DE2919256C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entsorgen einer verbrauchten Öl-in-Wasser-Emulsion, die nach Verwendung in einem technischen Prozeß anfällt, insbesondere einer Emulsion von Schneidöl in Wasser.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, das Öl aus der Emulsion zum Zweck der Energieerzeugung zurückzugewinnen, wodurch eine Belastung der Umwelt durch die Emulsion oder ihre Bestandteile vermieden wird.

In zahlreichen technischen Verfahren werden Emulsionen ver­ schiedener Öle in Wasser sowohl zum Kühlen als auch zum Schmieren der in Bearbeitung befindlichen halbfertigen Er­ zeugnisse, der Werkzeuge oder der Maschinenteile verwendet. Ins­ besondere werden Emulsionen von Schneidöl in Wasser bei allen mechanischen, spanabhebenden Bearbeitungsverfahren verwendet, um die Schneidkraft zwischen dem Werkzeug und dem in Bearbeitung befindlichen Werkstück zu vermindern und beide Teile während der Bearbeitung zu kühlen.

Wenn der Gehalt an Fremdsubstanzen, wie Metallspäne, Staub und dergleichen in der Emulsion zu hoch wird, ist sie für den technischen Einsatz nicht länger geeignet. Die Entsorgung solcher verbrauchter Emulsionen erzeugt ernsthafte Umwelt- und Energieprobleme, da diese Emulsionen eine Quelle starker Verunreinigung sind, gleichgültig, ob die Emulsionen einfach in die Umgebung abgegeben werden oder auf unterschiedlichste Art und Weise behandelt werden, um einige ihrer Bestandteile abzu­ trennen.

Es sind bereits einige Verfahren zur Entsorgung verbrauchter Emulsionen bekannt, bei denen das in der Emulsion enthaltene Öl von den anderen Bestandteilen abgetrennt wird, oder bei denen die Emulsionen zur Energieerzeugung herangezogen werden.

In diesem Zusammenhang sind im wesentlichen zwei Behandlungsver­ fahren zu erwähnen. Die erste Art der Behandlung, bei der ge­ eignete Chemikalien und Wärmeenergie eingesetzt werden, ist darauf gerichtet, zuerst Wasser von den Bestandteilen größerer Dichte abzutrennen und dann die Öle von diesen letzteren Be­ standteilen. Diese Art der Verarbeitung erfordert zuerst die Zugabe einer Säure oder eines Polymers zu der Emulsion und dann geeignete Mengen an Aluminium, um die Bestandteile höherer Dichte auszuflocken und einen Schlamm zu bilden. Das Öl wird dann von dem Schlamm durch Erhitzen abgetrennt und durch die Zugabe ge­ eigneter Additive.

Die zweite Art der Behandlung besteht darin, die Emulsion direkt in geeigneten Brennern für Flüssigkeitsverbrennung zu verwenden, indem der Emulsion eine ausreichende Menge an Brenn­ stoff zugegeben wird, so daß man eine Mischung erhält, die in dem Brenner verbrannt werden kann.

Die erste Art der Verarbeitung hat den Nachteil, daß sie den Einsatz von ziemlich teuren Zusatzstoffen verlangt, um die Be­ standteile höherer Dichte in der Emulsion auszuflocken, nämlich von Säuren und Aluminium, sowie den Einsatz großer Mengen von Energie, um die Emulsion und den Schlamm aufzuheizen. Ferner schließt diese Behandlungsmethode zahlreiche ziemlich kom­ plizierte Verfahrensschritte ein.

Die zweite Art der Behandlung erfordert den Zusatz großer Mengen flüssigen Brennstoffes zu der Emulsion, um sie brennbar zu machen. Darüber hinaus ist die dabei erzeugte Wärmeenergie nur schwer für industrielle Zwecke einzusetzen und es entstehen Dämpfe während der Verbrennung, die eine Quelle für Umweltver­ schmutzung sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ent­ sorgen einer Emulsion des bezeichneten Typs zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Nachteile, welche mit dem Abgeben der Emulsion in die äußere Umgebung und mit dem Abtrennen bestimmter Bestandteile aus ihr verbunden sind. Es ist ferner ein Verfahren der bezeichneten Art angestrebt, bei dem wenigstens ein Teil der die Emulsion bildenden Bestandteile zur Energieerzeugung nutzbar gemacht werden kann. Aufgabe der Erfindung ist auch die Beschaffung einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art gelöst, welches gekenn­ zeichnet ist durch mindestens eine Verfahrensstufe, in der der Emulsion kontinuierlich Wärmeenergie zugeführt wird, um eine bestimmte Menge des in der Emulsion enthaltenen Wassers zu verdampfen und die Ölkonzentration in der Emulsion auf einen Wert anzuheben, bei dem sich die Emulsion in einem technischen Brenner verbrennen läßt, wobei die Wärmeenergie zumindest teil­ weise durch den Einsatz von Sonnenenergie gedeckt wird, sowie durch mindestens eine weitere Verfahrensstufe, in der die an Öl aufkonzentrierte Emulsion in einem Brenner in einer Industrie- oder Heizanlage verbrannt wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Aufheizeinrichtung für die Emulsion, um der Emulsion Wärmeenergie zuzuführen, die zumindest teilweise aus Sonnenenergie gewonnen ist, und eine Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen wenigstens eines Teiles des in der mittels der Heizeinrichtung aufgeheizten Emulsion enthaltenen Wassers, um die Konzentration des Öls in der Emulsion auf einen solchen Wert zu erhöhen, daß die Emulsion in einem technischen Brenner verbrannt werden kann; die Heizeinrichtung enthält zweckmäßigerweise mindestens einen Sonnenenergiesammler.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird aus der sich anschließenden Beschreibung seiner hauptsächlichen Verfahrensstufen und einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver­ fahrens im einzelnen näher hervorgehen, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. Darin stellt dar

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Grundelemente, aus denen die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens besteht, und

Fig. 2 und 3 Diagramme, welche Versuchsergebnisse wiedergeben, die unter Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 1 erhalten wurden.

Bevor die einzelnen Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden, soll zuerst die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, erläutert werden.

Die Vorrichtung ist geeignet für die Behandlung einer ver­ brauchten Öl-in-Wasser-Emulsion oder jeder anderen Mischung eines Öles in Wasser, wie sie in technischen Verfahren einge­ setzt werden. Insbesondere ist die Vorrichtung zur Aufarbeitung einer Emulsion von Schneidöl oder Walzöl in Wasser geeignet, wie sie bei der mechanisch-spanabhebenden Bearbeitung auf Werk­ zeugmaschinen oder bei Walz- oder Ziehverfahren verwendet wird.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einer Heizeinrichtung, um der Emulsion eine bestimmte Wärmemenge zu­ zuführen, die zumindest teilweise unter Ausnutzung von Sonnen­ energie erzeugt wird. Die Heizeinrichtung 1 besteht im wesent­ lichen aus mindestens einem Sonnenenergiesammler 2 und einem Wärme­ tauscher 3 zur Aufnahme einer gewissen Wärmemenge aus dem Sonnen­ energiesammler. Hierfür wird zweckmäßigerweise ein Kreislauf 4 (Fig. 1) vorgesehen, über den der Sonnenenergiesammler 2 mit dem Wärmetauscher 3 verbunden ist, und der aus Rohrleitungsab­ schnitten 4′, 4′′ und 4′′′ besteht, durch die eine geeignete Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser fließt. Diese verbinden strömungs­ mäßig den Ausgang des Sonnenenergiesammlers mit dem Eingang des Wärmetauschers und den Ausgang des Wärmetauschers mit dem Eingang des Sonnenenergiesammlers, so daß ein geschlossener Kreis­ lauf besteht, durch den Wasser kontinuierlich umlaufen kann, um an den Wärmetauscher die Wärmeenergie abzugeben, die durch Sonnenstrahlung in dem Sonnenenergiesammler erzeugt worden ist.

Die Vorrichtung besteht ferner aus einer Verdampfungseinrichtung 5 zum Verdampfen mindestens eines Teiles des in der Emulsion enthaltenen Wassers. Die Verdampfungseinrichtung 5 ist mit dem Wärmetauscher 3 über einen geschlossenen Kreislauf 6 verbunden, um einen kontinuierlichen Umlauf zwischen dem Wärmetauscher und der Verdampfungseinrichtung zu ermöglichen, damit der Ver­ dampfungseinrichtung die Emulsion zugeführt werden kann, nach­ dem diese im Wärmetauscher 3 aufgeheizt worden ist. Hierfür besteht der Kreislauf 6 zweckmäßigerweise aus Rohrleitungsab­ schnitten 6′ und 6′′, von denen der erste den Ausgang der Verdampfungseinrichtung 5 mit dem Eingang des Wärmetauschers 3 und der zweite den Ausgang des Wärmetauschers 3 mit dem Eingang der Verdampfungseinrichtung 5 verbindet.

Die Verdampfungseinrichtung besteht vorzugsweise aus einem normalen Verdampfungsturm bekannter Bauart, beispielsweise aus einem solchen, in dem eine Emulsion durch Umgebungsluft zir­ kuliert und möglicherweise in versprühter Form durch einen Luft­ strom absinken gelassen wird.

In den Kreisläufen 4 und 6 können Pumpen 7 und 8 für das Um­ wälzen der Wärmeträgerflüssigkeit zwischen dem Sonnenenergie­ sammler 2 und dem Wärmetauscher 3, bzw. der Emulsion zwischen dem Wärmetauscher und der Verdampfungseinrichtung 5 vorgesehen sein.

Unter Verwendung der beschriebenen Vorrichtung läuft das Ver­ fahren wie folgt ab:

Der Verdampfungsturm 5 wird mit einer bestimmten Menge ver­ brauchter Emulsion angefüllt, die nicht länger für das technische Verfahren benutzt werden kann, in dem sie eingesetzt worden war. Diese Emulsion läuft dann kontinuierlich unter Einwirkung der Pumpe 8 durch den Kreislauf 6 und den Verdampfungsturm 5 um. Gleichzeitig heizt Sonnenenergie, die den Sonnenenergiesammler 2 trifft, die Wärmeträgerflüssigkeit im Kreislauf 4 auf, die mittels der Pumpe 7 in diesem Kreislauf umgewälzt wird, so daß dem Wärmetauscher 3 eine gewisse Wärmemenge zugeführt wird. Diese Wärmemenge wird durch den Wärmeaustausch, der im Wärme­ austauscher 3 stattfindet, auf die Emulsion übertragen, die im Kreislauf 6 umläuft.

Auf diese Weise erreicht die aufgeheizte Emulsion den Ver­ dampfungsturm 5 mit einer bestimmten Temperatur. Das in der Emulsion enthaltene Wasser verdampft in den Turm, wobei die Verdampfungswärme dem Wärmeinhalt entnommen wird, den die Emulsion selbst mitführt. Die den Verdampfungsturm verlassende Emulsion hat einen geringeren Wassergehalt und eine niedrigere Temperatur als diejenige Emulsion, die in den Turm eintritt. Die Emulsion wird dann erneut dem Wärmetauscher 3 zugeführt, um wiederum aufgeheizt zu werden.

Es ist einleuchtend, daß der Ölgehalt der Emulsion ansteigt, während diese durch den Kreislauf 6 und den Verdampfungsturm 5 umläuft. Diese Ölanreicherung findet im wesentlichen ohne Zufuhr von anderer als der Sonnenenergie statt, die aus dem Sonnen­ energiesammler 2 erhalten wird.

Durch fortgeführte Behandlung dieser Art kann die Konzentration an Öl in der Emulsion auf einen sehr hohen Wert angehoben werden, sogar bis in die Größenordnung von 90%. Die für das Verfahren als am geeignetsten angestrebte Konzentration ist zumindestens diejenige, die es ermöglicht, daß die Emulsion in einem technischen Brenner verbrannt werden kann. Es wurde festgestellt, daß eine Konzentration von 70 bis 80% Öl in der Emulsion diese für den Verbrennungsvorgang geeignet macht. Wenn diese Konzen­ tration erreicht ist, was, wie weiter unten noch erläutert wird, mit einer in geeigneter Weise dimensionierten Anlage nach einem Betrieb von 100 Stunden erreicht werden kann (wobei sich diese Zeit auf die wirksame Einwirkung von Sonnenenergie auf die Sonnenenergiesammler bezieht), kann die behandelte Emulsion aus der Anlage abgezogen werden.

Das Verfahren schließt den weiteren Verfahrensschritt des Verbrennens der aufkonzentrierten Emulsion in einem normalen Brenner einer technischen oder Heizanlage ein. Auf diese Weise kann die Emulsion als ein normaler flüssiger Brennstoff für die Erzeugung von Wärmeenergie als Ersatz für Heizöl verwendet werden, so daß im wesentlichen der gesamte Heizwert der Emulsion zur Energieerzeugung nutzbar gemacht werden kann. Als Alternativ­ lösung kann die Emulsion aber auch einem Heizöl zugesetzt und zusammen mit diesem verbrannt werden.

Durch die Behandlung, die die Emulsion nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren erfährt, werden grundsätzlich zwei Ziele er­ reicht, nämlich die Beseitigung der Emulsion ohne Umweltver­ schmutzung und die vollständige Nutzbarmachung der Verbrennungs­ wärme der wertvollsten Bestandteile der Emulsion, indem diese in einen Zustand überführt wird, in dem sie in einem normalen Brenner verbrannt werden kann. Dieses Ziel neben dem alleinigen Einsatz von Sonnenenergie wird ohne weiteren Energieverbrauch erreicht.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Versuchsergebnisse, die im Betrieb mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung erhalten wurden.

Die Fig. 2 zeigt drei Kurven, die die Änderung des Ölgehaltes in der durch den Verdampfungsturm 5 und den Kreislauf 6 um­ laufenden Emulsion (Kurve A), die Änderung in der aus der Emulsion verdampften Wassermenge (Kurve B) und die Änderung im Gesamtvolumen der Emulsion (Kurve C) veranschaulichen, jeweils über der Anzahl der Betriebsstunden aufgetragen.

Die im Diagramm wiedergegebenen Ergebnisse wurden aus Versuchen erhalten, die mit einem Anfangsvolumen an Emulsion von 900 l ausgeführt wurden, welche einen Ölgehalt von 15,7% hatte. Wie aus Kurve A hervorgeht, wird nach einer Betriebszeit von etwa 130 Stunden ein Endölgehalt in der Emulsion von 90% erreicht, wobei das endgültige Emulsionsvolumen auf etwa 150 l reduziert wird. Die Kurve zeigt auch, daß die Geschwindigkeit der Ölanreicherung in der Emulsion mit zunehmender Betriebs­ zeit ansteigt, während die Geschwindigkeit der Ölanreicherung zu Beginn verhältnismäßig gering ist, aber gegen Ende der Behandlung einen merkbaren Anstieg zeigt, wie dies aus der größeren Steigung des Endabschnittes der Kurve A ersichtlich ist.

Wie aus Kurve B hervorgeht, zeigt die Verdampfungsgeschwindig­ keit des Wassers eine im wesentlichen gleichförmige Abnahme mit zunehmender Behandlungszeit, was aus der Steigungsabnahme der Kurve B hervorgeht, die über den gesamten Verlauf der Kurve im wesentlichen gleichmäßig ist.

Das Diagramm der Fig. 3 zeigt die Änderung in der Verdampfungs­ geschwindigkeit des Wassers (l/Stunde) als Funktion der Öl­ konzentration. Während die Verdampfungsgeschwindigkeit bei niedrigen Ölkonzentrationen hoch ist (bis zu einer Konzentration von etwa 30%), so zeigt die Kurve doch, daß die Verdampfungs­ gschwindigkeit bei höheren Konzentrationen eine abnehmende Tendenz aufweist. Wenn eine Ölkonzentration von etwa 70% er­ reicht ist, setzt eine ausgeprägte Abnahme in der Verdampfungs­ geschwindigkeit ein, die über den gesamten Endbereich der Kurve der Fig. 2 jenseits des Wendepunktes g zunimmt. Aus einer Untersuchung dieses Verhaltens kann geschlossen werden, daß es zweckmäßig ist, eine Aufkonzentrierung des Ölgehaltes in der Emulsion nur bis zu einem Wert von etwa 70% durchzuführen, da jenseits dieses Wertes jede weitere Zunahme im Ölgehalt der Emulsion wegen der dann einsetzenden ausgeprägten und beträcht­ lichen Abnahme der Verdampfungsgeschwindigkeit des Wassers aus der Emulsion nur durch eine verhältnismäßig lange weitere Be­ handlungszeit erreicht werden kann. Ein Ölgehalt von 70% be­ deutet jedoch, daß die Emulsion voll für die nächste Verfahrens­ stufe, nämlich das Verbrennen in einem Brenner geeignet ist, und das erfindungsgemäße Verfahren nach Erreichen dieser Öl­ konzentration abgebrochen werden kann. Es wurde festgestellt, daß eine Emulsion mit einem Ölgehalt von 70% einen Heizwert von etwa 6000 kcal/kg besitzt und daher einen echten flüssigen Brennstoff darstellt.

Claims (12)

1. Verfahren zum Entsorgen einer verbrauchten Öl-in-Wasser- Emulsion, die nach Verwendung in einem technischen Prozeß anfällt, insbesondere einer Emulsion von Schneidöl in Wasser, gekennzeichnet durch mindestens eine Verfahrensstufe, in der der Emulsion kontinuierlich Wärmeenergie zugeführt wird, um eine bestimmte Menge des in der Emulsion enthaltenen Wassers zu verdampfen und die Ölkonzentration in der Emulsion auf einen Wert anzuheben, bei dem sich die Emulsion in einem technischen Brenner verbrennen läßt, wobei die Wärmeenergie zumindest teil­ weise durch den Einsatz von Sonnenenergie gedeckt wird, sowie durch mindestens eine weitere Verfahrensstufe, in der die an Öl aufkonzentrierte Emulsion in einem Brenner in einer Industrie- oder Heizanlage verbrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie an die Emulsion mittels eines Wärmetauschers über­ tragen wird, der die Wärmeenergie seinerseits von einer oder mehreren Sonnenenergiesammlern erhält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfen dieser Wassermenge in einem für das Ver­ dampfen von Wasser aus der aufgeheizten Emulsion geeigneten Verdampfer erfolgt, der mittels eines ersten Flüssigkeitskreis­ laufes derart mit dem Wärmetauscher verbunden ist, daß ein kontinuierlicher Umlauf von Emulsion zwischen dem Verdampfer und dem Wärmetauscher erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdampfer ein Turm verwendet wird, in dem die Emulsion im versprühten Zustand im Gegenstrom zu einem Luftstrom absinkt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmeenergie von dem Sonnenenergiesammler zu dem Wärmetauscher mit Hilfe einer Flüssigkeit transportiert wird, die innerhalb eines zweiten Flüssigkeitskreislaufes umläuft, welcher den Sonnenenergiesammler mit dem Wärmetauscher verbindet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine solche Menge an Wasser verdampft wird, daß eine Emulsion mit einem Ölgehalt von mindestens 70% erhalten wird.

7. Vorrichtung zum Behandeln einer verbrauchten Öl-in-Wasser- Emulsion, die nach Verwendung in einem technischen Prozeß anfällt, insbesondere einer Emulsion von Schneidöl in Wasser, gekenn­ zeichnet durch eine Aufheizeinrichtung (1) für die Emulsion, um der Emulsion Wärmeenergie zuzuführen, die zumindest teilweise aus Sonnenenergie gewonnen ist, und eine Verdampfungseinrichtung (5 ) zum Verdampfen wenigstens eines Teiles des in der mittels der Heizeinrichtung (1) auf­ geheizten Emulsion enthaltenen Wassers, um die Konzentration des Öls in der Emulsion auf einen solchen Wert zu erhöhen, daß die Emulsion in einem technischen Brenner verbrannt werden kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (1) mindestens einen Sonnenenergiesammler (2) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (1) einen Wärmetauscher (3) aufweist, der dafür ausgebildet ist, die Wärmeenergie aus dem Sonnenenergie­ sammler (2) zu empfangen und in die Verdampfungseinrichtung (5) zu übertragen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verdampfungseinrichtung (5) mit dem Wärme­ tauscher (3) mittels eines ersten Flüssigkeitskreislaufes (6) verbunden ist, der für einen kontinuierlichen Umlauf der Emulsion zwischen der Verdampfungseinrichtung (5) und dem Wärmetauscher (3) ausgebildet ist, um dem Wärmetauscher (3) die Wärmeenergie zu entziehen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sonnenenergiesammler (2) mit dem Wärmetauscher (3) über einen zweiten Flüssigkeitskreislauf (4) verbunden ist, der für einen kontinuierlichen Wasserumlauf zwischen dem Sonnen­ energiesammler (2) und dem Wärmetauscher (3) ausgebildet ist, um dem Wärmetauscher (3) die Wärmeenergie zuzuführen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verdampfungseinrichtung (5) aus einem Verdampfungsturm besteht, in dem die Emulsion in versprühtem Zu­ stand durch einen Luftstrom absinken gelassen wird.