Verfahren zur Fraktionierung von tierischen Abfallfetten, insbesondere zur Herstellung von flüssigem Brennstoff

Technisches Anwendungsgebiet Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fraktionierung von tierischen Abfallfetten, die Fettkomponenten, Wasser und Feststoffe enthalten und in fester Form vorliegen, bei dem die Abfallfette zunächst mechanisch zerkleinert und anschließend erhitzt werden, um zumindest einen Teil in eine flüssige Phase zu überführen und das Wasser zu verdampfen, und bei dem ein großer Teil der Feststoffe von der durch die Fett- komponenten gebildeten flüssigen Phase über ein mechanisches Fest-Flüssig-Trennverfahren getrennt wird.

Das Verfahren ist insbesondere zur Herstellung von flüssigen Brennstoffen geeignet, die in stationären oder mobilen Verbrennungsmotoren bzw.-anlagen eingesetzt werden können.

Im Folgenden werden unter Abfallfetten alle tierischen Fraktionen und Körperteile verstanden, die in Schlachtbetrieben anfallen und die mindestens 20 t tierisches Fett enthalten. Dabei kann es sich um Fraktionen und Körperteile von verschiedenen Tieren handeln wie z. B. von Schweinen, Rindern, Schafen, Ziegen und anderen. Abfallfette können zwar abhängig von ihrer Herkunft und Zusammensetzung für den menschlichen Verzehr geeignet sein, werden jedoch normalerweise nicht als Lebensmittel verwertet, sondern

einer anderweitigen Verwertung zugeführt oder über Tierkörperbeseitigungsanlagen entsorgt.

Abfallfette enthalten in der Regel 0,5 bis 80 % Nichtfett-Bestandteile, die im Sinne einer brenn- stofflichen Verwertung der Fett-Fraktion als Störstoffe anzusehen sind. In den meisten Abfallfetten liegt der Anteil an Störstoffen aber unter 30 %. Ein Teil dieser Störstoffe ist feinpartikulär mit Partikelgrößen < loom, einige Partikel sind sogar kleiner 1 ym. Bei einer brennstofflichen Verwertung in Motoren, Dampf- kesseln oder anderen Verbrennungsanlagen können feste Störstoffe, wie z. B. Knochenpartikel und andere Feststoffteilchen, die Einspritzdüsen beschädigen oder im Verbrennungsraum zu Ablagerungen führen. Außerdem kann ein Störstoff wie z. B. Wasser den Verbrennungs- vorgang behindern. Störstoffe wie Proteine, Fasern und Salze führen bei der Verbrennung vielfach zu unzu- lässigen Abgaszusammensetzungen. Für eine brenn- stoffliche Verwertung der Abfallfette müssen derartige Störstoffe aus der tierischen Fettfraktion des Abfall- fettes abgetrennt werden.

Die Fettfraktion aus Abfallfetten kann aufgrund ihres hohen Brennwerts einer hochwertigen thermischen Verwertung als Heiz-oder Dieselöl-Substitut zugeführt werden, wenn die enthaltenen Verunreinigungen wie Fasern, Proteine, Knochenpartikel, Salze und die anderen Störstoffe wie z. B. Wasser abgetrennt werden.

Für die Verbrennung von tierischen Fetten ist gesetzlich vorgeschrieben, dass der Aschegehalt unter 100 ppm, der Chlorgehalt unter 20 ppm und der Gehalt an Stickstoff unter 500 ppm liegen müssen.

Stand der Technik Brennstoffe und Brennstoffmischungen, die auf Pflanzen-oder Tieröl basieren, sind beispielsweise in der DE 4116905 Cl, der WO 95/25152 A1, der EP 855436 A2 oder der US 5713965 A beschrieben. In diesen Schriften werden insbesondere Mischungen aus Rapsölen mit Benzin oder Diesel verwendet, denen eine zusätzliche Substanz hinzugefügt wird. In der DE 4116905 Cl ist dieser zusätzliche Bestandteil ein Alkohol, in der WO 95/25152 AI ein Alkylester einer Fettsäure und in der EP 855436 A2 ein Acetal. In der US 5713965 A wird ein Bio- Brennstoff erhalten, indem die Triglyzeride oder die freien Fettsäuren in den pflanzlichen oder tierischen ölen oder Fetten mittels einer Lipase mit einem Alkohol verestert werden. Alle diese Verfahren setzen störstofffreie Fette und öle ohne partikuläre Verunreinigungen ein.

Aus den genannten Dokumenten geht auch hervor, dass biologische Fette und öle als Brennstoffe nicht so verwendet werden können wie sie technisch in ihrem jeweiligen Gewinnungsprozess anfallen. Es werden Zusätze benötigt und/oder änderungen der chemischen und physikalischen Eigenschaften durchgeführt. V. a. hochpreisige Zusätze, deren Beschaffungsaufwand deutlich über den Kosten von konventionellen flüssigen Brennstoffen liegt, erhöhen die Kosten dieser Alternativ-Brennstoffe und machen einen Einsatz oft nicht mehr wirtschaftlich.

In der WO 01/29154 AI wird der direkte Einsatz von Tierfett-Abfällen in Verbrennungsmaschinen als angeb- lich wirtschaftliche Lösung beschrieben. In dieser

Schrift wird nicht darauf eingegangen, wie das Fett gereinigt werden soll. Es wird nur kurz erwähnt, dass ggf. eine Filtration des Fettes nötig sei. Abfallfette und im speziellen Tierfette aus Tierkörperbeseitigungs- anstalten enthalten jedoch mit 0,2 % bis über 10 % einen für die Verbrennung unzulässig hohen Anteil an festen Störstoffen wie Knochensplitter, Knochenmehl, tierische Gewebestücke, Proteine, Proteinbruchstücke und ggf. auch Metallpartikel, Kunststoffpartikel und -fasern sowie in einigen Fällen auch diverse pflanz- liche Rückstände. Die Abtrennung dieses Materials gestaltet sich aufgrund der hohen Viskosität des Fettes und aufgrund der zum Teil sehr geringen Größe der Partikel sehr schwierig.

In der deutschen Patentanmeldung 10302226 wird ein Verfahren zur Fraktionierung von Abfallfetten zur Herstellung flüssiger Brennstoffe beschrieben, bei dem Fette nach Zugabe von flüssigen Chemikalien fraktioniert werden können. In der Praxis ist der zusätzlich Einsatz von Chemikalien vielfach uner- wünscht.

Zur Abtrennung der Fettfraktion von Tierkörper- teilen wie z. B. Speck, Fett von Schweinen, Rindern etc. ist es bekannt, die Fettabfälle zunächst zu zerkleinern und anschließend zu erhitzen. Dies kann auch unter Vakuum durchgeführt werden oder bei verminderten Temperaturen von maximal 120 bis 140 °C. Zur Verbesserung des Wärmeeintrags wird das zerkleinerte Abfallfett gut gemischt und/oder homogenisiert. Bei diesem Vorgang gelangen feinpartikuläre Störstoffe kleiner 10 Am bis zu 0,1 Am in die flüssige Phase. Die

Mischung muss dann über mehrere Dekanter oder Separatoren wieder in Wasser, Feststoff und Fett getrennt werden. Zur Verbesserung der Abtrennbarkeit der Feststoffe aus dem Fett wird vielfach noch zusätzlich Wasser zugesetzt. Als Folge entstehen große Mengen an Abwasser. Darüber hinaus ist der technische Aufwand für mehrere Dekanter und/oder Separatoren sehr hoch. Mit diesen Verfahren ist es in der Regel nicht möglich, ein Fett zu gewinnen, das so wenige Störstoffe enthält, dass es als Brennstoff genutzt werden kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Fraktionierung von tierischen Abfallfetten zur Verfügung zu stellen, mit dem eine scharfe Trennung zwischen der Fettfraktion und Störstoffen erreicht werden kann und mit dem aus den Abfallfetten störstofffreie Brennstoffe für Verbrennungsmotoren und Verbrennungsanlagen gewonnen werden können.

Darstellung der Erfindung Die Aufgabe wird mit dem Verfahren zur Frak- tionierung von Abfallfetten gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungs- beispielen entnehmen.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur Fraktionierung von tierischen Abfallfetten, die Fettkomponenten, Wasser und Feststoffe enthalten und in fester Form vorliegen, werden die Abfallfette zunächst mechanisch

zerkleinert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die zerkleinerten Abfallfette anschließend kontrolliert wieder zu größeren Abfallstücken zusammengefügt werden. Diese Abfallstücke werden erhitzt, um zumindest einen Teil in eine flüssige Phase zu überführen und das Wasser zumindest zu einem Teil zu verdampfen. Bei dieser Erhitzung verbleibt ein großer Teil der in den Abfallstücken enthaltenen Feststoffe in einem Feststoffagglomerat und wird dann von der durch die Fettkomponenten gebildeten flüssigen Phase über ein mechanisches Fest-Flüssig-Trennverfahren getrennt. Das verdampfte Wasser kann anschließend wieder kondensiert werden.

Beim vorliegenden Verfahren werden somit nach einer mechanischen Zerkleinerung des Abfallfettes wieder kontrolliert größere Abfallstücke erzeugt, die eine definierte Form, Größe, Textur bzw. Struktur und/oder Materialzusammensetzung haben. Dies kann beispielsweise durch Formen oder Pressen des vorher zerkleinerten Abfallfettes erfolgen. Durch das Zusammenfügen des vorher zerkleinerten Abfallfettes zu größeren Abfallstücken verbleiben Kanäle und Hohlräume innerhalb der Abfallstücke, die sich beim Schmelzen mit heißem Fett füllen, so dass der Wärmeübergang gegenüber Körpern gleicher Form und Größe, die nicht aus zerkleinerten Teilen gebildet wurden, deutlich verbessert ist. Auf der anderen Seite begünstigen die Abfallstücke die Bildung von größeren Störstoff- agglomeraten beim Schmelzvorgang, die anschließend aufgrund ihrer Größe mit einfachen Mitteln von der flüssigen Phase abtrennbar sind. Die Erwärmung erfolgt

dabei nicht zu schnell, so dass die Agglomerate nicht zerfallen.

Der Vorgang des Erhitzens kann in einer oder auch in mehreren Stufen, z. B. räumlich und zeitlich getrennt, mit definierten Temperaturen erfolgen. Die Erhitzung kann beispielhaft in einem Bad aus heißem, verflüssigtem Fett oder in heißem Wasser oder auch in einem heißen Gasstrom wie z. B. in einem Trockner erfolgen. Besonders gute Resultate werden bei Temperaturen von 120°C bis 200°C, vorzugsweise im Bereich zwischen 180°C und 200°C, erzielt. Auch andere Erhitzungstechniken, wie beispielsweise Kontakt- erhitzung an festen Wänden, Erhitzung durch elektro- magnetische Strahlung und andere, sind möglich. Der Verdampfungsvorgang kann ggf. durch Anlegen eines Vakuums unterstützt werden.

überraschenderweise zeigt sich, dass sich die Störstoffe durch die vorangegangene Bildung der Abfallstücke bei der Erhitzung zu größeren, stabilen Störstoffagglomeraten verbinden. Bei geeignet gewählter Form und/oder Größe und/oder Textur und/oder Material- zusammensetzung der Abfallstücke aggregieren die Störstoffe während der Erhitzung vollständig zu Störstoffagglomeraten von einigen Millimetern bis mehreren Zentimetern Größe und nehmen dabei eine feste Form und eine stabile und zum Teil harte Struktur an.

Die Störstoffagglomerate sind dabei so groß und hart, dass sie mittels einfacher Siebe und/oder Filter, die eine Porenweite von mehr als 10 ym, vorzugsweise >50 Am, besonders vorteilhaft &gt;1 mm aufweisen, als kompakte Feststoffe von der flüssigen Fettfraktion abgetrennt

werden können. Zentrifugale Trenntechniken wie Dekanter oder Separatoren sind für die Trennung von Fettfraktion und Störstofffraktion nicht erforderlich.

Bei geeignet gewählter Prozessführung, insbesondere unter Einbeziehung einer oder mehrerer der nachfolgenden Ausgestaltungen, wird eine Fettfraktion erhalten, die so geringe Störstoffgehalte aufweist, dass sie in flüssiger Form direkt als flüssiger Brennstoff, beispielsweise als Ersatz für Heizöl EL, verwertet werden kann. Feinpartikuläre Störstoffe <10 Mm werden beim vorliegenden Verfahren in die Störstoffagglomerate eingebunden und können somit die Fettfraktion nicht verunreinigen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens werden die Abfallfette zunächst einer Zerkleinerungsmaschine zugeführt, die Abfallfett- Stränge von einigen Millimetern Durchmessern und einigen Zentimetern Länge liefert. Besonders gute Resultate werden bei Durchmessern der Stränge von 2 mm bis 15 mm, vorzugsweise bei 4 mm bis 8 mm, erzielt. Der günstigste Durchmesser der Abfallfett-Stränge kann in Abhängigkeit vom verarbeiteten Material variieren.

Anschließend werden aus den Strängen kompakte Abfallstücke geformt und/oder gepreßt und/oder die Stränge werden zu einem dickeren Strang zusammengefügt, von dem Abfallstücke abgeschnitten werden können.

Als besonders vorteilhaft stellen sich Formen der Abfallstücke wie Zylinder und Quader heraus, die in Durchmesser und Dicke variieren können. Auch andere Formen wie Kugeln oder andere definierte geometrische

Körper sind vorstellbar und in Einzelfällen auch vorteilhaft. Ein Fachmann ist in der Lage, Formen bevorzugt zu verwenden, die ein günstiges Verhältnis aus Volumen und Oberfläche aufweisen, um ein schnelles Aufschmelzen des Fettes und ein schnelles Verdampfen des Wassers zu ermöglichen. Als besonders vorteilhaft haben sich bei der Herstellung der kompakten Stücke Dicken von Quadern und Durchmesser von Zylindern zwischen 5 mm und 50 mm erwiesen, besonders vorteilhaft zwischen 15 mm und 25 mm. Unterhalb dieser Dimensionen werden die Störstoffagglomerate zu instabil und zerbrechen durch die Turbulenzen des Verdampfungsvorgangs in kleine Stücke. Kompakte Quader- Stücke mit mehr als 50 mm Dicke oder Zylinder-Stücke mit Durchmessern über 50 mm liefern zwar sehr kompakte und stabile Störstoffagglomerate, sie schmelzen im Vergleich zu dünneren Abfallstücken jedoch sehr langsam auf und das Wasser benötigt eine lange Zeit, um vollständig zu verdampfen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens werden die Abfallstücke als definierte Mischungen aus verschiedenen Sorten von Abfallfetten zusammengesetzt. So zeigt sich beispiels- weise, dass ein 10 mm dicker Quader, der aus Schweine- Abfallfett-Strängen geformt wurde, während des Entwässerns ein kompaktes Störstoffagglomerat ausbildet, wohingegen ein 10 mm dicker Quader, der aus Rinder-Abfallfett-Stückchen geformt wurde, während des Entwässerns in kleinere Störstoffpartikel zerfällt. Ein 10 mm dicker Abfallquader aus 50 % Schweine-Abfallfett- Stückchen und 50 % Rinder-Abfallfett-Stückchen bildet

beim Entwässern hingegen ein kompaktes Störstoff- agglomerat aus und setzt keine Störstoffpartikel frei.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird eine Mischung aus verschiedenen Fettsorten, beispielsweise aus Rücken- speck vom Schwein, Flomen vom Schwein, Rinderfett oder anderen, hergestellt, um eine bessere Stabilität der Störstoffagglomerate zu erreichen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens werden die Abfallstücke bei 80° bis 200° in Luft oder Wasser vorgewärmt, damit eine festere Struktur der Störstoffagglomerate entsteht.

Nach einer kurzen Verweilzeit, die zum Härten dient, wird eine noch bessere Stabilität der Störstoff- agglomerate erreicht als wenn das Abfallfett in nur einem Schritt behandelt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird die Oberfläche des Abfallfettes vorbehandelt, z. B. mit Protein, Ei, Kunststoff oder anderen klebenden Verbindungen. Die äußere Schicht der Störstoffagglomerate erreicht so eine bessere Stabilität.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Abfallfett vor der thermischen Behandlung in eine gelochte Hülle, z.

B. eine Schrumpffolie, einen perforierten Darm oder eine andere flüssigkeits-und/oder dampfdurchlässige Hülle, gefüllt. Damit können auch feinste Störstoff-

partikel im Störstoffagglomerat zurückgehalten werden, was die Qualität des Brennstoffs weiter verbessert.

Wichtig dabei ist unter anderem, dass die Oberfläche mit Stoffen umschlossen ist, die in die erzeugten Brennstoffe nicht neue Störstoffe eintragen können, wie z. B. mit Kunststoffen, die keine Halogene, Asche, Stickstoff etc. enthalten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird das Störstoffagglomerat in einer trockenen heißen Vorrichtung nachbehandelt, um so eine noch höhere Fettausbeute zu erreichen. Dies kann z. B. in einem mit Gas durchströmten Trockner, mit Hilfe von Strahlungserhitzung oder in anderen heißen Trocknungsapparaten erfolgen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird vor der Herstellung der Abfallstücke ein Bindemittel mit dem Abfallfett vermischt, wie z. B. Protein, Ei, Kunststoff, Bindegewebe oder andere Stoffe, wodurch die Störstoffagglomerate eine bessere Stabilität erreichen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Abfallfett in mehreren in Reihe geschalteten Temperiereinrichtungen behandelt. Dabei können die Verweilzeit und die Temperatur in den einzelnen Temperiereinrichtungen variieren. So können unterschiedliche Brennstoff- Fraktionen hergestellt werden, wobei einzelne Fraktionen unter Umständen nicht mehr filtriert oder gesiebt werden müssen.

Wege zur Ausführung der Erfindung Nachfolgend wird die Herstellung von Brennstoffen auf Basis von Abfallfett mit dem vorliegenden Verfahren an zwei Beispielen dargestellt.

Beispiel 1 Aus 100g Abfallfett aus Rückensprecksträngen mit 5 mm Durchmesser und einigen cm Länge wird ein quader- förmiger Preßling mit einer Kantenlänge von 50 mm * 80 mm * 25 mm geformt. Dieser wird in eine Aluminiumschale gegeben und im Trockenschrank bei 170°C behandelt. Nach einer Zeit von 270 Minuten werden 87 g einer Fett- fraktion erhalten und ein kompaktes Störstoffagglomerat von 5,3g. Die fehlenden 7,7g werden als Wasser verdampft. Der Störstoffgehalt in der Fettfraktion ist sehr gering. Durch Filtration mit einem Sieb (50 Mm Porenweite) werden 0, 5g Störstoff entfernt. Nach der Siebung hat die Fettfraktion einen niedrigeren Störstoffgehalt, als es Heizöl EL zulässig ist.

Beispiel 2 Aus 100g Abfallfett aus Rückenspecksträngen mit 5 mm Durchmesser und einigen cm Länge wird ein quader- förmiger Preßling mit einer Kantenlänge von 50 mm * 80 mm * 25 mm geformt. Dieser wird in ein auf 170°C geheizten ölbad erhitzt. In einer Zeit von 10 Minuten werden 86,9 g Fett freigesetzt, die im Abfallfett enthalten waren. 7,3g Wasser verdampfen. Es entsteht ein kompaktes Störstoffagglomerat von 5,8g. Die Fettfraktion erfüllt nach Filtration mit 30 ym Filter die Anforderungen an Störstoffen für Heizöl EL.

Beispiel 3 Aus jeweils Abfallfettsträngen aus Schweineflomen mit 5 mm Durchmesser und Abfallfettsträngen aus Rinderfett mit 5 mm Durchmesser wird ein wurstförmiger Endlos- pressling hergestellt und in einen mit 200 °C heißem Thermoöl beheizten Doppelwand-Rohrreaktor geleitet. Im Rohrreaktor, der ca. zur Hälfte mit erhitztem flüssigem Fett gefüllt ist, verdampft das Wasser und kann über einen Kondensator kondensiert werden. Im Reaktor wird das Fett ausgeschmolzen. Es entstehen kompakte Störstoffagglomerate aus dem Endlospressling, die am Ende des Rohrreaktors austreten und mittels Siebung vom flüssigen Fett getrennt werden können.