Projektbeschreibung Stoffliche Verwertung der Faserfraktion aus dem Altreifenrecycling Foto: Altreifenlager am Standort Ohlsdorf Technische Universität Wien Univ.Prof. Dipl.-Ing. Mag. Dr.techn. Ingo Marini Institutsvorstand Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Techn. Biowissenschaften tel.: 01 58801 15980 fax: 01 58801 15999 marini@tuwien.ac.at Getreidemarkt 9/166 1060 Wien http://www.vt.tuwien.ac.at Stand, November 2007
Inhaltsverzeichnis 1 AUSGANGSLAGE UND MOTIVATION 3 1.1 REIFENRECYCLINGANLAGE 3 1.2 PRODUKTE 5 2 FORSCHUNGSPROJEKT 7 2.1 ZIELE 7 2.2 FINANZIERUNG 7 2.3 EIGENSCHAFTEN DER FLUSENFRAKTION 8 2.4 AUFBEREITUNG DER FLUSENFRAKTION 10 2.4.1 Aufbereitungsmethoden 10 2.4.2 Cotton Ginning 11 2.4.3 Sichten 13 2.4.4 Mahlung 15 2.4.5 Vergleich der Methoden 16 2.5 EINSATZGEBIETE DER AUFBEREITETEN FLUSENFRAKTION 17 2.6 CHARAKTERISIERUNG DER GEMAHLENEN FASERN 18 2.7 BITUMENVERSUCHE 20 3 UMSETZUNG 23 4 ZUSAMMENFASSUNG 24 Seite - 2 -
1 Ausgangslage und Motivation 1.1 Reifenrecyclinganlage Asamer Rubber Technology - ART, ein junges, dynamisches Unternehmen der Asamer-Gruppe, hat 2002, damals noch unter dem alten Firmennamen GVG, die größte und modernste Altreifen-Granulier und -Mahlanlage Mitteleuropas errichtet. Die von einem deutschen Maschinen- und Anlagenbauunternehmen konzipierte und für die ART errichtete Anlage (Abb. 1) zerlegt die Altreifen in deren Bestandteile Gummi, Stahl und Textilkord. Somit werden die Altreifen in dieser Anlage zur Gänze aufgearbeitet. Das Endprodukt sind qualitativ hochwertige Wertstoffe, die vor allem Gummigranulat und Gummimehl, wieder bei der Herstellung neuer Produkte Abb. 1.: Altreifen-Granulier und -Mahlanlage bei ART. eingesetzt werden können. Alleine in Österreich fallen jährlich etwa 6 Millionen Stück bzw. rund 45.000 t Altreifen an. ART leistet durch die sowohl ökologisch wie auch ökonomisch sinnvolle Wiederverwertung von Altreifen einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Nutzung der natürlichen Ressourcen und der Schonung der Umwelt. Die jährliche Verarbeitungskapazität beträgt 30.000 t Altreifen, aus denen 15.000 bis 18.000 t Gummigranulat bzw. 3.000 bis 6.000 t Gummimehl produziert werden können. Seite - 3 -
Das Prinzipschema der Anlage ist in Abb. 2 skizziert. Die Aufbereitung gliedert sich in folgende Schritte: Vorzerkleinerung Die sortierten Reifen werden mittels Rotorscheren in etwa handtellergroße Stücke (Reifenshreds) zerkleinert. Granulierung In einem mehrstufigen Prozess werden die Reifenshreds in Granulatoren und Schneidmühlen stufenweise zerkleinert. Nach der letzten Verarbeitungsstufe erfolgt ein aufwändiges Trennund Reinigungsverfahren. Abb. 2.: Prinzipschema der Altreifenaufbereitungsanlage bei ART. Kaltmahlanlage Das Gummigranulat wird mittels Flüssigstickstoff abgekühlt und zu feinstem Gummimehl vermahlen. Finale Arbeitsschritte sind Trocknung, Reinigung und Siebung des Gummimehls. Seite - 4 -
1.2 Produkte Gummimgranulate- und Gummimehle Der Anteil an Gummigranulaten und Gummimehlen beträgt ca. 65 % bezogen auf den Einsatz an Altreifen. Diese hochwertigen Produkte (Abb. 3) können in folgenden Bereichen gewinnbringend vermarktet werden: Kunststoffbeschichtungen, Kunststoffmatten, Flachdach-Schutzmatten Dämmplatten, Bodenbeläge, Schuhsolen Kinderspielplätze (Fallschutz) Sportplatzbau (Laufbahnen, Unterbau von Kunstrasenanlagen) Gummimatten für die Tierhaltung Ölbindemittel Straßenbau, wobei folgende technische Vorteile bestehen: substantielle Herabsetzung der Lärmentwicklung Abb. 3.: Gummigranulate und Verbesserung der Griffigkeit -mehle bei ART. Verlängerung der Lebensdauer Verringerung der Verschleißschichtstärke Autoindustrie: Stoßstangen, Verkleidungen Armaturbretter, Ablagen Neureifen Seite - 5 -
Stahl Der Anteil der Stahlfraktion beträgt rund 30 %. Hierbei handelt es sich um hochqualitativen Stahlschrott in Federstahlqualität, welcher aus Drahtresten der Stahlkarkasse und der Wulstkerne besteht. Mit Hilfe von Magnetscheidern werden die Stahlreste an mehreren Stellen des Aufbereitungsprozesses abgetrennt. Durch einen nachgeschalteten Reinigungsprozess, dem so genannten Stahlputzer, ist es möglich, einen Gummirestgehalt von < 5 % zu erzielen. Die somit erhaltene Stahlfraktion kann direkt in die Stahlproduktion rückgeführt und mit mehr oder minder großem Erlös abgesetzt werden. Flusen Die Flusenfraktion enthält die in PKW Reifen enthaltenen Cordfasern sowie nicht abgetrenntes, sehr feines Gummimehl (Abb. 4). Der Anteil dieser Fraktion liegt zwischen 5 und 10 %. Aufgrund des Eigenschaftsprofils der Flusen, vor allem dessen sehr schlechtes Dosierund Förderverhalten, erfolgte primär eine thermische Verwertung. Die Flusen weisen zwar einen relativ Abb. 4.: Flusenfraktion. hohen Heizwert auf, trotzdem fallen für die Entsorgung Kosten in der Höhe von 40 bis 80 pro t an. Seite - 6 -
2 Forschungsprojekt 2.1 Ziele Ziel des durchgeführten Projektes war es, den beim Reifenrecycling anfallenden textilen Reststoff (Flusenfraktion) einer sinnvollen Verwendung zuzuführen. Dabei muss die bei ART in Ohlsdorf jährlich anfallende Menge von rund 2.000 t entsprechend aufbereitet werden, um eine wirtschaftliche Vermarktung zu ermöglichen. Aus ökologischen und auch ökonomischen Gründen wurde eine stoffliche Verwertung dieser Textilfraktion angestrebt. In Schlagworten können die Projektziele wie folgt definiert werden: Verwertung statt Entsorgung Erlös statt Entsorgungskosten Im Rahmen des Projekts wurden in einer ersten Phase unterschiedliche Aufbereitungsmöglichkeiten für die Flusenfraktion aufgezeigt und untereinander verglichen. In weiterer Folge wurden Möglichkeiten gesucht, die aufbereiteten Materialien technischen Anwendungen zuzuführen. 2.2 Finanzierung Das gegenständliche Projekt wurde von ART finanziert, wobei der Hauptteil der Forschungsaufgaben von der TU Wien, Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Techn. Biowissenschaften durchgeführt wurde. Im Rahmen dieses Projektes wurde Hr. DDipl.-Ing. Dr. Andreas Hackl von Dezember 2003 bis Dezember 2005 angestellt. Das Forschungsvorhaben wurde durch den Forschungsförderungsfonds für die gewerbliche Wirtschaft (FFF, nunmehr österreichische Forschungsförderungsgesellschaft - FFG) gefördert (Projektnummer: 808239, Projektbetreiber: GVG). Seite - 7 -
2.3 Eigenschaften der Flusenfraktion Die Flusenfraktion aus der Aufbereitungsanlage stellt ein innig verbundenes Haufwerk aus Einzelfasern (µm bis mm Bereich), Garnresten (cm Bereich), Gummi (µm bis cm Bereich) und Drahtresten (cm Bereich) dar. Obwohl die Fasern aus ursprünglich hochwertigen und teuren Produkten bestehen, wurde diese Fraktion bislang thermisch entsorgt. Einer stofflicher Wiederverwertung stehen folgenden Eigenschaften entgegen: Mangelnde Reinheit des Flusenmaterials, das noch Stahl und Gummireste enthält. Äußerst schlechte Dosier- und Förderbarkeit durch starke Neigung zu verfilzen (formschlüssige Agglomeratbildung durch Fasern). Gleichzeitig erfordert ein hoher Anteil an sehr kurzen Fasern bzw. Staub spezielle Handlingvorkehrungen (z.b.: Staubschutz) Gemisch aus unterschiedlichen Fasertypen (Viskose, Polyester und Polyamid) mit äußerst unterschiedlichen Eigenschaften (z.b.: hydrophob / hydrophil). Starker Gummigeruch verhindert Einsatzgebiete im Innenbereich. Intensiv dunkle Färbung macht die Verwendung bei Produkten unmöglich, die optisch attraktiv wirken müssen. Das Produkt ist ungenügend spezifiziert (z.b.: Angabe von Faserlänge). Um ein marktfähiges Produkt anbieten zu können, ist ein Aufbereitungsverfahren notwendig, welches die angeführten Probleme löst und eine definierte und konstante Qualität gewährleistet. Eine genaue Untersuchung der Flusenfraktion zeigte, dass sehr hohe Anteile an Restgummi (bis zu 50 Massen %) vorhanden sind. Aufgrund der höheren Dichte und Schüttdichte des Gummis erscheint der Anteil der Fasern optisch wesentlich höher zu sein. Dieser hohe Anteil an Gummi birgt ein hohes Wertschöpfungspotential, da dieses Gummimehl gewinn- Seite - 8 -
bringend verkauft werden könnte, anstatt zu hohen Kosten entsorgt zu werden. Es zeigte sich auch, dass der Anteil an Stahl sehr gering ist (unter 1 %). Jedoch ist selbst diese geringe Menge ausreichend, um eine weitere Aufbereitung zu erschweren. So muss etwa bei der Schneidmahlung mit einem hohen Messerverschleiß gerechnet werden. Tabelle 1.: Stoffliche Zusammensetzung der Reifenflusen. Stoff Anteil [Massen %] Analysenmethode Reifengummi 30-50 Siebanalyse Faser 50-70 Stahl < 1 Magnetabscheidung Fasern werden heutzutage primär in PKW-Reifen verwendet. Dabei kommen ausschließlich hochwertige Fasern in Cordqualität zum Einsatz, die hinsichtlich Eigenschaftsprofil (Tabelle 2) und Preisniveau deutlich über Fasern textiler Qualität liegen. Tabelle 2.: Vergleich von Textil- und Cordqualität unterschiedlicher Fasertypen. Festigkeit [N/mm²] Bruchdehnung [%] Textil Cord Textil Cord Polyester 550 830 830-1240 30 55 8-20 Polyamid 450 680 680-1000 20 45 15-20 Viskose 240 450 640-740 10 30 9-14 Eine Marktrecherche (Faserverbrauch der europäischen Reifenhersteller) sowie auch eigene chemische Analysen von Flusenmaterialien zeigten, dass die Fasern aus rund 50 % Viskose (CV), 30 % Polyester (PET) und 20 % Polyamid (PA) bestehen. Diese Materialzusammensetzung der Fasern wurde auch durch Literaturangaben bestätigt. Seite - 9 -
2.4 Aufbereitung der Flusenfraktion 2.4.1 Aufbereitungsmethoden Zur Aufbereitung der Flusenfraktion wurden drei Methoden untersucht, die in Abb. 5 grob skizziert sind. Im Rahmen des Projektes wurde Flusenmaterial gemäß diesen drei Methoden aufbereitet. Anschließend erfolgte eine Evaluierung hinsichtlich Produktqualität, zu erwartenden Betriebskosten und möglichen Anwendungsgebieten. Abb. 5.: Schema der Aufbereitungsmethoden, die im Rahmen des Forschungsprojektes untersucht wurden. Seite - 10 -
2.4.2 Cotton Ginning Darunter versteht man ein Verfahren, welches eigentlich zur Reinigung von Baumwolle dient. Die Funktionsweise beruht auf rotierenden Stachelwalzen, die die Rohbauwolle öffnen und das Fasermaterial von Holz- und Samenresten befreien. Die Nicht- Faserpartikel werden über Siebe unterhalb der Walzenstrecke ausgetragen. Das Fasergut verlässt am Kopf der Anlage den Trennprozess. Abb. 6 und Abb. 7 zeigen jeweils ein Foto bzw. ein Schema der Anlage. Dieses Reinigungsverfahren wurde vom United States Department of Agriculture Cotton Ginning Research - derart modifiziert, dass es Abb. 6.: Foto Cotton Gin Anlage. zur Faser-Gummiseparation beispielsweise in Bereich der Altreifenaufbereitung genutzt werden kann ( Rubber Ginning ). In Zusammenarbeit mit dem US Department of Agriculture wurden Reifenflusen mit Hilfe einer Cotton Gin Anlage in Stoneville (Mississippi, USA) aufbereitet. Abb. 7.: Schema Cotton Gin Anlage. Seite - 11 -
Die wichtigsten Resultate der Versuche sind in Abb. 8 dargestellt. Es zeigte sich, dass eine extrem gute Abtrennung des Gummis aus der Faserfraktion erreicht werden konnte, sodass die Faserfraktion keine dunkle Färbung mehr aufweist. Da allerdings die Faserfraktion nicht nur Einzelfasern, sondern auch Zwirnresten und grobe Gummipartikel enthält, scheint eine weitere Aufbereitung unumgänglich. Die Gummifraktion ist sehr rein und rieselfähig und könnte direkt als feines Gummimehl vermarktet werden. Die Zwischenfraktion, die immerhin rund 45 % ausmacht, muss vor einer Verwendung weiter aufbereitet werden. Fasern Zwischenfraktion Gummi ca. 30 % ca. 45 % ca. 25 % Gummirestgehalt: 5 15 % Faserrestgehalt: ca. 10 %, + Gute Abtrennung des Reifengummis Schnur-, und Drahtreste Merklicher Anteil an Grober Gummi Schnur- und groben Einzelfaserknäuel Gummiresten Geitere Aufbereitung notwendig Weitere Aufbereitung notwendig Abb. 8.: Fraktionen aus dem Cotton Ginning Verfahren. + Hohe Reinheit + Feiner Gummi + Rieselfähig + Marktfähiges Produkt Seite - 12 -
2.4.3 Sichten Zur Faser-Gummitrennung wurde ein Sichtverfahren untersucht, wobei ein so genannter Abweiseradsichter zum Einsatz kam. Dieser Typ ist weit verbreitet und zeichnet sich durch eine hohe Trennschärfe und sehr gute Trennwirkung aus. Vorrangig wird der Abweiseradsichter zur Klassierung im Feinstbereich eingesetzt, wo hohe Ansprüche an das mechanische Trennverfahren gestellt werden. Wie in Tabelle 3 ersichtlich, bestehen mit Ausnahme des Stahls, kaum Dichteunterschiede zwischen den Produkten. Eine effiziente und schnelle Trennung kann durch Nutzung der markanten Unterschiede in der Geometrie Abb. 9.: Abweisradsichter. (bzw. im Strömungswiderstand) zwischen den Fasern einerseits und den Gummipartikel und Zwirnresten andererseits erreicht werden. Der Sichter wurde hierbei nicht zur reinen Klassierung verwendet, sondern fungierte viel- Flusen enthaltenen Tabelle 3.: Dichten der in den Stoffen. mehr als Sortiereinrichtung, welche eine Stoff Dichte [g/cm³] Trennung von Einzelfasern und Störstoffen, vor allem Gummi, Stahl und Zwirn- Polyester 1,33 Gummi 1,16 resten, ermöglichte. Des Weiteren können Agglomerate durch das schnell lau- Polyamid 1,14 Viskose 1,52 Stahl 7,80 fende Sichterrad zerstört werden. Zur Durchführung der Versuche kam ein Turboplex-Feinstsichter 100 ATP/GS der Fa. Alpine Hosokowa zum Einsatz (Abb. 9). Die wichtigsten Kenndaten sind in Tabelle 4 zusammengestellt. Seite - 13 -
Die Versuche zeigten, dass ein Abweiseradsichter ein geeignetes Aggregat darstellt, um einzelne Kurzfasern vom restlichen Material (Reifengummi, Garnreste und Stahl) abzutrennen. Abb. 10 zeigt die wichtigsten Eigenschaften der beiden Fraktionen. Tabelle 4.: Kenndaten des Turboplex-Feinstsichter 100 ATP/GS der Fa. Alpine Hosokawa. Feinheit d 97 [µm] 4 100 Aufgabe [kg/h] 50 200 Sichtrad Anzahl [-] 1 Durchmesser [mm] 100 Drehzahl [min -1 ] 1.150 11.500 Antriebsleistung kw 3,0 dieser Fraktion scheint möglich. Die Fasern finden sich in der Feinfraktion des Sichters, wobei ein Restgehalt an feinem Gummi (< ca. 250 µm) nicht zu vermeiden ist. Eine direkte Verwendung Die Grobfraktion besteht zum Großteil aus Garn-, Gummi- und Drahtresten. Weiters ist auch ein gewisser Anteil an Einzelfaseragglomeraten im Grobgut zu finden. Eine weitere Aufbereitung dieser Fraktion in unumgänglich. Feinfraktion Grobfraktion ca. 40 % ca. 60 % Gummirestgehalt: 5 15 % Faserrestgehalt: ca. 10 %, Schnur-, und Drahtreste + Einzelfasern Grober Gummi + Sehr feiner Gummi Einzelfaserknäuel + Direkte Verwendung möglich Weitere Aufbereitung notwendig Abb. 10.: Fraktionen aus dem Abweiseradsichter. Seite - 14 -
2.4.4 Mahlung In der industriellen Praxis erfolgt die Zerkleinerung von Kunststoffen oder Fasern hauptsächlich mit Schneidmühlen, da diese Stoffe nur durch scherende, schneidende und reißende Beanspruchung wirtschaftlich zerteilt werden können. Die wichtigsten weiteren maschinenbezogenen Einflussgrößen, die die Zerkleinerung in Schneidmühlen beeinflussen sind: Anzahl und Lage der Rotor- und Statormesser Siebeinsatz Sieblochweite (üblich 0,3 bis 8,0 mm) Lochgeometrie (Rundloch, Riffeltrapez) Anordnung (Abstand zum Messerkreis) Luftdurchsatz Beeinflusst Verweilzeit im Mahlraum Abfuhr von Wärme Mahlspalt (ca. 0,2 0,5 mm) Schneidkantenradius Die Versuche zur Aufbereitung der Flusen Abb. 11.: Schneidmühle Hosokawa erfolgten mit einer Schneidmühle Ro Alpine Ro 20/12. 20/12 der Fa. Alpine Hosokawa (Kenndaten siehe Tabelle 5), wobei Rundlochsiebe mit einer Tabelle 5.: Kenndaten der Schneidmühle Ro Lochweite von 0,5 und 20/12 der Fa. Alpine Hosokawa. Rotor ( / Breite) [mm] 20 / 12 1,0 mm zum Einsatz Antriebsleistung [kw] 4,5 kamen. Drehzahl [min -1 ] 1.500 Anzahl Rotormesser [-] 2 Grundsätzlich ist eine Anzahl Statormesser [-] 3 gute Mahlbarkeit des Rundlochsieb [mm] 0,5 / 1,0 Materials zu [kw] 3,0 Gebläse verzeichnen. Die [m³/h] 200 Zerkleinerung führt speziell bei der Sieblochweite von 0,5 mm zu einem homogenen, rieselfreudigen Mahlgut (Abb. 12). Allerdings neigt das Faser- Seite - 15 -
Gummiprodukt zur Entmischung, wobei der feine Gummi durch das Faserhaufwerk rieselt und sich am Boden anhäuft. Frei werdende Walkarbeit des Gummis führt zu einer relativ starken Erwärmung im Mahlraum, welche aber durch den hohen Luftdurchsatz handhabbar ist. Die Kontamination der Flusen mit Stahldrahtresten wirkt sich negativ auf die Mühlenmesser aus. Es konnten bereits nach kurzer Laufzeit einige Messerschäden festgestellt werden. Insgesamt stellte sich die reine Schneidmahlung als sehr effektive Methode heraus, die Flusenfraktion aufzubereiten. Als mahlung mit 0,5 mm Abb. 12.: Flusen nach Schneid- Sieb. besonders vorteilhaft ist die Tatsache, dass nur eine Fraktion anfällt. Allerdings kann kein weiterer, hochwertiger Gummi mehr abgesondert werden. 2.4.5 Vergleich der Methoden Tabelle 6 zeigt nunmehr die wichtigsten Vor- und Nachteile der untersuchten Aufbereitungsmethoden. Tabelle 6.: Vergleich der wichtigsten Vor- und Nachteile der untersuchten Aufbereitungsmethoden. Vorteile Nachteile Ginning Sichten Mahlung + Nahezu gummifreie Fasern + Gummifraktion sehr rein und fein, direkt verwendbar + Feinfraktion: ausschließlich Einzelfasern + Feinfraktion direkt verwendbar + Nur ein Produkt + Geringe Investitionskosten + Geringe Betriebskosten Fasern beinhalten Schnurreste und groben Gummi (weitere Aufbereitung nötig) 3 Fraktionen Weitere Aufbereitung von Grobfraktion notwendig Hohe Anschaffungskosten Hohe Betriebskosten Keine Trennung Gummi Fasern Seite - 16 -
2.5 Einsatzgebiete der aufbereiteten Flusenfraktion Als entscheidender Punkt für eine erfolgreiche Vermarktung der aufbereiteten Flusenfraktion ist es, einen technischen und/oder wirtschaftlichen Vorteil des Recyclingproduktes anzuzeigen. Im Zuge des Projekts wurden Anwendungen in den Gebieten bituminöse Baustoffe, zementgebunde Baustoffen und Gips beurteilt. Aufgrund von zahlreichen Gesprächen mit Firmen, die im jeweiligen Anwendungsgebiet tätig sind, schien ein Einsatz im Bereich von bituminösen Baustoffen am interessantesten. Bitumen ist der bestimmende Baustoff im Asphaltstraßenbau und unentbehrlich bei der Herstellung von Abdichtungsmaterialien für den Hoch- und Tiefbau. Der jährliche Bitumenverbrauch liegt in Österreich bei etwa 600.000 t und in Deutschland bei rund 3,4 Mio t. Fasrige Additive spielen im Bitumenbereichen eine wichtige Rolle und gängige Produkte könnten durch das Recyclingprodukt substituiert werden. Es ist davon auszugehen, dass der Restgehalt an feinem Gummi nicht störend wirkt, da dies sogar zur weiteren Verbesserung der Produkteigenschaften dienen kann. Auch die schwarze Färbung und der Gummigeruch sind im Bitumenbereich nicht störend. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Straßenbau und Straßenerhaltung der TU Wien wurde daher eine gebrauchsverhaltensorientierte Bindemittelprüfung durchgeführt, um die Auswirkungen der Zugabe der gemahlenen Reifenflusen auf die Gebrauchseigenschaften und das Tieftemperatur-, Ermüdungs- und Verformungsverhalten sowie die Verarbeitbarkeit zu bestimmen. Seite - 17 -
2.6 Charakterisierung der gemahlenen Fasern Spezielle Arten von Asphaltmischungen, die für hoch belastete Straßenbeläge benutzt werden, enthalten industrielle Fasern als Zusätze. Dabei haben sich in der Praxis Polymerfasern (z.b.: Polyster, Polypropylen, Polyacrylnitril), Steinwolle oder gemahlener Zellstoff durchgesetzt. Durch diese Zusätze kann die Belastbarkeit und das Temperaturverhalten von Asphaltschichten deutlich erhöht werden. Im Folgenden wurde nunmehr untersucht, wie die Recyclingfasern aus der Altreifenaufbereitung morphologisch gängigen Additivfasern ähnlich sind. Dazu wurden zwei unterschiedlich aufbereitete Flusenfraktionen (1,0 bzw. 0,5 mm Siebweite bei der Schneidmahlung, siehe Kapitel 2.4.4) mit einem kommerziellen Faserstoff für den Asphaltstraßenbau (Arbocel ) verglichen. Abb. 13 enthält die Mittelwerte sowie die Verteilungsdichtefunktionen Die Analyse des gemahlenen Zellstoffes (Arbocel ) bestätigt den natürlichen Ursprung des Produktes. Die Faserlänge wie auch der Faserdurchmesser zeigen eine sehr breite Verteilung. Offensichtlich enthält Arbocel einen beträchtlichen Anteil an Fasern < 0,1 mm, der durch das Messsystem nicht bestimmt werden kann. Die Fasern aus der Flusenfraktion, ursprünglich endlose Chemiefasern, weisen eine relativ enge Verteilung des Durchmessers mit einem ausgeprägten Maximum auf. Es ist eindeutig, dass der Faserdurchmesser durch das Aufbereitungsverfahren nicht beeinflusst wird. Erwartungsgemäß nimmt mit abnehmender Siebweite (1,0 0,5 mm) auch die Faserlänge ab (1,05 0,55 mm). Parallel zur Abnahme der mittleren Faserlänge sinkt auch der Anteil an Überlängen (> 1,5 mm), die für die geringe Rieselfähigkeit verantwortlich sind. Die morphologische Untersuchung zeigt, dass die Faserlängen der aufbereiteten Fasern und Arbocel einander sehr ähnlich sind. Insbesondere kann durch Variation der Siebweite bei der Schneidmahlung die ge- Seite - 18 -
wünschte Faserlänge hergestellt werden. Der gemahlene Zellstoff enthält einen deutlich höheren Anteil an sehr kurzen Fasern. Hinsichtlich des Faserdurchmessers bestehen wesentliche Unterschiede zwischen Arbocel und Fasern aus der Flusenfraktion. Der gemahlene Zellstoff weist eine extrem breite Verteilung auf und enthält Fasern im Durchmesserbereich von zumindest 5 bis 40 µm. Mittelwerte Schneidmahlung mit Siebweite Vergleich 1,0 mm 0,5 mm Arbocel Faserlänge 1,05 mm 0,60 mm 0,55 mm Faserdurchmesser 25,5 µm 25,8 µm 26,7 µm 0,15 5 0,12 4 q0 [mm -1 ] 0,09 0,06 0,03 q0 [µm -1 ] 3 2 1 0,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 5 15 25 35 45 55 65 75 Faserlänge [mm] Faserdurchmesser [µm] Abb. 13.: Verteilungsdichtefunktion sowie Mittelwerte für Faserlänge und Faserdurchmesser der aufbereiteten Flusenfraktion (1,0 bzw. 0,5 mm Siebweite bei der Schneidmahlung) im Vergleich mit Arbocel. Messsystem: Morfi Faseranalysator. Aufgrund der Untersuchung scheint es möglich zu sein, im Bitumenbereich Arbocel durch Fasern aus der gemahlenen Flusenfraktion zu substituieren. Der mögliche Einfluss des Feinanteils und der breiten Verteilung des Faserdurchmessers muss in Anwendungsversuchen geklärt werden. Seite - 19 -
2.7 Bitumenversuche Die Durchführung der gebrauchsverhaltensorientierten Bindemittelprüfungen wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Straßenbau und Straßenerhaltung der TU Wien durchgeführt. Dazu wurden aufbereitete Flusen in Bitumen eingemischt (Tabelle 7). Tabelle 7.: Details der Einmischversuche. Aus Schneidmahlung mit 0,5 mm Sieb Fasern Mittlere Faserlänge 0,55 mm Bitumen OMV B 50/70, ungealtert Labormischer Drehzahl: 500 min -1 Einmischen Mischungstemperatur: 180 C ± 5 C Einrührzeit: 2 h An den hergestellten Bitumenproben wurde zuerst untersucht, ob eine Verbesserung des Hochtemperaturverhaltens zu beobachten ist. Dazu wurde mit einem Dynamic Shear Rheometer (DSR) der komplexe Schermodul G* und der Phasenverschiebungswinkel δ gemessen. Ein verformungsresistentes Bindemittel weist einen möglichst Anteil aufbereiteter Flusen [Massen %] 0,0 0,6 1,2 2,4 6,0 10,0 hohen Quotienten 100,0 G*/ sin δ auf. Der Grenzwert liegt gemäß der 10,0 SHRP-Prüfsystematik (Strategic Highway Research 1,0 Program) bei 1,0 kpa. Wie in Abb. 14 0,1 dargestellt, wird durch 46 52 58 64 70 76 82 Temperatur [ C] den Zusatz an aufbereiteten Abb. 14.: Resultate der DSR-Messungen; Prüf- Flusen die Verforfrequenz 1,6 Hz (Langsamfahrbereich); Spaltbreite 1 mm. mungsstabilität des Bitumens deutlich verbessert. Mit reinem Bitumen liegt der Grenzwert von G*/ sin δ =1 kpa bei etwa 68 C. Durch den Zusatz von aufbereiteten Flu- G* / sin δ [KPa] Seite - 20 -
sen steigt diese Temperatur auf 80 C (10 % Additiv) an. Eine deutlich höhere Sprurrinnenresistenz von Asphalten, die mit derartigen Bindemitteln hergestellt werden, ist zu erwarten. Allerdings wird durch den Zusatz der aufbereiteten Flusen die Verarbeitbarkeit (Mischen, Transport, Einbau) verschlechtert, wie anhand der Ergebnisse aus der Rotationsviskosimetrie (Abb. 15) beurteilt werden kann. Anteil aufbereiteter Flusen [Massen %] Die Viskosität steigt, wie erwartet, 0,0 1,2 2,4 6,0 10,0 mit steigendem Ge- 4 halt an Faseradditiv stark an. 3 Der Grenzwert der Viskosität an ungealtertem Bitumen 2 nach SHRP liegt für eine 1 Temperatur von 135 C bei 3 Pa s. 0 Die maximal 120 135 150 165 180 verarbeitbare Flusenkonzentration Temperatur [ C] liegt somit für das Abb. 15.: Dynamische Viskosität von Bitumen verwendete Bitumen im Bereich von 6 B 50/70 mit Additiv. %. Viskosität [Pa s] Trotz dieser Einschränkung der maximalen Flusenkonzentration auf rund 6 % kann dadurch eine deutliche Verbesserung des Hochtemperaturverhaltens erreicht werden. So wird der Grenzwert von G*/ sin δ =1 kpa bei einer Konzentration von 6 % bei 76 C erreicht (Abb. 14), das liegt um beachtliche 8 C über dem reinen Bitumen. Eine Verwendung der aufbereiteten Flusen in diesem Konzentrationsbereich wäre möglich (ausreichende Verarbeitbarkeit) und würde die Neigung zur Bildung von Spurrillen in Asphaltschichten (Abb. 16) vermindern. Abb. 16.: Spurrinnen. Des Weiteren wurde das Tieftemperaturverhaltens mit dem Bending Beam Rheometer (BBR) abgeschätzt, wobei S und der m-wert bestimmt werden (Tabelle 8). Dabei weisen beide Werte auf Seite - 21 -
eine Verschlechterung der Tieftemperatureigenschaften hin. Wie in Abb. 17 ersichtlich, steigt die Temperatur, bei der ein bestimmtes Steifigkeitsniveau erreicht wird, um ca. 2 C an. Tabelle 8.: Berechnete Parameter aus den BBR Versuchen. Parameter Berechnung Aussage Biegefestigkeit S Steigung bei Belastung nach 60 s Steifigkeit m-wert Steigung im Diagramm Relaxations- und Kriechfähigkeit log S über log t Noch ausgeprägter ist dieses Verhalten beim m-wert. In diesem Fall Anteil aufbereiteter Flusen [Massen %] steigt die Temperatur, bei der 0,0 0,6 6,0 ein bestimmter m-wert erreicht wird, um ca. 4 C an 600 500 400 (Abb. 17). Es kann somit der 300 Schluss gezogen werden, dass 200 Asphaltschichten, die derartig 100 modifiziertes Bitumen enthalten schon bei höheren Tempe- 0-6 -12-18 -24 0,6 raturen spröde werden und 0,5 vermehrt Risse auftreten. Steifigkeit S [MPa] m-wwert [-] 0,4 In Summe zeigen Versuche 0,3 mit modifizierten Bitumen, 0,2 dass deutliche Verbesserungen der Produktqualität von -6-12 -18-24 Temperatur [ C] Abb. 17.: Steifigkeit S und m-wert aus BBR Asphaltschichten aus derartigen Produkten zu erwarten Messungen. sind. Zwar verschlechtern sich die Tieftemperatureigenschaften um rund 2 bis 4 C, jedoch werden gleichzeitig die Hochtemperatureigenschaften um rund 8 C verbessert. In Summe kann somit die Gebrauchsspanne für das modifizierte Bindemittel um rund 4 bis 6 C vergrößert werden. Seite - 22 -
3 Umsetzung Die Resultate des Forschungsprojektes bildeten die Grundlage zur Entscheidung von ART eine Aufbereitungsanlage für die Flusen zu investieren. Zum einen konnte der Nachweis durch die Anwendungsversuche erbracht werden, dass sich durch die Verwendung der aufbereiteten Flusenfraktion technische Vorteile im Bereich Bitumen erzielen lassen. Zum anderen war von Bedeutung, dass die Versuche eindeutig zeigten, dass eine Aufbereitung der Flusen zu genau definierten, mit kommerziellen Additiven vergleichbaren, rieselfähigen Produkten möglich ist. Nicht zuletzt die Tatsache, dass ein Abnehmer für diese aus den Flusen hergestellten Produkte ein Abnehmer aus der Bitumenindustrie gefunden werden konnte, war Ausschlag gebend für eine Investition. Bei ART wurde daher eine Faseraufbereitungsanlage im Jahre 2005 in Betrieb genommen. Ein jährlicher Durchsatz von bis zu 2000 t kann erzielt werden. Dadurch kann nunmehr am Standort Ohlsdorf eine nahezu 100 %-ige stoffliche Verwertung der Altreifen erreicht werden. Diese ökologisch sinnvolle Lösung bietet für ART gleichzeitig einen ökonomischen Vorteil. Den bisherigen Entsorgungskosten von rund 60 /t stehen 250 /t Erlös für das aufbereitete Material entgegen. Die Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage konnte somit deutlich gesteigert werden. Seite - 23 -
4 Zusammenfassung In einem Forschungsprojekt, das von ART gemeinsam mit der TU Wien durchgeführt wurde, konnte für die beim Recyclingprozess anfallende so genannte Flusenfraktion eine ökologisch und ökonomisch vorteilhafte Lösung gefunden werden. Die Flusen, die aus Gummi- und Stahlresten sowie ursprünglich hochwertigen Cordfasern bestehen, konnten bislang vor allem aufgrund der schlechten Handlingeigenschaften nur thermisch entsorgt werden. Die Untersuchungen zeigten, dass die Flusenfraktion so aufbereitet werden kann, dass eine Anwendung im Bereich Bitumen möglich ist. Nicht zuletzt aufgrund der Tatsache, dass ART einen Kunden aus der Bitumen verarbeitenden Industrie finden konnte, wurde eine entsprechenden Investition am Standort Ohlsdorf durchgeführt. Neben diesen ökonomischen Vorteilen (Erlös statt Entsorgungskosten) weist das Verfahren auch ökologische Vorteile auf. So können die hochwertigen und teuren Fasermaterialien einem weiteren Lebenszyklus zugeführt werden. Diese Wiederverwendung erfolgt zwar auf einem niedri- Abb. 18.: Die Aufbereitung der Flusen im cradle to grave Diagramm. gerem Qualitätsniveau ( Downcycling ), können jedoch, wie in Abb. 18 skizziert, die Verwendung von Rohstoffen, Energie sowie die Generierung von Abfällen deutlich reduziert werden. Seite - 24 -