Ziel der Entwicklung

Aus der Wirtschaft bestand der Bedarf an einer wirtschaftlichen Verwertungslösung für Mineralwolle- und Dachpappenabfälle, da deren Entsorgung mit hohen Kosten verbunden ist und geeignete Recyclingwege fehlen. Ursprüngliches Ziel des Projekts war neben der Entwicklung von Recycling-Leichtgranulaten insbesondere die Umrüstung eines bestehenden Drehrohrofens auf Wasserstoffbetrieb, um den Brennprozess perspektivisch CO₂-neutral zu gestalten.

Vorteile und Lösungen

Der Lösungsansatz bestand darin, Mineralwolle- und Dachpappenabfälle als Rohstoffe für die Herstellung eines leichten, technisch nutzbaren Baustoffs einzusetzen, anstatt sie zu deponieren. Ziel war es, die Reststoffe zu verwerten, die Mineralwollefasern dauerhaft zu binden und gleichzeitig einen wirtschaftlich und perspektivisch CO₂-neutral betreibbaren Brennprozess zu entwickeln. Die anfallenden Reststoffe wurden getrennt aufbereitet, zerkleinert und hinsichtlich ihrer chemischen, mineralogischen und thermischen Eigenschaften untersucht. Insbesondere bei der Mineralwolle war eine getrennte und geschützte Aufbereitung erforderlich, um eine Freisetzung von Fasern zu vermeiden. Bei der Dachpappe zeigte sich, dass eine ausreichend feine Zerkleinerung für die weitere Verarbeitung notwendig ist. Durch den Einsatz eines Querstromzerspaners konnte der Feinanteil deutlich erhöht und damit eine geeignete Ausgangsqualität für die Granulatherstellung erreicht werden.

Auf Grundlage der Untersuchungen wurden verschiedene Rezepturen aus Mineralwolle, Dachpappe und weiteren mineralischen Reststoffen entwickelt. Ergänzend wurden unterschiedliche Blähmittel untersucht. Dabei wurde geprüft, wie sich die Zusammensetzung auf den Blähprozess, die Dichte und die Festigkeit der späteren Granulate auswirkt. Als besonders wirksam erwies sich unter anderem die Kombination aus Dachpappe, Walzenzunder und Siliciumcarbid. Die Dachpappe übernimmt dabei eine Doppelfunktion: Sie dient als kohlenstoffhaltiger Ausbrennstoff und unterstützt durch die entstehenden Gase den Blähprozess.
Die entwickelten Mischungen wurden zunächst im Labormaßstab zu Granulaten geformt und anschließend thermisch behandelt. Schrittweise wurden Brenntemperatur, Brenndauer, Drehgeschwindigkeit und Neigung des Drehrohrofens optimiert. Eine wesentliche Erkenntnis war, dass die Rohgranulate vor dem eigentlichen Brennen ausreichend getrocknet werden müssen, um Restfeuchtigkeit und leichtflüchtige Bestandteile der Dachpappe kontrolliert zu entgasen. Dies verhindert, dass die Granulate während des Brennens durch einen zu hohen Gasdruck zerplatzen.
Durch die Optimierung von Rezeptur und Brennprozess konnten Leichtgranulate mit Rohdichten von etwa 0,4–0,7 g/cm³ hergestellt werden. Für eine ausgewählte Rezeptur wurde eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,097 W/(m·K) gemessen und damit der angestrebte Zielwert von 0,135 W/(m·K) unterschritten. Die erreichten Festigkeiten liegen im für Leichtgranulate relevanten Bereich und ermöglichen insbesondere Anwendungen als Schüttung, zur Hohlraumverfüllung sowie zur Verbesserung des Schallschutzes.

Ein wesentlicher Projekterfolg ist die dauerhafte Bindung der Mineralwollefasern. Mikroskopische Untersuchungen sowie externe Analysen zeigten, dass die Fasern während des Hochtemperaturprozesses vollständig aufgeschmolzen und in die mineralische Matrix eingebunden werden. Im gebrannten Granulat konnten keine freien Mineralwollefasern mehr nachgewiesen werden.

Nach den erfolgreichen Laborversuchen wurde der Prozess auf einen gasbeheizten Pilotdrehrohrofen übertragen. Dabei wurden die Aufbereitung, Granulierung, Trocknung und thermische Behandlung unter praxisnahen Bedingungen erprobt. Der Einsatz von Dachpappe im größeren Maßstab stellte dabei eine besondere Herausforderung dar, da deren organische Bestandteile einen zusätzlichen und nur begrenzt steuerbaren Energieeintrag verursachen. Durch eine gezielte Vortemperung wurden die damit verbundenen Probleme reduziert. Weitere Untersuchungen zur Prozessführung und Rauchgasreinigung sind erforderlich.
Ein ursprüngliches Ziel des Projekts war zudem die Umrüstung eines Drehrohrofens für den Betrieb mit Wasserstoff. Erste Untersuchungen zur Wasserstoff-Brennatmosphäre wurden durchgeführt und bilden die Grundlage für die weitere technische Umsetzung. Der Wasserstoffbetrieb soll langfristig ermöglichen, den thermischen Verwertungsprozess deutlich CO₂-ärmer und perspektivisch CO₂-neutral zu gestalten.

Insgesamt konnte damit der grundsätzliche Lösungsweg erfolgreich nachgewiesen werden: Aus bislang schwer verwertbaren Mineralwolle- und Dachpappenabfällen lassen sich technisch nutzbare, leichte Recyclinggranulate herstellen. Gleichzeitig werden die Mineralwollefasern dauerhaft unschädlich gebunden und Primärrohstoffe eingespart. Für die weitere Umsetzung stehen insbesondere die Optimierung des Dachpappenanteils, die Prozessstabilität im Pilotmaßstab und die Integration des Wasserstoffbetriebs im Fokus.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Entwicklung richtet sich insbesondere an Unternehmen der Baustoffindustrie, Recycling- und Entsorgungswirtschaft sowie an Hersteller von Leichtbaustoffen. Weitere Zielgruppen sind Bauunternehmen, Hersteller von Trockenmörtel und Leichtbeton sowie Unternehmen im Garten- und Landschaftsbau. Ein besonderer Nutzen besteht für Unternehmen, die Mineralwolle- und Dachpappenabfälle bisher kostenintensiv entsorgen müssen und diese künftig einer stofflichen Verwertung zuführen möchten.
Als erste Zielmärkte kommen Anwendungen als leichte Schütt- und Füllmaterialien, zur Hohlraumverfüllung sowie für Trocken-, Schall- und Wärmeschutz in Betracht. Perspektivisch ist auch ein Einsatz als Zuschlagstoff für Leichtmörtel und Leichtbeton möglich. Der deutsche Markt stellt aufgrund der vorhandenen Abfallströme und der Nachfrage nach ressourcenschonenden Baustoffen den naheliegenden Einstiegsmarkt dar. Aufgrund der grundsätzlich vergleichbaren Anforderungen an die Verwertung mineralischer Bau- und Dämmstoffabfälle ist eine Übertragung des Verfahrens auf andere europäische und internationale Märkte möglich.
Die Anwender erhalten ein leichtes mineralisches Granulat, das konventionelle Primärrohstoffe ersetzen kann. Die im Projekt erreichten Rohdichten von 0,4–0,7 g/cm³ und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,097 W/(m·K) ermöglichen insbesondere Anwendungen, bei denen geringes Gewicht und gute Wärmedämmeigenschaften gefragt sind.
Gleichzeitig wird ein bislang schwer verwertbarer Abfallstrom in einen nutzbaren Sekundärrohstoff überführt. Die Mineralwollefasern werden beim Brennen vollständig aufgeschmolzen und dauerhaft in der mineralischen Matrix gebunden. Dadurch werden Deponiemengen reduziert, Primärrohstoffe eingespart und vorhandene Reststoffe einer höherwertigen Nutzung zugeführt.
Der Transfer erfolgt schrittweise vom Labor- über den Pilotmaßstab bis zur industriellen Anwendung. Die entwickelten Rezepturen und Prozessparameter bilden die Grundlage für die Anpassung des Verfahrens an konkrete Rohstoffströme und Produktionsbedingungen von Anwenderunternehmen.
Vorgesehen sind insbesondere gemeinsame Versuche mit den Ausgangsstoffen der Unternehmen sowie die Erprobung der Rezepturen und Prozessparameter in vorhandenen Drehrohrofenanlagen. Auf diese Weise können interessierte Unternehmen die Eignung des Recyclinggranulats für konkrete Anwendungen prüfen und die erforderlichen Anpassungen gemeinsam mit der Einrichtung entwickeln.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die Weiterentwicklung des Brennprozesses. Nachdem die Umrüstung des Pilotdrehrohrofens erfolgreich durchgeführt wurde, ist es das Ziel Industriepartner mit dem entsprechenden Know-How zur Umrüstung eines bestehenden Industrie-Drehrohrofens auf Wasserstoffbetrieb zu unterstützen, um langfristig deutlich CO₂-ärmere bzw. perspektivisch CO₂-neutrale Brennprozesse zu etablieren.
Für die Einrichtung entstehen wirtschaftliche Potenziale insbesondere durch den Aufbau und die Erweiterung von Erfahrungen in den Bereichen Recycling, thermische Verfahren und Leichtbaustoffe. Die entwickelten Rezepturen und Prozesskenntnisse bilden die Grundlage für weitere Entwicklungs- und Transferprojekte mit Industriepartnern.
Mögliche zukünftige Geschäftsfelder sind die technische Beratung von Anwenderunternehmen, die gemeinsame Entwicklung anwendungsspezifischer Rezepturen und die Übertragung des Verfahrens auf weitere Reststoffströme.