In der vorliegenden Arbeit zum Thema „Energieeffizienz in verschiedenen Aufbereitungstechnologien in der Abfallwirtschaft“ sollen zuerst theoretische Grundlagen geschaffen werden. Das erste Kapitel besteht aus Literaturrecherchen rund um den Stand der Forschung und damit einhergehenden Grundlagen der Aufbereitungstechniken- und Prozesse. Hierbei geht es darum, sich ein Grundverständnis zu verschiedenen Aufbereitungsvorgängen, wie z.B. der Zerkleinerung, der Klassierung, der Sortierung und der Anlagenarten anzueignen. Es werden sowohl die Vorgänge an sich beschrieben, als auch deren einzelne Aggregateinheiten. Im darauffolgenden Kapitel werden drei Beispielstoffströme, (Altholz, Bauschutt und Heizkraftwerk Aschen (Rostaschen)), näher beleuchtet und jeweils mittels einer Grafik die Aufbereitungsschritte erklärt. Es werden dabei grundlegende Fakten geklärt, welche vom Aufkommen dieser Stoffe bis zur Wiederverwertung durch dargestellte Aufbereitungstechnologien reichen. Zuletzt befasst sich das Kapitel 4 der Bachelorarbeit mit den Energieleistungen und Grunddaten dieser Aggregate, wobei auf die erstellte Tabelle eingegangen und Bezug genommen wird. Das Fazit befasst sich mit den gewonnenen Erkenntnissen und soll Aufschluss über die Möglichkeiten der Reduktion der Energieeffizienz geben, sowie Problemansätze und Lösungen aufzeigen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Thematik und Aufbau
2 Grundlagen in der Aufbereitungstechnik und Stand der Forschung
2.1 Aufbereitung fester Abfallstoffe
2.1.1 Zerkleinerung
2.1.2 Klassierung
2.1.3 Sortierung
2.1.4 Verdichten
2.2 Anlagenarten und Aufbereitungsprozesse
2.2.1 Anlagenarten
2.2.2 Mobile Anlagen
2.2.3 Semimobile Anlagen
2.2.4 Stationäre Anlagen
2.3 Stoffstrom Bau - und Abbruchabfälle
2.3.1 Beispielhafte Bauschuttaufbereitung
2.4 Stoffstrom Sperrmüllholz
2.4.1 Beispielhafte Altholzaufbereitung
2.5 Stoffstrom Heizkraftwerkasche „Rostasche“
2.5.1 Beispielhafte Ascheaufbereitung
3 Methodik und Materialien
4 Energieeffizienz in den Aufbereitungsprozessen
4.1 Ergebnisse
4.2 Ausblick
5 Diskussion und Fazit
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Literaturverzeichnis
Anhang
1 Einleitung
In der Einleitung dieser Arbeit soll zum einen der thematische Rahmen eingegrenzt und geklärt werden, zum anderen die Methodik und Beschaffung der gesammelten Daten und Materialien geklärt werden.
1.1 Thematik und Aufbau
In der vorliegenden Arbeit zum Thema „Energieeffizienz in verschiedenen Aufbereitungstechnologien in der Abfallwirtschaft“ sollen zuerst theoretische Grundlagen geschaffen werden. Das erste Kapitel besteht aus Literaturrecherchen rund um den Stand der Forschung und damit einhergehenden Grundlagen der Aufbereitungstechniken- und Prozesse. Hierbei geht es darum, sich ein Grundverständnis zu verschiedenen Aufbereitungsvorgängen, wie z.B. der Zerkleinerung, der Klassierung, der Sortierung und der Anlagenarten anzueignen. Es werden sowohl die Vorgänge an sich beschrieben, als auch deren einzelne Aggregateinheiten. Im darauffolgenden Kapitel werden drei Beispielstoffströme, (Altholz, Bauschutt und Heizkraftwerk Aschen (Rostaschen)), näher beleuchtet und jeweils mittels einer Grafik die Aufbereitungsschritte erklärt. Es werden dabei grundlegende Fakten geklärt, welche vom Aufkommen dieser Stoffe bis zur Wiederverwertung durch dargestellte Aufbereitungstechnologien reichen. Zuletzt befasst sich das Kapitel 4 der Bachelorarbeit mit den Energieleistungen und Grunddaten dieser Aggregate, wobei auf die erstellte Tabelle eingegangen und Bezug genommen wird. Das Fazit befasst sich mit den gewonnenen Erkenntnissen und soll Aufschluss über die Möglichkeiten der Reduktion der Energieeffizienz geben, sowie Problemansätze und Lösungen aufzeigen.
2 Grundlagen in der Aufbereitungstechnik und Stand der Forschung
2.1 Aufbereitung fester Abfallstoffe
„Die Aufbereitungstechnik gehört definitionsgemäß zur physikalischen Verfahrenstechnik [..J.“1 Grundlage hierbei ist das Wissen über wesentliche Bestandteile des Gemischs, da eine große Vielfalt von Abfallgemischen und Erzeugerquellen einhergeht.2 Der Recyclingprozess besteht aus der Umwandlung und Aufbereitung verschiedener Rohstoffe in unterschiedliche Aggregate, die jeweils durch Förderanlagen und Aufbereitungsanlagen transportiert und aufbereitet werden.3 Die Prozesse stellen jeweils Stoffumwandlungen dar, die meistens mit Hilfe von mechanischer Verfahrenstechnik umgesetzt werden. So kann aus einer Gesamtabfallmenge durch Trenn- und Sortierverfahren teilweise Stoffe sortenrein zurückgewonnen werden.4 Ziel der Aufbereitung ist also eine sortenreine Gewinnung von Fraktionen und eine weitest gehende Verwertung dieser.5
2.1.1 Zerkleinerung
Die Zerkleinerung von festen Abfallstoffen (z.B. Bauschutt oder Altholz) ist ein wichtiger Verfahrensschritt für den weiteren Verwendungszweck der Endprodukte. Das Ziel der Zerkleinerung ist, die Aufgabe in eine feinere Körnung zu überführen.6 Hierbei wird das Gesamtvolumen verringert und Transport- und Lagerungskapazitäten gespart.7 Es lassen sich unterschiedliche Ziele unterscheiden:
- Aufschlusszerkleinerung zur Freilegung von Materialverbunden (optimale sortenreine Trennung)
- Herstellung einer oberen Korngröße- bzw. Verteilung (die Anforderungen für nachgeschaltete Prozesse müssen bezüglich der Korngröße erfüllt sein)
- Vergrößerung der spezifischen Kornoberfläche (die Zerkleinerung dient der spezifischen Oberflächenvergrößerung)[8] [9]
Die Wahl der Zerkleinerungsmaschine wird abhängig gemacht von den physikalischen Eigenschaften der Aufgabe wie z.B. Ausgangskörnung, Aufbau, hart bis weich, spröde bis duktil, elastisch oder zähelastisch und Spaltbarkeit.[10] [11] Zerkleinert wird anhand folgenden Prinzipen:
- Druckbeanspruchung (harte und spröde Stoffe)
- Schlagbeanspruchung (harte und spröde Stoffe)
- Prallbeanspruchung
- Schneidbeanspruchung
- Reibbeanspruchung
- Reißende Beanspruchung (weiche Stoffe)[12]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1 Einsatzgebiete von Zerkleinerern in der Abfallaufbereitung[13]
Welche dieser Prinzipe verwendet wird, hängt also von dem jeweiligen Stoff ab (s. Abbildung 1). In der Regel sollte so wenig wie möglich zerkleinert werden14, [...] „da der Energieaufwand exponentiell zum erzielten Zerkleinerungsgrad ansteigt.“15 Das Zerkleinerungsverhältnis wird angegeben als Quotient der jeweils oberen Korngröße des Aufgabematerials und des zerkleinerten Produkts. Die Korngröße wird meistens mit dem Wert d90 oder d95 angegeben. Das bedeutet das 90 bzw. 95 Ma.-% des Materials, welches zerkleinert wurde, bei einer Absiebung ausgetragen werden.16 Für die Aufbereitung werden häufig folgende Zerkleinerungsaggregate eingesetzt, die später, anhand von Prozessbeispielen, näher erklärt werden: Hammermühlen, Prallmühlen und Prallbrecher, Backenbrecher, Rotorscheren, Einwellenzerkleinerer sowie Kugel- oder Kaskadenmühlen.17
2.1.2 Klassierung
Die Klassierung ist die Trennung der Komponenten eines Aufgabegutes nach granulometrischen Merkmalen. Hierbei steht die Korngröße im Vordergrund und selten die Kornform.18 19 In der Abfallaufbereitung wird anfallendes Material nach der Teilchengröße getrennt. Im Gegenzug steht die Sortierung, bei der nach Merkmalen nach Stoffeigenschaften wie z.B. Farbe, Magnetismus oder elektrische Leitfähigkeit unterschieden wird. Damit ist bei einer Siebung des Aufgabematerials gleichzeitig eine Sortierung nach Stoffen möglich; somit können die Siebaggregate gleichzeitig als sortierende Klassierer gelten.20 Bei einer Siebklassierung wird das zu behandelnde Material in Grob - und Feingut über einen Siebboden bewegt, welcher mit Öffnungen verschiedener Zielgrößen versehen ist.21 Dadurch kann die gewünschte Zielgröße den Siebboden passieren und das Grobgut kann wieder zurück in den Zerkleinerungsprozess geführt werden.22 Um einen möglichst effizienten Sieberfolg zu erreichen, ist es notwendig, dass klebrige, faserige oder feuchte Teile durch bestimmte Siebkonstruktionen entfernt werden. Hierbei kommen Bürsten, Ketten, Heizungen, Luftstöße und Zusatzwasser zum Einsatz, die helfen sollen, der Verkleinerung der Siebfläche und dem sinkenden Durchsatz, der sich wiederum in einer steigenden Energiemenge darstellen würde, entgegenzuwirken.23
Die Klassierung kann zudem noch durch eine sogenannte Stromklassierung durchgeführt werden. Hierbei befindet sich die Aufgabe in einem strömendem Medium (Luft, Wasser oder Lösungen) und wird aufgrund der Korngrößenverteilungen, Sinkgeschwindigkeiten oder Bewegungsbahnen getrennt.24 25 Ein Verfahren der Stromklassierung ist die Windsichtung. Die Sichtung beruht auf die Eigenschaft des Luft Medium und bezieht sich auf die Gleichfälligkeit der einzelnen Teilchen. Der Windsichter trennt somit beispielsweise nach Sinkgeschwindigkeiten, die jeweils abhängig von Form und spezifischem Gewicht ist.26 In der Klassierung wird unterschieden zwischen verschiedenen Maschineneinheiten, die jeweils die Bestandteile in andere Korngrößen trennen: Trommelsiebe, Linear- und Kreisschwingsiebe, Plansiebe, Sternsiebe, Spannwellensiebe und Zick-Zack Windsichter.27
2.1.3 Sortierung
Die Sortierung beschäftigt sich mit den physikalischen Eigenschaften der unterschiedlichen Teilchen.28 Der Begriff umfasst in der Aufbereitungstechnik die Trennung von mindestens zwei Produkten unterschiedlicher Zusammensetzung. Zum Beispiel gilt für den Stoffstrom Altholz, der Fremdmaterialien wie Eisenmetalle beinhalten kann; wird hierbei jeweils auf die unterschiedlichen Materialeigenschaften geachtet und werden deren Unterschiede genutzt. Trennmerkmale wie die Dichte, die Form, die elektrische Leitfähigkeit, die magnetische Suszeptibilität oder die sensorisch messbaren Eigenschaften, wie Farbe, werden als Faktoren herangezogen.29 Die Ermittlung eines erfolgreichen Trennvorgangs wird stark von Eigenschaften wie einer breiten Korngrößenverteilung oder starken Unterschieden in der Kornform beeinflusst. Hierzu ist es notwendig, dass ein Zusammenwirken aller Aufbereitungstechniken, wie der Zerkleinerungs-, der Klassierungs- und auch der Sortiermaschinen einen Trennerfolg gewährleisten.30 Zu aller erst werden i.d.R. mittels Handsortierungsproben die einzelnen Stoffgruppen zerlegt, um somit das Gewicht dieser einzelnen Stoffgruppen rechnerisch festlegen zu können. Hierbei spielen auch die Produktreinheit und der Massenanteil des im Aufgabegut enthaltenen Wertstoffs eine Rolle. Es wird zunächst immer ein 100% - iges Wertstoffendprodukt angestrebt, was in der Realität jedoch selten vorkommt, da meistens mit der Erzielung eines hoch angereichten Endproduktes eines Stoffes ein Verlust anderer Stoffströme einhergeht.31 So haben in der Aufbereitungstechnik im Sortierprozess folgende Maschinen eine Verwendung gefunden: Magnetscheider, Wirbelstromscheider, Dichtesortierer, Schwimm - Sink - Anlagen, optische Sortiergeräte und Hydrozyklone.32
2.1.4 Verdichten
Das Ziel bei einer Verdichtung ist in der Regel die Oberflächenverringerung und gleichzeitig die Bildung größerer Agglomerate.33 Es werden zwei verschiedene Verfahren zur Verdichtung von Endprodukten unterschieden. Ein Verfahren, bei dem die Haftung der Partikel durch Mischen mit Feuchtigkeitszusatz oder Bindemitteln und darauffolgendem Trocknen zustande kommt, nennt sich Aufbauagglomeration. Ein weiteres Verfahren bei dem die Partikelhaftung durch von außen einwirkende Kräfte zustande kommt ist, die sogenannte Pressagglomeration.34
Die Bindungsmechanismen sind bei beiden Vorgängen dieselben und unterteilen sich in Bindung durch Adhäsion- und Kohäsionskräfte, Festkörperbrückenbindung, Flüssigkeitsbrückenbindung, und die formschlüssige Bindung.35 Für die Aufbereitung ist ein Pressagglomeration besonders wertvoll, da dadurch aufgrund der Volumenreduktion des Produkts Lager- und Transportkosten reduziert werden. Ein weiterer Vorteil ist die Erhöhung der Energiedichte, für nachfolgende thermische Verwertung.36 Es haben sich in der Abfallwirtschaft somit nach dem Prinzip der Pressagglomeration zwei verschiedene Pressverfahren etabliert. Zum einem das Pressverfahren mit festen Widerlager, wobei Ballenpressen und Containerpressen zum Einsatz kommen. Zum anderen das Stangenpressverfahren, bei dem Extruder, Schneckenpressen, Pelletierpressen und Brikettierpressen verwendet werden.37
2.2 Anlagenarten und Aufbereitungsprozesse
2.2.1 Anlagenarten
Um eine effiziente und sinnvolle Aufbereitung durchzuführen werden die Anlagen entsprechend der Transportfähigkeit (Mobilität) unterschieden:38
- Mobile Anlagen
- Semimobile Anlagen
- Stationäre Anlagen
Ob eine Anlage mobil, semimobil oder stationär ist, hängt von verschiedenen Einzelfaktoren ab und ist abhängig vom jeweiligen Einsatzgebiet. Diese Einteilung hilft bei der Klassifikation der Möglichkeiten, Problemen und Kosten39 40
2.2.2 Mobile Anlagen
Mobile Anlagen in der Aufbereitungstechnik sind fahrbar und sind deswegen für den Einsatz auf Baustellen (z.B. Autobahnbau) geeignet.41 Die Anlagen sind so konstruiert, dass die einzelnen Komponenten auf Transporteinheiten (Sattelliegern oder Anhängern) montiert werden können und ggf. weiter integrierte Stützen die Standsicherheit bewahren. Dadurch ist es möglich einen schnellen Wechsel der Einsatzorte zu garantieren.42 43 Ein Radlader beschickt die Anlage und verlädt auch wiederum die Endprodukte.44 Somit ist ein mehrmaliger Standortwechsel pro Jahr möglich. Für den Auf- und Abbau der mobilen Anlagen sind durchschnittlich 1 bis 2 Tage angedacht.45 46
„Für den Betrieb mobiler Anlagen sind gemäß § 16 Gewerbeordnung (GewO) für befristete Zeiträume (12 Monate) Betriebsgenehmigungen einzuholen.“47
Daher ergeben sich diverse Vor- und Nachteile, die in folgender Tabelle 1 aufgelistet sind:
Tabelle 1: Gegenüberstellung Vor- und Nachteile mobiler Anlage[48] 49
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Durch die Abmessungen der Anlagen ergibt sich eine starke Begrenzung der möglichen. Aufgabe und zudem ist eine Sichtung oder detaillierte Siebung im Voraus nicht möglich. Daher sind entweder die Materialen „sauber“, um ein gutes Endmaterial zu gewinnen oder die Anlagen dienen nur für untergeordnete Zwecke.50 Durch Handsortierstationen, Nachsiebung und Trockensichtung kann eine mobile Einheit ergänzt werden mit einhergehender Zunahme der Montage- und Demontagezeit und steigender Produktqualität und -vielfalt.51
2.2.3 Semimobile Anlagen
Die Semimobilen - oder halbmobilen Anlagen bestehen aus mehreren transportfähigen Einheiten. Sie sind auf einer Stahlkonstruktion mit Kufen montiert.52 Um einen Standortwechsel zu vollziehen werden die Einzelteile demontiert und auf Sattel - Aufliegern verladen.53 Die Vor- und Nachteile, sowie die Genehmigungsordnung sind zu vergleichen mit jenen der mobilen Anlage.54 Allerdings sind nennenswerte weitere positive Nebeneffekte die niedrigen Investitionskosten, großzügigere Dimension der Anlagenteile und eine leichte Wartung.55 56 Trotz allem ist der Auf- und Abbau teurer, sodass der Einsatz pro Standort auch längere Zeit in Anspruch nehmen sollte.57 Mobile sowie Semimobile Einheiten sind hauptsächlich für den Einsatz auf Großbaustellen geeignet, da sie, solange keine Fremdmaterialien aufbereitet werden, genehmigungsfrei sind.58
2.2.4 Stationäre Anlagen
Stationäre Anlagen sind auf Grund ihrer Baugröße und hohen Durchsatzleistungen nicht mit mobilen oder semimobilen Anlagen zu vergleichen. Sie erzeugen hohe Produktqualitäten durch eine qualifizierte Aufbereitungstechnik und ein exakteres Kornspektrum59 60
Die Anlagen müssen auf einem Fundament installiert und abgestützt werden, um eine Standsicherheit zu gewährleisten.61
In Deutschland ist eine Genehmigung gemäß BImSchG oder ein Planfeststellungsverfahren gemäß Abfallgesetz erforderlich.62
[...]
1 Kranert und Cord-Landwehr 2010, S. 484
2 vgl. A. Pehlken, R. Uepping, und T. Pretz 2005, S. 21-33
3 vgl. Kranert und Cord-Landwehr 2010, S. 484
4 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 484
5 vgl. Thomé-Kozmiensky 1992b, S. 18
6 vgl. Kranert und Cord-Landwehr 2010, S. 138-139
7 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 487
14 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 487
15 Bilitewski und Härdtle 2013
16 vgl. Kranert und Cord-Landwehr 2010, S. 140
17 vgl. Thomé-Kozmiensky 1992b, S. 25
18 vgl. Kranert und Cord-Landwehr 2010, S. 151
19 vgl. Thomé-Kozmiensky 1992b, S. 281
20 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 496
21 vgl. Höffl 1986
22 vgl. Kranert und Cord-Landwehr 2010, S. 151
23 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 497
24 vgl. Thomé-Kozmiensky 1992b, S. 282
25 vgl. Kranert und Cord-Landwehr 2010, S. 151
26 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 497
27 vgl. Kranert und Cord-Landwehr 2010, S. 152
28 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 505
29 vgl. Kranert und Cord-Landwehr 2010, S. 159
30 vgl. Kranert und Cord-Landwehr 2010, S. 160
31 vgl. Kranert und Cord-Landwehr 2010, S. 160
32 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 506
33 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 522
34 vgl. Bilitewski et al. 1997
35 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 522
36 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 523
37 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 524
38 vgl. Sattler und Emberger 1992, S. 491
39 vgl. Keller 1992, S. 17
40 vgl. Bilitewski 1990, S. 98
41 vgl. Sattler und Emberger 1992, S. 491
42 vgl. Sattler und Emberger 1992, S. 491
43 vgl. Keller 1992, S. 17
44 vgl. Sattler und Emberger 1992, S. 491
45 vgl. Sattler und Emberger 1992, S. 491
46 vgl. Bilitewski 1990, S. 98
47 Sattler und Emberger 1992
48 vgl. Bilitewski 1990
49 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 547-548
50 vgl. Bilitewski 1990, S. 99
51 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 547
52 vgl. Sattler und Emberger 1992, S. 492
53 vgl. Keller 1992, S. 21
54 vgl. Sattler und Emberger 1992, S. 492
55 vgl. Sattler und Emberger 1992, S. 494
56 vgl. Bilitewski 1990, S. 102
57 vgl. Bilitewski 1990, S. 102
58 vgl. Bilitewski und Härdtle 2013, S. 547
59 vgl. Keller 1992, S. 21
60 vgl. Sattler und Emberger 1992, S. 494
61 vgl. Keller 1992, S. 21
62 vgl. Sattler und Emberger 1992, S. 495
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