Energy efficient aluminium melting for remelting and recycling plants with oxyfuel technology

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1 Fachberichte reports Energieeffizientes Umschmelzen und Recycling von Aluminium mit der Sauerstoffverbrennung von Rainhard Paul Seit mehr als 30 Jahren ist die reine Sauerstoffverbrennung ( (OF)-Technologie) Stand der Technik in der Metallindustrie. Auch die Aluminiumindustrie hat die Vorteile der OF-Verbrennung erkannt. Der Grund liegt in der innovativen Brennerentwicklung zur Reduzierung der hohen Temperaturspitzen und einer homogenen Temperaturverteilung in Schmelzöfen. Das Ergebnis durch den Einsatz der OF-Technologie ist eine Reduzierung der Brennstoffkosten, Erhöhung der Produktivität und Verringerung der CO 2 - und NO x -Emissionen Energy efficient aluminium melting for remelting and recycling plants with oxyfuel technology Melting of metals with oxyfuel combustion is state of the art technology for the metallurgical industry for more than 30 years. The aluminium industry realized more and more the benefits of the oxyfuel technology. One reason is the recent development of innovative burner design to provide lower peak flame temperatures and more uniform heat flux and temperature profile in the melting furnace. The results are reduction of energy cost, improved productivity and lowering on CO 2 and NO x emissions. Aluminium ist universell einsetzbar, über die Automobilindustrie, Fensterbau bis hin zur Aluminiumfolie. Auf Grund der energieintensiven Gewinnung von Primäraluminium über Bauxit ist das Umschmelzen und Recycling von Aluminium und somit eine Ressourcenschonende Wiedernutzung des Metalls von großer Bedeutung. Das Schmelzen von Aluminium erfordert nur 5 bis 10 % der Energie. Verglichen mit der Herstellung von Primäraluminium sind heute 75 % des jemals produzierten Aluminiums noch im produktiven Einsatz und wurde bereits mehrfach recycelt [1]. Somit wird der Fokus auf energieeffiziente und emissionsarme Einschmelzverfahren gelenkt. Grundlagen der Sauerstoffverbrennung Die theoretischen Grundlagen der Sauerstoffverbrennung unterscheiden sich nicht von der konventionellen Luftverbrennung. Für die vollständige Verbrennungsreaktion von Brennstoffen ist letztendlich der notwendige Mindestsauerstoffbedarf (Oxidator) entscheidend [2]. Der wesentliche Unterschied zwischen der OF-Verbrennung und der Luftverbrennung ist in dem fehlenden Stickstoffballast und der dadurch reduzierten Abgasmenge, einer höheren adiabaten Flammentemperatur und dem verbesserten feuerungstechnischen Wirkungsgrad zu finden. Die Verbrennung von Erdgas lässt sich vereinfacht für Methan (CH 4 ) mit Luft und Sauerstoff wie folgt darstellen: Luft: 1 CH O N2 1 CO H 2 O + 8 N 2 Sauerstoff: 1 CH O 2 1 CO H 2 O Prozesstechnisch hat die Verbrennung gasförmiger Brennstoffe mit reinem Sauerstoff zur Folge, dass neben den verringerten Abgasverlusten auf Grund des fehlenden Luftstickstoffs sich u.a. die adiabate Verbrennungstemperatur und gaswärme international 45

2 reports Fachberichte Bild 1: Feuerungstechnischer Wirkungsgrad für die Verbrennung von Methan die Gasstrahlung erhöhen. Bei gleichem Ofenraumvolumen steigt somit auch die Verweilzeit des reagierenden Gasgemischs im Ofen, und die Querschnitte des Abgassystems können kleiner gewählt werden. Durch die Eliminierung des Stickstoffballastes erhöht sich der Anteil der Gasstrahlung der dreiatomigen Gase H 2 O und CO 2. Dies führt insgesamt zu einem deutlich höheren feuerungstechnischen Wirkungsgrad; bei C ohne Vorwärmung der Luft von 0,5 auf 0,85 (Bild 1). Somit können die notwendigen und aufwendigen sowie mit Wirkungsgradverlusten behafteten nachfolgenden Prozesse zur Abwärmenutzung und zur Steigerung des gesamten Wirkungsgrads entfallen. Es sind keine Investitionskosten für die Abwärmenutzung notwendig. Aufgrund der reduzierten Abgasmengen kann die Abgasanlage um bis zu 75 % kleiner ausgelegt werden. Der spezifische Brennstoffverbrauch kann durch den Wegfall des Stickstoffanteils anwendungsspezifisch bei Hochtemperaturprozessen um bis zu 50 % gesenkt werden und zur deutlichen Reduzierung der Brennstoffkosten führen (Bild 2). Die Sauerstoffverbrennung führt in Abhängigkeit der Brennstoffreduzierung und des steigenden thermischen Wirkungsgrades zu einer Minderung des CO 2 -Ausstoßes und zu Emissionen bei Schmelz- und Aufwärmprozessen bei gleicher Produktivität bzw. zu einer Leistungssteigerung in bestehenden Ofenanlagen. Dies ist an einem Beispiel in Bild 3 [3] dargestellt. Die Zusammenhänge mit veränderter Luftvorwärmung im Vergleich zur OF-Verbrennung zeigt Bild % 90% 100% 90% Thermal efficiency 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Airfuel Fuel saving 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Fuel saving 0% 0% Bild 2: Brennstoffreduzierung Off gas temperature, o C 46 gaswärme international

3 Fachberichte reports Beispiel: Luft CO 2 Reduktion 331 kg/t η Al th = 15% Air-Fuel CH 4 =220 Nm 3 /t Al 2200 kwh/t Al Aluminium Melting Process CO 2 = 461 kg/t Al Sauerstoff η th = 45-55% Oxy-Fuel CH 4 =66 Nm 3 /t Al 660 kwh/t Al Aluminium Melting Process CO 2 = 130 kg/t Al Bild 3: Vergleich Sauerstoffverbrennung vs. Luft verbrennung Für den Einsatz der -Technik in Industrieöfen muss auf Grund der örtlich hohen Temperaturspitzen in der Flamme auch die NO x -Bildung berücksichtigt werden. In den letzten Jahren wurde auf Basis der Erkenntnisse der OF-Verbrennung die flammenlose Sauerstoffverbrennung durch die Linde AG entwickelt und kann heute als Stand der Technik bezeichnet werden [4]. Neben den bekannten Vorteilen der Sauerstoff Technologie werden mit der flammenlosen Verbrennung Temperaturspitzen vermieden und niedrige NO x -Gehalte erreicht. Dies wird durch eine deutlich verbesserte Vermischung der Brennerflamme mit den Ofenabgasen erreicht (Bild 5) CO 2 = 461 kg/t Al CO 2 Emissionen [kg CO 2 /t Al ] Luft Verbrennung (kalt ) Luft Verbrennung (warm) CO 2 Min = 69 kg/t Al % 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Thermischer Wirkungsgrad η th [%] (CH 4 als Brennstoff 4% O2 im Abgas) Bild 4: Emissionen und thermischer Wirkungsgrad gaswärme international 47

4 reports Fachberichte Bild 5: Flammenlose Sauerstoffverbrennung Einsatz der Niedrigtemperatur- Sauerstoffbrenner Erste Niedrigtemperatur-Sauerstoffbrenner sind in einem Umschmelzofen für Walzwerkreste und Primäraluminium bei SAPA Heat Transfer (Bild 6) bei Finspång in Schweden installiert. SAPA setzt seit 1995 Brenner zur Steigerung der Produktion und zur Verringerung der NO x -Emissionen bei Herdöfen ein. Die Umstellung auf die neue Linde- Brennertechnologie erbrachte weitere Verbesserung. Seit dem Einsatz der neuen Brennertechnologie wurden die folgenden Verbesserungen erreicht: 10 % Erhöhung der Schmelzrate, 10 % Reduktion des Energieverbrauches, 90 % Reduzierung der NO x -Emissionen und eine Verringerung der Aluminiumoxidbildung um weitere 9 %. In einem weiteren Anwendungsfall bei Hydro Aluminium Årdal an den Öfen PFA1 und PFA2 (Bild 7) [5] wurden mit der neuen OF-Technologie eine Steigerung der Umschmelzkapazität von 60 % bei gleicher Schmelzzeit erreicht und der Anteil an festem Metall von 27 auf 43 % erhöht. Durch die reduzierte Flammentemperatur (Bild 8) ist auch keine Steigerung der Krätzebildung gegeben. Bild 6: Niedrigtemperatur-Sauerstoffbrenner im Schmelzofen bei SAPA Heat Transfer, Schweden Fazit Aluminium wird schon seit längerem ressourcenschonend im großen Stil wiederverwertet. Die Schmelzverfahren wurden optimiert. Neue Brennertechnologien verbessern die Energieeffizienz und reduzieren den Schadstoffausstoß. Der von Linde entwickelte WASTOX -Combustion Process für 48 gaswärme international

5 Fachberichte reports! PFA2 Low-temperature Conventional oxyfuel PFA1 Bild 7: Niedrigtemperatur- Sauerstoffbrenner Installation am PFA1 und PFA2 Hydro Aluminium Årdal anlage entlastet und die Sicherheit des Schmelzprozesses erhöht. Die Echtzeitermittlung der Abgaswerte erfolgt über eine Lasermessung oder opto-akustische CO-Sonde. Literatur Bild 8: Temperaturprofil [1] LINDE TECHNOLGY 2.11// Aluminium [2] Pfeifer, H; Högner, W; Fredriksson, P; v. Scheele, J; Paul, R: Energieeffizienz und Minderung des CO 2 -Ausstoßes durch Sauerstoffverbrennung, stahl und eisen 8 (2009) Thermocouple Exhaust gases Flue gas canal analyzer Oxy-lances Charging door 20 ton rotary furnace comb Metal tap hole Double pass flame method comb comb [3] Dr. T. Niehoff, Leitartikel für Aluminium 2009 [4] Feature Heating and Combustion, Wide-ranging benefits of flamless oxyfuel combustion, Iron & steel Today, June7july (2008) [5] H. Gripenberg, J. Lodin, K. Torvanger: Low-temperature at Hydro Aluminium s Primary Aluminium casthouse, Övre Årdal PLC Slag tap hole Bild 9: WASTOX -Combustion Process Installation Schmelz- und Recyclingprozesse an Herd- und Drehtrommelöfen steigert die Produktivität für existierende Öfen und reduziert die Energiekosten. Durch den Einsatz von minderwertigen Schrotten mit hohen organischen Anteilen werden die spezifischen Kosten gesenkt. Der WASTOX - Combustion Process besteht aus einem OxyFuel-Brenner und einem Sauerstofflanzensystem (Bild 9). Das Metall wird über den -Brenner entsprechend dem vorgegebenen Schmelzprogramm eingeschmolzen. Treten unverbrannte Schwelgase im Abgas auf, werden diese über ein Rauchgasmesssystem erkannt, über Sauerstofflanzen im Ofenraum verbrannt und für den Schmelzprozess genutzt. Dadurch ist eine stärkere Befüllung des Ofens möglich. Zudem werden die Chargiervorgänge reduziert, die Filter- Autor Dipl.-Ing. Rainhard Paul Linde AG Tel.: 040/ rainhard.paul@de.linde-gas.com gaswärme international 49

6 WISSEN für die ZUKUNFT Fachbuch mit vollständigem ebook auf Datenträger DIN EN ISO in der Praxis Ein Leitfaden für Aufbau und Betrieb eines Energiemanagementsystems Dieses Fachbuch vermittelt erstmals das Grundwissen für den Aufbau von Energiemanagementsystemen auf Basis der DIN EN ISO Die im April 2012 eingeführte Norm defi niert die Anforderungen von Energiemanagementsystemen und löst die DIN EN aus dem Jahr 2009 ab. Neben technischen Grundlagen der Verbrauchsmessung und Energieabrechnung erfahren die Leser in kompakter, transparenter Form Methoden zur Datenerfassung und Datenanalyse sowie zur zielgerichteten Nutzung der gewonnenen Ergebnisse. Die ergänzenden digitalen Inhalte bieten gemeinsam mit dem ebook zudem praktischen Nutzen für den mobilen Einsatz. Ein Werk für alle, die mit der Beschaffung und Bereitstellung von Energie betraut sind und sich mit der Planung sowie mit der Umsetzung von effi zienzsteigernden Verfahren in Unternehmen befassen. K. Reese 1. Aufl age 2012, 284 Seiten mit DVD, Hardcover VULKAN-VERLAG GMBH QR-Code für Direktanforderung Vorteilsanforderung per Fax: +49 (0) 201 / oder abtrennen und im Fensterumschlag einsenden Ja, ich bestelle gegen Rechnung 3 Wochen zur Ansicht Ex. DIN EN ISO in der Praxis 1. Aufl age 2012 ISBN: für 90,- (zzgl. Versand) Die bequeme und sichere Bezahlung per Bankabbuchung wird mit einer Gutschrift von 3,- auf die erste Rechnung belohnt. Firma/Institution Vorname, Name des Empfängers Straße/Postfach, Nr. Land, PLZ, Ort Telefon Telefax Antwort Vulkan-Verlag GmbH Versandbuchhandlung Postfach Essen Branche/Wirtschaftszweig Bevorzugte Zahlungsweise Bankabbuchung Rechnung Bank, Ort Bankleitzahl Kontonummer Widerrufsrecht: Sie können Ihre Vertragserklärung innerhalb von zwei Wochen ohne Angabe von Gründen in Textform (z.b. Brief, Fax, ) oder durch Rücksendung der Sache widerrufen. Die Frist beginnt nach Erhalt dieser Belehrung in Textform. Zur Wahrung der Widerrufsfrist genügt die rechtzeitige Absendung des Widerrufs oder der Sache an die Vulkan-Verlag GmbH, Versandbuchhandlung, Huyssenallee 52-56, Essen. Ort, Datum, Unterschrift PADIN52012 Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pfl ege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst und gespeichert. Mit dieser Anforderung erkläre ich mich damit einverstanden, dass ich vom Oldenbourg Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per , nicht über interessante, fachspezifi sche Medien und Informationsangebote informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.