Recyclingtechnik: Fachbuch für Lehre und Praxis

570 Pages·2016·6.566 MB·German

by  Hans Martens, Daniel Goldmann (auth.)

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
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Lektorat: Dr. Daniel Fröhlich
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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-
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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
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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
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