DE19710895A1

DE19710895A1 - Verfahren zum Agglomerieren feinteiliger Feststoffe

Info

Publication number: DE19710895A1
Application number: DE1997110895
Authority: DE
Inventors: Klaus Martin Dr Moraw
Original assignee: OEKOPLAN UMWELTTECHNIK GmbH
Current assignee: OEKOPLAN UMWELTTECHNIK GmbH
Priority date: 1997-03-15
Filing date: 1997-03-15
Publication date: 1998-09-17

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Agglomerieren feinteiliger Feststoffe unter Verwendung von thermopla stischen Kunststoffen, insbesondere Abfällen von thermo plastischen Kunststoffen als Bindemittel.

Ein nur teilweise gelöstes ökologisches Problem unserer Zeit ist die Beseitigung und gegebenenfalls auch wirt schaftliche Verwertung von Kunststoffabfällen in ihren vielfältigen Erscheinungsformen. Der Begriff Kunststoff abfälle erstreckt sich hierbei nicht nur auf Fehlchargen bei der Kunststoffherstellung, sowie Rückstände und Aus schuß bei der Kunststoffverarbeitung, sondern schließt insbesondere für ihren ursprünglichen Gebrauch nicht mehr geeignete Rückstandsmaterialien wie Verpackungen aus dem Konsumbereich, aus Handel, Gewerbe und Industrie ein. Ab gesehen davon, daß Kunststoffe langlebige Werkstoffe sind, die kaum natürlichem Abbau unterliegen, sind der Wiederverwertung von Kunststoffabfällen enge Grenzen ge setzt. Am ehesten gelingt sie mit sortenreinen Kunst stoffabfällen, also Materialien gleicher chemischer Zu sammensetzung. Die Wiederverwertung ist schwierig, wenn nicht gar unmöglich bei Einsatz von Mischungen verschie dener Kunststoffe und/oder verschmutzten Kunststoffen. Die in irgendeiner Form, z. B. nach Reinigung, Zerklei nern, Homogenisieren und Granulieren wiederaufbereiteten Kunststoffabfälle sind daher wenig begehrte Werkstoffe, die allenfalls zur Herstellung von Produkten minderer Qualität verwendet werden. In begrenztem Umfang setzt man sie wegen ihres hohen Energiegehaltes auch als Brenn stoffe ein. Ein neues Anwendungsgebiet ist die Nutzung von granulierten Kunststoffabfällen als Reduktionsmittel bei der Roheisengewinnung.

In der industriellen Technik besteht vielfach die Auf gabe, feinteilige Feststoffe, z. B. Stäube oder körniges Material zu binden. Anlaß hierfür kann z. B. das Interesse sein, feinteilige Stoffe, die als Nebenprodukte bei ge werbliche genutzten Prozessen anfallen, einer Verwertung zuzuführen, ihre Dosierbarkeit bei der Verarbeitung zu erleichtern oder sie als unbrauchbare Ballaststoffe in eine für die Entsorgung geeignete lagerfähige Form zu überführen. Da das Bindemittel lediglich Hilfsstoff ist, muß es preiswert sein. Überdies soll es in ausreichender Menge zur Verfügung stehen, es soll sich leicht verarbei ten lassen und die mit ihm hergestellten kompakten Massen sollen eine ausreichende Festigkeit besitzen.

Hier setzt die Erfindung ein. Sie besteht in einem Ver fahren zum Agglomerieren von feinteiligen Feststoffen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man in die auf Temperaturen von etwa 90 bis etwa 250°C vorerhitzten Feststoffe einen thermoplastischen Kunststoff oder Gemi sche thermoplastischer Kunststoffe, insbesondere Kunst stoffabfälle, einträgt, den Kunststoff durch die in den Feststoffen gespeicherte Wärme aufschmilzt, das Gemisch homogenisiert, gegebenenfalls formt und abkühlt.

Es ist zwar bereits bekannt, die Eigenschaften thermopla stischer Kunststoffe durch Mischung mit Zusatzstoffen zu verändern, um ihre Brauchbarkeit für bestimmte Einsatzge biete zu verbessern. So setzt man beispielsweise Poly ethylen Holzmehl zu, um die Zähigkeit des Thermoplasten mit dem optischen Eindruck von Holz zu kombinieren. Durch die Einarbeitung von Metallpulver soll die Wärmeleitfä higkeit von Thermoplasten verbessert werden und der Zu satz von Pigmenten dient ihrer farblichen Differenzie rung. Zur Herstellung derartiger Produkte geht man von sogenannten Stammischungen (master batch) aus, die den Zusatzstoff in höherer Konzentration enthalten und mischt sie mit dem reinen Kunststoff.

In der GB 2 291 419 ist ein Verfahren zur Herstellung von Baumaterial aus Haushalts- und Industrieabfällen be schrieben, die neben Glas, Papier, Metall, Karton, Bau müll, Nahrungsmittelreste zwischen 20 und 65 Gew.-% thermoplastische Kunststoffe enthalten. Die Abfälle wer den zerkleinert, mit Füllstoffen gemischt und während des Mischens auf 120 bis 200°C erhitzt. Als Füllstoffe werden u. a. Calciumcarbonat, Asbest, Glimmer, Talk, Diatome enerde, Kaolin und Kohlefasern genannt. Bevorzugtes Füllmaterial sind jedoch andere Abfallstoffe wie Flug asche, Formsand und Aluminiumstaub.

Von diesen vorbeschriebenen Arbeitsweisen unterscheidet sich das neue Verfahren in mehrfacher Hinsicht vorteil haft. Das Aufschmelzen des als Bindemittel verwendeten Thermoplasten durch den Wärmeinhalt der feinteiligen Feststoffe (man kann diesen Vorgang bezüglich des Ge mischs aus Feststoff und Thermoplast als autothermes Schmelzen bezeichnen) führt zu einer deutlichen Verkür zung der Aufschmelzzeit. Dadurch werden Crackprozesse, denen die Thermoplaste bei länger andauernder thermischer Belastung unterliegen können, weitgehend ausgeschlossen und es bilden sich kaum niedermolekulare Spaltprodukte. Dadurch gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren sehr umweltfreundlich.

Weiterhin stellt der neue Prozeß eine optimale Vermi schung von Feststoffpartikeln und Thermoplast sicher. Durch den direkten Wärmeübergang von den erhitzten Fest stoffpartikeln auf die Kunststoffabfälle werden die Fest stoffe vollständig vom thermoplastischen Material umge ben, so daß keine Unstetigkeiten im Gefüge des Verbund stoffes, wie Feststoffnester, auftreten.

Diese innige Vermischung der Komponenten ist Vorausset zung für die Stabilität der erhaltenen Massen auch bei hohem Feststoffanteil. Der erforderliche Energieaufwand kann sehr genau dosiert werden und trägt erheblich zur Wirtschaftlichkeit des neuen Prozesses bei. Überdies ist das Verfahren sehr flexibel und kann in einfachen Appara ten mit den unterschiedlichsten Ausgangsstoffen durchge führt werden. Es läßt sich auch hinsichtlich der Eigen schaften der Verfahrensprodukte, z. B. durch qualitative und quantitative Auswahl der Einsatzstoffe einfach steu ern, so daß es mannigfachen Bedürfnissen, der Herstellung von Wertprodukten (wie Bau- oder Dämmaterial) ebenso wie der einfachen Beseitigung von Ballaststoffen, angepaßt werden kann.

Als feinteilige Feststoffe können nach dem beanspruchten Prozeß metallische oder mineralische Substanzen einge setzt werden. Zu ihnen gehören beispielhaft Metallpulver, Metallfasern, Metallwolle wie Stahlwolle, ferner Metalloxide, Metallsulfide und weitere Metallverbindungen wie Bariumsulfat, Calciumsulfat und andere Metallsalze, die häufig als Stäube, z. B. in den Filtervorrichtungen technischer Produktionsanlagen (Hochofenprozeß, Anlagen zur Verbrennung fossiler Brennstoffe) oder als Schlacken anfallen. Zu nennen sind ferner staubförmige Erze, z. B. Eisen-, Kupfer-, Chrom- und Titanerz und anorganische Pigmente wie Titandioxid und Chrom(III)oxid. Zu den fein teiligen mineralischen Werkstoffen zählen beispielsweise silikathaltige Mineralien, einschließlich Sände, Alumosi likate, Glas, Glaswolle, Mineralwolle und Kieselgur.

Als Einsatzstoffe für das neue Verfahren eignen sich auch Duroplaste, die selbst nicht Bindemittel sind, sondern in feinteiliger Form, z. B. als Granulat, durch thermoplasti sche Kunststoffe, verfestigt werden. Beispiele für Duro plaste sind Epoxidharze, Harnstoff-Formaldehyd-Harze, Melamin-Formaldehyd-Harze und Phenol-Formaldehyd-Harze.

Duroplaste finden zur Herstellung von Platinen umfangrei che Anwendung.

Es versteht sich von selbst, daß sowohl die feinteiligen metallischen als auch die mineralischen Feststoffe ebenso wie die Duroplaste unter den Verfahrensbedingungen inert, d. h. temperatur- und strukturstabil, sein müssen, um eine sichere und stabile Verfestigung durch die thermoplasti schen Kunststoffe zu gewährleisten.

Die feinteiligen Einsatzmaterialien sollen eine ausrei chend hohe Wärmekapazität besitzen, damit auch bei gerin gem Feststoffanteil der zugesetzte thermoplastische Kunststoff vollständig aufgeschmolzen wird. Die Größe der Feststoffteilchen, charakterisiert durch den größten Durchmesser, kann sich über einen sehr weiten Bereich er strecken. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, für den Durchmesser eine obere Grenze von etwa 50 mm einzuhalten; größere Partikel sind auf eine entsprechende Normgröße zu zerkleinern. Eine Mindestpartikelgröße setzt das Verfah ren nicht voraus.

Die feinteiligen Feststoffe können als einheitliche Sub stanzen eingesetzt werden, als Gemische verschiedener metallischer oder verschiedener mineralischer Feststoffe oder als Gemische unterschiedlicher Duroplaste, aber auch als Mischungen aus 2 oder 3 der genannten Stoffklassen.

Neben den feinteiligen Feststoffen werden als weitere Einsatzstoffe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren thermoplastische Kunststoffe eingesetzt. In Betracht kom men alle handelsüblichen Produkte. Ohne die Vielfalt der geeigneten Polymeren zu beschränken, seien als Beispiele genannt: Polyethylen, Polypropylen, Polybutadiene, Poly ester, Polyamide, Polyimide, Polycarbonate, Polyether, Polyacrylnitril, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Acrylni tril-Butadien-Styrol-Polymere, Acrylnitril-Styrol-Acryl ester-Polymere, Celluloseacetat, Ethylcellulose, Ethylen- Vinylacetat-Polymere, Polyethylenterephthalat, Polyiso butylen, Polyvinylacetat, Polyvinylbutyrat, Styrol-Acryl nitril-Copolymere, Styrol-Butadien-Copolymere.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert nicht den Ein satz reiner thermoplastischer Kunststoffe, d. h. Polymere identischen chemischen Aufbaus. Es können vielmehr vor teilhaft Gemische unterschiedlicher Thermoplaste verwen det werden, z. B. die in großen Mengen anfallenden und ihrer ursprünglichen Bestimmung nicht wieder zuführbaren Verpackungen. Die Einsatzstoffe brauchen im allgemeinen nicht vorbehandelt zu werden. Lediglich in Sonderfällen müssen Fremdmaterialien, die z. B. von der vorherigen Ver wendung herrühren, wie Metall, Holz oder Glas, entfernt werden. Selbst eine Zerkleinerung der Kunststoffabfälle ist, sofern es die Beschickungsvorrichtung der Reaktions apparate zuläßt, entbehrlich.

Der Anteil in dem feinteilige Feststoffe und thermopla stisches Material entsprechend dem erfindungsgemäßen Ver fahren eingesetzt werden, ist sehr variabel. Er richtet sich im wesentlichen nach den Eigenschaften, z. B. nach der geforderten Festigkeit des Verfahrensproduktes und hängt nur in untergeordnetem Maße von der Art der Ein satzstoffe ab. Es hat sich bewährt, Mischungen nach dem neuen Verfahren zu verarbeiten, die 20 bis 80 Gew.-% Feststoffe, vorzugsweise 20 bis 65 Gew.-% Feststoffe und insbesondere 40 bis 65 Gew.-% Feststoffe, der Rest je weils thermoplastischer Kunststoff, enthalten.

Es wurde bereits weiter oben darauf hingewiesen, daß ein wesentliches Merkmal der neuen Arbeitsweise das Auf schmelzen des thermoplastischen Kunststoffs durch den feinteiligen Feststoff ist. Daher muß der Feststoff ein zur Überführung des Thermoplasts von der festen in die flüssige Phase ausreichende Wärmemenge enthalten, deren Wert sich nach den elementaren Gesetzen der Wärmelehre aus der Masse des Feststoffs, seiner Wärmekapazität und der Temperaturänderung ergibt, die er während des Schmelzvorganges erfährt. Entsprechend dem Schmelzpunkt der Thermoplaste und der Temperatur, bei der eine Zerset zung zu erwarten ist, erhitzt man den feinteiligen Fest stoff auf Temperaturen zwischen etwa 90 und etwa 250°C. Je nach dem Anteil des Thermoplasts im Gemisch mit dem Feststoff und seiner Schmelztemperatur ist die Temperatur des feinteiligen Feststoffs auf Werte zwischen den ge nannten Fixpunkten einzustellen.

Das Aufschmelzen des Thermoplasts durch die im Feststoff gespeicherte Wärme verlangt eine sorgfältige Isolierung der Reaktionsapparate gegen Wärmeverluste durch Strahlung oder Leitung. Gegebenenfalls dennoch auftretende geringe Wärmeverluste müssen durch mäßige Zufuhr von Wärme zum Reaktionsgefäß ausgeglichen werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform dient das erfin dungsgemäße Verfahren zum Agglomerieren von staub- oder pulverförmigem Eisen und von entsprechenden Eisenoxiden und Eisenerze. Eisen und Eisenoxid enthaltende Stäube fallen als Nebenprodukt bei der Roheisenproduktion an, feinkörnige Eisenerze erhält man in großen Mengen bei den modernen Verfahren des Erzabbaus. Aus technischen Gründen können Hochöfen mit Stäuben und feinkörnigem Einsatzmate rial nicht beschickt werden, weil der aus dem Ofen anste hende Gasstrom das staubförmige Material sofort wieder austrägt. Daher werden die Stäube, ebenso wie feinkörni ges Erz zusammen mit Koks oder Koksgruß bei Temperaturen von 800 bis 1400°C unter Luftzutritt zu stückigem Mate rial gesintert. Dabei bilden sich in vielen Fällen aus Kohlenstoff, Chlor oder chlorhaltigen Verbindungen in Ge genwart von Luft und bei Temperaturen von 250 bis 850°C hochgiftige Dioxine und Furane, die mit der Abluft aus der Sinteranlage in die Umgebung austreten, denn es ist bisher nicht möglich, diese überaus toxischen Nebenpro dukte so nachhaltig chemisch, z. B. durch Umsetzung zu un bedenklichen Folgeprodukten oder physikalisch, z. B. durch Adsorption zu beseitigen, daß sie die Umwelt nicht mehr gefährden. Sinteranlagen gehören daher zu den größten Emissionsquellen für Dioxine und Furane.

Das neue Verfahren ermöglicht es, feinteiliges Eisen, Eisenoxide und andere für die Verhütung geeignete Verbin dungen und Eisenerze ohne Bildung umweltschädlicher Nebenprodukte in kompakte Formstücke zu überführen, die hervorragend als Beschickungsmaterial für Schachtöfen, z. B. Hochöfen oder Kupolöfen geeignet sind. Dabei kann die Beschickung über die Gicht als stückiges Material oder über die Windform als Granulat erfolgen. Zu diesem Zweck werden die eisenhaltigen Ausgangsmaterialien auf Temperaturen von 120 bis 250°C, vorzugsweise 180 bis 220°C erhitzt und mit thermoplastischen Kunststoffen, vorzugsweise Kunststoffabfällen gemischt und homogeni siert. Die Begrenzung der Temperatur auf einen Bereich von 120 bis 250°C unterbindet mit Sicherheit die Bildung von Dioxinen und Furanen. Unter den reduzierenden Bedin gungen im Schachtofen carbonisieren die in den Formstüc ken enthaltenen Kunststoffe zu einem großen Teil zu Koh lenstoff und dienen im Hochofenprozeß als Reduktionsmit tel. Sie ersetzten auf diese Weise einen Teil des im Hochofenprozeß in Form von Koks oder Kohle zugeführten Kohlenstoffs.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in konventionellen Apparaten durchgeführt. Das Erhitzen des feinteiligen festen Materials und seine Vereinigung mit dem thermopla stischen Kunststoff kann in ein und demselben Reaktor, z. B. einem Rührkessel, erfolgen. Es ist aber auch mög lich, die beiden Verfahrensschritte - Erhitzen des fein teiligen Feststoffes und das Aufschmelzen des thermopla stischen Kunststoffmaterials durch den erhitzten Feststoff und die Homogenisierung des Gemisches in getrennten Reak toren vorzunehmen. So kann man z. B. die feinteiligen Feststoffe in einem Drehrohrofen mit direkter oder indi rekter Beheizung auf die erforderliche Temperatur bringen und in einem angeschlossenen Doppelwellenmischer die Thermoplaste zudosieren, aufschmelzen und das Gemisch homogenisieren. Das homogene Gemisch kann unmittelbar oder nach Lagerung in einem geheizten Vorratsbehälter einer Formvorrichtung, z. B. einem Extruder oder Preßfor men, zugeführt werden, um es in die gewünschte, für die weitere Verwendung Form zu bringen.

In den nachfolgenden Beispielen wird das neue Verfahren erläutert, jedoch nicht auf die beschriebenen Ausfüh rungsformen beschränkt.

Beispiel 1

5,5 t Feinsand (Körnung 90% bis zu 63 µm/10% 63 bis 200 µm), welcher z. B. bei der Kiesgewinnung anfällt, werden in einem Drehrohrofen mit Direktbefeuerung auf 200 bis 205°C erhitzt. Die Erhitzungszeit beträgt etwa 35 bis 40 min. Anschließend wird der erhitzte Feinsand über eine Förderschnecke einem Doppelwellenmischer zugeführt. Die Förderschnecke ist, um Wärmeverluste zu vermeiden, iso liert. Der Doppelwellenmischer wird zum Ausgleich von Wärmeverlusten von außen beheizt. Als Heizmedium dient auf 200 bis 205°C erhitztes Thermoöl.

In den Doppelwellenmischer werden innerhalb von 5 bis 7 Minuten 4,5 t eines Gemisches unsortierter thermoplasti scher Kunststoffe folgender Zusammensetzung eindosiert (Angaben in Gew.-%):
59% Polyethylen
36% Polypropylen
2% Polyethylen-terephthalat
1% Acrylnitril-Butadien-Styrol-Polymere
1% Polycarbonate
1% sonstige Thermoplaste.

Während der Zugabe der Thermoplaste sinkt die Temperatur in der Mischung um 30 bis 40°C auf 160 bis 165°C. Sie steigt während des Mischvorgangs durch die Scher- und Reibungskräfte wieder auf 195 bis 200°C an. Der Mischvor gang wird bei dieser Temperatur 15 Minuten durchgeführt. Nach dieser Zeit sind die Thermoplaste und der Feinsand zu einem homogenen Gemisch vermengt, das aus dem Mischer über einen Extruder entleert wird.

Der Förderteil des Extruders besteht aus einer Schnecke, die das Material kontinuierlich dem eigentlichen Extruder zuführt und es dabei gleichzeitig entgast. Die Schnecke wird kontinuierlich abgesaugt. Die abgesaugten Gase wer den mit der Frischluft gemischt und als Verbrennungsluft dem Brenner zugeführt.

Durch den Extruder wird das Material in die gewünschte Form gebracht. Am Austritt des Extruders befindet sich eine Schneidvorrichtung, die das Material auf die ge wünschte Länge schneidet.

Beispiel 2

6 t Fe₂O₃-haltiger Staub, der bei der Edelstahlerzeugung im Elektrostahlofen angefallen ist, wird in einem Dreh rohrofen mit Direktbefeuerung in einem Zeitraum von etwa 30 min auf 190°C erhitzt und darauf über eine Förder schnecke in einen Doppelwellenmischer dosiert. Die För derschnecke ist, um Wärmeverluste zu vermeiden, isoliert. Der Doppelwellenmischer wird zum Ausgleich von Wärmever lusten, von außen beheizt. Als Heizmedium dient auf 200 bis 205°C erhitztes Thermoöl.

In den Doppelwellenmischer werden innerhalb von 5 Minuten 4 t eines Gemisches unsortierter, vorwiegend thermopla stischer Kunststoffe folgender Zusammensetzung eindosiert (Angaben in Gew.-%):
60% Polyethylen
37% Polypropylen
1,2% Polyester
1,1% Polyurethan
0,5% Polyamide
0,2% sonstige Thermoplaste.

Während der Zugabe der Thermoplaste sinkt die Temperatur in der Mischung um 30 bis 40°C auf 150 bis 160°C. Sie steigt während des Mischvorgangs im Mischer, bei dem der Fe₂O₃-haltige Staub innig mit dem Kunststoff vermengt wird, durch die Scher- und Reibungskräfte wieder auf 180 bis 190°C an. Der Mischvorgang wird bei dieser Temperatur 15 min durchgeführt. Hierbei wird das Fe₂O₃-haltige Mate rial homogen in die plastifizierte Kunststoffmischung eingearbeitet. Das Gemisch wird aus dem Mischer kontinu ierlich über einen Extruder entleert.

Für den Einsatz im Hochofen kann das Material zu Strang preßlingen mit einer Länge von 30 cm und einem Durchmes ser von max. 10 cm verarbeitet werden, die man entspre chend dem Material aus einer Sinteranlage im Hochofen eingesetzt.

Statt in Stränge kann das Material auch in andere stückige Form, z. B. in Granulat, überführt werden.

Claims

1. Verfahren zum Agglomerieren feinteiliger Feststoffe, dadurch gekennzeichnet, daß man in die auf Temperatu ren von etwa 90 bis etwa 250°C vorerhitzten Feststoffe einen thermoplastischen Kunststoff oder Gemische thermoplastischer Kunststoffe, insbesondere Kunst stoffabfälle, einträgt, den Kunststoff durch die in den Feststoffen gespeicherte Wärme aufschmilzt, das Gemisch homogenisiert, gegebenenfalls formt und ab kühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feinteiligen Feststoffe metallischer oder minera lischer Natur sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die feinteiligen Feststoffe eisenhaltig sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feinteiligen Feststoffe Duroplaste sind.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus feintei ligen Feststoffen und thermoplastischem Kunststoff 20 bis 80 Gew.-% Feststoffe enthält.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus feintei ligen Feststoffen und thermoplastischem Kunststoff 20 bis 65, insbesondere 40 bis 65 Gew.-% Feststoffe, ent hält.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die feinteiligen Feststoffe auf Temperaturen von 120 bis 220°C vorer hitzt.