Möglichkeiten und Grenzen der Entsorgung carbonfaserverstärkter Kunststoffabfälle in thermischen Prozessen

Abstract

Im Rahmen des UFOPLAN-Vorhabens "Möglichkeiten und Grenzen der Entsorgung carbonfaserverstärker Kunststoffabfälle in thermischen Prozessen" wurden unterschiedliche thermische Prozesse im Hinblick auf ihre Eignung zur energetischen und rohstofflichen Verwertung verschiedener carbonfaserhaltiger Abfälle untersucht. Der Fokus der Messungen an den großtechnischen Anlagen lag auf der Ermittlung einer potenziellen Faserbelastung der prozessspezifischen Reststoffe bzw. Produkte. Zusätzlich wurden Laboruntersuchungen zum thermischen Faserabbau, sowie zur mechanischen und chemischen Faserrückgewinnung durchgeführt. Eine begleitend durchgeführte Recherche zum Stand des Wissens und der Technik zur Behandlung von carbonfaserhaltigen Abfällen zeigt, dass es Ansätze zum Recycling von Carbonfasern (CF) gibt. Auch für mit Kunststoff benetzte (CFK) Abfälle existiert mit der Pyrolyse ein Prozess zum werkstofflichen Recycling. Die dabei rezyklierten Carbonfasern (rCF) werden bereits in einzelnen Anwendungen eingesetzt. Eine breitere Marktakzeptanz fehlt derzeit noch. Die Laboruntersuchungen zu Methoden der Faserrückgewinnung mittels mechanischer Prozesse zeigten, dass verschiedene Abfallarten unterschiedliches Zerkleinerungsverhalten aufweisen. Kurzfasern können in bestimmten Prozessen durch mechanisch aufbereitete rezyklierte Materialien ersetzt werden. Durch den Zerkleinerungsschritt kommt es jedoch zum Downcycling. Bei den Untersuchungen zur chemischen Faserrückgewinnung mittels Solvolyse konnte im Labormaßstab, insbesondere mit überkritischem Wasser sowie angesäuertem Polyethylenglycol, das grundsätzliche Potenzial nachgewiesen werden. Im Fokus des Projekts standen die großtechnischen Untersuchungen zur energetischen Verwertung carbonfaserhaltiger Abfälle in einer Siedlungs- und einer Sonderabfallverbrennungsanlage sowie einer Zementofenanlage. Für eine rohstoffliche Verwertung als Kohlenstoffsubstitut wurden Untersuchungen in einem Elektroniederschachtofen der Calciumcarbidherstellung durchgeführt. Die großtechnischen Untersuchungen zeigten, dass Siedlungs- und Sonderabfallverbrennungsanlagen für eine energetische Verwertung von Carbonfasern nicht geeignet sind, da ein Großteil der Carbonfasern unter den Prozessbedingungen nicht ausreichend umgesetzt und zu einem erheblichen Anteil mit der Rostasche bzw. Schlacke ausgetragen wurde. Weiterhin wurden insbesondere in der Siedlungsabfallverbrennungsanlage, die mit einer Rostfeuerung ausgestattet ist, Carbonfasern mit dem Abgasstrom aus dem Feuerraum ausgetragen. Fasern wurden in der Kesselasche und den Rückständen der Abgasreinigung festgestellt. Auch in der Sonderabfallverbrennungsanlage wurden Carbonfasern in der Kesselasche gefunden, jedoch in geringerer Menge als bei den Messungen an der Rostfeuerung. Ein Austrag von Fasern über den Kamin erfolgte in keiner der Anlagen. Ein Teil der Fasern lag in Geometrien vor, die der WHO-Definition für lungengängige Fasern entsprechen (WHO-Fasern). Die Untersuchungen in der Zementofenanlage erforderten zunächst orientierende Experimente zur Art der Aufgabe der carbonfaserhaltigen Stoffströme. Im Rahmen der Mitverbrennung wurde die aufbereitete CF-Fraktion mit dem Ersatzbrennstoff (Fluff) über den Ofenbrenner dosiert. Bei den Analysen der Produkte wurden im Klinker in einzelnen Proben Carbonfasern in moderater Anzahl nachgewiesen, deren Menge sich aber nicht signifikant von der Referenzmessung, (ohne CF-Mitverbrennung) unterschied. Da im Rahmen dieses Projekts die Zugabe der carbonfaserhaltigen Abfälle nur in einem sehr begrenzten Zeitintervall erfolgen konnte, lassen die vorlie-genden Ergebnisse keine abschließende Bewertung des Verwertungsweges Zementofenanlage zu. Zur Klärung sind Langzeitversuche unter CFK-Mitverbrennung (zumindest über mehrere Tage, besser Wochen) mit begleitendem Produkt-Monitoring erforderlich. In einem Elektroniederschachtofen zur Calciumcarbidherstellung wurden die großtechnischen Untersuchungen zur rohstofflichen Verwertung von carbonfaserhaltigen Abfällen durchgeführt. Für den Einsatz im Carbidofen war eine spezielle Vorbereitung der carbonfaserhaltigen Abfälle notwendig. Unter Zusatz von Altkunststoff wurden vorzerkleinerte CFK-Abfälle eigens für die Messkampagne pelletiert. Im Carbidofen wurde ein weitgehender Umsatz der carbonfaserhaltigen Einsatzstoffe erzielt. Um als Verwertungsoption in Frage zu kommen, müssten allerdings die vorgelagerten Verfahren zur Aufbereitung des carbonfaserhaltigen Aufgabeguts optimiert werden. Des Weiteren ist zu beachten, dass ein Teil der zugeführten Carbonfasern mit dem Ofengas ausgetragen wird und diese gemeinsam mit den Rohstoffstäuben abgeschieden, granuliert und extern verwertet werden. Der Carbonfasergehalt in dieser Fraktion lag bei den Messungen zwischen 0,2 und 0,6 Ma.-%. Auch in dieser Fraktion konnten in geringer Menge (< 0,2 ppm) Fasern mit WHO-Charakteristik nachgewiesen werden. Aus den Ergebnissen des Projekts kann abgeleitet werden, dass sowohl die gezielte Entsorgung von Carbonfasern als auch deren Eintrag mit anderen Abfällen in Siedlungs- und Sonderabfallverbrennungsanlagen zu vermeiden ist. Auch die Entsorgung in Zementofenanlagen sollte zumindest solange unterbleiben, bis in Langzeitversuchen nachgewiesen wurde, dass ein relevanter Eintrag von Fasern in das Produkt Klinker ausgeschlossen werden kann. Die rohstoffliche Verwertung von carbonfaserhaltigen Materialien im Elektroniederschachtofen der Calciumcarbidherstellung ist prinzipiell möglich, erfordert allerdings eine aufwändige Aufbereitung der Einsatzmaterialen. Vorher sind zudem weitergehende Untersuchungen zur Optimierung der CFK-Zugabe in den Ofen durchzuführen, um den Faseraustrag mit dem Ofengas zu reduzieren. Als unmittelbare Maßnahme sollten geeignete separate Erfassungswege und Sortier- bzw. Aufbereitungstechniken für carbonfaserhaltige Rest- und Abfallströme etabliert werden. Dies ist die Voraussetzung für eine gezielte Bewirtschaftung und in deren Folge eine umweltverträgliche Entsorgung von CFK. Darüber hinaus sind weitere Forschungsarbeiten zur Verwertung in bestehenden oder neu zu entwickelnden Hochtemperaturprozessen erforderlich. Quelle: Forschungsbericht

Within the scope of the UFOPLAN-project "Possibilities and limitations for the disposal of carbon fibre reinforced plastic waste in thermal processes", different thermal treatment processes were investigated with regard to their suitability for energetic recovery and feedstock recycling of different waste types containing carbon fibres (CF). The focus of the large-scale plant experi-ments was on the determination of a potential carbon fibre release into the process-specific residues or products. In addition, laboratory investigations were carried out on thermal fibre oxidation and fibre recycling via mechanical and chemical processes. Research on the state of the art of treatment of waste containing carbon fibres shows several existing approaches for the recycling of dry (i.e. not wetted with the resin of the matrix) carbon fibres. For recycling of wet carbon fibre waste (i.e. wetted with the resin of the matrix (CFRP)) there are pyrolysis plants in operation. The recycled carbon fibres (rCF) are already being used in individual applications, but a broader market acceptance is still missing at present. Different approaches for fibre recycling were evaluated. The investigations of mechanical pro-cesses showed different types of waste leading to different comminution behaviour. In certain processes mechanically prepared materials can replace short fibres. However, the comminution step leads to downcycling. In the investigations on chemical fibre recycling (solvolysis), the basic potential was demonstrated on a laboratory scale, especially with supercritical water and acidi-fied polyethylene glycol as solvents. The focus of the project was on large-scale experiments regarding energy recovery of carbon fibre containing waste streams in a municipal and hazardous waste incineration plant as well as a cement kiln plant. Large-scale investigations on feedstock recycling were carried out in an electric arc furnace for calcium carbide production to examine substitution of coke. The large-scale experiments showed that municipal and hazardous waste incineration plants do not prove suitable for energy recovery of carbon fibres. A significant part of the carbon fibres was not sufficiently oxidized under the given process conditions and was discharged to a con-siderable extent with the bottom ash. Furthermore, the respective flue gas from the furnace con-tained carbon fibres, especially in the municipal waste incineration plant, which is equipped with a grate firing system. Fibres were found in the boiler ash and the residues of the flue gas cleaning system. Carbon fibres were also found in the boiler ash in the hazardous waste incin-eration plant, but in smaller quantities than in the experiments at the grate firing system. No fibres were discharged via the chimney in any of the plants. A small amount of the detected fibres met the geometric criteria corresponding to the WHO definition of respirable fibres (WHO fibres). The investigations in the cement kiln plant initially required orienting experiments on the feed-ing method of carbon fibre containing material flows. Within the scope of co-combustion, the processed CF fraction was added with the substitute fuel (fluff) via the furnace burner. In the analyses of the products, carbon fibres were detected in the clinker in a small number of sam-ples, whereas their quantity did not differ significantly from the number of fibres determined in the reference experiment without CF co-combustion. Since the co-combustion of the carbon fi-ber-containing waste could only be carried out in a very limited time interval within the scope of this project, the available results do not allow a final evaluation of the energy recovery path of the cement kiln plant. For closer examination, longer tests of CF co-combustion, at least over several days, with accompanying product monitoring would be necessary. The large-scale technical investigations into the feedstock recycling of CFRP were performed in an electric arc furnace for calcium carbide production. For the application in the carbide furnace a special preparation of the carbon fibre containing waste was necessary. With the addition of plastic waste, precrushed CFRP waste was briquetted especially for the campaign. The carbide furnace achieved a significant conversion of carbon fibre containing input materials. To be considered as a permanent recycling option however, the preprocessing of the briquettes needs to be optimized. Furthermore, a part of the carbon fibers is emitted via the furnace gas and sepa-rated among raw material dusts, granulated and recovered externally. The carbon fibre content is between 0.2 and 0.6 wt.-%. Fibres meeting WHO criteria were detected in small quantities (< 0.2 ppm). The results of the project allow the conclusion that both the deliberate disposal of carbon fibres and their input with other waste in municipal and hazardous waste incineration plants should be avoided. Energetic recovery in cement kiln plants should also be avoided at least until long-term tests have shown that a relevant input of fibres into the clinker product can be excluded. In principle, the feedstock recycling of carbon fibre containing materials in the electric arc furnace for calcium carbide production is possible, but requires highly intensive preparation of input materials. Prior to establishing this route, further investigations have to be carried out to optimize the feeding of CFRP into the furnace in order to reduce the fiber emissions via the furnace gas. As an immediate measure, suitable separate collection paths and sorting or preparation techniques for mixed waste and carbon fibre containing waste streams should be established. This is the primary requirement for environmentally friendly waste management of CFRP. In addition, further research on recovery in high-temperature processes is needed to establish suitable paths in production or mono-incineration plants. Quelle: Forschungsbericht

Ziel des Projektes war es unterschiedliche thermische Prozesse hinsichtlich ihre Eignung zur energetischen und rohstofflichen Verwertung verschiedener carbonfaserhaltiger Abfälle zu untersuchen. Dafür wurden sowohl Laboruntersuchungen als auch Messungen an großtechnischen Anlagen durchgeführt.Die Ergebnisse des Projekts zeigen, dass sowohl die gezielte Entsorgung von Carbonfasern als auch deren Eintrag mit anderen Abfällen in Siedlungs- und Sonderabfallverbrennungsanlagen zu vermeiden ist. Auch die Entsorgung in Zementofenanlagen sollte wenigstens solange unterbleiben, bis in Langzeitversuchen nachgewiesen wurde, dass ein relevanter Eintrag von Fasern in das Produkt Klinker ausgeschlossen werden kann. Die rohstoffliche Verwertung von carbonfaserhaltigen Materialien im Elektroniederschachtofen der Calciumcarbidherstellung ist prinzipiell möglich, erfordert allerdings eine aufwändige Aufbereitung der Einsatzmaterialien. Vorher sind zudem weitergehende Untersuchungen zur Optimierung der CFK-Zugabe in den Ofen durchzuführen, um den Faseraustrag mit dem Ofengas zu reduzieren.Als unmittelbare Maßnahme sollten geeignete separate Erfassungswege und Sortier- bzw. Aufbereitungstechniken für carbonfaserhaltige Rest- und Abfallströme etabliert werden. Dies ist die Voraussetzung für eine umweltverträgliche Entsorgung von carbonfaserhaltigen Abfällen.