Energieeinsparung in der Aluminium- und Glasindustrie

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1 Dr.-Ing. Anne Giese, Gaswärme-Institut e. V. Essen Hafenstr. 101, Essen, Tel , Energieeinsparung in der Aluminium- und Glasindustrie Gliederung des Vortrages und des Manuskriptes 1. Einleitung und Hintergründe 2. Ergebnisse aus Forschungsprojekten zum Thema Energieeinsparung 2.1 Energieeinsparung in der Aluminium-Industrie 2.2 Energieeinsparung in der Glasindustrie 3. Zusammenfassung 1. Einleitung und Hintergründe Die Schonung unserer Ressourcen bezüglich der Rohstoffe, der Energieerzeugung aber auch des Klimas sollte im Mittelpunkt jeder Entwicklungsaktivität stehen. Ein energieintensiver Industriezweig ist die Aluminiumbranche mit einem spezifischen Energieeinsatz von durchschnittlich etwa 13,5 MWh elektrischer Energie, bezogen auf eine Tonne produziertem Primäraluminium. In Deutschland wurden im Jahr 2005 (Aluminiumbedarf von 3,1 Mio. t zu 0,7183 Mio. t produziertem Sekundäraluminium) etwa 23 % des Aluminiumbedarfs (weltweit ca. 35 %) durch Sekundäraluminium gesichert /1/. Für die Herstellung, sprich das recyceln von Aluminium, wird nur ca. 5 % der Energie benötigt, die für die Erzeugung von Primäraluminium notwendig ist. Durch anhaftende recycelns und die Qualität des Sekundäraluminiums beeinflusst. Die entstehenden Oxide und Verunreinigungen müssen an der Schmelzbadoberfläche als so genannte Krätze (Skimmings) abgezogen werden. Durch nachfolgende Bearbeitungsschritte (Umschmelzen mit Salz) wird die Krätze mit hohem Aufwand in brauchbares Aluminium-Metall und unerwünschte Verunreinigungsbestandteile getrennt. Um solch kostenintensive Arbeitsschritte möglichst gering zu halten, sollte eine homogene und reine Schmelze durch entsprechende Vorbehandlung angestrebt werden. Diese Problematik veranlasste zu einem Forschungsprojekt, mit dem Ziel, die Einflüsse der organischen Anhaftungen auf die Ausbeute des Sekundäraluminiums aufzuzeigen. Gegenstand der Untersuchung war der erwartete positive Einfluss eines vorgeschalteten Pyrolyseverfahrens auf die anschließende Einschmelzung und somit auf die reine Metallausbeute. Die Reduzierung der Umschmelzverluste um ca. 1 % entspricht (bei steigenden Energiekosten wird diese Bilanz noch positiver) den gesamten Kosten des Recyclingprozesses. Auch Glas ist ein Werkstoff, der aus dem alltäglichen Leben nicht mehr wegzudenken ist und in vielen Bereichen Anwendung findet. Das Herstellen von Glas ist ebenfalls ein sehr energieintensiver Prozess, der zum Schmelzen Temperaturen oberhalb von 1600 C benötigt. Dies wird unter anderem durch eine hohe Luftvorwärmung von teilweise 1400 C erreicht. Aufgrund der durch die notwendigen hohen Schmelztemperaturen für das Glas auftretenden NO x -Emissionen und des entsprechenden Energieverbrauchs (der theoretische Wärmebedarf variiert zwischen 448 und 652 kcal/kg, wohingegen der reale Bedarf bei 900 bis 1100 kcal/kg liegt, /2/, /3/) und den damit verbundenen CO 2 -Emissionen ist der Forschungsbedarf für Glasschmelzwannen weiterhin gegeben und aktuell. In zwei aufeinander aufbauenden Gemeinschaftsforschungsvorhaben mit der Hüttentechnischen Vereinigung der deutschen Glasindustrie (HVG) sollte deshalb untersucht werden, wie unter anderem der Energieeintrag in die Glasschmelze, also die Wärmeübertragung innerhalb der Glasschmelzwanne, verbessert werden kann, um so die Effizienz der Glasschmelzwanne zu steigern. 1

2 2. Ergebnisse aus Forschungsprojekten zum Thema Energieeinsparung 2.1 Energieeinsparung in der Aluminium-Industrie Die Untersuchung des Einflusses einer vorgeschalteten Pyrolyse auf die Ausbeute an Sekundäraluminium war Inhalt des durchgeführten Forschungsvorhabens /4/. In Anlehnung an die realen Verhältnisse der eingesetzten thermischen Behandlung wurde (in Absprache mit der Aluminiumindustrie) die Obergrenze der zu untersuchenden Temperatur mit 550 C (die Schmelztemperatur von Aluminium beträgt ca. 660 C) gewählt. Untersuchungen unter 350 C sind nicht zweckdienlich, da im Vorgängerprojekt /5/ festgestellt wurde, dass die Pyrolyse der organischen Anhaftungen ab ca. 320 C beginnt. Die Auswahl der Einsatzmaterialien, siehe Bild 1, orientierte sich an mehreren Aspekten. Zum einen sollte das Material in einfachen und gleichmäßigen Geometrien vorliegen. Zum anderen sollte das Einsatzmaterial von organischen Anhaftungen aus dem realen Güterkreislauf (handelsübliche Lackierungen und Beschichtungen, Öle und Fette, inhaltsbedingte Rückstände aus dem Endnutzerbereich) begleitet sein, damit die Entwicklung und Quantifizierung des Emissionspotenzials beim Vorbehandlungs- und Schmelzprozess realistisch erfasst wird. Die Wahl fiel auf sortenreine gebrauchte Getränkedosen, die als Blöcke zusammengepresst wurden (sog. UBC = used beverage cans). Der Anteil der organischen Anhaftungen ist größer als 3 %. Die zweite Einsatzform des Aluminiumschrottes sind UBC- Blöcke, die mittels einer Schneidmühle auf ca. 2 cm große Späne zerkleinert wurden. Das dritte Einsatzmaterial sind lose Aluminiumspäne, die bei der Fertigung von Automobilfelgen anfallen. An diesen Spänen haftet ein geringer Ölbelag in Verbindung mit etwas Feuchtigkeit (Anteil ca. 2 %). ölbehaftete Späne UBC geschreddert UBC im Block Bild 1. Darstellung der untersuchten Alu-Proben Ein vorhandener Versuchsofen am Gaswärme-Institut Essen e. V. (GWI) wurde für die Durchführung der Pyrolyseversuche umgebaut. Ein dicht verschlossener Kasten wurde in den Ofen eingebaut (siehe Bild 2), um den Einfluss von Falschluft während der Versuche ausschließen zu können. Durch die indirekte Beheizung/Kühlung des Versuchsofens wurden stationäre Temperaturverhältnisse geschaffen, so dass die Temperaturniveaus von 350 C, 450 C und 550 C über die gesamte Versuchsspanne hinweg konstant gehalten werden konnten. Während der Versuchsdauer wurden die relevanten Temperaturen (Aufheizung der Proben, Ein- und Austrittstemperatur des Pyrolysemediums, Temperatur des Pyrolysekastens) und die Abgasemissionen aufgenommen, um den Prozess zu kontrollieren bzw. zu dokumentieren. Der Einfluss des Pyrolysemediums auf die Krätze wurde anhand von reinem Stickstoff und Abgas aus einer nahstöchiometrischen Verbrennung untersucht. Die Einschmelzuntersuchungen der pyrolysierten Proben wurden im Anschluss bei der Hydro Aluminium Deutschland GmbH in Bonn durchgeführt. Die bei der Einschmelzung entstehende Krätze wurde in einem Tiegelofen unter einer Salzdecke umgeschmolzen, um den Metallinhalt zu bestimmen und diesen in der Bilanzierung berücksichtigen zu können. 2

3 a) GWI-Versuchsofen b) Aufbau für Pyrolyseversuche Bild 2. Darstellung des Versuchofens vor und nach dem Umbau Bild 3. Umschmelzverluste der untersuchten Aluminiumschrottproben Die im Rahmen dieser Untersuchungen erzielten Erkenntnisse, siehe Bild 3, zeigen, dass die Pyrolysetemperatur und das -medium einen erheblichen Einfluss auf den Abscheidungsprozess haben. Bei bestimmten Einstellungen (Temperatur zwischen 450 und 550 C, Pyrolysemedium: Abgas, Schrottform: geschreddert) kann der Umschmelzverlust um bis zu 5 % reduziert werden. Bei einer geeigneten Prozessführung, bei der eine separate, vom eigentlichen Schmelzprozess getrennte Pyrolyse ermöglicht wird, kann somit eine erhebliche Steigerung der Effizienz solcher Anlagen erzielt werden. Teilweise werden diese Erkenntnisse schon umgesetzt /6/ - /8/. 2.2 Energieeinsparung in der Glasindustrie Im Gegensatz zu Querbrennerwannen ist bei so genannten U-Flammenwannen eine Regelung der Verbrennungsstrecke entlang der Wannenlängsachse bisher nur schwer umsetzbar. 3

4 Im Rahmen des Forschungsvorhabens SPEKTRAL I (AiF-Nr. 80 ZN) /9/ wurden zwei Methoden, Sekundärgas und Hidden Jet, entwickelt und bei einem Kurzzeitversuch von jeweils 6 Stunden an einer Glasschmelzwanne umgesetzt und getestet. Es zeigte sich, dass die Brennstoffstufung (Sekundärgaseindüsung) die viel versprechendere Methode zur Steigerung der Effizienz und zur Reduzierung der NO x -Emissionen ist. Anhand von Langzeittests an einer realen Anlage, innerhalb des Forschungsprojektes SPEKTRAL II /10/, sollten unter anderem Aussagen bezüglich der Auswirkungen der Brennstoffstufung auf das Gewölbe, die Schadstoffemissionen, die Glaschemie, die Glasqualität und den Energieverbrauch getroffen werden. Der Hintergrund für die Wirkungsweise der Brennstoffstufung liegt in der Anpassung der spektralen Strahlung der Flammen, so dass die Energie nicht bereits in oberflächennahen Schichten vollständig absorbiert wird, sondern tiefer in die Glasschmelze eindringen kann und die direkte Energieabgabe der Flamme den Erfordernissen des Schmelzprozesses entsprechend geschieht. D. h. unter anderem, dass der Temperaturschwerpunkt der Flamme so nahe wie möglich in den Bereich der Schmelzwanne verschoben werden soll, an dem die Glasschmelze die höchsten Temperaturen benötigt, um ein fehlerfreies Produkt zu erzeugen, siehe Bild 4. Durch Veränderungen in der Verbrennungsführung sollen der Emissionsgrad der "Flamme" (Reaktions-Volumen der Verbrennung) lokal erhöht und die Flammentemperaturen vergleichmäßigt werden (geringere Temperaturen am Beginn der Verbrennungsstrecke und erhöhte Temperaturen am Ende). Durch die Vermeidung bzw. Verminderung der Temperaturspitzen soll auch die Bildung von thermischem NO x vermindert werden, das einen wesentlichen Anteil an der NO x -Emission der Wannen hat. Bild 4. Prinzipieller Temperaturverlauf in einer U-Flammenwanne Der erste Schritt zur Vorbereitung der Langzeittests war die Festlegung einer optimalen Position der Sekundärgaszufuhr sowie die Abschätzung des Einflusses auf die Glasqualität, das Temperatur- und Strömungsverhalten in der Wanne und die Auswirkungen auf die Gewölbetemperaturen. Des Weiteren wurde der Einfluss der Sekundärgasmenge analysiert. Diese Untersuchungen wurden mit Hilfe der numerischen Simulation durchgeführt. Zuerst wurde der IST-Zustand messtechnisch erfasst, um eine Basis für die Simulationen zu haben. Dann wurden verschiedene Variationen bezüglich der Positionierung und der Sekundärgasmenge vorgenommen. Im Bild 5 sind die Variationen schematisch dargestellt. Im Bild 6 sind einige ausgewählte Ergebnisse zu sehen. 4

5 Bild 5. Variationen der Sekundärgaseindüsung Im Bild 6 ist die Beeinflussung der Strahlungswärmeübertragung dargestellt. Man erkennt deutlich die Steigerung der Strahlungswärmeübertragung im hinteren Teil der Glasschmelzwanne auf und in das Glasbad. Damit ist das Ziel, die Wärmeübertragung in dem Bereich der Glasschmelze zu intensivieren, in dem sie gebraucht wird, erreicht. Nach Auswertung der numerischen Simulationen hinsichtlich Ausbrand, Strömungsverhalten, Temperaturen, Wärmeübertragung, Emissionen etc. entschied man sich für die Variante 1 bzw. 9 zur Untersuchung des Einflusses des Impulses. Bild 6. Einfluss der Sekundärgaseindüsung auf die Strahlungswärmeübertragung Die Brennstoffstufung wurde an einer Behälterglaswanne für Weißglas in zwei Zeiträumen eingesetzt. Vom 31. Januar bis 18. Februar 2008 wurden 10 Vol. % des Brennstoffes durch die Sekundärgasdüse von 30 mm Durchmesser in den Verbrennungsraum eingebracht. Die entsprechende Brennstoffmenge wurde primärseitig in der Underportzuführung reduziert. Wegen Undichtigkeiten am Brennerstein der rechten Seite wurde der Versuch am 18. Februar 2008 abgebrochen. Im Versuchszeitraum vom 10. März bis 12. Juni 2008 wurden ca. 12 Vol. % des Brennstoffes durch eine Düse mit dem Durchmesser von 50 mm eingedüst. Die 5

6 Eindüsung findet immer auf der Feuerseite statt und der Wechsel wird mit dem normalen Seitenwechsel mit geregelt. Der Energieverbrauch zum Schmelzen von Glas wird durch viele Betriebsparameter beeinflusst. Dies sind u.a.: - Scherbengehalt des Gemenges - Tonnage - Verbrennungsführung - Korrosionszustand bzw. Verschleiß der Wanne - Daher ist der Nachweis einer Minderung des Energieverbrauchs nur bei genauerer Betrachtungsweise und über größere Zeiträume wirklich aussagekräftig, wenn eine "statistische" Auswertung möglich ist. Um das Einsparpotential zu dokumentieren wurden daher die Energieverbräuche aus den beiden Jahren 2007 und 2008 herangezogen. Bild 7. Energieverbrauch als Funktion der Tagestonnage oberhalb eines definierten Gesamtscherbengehaltes mit und ohne Sekundärgaseindüsung Im Jahr 2007 wurde keine Brennstoffstufung eingesetzt, so dass mit den Zeiträumen aus 2008, in denen die Brennstoffstufung aus unterschiedlichsten Gründen abgeschaltet war, eine breite Basis zum Vergleich zur Verfügung stand. Da während der Brennstoffstufung ein bestimmter Gesamtscherbengehalt nicht unterschritten wurde, konnten auch bei der Betrachtung der Zeiträume ohne Sekundärgas nur die Daten berücksichtigt werden, bei denen dieser Grenzwert (xx in Bild 7) an Gesamtscherben überschritten wurde. Bild 7 zeigt die E- nergieverbräuche als Funktion der Tagestonnage für Scherbengehalte über dem Grenzwert. Dabei wird der Betrieb mit und ohne Brennstoffstufung unterschieden. Außerdem wurden zwei Geraden für die beiden Sekundärgasfälle, die sich in der Gasmenge und dem Düsendurchmesser unterscheiden, eingezeichnet. Diese Geraden kennzeichnen den maximalen Energieverbrauch mit Sekundärgas und dokumentieren so das Einsparpotential. Die Tonnageabhängigkeit der Energieersparnis ist in Bild 7 ebenfalls zu erkennen. Die Abhängigkeit der Energieeinsparung von der Tonnage ist zum einen in der sich verändernden Gemengebedeckung mit variierender Tonnage zu finden und zum anderen durch die sich verändernde Verbrennungsführung und dem damit verbundenen Temperaturverlauf im Verbrennungsraum (Gewölbe) bei unterschiedlichen Tonnagen zu erklären. Eine völlig andere Herangehensweise an die Betrachtung des Energieverbrauchs liefert für das Jahr 2008 folgende Ergebnisse (Bild 8). Es wurde der mittlere Energieverbrauch für Tonnagebereiche von jeweils 10 t/d ermittelt und dann der Mittelwert mit Brennstoffstufung vom Mittelwert ohne 6

7 Brennstoffstufung für den jeweiligen Tonnagebereich abgezogen. Die positiven Ergebnisse zeigen, dass der Energieverbrauch mit Sekundärgas um ca. 15 kwh/kg Glas kleiner ist, wobei Einflüsse der Tonnage und des Scherbengehaltes erkennbar sind. Der mittlere Scherbengehalt für die jeweiligen Tonnagebereiche ist ebenfalls in Bild 8 ausgewiesen. Bei Tonnagebereichen mit gleichem mittleren Scherbengehalten ist gut zu erkennen, dass die Energieersparnis bei ca kwh/kg Glas liegt. Außerdem ist an Hand des Bildes 8 der Einfluss des Scherbengehaltes auf den Energiebedarf beim Schmelzen gut zu erkennen. Bild 8. Mittlerer Gesamtscherbengehalt und Differenz des mittleren Energieverbrauchs für Tonnagegruppen von 10 t/d. Ein weiteres Indiz für eine Energieeinsparung wurde vom Betreiber der Wanne geliefert. Es konnten ohne den Einsatz der Elektrozusatzheizung (EZH) Tonnagen gefahren werden, die normalerweise, d.h. ohne Sekundärgas, den Einsatz der EZH erfordern. Die in diesem Versuchzeitraum gezeigte Energieeinsparung von ca. 2 % an einer energetisch schon sehr gut eingestellten Wanne veranlasste den Betreiber diese Wanne dauerhaft auf den Sekundärgasbetrieb umzustellen. Auch ist an weiteren Glasschmelzwannen dieses Betreibers die Einführung der Sekundärgaseindüsung geplant. 3. Zusammenfassung Die hier gezeigten Ergebnisse aus öffentlich geförderten Forschungsvorhaben zeigen, dass durch ein optimales Zusammenspiel von numerischen und experimentellen Grundlagenuntersuchungen, Labortests und Versuche an Industrieanlagen energiesparende und Effizienz steigernde Maßnahmen an vorhandenen Anlagen umgesetzt bzw. neue und optimierte Verfahrensweisen von z. B. Schmelzprozessen entwickelt werden. Am GWI werden durch branchenübergreifende Forschungsaktivitäten verbesserte, energiesparende und umweltschonende Maßnahmen, Anlagen und Komponenten untersucht und weiterentwickelt. Danksagung Die hier erwähnten Forschungsvorhaben wurden im Programm zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen AiF finanziert. Dafür dankt die Autorin. Literatur /1/ Gesamtverband der Aluminiumindustrie e. V.: Jahresbericht 2005/2006; Jahresbericht des GDA, Düsseldorf August 2006 /2/ R. Nebel: Der Energieverbrauch von Schmelzwannen gestern, heute und morgen. 77. Glastechnische Tagung, 2003, S

8 /3/ U. Kircher: NO x -Emissionen und Stand der Minderungstechnik am Beispiel der Glasindustrie. Konferenz-Einzelbericht: Praxiswissen Gasfach, 1999, Vulkan-Verlag, Essen, S /4/ A. Giese; H. Rahms; D. Mackenstedt: Optimierung der thermischen Prozessführung beim Recycling von Aluminiumschrott unter Berücksichtigung des Einflusses organischer Anhaftungen auf den Aluminiumabbrand - Nr N; Gaswärme-Institut e.v. Essen, AiF-Abschlussbericht, Essen 2008 /5/ M. Brune; A. Giese; D. Mackenstedt: Optimierung der thermischen Prozessführung von gasbeheizten Schmelzöfen zur Produktion von Sekundäraluminium - Nr N; Gaswärme-Institut e.v. Essen; Hydro Aluminium Deutschland GmbH, AiF- Abschlussbericht, Essen 2003 /6/ D. Schröder: Zweikammer-Schmelzofen mit integrierter Nachverbrennung. Aluminium 9/2007, S /7/ B. Henning; P. Brecka: Effiziente Trocknung von Aluminiumspänen. GASWÄRME International 55 (2006), S /8/ Wegweisende Anlagentechnik zum Schmelzen und Wärmebehandeln. Aluminium 82 (2006), S /9/ B. Fleischmann; J. Bauer; P. Baumann; A. Scherello; A. Giese; M. Kösters: Verbesserung des Wärmeeintrags in die Glasschmelze unter Ausnutzung der spektralen Wärmestrahlung durch gezielte Brennereinstellungen zur Steigerung der Glasqualität. Abschlussbericht zum ZUTECH-Vorhaben 80 ZN, 2005 /10/ B. Fleischmann; A. Giese: Verbesserung des direkten Wärmeeintrages in die Glasschmelze durch Optimierung der Verbrennungsparameter bei unterschiedlichen Befeuerungsarten. Abschlussbericht zum AiF-Vorhaben N,