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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung mindestens einer wiederverwendbaren Stoffkomponente aus ausgebauten, schädliche Stoffe enthaltenden Baustoffgemengen, unabhängig davon woher diese Baustoffgemenge stammen.
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Stand der Technik
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Ausgebaute, schädliche Stoffe enthaltende Baustoffgemenge fallen z. B. bei so genannten Ausbauasphalten aus dem Straßenbau an, worin Peche oder ähnliche Komponenten auch die so genannten Teere enthalten sind, die im Allgemeinen als umweltschädliche Kohlenwasserstoffverbindungen zu verstehen sind.
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Die ausgebauten Baustoffgemenge wie Ausbauasphalte, auch Recyclingasphalte genannt, werden z. B. durch Fräsen oder Schollenaufbruch von bituminösen Straßendecken gewonnen. Die wiederverwendbaren Bestandteile werden dann als Granulate für die herzustellenden Neuasphalte verwendet.
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Es wurden schon vor Jahrzehnten gemäß z. B. den Patentschriften
DE 26 23 574 und
36 32 709 für den Asphaltstraßenbau neben dem Bindemittel Bitumen plastifizierte Steinkohlenteerpeche verwendet, um flexiblere Straßenbeläge mit angeblich besserer Verformungsbeständigkeit zu erhalten. Diese angegebene Verformungsbeständigkeit kann aber durch Steinkohlenteerpeche nicht verbessert werden, was hier nicht weiter auszuführen ist.
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Nach dem erforderlichen Ausbau dieser Asphaltstraßen und deren Wiederverwendung als der neuen Asphaltmischung beizugebende Granulate befaßte sich die Fachwelt z. B. gemäß der
DE 39 23 693 C2 bereits damit, Verfahren für ein umweltfreundliches Recycling von pechhaltigem Ausbauasphalt zur Senkung der Abgabe der die Peche beinhaltenden Schadstoffe zu schaffen. Bei der Herstellung der Neuasphalte wurde demnach das Pech enthaltende Granulat u. a. mit einer kationischen Bitumenemulsion umhüllt Andere Lösungen sahen – wie z. B. in der
DE 197 40 842 A1 offenbart – bei der Wiederaufbereitung von schadstofbelasteten Straßenbaustoffen vor, das Baumaterial auf eine Korngröße von < 4 mm zu zerkleinern, das zerkleinerte Baumaterial in einem bevorzugten Verhältnis mit Sand zu vermischen, dieses Gemisch mit einer definierten Menge einer Waschlösung zu versetzen, diese Suspension mechanisch umzuwälzen, nichtlösliche Bestandteile abzuschöpfen und den Sand von der schadstoffhaltigen Suspension abzutrennen.
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Trotz dieser Maßnahmen konnten die pechhaltigen Schadstoffe nicht umweltgerecht eliminiert werden, sie fallen wieder neu an, dürfen aber keinesfalls in Asphaltmischanlagen in heißen Mischungen wiederverwendet werden. Da diese pechhaltigen Schadstoffe polyaromatische Kohlen-Wasserstoffe (PAK) freisetzen, werden sie als gesundheitsgefährdend eingestuft. Sie bilden eine Stoffgruppe aus Kohlenwasserstoffverbindungen, die aus mehreren miteinander verbundenen Benzolringen bestehen.
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Derzeit werden pechhaltige Ausbaustoffe u. a. aus dem Asphaltkreislauf selektiert und i. d. R. mit Zement als Bindemittel hydraulisch in geeigneten Baumaßnahmen als Tragschichten eluiersicher eingebaut. Hierdurch erfolgt aber wiederum durch den Zementzusatz eine Massenmehrung und irgendwann stehen auch diese Baustoffe wiederum zum Ausbau an und müssen erneut entsorgt werden.
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Intern bekannt sind zur Zeit thermische Verwertungsanlagen, bei denen die pechhaltigen Ausbaustoffe in einer Glühtrommel bei ca. 400–650 K vergast und in einer Nachverbrennung bei 850–1500 K die entstehenden Schadstoffe zerstört werden. Bei einem anderen System werden die aromatischen Kohlenwasserstoffe bei Temperaturen von ca. 850 K vernichtet.
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Damit gelingt es zwar die besagten Schadstoffe in einem gewissen Umfang zu beseitigen, jedoch mit einem hohen technologischen, konstruktiven und energetischen Aufwand.
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Trotzdem erscheint es sinnvoll, diese oben beschriebenen Ausbaustoffe einer thermischen Verwertung zuzuführen, um die Schadstoff- wie Pechanteile zu eliminieren.
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Ein Blick auf die den Asphaltmischungen beigegebenen Zuschlagstoffe zeigt, daß seit Jahren zerkleinerte Schlacke aus der Metallverhüttung u. a. zur Erhöhung der Griffigkeit den Asphaltmischungen in bewährter Weise zugesetzt wird.
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So ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 28 55 277 angegeben, daß man anfallende gebrochene Hochofenschlacke mit einer Bitumendispersion vermischt. Ggf. muß diese vorher auf mindestens 100°C erwärmt werden.
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Ein weiterer Blick auf die Ausbeutung hoher Schlackentemperaturen zeigt lediglich, daß diese energetisch z. B. als Abwärme für unterschiedliche Prozesse genutzt wurden.
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Ausgebaute, schädliche Stoffe enthaltende Baustoffgemenge können aber auch beim Abbau/Auflösen von Tankstellen, Tanklagern oder Lagerstellen von Medien anfallen, wo die auszubauenden Unterböden, Sande, Fundamente usw. kontaminierte Schadstoffe wie z. B. so genannte Mineral-Öl-Kohlenwasserstoffe (MKW) enthalten, die so nicht wieder in den Reproduktionsprozess gelangen dürfen oder umweltfreundlich zu vernichten oder zu entsorgen sind.
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Darlegung des Wesens der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus ausgebauten Baustoffgemengen, die Schadstoffe wie allgemein Kohlenwasserstoffe enthalten, wie sie z. B. als pechhaltige Komponenten in Ausbauasphalten oder als ausgebaute, kontaminierte Unterböden, Sande, Fundamente vorkommen, mindestens eine wieder verwendbare Stoffkomponente ohne Emission von Schadstoffen mit geringem technologischen, konstruktiven und energetischen Aufwand zu gewinnen.
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Da nach dem analysierten Stand der Technik im Hinblick auf eine umweltfreundliche Wiederverwendung von ausgebauten Baustoffen mit Schadstoffen die Nutzung von Energieressourcen aus hohen Schlackentemperaturen bisher keine Rolle spielte, setzt die Erfindung schon grundsätzlich dadurch ein, daß verfahrensgemäß ein ausgebautes, schädliche Stoffe enthaltendes Gemenge eines Baustoffs einer heißen Schlacke beigeben oder mit der heißen Schlacke abgedeckt wird, um einerseits mindestens eine wieder verwendbare Stoffkomponente des Baustoffs in der ohnehin stattfindenden Aufbereitung, Weiterverwendung oder Weiterverarbeitung der Schlacke wieder mitzuverwenden und andererseits die schädlichen Stoffe durch schockartige Verbrennung und integrierter chemischer Umwandlung umweltfreundlich zu vernichten.
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Überraschend wurde dabei mit herausgefunden, daß dieses Verfahren für die praktische Anwendung konkret nutzbar ist, wenn
- • in einem ersten Schritt ein ausgebauter, Teere, Peche oder ähnliche Komponenten enthaltende Baustoff wie Ausbauasphalt mit Schlacke, die bei jeglicher Metallverhüttung anfällt, wie hoch-, elektrofenheiße Schlacke oder heiße Schlacke bei der Kupfergewinnung möglichst mit den hohen Temperaturen nach dem Metallabstich wie z. B. im Bereich von ca. 1300°C–1800°C als Gemenge zusammengebracht wird,
- • dabei in einem zweiten Schritt infolge des chemischen Reaktionsablaufs gemäß der Beziehung C14H10 + 16,5O2 14CO2 + 5H2O und entsprechend der Strukturformel eines Kohlenwasserstoffs wie konkret Anthracen die schädlichen Komponenten ohne Entstehung giftiger Gase schlagartig umweltunschädlich verbrannt, das Gemenge aus abgekühlter Schlacke und Baustoffen frei von schädlichen Komponenten wird und
- • in einem dritten Schritt die abgekühlte Schlacke zusammen mit den von Schadstoffen befreiten Baustoffen einer üblichen Weiterverwendung zugeführt wird.
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Das Verfahren ist in folgenden Varianten ausführbar:
- • Variante 1: Der granulierte schadstoffhaltige Baustoff wird in einer Aufnahmeform wie abgegrenztem Schlackenbeet in einer dünnen homogenen Schicht gleichmäßig aufgebracht und mit ca. 1300°C–1800°C heißer Schlacke übergossen oder abgedeckt, wobei die Schichtfolge Baustoff – Schlacke in vorgegebenen Anteilsverhältnissen wiederholt werden kann.
- • Variante 2: Der granulierte schadstoffhaltige Ausbauasphalt wird während des Abfüllens der heißen Schlacke in eine Aufnahme wie Schlackenkübel in einem vorgegebenen Verhältnis zudosiert.
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Grundsätzlich werden in dem zweiten Verfahrensschritt durch die schlagartige Einwirkung infolge der hohen Temperatur der Schlacke die im ausgebauten Baustoff enthaltenen schädlichen Kohlenwasserstoffverbindungen in Kohlenstoff und Wasser aufgespalten und unschädlich gemacht.
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Die erkaltende Schlacke verschmilzt dabei im zweiten Schritt mindestens teilweise mit den inerten Stoffen wie Mineralstoffen aus den Baustoffgemengen, insbesondere Ausbauasphalten.
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Danach wird dann das erkaltete oder erkaltende und verschmolzene Schlacke-Mineralstoff-Gut aufgenommen, wie bisher die Schlacke, zu einem Splittmaterial zerkleinert und das so gewonnene Splittmaterial zur Herstellung von neuen Baustoffen, insbesondere Neuasphalten eingesetzt.
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Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt im Allgemeinen
- • ein Schlackenbeet oder einen Schlackenkübel und
- • eine Zugabe- oder Dosiervorrichtung für die Beimengung der ausgebauten, Schadstoffe enthaltenden Baustoffe.
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Die Einrichtung ist mit mindestens einem der Aggregate, wie Absaugung, Transportmittel, Fördermittel, Schadstoffe eliminierende Einrichtung, Prozeßsteuerung oder Zerkleinerungsanlage (Brecher) am Ort des Anfalls der Schlacke verknüpfbar.
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Die Einrichtung kann überwiegend Bestandteile aus sowieso vorhandenen Anlageteilen nutzen. Somit kann der Aufwand an Neuinvestitionen gering gehalten werden. Keinesfalls erreicht der technologische und konstruktive Aufwand einer erfindungsgemäßen Einrichtung den der eingangs beschriebenen thermischen Verwertungsanlagen, bei denen die pechhaltigen Ausbaustoffe in einer Glühtrommel bei ca. 400–650 K vergast und in einer Nachverbrennung bei 850–1500°K die entstehenden Schadstoffe zerstört oder bei einem anderen System die aromatischen Kohlenwasserstoffe bei Temperaturen von ca. 850°K vernichtet werden.
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Die Erfindung ist auch analog anwendbar im Zusammenhang mit einer bei der Kupferherstellung aus Erzen anfallenden Schlacke, wo schon Sande und Mineralstoffe als Schlackebildner sowieso eingesetzt werden.
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Darüber hinaus erschließt sich mit der Erfindung auch ein Anwendungsbereich für ausgebaute Unterböden, Sande, Fundamente usw., die kontaminierte Schadstoffe wie z. B. so genannte Mineral-Öl-Kohlenwasserstoffe (MKW) z. B. im Bereich von Tankstellen enthalten, womit das erfindungsgemäße Verfahren eine umweltfreundliche Vernichtung der Schadstoffe und zusammen mit der Schlacke die Verwertung der z. B. Sande sichert.
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Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
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Die Erfindung soll an Hand eines Beispiels erläutert werden, wobei andere Beispiele mit entsprechenden Konfigurationen und angepassten Abläufen möglich sind, und zwar so, wie sie sich aus der Anwendung der Lehre nach dem Hauptanspruch ohne weiteres ergeben.
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Ein aufbereiteter Ausbauasphalt wird mit entsprechenden Transportmitteln wie Radlader zum Ort des Anfalls von Schlacken aus einem Hochofen angefahren und ggf. zwischengelagert.
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In einem ersten erfindungsgemäßen Schritt wird dieser die Teere, Peche oder ähnliche Komponenten enthaltende Ausbauasphalt mit der anfallenden Schlacke bei Temperaturen von ca. 1300°C–1800°C während des Abfüllens der heißen Schlacke in einen Schlackenkübel in einem vorgegebenen Verhältnis zudosiert, so daß ein Gemenge aus Schlacke und Ausbauasphalt entsteht.
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Dabei erfolgt in einem zweiten, ggf. durch Kontrolle einer Prozeßsteuerung begleiteten Schritt ein chemischer Reaktionsablauf gemäß der Beziehung C
14H
10 + 16,5O
2 → 14CO
2 + 5H
2O und entsprechend der Strukturformel von Anthracen
wobei die schädlichen Komponenten analog dem Anthracen ohne Entstehung schädlicher oder giftiger Gase schlagartig und umweltunschädlich verbrannt werden, so daß das Gemenge aus abgekühlter Schlacke und Baustoffen frei von Pechen oder schädlichen Komponenten wird.
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Typisch ist hierbei, daß durch die schlagartige Einwirkung infolge der hohen Temperatur der Schlacke die im pechhaltigen Ausbauasphalt schädlichen Kohlenwasserstoffverbindungen in Kohlenstoff und Wasser aufgespalten und unschädlich gemacht werden.
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Ggf. können in diesem Verfahrensschritt der schlagartigen und umweltunschädlichen Verbrennung eine die Abgase abführende oder eliminierende Einrichtung oder eine Absaugung den Prozess des oben dargestellten chemischen Reaktionsablaufs der Vernichtung der schädlichen Kohlenwasserstoffverbindungen unterstützen.
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In einem dritten Schritt wird dann die abgekühlte Schlacke zusammen mit den von Pech oder ähnlichen Komponenten befreiten Ausbauasphalt durch wie bisher übliche Zerkleinerung in einer Zerkleinerungsanlage wie Brecher einer Weiterverwendung zugeführt. Wie bisher wird also dabei die Schlacke zu einem Splittmaterial zerkleinert und das so gewonnene Splittmaterial ebenfalls wie bisher zur Herstellung von neuen Baustoffen wie Neuasphalten eingesetzt, jedoch ohne umweltschädliche Bestandteile.
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Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt maximal
- • die in der Regel vorhandene Aufnahmeform wie Schlackenbeet oder Schlackenkübel,
- • eine Zugabe- oder Dosiervorrichtung für die Beimengung der ausgebauten, Peche oder ähnliche Komponenten enthaltenden Baustoffe,
- • eine übliche Zerkleinerungsanlage für die Aufbereitung des erkalteten oder erkaltenden und verschmolzenen Schlacke-Mineralstoff-Gutes zu einem Splittmaterial in vorgegebene Korngrößen,
- • entsprechende Fördermittel,
- • ggf. eine Absaugung und/oder eine Schadstoffe eliminierende Einrichtung,
- • eine Prozeßsteuerung sowie
- • ein mobiles Transportmittel wie z. B. Radlader.
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Die Einrichtung kann überwiegend Bestandteile aus sowieso vorhandenen Anlageteilen nutzen. Somit kann der Aufwand an Neuinvestitionen gering gehalten werden.
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Der technologische, konstruktive und energetische Aufwand des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung bleibt erheblich unter dem der eingangs beschriebenen thermischen Verwertungsanlagen.
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Die Erfindung basiert auf umfangreiche und nicht naheliegende Überlegungen, die zu dem Schluß kamen, daß unter den beschriebenen Bedingungen der Vermischung oder Abdeckung von Ausbauasphalt mit ca. 1600°C heißer Schlacke im Verhältnis von z. B. 1:20 eine Verbrennung der schädlichen Anteile (Peche, Teere) erfolgen kann.
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Aus der Literatur ist zwar bekannt, daß aromatische Kohlenwasserstoffe unter Rußbildung, also nicht ideal und nicht ganz vollständig verbrennen.
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Um jedoch verbrennen zu können, muss ein Stoff gasförmig vorliegen. Maßgeblich ist dabei der Flammpunkt. Ein dauerhaftes Brennen wird bei der Brenntemperatur möglich, die ca. 30°C über dem Flammpunkt liegt. Sofern kein Zündfunke vorhanden ist, findet eine Selbstentzündung bei der jeweiligen Zündtemperatur statt. Da generell die Zündtemperatur mit steigender Molekülgröße abfällt, dürfte diese demnach bei abdestillierten Teeren, Pechen eher etwas unter 600°C liegen.
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Für Peche, Teere und für Anthracen, ein typischer PAK darin, sind folgende Daten maßgebend:
| Flammpunkt [°C] | Zündtemperatur [°C] |
Pech, Teer | 90 | 600 |
Anthracen | 121 | 538 |
Bitumen | 205 | 400 |
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Der relativ niedrige Flammpunkt für Peche, Teere zeigt, dass diese Daten nicht für ein abdestilliertes Produkt, wie es im Straßenbau verwendet wird, meßbar sind. Es muß deshalb in abdestillierten Pechen, Teeren davon ausgegangen werden, dort eher höher siedende PAK mit größeren Molekülen zu finden.
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Um aber zu der erfinderischen Lösung vorstoßen zu können, waren deshalb nicht nur theoretische und experimentelle Daten und Zusammenhänge neu zu analysieren sowie zu berücksichtigen, vielmehr mussten auch bisher abwegige Schritte erwogen werden, wie eine heiße Schlacke grundsätzlich für einen schockartigen Verbrennungsvorgang zu nutzen, um den erfindungsgemäßen Haupteffekt, nämlich die Vernichtung eines Schadstoffes durch Hochtemperaturverbrennung, zu erzielen.
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Erst so konnte aus einer zwar idealisierten Reaktionsgleichung – wie oben offenbart – auf die vollständige Verbrennung eines Schadstoffes, und zwar bezogen auf Anthracen, geschlossen werden, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren offenbart wurde.
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Somit konnte die Aufgabe bezüglich der Beseitigung von Schadstoffen, wie schädliche Stoffe mit Kohlenwasserstoffen, Öle, Treibstoffe, Teere, Peche oder ähnliche Komponenten enthaltenden Gemenge eines ausgebauten Baustoffs überraschend durch die erfindungsgemäße Vermengung oder Abdeckung mit heißen Schlacken auch im Sinne einer Erschließung ihrer Energieressourcen neu gelöst werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Da die Erfindung
- • technologisch, konstruktiv, baulich, energetisch und logistisch in ihrem Aufwand gering gehalten werden kann,
- • einen überraschend neuen Effekt für die umweltschonende Aufbereitung und Wiederverwendung von ausgebauten, schadstoffhaltigen Baustoffen zeitigt und
- • eine neuartige Nutzung energetischer Ressourcen von heißen Schlacken bewirkt,
verspricht die gewerbliche Nutzung eine hohe volkswirtschaftliche Effizienz durch die Aufdeckung von Material und Energieressourcen sowie Entlastung der Umwelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2623574 [0004]
- DE 3632709 [0004]
- DE 3923693 C [0005]
- DE 19740842 A [0005]
- DE 2855277 A [0012]