Energie- und CO2-Einsparungspotentiale

durch intelligente Nutzung speziell aufbereiteter Abfallströme

Tag der Fakultät26.11.2009

Prof. Dr.-Ing. Daniel GoldmannInstitut für Aufbereitung, Deponietechnik und Geomechanik

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In hochindustrialisierten Ländern wie Deutschland fallen Jahr für Jahr große Mengen an Abfall an

3

12,4%

12,5%

9,5%

61,7%

3,9%

Siedlungsabfälle inkl. SLF

Bergematerial

Produktion

Bauschutt

Sonderabfälle

Kategorisierung von Abfallströmen aus EntsorgungssichtAbfallaufkommen Deutschland gesamt 354 Mio. t/a

Stand: 2001, Quelle Statistisches Bundesamt 2003

gerade zur Kategorie Siedlungsabfällen bzw. „Siedlungsabfall-ähnliche Abfälle“ zählen eine Reihe von Stoffströmen,

deren Wertpotential noch nicht gehoben ist.

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aktuelle Schätzungen (2009) gehen davon, dass auf den Deponien in Deutschland

mehrere hundert Millionen t Kunststoffe und organische Abfälleliegen, mit einem (gewinnbaren) Energieinhalt von rund 1.500 Terrawattstunden(entspr. etwa 58 % des deutschen Gesamt-(Primär) Energieverbrauchs für 1 Jahr)

sowie Metallinhalte von etwa

- 26 Mio. t Eisenschrott

- 850.000 t Kupferschrott

- 500.000 t Aluminiumschrott

Quelle: EUWID 03.02.09 / Rettenberger

Auch auf Deponien schlummert ein gewaltiges Rohstoff-Potential

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Substitution primärer Rohstoffeim Wirtschaftskreislauf aus Abfall-abgeleiteten Fraktionen

Geeignete Absatzkanäle im Hinblick auf - maximale Nutzung von Materialeigenschaften- Qualitätsanforderungen und Prozessstabilität gegen Schwankungen

- Aufnahmekapazität

Optimale Dimensionierung und Lokalisierungder Glieder der Verwertungskette im Hinblick auf

- Anfall von Materialströmen in der Prozesskette- Anforderungen der finalen Abnehmer

Anpassbar und erweiterbar an / auf- ähnliche Stoffströme- sich ändernde Marktanforderungen - verschiedene Märkte

Voraussetzungen für eine effiziente Rückführung von Sekundärrohstoffen in den Markt

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robuste trockenmechanischeProzesse

sensiblere trocken- und nassmechanische Prozesse

chemische und metallurgische Prozesse

Variabilität Verwertungs-der Prozesseingangs-Ströme optionen

Ein

eng

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Au

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spro

zess

energetisch

rohstofflich

werkstofflich

Grundsätzliche Erwägungen zur Aufbereitungstiefe und zur Qualität/Einsetzbarkeit verwertbarer Fraktionen

Zun

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7

Primärenergiebedarf und Heizwert verschiedener Kunststoffe

0

20

40

60

80

100

120

140

160

PA 6

.6

PMM

A

PC ABS PS EPS PE

PE-H

D PP PVC

Ener

gie

[MJ/

kg]

Primärenergiebedarf

Unterer Heizwert

Die Differenz zwischen Primärenergiebedarf für die Erzeugung eines Kunststoffs und dessen unterem Heizwert ist (abzüglich Prozessaufwendungen !) ein Maß für die maximale Energie-

einsparung, die im Vergleich stofflicher zu energetischer Verwertung erzielt werden kann

Massenkunststoffe

Differenzierte Bewertung nutzbarer Materialeigenschaften am Beispiel von Kunststoffen

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Aufbau mehrstufiger komplexer Behandlungsnetzezur Erzeugung hinreichend großer, hinreichend sicherer Produktionskapazitäten für Sekundärrohstoffe

Sammeln undVorbehandeln

Aufbereitungs-Ebene 1

Aufbereitungs-ebene 2

Verwertung

Abfall A Abfall B Abfall C Abfall D

Betrachtungvom Abfall her

Betrachtungvon Stoffgruppen und Schadstoffrisiken her

Betrachtung von Wert- und Störstoffen her

Betrachtungvon den

Absatzkanälen her

Sekundärrohstoff-Nutzer U, V, W, X, Y, Z

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Beispiel: Behandlungspyramide für Altfahrzeuge

Demontagebetriebe

Shredder

Shredder-RückstandsAufbereitungs-Anlagen

Abnehmer Sekundärrohstoffe

Letztbesitzer

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Stahl-Schrott Shredder-Schwerfraktion Shredder-Leichtfraktion

Durchschnittlicher Anteil vom Input:70 – 75 % 3 – 8 % 20 – 25 %

Altfahrzeugverwertung Ebene 2: Der Shredder-Prozess und dabei erzeugten Fraktionen35 zertifizierte Shredder, Zerdiratoren, Kondiratoren und Schrottmühlen in Deutschland

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Hartkunststoffe

Holz, Pappe, Papier

Sand

Schaumstoff

Textilien

Rost GlasBeton

Aktuelle Durchschnittsprobe: Hauptbestandteile Standard-Mix• Hartkunststoffe, Gummi 28 %• Schaumstoffe, Textilien, Holz, Pappe, Papier 16 %• Glas, Keramik, Mineralstoffe 39 %• Eisen, Stahl, Rost 13 %• NE-Metalle (Al, Cu, Pb, Zn) 4 %

Eisen, Stahl, NE-Metalle

Gummi

Hauptbestandteile und Durchschnittszusammensetzung der Shredder-Rückstände Anfall: 450.000 – 600.000 t/a in Deutschland

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Shreddern undAufbereitung

der Schwerfraktion

Schadstoff-entfrachtung und

Demontage

Shredder-Rückstands-Aufbereitung imVW-SiCon-Prozess

SchadstoffeErsatzteile

Kernschrott

Fe-Schrott

Shredder-Flusen

Shredder-Granulat

Shredder-Sand

NE-Metalle Beseitigung

PVC-Fraktion

NE-Metalle

Altfahrzeugverwertung: Erweiterung der Behandlungspyramideum Ebene 3: Shredder-Rückstands-Aufbereitung (SRA)

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Shredder

DemonteureEntfrachtungEntfrachtungVorsortierung

E-Schrott-Aufb.Aufbereitung

Agglomeration Roh-Granulat

weiße Ware

SRA*

Erweiterung der Behandlungspyramide zum Behandlungsnetz für Altfahrzeuge, Elektroaltgeräteund Verpackungskunststoffe

* Shredder-Rückstands-Aufbereitung

Granulat

Agglomerat

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Hochofen Klärschlamm-entwässerung

NE-Metallhütten, Baustoffe

Fe NE Roh-Granulat Roh-Flusen Roh-Sand

Hauptprozess der SR-Aufbereitung

Granulat Flusen Sand Rest

kundenspezifische Veredelungsstufen

PVC-Produktion

Beseitigung

Shredder-Rückstände

PVC-Konz.Metalle

Behandlungsebene 3: Shredder-Rückstands-Aufbereitungnach dem Volkswagen-SiCon-Verfahren (Stufe 1)

Einengung der stofflichen Bandbreite durch Separation in Teilfraktionenin einer ersten Separationsstufe mittels robuster trockenmechanischer Prozesse:Der Hauptprozess der SR-Aufbereitung

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Roh-Granulat Roh-Flusen Roh-Sand

- Hartkunststoffe - Schaumstoffe - Glas, Keramik- Gummi - Textilien - Mineralstoffe- PVC - Holz, Pappe, Papier - Rost, NE-Metalle (fein)

Die Hauptfraktionen des SR-Hauptprozesses

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Shredder-Granulat - Hochofen (Einsatz als Reduktionsmittel) + + +

- Vergasung plus Fischer-Tropsch-Synthese + !(CHOREN)

- Vergasung plus Methanol-Synthese (SVZ) o

Shredder- Sand - Schachtöfen der Sekundär Cu- Metallurgie +

- Bergeversatz +- Baustoff/Bauzuschlagstoff + Metallurgie + !

(nach weiterer Aufbereitung)

Shredder- Flusen - Klärschlamm-Konditionierungsanlagen + + +(Einsatz als Entwässerungsmittel)

- Metallurgie (Einsatz als Sek.-Reduktionsmittel) + +

- Vergasungsanlagen (zur Erzeugung H2-reichen + !Synthesegases)

(Einsatz als Metallträger und Schlackenbildner)

Die Evaluierung von Verwertungswegen für die Hauptfraktionen des SR-Hauptprozesses

Ermittlung und Bewertung geeigneter Absatzkanäle zur Energie-effizienten Verwertung

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Hochofen Klärschlamm-entwässerung

NE-Metallhütten, Baustoffe

Fe NE Roh-Granulat Roh-Flusen Roh-Sand

Hauptprozess der SR-Aufbereitung

Granulat Flusen Sand Rest

kundenspezifische Veredelungsstufen

PVC-Produktion

Beseitigung

Shredder-Rückstände

PVC-Konz.Metalle

Zielgerichtete weiterführende Aufbereitung von Teilfraktionen des SR-Hauptprozessesmittels sensiblerer trocken- und nassmechanischer Prozesse:Die kundenspezifischen Veredelungsstufen der SR-Aufbereitung

Behandlungsebene 3: Shredder-Rückstands-Aufbereitungnach dem Volkswagen-SiCon-Verfahren (Stufe 2)

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FeOnEisenoxide

CKoks

geschlossenes Gassystem

CO CO2 H2 H2O

N2

2-stufige Gasreinigung

Trocken- und Nassentstaubung

Gasverwertung

Verdichter undRegenerator

O2 N2

FeRoheisen

Schlacke

In der Hochtemperaturzone werden die Altkunststoffe zu CO und H2 umgesetzt:

2C + 2H + O2 = 2CO + H2

Im Hochofenprozess erfolgt durch eine chemische Reaktion von CO und H2 mit den Eisenoxiden die Schmelzreduktion:

Fe2O3 + 2CO + H2 = 2Fe + 2CO2 + H2O

Quelle: Voestalpine Stahl GmbH

CxHy

Altkunst-stoffe

Besondere Produkteigenschaften• hohes Reduktionspotential• ideales C-H-N-Verhältnis• Schlackekomposition basisch• geringe Konzentration an

Prozess-, Produkt- und Emissionsstörstoffen• optimales Kornband f. Vergasung (1 – 10 mm)• optimales Kornband für Dichtstoffförderung

Die Nutzung von speziell aufbereiteten gemischten Massen-kunststoffen als Reduktionsmittel im Hochofenprozess

Im Hochofen wird ein Höchstmaßan Energieausnutzung erzielt !

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Zielspezifikation Shredder-Granulat, veredelt

Charakterist ik Hauptparameter Grenzw erte Störstof feunterer Heizw ert (MJ/kg) Roheisenerzeugung Schw ankungsbereich 30 - 35 Cl (Gew . % ) < 1 ,2 Durchschnit tsw ert 32 ,5 Na2O (mg/kg) < 1000A schegehalt (Gew .% ) < 10 K2O (mg/kg) < 500Restfeuchte (Gew .% ) < 1 Zn (mg/kg) < 500

Pb (mg/kg) < 100

Durchschnit tsw erte StahlerzeugungGlühverlust (Gew .% ) 91 ,0 C (Gew .% ) 73 ,5 S (Gew .% ) < 0 ,2 H (Gew .% ) 9 ,0 P2O5 (mg/kg) < 500 N (Gew .% ) 2 ,2 Cu (mg/kg) < 100 O (Gew .% ) 4 ,5 Cr (mg/kg) < 50 Sonst ige (Gew .% ) 1 ,8 Ni (mg/kg) < 30Glührückstand (Gew .% ) 9 ,0 V (mg/kg) < 30

Mo (mg/kg) < 10A schezusammensetzung CaO (Gew .% ) 35 ,5 SiO2 (Gew .% ) 30 ,6 MgO (Gew .% ) 8 ,5 TiO2 (Gew .% ) 7 ,2 A l2O3 (Gew .% ) 6 ,2 Fe2O3 (Gew .% ) 2 ,9 Sonst ige (Gew .% ) 9 ,1

Die chemische Garantie-Spezifikation des veredelten Granulats für den Einsatz im Hochofenprozess

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Die Veredelung des Roh-Granulats für den Einsatz als Reduktionsmittel im Hochofen

Reduktion des Cl-Gehalts/Abtrennung von PVC• Reduktion des Gehalts an S, Zn, Cu und Pb

Maßnahmen:• Oberflächenreinigung (Abtrennung anhaftender

Pb- und Zn-haltiger Stäube)• Dichtetrennung (Abtrennung PVC, Reifengummi

restliche Cu-Litzen)G

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n %

mittlere Dichte der jeweiligen Dichtefraktion (g/cm³)1,00,9 1,1 1,2 1,3

5

10

PP

Dichtebereiche der verschiedenen Kunststoffsorten

PP/PE ABS//SAN/PS/PPT20/

ElastomerePU-Schaum

PA6//PA6.6ASA/PCABS/PCPPT30Elastomere

PU// PMMA// TPE//PC/PBTPC/PET// PCElastomere

PVC//PET//GF-Typen

(1)

Elasto-mere/PE

1,24 g/cm³

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Einblasanlage für 220.000 t/a Kunststoff in Linz (im Betrieb seit Mitte 2006)Quelle: Voestalpine Stahl GmbH

Die Umsetzung der Kunststoff-Einblasanlage bei der Voestalpine Stahl GmbH

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Deponie

RVL

voestalpine HO ASchweröl Kunststoff Restmüll

- 0,8 + 1,0

- 1,0 + 3,1

- 3,1

CO2 Äquivalente

- 7,25

- 6,5

- 0,75

0

WAV

- 0,8 Reduktionspotential

Rohstoffe CO2 äqu.

Angaben in [t] Angaben in [t]

Quelle: Schriftenreihe BMUJF 19/1999, Beiträge zum Klimaschutz durch nachhaltige Restmüllbehandlung

Reduktionspotential für CO2 und Rohstoffe durch differenzierte Aufbereitung, Vernetzung von Behandlungs- und Verwertungs-strukturen und zielgerichteten Einsatz von Sekundärrohstoffen

Substitution von Schweröl durch Altkunststoff

Erhöhung der Durchsatzleistung der MVAdurch gezieltes Ausschleusen einer heizwertreichen Fraktion

Reduktion der zu deponierender Sekundär-Energieträger enthaltenden Abfallmenge

Quelle: Voestalpine Stahl GmbH

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für Ihre Aufmerksamkeit !