Energetische Verwertung von carbonfaserhaltigen Abfällen Forschungsergebnisse aus praktischen Untersuchungen

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1 Energetische Verwertung von carbonfaserhaltigen Abfällen Forschungsergebnisse aus praktischen Untersuchungen, M. Sc. Prof. Dr.-Ing. Peter Quicker RWTH Aachen University Lehr und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe Forschungskolleg Verbund.NRW bis 9. Novemberg 2018 in Leoben

2 Hintergrund

3 Hintergrund 3

4 Herstellung und Verwendung

5 Herstellung und Verwendung Aufbau Matrix Faser Schlichte Bestandteile Material Funktion Faser Carbon Stabilität Matrix Kunststoff Faserverbindung Schlichte organische Zwischenschicht Verbesserung Verbindung Matrix Faser Quelle: Carbon-deutschland.de, fortis-saxonia.de 5

6 Zugfestigkeit [MPa] Herstellung und Verwendung Marktübersicht Carbonfasern IM HT HM LM = Low Modulus HT = High Tensile IM = Intermediate Modulus HM = High Modulus UHM= Ultra High Modulus LM UHM E- Modul [GPa] Quelle: Eigene Erhebung 6

7 Herstellung und Verwendung Verwendung Produktionskosten US$/kg Menge: Rund t/a Andere Marine 1% Bauwesen 5% 12% Sport & Freizeit 17% 13% 22% 30% Luftfahrt & Raumfahrt Fahrzeugbau Windenergie Quelle: Kraus, Kühnel, Witten,, Composites-Marktbericht

8 Herstellung und Verwendung Produktionsabfälle Produktion Produkte Bau Industrie Consumer möglichst sortenrein Recycling fehlende separate Erfassung! Verwertung fehlende Sortiertechnik! Restmüll 8

9 Entsorgung Thermische Behandlung Grundlagen

10 Masse [mg] Temperatur [ C] Thermische Behandlung Grundlagen Thermogravimetrische Analyse von reinen Carbonfasern N 2 Luft Temperatur T Masse m Zeit [s] 10

11 Thermische Behandlung Grundlagen Zersetzungsverhalten OXIDATION HTS HM Quelle: Stockschläder, Limburg, Quicker 2018, unveröffentlicht 11

12 Entsorgung Thermische Behandlung Großtechnische Versuche im Rahmen eines UFOPLAN-Vorhabens

13 Thermische Behandlung Großtechnische Versuche Ufoplan-Projekt Gesamtprojektübersicht Auftraggeber Umweltbundesamt (UFOPLAN-Vorhaben FKZ ) Titel Projektpartner Untersuchungen zu Möglichkeiten und Grenzen der Entsorgung Carbonfaser-verstärkter Kunststoffabfälle in thermischen Prozessen unter Berücksichtigung möglicher Risiken im Umgang mit den prozessspezifischen Reststoffen RWTH Aachen TEER (Leitung) KIT Institut für Technische Chemie TU Dresden EVT TH Nürnberg iii Verein Deutscher Zementwerke MARTIN Indaver HeidelbergCement ZAW Coburg AlzChem AG ITAD 13

14 Entsorgung Thermische Behandlung Großtechnische Versuche im Rahmen eines UFOPLAN-Vorhabens Versuche im MHKW Coburg

15 Großtechnischer Versuch MVA Übersicht MHKW Coburg 2 Linien Thermische Leistung 23,26 MW Abfalldurchsatz 11 t/h Dampfparameter 400 C / 40 bar Anlageneignung Abgasreinigungskonzept Sprühabsorber / Gewebefilter / 2 Wäscher Zugängigkeit der Messungen/Beprobungen langjährige Versuchserfahrung Versuchskampagne Referenzmessung CFK-Mitverbrennung Nachbeprobung Quelle: ZAW Coburg 15

16 Großtechnischer Versuch MVA Müllverbrennungsanlage Betriebsmessung Martin/TEER EVT ITC Feuerungsparameter Partikelbeladung Staub Gaszusammensetzung, -menge Staub Gaszusammensetzung, -menge Onlinebilanzierung Wäscherwässer Kesselasche Rostschlackasche Gewebefilter- Reststoff Sprühtrockner Entschlackerwasser Nasselektrofilter 16

17 Großtechnischer Versuch MVA Aufgabe des Materials Bereitstellung der Abfälle erfolgte verpackt in Säcke à 16 kg, insgesamt 220 Stück Trockene Fasern als Fluff CF ca. 40 Ma.-% Dry Fibre CF > 95 Ma.-% Prepreg CF > 80 Ma.-% 17

18 Großtechnischer Versuch MVA Aufgabe des Materials Aufgabe erfolgte bereits am Vortag ab 14 Uhr 7 Säcke pro h über gesamte Breite des Rosts 18

19 Dampfmenge [Mg/h]; O 2 KE, tr [Vol.-%] Temperatur Hauptbrandzone [ C] Großtechnischer Versuch MVA Prozessstabilität Referenzmessung 09:00 18:00 Uhr CFK-Mitverbrennung 09:00 18:00 Uhr T Hauptbrandzone Dampfmenge O 2 Kesselende Sollwert

20 Großtechnischer Versuch MVA Beprobung Rostschlacke stündliche Probenahme (ca. 90 l) Klassierung bei 30 mm vor Ort Sortierung >30 mm vor Ort weitere Behandlung im Labor 20

21 Großtechnischer Versuch MVA Weitere Reststoffe aus AGR Beprobung der anfallenden Reststoffe in zeitlichem Intervall von 3 h Erzeugen einer Tagesmischprobe Umfang, Art der Probenahme durch Bedingungen in der Anlage abhängig Beprobung mittels Auffangbehälter während der Abreinigung 21

22 Großtechnischer Versuch MVA Rostschlacke deutlicher Anteil an Carbonfasern mit dem Auge zu sehen Klassierung und Sortierung bestätigte diesen Eindruck 22

23 0,00% 0,06% 0,00% 0,00% 0,001% 0,00% Anteil der CF roh [Ma.-%] 0,32% 2,67% 24,3% Großtechnischer Versuch MVA Anteil an CF in den manuell sortierten Kornklassen > 1 mm 4,0% 3,5% 3,0% Referenzmessung CFK-Mitverbrennung Nachbeprobung 2,5% 2,0% 1,5% 1,0% 0,5% 0,0% >30 mm mm 1-10 mm Kornklasse [mm] 23

24 Großtechnischer Versuch MVA 24

25 Großtechnischer Versuch MVA Staubmessung Kesselende isokinetische Teilgasentnahme nach VDI 2066 Abscheidung Staub auf Planfilter 25

26 Großtechnischer Versuch MVA Staubmessung Kesselende Faser unterschiedlich stark angegriffen Quantitative Beurteilung noch nicht abgeschlossen 10 µm 26

27 Entsorgung Thermische Behandlung Großtechnische Versuche im Rahmen eines UFOPLAN-Vorhabens Versuche in der SMVA Biebesheim

28 Großtechnischer Versuch SMVA Übersicht Mitverbrennung von etwa 140 kg/h CF-haltige Abfälle CF etwa 110 kg/h 3 Versuchstage Referenzmessung CFK-Mitverbrennung Nachbeprobung Versuchsdauer Referenz/Mitverbrennung jeweils 9 h Nachbeprobung 6 h Ofenlinie 2 Quelle: HIM 28

29 Großtechnischer Versuch SMVA Übersicht der Mess- und Probenahmestellen Betriebsmessung TEER EVT ITC Feuerungsparameter Partikelbeladung Partikelbeladung Staub Staub Abgasmenge, -zusammensetzung, Staub C2 E1 C2 Kesselasche Kesselaschreststoff E-filter- Schlacke Entschlackerwasser Sprühtrockner salze Waschwässer (4) Stirnwandentaschung Tuchfilterasche Quelle: HIM 29

30 Dampfmenge [Mg/h]; Sauerstoff KE [Vol.-%] Temperatur NBK [ C] Großtechnischer Versuch SMVA Prozessstabilität Referenzmessung 11:00 20:00 Uhr T Nachbrennkammer Dampfmenge O 2 Kesselende CFK-Mitverbrennung 09:00 20:00 Uhr

31 Großtechnischer Versuch SMVA Ergebnisse Schlacke 31

32 Anteil der CF roh [Ma.-%] Großtechnischer Versuch SMVA Anteil an CF in den manuell sortierten Kornklassen 12,0% 10,0% 8,0% 6,0% 10% Referenz CFK Nachbeprobung 4,0% 2,0% 0,0% 1,4% 0,0% 0% 0,00% 0% 0,00% 0,2% 0% >30 mm Kornklasse [mm] 32

33 Großtechnischer Versuch SMVA Qualitative Beurteilung AGR Rückstände bisher lediglich qualitative Beurteilung der Fraktionen > 1 mm möglich keine größeren Faserfragmente zu sehen Bilder alle aus Fraktionen des CFK-Versuchs Kesselasche >10 mm Kesselasche 1-10 mm Elektrischer Abscheider 33

34 Entsorgung - Ausblick Thermische Behandlung Großtechnische Versuche im Rahmen eines UFOPLAN-Vorhabens Carbidofen - Alzchem

35 Großtechnischer Versuch Calciumcarbid Carbid-Produktion: Elektroniederschachtofen AlzChem AG Folie von Tobias Walter, AlzChem AG 35

36 Großtechnischer Versuch Calciumcarbid Folie von Tobias Walter, AlzChem AG 36

37 Fazit

38 Fazit Zusammenfassung Mengen CFK-Abfälle steigen Keine Regelung zur Sammlung und Verwertung Unkontrollierter Eintrag in Verbrennungsanlagen MVA und SMVA sind zur Verwertung nicht geeignet: - Fasern in Rost- und Kesselasche und RGR-Produkt - (aber keine Fasern im Reingas) Ausblick großtechnischer Versuch im Zementdrehrohrofen großtechnischer Versuch in der Calciumcarbidherstellung Auswertung insbesondere hinsichtlich lungengängiger Fasern 38

39 Vielen Dank an......den ZAW Coburg...die Martin GmbH für Umwelt- und Energietechnik...die Indaver Deutschland GmbH...die HIM GmbH...die HeidelbergCement AG...die AlzChem AG...das Umweltbundesamt...den Carbon Composites e.v.

40 ... und Danke für Ihre Aufmerksamkeit