Bestandsaufnahme und mögliche Perspektiven der nass-mechanischen Aufbereitung von Altkunststoffen für das rohstoffliche Recycling

Es ist unumstritten, dass der Werkstoff Kunststoff in seinen unterschiedlichsten Ausprägungsformen, chemischen Zusammensetzungen und leistungsfähigen Verbunden aus der heutigen hochtechnisierten Welt nicht mehr wegzudenken ist. Kunststoffe zeichnen sich durch ihre vielseitige Anwendbarkeit, einfache produktspezifische Verarbeitbarkeit, geringes Gewicht bei nahezu identischen Materialkennwerten und nicht zuletzt großen Kostenvorteilen aus.

Diese für den Anwender vorteilhaften Eigenschaften führen jedoch auch zu einer raschen und bedenkenlosen Austauschbarkeit. Darunter fällt auch der verstärkt diskutierte Begriff der Obsoleszenz. Am Ende des häufig sehr kurzen Lebenszyklus diverser Produkte und Güter stellt der enthaltene Kunststoff die Abfallwirtschaft in ihrem nachhaltigen Umgang unter dem Aspekt der Ressourcenschonung und -effizienz vor große Herausforderungen. Ziel muss es sein, durch stoffliches Recycling aus Kunststoff wieder Kunststoff – in zwar verlustbehafteten jedoch endlosen Zyklen – zu gewinnen.

Gemäß Zahlen von 2014 werden in Europa (Europäische Union (EU) 28 + Sz, Nor) 39,5 % der insgesamt 25,8 Mio. t angefallener Kunststoffabfälle oder Altkunststoffe (engl. post-consumer plastics) thermisch verwertet, 30,8 % deponiert und 29,7 % mechanisch recycliert (Plastics Europe 2016). Für Österreich wird im mechanischen Recycling eine Quote von 33,4 % nach Reh et al. (2014) angegeben. Dies bedeutet, dass trotz ständiger Zunahme des Recyclinganteils über die Jahre noch immer ca. 70 % dieser wertvollen Kohlenwasserstoffe zeitlich unmittelbar durch die Oxidation in der Verbrennung oder durch langfristige Abbauprozesse im Deponiekörper zu CO₂ und H₂O umgewandelt werden und somit für eine stoffliche Nutzung als Sekundärrohstoff verloren gehen. Setzt man für Europa die Menge an recyclierten Altkunststoffen (7,7 Mio. t) ins Verhältnis zum Kunststoffverbrauch von 47,8 Mio. t 2014 (Plastics Europe 2015) erhält man einen Anteil von ca. 16 %, der durch Recycling substituiert werden konnte. Bei dieser Betrachtung bleiben natürlich wesentliche Aspekte der Qualitätsunterschiede von primären und sekundären Rohkunststoffen, z. B. als Granulate oder Pellets, sowie die detaillierte Evaluierung der Bilanzgrenzen unberücksichtigt, daher ist dieser vorherige Wert für den Substitutionsanteil auch als fiktiv zu bezeichnen. Hinsichtlich der Schließung von Stoffkreislaufen hat Stahl, der von Kunststoff zunehmend in vielen Anwendungen verdrängt wurde bzw. verdrängt wird, dem Kunststoff einiges voraus. Gemäß BIR (2014) liegt der Anteil des Einsatzes von Stahlschrotten (91,3 Mio. t) bei der gesamten europäischen Rohstahlerzeugung (169,3 Mio. t) bei 53,9 %, wobei hier davon ausgegangen werden kann, dass keine Qualitätseinbußen durch das Substitut Stahlschrott als Sekundärrohstoff hinzunehmen sind.

Ein Hauptgrund für den offensichtlichen Aufholbedarf bei der Schließung des Stoffkreislaufes für Kunststoffe liegt im Mangel an Alternativen zum mechanischen Recycling. Dieses kann aber aufgrund der eingesetzten Prozesskette zum Großteil die geforderten Werkstoffqualitäten der Produkte im Vergleich zum primären Produktionsprozess nicht darstellen. Seien es nur Beeinträchtigungen in Farbe und Geruch neben den herabgesetzten mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften, die trotz des Einsatzes intensiv aufbereiteter sortenreiner Altkunststofffraktionen eine Verwendung in vielen Bereichen, insbesondere dem Hauptanwendungsgebiet Verpackungen (ca. 40 % des gesamten europäischen Kunststoffverbrauches; Plastics Europe 2016), unmöglich machen. Auch im Hinblick auf die Bestrebungen der EU hin zu gesteigerten Recyclingquoten sowohl gemäß Vorschlag der Europäischen Kommission zum Kreislaufwirtschaftspaket, in welchem die Wiederverwendung und das Recycling von Siedlungsabfällen auf 70 % bis 2030 (Europäische Kommission 2014) angehoben werden soll, als auch im Vorschlag zur Änderung der Richtlinie 94/62/EG über Verpackungen und Verpackungsabfälle vom 02.12.2015 (Europäische Kommission 2015), in welchem die Recyclingquote von Kunststoffen auf 55 % erhöht werden soll, rückt die Option des rohstofflichen Recyclings (Feedstock Recycling, chemisches Recycling) unter Einsatz der Verfahren der Pyrolyse oder Vergasung bzw. katalytischem oder thermischem Cracken immer mehr in den Fokus. Diese Verfahren versprechen insbesondere durch Kopplung mit klassischen Verfahren des Raffineriewesens und der Petrochemie eine endlos wiederholbare Kreislaufführung der wertvollen Kohlenwasserstoffe zur Produktqualität von konventionell erzeugter Neuware. Wie in allen Recyclingprozessen müssen natürlich gewisse Verluste in Kauf genommen werden. Zweifelsohne ist eine Annäherung oder gar ein Erreichen dieser sehr ambitionierten Recyclingziele der EU, insbesondere im Verpackungsbereich, eng mit der Steigerung des Anteils an recyclierten Altkunststoffen verknüpft. Ein Blick in die Historie der zuvor erwähnten thermo-chemischen Konversionsverfahren (Depolymerisations‑, Verölungsverfahren etc.) zeigt deutlich, dass die Chance auf eine erfolgreiche Umsetzung und Etablierung dieser Technologie sehr stark von der Verfügbarkeit eines definierten Einsatzstoffstroms bestimmter Qualität und Quantität abhängig ist. Des Weiteren ist bekannt, dass sich vor allem die Polyolefine PO (Polyethylen PE und Polypropylen PP), die den Hauptanteil am weltweiten Kunststoffverbrauch und -abfall ausmachen, sehr gut als Einsatzstoff für diesen Zweck eignen.

Vor diesem Hintergrund widmet sich dieser Beitrag der Sicherstellung der Qualität (Reinheit, PO-Gehalt) einer polyolefinreichen Altkunststofffraktion für das rohstoffliche Recycling durch eine umfassende Studie bestehender und potenzieller mechanischer Aufbereitungstechnik sowohl im Abfallsegment als auch mittels Blick – „out oft the box“ – in den Bereich der Kohle- und Mineralrohstoffaufbereitung. Die mechanische Aufbereitung wird als wichtiger Baustein zur Erreichung der geforderten Qualitäten und somit technischen und ökonomischen Machbarkeit dieser chemischen Route des Kunststoffrecyclings gesehen. Aspekte der quantitativen Sicherung der sekundären Ressource Altkunststoffe eingebettet in eine abfallwirtschaftlichen Gesamtbetrachtung werden in einem zweiten Artikel ebenfalls veröffentlicht in diesem Sonderheft dargelegt (vgl. Kranzinger et al. 2017).

Gemäß Schubert (1996) zeichnet sich die nasse Dichtetrennung im Vergleich zu konkurrierenden Verfahren, wie z. B. Flotation, durch geringen Energieaufwand, geringe Investitions- und Betriebskosten sowie durch Vorteile in Umwelt- und Sicherheitsfragen wie Einsatz und Umgang mit Chemikalien und aus den Prozessen resultierenden Reststoffen oder Emissionen aus. Im Detail können die Dichtetrennverfahren unterteilt werden in

Wie bereits einleitend erwähnt, wird die Kategorie Schwimm-Sink-Trennung in weiterer Folge ins Zentrum dieses Beitrages gerückt.

In diesem Abschnitt werden die Aufgabenstellung und verwendeten Rahmenbedingungen für die in der Pilotanlage durchgeführten Versuchskampagnen zur nassen mechanischen Aufbereitung altkunststoffhaltiger Abfallfraktionen mittels Dichtetrennung erläutert, wobei hier nur ein Auszug der grundlegenden Ergebnisse vorgestellt wird. Darüber hinaus wird auf die Ermittlung der verfahrenstechnischen Kennzahlen eingegangen, die den unter gegebenen Voraussetzungen durchgeführten Trennprozess abbilden können und somit eine Maßstabsübertragung mit vergleichbaren Trennergebnissen ermöglichen sollen.

In diesem Abschnitt wird auf die in den Versuchskampagnen erzielten Ergebnisse eingegangen und diese diskutiert. Des Weiteren soll die Berechnung des Verhältnisses Verweilzeit zu Absetzzeit der Partikel, die Absetzzahl, im ZKS dargelegt werden und eine mögliche Nutzung für Maßstabsübertragungen als verfahrenstechnische Kennzahl erörtert werden.

Gegenwärtig wird die mechanische Aufbereitung von festen altkunststoffhaltigen Abfallstoffen überwiegend mit trockenen Verfahren und dafür ausgelegten Apparaten vor dem Hintergrund einer anschließenden thermischen Verwertung oder Behandlung der erzeugten Hauptprodukte (Sekundärbrennstoffe) durchgeführt. Dadurch kann ein hoher Heizwert als wichtigster Brennstoffparameter einfacher im Vergleich zur Nassaufbereitung bei ausreichender Trennschärfe gewährleistet werden. Abseits der sensorbasierten Trenntechnologie, die für die Trennung diverser Kunststofftypen sehr erfolgreich eingesetzt wird und eine komplexere Gesamtanlagenstruktur fordert, beschränken sich die restlichen trockenen Verfahren, verbaut in Anlagen geringerer Komplexität, hauptsächlich auf die Abfallstromteilung und -konditionierung. Nassverfahren, die überdies auch in der Kohleaufbereitung für die Verfeuerung in Kraftwerken breite Verwendung finden, kommen dann zum Einsatz, wenn einerseits die Erzeugung eines Produktstroms hohen Heizwerts nachrangig ist und andererseits eine sehr selektive Trennung resultierend in hohen Trennschärfen, wie für eine stoffliche Verwertung oder Recycling notwendig, gefordert wird. Weitere Aspekte, die für die Nassaufbereitung sprechen, sind die teilweise höheren spezifischen Durchsätze der Anlagen bezogen auf eine Trenneinheit, die Sortierbarkeit von Feinanteilen, keine Staubentwicklung (Explosionsschutz) und die gleichzeitige Entfernung von Verunreinigungen an den Partikeloberflächen. Dem gegenüber stehen ganz klar der Aufwand für die Entwässerung und Abwasserbehandlung. Wobei die Entwässerung, sofern die erzeugten Fraktionen nicht der Verbrennung zugeführt werden, ausschließlich eine Frage der Förderbarkeit, Lagerbarkeit und Transportfähigkeit sowie der daraus entstehenden Kosten sind.

Für die Abtrennung einer polyolefinreichen Altkunststofffraktion aus altkunststoffhaltigen Abfallströmen für das rohstofflichen Recycling, rückt in einem Vergleich diverser nasser Trennverfahren insbesondere die Schwimm-Sink-Scheidung in den Fokus. Diese ermöglicht aufgrund der geringeren Dichte der Polyolefine (PO) im Vergleich zur Mehrzahl der restlichen Stoffgruppen in Abfallfraktionen eine Trennung nach dem Trennmerkmal der Dichte. Die PO schwimmen auf. Aus einer Gegenüberstellung von Schwerkraft- und Zentrifugalkraftscheidern, die nach dem Schwimm-Sink-Prinzip trennen, zeichnet sich der zylindrische von der horizontalen Achse geneigte Zentrifugalkraftscheider (ZKS), ein enger Verwandter des zylindrisch-konisch gestalteten, vertikal angeordneten Zentrifugalkraftscheiders ((Sortier‑)Zyklon) aus. Entwickelt für die Kohleaufbereitung besticht dieser durch einfache, robuste Bauform geringer Komplexität, beschleunigtes Partikelabsetzen durch das Zentrifugalkraftfeld und hohe Durchsätze pro Einheit und daran geknüpfte zu erwartende hohe „Economy of scale“. Gepaart werden diese vorteilhaften Eigenschaften mit gesteigerten Verweilzeiten und in Folge höhere Trennschärfen als gewöhnliche Sortierzyklone, durch die mögliche Entkopplung des Feststoffeintrages von der Trennmediumzufuhr. Zur umfassenden Evaluierung dieses Trennapparats für die mechanische Aufbereitung altkunststoffhaltiger Abfallfraktionen wurde an der Montanuniversität Leoben eine Versuchsanlage im Pilotmaßstab installiert. Diese umfasst neben dem ZKS eine Hydrosetzmaschine zur Vorabscheidung schwerer Abfallkomponenten wie Glas, Steine und Metalle nach der Methode der Schichtungstrennung, wiederum mit der Dichte als Trennmerkmal.

Diverse Versuchskampagnen in der Anlage haben gezeigt, dass eine polyolefinreiche Abfallfraktion (PO-Flake) in Form einer Leichtgutfraktion (LGF) mit einem PO-Ausbringen und PO-Gehalt von nahezu über 90 % bei der Aufbereitung repräsentativer altkunststoffhaltiger Abfallfraktionen, die nach ihrem anfänglichen PO-Gehalt in drei Fraktionen mit ~10 %, ~30 % und ~50 % gruppiert wurden, möglich ist. Dieses sehr zufriedenstellende Ergebnis konnte durch eine zweistufige Trennung der Polyolefine von den restlichen Abfallbestandteilen in einer variablen Verschaltung der ZKS-Stufen, Gegenstrom – Gleichstrom bzw. Gegenstrom – Gegenstrom unter vorangegangener Schwerstoffvorabscheidung in der Setzmaschine realisiert werden. Im Falle nur einer ZKS-Trennstufe waren vor allem für die aufgegebenen polyolefinärmeren Abfallfraktionen geringere PO-Gehalte in der LGF, zwischen 50 und 65 %, zu beobachten. Das PO-Ausbringen im Gegensatz dazu lag auch bei nur einer Stufe nahezu für alle Fraktionen bei etwa 90 %. Der Abfall des PO-Gehalts in der LGF kann dadurch erklärt werden, dass bestimmte Partikel nachteiliger (Oberflächen‑)Beschaffenheit (hydrophober Charakter, längliche Form etc.) nach der zentralen Aufgabe nicht in den äußeren Wasserwirbel (Vortex) eintreten, sondern an der Grenzfläche zum inneren Luftwirbel des offenen Systems verweilen, sich somit deren Selektion nach der Dichte entziehen und über den zentralen Leichtgutaustrag den Scheider rasch wieder verlassen. Als wichtige Einflussfaktoren auf den Trennprozess im ZKS konnten eine hohe Länge, geringe Neigung, beide im Zusammenhang mit der Verweilzeit stehend, und ein hoher Trennmediumvolumenstrom, der mit der aufgeprägten Stärke des Zentrifugalkraftfeldes korrespondiert, identifiziert werden.

Die zur Charakterisierung des Dichtetrennprozesses in den Schwimm-Sink-Scheidern eingeführten verfahrenstechnischen Kennzahlen Schleuderzahl z als Verhältnis der wirkenden Beschleunigung (häufig die Zentrifugalbeschleunigung) zur Fallbeschleunigung, und die Absetzzahl als Verhältnis von Partikelverweilzeit zur -absetzzeit, werden als sehr hilfreich bei einer Aussage zum bzw. Vorhersage des erwarteten Trennergebnisses für einen definierten Scheider mit bestimmter Trennaufgabe bewertet. Insbesondere im Vergleich untereinander oder unterschiedlicher Bauformen und -größen wird deren leistbarer Beitrag auch für in diesem Zusammenhang stehende Maßstabsübertragungen und Neuauslegungen, die ja unter der Anforderung der Erreichung derselben Trennleistung wie das Referenzmodell stehen, mangels Alternativen als enorm hoch gesehen. Die dadurch mögliche numerische Abbildung der wichtigen Einflussgrößen auf den zu beurteilenden Schwimm-Sink-Trennprozesses legt die Basis für eine erfolgreiche Scale-up-Strategie.

Mit der abgeschätzten Schleuderzahl von 15 für den ZKS der Pilotanlage kann die angestrebte Steigerung des Kraftfelds im Vergleich zum Schwerkraftfeld und dadurch erhöhte Absetzgeschwindigkeiten belegt werden. Eine ermittelte Absetzzahl von 44 ist nicht nur ein Indikator für die große Sicherheit, mit der die zu trennenden Partikel im ZKS anhand deren Dichte der jeweiligen richtigen Fraktion zugeordnet werden, was die beobachtete scharfe Trennung impliziert hat, sondern vereinigt auch die ausführlich beschriebenen Vorteile dieses Zentrifugalkraftscheiders gegenüber Schwerkraftscheider und gewöhnlichem Zyklon. Die richtungsweisenden Absetzzahlen der aufgrund betriebstechnischer Nachteile wie hoher Störungsanfälligkeit und Sensibilität gegenüber quantitativer und qualitativer Durchsatzschwankungen ausgeschlossenen Sortierzentrifuge können nicht erreicht werden, jedoch ist beim ZKS diesbezüglich weiteres Optimierungspotenzial durch dessen Variabilität und Flexibilität bei baulicher Gestaltung, Einflussparametern und Betriebsweisen anzuführen.