Verfahren und Vorrichtung zum Kryogenzerkleinern von Schüttgut

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kryogenzerkleinern von Schüttgut, insbesondere von Schüttgut mit unter Normalbedingungen weichen oder elastischen Materialeigenschaften, etwa gummielastischen Eigen- Schäften, bei dem das Schüttgut versprödet wird, um die Schüttgutpartikel anschließend in ihrem versprödeten Zustand zu zerkleinern. Ferner betrifft die Erfindung eine Anlage zum Kryogenzerkleinern von Schüttgut, insbesondere von Schüttgut mit unter Normalbedingungen weichen oder elastischen Materialeigenschaften, etwa gummielastischen Eigenschaften, mit einer Kühlstrecke zum Verspröden der das Schüttgut bildenden Partikel und mit einer dieser Kühlstrecke nachgeschalteten Zerkleinerungsvorrichtung zum Zerkleinern des in der Kühlstrecke versprödeten Materials.

Um schüttfähige Güter, deren Partikel unter Normalbedingungen (Umge- bungsbedingungen) weiche oder elastische, insbesondere gummielastische Eigenschaften aufweisen, mit herkömmlichen Zerkleinerungsvorrichtungen, beispielsweise Impact-Zerkleinerern, zerkleinern zu können, werden diese vor dem Schritt des Zerkleinerns versprödet. Zu diesem Zweck durchlaufen die zu zerkleinernden Schüttgutpartikel vor ihrer Zerkleinerung einer Kühlstrecke, in der diese auf eine solche Temperatur herabgekühlt werden, dass diese versprödet sind. Eingesetzt wird zum Kühlen typischerweise flüssiger Stickstoff, der bei seiner Verdampfung den zu kühlenden Schüttgutpartikeln Wärme entzieht, wodurch diese abgekühlt werden. Ein typisches Schüttgut, welches kryogenzerkleinert wird, sind bei- spielsweise Kraftfahrzeugaltreifengranulate. Im versprödeten Zustand können derartige Schüttgutpartikel ohne weiteres einer Brecheinrichtung zugeführt werden, wobei als Brecheinrichtungen üblicherweise Mühlen oder Desintegratoren, etwa Schlagmühlen, eingesetzt werden.

Bei einem Betrieb einer solchen Kryogenzerkleinerungsanlage ist man bestrebt, den Kühlmittelverbrauch gering zu halten. Zu diesem Thema ist in DE 103 52 300 A1 vorgeschlagen worden, den Schüttgutstrom vor dem Prozess des Versprödens in einzelne, sich bezüglich ihrer Korngröße unterscheidende Partikelfraktionen zu teilen. Dieses erfolgt mit dem Ziel, dass jede Partikelfraktion eine relativ homogene Korngrößenverteilung

aufweist. Jeder Partikelfraktion ist eine eigene Kühlstrecke zugeordnet. Aufgrund der homogenen Korngrößenverteilung in jeder Partikelfraktion können die Kühlbedingungen, also der Einsatz der Kühlmittelmenge und/oder die Verweildauer der in die Kühlstrecke eingebrachten Partikel an die mittlere Korngröße einer Partikelfraktion angepasst werden, um mit minimalem Kältemittelverbrauch eine Durch-und-Durch-Versprödung der Partikel einer Partikelfraktion zu erzielen. Ein Verspröden von Partikelfraktionen mit größerer Korngröße kann daher unter anderen Prozessparametern erfolgen als ein Verspröden der Partikelfraktionen mit kleinerer Korn- große.

Bei diesem vorbekannten Verfahren wird als nachteilig angesehen, dass bei dem korngrößenabhänige Fraktionieren der Schüttgutpartikel vor der Versprödung die Siebe mit geringerer Maschenweite zu einem Verstopfen neigen. Auch wird mitunter das notwendige Vorsehen von mehreren, parallel zueinander zu betreibende Kühlstrecken als nachteilig angesehen.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren und eine entsprechende Anlage bereitzustellen, bei der ein weitestgehend homogenes Verspröden der Schüttgutpartikel möglich ist, ohne dass der Schüttgutstrom in Korngrößen fraktioniert werden muss.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein eingangs genanntes Verfahren, bei dem vor dem Schritt des Versprödens die Oberfläche der Schüttgutpartikel vergrößert wird.

Die anlagenbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anlage der eingangs genannten, gattungsgemäßen Art gelöst, bei der die Anlage eine der Kühlstrecke in Materialflussrichtung vorgeschaltete Einrichtung zum Vergrößern der Oberfläche der Schüttgutpartikel umfasst.

Bei diesem Verfahren, gleiches gilt auch für die beanspruchte Vorrichtung, wird vor dem Schritt des Versprödens die Oberfläche der Schüttgutpartikel vergrößert. Das Vergrößern der Oberfläche der einzelnen Schüttgutpartikel hat zur Folge, dass das eingesetzte Kühlmittel, beispielsweise der flüssige Stickstoff über eine entsprechend größere Oberfläche verglichen mit

derjenigen vor der Behandlung der Oberflächenvergrößerung die einzelnen zu versprödenden Partikel angreifen und damit über die vergrößerte Oberfläche den zu versprödenden Partikeln Wärme entziehen kann. Das Vergrößern der Oberfläche hat somit zur Folge, dass eine Durch-und- Durch-Versprödung der einzelnen Schüttgutpartikel rasch erfolgt. Der Pro- zess der Vergrößerung der Oberfläche der einzelnen Schüttgutpartikel hat ferner zur Folge, dass die einzelnen Partikel hinsichtlich ihrer Materialdicke homogenisiert werden. Das Homogenisieren der Dicke der Partikel bedeutet in diesem Zusammenhang nicht notwendigerweise, dass diese flächig ausgelängt werden, was jedoch durchaus der Fall sein kann. Vielmehr ist unter der Oberflächenvergrößerung zu verstehen, dass bei einem Einsatz von gummielastischen Granulaten, beispielsweise Altreifen, die ursprüngliche Dicke der Granulatkörner reduziert wird und die Körner anschließend eine zerriebene Struktur, die aufgrund der Materialeigenschaf- ten aufgebläht aussehen können, aufweisen kann. Ein solcher Habitus kann auch als feinstrukturierte Popcornstruktur angesprochen werden. Die Partikel weisen sodann zahlreiche Fortsätze und Einschnürungen auf mit dem Ergebnis, dass die Materialdicke und damit die notwendige Eindringtiefe des Kältemittels in das Material zum Verspröden des Gesamtvolu- mens des ursprünglichen Partikels kleiner ist. Nach der Behandlung der Schüttgutpartikel zum Vergrößern ihrer Oberfläche ist die Partikeldickenverteilung der den Schüttgutstrom bildenden Partikel sehr viel enger als vor diesem Verfahrensschritt. Aufgrund der mehr oder weniger homogenen Dickenverteilung der zu versprödenden Partikel. Dieses bedeutet, dass zum Erzielen einer Durch-und-Durch-Versprödung die Verweildauer für alle Partikel des Schüttgutstromes in der Kühlstrecke, auch wenn diese vor dem Schritt des Oberflächenvergrößerns eine sehr unterschiedliche Größe aufgewiesen haben, mehr oder weniger dieselbe ist. Somit können mit diesem Verfahren bzw. mit einer solchen Anlage, mit der dieses Ver- fahren ausgeführt wird, Schüttgutpartikelströme grundsätzlich in einer einzigen Kühlstrecke versprödet werden und diese trotz unterschiedlicher Partikelgröße im Ausgangsmaterial quasi gleichzeitig einen einheitlichen Versprödungsgrad erreichen.

Von Vorteil bei dem beschriebenen Verfahren ist ferner, dass durch den Vorgang der Oberflächenvergrößerung zudem in aller Regel makroskopisch, mikroskopisch und/oder auf molekularer Ebene in die Partikel Soll-

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bruchstellen eingebaut werden. Dieses hat zwar keinen direkten Einfluss auf die einzuhaltenden Versprödungsparameter, jedoch ist dieses von Vorteil für die sich an die Versprödung anschließende Zerkleinerung der Partikel. Aufgrund des Vorhandenseins derartiger Sollbruchstellen erfolgt eine Zerkleinerung der Schüttgutpartikel bereits mit einer geringeren Zerkleinerungsenergie. Insbesondere diese Eigenschaft der versprödeten Schüttgutpartikel erlaubt es, dass die zu zerkleinernden Schüttgutpartikel im Wege eines Walzprozesses zerkleinert werden können. Unterstützt wird die Zwangszerkleinerung durch das Ineinandergreifen der verspröde- ten Partikel aufgrund ihrer vorbeschriebenen Struktur, die diese durch den Prozess des Oberflächenvergrößerns erhalten. Im Unterschied zu ansonsten typischerweise eingesetzten Desintegratoren, die mit einer hohen Umdrehungsgeschwindigkeit betrieben werden, drehen die Walzen einer solchen Zerkleinerungsvorrichtung langsam, verbrauchen mithin auch weni- ger Energie. Das Zerkleinern mittels einer als Walze ausgelegten Brecheinrichtung kann auch als Zwangszerkleinerungsvorrichtung angesprochen werden, da jedes Schüttgutpartikel durch den Walzenspalt hindurchgefördert wird. Bei ansonsten typischerweise eingesetzten Desintegratoren hängt das Zerkleinerungsergebnis von der Wahrscheinlichkeit ab, dass ein Schüttgutpartikel von der Schlagkette erfasst oder von von der Schlagkette erfassten Partikeln getroffen wird, um selbst zerkleinert zu werden. überdies ist das Zerkleinerungsergebnis bei Verwendung einer Walze homogener, was die Korngrößenverteilung der zerkleinerten Schüttgutpartikeln belangt. Bei Einsatz einer solchen als Walze konzipier- ten Zwangszerkleinerungseinrichtung kann diese auch in einer solchen Art und Weise betrieben werden, dass der Walze die versprödeten Schüttgutpartikel in einem korngestützten Gefüge zugeführt wird. Der Walzenspalt kann dann größer sein als die Dicke der zu zerkleinernden Körner. Aufgrund der Versprödung und des Einbaus der Sollbruchstellen infolge der Oberflächenvergrößerung erfolgt sodann eine Zerkleinerung der einer solchen Zwangsbrecheinrichtung zugeführten Partikeln auch untereinander. Unter Ausnutzung einer solchen korngestützten Zuführung der versprödeten Schüttgutpartikel können die Walzenoberflächen Strukturen aufweisen, um ein Einführen des versprödeten Schüttgutpartikelstromes in den Walzspalt zu fördern.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter

Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 : eine schematisierte Darstellung nach Art eines Blockschaltbildes einer Kryogenzerkleinerungsanlage und

Fig. 2a, 2b: eine schematisierte Darstellung einzelner der Anlage zugeführter Partikel (Figur 2a) und des der Anlage der Figur 1 zugeführten Schüttgutstromes nach einer Oberflächenvergrößerung der Schüttgutpartikel (Figur 2b).

Eine Kryogenzerkleinerungsanlage 1 dient zum Zerkleinern von Schüttgutmaterial, welches unter Umgebungsbedingungen (Normalbedingungen) weiche oder gummielastische Eigenschaften aufweist. Die Anlage 1 eignet sich somit zum Zerkleinern vom Altreifengranulat oder dergleichen. Zugeführt wird der Anlage 1 auf nicht dargestellte Art und Weise ein Schüttgutstrom, beispielsweise mittels eines Förderbandes oder einer sonstigen Fördereinrichtung. Die Kryogenzerkleinerungsanlage 1 umfasst eine Scheibenmühle 2, der das zu zerkleinernde Schüttgut, wie durch den Blockpfeil angedeutet, zugeführt wird. Die Scheibenmühle 2 ist ausgelegt, damit die zugeführten Schüttgutpartikel in der Scheibenmühle 2 nicht notwendigerweise physikalisch zerkleinert, jedoch bezüglich ihrer Oberfläche vergrößert werden. Dieses erfolgt durch Zerreiben der zugeführten Partikel. Durch diesen Reibvorgang werden die gummielastischen Granulatpartikel ähnlich wie ein Radiergummi beim Vorgang des Radierens zerrieben, wodurch sich eine feinstrukturierte popcornartige Struktur ergibt. Dieses ist mit einer nicht unerheblichen Oberflächenvergrößerung derselben verbunden. Verbunden ist die Oberflächenvergrößerung mit einer Reduzierung der eigentlichen Materialdicke in den einzelnen Abschnitten des o- berflächenvergrößerten Partikels. Die sich einstellende Materialdicke der Partikel wird vorgegeben durch den Spalt der gegeneinander arbeitenden Scheiben 3, 4 der Scheibenmühle 2. Die Scheiben 3, 4 sitzen jeweils auf gegenläufig, wie durch die Pfeile dargestellt, rotierend angetriebenen Wellen. Auf jeder Welle sitzen in einer parallelen Anordnung zueinander mehrere Scheiben, so dass die Scheiben 3, 4 der beiden Wellen kammartig ineinander greifen. Eine solche Scheibenmühle ist beispielsweise in DE 202 01 979 U1 beschrieben. Die Scheiben 4 der Scheibenmühle 2 sind mit einer Wellenkontur versehen, so dass auf diese Weise bei dem Ge-

geneinanderarbeiten der beiden Scheiben 3, 4 der Spalt zwischen den Scheiben 3, 4 zwischen einer minimalen Weite und einer maximalen Weite oszilliert. Der Offenbarungsgehalt der DE 202 01 979 U1 wird hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt dieser Be- Schreibung gemacht. Die durch die Scheibenmühle 2 bearbeiteten Schüttgutpartikel weisen sodann eine, verglichen mit der Dickenverteilung des eingangsseitig die Scheibenmühle 2 beaufschlagenden Schüttgutes, relativ homogene Verteilung auf. Das aus der Scheibenmühle 2 austretende Material wird über einen Auffangtrichter 5 einer Fördereinrichtung 6 zuge- führt.

Figur 2a zeigt beispielhaft eine schematisierte Wiedergabe des Habitus von der Scheibenmühle 2 zugeführten Granulatpartikel. Diese sind durch einen eckigen kompakten Habitus gekennzeichnet. Figur 2b zeigt in einer schematisierten Wiedergabe Schüttgutpartikel P, die aus der Scheibenmühle 2 austreten. Die Partikel P sind in einer Draufsicht gezeigt. Die in Figur 2 erkennbare Ebene ist diejenige Ebene, in der die ursprünglich als Granulatpartikel zugeführten Körner beim Durchtreten durch die Scheibenmühle 2 verformt worden sind. Die bereits zuvor beschriebene fein- strukturierte Popcornstruktur ist durch die zahlreichen Ausbuchtungen und Einschnürungen in Figur 2b erkennbar. Durch den Vergleich der bearbeiteten Schüttgutpartikel P der Figur 2b mit der Darstellung der der Scheibenmühle 2 zugeführten Granulatpartikel gemäß Figur 2a, wird die Aus- längung und die damit verbundene Oberflächenvergrößerung deutlich. Erkennbar ist ferner, dass die mit der Scheibenmühle 2 bearbeiteten Partikel P eine sehr zerklüftete Oberfläche aufweisen, mithin auch aus diesem Grunde die Oberfläche gegenüber den zugeführten Granulatpartikeln (vgl. Figur 2a) erheblich vergrößert ist. In die mit der Scheibenmühle 2 bearbeiteten Gummipartikel sind aufgrund der zerklüfteten Oberfläche mitunter auch Löcher eingearbeitet, so dass insgesamt die Partikel P zahlreiche Schwächezonen, die im Zusammenhang mit diesen Ausführungen als Sollbruchstellen angesprochen werden, aufweisen. Einige dieser Sollbruchstellen sind in Figur 2b mit dem Bezugszeichen S gekennzeichnet. Das Unterwerfen der Schüttgutpartikel eines Prozesses zur Vergrößerung der Oberfläche der einzelnen Partikel, wie durch die Scheibenmühle 2 geschehen, führt bei Polymergranulaten nicht nur zu der Ausbildung der vorbeschriebenen Sollbruchstellen S, sondern auch zu einer Schwächung

und somit zum Einbau von Sollbruchstellen auf molekularer Ebene.

Für den vorbeschriebenen Prozess eignet sich insbesondere eine Scheibenmühle, wie sie in DE 202 01 979 U1 beschrieben ist, da aufgrund des intermittierenden Spaltes eine besonders effektive Verquetschung und Auslängung der zugeführten Gummigranulatpartikel erfolgt.

Am Ausgang der Scheibenmühle 2 werden die Partikel P der Fördereinrichtung 6 zugeführt, mit der diese durch einen Kühltunnel 7 transportiert werden. Der Kühltunnel 7 dient zum Verspröden der Partikel P. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die Partikel P durch- und-durch zu verspröden. Zum Herbeiführen der Kühlung und der Ver- sprödung ist der Kältetunnel in nicht näher dargestellter Art und Weise mit einem Kältemittel, beispielsweise flüssigem Stickstoff, wie schematisiert durch die Kennzeichnung „Kältemittel" in Figur 1 dargestellt, beaufschlagt. Die homogene Dickenverteilung der dem Kühltunnel 7 zugeführten Schüttgutpartikel gewährleistet, dass die durch den Kühltunnel 7 geführten Schüttgutpartikel am Ausgang desselben einen quasi gleichen Versprö- dungsgrad aufweisen. Bei dem Versprödungsgrad kann es sich um eine Durch-und-Durch-Versprödung handeln. Es kann auch gewünscht sein, dass lediglich eine randliche Versprödung gewünscht wird. Am Ausgang des Kühltunnels 7 werden die versprödeten Partikel P anschließend einer Brecheinrichtung 8 zu ihrer Zerkleinerung zugeführt. Bei der Brecheinrichtung 8 handelt es sich um einen Zwangszerkleinerer, der bei dem darge- stellten Ausführungsbeispiel als Walzenmühle ausgebildet ist. Die Walzenmühle verfügt über zwei gegeneinander angetriebene Walzen 9, 10. Der Walzenspalt 11 zwischen den beiden Walzen 9, 10 ist größer als die Größe der versprödeten Partikel P. Die versprödeten Partikel P werden der Brecheinrichtung 8 in einem korngestützten Gefüge 12 zugeführt. Da- her stützen sich die einzelnen Partikel P bei ihrer Zuführung in den Walzenspalt 11 untereinander ab. Werden diese in den Walzenspalt 11 eingebracht, zerbrechen die Partikel P aufgrund des korngestützten Gefüges untereinander, insbesondere an den Sollbruchstellen S und den auf molekularer Ebene eingebrachten Schwächestellen. Aus dem Walzenspalt 11 tritt unterseitig das zerkleinerte Material aus und wird in einem Behälter 13 aufgefangen. Anstelle des Behälters 13 kann an dem Ausgang der Brechereinrichtung 8 auch ein Transportband oder dergleichen angeordnet

sein.

Zum Zuführen der versprödeten Partikel P in einem korngeschützten Gefüge der Brecheinrichtung 8 werden die versprödeten Partikel P von der Fördereinrichtung 6 zunächst auf eine weitere Fördereinrichtung 14 gebracht, die mit einer deutlich langsameren Fördergeschwindigkeit angetrieben ist als die Fördereinrichtung 6. Von der Fördereinrichtung 14 gelangen die versprödeten Partikel P in einen Zuführtrichter 15, aus dem diese unterseitig dann in den gewünschten korngeschützten Verband he- raustreten.

Vorzugsweise befindet sich die Fördereinrichtung 14 ebenfalls in dem Kältetunnel 7, damit die aus dem Kältetunnel 7 herausgeförderten Partikel P ihre Kälte möglich lange halten können.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich am Ausgang des Kältetunnels 7 eine im übrigen nicht näher dargestellte Fraktioniereinheit. In der Fraktioniereinheit werden die versprödeten Körner, die sich in diesem Zustand besser Sieben lassen als unter Normalbedingungen, hin- sichtlich ihrer Körngröße in zwei Fraktionen geteilt. Die oberhalb der Siebgröße abgesiebten Partikel P werden über die Rückführleitung 16 erneut der Scheibenmühle 2 zugeführt. Dieses erfolgt nicht aus dem Grunde, dass die Partikel mit dieser Größe nicht durch die Brecheinrichtung 8 zerkleinert werden könnten, sondern um dem zugeführten Schüttgutstrom kalte Körner beizumengen, um mit diesem die Scheibenmühle 2 zu kühlen. Zu diesem Zweck wird die größere Kornfraktion verwendet, da diese aufgrund ihrer Größe mehr Kälte über die Rückführleitung 16 transportieren können. Entsprechend besser wird die Scheibenmühle 2 bzw. deren Scheiben 3, 4 gekühlt. Anstelle des Vorsehens einer Fraktioniereinrich- tung am Ausgang des Kühltunnels 7 kann an dieser Stelle ebenfalls eine Partikelstromteilung erfolgen, so dass ein Teil des versprödeten Materialstromes der Scheibenmühle 2 zum Kühlen derselben zugefügt wird.

In Figur 1 ist gestrichelt in einer Weiterbildung der vorbeschriebenen AnIa- ge 1 mit dem Bezugszeichen 17 eine überkornrückführung dargestellt, über die ein entsprechend fraktioniertes überkorn vom Ausgang der

Scheibenmühle 2 in deren Eingang zurückgeführt wird. Die Fraktionierein-

richtung ist in Figur 1 nicht dargestellt. Gleichermaßen kann die Anlage 1 über eine weitere Rückführleitung 18 verfügen, über die eine Kornfraktion zurückgeführt werden kann, und zwar bis an den Eingang der Scheiben- mühle 2. Die Rückführleitung 18 verfügt über einen Rückführleitungszweig 19, über den eine Rückführung an den Eingang des Kühltunnels 7 erfolgt. Die Rückführleitung 18 bzw. 19 wird genutzt, wenn eine weitere Homogenisierung des Kornspektrums am Ausgang der Brecheinrichtung 8 herbeigeführt werden soll und die ohnehin relativ homogene Korngrößenverteilung am Ausgang der Brecheinrichtung 8 weiter eingeengt werden soll.

Mit der beschriebenen Kryogenzerkleinerungsanlage und mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich in besonders wirkungsvoller Art und Weise unter geringem Energie- und Kältemitteleinsatz solche Granulate in kleine Korngrößen zerkleinern, die sich unter Umgebungsbedingungen nicht, zumindest nicht in die gewünschte Kornfeinheit zerkleinern lassen. Bemerkenswert ist bei dieser Vorrichtung und bei diesem Verfahren die relativ enge Korngrößenverteilung des aus der Brecheinrichtung 8 austretenden und in den Behälter 13 aufgefangenen Materials.

Wenn gewünscht, kann am Ausgang der Brecheinrichtung 8 das Material nochmals fraktioniert werden, um Partikelfraktionen mit noch engeren Kornverteilungsspektren zu erhalten.

Bezugszeichenliste

1 Kryogenzerkleinerungsanlage

2 Scheibenmühle

3 Scheibe

4 Scheibe

5 Auffangtrichter

6 Fördereinrichtung

7 Kühltunnel

8 Brecheinrichtung

9 Walze 0 Walze 1 Walzenspalt 2 Gefüge 3 Behälter 4 Fördereinrichtung 5 Zuführtrichter 6 Rückführleitung 7 überkornrückführung 8 Rückführleitung 9 Rückführleitungszweig

P Partikel

S Sollbruchstelle