesseln mit Turborührern erfolgt ein Einweichen des KStoffmahlguts sowie die Ablösung der Verunreinigungen. Im Anschluß an das Waschen wird das KStoffmaterial auf mehreren Schneckenförderern mit Reinwasser besprüht, um eventuell anhaftende Schmutzreste abzuwaschen.
. Eine besonders wirksame Reinigung gestatten neu entwickelte Waschmühlen. Das gewöhnlich vorzerkleinerte Material wird in diesen Maschinen unter Wasserzusatz gemahlen. Der Waschvorgang wird durch die intensive Durchwirbelung der KStoffteilche im Mahlraum begünstigt und zugleich ein Einquetschen von Verunreinigungen in die Schnittkanten vermieden. Zudem verhindert das Naßmahlen ein störendes Verkleben der Siebe.
4.4 Trocknen
An die Wäsche des KStoffmahlguts schließt stets ein Trockenschritt an. Das Trocknen der KStoffteilchen ist deshalb unerläßlich, da eine Restfeuchte größer als etwa 0,5 % zu starker Qualitätsminderung beim Spritzgießen und Extrudieren führt. Die Trocknung des gewaschenen Mahlguts erfolgt meist zweistufig, zuerst mechanisch und dann auf thermischen Weg.
4.4.1 Mechanische Trocknung
Die mechanische Trocknung erfolgt durch Sieben und Schleudern. Dabei wird das anhaftende Wasser auf Schwingsieben entfernt und danach auf Zentrifugen unterschiedlicher Bauarten entwässert. In den überwiegend eingesetzten Siebzentrifugen werden die feuchten KStoffteilchen bei Schleuderzahlen von 200 - 500 g gegen den Siebkorb gepreßt, so daß das Wasser nach außen abfließen kann. Mit solchen Trockenschleudern kann man bei grobkörnigem Material Restfeuchten von 5- 10 % erreichen.
Abbildung 15: Siebschneckenzentrifuge (schematisch)
4.4.2 Thermische Trocknung
Um Restfeuchten von 0,5 % und darunter zu erreichen, werden in einer zweiten Stufe die thermischen Trocknungsverfahren angewandt. Viele Apparate zur thermischen Trocknung sind nur erweiterte pneumatische Förderanlagen und fahren dementsprechend die Warmluft nicht im Kreislauf.
Abbildung 16: Thermische Trocknung (schematisch)
Das Gut wird durch einen Scheckenförderer einem elektrisch erzeugten Heißluftstrom zudosiert. Dieses Gemisch wird von einem Förderverntilator angesaugt, in ihm verwirbelt und durch eine anschließende Nachtrockenstrecke geblasen. Die Nachtrockenstrecke ist ein mehrfach gewundenes Rohr, in dem das Gut durch Umlenkungen relativ zur Heißluft ein hohe Geschwindigkeit erreicht. Aufgrund der kurzen Verweilzeit des KStoffmahlgutes kann die Heißlufttemperatur den Schmelzbereich der KStoffs überschreiten, ohne das Material thermisch zu schädigen.
4.5 Sortieren
Wesentlichen Einfluß auf die verarbeitungs- und anwendungstechnischen Eigenschaften der Recyclats hat insbesondere die Güte der Sortierung. Zur KStoffsortierung werden Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften der KStoffe genutzt.
Da die meisten der zur Zeit technisch eingesetzten Sortierverfahren auch auf Teilchenform und -größe ansprechen, muß aus der zu sortierenden KStoffmischung vorab eine geeignete Fraktion abgesiebt werden. Dies erfolgt bei der Zerkleinerung auf Schneidmühlen mittels fest eingebauter Siebe. Wenn ein anderes Zerkleinerungsverfahren angewendet wird muß eine Klassierung erfolgen.
4.5.1 Dichtesortierung
In den für die Sortierung wichtigen Eigenschaften liegen die KStoffe relativ eng beieinander. Die Dichte der am meisten verbreiteten Polymere ist im Bereich zwischen 0,9 und etwa 1,4 g/cm3 angesiedelt, sie sind fast alle elektrisch nichtleitend und hydrophob.
4.5.1.1 Schwimm- Sink- Scheider
Das Mahlgut aus der Schneidmühle wird im vorderen Teil des Troges aufgegeben und durch eine Walze mit Paddel unter den Trennflüssigkeitsspiegel gebracht. Als Trennmedium wird überwiegen Wasser verwendet. Um die Hydrophobie der KStoffpartikel zu senken, können der Trennflüssigkeit Netzmittel zugegeben werden. Speziefisch schwere KStoffe sinken zu Boden, KStoffe mit geringerer Dichte als das Trennmedium schwimmen auf und lassen sich an der Wasseroberfläche abheben. Die Schwerfraktion wird im Auslauf aufgetragen und meist durch Schwingsiebe entwässert. Die Fließgeschwindikeit liegt bei 0,2 m/s. Die im Einsatz befindlichen Schwimm- Sink- Scheider sind fast ausschließlich für die Polyolefin- Abtrennung ausgelegt.
Abbildung 17: Kontinuierlicher Schwimm- Sink- Scheider (schematisch)
4.5.1.2 Hydrozyklon
Hydrozyklone sind für die Sortierung gemischter KStoffabfälle geeignet, da sie sehr unempfindlich gegenüber Verunreinigungen der Trennflüssigkeit sind.
Die Suspension aus KStoffmahlgut in Wasser wird tangential in den rotationssymmetrischen Hydrozyklon gepumpt. In der sich dabei ausbildenden Wirbelströmung wandern die schweren KStoffteilchen nach außen und sinken unter dem Einfluß der Schwerkraft nach unten, wo sie ausgetragen werden. Die leichteren Teilchen bewegen sich zur Wirbelmitte und werden über ein Tauchrohr abgezogen. Der Durchsatz für Hydrozyklone mit 250 mm beträgt etwa 1 t/h. Die KStoffkonzentration in der Aufgabesuspension liegt bei etwa
20 g KStoff/kg Wasser. Die Trennschärfe kann bei einem einmaligen Durchgang bis 95% betragen. Die Grenze der Trennbarkeit verschiedener KStoffsorten liegt bei Dichteunterschieden von 0,1 kg/l.
Abbildung 18: Wirkprinzip des Hydrozyklons
4.5.1.3 Sortierzentrifuge
Abbildung 19: Sortierzenrifuge
Im Hydrozyklon ist eine Steigerung der wirksamen Kraft auf ein mehrfaches der Schwerkraft möglich. Will man noch größere Beschleunigungskräfte nutzen bietet sich die Verwendung von Zentrifugen an. Die technische Sortierzentrifuge besteht aus einer langgestreckten doppelkonusförmigen Trommel, in der eine mittig geteilte Förderschnecke rotiert. Die Suspension aus Wasser und KStoffteilchen wird axial aufgegeben und im rotierenden Wasserring der Zentrifuge sofort stark verwirbelt. Dabei findet ein Vereinzelung der KStoffteilchen und gleichzeitig eine intensive Wäsche statt. Die schwereren KStoffteilchen sinken zum Zentrifugenmantel ab, die leichteren Teilchen bleiben in Achsnähe. Leicht- und Schwerfraktion werden von den Schnecken ausgetragen, wobei eine Trennscheibe die Vermischung der beiden Fraktionen verhindert.
4.5.2 Sortierung nach Benetzbarkeit
4.5.2.1 Flotation
Bei der Flotation wird die unterschiedliche Benetzbarkeit der KStoffoberflächen als Sortierkriterium ausgenutzt.
Das KStoffmahlgut wird in einer mit Wasser gefüllten und mit Luft begasten Flotationszelle suspendiert. Durch den Einsatz spezieller Reagenzien lagern sich Luftblasen selektiv an die meist hydrophoben KStoffteilchen an. Die so gebildeten Gasbläschen- KStoffteilchen- Komplexe schwimmen auf und werden durch Abschöpfen gewonnen. Die hydrophilen KStoffteilchen sinken, sofern die schwerer als Wasser sind, zu Boden.
Abbildung 20: Schematische Darstellung einer Flotationszelle
Bezüglich der Flotationsreagenzien unterscheidet man drei Hauptgruppen:
Sammler: lagern sich selektiv an die zu flotierenden KStoffteilchen an und setzen die Benetzbarkeit herab
Drücker: erhöhen die Benetzbarkeit, so daß KStoffteilchen, welche Drücker absorbieren, absinken
Schäumer: haben die Aufgabe die gebildeten Luftbläschen zu stabilisieren und an der Wasseroberfläche einen tragfähigen Schaum zu bilden
4.5.3 Elekrostatische Sortierung
Die bisher beschriebene Dichtesortierverfahren erlauben nicht die Trennung von dichtegleichen KStoffen wie PE und PP oder PVC und PET. Die Trennung solcher Gemische ist allerdings mit elektrostatischen Trennverfahren ohne weiteres möglich, da diese Verfahren die unterschiedliche Aufladbarkeit der KStoffe für die Sortierung ausnutzt.
Abbildung 21: Elektrostatische Sortierung mit einem Freifallscheider
Beim elektristatischen Aufladeverfahren (ESTA- Verfahren) wird das KStoffgemisch zuerst auf 6- 8 mm zerkleinert und wenn nötig gewaschen. Das getrocknete Mahlgut wird Konditioniert. Bei diesem Prezeßschritt werden die KStoffteilchen in einem Mischer mit dem Konditioniermittel (z.B. Carbonsäuren) in ppm- Mengen umgesetzt. Unter Einfluß von Konditioniermittel, konstanter Temperatur und Luftfeuchtigkeit laden sich die KStoffteilchen durch Reibung im Mischer gegenseitig auf. Anschließend läßt man die konditionierten KStoffteilchen durch ein Hochspannungsfeld (U= 120000 V; E= 5 kV/cm) fallen. Dabei werden die unterschiedlich aufgeladenen KStoffteilchen entsprechend ihrer Ladung abgelenkt und in getrennten Behältern aufgefangen.
Der Energieverbrauch bei der elektrostatischen Trennung ist minimal. Mischungen von gleichen Teilen PE und PP werden zu 97,1% an der negativen Elektrode und 98,9% an der positiven Elektrode aufgetrennt. Die Mittelfraktion wird in den Prozeß zurückgeführt. Mischungen aus PVC und PET lassen sich ähnlich gut auftrennen. Elektrostatische Trennverfahren wurden bislang nur im Laborbetrieb erprobt.
4.5.4 Sortieren durch Klaubeverfahren
4.5.4.1 Handklauben
Dabei werden die meist nicht oder nur sehr grob zerkleinerten KStoffabfälle auf Förderbändern vereinzelt und von Hilfspersonal von Hand aussortiert. Trennkriterien sind Farbe, Glanz und Größe der KStoffteile. Die Selektivität einer Handsortierung ist sehr groß.
4.5.4.2 Automatisches, sensorgesteuertes Klauben
Sensorgesteuerte Ausleseverfahren, die auf unterschiedliche physikalisch- chemische Merkmale der KStoffe ansprechen befinden sich in der Entwicklung bzw. im Erprobungsstadium.
Technisch am weitesten fortgeschritten sind die Ausleseverfahren mit NIR- Detektoren (NIR= nahes Infrarot). Ein leistungsstarker Rechner ist in der Lage 1000 aufgenommene Spektren (Lichtabsorption und -reflexion) unterschiedlicher KStoffe pro Sekunde zu identifizieren. Ideal zu identifizieren sind etwa formgleiche Hohlkorper.
4.6 Agglomerieren und Regranulieren
Das nach Zerkleinern, Waschen und Trocknen vorliegende flockenförmige KStoffmahlgut weist, speziell wenn es aus gemischten KStoffabfällen erzeugt wurde, stark schwankende Schüttdichte und unterschiedliche Teilchengröße auf. Wegen der Neigung zur Brückenbildung läßt es sich nur schlecht fördern und einziehen.
Agglomerieren und Regranulieren sind Verfahrensschritte, in denen die Haufwerksparameter gezielt beeinflußt werden, so daß
. die Korngrößenverteilung gleichmäßiger wird,
. die Kornform einheitlicher wird,
. die Schüttdichte erhöht wird,
. und oftmals die Korngröße zunimmt.
Beim Agglomerierverfahren wird dies im allgemeinen durch das oberflächliche Verpressen oder Anschmelzen der Körner erreicht, beim Regranulieren durch Umschmelzen der gesamten Körner.
4.6.1 Agglomerieren
Unter dem Begriff Agglomerieren versteht man die Aneinanderlagerung von KStoffteilchen zu etwa gleich großen Aggregaten. Die Agglomeration wird erreicht durch oberflächiges Zusammensintern des KStoffs bei Erweichungstemperatur. Aufschmelzen wie bei Granulieren ist nicht erforderlich. Trotzdem können wie beim Granulieren dem Altkunststoff Stabilisatoren, sowie Farb- und Füllstoffe umgesetzt werden. Entgasen und Schmelzefiltration sind jedoch nicht möglich.
Abbildung 22: kombinierte Agglomerationsanlage
Durch rotierende Schlagmesser oder Schneid- und Scherteile wird der gemischte KStoffabfall bis zum Erweichen erhitzt und dann durch Einspritzen von Wasser oder von Kaltluft bei weiterlaufenden Messern abgekühlt.
Bei anderen Konstruktionsformen wird die gesinterte KStoffmischung mit Hilfe von Walzen durch die Lochung einer Matrize gepreßt und die austretenden Stränge abgeschnitten. Damit das Agglomerat nicht zusammenklebt, wird es mit Kaltluft rasch unter 50°C abgekühlt.
4.6.2 Regranulieren
Als Regranulieren wird das Umschmelzen von polydispersem Aufbereitungsgut zu Granulat der bei Neuware üblichen Darreichungsform verstanden. Hierbei wird der gesamte KStoff thermoplastisch in einem Extruder aufgeschmolzen und mittels eines Heiß- oder Kaltabschlaggranulierkopfes zu Granulat umgeformt.
Beim Regranulieren werden die Verarbeitungsschritte
. Plastifizierung,
. Homogenisierung,
. gegebenfalls Stabilisierung und
. Regranulierung
durchgeführt.
Oft wird bei diesem letzten Schritt in einer KStoffrecyclinganlage der regranulierte KStoff durch Zugabe von Additiven wie Stabilisatoren, Farb- und Füllstoffen aufgewertet.
Abbildung 23: Heißabschlaggranulierung
1 Extruder, 2 Mehrlochdüse, 3 Messer
Abbildung 24: Übersicht der gebräuchlichsten Granulierverfahren
Das Granulieren hat die Vorteile, daß entgaste werden kann und daß sich das Regenerat mittels Schmelzefiltration weiter reinigen läßt. Die Plastifizierung des KStoffabfalls erfolgt dabei mit Aufbereitungsextrudern. Zur Anwendung kommen Ein- und Zweischneckenextruder sowie offene Scherwalzenextruder. Nachteile des Granulierens sind die mögliche thermische Schädigung und die meist hohen Betriebs- und Investitionskosten.
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