Recycling von Spuckstoffzöpfen unter dem Aspekt der Zerkleinerung

Lange Zeit wurden Spuckstoffzöpfe primär auf Deponien abgelagert und nicht ausreichend als potenzielle Rohstoffquelle erkannt beziehungsweise genutzt. Mit der Einführung neuer gesetzlicher Rahmenbedingungen änderte sich die Situation in Deutschland ab 2005 grundlegend: Es mussten mehr Möglichkeiten für eine ziel­gerichtete Verwertung erschlossen werden.

Siegmar Schäfer und André Schäfer (Andritz MeWa) führten spezielle Untersuchungen zur Aufbereitung von Spuckstoffzöpfen durch und entwickelten hier Lösungen, die in Anlagen realisiert worden sind.

Spuckstoffzöpfe bilden sich in der Altpapieraufbereitung im Wirbelzentrum der Pulper aus den Ballendrähten, eingetragenen Folien, Textilresten sowie weiteren metallischen und nichtmetallischen Störstoffen mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften und werden kontinuierlich über eine stufenlos regelbare Zopfwinde aus dem Pulper entfernt. Anschließend wird der Spuckstoffzopf mittels Zopfschere in handhabbare Stücklängen geschnitten. Die Zöpfe haben als Aufgabegut für das Recycling im Normalfall eine Länge von fünf bis acht Meter. Zopflängen bis zu 15 Meter sind aber keine Seltenheit. Der Zopfdurchmesser ist zum Teil beachtlich. Er beträgt etwa 0,3 bis einen Meter. Die Zusammensetzung der Spuckstoffzöpfe, bezogen auf Trockenmasse beziehungsweise Trockensubstanz, kann wie folgt gekennzeichnet werden: Stahldrähte (etwa 15 bis 35 Prozent), Kunststofffolien, Textilien und weitere organische Abfälle (etwa 65 bis 80 Prozent), NE-Metalle und Störstoffe (etwa ein Prozent).

Stahldrähte mit einem Durchmesser von 2,5 bis 3,5 Millimeter sind die hauptsächliche Wertstofffraktion, die beim Zopfrecycling gewonnen werden kann. Kunststofffolien, Textilien und die restlichen organischen Abfälle eignen sich für den Einsatz als Ersatzbrennstoffe (EBS). Nichteisenmetalle sind in den Spuckstoffzöpfen vorwiegend als Aluminiumfolien sowie in Form von Kupfer- und Aluminiumdrähten, die hauptsächlich aus Elektrokabelschrott stammen, enthalten. Störstoffe treten weiterhin insbesondere als dickwandige Stahlteile, Bauschuttstücke und Steine auf. Die Restfeuchte der Spuckstoffzöpfe bei der Verarbeitung in Recyclinganlagen beträgt – in Abhängigkeit von den jeweiligen Bedingungen bei der Zwischenlagerung und beim Transport – etwa 20 bis 30 Masseprozent. Vielfach gesammelte Erfahrungen beim Recycling der Spuckstoffzöpfe zeigen aber auch, dass die stoffliche Zusammensetzung und Struktur der Zöpfe großen Schwankungen unterliegen kann. Sehr wichtig für die Auswahl geeigneter Zerkleinerungstechnik beim Recycling ist dabei die Erkenntnis, dass der überwiegende Anteil dieses Aufgabegutes aus Werkstoffkomponenten besteht, die ein zähes Stoffverhalten aufweisen.

Optimal geeignetes Wirkprinzip für die Vorzerkleinerung der Zöpfe (Quelle: Siegmar Schäfer)

Optimal geeignetes Wirkprinzip für die Vorzerkleinerung der Zöpfe (Quelle: Siegmar Schäfer)

Geeignete Wirkprinzipien

Ausgehend von der vorgenommenen Grobcharakterisierung der Spuckstoffzöpfe sowie den Randbedingungen, die sich aus Untersuchungen der Mikroprozesse der Zerkleinerung eines Aufgabegutes mit zähem Stoffverhalten ergeben, sind nachfolgende Auswahlkriterien für geeignete Wirkprinzipien der Zopfzerkleinerung von Bedeutung:

■    Primäre Nutzung der Zug- beziehungsweise Reißbeanspruchung sowie der Schub- (Scherung und Schneiden) und Biegebeanspruchung des Gutes beim Zerkleinern.

■    Geringe Beanspruchungsgeschwindigkeiten bei gleichzeitig hoher Beanspruchungsintensität  (Kraft, Energie) als zielorientierte Voraussetzungen für eine energieeffiziente und auf die optimale Auslegung der nachfolgenden Prozessstufen abgestimmte Vorzerkleinerung.

■    Der notwendige Aufschluss der vorliegenden Stoffverbunde erfordert möglichst eine Herbeiführung komplexer Beanspruchungsverhältnisse des Aufgabegutes beim Zerkleinern.

Bei der Suche nach den geeigneten Wirkprinzipien für die Grob- beziehungsweise Vorzerkleinerung der Spuckstoffzöpfe wurden auf der Grundlage vorwiegend empirischer Untersuchungen folgende Maschinen getestet: Einwellen-Zerkleinerer verschiedener Bauart, speziell gestaltete Hammerbrecher, zum Beispiel Autoshredder, Prallzerkleinerungsmaschinen, der Querstromzerspaner QZ und Rotorscheren mit Zwei-Wellen-Schneidwerk.

Die besten Voraussetzungen

Einwellen-Zerkleinerer erscheinen als prinzipiell für die Zopfzerkleinerung geeignet. Nachteilig wirkt sich hierbei aber der geringe Anteil der Schneidbeanspruchung des Aufgabegutes bei den meisten Bauarten dieser Zerkleinerungsmaschinen für die Zopfverarbeitung aus. Hammer- und Prallbrecher beanspruchen das Zerkleinerungsgut aufgrund ihres Wirkprinzips mit hohem Druckbeanspruchungsanteil, der bei der Zopfverarbeitung zur Gutverdichtung und Verhakung der Stahldrähte mit Kunststofffolien und anderen Gutbestandteilen führt. Außerdem erhöht sich dabei der spezifische Energiebedarf der Zerkleinerung überproportional. Ähnliche Randbedingungen ergaben sich bei Versuchen zum Zopfrecycling mithilfe des Querstromzerspaners QZ. Die Kennwerte Gutaufschluss, Durchsatz und spezifischer Energiebedarf erfüllten nicht die Anforderungen einer wirtschaftlichen Zopfaufbereitung.

Durch den Einsatz der Rotorscheren mit Zwei-Wellen-Schneidwerk zur Vorzerkleinerung haben sich bei der Aufbereitung der Spuckstoffzöpfe die besten Voraussetzungen für den angestrebten Gutaufschluss und einen niedrigen Energiebedarf beim Zerkleinern sowie die Separation der Stahldraht-Fraktion in den nachfolgenden Prozessstufen ergeben. Das Gut wird hier einer komplexen Beanspruchung von Schub beziehungsweise Scherung sowie Zug und Biegung bei hoher Beanspruchungsintensität und dabei weitgehender Unempfindlichkeit gegenüber Störstoffen unterzogen. Die Anwendung des dargestellten Wirkprinzips der rotierenden Schlagschere mit kompakten Blockmessern bietet für das Erreichen optimaler Ergebnisse bei der Nach- beziehungsweise Aufschlusszerkleinerung der Spuckstoffzöpfe sehr gute Voraussetzungen.

Das Aufgabegut wird von den Rotormessern erfasst und in Wechselwirkung mit den feststehenden Messern unter der Voraussetzung des Vorliegens eines minimalen Schnittspaltes beansprucht. Kennzeichnend sind hierbei das Vorhandensein komplexer Beanspruchungsverhältnisse mit ausgeprägtem Schub- beziehungsweise Scher-Beanspruchungsanteil des Aufgabegutes. Durch den Einsatz eines austauschbaren Siebrostes unterhalb des Rotors mit variierbaren Sieblochdurchmessern kann entscheidend Einfluss auf den Durchsatz und das Zerkleinerungsergebnis genommen werden.

Nach- beziehungsweise Aufschlusszerkleinerung der Zöpfe –  ausgewähltes Wirkprinzip (Quelle: Siegmar Schäfer)

Nach- beziehungsweise Aufschlusszerkleinerung der Zöpfe – ausgewähltes Wirkprinzip (Quelle: Siegmar Schäfer)

Wirtschaftliche Anlagenkonzepte

Im Rahmen der Technologieentwicklung wurden für das Recycling der Spuckstoffzöpfe verschiedene Anlagenkonzepte erarbeitet, verfahrenstechnisch untersucht und hinsichtlich wirtschaftlicher Aspekte bewertet. Als das grundsätzliche Unterscheidungsmerkmal der entwickelten Recyclingtechnologien hat sich die Anwendung von ein- oder zweistufiger Zopfzerkleinerung erwiesen. Eine Zopfaufbereitung mit einer einstufigen Zerkleinerung kann an Anlagenstandorten mit einem niedrigen Zopfaufkommen und den daraus resultierenden geringen Durchsätzen eine Kompromisslösung unter dem Aspekt der Einsparung von Investitionskosten und weiteren Aufwendungen sein. Wesentliche Nachteile sind jedoch: eine meist verminderte Qualität der Stahldraht-Fraktion, die Störanfälligkeit des Anlagenbetriebes und höhere Verschleißkosten.

Bei Anlagenkonzepten zur Aufbereitung der Spuckstoffzöpfe auf der Basis zweistufiger Zerkleinerung können diese Nachteile vermieden werden. Die Spuckstoffzöpfe werden in einem ersten Anlagenteil vorzugsweise mit Schalen- oder Sortiergreifer der Vorzerkleinerung zugeführt. Unter Berücksichtigung der maschinentechnisch bedingten Durchsatzunterschiede in den Prozessstufen Vor- und Nachzerkleinerung ist es zweckmäßig, die vorzerkleinerten Spuckstoffzöpfe zunächst in ein Zwischenlager zu befördern. Aus dem Zwischenlager erfolgt die Beschickung des zweiten Anlagenteils, der aus folgenden Verfahrensstufen besteht: Sortierung durch Handklaubung zur Abscheidung von Störstoffen, Nach- beziehungsweise Aufschlusszerkleinerung und Fe-Separation zur Abtrennung der Stahldrähte sowie weiterer ferromagnetischer Gutbestandteile mittels Klopfband und Überbandmagnet.

Entscheidende Fortschritte

Je nach gewünschtem Durchsatz kann der zweite Anlagenkomplex als eine Linie oder als Anlagenteil mit mehreren, parallel angeordneten Verarbeitungslinien ausgeführt werden. Das vorgestellte Anlagenkonzept lässt sich, falls eine weitere Reduzierung des NE-Metallanteils in der EBS-Fraktion angestrebt wird, durch geeignete Trenntechnik im zweiten Anlagenteil ergänzen. Die nachfolgende Vorstellung von Zerkleinerungstechnik, die bei der Spuckstoffzopfaufbereitung eingesetzt wurde, bezieht sich aufgrund der erzielten Anwendungsvorteile auf das Anlagenkonzept mit zweistufiger Zerkleinerung. Als Zerkleinerungsmaschinen kamen zum Einsatz: der Universal-Zerkleinerer UC 1300 zur Vorzerkleinerung der Spuckstoffzöpfe und der Universal-Granulator UG 1600 S für die Aufschlusszerkleinerung.

Entscheidende Fortschritte bei der Aufschlusszerkleinerung der Spuckstoffzöpfe wurden mit dem Einsatz einer speziell gesteuerten Pendelnachdrückeinrichtung im Vergleich zur linear geführten Nachdrückeinrichtung erreicht. Ursachen dafür sind einerseits die Möglichkeit einer optimierten Gutbewegung im Arbeitsraum der Zerkleinerungsmaschine und andererseits die besser auf den Motorstromverlauf und das Aufgabegut abstimmbare und steuerungstechnisch umzusetzende Kraftwirkung des Nachdrückers. Neben dem Wegfall der verschleißintensiven Führungen, die bei linearen Nachdrückeinrichtungen notwendig sind, war eine Durchsatzsteigerung in Relation zu direkt vergleichbaren Maschinen von etwa 15 Prozent möglich. Mit dem Universal-Granulator UG 1600 S wurden bei Verwendung eines Siebes mit 35 Millimetern Lochdurchmesser Durchsätze von bis zu 5,5 Tonnen pro Stunde erreicht. Der Durchsatz bei der Aufschlusszerkleinerung wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst. Neben dem Sieblochdurchmesser sind die Metall- und Feuchtigkeitsgehalte der Spuckstoffzöpfe wichtige Einflussfaktoren.

Quelle: Siegmar Schäfer

Quelle: Siegmar Schäfer

Vermarktungsfähige Fraktionen

Obwohl die Eigenschaften des Aufgabegutes Spuckstoffzöpfe beachtlichen Schwankungen hinsichtlich stofflicher Zusammensetzung, Abmessungen und Feuchtigkeitsgehalt unterliegen, ist es mit dem vorgestellten Anlagenkonzept gelungen, sehr gute Aufbereitungsergebnisse zu erreichen und qualitativ hochwertige Output-Fraktionen zu produzieren. Das Bild oben  zeigt die mittels Klopfband und Überbandmagnet separierte Stahlfraktion sowie die beim Zopfrecycling anfallende Rest- beziehungsweise EBS-Fraktion. Beide Output-Fraktionen wurden im Ergebnis der Aufschlusszerkleinerung bei einem Sieblochdurchmesser von 35 Millimeter erzeugt.

Die Stahlfraktion, welche hauptsächlich aus der Zerkleinerung und Abscheidung in den Zöpfen enthaltener Bindedrähte der Altpapierballen resultiert, hat nur geringfügige Anhaftungen beziehungsweise Verunreinigungen wie Kunststofffolien, die kleiner/gleich ein Masseprozent betragen. Diese Wertstofffraktion lässt sich gut vermarkten und wird sehr gern als Schrottfraktion in Gießereien eingesetzt. Ihre Schüttdichte betrug im Mittel beachtliche 2,3 Tonnen pro Kubikmeter. In der Restfraktion des Recyclings der Spuckstoffzöpfe ist ein Großteil der mit dem Inputmaterial eingebrachten Feuchtigkeit nach Aufbereitung in der vorgestellten Anlage noch enthalten. Die gemessenen Restfeuchtigkeitsgehalte dieser vorwiegend als EBS genutzten Fraktion lagen im Bereich von 25 bis 40 Masseprozent.

Der vollständige Beitrag „Zerkleinerung beim Recycling von Spuckstoffzöpfen“ von Siegmar Schäfer und André Schäfer kann nachgelesen werden in: Recycling und Rohstoffe, Band 9, hrsg. v. K. J. Thomé-Kozmiensky, TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, Neuruppin 2016.

Foto: vdp

(EUR0616S17)