Recyclingtechnik: Fachbuch für Lehre und Praxis PDF
Preview Recyclingtechnik: Fachbuch für Lehre und Praxis
Hans Martens Daniel Goldmann Recyclingtechnik Fachbuch für Lehre und Praxis 2. Auflage Recyclingtechnik Hans Martens • Daniel Goldmann Recyclingtechnik Fachbuch für Lehre und Praxis 2. Auflage Hans Martens Daniel Goldmann Augsburg, Deutschland Clausthal-Zellerfeld, Deutschland ISBN 978-3-658-02785-8 ISBN 978-3-658-02786-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-658-02786-5 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer Fachmedien Wiesbaden 2011, 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insb esondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikro verfilmungen und die Einspeicherung und Verar- beitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenz eichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Lektorat: Dr. Daniel Fröhlich Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com) Geleitwort Die Recyclingtechnik hat sich aus zwei Fachgebieten entwickelt – aus der Abfallwirtschaft und den Primärrohstofftechnologien. Stand bei der Entwicklung der Abfallwirtschaft zunächst der Beseitigungsgedanke im Vordergrund, so gewann im Lauf der Zeit die Kreislaufführung von Stoffströmen an Bedeutung. Inzwischen hat sich eine leistungsfähige Ressourcenwirtschaft entwickelt, die einen Beitrag zur Rohstoffsicherung leistet. Dies spiegelt sich auch in der Nomenklatur der Gesetzgebung deutlich wider: Die erste bundeseinheitliche Regelung des Abfallrechts in Deutschland wurde 1972 mit dem Abfallbeseitigungsgesetz geschaffen. Ausgehend von der Beseitigung belegen die Titel der Folgenormen – Abfallgesetz (1986), Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (1994) und aktuell Kreislaufwirtschaftsgesetz (2012) – den fortschreiten- den Wandel in der Zielsetzung. Mit dem Kreislaufwirtschaftsgesetz wurde der Stellenwert des Recyclings und damit des Ressourcenschutzes weiter erhöht; zum einen durch Einfüh- rung der fünfstufigen anstelle der dreistufigen Abfallhierarchie, bei der das Recycling in der Rangfolge vor der sonstigen Verwertung – insbesondere energetische Verwertung und Verfüllung – eingeordnet wird; zum anderen durch Einführung von Getrennthaltungspflich- ten für Metall-, Kunststoff-, Glas-, Papier- und Bioabfälle (seit 1. Januar 2015) sowie von Recyclingquoten für bestimmte Abfallarten, die ab 2020 einzuhalten sind. Die Stärkung der Kreislaufwirtschaft und des Recyclings wird auch auf europäischer Ebene vorangetrieben. Ein Meilenstein war die Neufassung der EU-Abfallrahmenrichtlinie 2008. Derzeit arbeitet die EU-Kommission an einem Circular Economy Paket – das ambi- tionierter und effektiver sein soll als das von ihr zurückgezogene Kreislaufwirtschaftspaket der Vorgängerkommission. Es wird ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt, von der Produktion und dem Produktdesign über den gesamten Lebenszyklus bis hin zu ReUse, Recycling und sonstiger Entsorgung. Die von der EU-Kommission angekündigte Veröffentlichung ihres Vorschlags steht bevor. Eine zweite Wurzel der Recyclingtechnik sind die Primärrohstofftechnologien. Ab- fälle und Rohhaufwerke – bergbaulich gewonnenes Material – haben im Hinblick auf ihre weitere Verwendung eins gemeinsam: sie sind nur selten für die unmittelbare Weiter- verarbeitung in anderen Industriezweigen – z. B. Verhüttung und industrielle Herstellung von Produkten – geeignet. An die Produkte werden Qualitätsanforderungen gestellt, die nur mit aufwendigen Techniken zu erreichen sind. Daher wurden Behandlungstechniken V VI Geleitwort entwickelt, mit denen die Forderungen der Verwerter erfüllt werden können. Für die Auf- bereitung von Abfällen zu Sekundärrohstoffen werden vorwiegend gleiche oder ähnliche Verfahren eingesetzt wie für Primärrohstoffe. Für Rohstoffe, die wegen ihres Wertstoff- inhaltes genutzt werden sollen, spielen Anreicherverfahren die entscheidende Rolle. Die Aufbereitungstechnik wird für die Vorbehandlung von zahlreichen Abfallarten ein- gesetzt, z. B. für Papier/Pappe/Karton, Altglas, Altreifen, Baurestmassen, Altfahrzeuge, Elektro- und Elektronikabfälle, Schlacken und Aschen aus Kraftwerken, Abfallverbren- nungsanlagen und der Hüttenindustrie. In der Recyclingtechnik spielen mechanische, ther- mische und chemische Verfahren wichtige Rollen. Viele Abfallarten sind komplexe, heterogene Gemische, deren hochwertige Verwertung anspruchsvolle und ausgefeilte, z. T. auch robuste Technik verlangt. Ohne Kenntnis des Inputmaterials, der theoretischen Grundlagen sowie der Maschinen- und Verfahrenstechnik ist eine optimale Anwendung der Recyclingtechnik zur Erreichung der gewünschten Qualitäten der zu erzeugenden Produkte unter ökonomischen und ökologi- schen Gesichtspunkten nicht möglich. Obwohl während der letzten Jahrzehnte beachtliche Erfolge hinsichtlich der Kenntnis der Eigenschaften der Abfälle sowie der Maschinen- und Verfahrenstechnik erzielt wurden, kommen der weiteren Forschung und Entwicklung auch im Bereich des Recyclings große Bedeutung zu. Für ausgewählte Recyclingverfahren werden auf europäischer Ebene Beste Verfügbare Techniken beschrieben, im BVT-Merkblatt Abfallbehandlungsanlagen zum Beispiel für die Regenerierung von Lösemitteln und die Wiedergewinnung von Katalysatorenbestandteilen. Insgesamt gewinnen europäische Vorgaben für die Recyclingtechnik als zentralen Teilbe- reich der Abfallwirtschaft größere Bedeutung – Stichworte sind u. a. die Abfallrahmenricht- linie, das Circular Economy Paket der EU-Kommission und die erwähnten Merkblätter über die Besten Verfügbaren Techniken. Das vorliegende Lehr- und Handbuch wendet sich als Einführung an Studierende na- turwissenschaftlicher und technischer Studiengänge sowie an Techniker, Ingenieure und Betriebswirte im Anlagenbau und -betrieb der Recycling- und Abfallwirtschaft, Ingenieur- büros und Umweltbehörden. Professor Hans Martens hatte auf Grundlage langjähriger industrieller Forschung und seiner Lehre an der Professur für Umwelttechnik und Recycling der Westsächsischen Hochschule Zwickau die Erstauflage veröffentlicht. Nun haben er und Professor Daniel Goldmann, ausgewiesener Recyclingexperte mit fundierten Erfahrungen in der Industrie- forschung und -entwicklung sowie Inhaber des Lehrstuhls für Rohstoffaufbereitung und Recycling an der Technischen Universität Clausthal, die stark überarbeitete und ergänzte Neuauflage verfasst. Das Buch bietet einen fundierten Überblick über alle wesentlichen Recyclingverfahren. Mit seiner logischen Struktur und übersichtlichen Gliederung empfehle ich das umfangrei- che Nachschlagewerk für Studium und Praxis. Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky Neuruppin, November 2015 Vorwort Die Behandlung und Verwertung von Abfällen war weltweit zunächst eine Umweltschutz- maßnahme. Seit einigen Jahrzehnten verlagerte sich der Schwerpunkt auf die Wiederge- winnung der Wertstoffe und deren Rückführung in den Wirtschaftskreislauf. Dafür hat sich international der Begriff Recycling durchgesetzt (engl. recycling; franz. recyclage; span. reciclaje; ital. riciclaggio). Nach wie vor bietet dieser Begriff eine Reihe von Interpretationsmöglichkeiten. Mit der letzten Revision der Europäischen Abfallrahmenrichtlinie und deren Umsetzung in deutsches Recht als Kreislaufwirtschaftsgesetz im Jahre 2012 (KrWG) wurde der Begriff Recycling für den Europäischen Raum konkretisiert. Jenseits juristischer Auslegungen kann unter Recycling der gesamte Prozess verstanden werden, der die Sammlung von Abfällen, die Durchführung von Vorbehandlungsmaßnahmen, die mechanische Aufbereitung zu Se- kundärrohstoffen und deren Verarbeitung zu neuen Grundstoffen und Werkstoffen umfasst. Die bereits historische Bedeutung des Recyclings wird allerdings deutlich an der Ver- wertung von Altmetallen, die seit der Gewinnung und Nutzung von Metallen praktiziert wird. Das war durch die spezifischen Eigenschaften der Metalle möglich. Metalle und Metalllegierungen erfahren während ihres Gebrauchs nur wenig Verschleiß und sind häufig sehr korrosionsbeständig. Das führt zu einem geringen Wertverlust, d. h. die Aufwendungen für die Gewinnung der Erze und die Metall-Herstellung, wie Arbeitskraft, Kapital, Energie und Hilfsstoffe gehen nicht verloren. Eine erneute Nutzung nach Umarbei- tung ist häufig mit geringem zusätzlichem Aufwand durch Umformen oder Umschmelzen möglich. Das gilt in besonderem Maß für die Edelmetalle (Gold, Silber, u. a.), aber auch für Eisen und die Nichteisenmetalle (Kupfer, Blei, Zinn u. a.) sowie deren Legierungen (z. B. Bronze, Messing). Die Wertbeständigkeit der Metalle begründete letztlich ihre Verwend- barkeit als Tauschwert (Bronzestücke, Edelmetallmünzen). Andere Materialien wie Flüssigkeiten (Öle, Beizen usw.) sind nach Aufarbeitung eben- falls weiter verwendbar. Die Nutzung von Altpapier existiert seit Erfindung des Papiers. Beschriebene Pergamente wurden im Mittelalter z. B. als Bucheinband erneut genutzt und stellen heute wertvolle historische Dokumente dar. Eine lange Tradition hat auch die Ver- wertung von Altglas durch Umschmelzen. Die Mehrfachnutzung von Holz, Textilien und Wasser in Haushalten und Industrie ist ebenfalls weit verbreitet. In Zeiten der Rohstoff- knappheit oder wirtschaftlicher Krisen wurde Recycling oft als bedeutende gesellschaftspo- VII VIII Vorwort litische Maßnahme durchgeführt. Das betraf z. B. das Sammeln von Edelmetallschmuck im 1. Weltkrieg oder das Einschmelzen von Bronzedenkmälern und Glocken im 2. Weltkrieg. Im Rahmen der weltweiten Umweltdiskussion der vergangenen Jahrzehnte hat das Re- cycling aber eine noch deutlich erweiterte Bedeutung als Umweltschutzmaßnahme gewon- nen. Durch diese „Verwertung von Abfällen“ wird z. B. die Deponierung von Müll reduziert und der Schadstoffeintrag von festen Stoffen, Flüssigkeiten und Gasen in den Boden, in Flüsse und Grundwasser sowie in die Atmosphäre verringert. Außerdem ermöglicht das Recycling häufig eine erhebliche Einsparung von Energie gegenüber der Primärproduktion. Recycling liefert damit einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung von CO -Emissionen und 2 damit der globalen Erwärmung. Immer komplexere Produktionsprozesse und Produkte, immer kürzere Produktlebenszyklen und der Einsatz einer immer größeren Zahl begrenzt verfügbarer Rohstoffe verschärfen die Herausforderungen für hocheffiziente Recycling- verfahren und -strukturen. In den letzten Jahrzehnten ist ein umfangreiches Schrifttum zu verschiedenen Teilgebie- ten des Recyclings entstanden, von Zeitungen und Fachzeitschriften über Tagungsbände bis zu ergänzungsfähigen Loseblatt-Sammlungen und Fachbüchern. Für die Ausbildung von Studierenden fehlte aber eine Monografie, die Zugang und Überblick zu den wichtigsten Grundlagen und Verfahren sowie zu wesentlichen Praxisbeispielen der Recyclingtechnik lieferte. Mit der Publikation des Fachbuchs für „Recyclingtechnik“ (H. Martens) wurde diese Lücke im Jahre 2011 erstmals gefüllt. Die Resonanz auf dieses Buch veranlassten Verlag und Autor, nun eine aktualisierte Fassung mit kolorierten Abbildungen herauszu- geben. Durch die Einbindung eines zweiten Autors (D. Goldmann) konnte eine 2. Auflage in aktualisierter und erweiterter Fassung als Lehrbuch erarbeitet werden. Selbstverständlich kann auch dieses Werk nicht auf alle Aspekte der Welt des Abfalls eingehen. Bewusst erfolgt eine Fokussierung auf die Recyclingtechnik nichtbiologischer Abfälle. Fragen der biologischen Abfallbehandlung, der Abfallwirtschaft, der Abwasser- behandlung oder des Umweltrechts bleiben anderen Publikationen vorbehalten. Das vorliegende Lehrbuch „Recyclingtechnik“ konzentriert sich auf die Recyclingtech- nologien mit ihren verfahrenstechnischen Grundlagen und auf relevante Praxisbeispiele und ergänzt diese im erforderlichen Maße durch wirtschaftliche, ökologische und abfall- rechtliche Anmerkungen. Dadurch wird die Komplexität der Probleme für den Recycling- ingenieur von morgen erkennbar, denn dieser muss Generalist mit breitem technischem Sachverstand sein. In 16 Kapiteln folgt auf eine allgemeine Einführung die Vermittlung verfahrenstechnischer Grundlagen. Dabei wird immer von den spezifischen Eigenschaften und den Einsatzgebieten der Werkstoffe und Materialien ausgegangen. Entscheidende Un- terschiede der Recyclingfähigkeit von Metallen, Kunststoffen, Papier, Glas und Keramik werden herausgearbeitet, die typischen Recyclingverfahren für diese Stoffe beschrieben und damit der Zugang zum Recycling von hochkomplexen Altprodukten (Altautos, Elek- tronikschrott u. a.) eröffnet. Ergänzend dazu werden auch die Recyclingmöglichkeiten für andere wichtige Stoffe (Metallsalze, Salzlösungen, Oxide, Farben, Lacke, Lösemittel, Öle Gase) angerissen. Die Kenntnis der Grundlagen soll auch die Fähigkeit zur Bearbei- tung neuer Recyclingaufgaben ermöglichen, die sich durch Einführung neuer Werkstoffe, Vorwort IX Werkstoffverbunde und Produkte (z. B. LCD-Displays, Photovoltaikmodule, LED-Lampen, Magnete mit Seltenerdmetallen) sowie dem damit verbundenen Anfall neuartiger Produkti- onsabfälle ständig ergeben. Bei der Verwertung komplexer Altprodukte kommt dem Recy- cling von Altfahrzeugen, Elektro- und Elektronikaltgeräten sowie Batterien eine besondere Bedeutung zu. Dies wird deshalb in speziellen Kapiteln behandelt. Für eine möglichst vollständige Verwertung von Abfällen kann in der Regel auf thermi- sche Abfallbehandlung und energetische Verwertung nicht verzichtet werden. Aus diesem Grunde ist dieser Thematik ein eigenes Kapitel gewidmet. Aus der im KrWG festgelegten Produktverantwortung der Hersteller von Erzeugnissen ergeben sich Schlussfolgerungen für eine recyclinggerechte Konstruktion aller Erzeugnisse. Diese Thematik wird in einem abschließenden kurzen Kapitel behandelt. Ausführliche Darstellungen zu diesen Themen- gebieten würden den Rahmen des Buches sprengen, es sollen aber zumindest Implikationen und Schnittstellen zu diesen Gebieten aufgezeigt werden. Das Buch ist als einführende Literatur für Studenten an Hochschulen und Universitä- ten mit technischen, naturwissenschaftlichen und wirtschaftlichen Studiengängen konzi- piert, wird aber auch Ingenieuren, Technikern und Betriebswirten in der Praxis und in den Umweltbehörden Einstieg und Vertiefung in Bereiche der Recyclingtechnik ermöglichen. Vielleicht findet es aber auch das Interesse einer weiteren Leserschaft, trägt damit zu einem besseren Verständnis der komplexen Zusammenhänge der Recyclingproblematik bei und kann so einen kleinen Beitrag zur Entwicklung einer ressourceneffizienten Gesellschaft leisten. Eine wesentlich kürzere Darstellung zur Recyclingtechnik wurde von Hans Martens bereits in das „Handbuch Konstruktionswerkstoffe“ im Kapitel V3 (Hanser Verlag 2008 und 2014) eingebracht. Mit freundlicher Zustimmung des Hanser Verlags war es möglich, einige Tabellen und Abbildungen aus diesem Handbuch in das vorliegende umfassendere Buch zu übernehmen. Bei den betreffenden Tabellen und Abbildungen ist dann immer die Quelle [2.1] oder [3.21] angegeben. Dem Springer Verlag danken wir für die Übernahme der 2. Auflage in den Bereich Energie und Umwelt bei Springer Vieweg. Besonderer Dank geht auch an den neuen Lektor Dr. D. Fröhlich, mit dem eine sehr konstruktive Zusammenarbeit realisiert werden konnte. Hans Martens, Augsburg, 2015 Daniel Goldmann, Clausthal-Zellerfeld, 2015 Abkürzungsverzeichnis ABS Acrylnitril-Butadien-Styrol ABS-FR ABS Flame Retardent ACCUREC Li-Recyclingverfahren AFK Aramidfaserverstärkter Kunststoff AGM-Akku Absorbent-Glass-Mat-Akku AOD Argon-Oxygen-Decarburization ASA Acrylester-Styrol-Acrylnitril ASR Automotive Shredder Residue BAM Bariummagnesiumaluminat BFA Braunkohleflugasche BImSchV Bundesimmissionsschutzverordnung B2B Business-to-Business BMC Bulk Molding Compound BTX Aromaten (Benzol, Toluol, Xylol) bvse Bundesverband Sekundärrohstoffe und Entsorgung e. V. CA Celluloseacetat CAT Certerbiumaluminat C2B Consumer-to-Business CCD-Kamera Farbzeilenkamera CCFL Cold Cathode Fluorescent Lamp CFK kohlefaserverstärkter Kunststoff CIGS CuInGaSe-PV-Modul CIS CuInSe-PV-Modul CKW Chlorkohlenwasserstoff CMYK Cyan, Magenta, Yellow, Black CR Chloroprenkautschuk CRT Cathode Ray Tube CUM Kupferhüttenschlacke DfR Design for Recycling DGT Diglykolterephtalat D2EHPA Di-2-ethylhexylphosphorsäure XI
The list of books you might like
