BreRec Bremsklotzrecycling (Bremsklotzrecycling von Bremsklötzen aus Kompositwerkstoffen)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 581.10.18

Schlüsselwörter (Deutsch)

Bremsen, Kompositwerkstoffe, Graugussbremsen, Sinterbremsen, Bremsbelagträger, Stahl

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Bremsklötze bestehen aus einem Bremsbelagträger und dem eigentlichen Bremsbelag. Im Schienenverkehr werden Bremsklötze aus Kompositwerkstoffen heute und in Zukunft die am häufigsten verwendeten Bremsklötze sein. Sie erzeugen zwar beim Bremsen viel weniger Lärm als Grauguss- und Sinterbremsen, stellen aber aufgrund ihrer Zusammensetzung – ca. 60 % Stahlspäne vermischt mit Bindemitteln und anderen Stoffe wie Flammschutzmitteln- überall ein Entsorgungsproblem dar. Pro Jahr fallen 500 t Bahnbremsklötze allein in der Schweiz an, europaweit dürfte es weit mehr als das 10fache sein. In der Schweiz werden sie zur Zeit provisorisch zwischengelagert, eine nachhaltige Lösung zu deren Entsorgung ist dringend nötig. Ziel des Projektes ist es deshalb, möglichst viel recycelbares Material in möglichst reiner Form (Metalle) und ohne die problematischen Inhaltsstoffe wie Antimon abzutrennen. Der am Ende entstehende Rückstand sollte mengenmässig viel geringer sein und langzeitstabil sein, so dass er geordnet deponiert werden kann. Wichtiger Verfahrensschritt ist das Abtrennen der Sinterbremsen und des Stahls aus den Bremsbelagträgern. Erprobt werden sollen auch unkonventionelle Verfahren wie die Elektrofragmentation und die Zerkleinerung mittels Rotorschere. Die Kosten sollten mit den heutigen Entsorgungskosten von 150.-/ t Material vergleichbar sein.

Die drei Projektpartner sind der Technologieentwickler (Umtec), der Kunde (SBB) und der Verfahrensanwender (Thommen Recycling AG).

 

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 29.03.2018 an der Sitzung der Koko UT vom 29.05.2018 genehmigt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Anfallende Mengen und Qualitäten der Bremsklötze für die Schweiz sind abgeschätzt. Aufgrund dieser Übersicht sind typische Bremsbeläge definiert. Deren chemische Zusammensetzung und Verhalten bei hohen Temperaturen im Muffelofen ist dokumentiert. Meilenstein 1

    

2. Auf der Anlage der Firma Thommen Recycling AG wurden Versuche zur Zerkleinerung einzelner Bremsklötze mittels Shredder oder Rotorschere durchgeführt und dokumentiert. Das Versuchsmaterial für den nächsten Schritt steht zur Verfügung. Meilenstein 2

    

3. Labor- und Technikumsversuche zeigen auf, ob und wie das Material aus den Bremsbelägen aufbereitet werden kann und ob eine Elektrofragmentation technisch möglich ist. Wenigstens ein Vorgehen wurde gefunden, mit dem sich in der Vorsortierung Sinterbremsklötze von Kompositbremsklötzen unterscheiden lassen. Meilenstein 3

    

4. Ein Schlussbericht liegt vor, der die Ergebnisse aus 1 bis 3 darstellt und ein umfassendes Konzept zum Recycling der Bremsklötze und zur Entsorgung der Rückstände enthält. Das Konzept enthält die wichtigen technischen und wirtschaftlichen Daten und eine grobe Ökobilanzierung der verschiedenen Lösungswege. Das Konzept soll als Grundlage für die Erarbeitung eines Businessplans durch die Firma Thommen Recycling AG dienen.

    

5. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien (genauere Angaben s. Beilage 3) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.

    

6. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung ist dem BAFU abgegeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.

Projektziele (Deutsch)

Mengen und Hinweise zur Zusammensetzung der am häufigsten verwendeten Kompositwerkstoffe für Bremsklötze sind bekannt. Verschiedene technische Möglichkeiten für das Recycling eines möglichst grossen und reinen Anteils an Metallen aus den Bremsklötzen und die Auswirkungen der einzelnen Lösungswege auf die Umwelt sind aufgezeigt. Insbesondere wurden Varianten zur Zerkleinerung mittels Shredder, Rotorschere und Elektrofragmentation untersucht. Die Kosten sollen den heutigen Entsorgungskosten von 150.-/t entsprechen.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Die zu entsorgenden Reibbeläge der SBB bestehen aus einem Trägerblech aus Stahl und einem Reibmaterial aus organischen Komposit- oder metallischen Sinterwerkstoffen. Aktuell fallen pro Jahr ca. 100 Tonnen Sinterreibbeläge und 150 Tonnen Kompositreibbeläge bei den SBB an.

Die Kompositreibbeläge wurden in einem Querstromzerspaner zerkleinert und dabei die Stahl-Trägerbleche sauber abgetrennt. Die im Kompositreibmaterial enthaltenen Eisen- und Messingspäne liessen sich mechanisch vom Bindemittel trennen. Der Schmelzertrag der aus den Metallspänen bestehenden Konzentrate in einer Metallhütte wäre allerdings so gering, dass eine Verwertung wirtschaftlich nicht tragbar wäre. Die organische Matrix des Kompositreibmaterials ist brennbar und ein vollständiger Ausbrand des auf 2 cm zerkleinerten Materials in einer KVA wurde in einem Grossversuch belegt.

Das im Rahmen des Projekts entwickelte Entsorgungskonzept BreRec&KVA für Bahn-Reibbeläge beinhaltet die Zerkleinerung der Kompositreibbeläge mit einem Querstromzerspaner und Abtrennung der Trägerbleche mittels Magnetseparation. Das zerkleinerte Reibmaterial wird in einer KVA verbrannt. Für die Sinterbeläge wurde ein Entsorgungsweg mit Recycling in einer Kupferhütte im Ausland gefunden. Die Trennung der beiden Reibbelagstypen geschieht händisch bei der SBB.

Dieses Entsorgungskonzept bietet eine technisch einfach umsetzbare Möglichkeit, um den bestehenden Entsorgungsnotstand für Bahn-Reibbeläge ökologisch sinnvoll zu beheben. Die Aufbereitung auf einer Anlage zur Elektronikschrottaufbereitung wie beim Industriepartner verfehlt das wirtschaftliche Ziel. Die Verarbeitung auf einem eigenständigen Querstromzerspaner senkt die Kosten jedoch in den Bereich der bisherigen Entsorgungskosten der SBB.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Das Entsorgungskonzept BreRec&KVA ist im industriellen Massstab realisierbar. Die zu hohe Auslastung des Querstromzerspaners und Sicherheitsbedenken aufgrund des Antimon- und Arsengehaltes des Kompositreibmaterials führten den Industriepartner bei Projektende zum Entscheid, die Zerkleinerung nicht durchzuführen. Die SBB versucht nun ein anderes Unternehmen mit einem Querstromzerspaner für die Zerkleinerung zu finden. Als Alternative zum Querstromzerspaner eignen sich grundsätzlich auch die Schlag- oder Prallzerkleinerung mit ausweichenden Elementen, möglicherweise auch Smasher, Druckzerkleinerung (Backenbrecher) oder scherende Zerkleinerung (Rotorschere). Die am Grossversuch beteiligte KVA nimmt das anfallende Kompositreibmaterial der SBB an, sofern die Korngrössen unter 2 cm sind um den völligen Ausbrand zu garantieren.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Im Rahmen des Projekts wurden ökologisch vorteilhafte und wirtschaftlich tragbare Entsorgungswege sowohl für die Komposit- als auch für die Sinterreibbeläge aufgezeigt und deren technische Machbarkeit im Grossversuchen demonstriert. Die Umsetzung der Ergebnisse liegt nun bei der SBB.

Bei der Suche nach alternativen Zerkleinerungsverfahren sollten die gesundheitsrelevanten Aspekte betreffend Antimon von Anfang genau geklärt werden. Die SBB wird den Antimongehalt von Stichproben des zerkleinerten Materials aus dem Grossversuch messen lassen.

Abklärungen zur Arbeitssicherheit sollten vor allem auf Emissionsmessungen an den Aufbereitungsanlagen abgestützt werden. Hiermit würde das tatsächliche Risiko unter Berücksichtigung der MAK-Werte erfasst und nicht nur das Schadstoffpotenzial aufgrund der chemischen Analytik.

Für die Suche nach einer definitiven Lösung für die Zerkleinerung und die Trägerplattenabtrennung sind weitere Testläufe nötig. Die Erfahrungen aus dem Projekt bieten eine solide Basis für weitere solche Versuche.

Für die Sinterreibbeläge hat die SBB im Zuge des Projektes BreRec eine Logistikinfrastruktur aufgebaut, um eine Testladung zum Recycling bereitzustellen. Der geforderte Mindestgehalt von 15 % Kupfer sollte gemäss unseren Untersuchungen erreicht werden und damit wäre das Entsorgungsproblem für die Sinterreibbeläge behoben.