Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufbereitung von

Verbundwerkstoffabfällen, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten und glasfaserverstärkten Abfällen, mit einem Zerkleinerungsaggregat für die

Verbundwerkstoffabfälle, einer nachgeschlossenen Temperierzone zur

Temperierung der zerkleinerten Verbundwerkstoffabfälle und mit einem

Umformaggregat zur Erzeugung von Verbundwerkstoffabfallpresslingen. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Verfahren zur Aufbereitung von Verbundwerkstoffabfällen, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten Abfällen, bei dem die Verbundwerkstoffabfälle in einem ersten Verfahrensschritt durch ein Zerkleinerungsaggregat zerkleinert, anschließend in einer Temperierzone temperiert und in weiterer Folge durch ein Umformaggregat zu

Verbundwerkstoffabfallpresslingen gepresst werden.

Stand der Technik

Verbundwerkstoffe sind aus mehreren Materialien bestehende Werkstoffe, deren Materialeigenschaften sich von jenen, der jeweils einzelnen Materialien

unterscheiden. Weitgehend bekannte Verbundwerkstoffe bilden dabei

kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), umgangssprachlich Kohlefaser oder Carbon, die im Wesentlichen aus in eine Kunststoffmatrix eingebettete

Kohlenstofffasern bestehen und glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), die aus in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Glasfasern bestehen. Für die Fertigung von CFK- und GFK-Bauteilen ist es bekannt, Prepregs einzusetzen. Prepregs sind Faser-Matrix-Flalbzeuge, die erst durch Druck- und Temperaturbehandlung aushärten bzw. vernetzen und deren gewünschte Materialeigenschaft erhalten. Üblicherweise sind solche Prepregs auf großen Rollen aufgewickelt und werden je nach Bedarf vom Fertiger zugeschnitten, wodurch es klarerweise zu großen Mengen an Verschnitt kommt. Je nach Prepreg-Art weisen diese jedoch diverse Zusatzstoffe, wie Lösungsmittel auf, die allerdings leicht entzündbar sind, zu Hautreizungen führen und beim Eindringen in die menschlichen Atemwege tödlich sein können. Verbundwerkstoffe, insbesondere Prepregs müssen demnach ordnungsgemäß entsorgt bzw. recycelt werden.

Aus der US20190054662A1 ist hierzu ein Verfahren zum Recyceln von

unvernetzten, kohlenstofffaserverstärkten Prepregs bekannt, bei dem unvernetzte Prepreg-Abfälle zuerst geschreddert, danach in eine Gussform gefüllt und schlussendlich einer heißen Formgebung unterzogen werden. Nachteilig daran ist allerdings, dass das Verfahren lediglich auf unvernetzte kohlenstofffaserverstärkte Prepregs ausgerichtet ist. Im Rahmen der Fertigung bzw. Wiederverwertung von Verbundwerkstoffen fallen allerdings Abfälle unterschiedlicher Beschaffenheit an, deren gefahrenlose Verarbeitung von bisher vorbekannten Verfahren bzw.

Vorrichtungen nicht ohne kostspielige Erweiterungen bewerkstelligt werden kann. Vor allem kleinere Unternehmen können sich solche Spezialvorrichtungen bzw. Spezialverfahren nicht leisten, weswegen oftmals eine Deponierung der Abfälle bevorzugt wird. Dies hat allerdings wiederum den Nachteil, dass flüchtige, toxische Komponenten bereits beim Transport zu den Deponien unbehandelt freigegeben werden.

Die DE4106942A1 zeigt eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Kunststoffabfällen mit einem Zerkleinerungsaggregat und einem Extruder. Die einzelnen

Fertigungseinheiten sind dabei jede für sich in einer Transporteinheit von der Umgebung abgeschlossen. Nachteilig daran ist, dass ein Umformen von

Verbundwerkstoffabfällen mittels Extruder einerseits wegen dem ausgehärtetem Zustand der Verbundwerkstoffabfälle und andererseits wegen deren

Restfaserbestand nicht möglich ist. Darüber hinaus verlangt die Vorrichtung eine Assemblierung der einzelnen Fertigungseinheiten einen Fachmann, da sonst etwaige flüchtigen toxischen Stoffe, bei nicht ordnungsgemäßer Assemblierung, an die Umgebung abgegeben werden könnte. Aus der EP2108495A1 sind Vorrichtungen zum Verdichten von Verbundwerkstoffabfällen mit einem Umformaggregat zur Erzeugung von

Verbundwerkstoffabfallpresslingen bekannt. Dem Umformaggregat können eine Temperierzone und ein Zerkleinerungsaggregat nachgeschlossen sein.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art vorzuschlagen, die auch Unternehmen ohne Recycelanlagen unabhängig von der Art der Verbundwerkstoffabfälle eine kosten- und

umweltschonende Alternative zur Deponierung von schädlichen

Verbundwerkstoffabfällen in Mülldeponien bietet.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass das

Zerkleinerungsaggregat, die Temperierzone und das Umformaggregat in einem zumindest im Wesentlichen hermetisch abgeschlossenen und transportablen Arbeitsraum angeordnet sind. Zufolge dieser Maßnahmen kann die Vorrichtung temporär und lokal ungebunden von unterschiedlichen Unternehmen in Anspruch genommen werden. Die mobile Vorrichtung kann beispielsweise angemietet werden, wobei auch eine Etablierung eines kommunalen Abfallwirtschaftringes denkbar ist, wenn der transportable Arbeitsraum als Container auf beispielsweise einem LKW ausgebildet ist. Damit die Vorrichtung an einem beliebigen Ort, ohne weitere Sicherungsvorkehrungen treffen zu müssen, abgestellt werden kann, ist der Arbeitsraum im Wesentlichen hermetisch von seiner Umgebung abgetrennt. Im Wesentlichen soll hier bedeuten, dass Schleusen oder Klappen zum Be- und Entladen, bzw. Öffnungen für Frischluft- bzw. Abluftleitungen und dergleichen vorgesehen sein können, die den Arbeitsraum durchbrechen. Der Arbeitsraum bietet dabei einen kompakten und transportablen Raum für ein

Zerkleinerungsaggregat, das beispielsweise als Schredder oder Guillotine ausgebildet sein kann. Naturgemäß können auch andere für den Fachmann naheliegende Zerkleinerungsaggregate, sowie eine Kombination bekannter Zerkleinerungsaggregate vorgesehen sein. Vorteilhafte Bedingungen hinsichtlich einer rückstandslosen und effizienten Zerkleinerung ergeben sich, wenn dem Zerkleinerungsaggregat eine Düse zum Eintrag von Sprühnebel zugeordnet ist, wodurch der beim Zerkleinern entstehende Staub gebunden werden kann.

Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn das Zerkleinerungsaggregat, bzw. ein Abschnitt des Gehäuses in dem das Zerkleinerungsaggregat angeordnet ist, gekühlt ist, wodurch eine Zerkleinerung von noch nicht ausgehärteten

Verbundwerkstoffabfällen begünstigt wird. Die ebenfalls im Arbeitsraum

angeordnete Temperierzone ist ein Reaktionsraum in dem der zerkleinerte Verbundwerkstoffabfall thermisch und/oder chemisch behandelt wird. Bevorzugt wird die Temperatur der Temperierzone, sowie die Verweilzeit des

Verbundwerkstoffabfalles in der Temperierzone so gewählt, dass die toxischen Schadstoffe, beispielsweise Lösungsmittel, ausgetrieben werden. Dadurch kommt es zur Vernetzung der Prepregs und zur erfindungsgemäßen Reduktion der Toxizität und Entzündbarkeit der Verbundwerkstoffabfälle aller Arten. Um lediglich eine Aushärtung und keine Verbrennung der Verbundwerkstoffkomponenten, wie beispielsweise Kunstharze, zu erzielen, wird die Temperatur in der

Temperierzone in Anhängigkeit des Verbundwerkstoffabfalles variiert, um ein aufbereitetes Produkt mit möglichst hohem Heizwert, das beispielsweise als Reduktionsmittel, Kohlenstoffträger, Aufkohlungsmittel bzw. Brennstoff in der Hochofenroute oder im Stahlwerk eingesetzt werden kann, zu erlangen. Das in der Prozesskette der Temperierzone nachgeordnete Umformaggregat kann im einfachsten Fall eine Pelletierpresse sein, wiewohl es auch denkbar ist, dass das Umformaggregat nur zur Konfektionierung, daher zum Befüllen von Abfallsäcken mit ungepressten Verbundwerkstoffabfällen, eingesetzt wird. Soll die

Konfektionierung von ungepressten Verbundwerkstoffabfällen erfolgen, so kann eine Anordnung einer Rüttelplatte, eines Backenbrechers oder eines Schredders zwischen Temperierzone und Umformaggregat vorgesehen sein, wodurch die Rieselfähigkeit des Verbundwerkstoffabfalles erhöht wird.

Um die behördlich vorgegebenen Jahres- und Tagesmittelwerte hinsichtlich der für die menschliche Gesundheit gefährliche, insbesondere lungengängige

Schadstoffe einzuhalten, wird vorgeschlagen, dass dem Zerkleinerungsaggregat ein Partikelabscheider zum Abscheiden der beim Zerkleinern erzeugten Stäube zugeordnet ist, wobei eine Förderleitung mit dem Partikelabscheider verbunden ist, um den beim Zerkleinern entstandenen Staub abzuscheiden. Die

Förderleitung kann dabei als abgeschlossener Kreislauf innerhalb des

Arbeitsraumes ausgebildet sein. Da es jedoch beispielsweise beim Zerkleinern zu einer starken Wärmeentwicklung kommen kann, kann die Förderleitung den Arbeitsraum an einer ersten Frischluftzufuhrleitung durchbrechen und diese Frischluftzufuhrleitung über das Zerkleinerungsaggregat mit dem

Partikelabscheider verbinden. Die angesaugte Luft dient in diesem Fall zum Kühlen des Zerkleinerungsaggregates und transportiert gleichzeitig die

entstandenen Stäube zum Partikelabscheider, wo die lungengängigen

Schadstoffe abgeschieden werden. Die gereinigte Luft wird entweder innerhalb des Arbeitsraumes im Kreis geführt, oder verlässt diesen über eine Abluftleitung. Als Partikelabscheider können beispielsweise Zyklone oder filternde Abscheider vorgesehen sein. Vorteilhafterweise sind die filternden Abscheider als

Keramikfilter ausgebildet, da dadurch eine statische Aufladung durch die kohlenstoff- und glasfaserverstärkten Abfälle vermieden und ein Abreinigen des entstandenen Filterkuchens begünstigt wird.

Damit auch bei einer Aufbereitung von Verbundwerkstoffabfällen

unterschiedlicher Materialbeschaffenheit ein möglichst homogenes Produkt erzeugt und gleichzeitig die Prozesskette so ausgestaltet werden kann, dass die Produktausbeute der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des damit

verbundenen Verfahrens maximiert wird, kann der Partikelabscheider eine Dosiervorrichtung zum Zuschlägen der, gegebenenfalls mit einem Bindemittel versetzten, abgeschiedenen Partikel zu den zerkleinerten

Verbundwerkstoffabfällen aufweisen. Dadurch wird der beim Zerkleinern entstandene Staub wieder in den Prozess eingebracht, verwertet und wirkt dabei, vor allem, wenn dieser mit einem Bindemittel bzw. mit Wasser versetzt wird, als Klebemittel für die chemisch und thermisch behandelten Verbundwerkstoffabfälle. Auf diese Weise können auch stark unterschiedliche Verbundwerkstoffabfälle, wie Prepregs, Fasermaterialien, Harzreste und zu recycelnde Waren zu einem homogenen Endprodukt verwertet werden. Prozesstechnisch besonders günstige Bedingungen ergeben sich, wenn die Temperierzone eine Fördervorrichtung zur Förderung der zerkleinerten

Verbundwerkstoffabfälle durch die Temperierzone zum Umformaggregat aufweist. Die Fördervorrichtung kann beispielsweise eine Förderschnecke, ein Förderband oder ein Schwingförderer sein. Letzterer kann auch zum Klassieren von

Verbundwerkstoffabfällen unterschiedlicher Korngrößen eingesetzt werden.

Um eine einfache Entnahme von dem aufbereiteten Produkt aus der Vorrichtung zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass an den Arbeitsraum ein über eine Schleuse angeschlossener Lagerraum zur Zwischenlagerung der

Verbundwerkstoffabfallpresslinge vorgesehen ist. Der Lagerraum ist demnach vom eigentlichen Arbeitsraum abgetrennt, wodurch ein gefahrenloses Begehen desselbigen jederzeit möglich ist. Die Schleuse kann im einfachsten Fall eine abgedichtete Klappe sein. Die Entnahme des konfektionierten Produktes kann entweder chargenweise oder kontinuierlich erfolgen. In einer bevorzugten

Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, kann der Lagerraum temperiert werden, wodurch eine vollständige Vernetzung bzw. Aushärtung der verpackten und aufbereiteten Verbundwerkstoffabfälle gewährleistet wird. Auf diese Weise können beispielsweise noch nicht vollständig ausgehärtete

Verbundwerkstoffabfälle vor dem Umformen bzw. Pressen als Bindemittelersatz eingesetzt werden. Die vollständige Vernetzung wird in diesem Fall erst im

Lagerraum erzielt.

Damit die Vorrichtung weitgehend automatisiert betrieben werden kann, empfiehlt es sich in einer besonders praktikablen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass dem Zerkleinerungsaggregat, der Temperierzone und dem Partikelabscheider mit einer Regelungseinheit verbundene Sensoren zur

Messungen von Verbundwerkstoffabfall- und Prozessparametern zugeordnet sind, wobei die Betriebsparameter wenigstens des Zerkleinerungsaggregates, in der Temperierzone und des Umformaggregates in Abhängigkeit der gemessenen Prozessparameter über die Regelungseinheit regelbar sind. Prozessparameter können beispielsweise die Umdrehungszahlen der in dem

Zerkleinerungsaggregat eingesetzten Rotoren sein, die Temperatur in der Temperierzone und im Zerkleinerungsaggregat, die Fördergeschwindigkeit der in der Temperierzone angeordneten Fördervorrichtung, die Verweilzeit der

Verbundwerkstoffabfälle in der Temperierzone, der vom Umformaggregat beaufschlagte Druck zur Erzeugung der Verbundwerkstoffabfallpresslinge, der Druckabfall im Partikelabscheider, Schadstoffkonzentration bzw. Beladung der Abluft und andere für den Fachmann naheliegende und für die Prozessregelung relevante Prozessparameter sein. Verbundwerkstoffabfallparameter können beispielsweise Partikeldurchmesser, Schüttdichte, Brennwert und andere für den Fachmann naheliegende und für die Beurteilung der

Verbundwerkstoffabfallcharakteristik relevante Verbundwerkstoffabfallparameter sein. Die aufgezeichneten Daten werden von der Regelungseinheit

aufgenommen, verarbeitet und anhand vorgegebener Sollwerte zur Einstellung der Betriebsparameter verwendet. Die Sollwerte können dabei je nach

Verbundwerkstoffabfallart variieren.

Die Vorrichtung kann zum Durchführen eines Verfahrens zur Aufbereitung von Verbundwerkstoffabfällen, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten und glasfaserverstärkten Abfällen, bei dem die Verbundwerkstoffabfälle in einem ersten Verfahrensschritt durch ein Zerkleinerungsaggregat zerkleinert,

anschließend in einer Temperierzone temperiert und in weiterer Folge durch ein Umformaggregat zu Verbundwerkstoffabfallpresslingen gepresst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte in einem zumindest im Wesentlichen hermetisch abgeschlossenen und transportablen Arbeitsraum durchgeführt werden, eingesetzt werden.

Damit die Wertschöpfung bei der Aufbereitung der Verbundwerkstoffabfälle erhöht werden kann, wird vorgeschlagen, dass der beim Zerkleinern der

Verbundwerkstoffabfälle entstehende Staub abgesaugt und in einem

Partikelabscheider abgeschieden wird, wonach der abgeschiedene Staub über eine Dosiervorrichtung zerkleinerten Verbundwerkstoffabfällen zugeschlagen wird. Eine weitgehende automatisierte Regelung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dann erreicht werden, wenn die Regelung der Betriebsparameter

wenigstens des Zerkleinerungsaggregates, in der Temperierzone und des Umformaggregates über eine Regelungseinheit in Abhängigkeit von durch Sensoren aufgenommenen Verbundwerkstoffabfall- und Prozessparametern erfolgt.

Die Regelung des erfindungsgemäßen Verfahrens gestaltet sich hierbei besonders exakt, wenn auf Basis der von den Sensoren aufgenommenen

Verbundwerkstoffabfall- und Prozessparametern eine auf einer Recheneinheit hinterlegte Prozesssimulation durchgeführt wird, wonach durch

Parametervariation die virtuellen Betriebsparameter optimiert werden und gefundene Lösungen zur Regelung des Zerkleinerungsaggregats, der

Betriebsparameter der Temperierzone und des Umformaggregates mit der Regelungseinheit verwendet werden. Auf Basis der

Verbundwerkstoffabfallparameter wird ein sogenannter virtueller Zwilling des aufzubereitenden Verbundwerkstoffabfalles modelliert, dessen Aufbereitung mittels Prozesssimulation und der aufgenommenen Betriebsparameter berechnet wird. Durch Parametervariation können die zum Erreichen vorgegebener

Sollwerte, beispielsweise Heizwert des aufbereiteten Produktes oder Grenzwerte über die Abluft abgegebener Schadstoffe, notwendigen Betriebsparameter errechnet werden und von der Regelungseinheit zur Regelung der realen

Aggregate (Zerkleinerungsaggregat, Temperierzone, Fördervorrichtung,

Umformaggregat, Partikelabscheider) verwendet werden. Die errechneten Daten zur Prozessoptimierung können auf einem zentralen Speicher hinterlegt werden und zur Regelung des erfindungsgemäßen Verfahrens anderer

erfindungsgemäßer Vorrichtungen verwendet werden. Dadurch können eine Vielzahl erfindungsgemäßer Vorrichtungen miteinander kommunizieren und im Sinne einer künstlichen Intelligenz voneinander lernen, wodurch eine ständige Prozessoptimierung erreicht wird. Es muss wohl nicht näher erläutert werden, dass die erwähnte Prozesssimulation mit Hilfe eines virtuellen Zwillings nicht auf ein Verfahren zur Aufbereitung von Verbundwerkstoffabfällen, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten Abfällen, beschränkt ist. Kurze Beschreibung der Erfindung

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufbereitung von

Verbundwerkstoffabfällen, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten Abfällen in teilgeschnittener Seitenansicht und

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung, wobei aus

Übersichtlichkeitsgründen der Partikelabscheider und der LKW zum

Transportieren der Vorrichtung nicht dargestellt sind.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen im Wesentlichen hermetisch abgeschlossenen und transportablen Arbeitsraum 1 auf, in dem ein

Zerkleinerungsaggregat 2, eine Temperierzone 3 und ein Umformaggregat 4, das auch zur ausschließlichen Konfektionierung des Verbundwerkstoffabfalles eingesetzt werden kann, angeordnet sind.

Das Zerkleinerungsaggregat 2 ist über eine Förderleitung 5 mit einem

Partikelabscheider 6, beispielsweise ein filternder Abscheider, verbunden, wodurch der beim Zerkleinern entstandene Staub abgeschieden und nicht über die Abluftleitung 7a ausgetragen wird.

Dem Partikelabscheider 6 kann dabei eine Dosiervorrichtung 8 zugeordnet sein, die den abgeschiedenen Staub, nachdem dieser mit einem aus einem

Bindemittelvorratsbehälter 9 entnommenen Bindemittel vermischt wurde, auf die zerkleinerten Verbundwerkstoffabfälle aufbringt.

Die Temperierzone 3 weist eine Fördervorrichtung 10 zur Förderung der zerkleinerten Verbundwerkstoffabfälle durch die Temperierzone 3 zum

Umformaggregat 4 auf. Die Einstellung der Temperatur in der Temperierzone kann über eine Heizschlange 11 erfolgen. Die Temperiervorrichtung ist als Reaktionsraum anzusehen, in dem toxische Stoffe aus dem Verbundwerkstoffabfall ausgetrieben und thermisch behandelt werden. Die ausgetriebenen Gase verlassen über eine Abluftleitung 7b den Arbeitsraum 1 , nachdem sie gegebenenfalls von einem Luftreinigungssystem 12 nachbehandelt wurden.

An den Arbeitsraum 1 kann zudem ein Lagerraum 13 anschließen, der analog zum Zerkleinerungsaggregat 2 durch eine als Schleuse fungierende Klappe 14 vom Arbeitsraum 1 abgetrennt ist. Der Zugang zum Lagerraum 13 wird durch einen Zugang 15 ermöglicht.

Für eine weitgehende Automatisierung und Optimierung der Prozessregelung sind dem Zerkleinerungsaggregat 2, der Temperierzone 3, dem

Partikelabscheider 6 Sensoren 16 zur Messungen von Verbundwerkstoffabfall- und Prozessparametern zugeordnet, die mit einer Regelungseinheit 17 verbunden sind. Die Regelungseinheit 17 kann die ermittelten Daten an eine Recheneinheit 18 übermitteln und anhand vorgegebener Sollwerte das Zerkleinerungsaggregat 2, die Temperierzone 3, die Fördervorrichtung 10, das Umformaggregat 4, den Partikelabscheider 6, Strömungsmaschinen 19 und etwaige nicht eingezeichnete Ventile regeln. Über die Recheneinheit 18 kann zudem mit anderen

Recheneinheiten anderer erfindungsgemäßen Vorrichtungen kommuniziert werden, deren ermittelte Daten ebenfalls zur Prozessoptimierung verwendet werden können.

Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, kann die Temperierzone 3 durch fakultative Trennvorrichtungen 20 in mehrere Temperierzonen 3a, 3b, 3c unterschiedlicher Temperatur aufgeteilt werden. Die einzelnen Temperierzonen 3a, 3b, 3c werden von jeweils zugeordneten Heizschlangen 11 a, 11 b, 11c temperiert. Die Luft- bzw. Prozessgasführung kann über Ventile 21 der Abluftleitung 7b geregelt werden, sodass Prozessgas unterschiedlicher Temperatur durch das Luftreinigungssystem 12 in das Gehäuse des Zerkleinerungsaggregats 2 rückgeführt werden kann. Auf diese Weise kann die Aushärtung und Vernetzung der Verbundwerkstoffabfälle, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten Abfälle über die Prozessgaszirkulation geregelt werden. In der Fig. 2 ist außerdem eine mögliche Kombination mehrerer Zerkleinerungsaggregate 2 verdeutlicht. In diesem Fall wird eine Guillotine für nicht ausgehärtete Materialien, insbesondere Prepregs, gefolgt von einem Schredder für ausgehärtete Materialien eingesetzt.