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Birgit Bretz
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und Rohstoffe, 16.03-17.03.2015 Einfluss einer vorgeschalteten thermischen Schrottbehandlung auf den Aluminium-prozess unter Zusatz von Salz M.

1 und Rohstoffe, Einfluss einer vorgeschalteten thermischen Schrottbehandlung auf den Aluminium-prozess unter Zusatz von Salz M. Thoraval, R. Dittrich, B. Friedrich IME Metallurgische und Metallrecycling, RWTH Aachen University Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Bernd Friedrich

2 Aluminiumrecycling in Deutschland 1 Späne Dosen Felgen Folien Beispielhafte Aufteilung der Einsatzstoffe Krätze 16,7% Produktionsschrotte Rest 2,2 % 24,7% Späne 25,7% Altaluminium 30,7%

3 technologie für hoch verunreinigte Schrotte 2 Kipptrommelofen der Refiner Schrottsorten: Altschrotte, Krätze prozess mit Salz Prozesstemperatur: ca. 750 C Schmelzsalz Salzschlacke Aluminium

4 Schmelzsalze zum Aluminiumrecycling 3 Aufgaben: Ablösen der Oxidschicht und anderer oberflächlich anhaftender Verunreinigungen Aufnahme der Verunreinigungen durch das Salz Förderung der Koaleszenz einzelner Schmelztropfen Schutz der Aluminiumschmelze vor Oxidation Typische Zusammensetzung: Chloride: NaCl & KCl (50/50 % oder 70/30 %) Fluoride: Na 3 AlF 6 oder CaF 2 Metallausbeute: η = m m Metall Schrotteinsatz

5 Methodik des Forschungsprojektes 4 Lackentfernung und Schmelzen unter Salz in einem Ofen Metallausbeute Lackentfernung Schmelzen unter Salz Trennung des prozesses in 2 Stufen 1. Stufe: vorgeschaltete thermische Behandlung des Schrottes 2. Stufe: Schmelzen im kdto unter Salz

(Lack): 2-3% typische Lackzusammensetzung Menge Chemische Formel Polyester 56 % C 12 H 12 O 4, C 10 H 8 O 4 Polyurethane 17 % C 8 H 12 N

6 Materialcharakterisierung 5 Schrottpaket HxBxT: 35x20x20 [cm] Dichte: 0,6 g/cm³ Eingesetztes Material HxBxT: 4x3x3 [cm] Gewicht: 20 g Zusammensetzung: Dosendeckel: Aluminiumlegierung (4-5% Mg) Dosenkörper: Aluminiumlegierung (0,8-1,4 % Mn) Organik Anteil (Lack): 2-3% typische Lackzusammensetzung Menge Chemische Formel Polyester 56 % C 12 H 12 O 4, C 10 H 8 O 4 Polyurethane 17 % C 8 H 12 N 2 O 2 Aminoharz 16 % C 15 H 30 N 6 O 6 Epoxidharz 5 % C 21 H 25 ClO 5 Säurekatalysator 1 % C 32 H 64 O 4 Sn Pigmente Wachs 5 % TiO 2 C 28 H 56 O 2

Pyrolyse Ablauf und Produkte 6 Pyrolyse ist eine

kurzkettige Langkettige Kohlenwasserstoffe Pyrolyse

Organische Beschichtung: Polyester und Epoxidharz

250-450 C Gasprodukte: Phenol, Formaldehyd, Ameisensäure,

7 Pyrolyse Ablauf und Produkte 6 Pyrolyse ist eine chemisch-thermische Zersetzung von organischen Verbindungen unter Sauerstoffabschluss. Erzwungener Bindungsbruch der langkettigen Moleküle in kurzkettige Langkettige Kohlenwasserstoffe Pyrolyse Flüssige Moleküle Gasmoleküle Kohlenstoffrückstand Organische Beschichtung: Polyester und Epoxidharz Thermische Zersetzung ab: C bzw C Gasprodukte: Phenol, Formaldehyd, Ameisensäure, Aceton, Alkane wie Methan und Butan sowie in geringen Anteile CO und CO 2 Fester Rückstand: Kohlenstoff, Pigmente (TiO 2, Fe 2 O 3 )

8 Pyrolyse - Versuchsaufbau im Labor-Maßstab 7 FT - IR Gasanalysesystem Untersuchte Parameter: Zeitlicher Verlauf (Online-Messung) Temperatur ( C) Beheizter Schlauch: 180 C 2 l/min Argon Pumpe 1 l/min Abgas zum Wäscher 1 l/min Abgas zum Gas-Analytiksystem Befüllter Keramik- Tiegel

9 Bewertungsmethodik der Pyrolyseversuche 8 Online-Gasanalyse mittels der FT-IR Methodik Kohlenstoffmenge mittels der totalen Kohlenstoff (TC) Methodik Optische Betrachtung mittels Lichtmikroskop (5x Vergrößerung) Temperaturerhöhung (350,450,550,650 C)

10 Ergebnisse der totalen Kohlenstoffmessung 9 unbehandelter Schrott

11 Ergebnisse der Abgas-Analyse 10 Phenol H H C H H Beginn der thermischen Zersetzung ab 350 C: Kohlenwasserstoffe wie Methan und Butan Zweite Zersetzungsstufe ab 450 C: Aromatische Verbindungen wie Phenol und Ethylbenzol Pyrolyse schließt nach Erreichen von 550 C ab

Abkühlung Laugung und Filtration Filterrückstand

12 Ablauf der Versuche Schmelzen unter Salz 11 Dosenschrott Salz + Kryolith Pyrolyse Schmelzen im Labor kdto Rasche Abkühlung Laugung und Filtration Filterrückstand Metallregulus Salz in Lösung Mahlen und Sieben Oxidrückstand >90µm Metallpartikel

Durchführung der Versuche Schmelzen unter Salz 12 Mini-kDTO am IME: Kippbarer Ofen Rotierender Al-Oxid Tiegel Um Oxidation zu vermeiden wird Argon durch den Deckel eingeleitet Mini-kDTO am IME

13 Durchführung der Versuche Schmelzen unter Salz 12 Mini-kDTO am IME: Kippbarer Ofen Rotierender Al-Oxid Tiegel Um Oxidation zu vermeiden wird Argon durch den Deckel eingeleitet Mini-kDTO am IME Versuchsablauf: Einsatz: 6*12,5 g Dosenschrott- Würfel Schmelzsalz: Äquimolares NaCl/KCl Salz mit einem Kryolithzusatz von 2 Gew.-% Temperatur = 770 C Dauer eines Versuchs = 15 Minuten nach letztem Einsatz in Salzschmelze Tiegelabkühlung in Cu-Spänen

Bewertungsmethodik der Schmelzversuche 13 Massenbilanz Salzschlacke Æ Chemische Untersuchungen des Rückstands und der Lösung (ICP, RFA, Brom Methanol) Regulus Æ

14 Bewertungsmethodik der Schmelzversuche 13 Massenbilanz Salzschlacke Æ Chemische Untersuchungen des Rückstands und der Lösung (ICP, RFA, Brom Methanol) Regulus Æ Mikroskopische Betrachtungen Æ Umschmelze im Falle eines hohen Verunreinigungsgrads um den Metallgehalt zu bestimmen chni sste Proze k Regulus aus ohne Salzzusatz

15 Metallausbeute und -verteilung 14 Metallverteilung Gew. % der Schrottcharge) /3 2/ /3 2/3 1 Salz/Schrott Verhältnis Unbehandelter Schrott Pyrolysierter Schrott Zurückgewonnenes Metall Metall in der Schlacke Bessere Ergebnisse mit hohen Salz/Schrott Verhältnissen und mit einer thermischen Schrottvorbehandlung

Metallausbeute und -verteilung 15 Zunahme des Metallgehalts im Regulus mit Erhöhung des Salz/Schrott-Verhältnisses Bessere Reinigung der Schrotte durch Salzüberschuss Erhöhung der Metallpartikel in

16 Metallausbeute und -verteilung 15 Zunahme des Metallgehalts im Regulus mit Erhöhung des Salz/Schrott-Verhältnisses Bessere Reinigung der Schrotte durch Salzüberschuss Erhöhung der Metallpartikel in der Salzschlacke mit einem niedrigeren Salz/Schrott-Verhältnis Größere Anteil von Verunreinigungen in der Salzschlacke Höhere Viskosität und Dichte der Salzschlacke Salzschlacke/Metall Trennung schwieriger Bessere Ergebnisse mit Pyrolyse Bei Schrottvorbehandlung erleichterte Koaleszenz

17 Salzschlackenzusammensetzung 16 Zusammensetzung (Gew.-%) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Pyrolysierter Schrott 0 1/3 2/3 1 Salz/Schrott-Verhältnis C met. Al Oxid Salz Zusammensetzung stark abhängig vom Salz/Schrott Verhältnis Metallgehalterhöhung durch Salzabnahme Salzschlacke/Metall Trennung schwerer Salzgehalt abhängig vom Salzzusatz Niedriger Oxidgehalt Keine Oxidation im Ofen

18 Salzschlackenzusammensetzung % Salz/Schrott Verhältnis = 2/3 Zusammensetzung (Gew.-%) 80% 60% 40% 20% 0% Unbehandelter Schrott Pyrolysierter Schrott C met. Al Oxid Salz Hoher Metallgehalt in der Salzschlacke aus dem unbehandelten Schrott Schwieriger Koaleszenz Spuren von Kohlenstoff vor allem beim Einsatz von pyrolysiertem Schrott fester Rückstand aus der Pyrolyse

dem Schrott Salzbehandlung Thermische Vorbehandlung und hohes Salz/Schrott Verhältnis erhöhen die

19 Fazit Einfluss Pyrolyse auf Metallausbeute 18 Pyrolyse Empfehlenswerte Pyrolysetemperatur von 550 C Bildung von gasförmigen Produkten wie kurzkettige Alkane und aromatische Verbindungen Verbleib von Kohlenstoff auf dem Schrott Salzbehandlung Thermische Vorbehandlung und hohes Salz/Schrott Verhältnis erhöhen die Metallausbeute Pyrolysereste in der Salzschlacke Geringer Salzanteil beeinflusst die Salzschlackeneigenschaften negativ

Nächste Forschungsschritte 19 Vermeidung von Kohlenstoffrückständen auf dem Schrott durch Variation des Sauerstoffanteils im zugeführten Gasstrom bei der thermischen Vorbehandlung Realitätsnähere

20 Nächste Forschungsschritte 19 Vermeidung von Kohlenstoffrückständen auf dem Schrott durch Variation des Sauerstoffanteils im zugeführten Gasstrom bei der thermischen Vorbehandlung Realitätsnähere Versuche durch Aufbau eines Technikums- Pyrolysereaktors und Schmelzbehandlung mit niedrigeren Salzzusätzen im 600l Maßstab Abgas zum Online- Analysesystem Abgas Ar/Ar+x%O 2 Zufuhr Widerstandsofen Wassergekühlter Kondensatbehälter Wäscher

21 und Rohstoffe, Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! IME Metallurgische und Metallrecycling, RWTH Aachen University Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Bernd Friedrich

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22 P5 Efficient Melting Central Research Goal Improvement of recycling process with regard to improved energy efficiency reduced environmental impact Development of an integrated CFD model of the melting process in industrial furnaces validated with lab/pilot and industrial scale experiments.

23 Fließbild des Aluminiumrecyclings sauberes, metallisches Material Reststoffe / Schrotte Sammeln & Klassieren gemischtes Material, Altschrotte Vorbehandlung Remelter Einschmelzen Salzbehandlung Refiner Schmelzebehandlung Schmelzebehandlung Gießen Gießen Weiterverarbeitung Gebrauch

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