Veröffentlichung Technologie brennstoff- beheizter Schmelzöfen bei OTTO JUNKER Dr.-Ing. Günter Valder Geschäftsbereichsleiter Technik Thermoprozessanlagen Otto Junker GmbH, Simmerath Otto Junker GmbH Jägerhausstr. 22 Tel.: +49 2473 601 0 Fax: +49 2473 601 600 Internet: http://www.otto-junker.de
2 / 14 Technologie brennstoffbeheizter Schmelzöfen bei OTTO JUNKER Nachdem 2009 und 2010 die Geschäftsprozesse des international renommierten Lieferanten für Aluminiumschmelzwerke, der Thermcon Ovens B.V. in den Geschäftsbereich Thermoprozessanlagen der Otto Junker GmbH in Lammersdorf integriert worden sind, hat sich die Otto Junker GmbH zum Anbieter für Komplettlösungen für Aluminiumschmelzwerke entwickelt. Bereits im November 2010 wurde an gleicher Stelle über die beiden zur Bolzenhomogenisierung zur Auswahl stehenden Öfen, die Konti-Homogenisierung und den Kammerofen, berichtet. Der vorliegende Beitrag stellt den Stand der Technik für die wichtigsten in den sogenannten Remeltern betriebenen Herdschmelzöfen vor. Sekundäraluminium Im Jahr 2008 wurden weltweit fast 50 Millionen Tonnen Primär- und Sekundäraluminium hergestellt. Zur Gewinnung von einer Tonne Primäraluminium müssen als Rohstoff vier Tonnen Bauxit und ein Energiebedarf von etwa 13.500 kwh el eingesetzt werden. Die CO 2 - Fracht beträgt ungefähr 10,6 t CO2 /t Al. Im Gegensatz dazu ist die Herstellung von Sekundäraluminium aus alten und neuen Schrotten je nach eingesetzter Technologie mit einem Energiebedarf von 650 bis 750 kwh th+el /t zu bewerkstelligen. Die CO 2 Fracht liegt innerhalb der Sekundärhütte unter 0,25 t CO2 /t Al, sofern für die Beheizung der Thermoprozessanlagen vorwiegend fossile Brennstoffe, in der Regel Erdgas, statt Strom eingesetzt werden, Abbildung 1. Primäraluminium Sekundäraluminium Primärhütte 4 t Bauxit 13.500 kwh/t Al elektrischer Strom Sekundärhütte 1 t Aluminiumschrott 700 kwh/t Al elektrischer Strom oder Erdgas 1 t Aluminium 1 t Aluminium Abbildung 1: Darstellung des Rohstoff- und Energieeinsatzes zur Herstellung von einer Tonne Aluminium Als neuen Schrott bezeichnet man dabei nach Definition des International Aluminium Institute den Schrott, der bei der Produktion von Aluminium und Aluminiumhalbzeugen entsteht.
3 / 14 Dieser wird üblicherweise im anfallenden Betrieb als Umlauf- bzw. Rücklaufmetall recycelt. Ausgediente, der Abfallwirtschaft nach Gebrauch zugeführte Aluminiumprodukte nennt man alten Schrott. Die weltweit hergestellte Menge (recycelten) Sekundäraluminiums betrug im Jahr 2004 etwa 1/3 des insgesamt hergestellten Aluminiums. Der relative Anteil ist in den Jahren 2007/2008 auf etwa 1/4 zurückgegangen, Abbildung 2. Ursächlich ist der stetig wachsende Aluminiumbedarf, vor allem im Verkehrswesen, bei gleichzeitig langen Lebenszyklen der Produkte, die z.b. bei Verwendung in der Bauindustrie über 40 Jahre und mehr dem Recyclingmarkt nicht zur Verfügung stehen. Auch in der Fahrzeugindustrie werden Lebenszyklen von 20 bis 25 Jahren erreicht, während Getränkedosen innerhalb von 60 Tagen dem Recyclingmarkt wieder zur Verfügung stehen [1]. Materialflussmodelle zeigen, dass noch erstaunliche 70 % des seit 1886 erzeugten Aluminiums in der aktiven Nutzung sind [2]. Dieser Wert spricht sowohl für die Langlebigkeit als auch für die Recyclingfähigkeit des Werkstoffs. Aluminiumproduktion in Mio t 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 2004 2005 2006 2007 2008 Primäraluminium Welt Sekundäraluminium Welt Primäraluminium Europa Sekundäraluminium Europa Primäraluminium Deutschland Sekundäraluminium Deutschland Primär- und Sekundäraluminiumproduktion Welt-Europa-Deutschland von 2004 bis 2008, [3] Abbildung 2:
4 / 14 Die Steigerung der Recyclingquote hat jedoch wirtschaftliche Grenzen. Während die Energiekosten für die Erzeugung von Primäraluminium näherungsweise proportional zur Menge sind, steigen die Energiekosten für das Recycling überproportional an: In der Abfallwirtschaft erhöht sich der Aufwand für das Einsammeln und Separieren; bei der Weiterverarbeitung wird die zum Einschmelzen notwendige Vorbehandlung immer aufwändiger (zerkleinern, sortieren, waschen, abschwelen). Das Kostenoptimum ergibt sich bei einer Recyclingquote von etwa 75 % [4]. Weltweit ist damit noch ein großes wirtschaftlich nutzbares Potenzial für das Sekundäraluminium vorhanden, welches bei Verfügbarkeit der Schrotte abgedeckt werden kann, selbst wenn der weltweite Aluminiumbedarf auch auf absehbare Zeit überwiegend durch Primäraluminium gedeckt werden wird. Refiner und Remelter Die Sekundärhütten werden üblicherweise in Refiner und Remelter klassifiziert. Aluminium, welches in definiertem Format und bekannter Legierung zur Verfügung steht, kann ohne Vorbehandlung direkt wieder geschmolzen werden. Geringfügige nicht-metallische Kontamination wird je nach eingesetztem Schmelzofen toleriert. Derartige Schrotte fallen meist in Aluminiumwalz- und -strangpresswerken an. Die zugeordneten Schmelzbetriebe zur Erzeugung von Knetlegierungen sind den Remeltern zuzuordnen. Schrotte, die einer Vorbehandlung bedürfen, werden überwiegend in den Refinern zu Gußlegierungen verarbeitet. Bei den in den Refinern und Remeltern eingesetzten Schmelzöfen hat sich eine Vielzahl verschiedener Varianten am Markt etabliert: Insgesamt sind mehr als 15 verschiedene Ofentypen bekannt, die den drei Familien Herdöfen, Tiegelöfen und Drehtrommelöfen zugeordnet werden können. Die am häufigsten in den Remeltern zum Schmelzen und Warmhalten eingesetzten Öfen sind brennstoffbeheizte Ein- oder Mehrkammeröfen. Induktiv-beheizte Tiegelöfen stellen eine Ausnahme dar und werden vorzugsweise zum Schmelzen von kleinstückigem Kreislaufmaterial (z.b. Späne) benutzt, da hier im Gegensatz zu brennstoffbeheizten Öfen geringere Abbrandverluste entstehen. Auf die zum Lieferprogramm von Otto Junker gehörenden induktiv-beheizten Tiegelöfen wird hier nicht weiter eingegangen, allerdings genügen diese dank modernster Technologie - gekennzeichnet durch spezielle Stromsparspulen und den Einsatz von IGBT-Umrichtern stets höchsten Ansprüchen und erreichen einen energetischen Wirkungsgrad von etwa 60 % entsprechend einem Strombedarf von ungefähr 530 kwh el /t Al ohne Warmhalten. Drehtrommelöfen kommen in den Remeltern in der Regel nicht zum Einsatz.
5 / 14 Das typische Einsatzmaterial für die hier vorgestellten Ein- und Mehrkammerherdöfen besteht aus relativ sauberen alten und neuen Schrotten, wobei ein beträchtlicher Anteil aus eigenem Kreislaufmaterial besteht. Der verbleibende Teil setzt sich aus zugekauften Schrotten, Primäraluminium und Zuschlagstoffen zusammen. Im Folgenden werden die beiden wichtigsten in den Remeltern eingesetzten Schmelzöfen, der brennstoffbeheizte Einkammer- und Mehrkammerherdofen, vorgestellt. Beide Aggregate der Bauart Thermcon werden von Otto Junker mit Erfolg in den weltweit verteilten Remeltern als maßgeschneiderte Lösung vertrieben und in Betrieb gesetzt. Einordnung der Herdöfen in den Fertigungsablauf des Remelters Bevor der für das Gießen notwendige Schmelzprozess beginnen kann, werden die Schmelzchargen aus Primäraluminium, neuen und alten Schrotten sowie den erforderlichen Legierungszusätzen nach Art und Menge abhängig von der geforderten Legierung gattiert. Mit den Schmelzchargen werden die Schmelzöfen, in denen eine Erwärmung je nach Ofentyp auf Temperaturen von 720 bis 750 C erfolg t, beschickt; die Schmelztemperatur von Aluminium beträgt 660 C. Das Fassungsvermögen der Schmelzöfen hängt hierbei wesentlich von der benötigten Flexibilität ab. Bei häufigen Legierungswechseln geht die Tendenz zu mehreren Öfen mit kleinem Fassungsvermögen und umgekehrt, so dass das Fassungsvermögen eines Schmelzofens in einem Bereich von 1 bis zu 150 t liegen kann. Das flüssige Aluminium wird in Tiegeln oder mittels Rinnensystemen in Gieß- bzw.warmhalteöfen geleitet und dort für die Weiterverarbeitung (Gießen oder Abfüllung in Tiegel) auf Temperatur gehalten. Im Warmhalteofen besteht die Möglichkeit, Legierung und Temperatur noch einmal zu kontrollieren und, falls notwendig, zu korrigieren. Häufig wird ein Warmhalteofen von mehreren Schmelzöfen bedient. Der Einsatz eines Warmhalteofens nur dann erforderlich, wenn die erforderliche Legierungsqualität im Schmelzofen nicht hergestellt werden kann, der Gießprozess eine kontinuierliche Versorgung mit Metall verlangt oder die Gießanlage zeitlich optimiert genutzt werden soll. Das Fassungsvermögen derselben wird von den Anforderungen des Giessprozesses bestimmt. Bereits während des Warmhaltens kann über Lanzen oder Spülsteine eine intensive Metallbehandlung zur Entgasung durchgeführt werden. Hierbei wird der im Metall durch die vorhergehende offene Brennstoffbeheizung eingetragene Wasserstoff entfernt, indem Inertgas in die Schmelze eingedüst wird. Von den Warmhalteöfen wird das flüssige Aluminium mittels Rinnensystem, meist unter Einschluss eines Entgasers und eines Metallfilters zur Abscheidung von Oxidpartikeln, in die Gießmaschine überführt. In den Remeltern haben sich für die Entgasung und die Entfernung von Alkali- und Erdalkalimetallen vor allem das SNIF-Verfahren ( Spinning Nozzle Inert Flow ), ACD-Verfahren und das Alpur-Verfahren durchgesetzt. Allen Verfahren gemeinsam ist die positive Eigenschaft, dass sich gegenüber der Schmelzebehandlung im Warmhalteofen niedrigere Werte bei geringerem Argon- und Chloreinsatz erzielen lassen.
6 / 14 Entscheidend ist hierbei die Größe und die Anzahl der eingebrachten Gasblasen. Je kleiner diese sind, desto größer ist deren Oberfläche und desto besser die zu erwartende Qualität der Schmelze. Die vorherige Entgasung im Warmhalteofen verbessert das Ergebnis der In- Line-Entgasung auf Wasserstoffgehalte unter 1 cm 3 /100g. Entgaser sind normalerweise elektrisch-widerstandsbeheizt, typische Anschlussleistungen liegen bei 30 kw. Das Ausbringen eines Remelters ist relativ hoch die anfallende Krätze in den Schmelz- und Gießöfen und das Kreislaufmaterial, welches bei nachgelagerten Fertigungsschritten entsteht, addieren sich nach Betreiberangaben auf 3 bis 5 % des Einsatzgewichtes. Die Krätze nimmt einen erheblichen Anteil an den Verlusten: Insbesondere dünnwandige und kontaminierte Schrotte führen beim Aufschmelzen zur Bildung von Oxiden und es entstehen sonstige Verunreinigungen wie Karbide. Diese schwimmen an der Schmelzbadoberfläche auf und müssen nach dem Schmelzprozesses abgezogen werden. Krätze mit einem Gehalt von weniger als 45 % metallischem Aluminium bezeichnet man nach einer OECD-Definition als dross, liegt der Gehalt an metallischem Aluminium darüber, ist die Rede von skimmings. Die Krätze kann durch nachfolgende Bearbeitungsschritte (Umschmelzen in Trommelöfen) mit hohem Aufwand in Aluminium-Metall und nichtmetallische Reststoffe getrennt werden. Der Umschmelzverlust von kontaminierten Schrotten (lackierte, beschichtete oder verölte Schrotte) kann um etwa 5 % reduziert werden, wenn dem eigentlichen Schmelzprozess eine Pyrolyse, bei der die organischen Anhaftungen in sauerstoffarmer Atmosphäre und Temperaturen zwischen 450 und 550 C behandelt werd en, vorausgeht. Ob sich der hierfür notwendige Energieeinsatz rechnet, muss im Einzelfall untersucht werden. Einkammerherdofen Der Einkammerherdofen ist als rechteckiger Kammerofen ausgeführt. Das Gehäuse besteht aus einem Stahlkörper, der mit Feuerfestmaterial ausgekleidet ist. Die Chargierung erfolgt durch eine in der Regel stirnseitig angeordnete, meist hydraulisch betätigte Tür. In der oberen Hälfte der Kammer sind über dem Schmelzbad, welches nicht höher als einen Meter sein sollte, Brenner installiert, deren offene Flammen direkt das feste Material und die Feuerfestauskleidung erwärmen. Die Energie wird überwiegend durch Wärmestrahlung (> 80 %) und zum kleineren Teil durch erzwungener Konvektion (< 20 %) an das Schmelzgut übertragen. Typische Anschlussleistungen liegen je nach Brennertyp (Kaltluft/rekuperativ/regenerativ) zwischen 750 und 1050 kwh th /t Al. Eine Schmelzrate von beispielsweise 4 t Al /h ergibt eine Anschlussleistung von 3000 bis 4150 kw. Zum Schmelzen werden möglichst dickwandige neue Schrotte mit einer Kontamination unter 1 % eingesetzt, die bei der direkten Erwärmung nicht überhitzen und demzufolge wenig Abbrand zur Folge haben.
7 / 14 Die Entleerung des Einkammerherdofens erfolgt umfangsseitig an beliebiger Stelle entweder über Abstich, über Abpumpen oder durch Kippung. In den zurückliegenden beiden Jahren konnte Otto Junker mehrere Einkammerherdöfen bei internationalen Kunden erfolgreich in Betrieb setzen. Neben einzelnen Anlagen wurde unter anderem eine komplette Ofenlinie bestehend aus mehreren Einkammerherdschmelzöfen und Homogenisierungsöfen einschließlich komplettem Loghandling von der Entnahme aus der Gießmaschine bis zur Fertigsäge an den Kunden übergeben werden. Die hierbei verwendeten Beheizungseinrichtungen wurden durch Regenerativbrenner gebildet, so dass ein optimaler Energiebedarf dargestellt werden konnte, Abbildung 3. Weitere Einkammerherdschmelzöfen werden derzeit projektiert. Abbildung 3: Kippbarer Einkammerherdofen, Otto Junker / Bauart Thermcon Zweikammerherdofen Die Reduzierung des Abbrandverlustes insbesondere auch bei dünnwandigen Schrotten ist ein positives Merkmal des Zweikammerherdofens, Abbildung 6, bei dem im Gegensatz zum Einkammerherdofen das Schmelzen unter Bad erfolgt.
8 / 14 Abbildung 4: Querschnitt Zweikammerherdofen, Bauart Otto Junker / Thermcon Der Zweikammerherdofen ist zu diesem Zweck in eine Heiz- und eine Schmelzkammer unterteilt. Die Trennung der beiden Kammern erfolgt durch eine Wand, die zum Boden hin Öffnungen hat, so dass nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren ein Austausch des Bades stattfinden kann, Abbildung 4. Abbildung 5: CFD Simulation der durch den Einsatz von zwei Pumpen Bauart ZMAG verbesserten Badströmung [5]
9 / 14 In der Heizkammer wird die Brennstoffenergie auf die Schmelze übergetragen und somit die Temperatur erhöht, gleichzeitig reduziert das stetig nachchargierte feste Schmelzgut die Temperatur des Bades in der Schmelzkammer. Es entsteht durch freie Konvektion ein ständiger Badstrom zwischen den beiden Kammern. Ein erhöhter Massenstrom wird durch den Einsatz von elektromagnetischen Rührwerken oder elektro- bzw. permanentmagnetischer Pumpen erreicht. Hierdurch erhöht sich zwar der Strombedarf, gleichzeitig aber wird die Schmelzleistung gesteigert und die Homogenität der Schmelze verbessert, Abbildung 5. Eine weitere positive Eigenschaft des Zweikammerherdofens ist es, dass durch die Trennung zwischen Heiz- und Schmelzkammer auch das Schmelzen von höher kontaminierten (< 6 %) alten Schrotten möglich ist. Die bei der Pyrolyse der Anhaftungen entstehenden Gase fallen separiert in der Schmelzkammer an und können von dort abgezogen, nachverbrannt und anschließend gefiltert werden. Derartige, höher kontaminierte Schrotte sind auf dem Beschaffungsmarkt in der Regel besser verfügbar und preiswerter als reine Schrotte. Otto Junker konnte in 2009 einen 120t Zweikammerherdofen Bauart Thermcon erfolgreich in Betrieb setzen und diesen im Jahr 2010 in enger Kooperation mit dem Kunden optimieren. Die hierbei gewonnenen Erfahrungen fließen derzeit in neue Projekte ein. Abbildung 6: Zweikammerherdofen: Vorderansicht mit dicht andockender Chargiermaschine und Seitenansicht mit externer thermischer Nachverbrennung (oben), Regeneratorbrennern (links), elektromagnetischer Pumpe (vorne rechts) und Abgußöffnung (vorne links), Bauart Otto Junker/Thermcon
10 / 14 Beheizungssysteme Bei den zuvor beschriebenen Thermoprozessanlagen können verschiedene Brennertypen zum Einsatz kommen. Unter den heute wichtigen Aspekten der CO 2 -Minderung und Energieeffizienz sind der Regenerativbrenner und der Oxy-Fuel -Brenner weltweit als Stand der Technik anzusehen. Otto Junker setzt bevorzugt den Regenerativbrenner ein, weil die Wirtschaftlichkeit der Oxy-Fuel -Technologie letztlich von den Bezugskosten des Sauerstoffs abhängt und sich deren Einsatz auf Einzelfallentscheidungen beschränkt. In den wenigen verbliebenen Regionen, in denen den Energiekosten keine entscheidende Bedeutung bei der Amortisation einer Investition zukommt, wird vereinzelt auf den Kaltluftbrenner zurückgegriffen. Bei Regenerativbrennern kann zwischen zwei Prinzipien unterschieden werden: Zum einen Systeme mit einem Regenerator je Brenner und zum anderen Systeme mit einem Zentralregenerator, wobei dieser mehrere Brenner zusammenfasst. Am Beispiel des erst genannten Systems soll das Prinzip erläutert werden. Die Beheizungseinrichtung besteht je nach Leistung des Ofens aus einem bzw. mehreren Brennerpaaren, wobei jeder Brenner einen eigenen Regenerator besitzt. Hierbei handelt es sich um einen feuerfest ausgekleideten Behälter, der mit einem Speichermedium, meist keramischen Kugeln, gefüllt ist. Die Regeneratoren eines Brennerpaares arbeiten im Wechselbetrieb. Durch den sich im Betrieb befindenden Brenner wird der Wärmespeicher durch das Abgas entsprechend aufgeheizt. Der andere Regenerator des Paares wird gleichzeitig im Gegenstrom durch die kalte Verbrennungsluft gekühlt. Wenn die Aufheizung des einen Regenerators ausreichend ist, wechselt die Fließrichtung in den Regeneratoren und der mit Abgas aufgeheizte Regenerator wird mit Luft gekühlt. Der vorher mit Luft durchströmte Regenerator wird mit Abgas wieder aufgeheizt. Der getaktete Wechsel der Durchflussrichtung in den Regeneratoren wird in der Regel mit einer Klappensteuerung durchgeführt. Als geringfügig nachteilig sind hohe Druckverluste in den Kugelschüttungen, Verunreinigungen der Kugelschüttungen durch staubhaltige Abgase und damit einhergehender höher Wartungs- und Reinigungsaufwand zu bewerten. Die durch den Einsatz von Regenerativbrennern erzielten Brennstoffeinsparungen von 40 bis 50 % gegenüber Kaltluftbrennern rechtfertigen diesen Aufwand. Der Umbau von Kaltluftbrennern auf Regenerativbrenner kommt als erste Maßnahme in Betracht, wenn es das Ziel ist, die Energieeffizienz einer bestehenden Anlage älteren Baujahrs deutlich zu verbessern. Diese Modernisierung ist bei gegebenem Bauraum problemlos zu bewältigen. Das Otto Junker After-Sales-Team bietet diese Leistung als Komplettlösung von der Planung bis zur Inbetriebnahme an, wobei auf die Brennertechnologie bewährter Lieferanten zurückgegriffen wird. Ist der notwendige Platz hierfür nicht gegeben, bietet sich die Oxy-Fuel-Technologie als interessante Alternative an:
11 / 14 Die bereits aus der Stahlindustrie bekannten Sauerstoffbrenner ( Oxy-Fuel-Burner ) werden in der Aluminiumindustrie bereits regelmäßig in Drehtrommelöfen eingesetzt. Problematisch war bisher, dass sich bei der Oxy-Fuel-Technologie Flammentemperaturen einstellen, die um 700 bis 800 K höher als die Flammentemperatur luftbetriebener Brenner sind. Hieraus entsteht das Risiko der lokalen Badüberhitzung. Zwischenzeitliche Weiterentwicklungen der Oxy-Fuel-Technologie lösen dieses Problem jedoch, so dass hierdurch der Einsatz in Herdschmelzöfen möglich geworden ist. Gegenüber Kaltluftbrennern kann eine Brennstoffeinsparung von etwa 50 % erwartet werden. Diese Einsparung ergibt sich dadurch, dass die Abgasmenge bei Sauerstoffverbrennung um den Stickstoffanteil der Verbrennungsluft niedriger ist. Bei gleicher Prozesstemperatur sind dann die Abgasverluste ebenfalls niedriger, weil die Verluste durch den Stickstoffballast entfallen. Neben der gegenüber dem Regeneratorbrenner einfacheren Brennerkonstruktion ist auch das Abgassystem deutlich weniger aufwändig. Bei einer Amortisationsrechnung sind die Kosten für die Bereitstellung des Sauerstoffs in Form erhöhter Betriebskosten zu berücksichtigen. Typischer Energiebedarf Die Werte für den Strombedarf und Brennstoffeinsatz eines Einkammer- oder Zweikammerherdofens werden maßgeblich vom Einsatzmaterial und von der Fahrweise des Schmelzofens bestimmt: Die Abbrandverluste und damit die Anzahl der Abkrätzvorgänge ergeben sich wesentlich aus dem Reinheitsgrad der Schrotte, deren Oxidationsgrad und deren Geometrie. Bei jedem Abkrätzvorgang entsteht Energiebedarf zur Deckung der Türverluste, die bei Kammertemperaturen von 1000 C Werte in der Größenordnung von 2 bis 3 % des Gesamtenergieeinsatzes annehmen können. Die Türverluste steigen proportional mit der Anzahl der Chargier- und Abkrätzvorgänge. Schrotte, die mit brennbaren organischen Bestandteilen kontaminiert sind, können den Energiebedarf des Schmelzofens mindern. Bei entsprechend hoher Kontamination können Einsparungen von bis zu 25 % erwartet werden. Je nach betrieblicher Praxis und Gestaltung der Chargierrampe können die chargierten Schrottpakete zunächst auf der Chargierrampe zwischen Tür und Bad abgesetzt, dort vorgewärmt und beim nächsten Chargiervorgang in das Bad abgeschoben werden.
12 / 14 Abbildung 7: Energetisch ideale Beladung eines Schmelzofens Aus den zuvor genannten Gründen wurden die in Tabelle 1 angegebenen Werte für den Brennstoffeinsatz und Strombedarf unter der Annahme einer einmaligen Chargierung und des Einsatzes einer Kombination aus dick- und dünnwandigen, geringfügig kontaminierten Schrotten (< 1 %) für luftbetriebene Brenner berechnet, Abbildung 7. Der Zweikammerherdofen benötigt im Vergleich zum Einkammerherdofen grundsätzlich einen höheren Brennstoffeinsatz, weil die Oberfläche und damit der Wandwärmestrom bei gleicher Schmelzrate fast doppelt so groß sind. Die sich im Abgas wiederfindenden organischen Bestandteile des kontaminierten Schmelzgutes müssen nachträglich durch Oxidation entfernt werden. Dafür stehen beim Zweikammerherdofen zwei Verfahren zur Verfügung, die wiederum Einfluss auf den Energiebedarf nehmen: 1. Externe Nachverbrennung: Hierbei werden die kontaminierten Abgase in einer externen brennstoffbeheizten Kammer bei Temperaturen von 850 bis 950 C verbrannt. Die notwendige Brennstoffzufuhr hängt vom Kontaminationsgrad der Abgase ab. Der in Tabelle 1 angegebene Brennstoffeinsatz berücksichtigt einen Energiebedarf von 60 kwh th /t Al für die externe Nachverbrennung. 2. Interne Nachverbrennung: Bei diesem Verfahren erfolgt die Nachverbrennung der Schwelgase in der Schmelzkammer. Deren Enthalpie steht dem Schmelzprozess zur Verfügung, so dass bei günstigen Bedingungen die genannten Einsparungen erzielt werden können. Voraussetzung ist, dass die Enthalpie der Abgase ausreicht, um die Verbrennung ohne zusätzlichen Energieeinsatz aufrecht zu erhalten. Derartig energiehaltige Abgase entstehen beim Abschwelen von Kunststoffen oder Lacken. Nachteilig ist jedoch, dass zur Oxidation im Ofen ein Sauerstoffgehalt von 3 bis 5 % aufrechterhalten werden muss, der wiederum die Krätzebildung fördert und damit sowohl das Ausbringen mindert als auch die Anzahl der Abkrätzvorgänge erhöht. Nachteilig ist außerdem, dass die mit Staub und unverbrannten Partikeln beladenen Abgase zu einer schnelleren Verschmutzung der Regeneratoren führen können.
13 / 14 Der höhere Strombedarf des Zweikammerherdofens resultiert aus dem Einsatz der bereits erwähnten elektromagnetischen Pumpe zur Verstärkung des Badstroms. Der Vollständigkeit halber sei allerdings erwähnt, dass die elektromagnetischen Pumpen häufig mit einer so genannten charge well (Chargiertiegel) ausgerüstet sind. In die charge well können kleinstückige Schrotte, wie beispielsweise Späne, eingerührt und nahezu ohne Abbrand geschmolzen werden. Je nach Späneaufkommen kann hierdurch auf den Einsatz des bereits zuvor erwähnten induktiv-beheizten Tiegelofens verzichtet werden. Ein- und Zweikammerherdofen Einkammerherdofen Zweikammerherdofen Schmelzrate 5 t/h Badtemperatur 720 C spez. Enthalpie Aluminium (flüssig) Wärmeübertragungsmechanismen 312 kwh/t primär Wärmestrahlung, sekundär erzwungene Konvektion Brennstoffeinsatz Kaltluft 920 kwh th /t Al 1050 kwh th /t Al rekuperativ 740 kwh th /t Al 850 kwh th /t Al regenerativ 575 kwh th /t Al 675 kwh th /t Al Strombedarf 15 kwh el /t Al 35 kwh el /t Al energetischer Wirkungsgrad 33,9-54,3% 29,7-46,2% Tabelle 1: Brennstoffeinsatz, Strombedarfund energetischer Wirkungsgrad des Ein- und Zweikammerherdofens Zusammenfassung Es ist zu erwarten, dass der Bedarf an Sekundäraluminium in der Zukunft weiter ansteigt. Die in den Remeltern bevorzugt eingesetzten Thermoprozessanlagen zum Schmelzen der alten und neuen Schrotte sind brennstoffbeheizte Ein- oder Zweikammerdherdöfen. Der Einkammerherdofen ist besonders gut geeignet, um relativ saubere, dickwandige Schrotte zu schmelzen. Der Zweikammerherdofen ist bezüglich des Einsatzgutes etwas gutmütiger in Bezug auf Geometrie und Kontamination, hat jedoch dafür einen etwas höheren Energiebedarf. Otto Junker hat mit der erfolgreichen Integration des Thermcon-Know-Hows einen wichtigen Schritt getan, um bestehende Kunden und Neukunden in der bewährten Qualität mit einer weiter vervollständigten Produktpalette sowohl im Neuanlagengeschäft als auch bei Modernisierungen zu bedienen.
14 / 14 Literaturhinweise [1] Bijlhouwer, F.: Recycling of Aluminium and the future benefit to the environment, Aluminium Times, September 2010, S. 94-95 [2] Das, S. K. et al.: Aluminium Recycling: Economic and Environmental Benefits, Light Metal Age, Februar 2010, S. 42-46 [3] Gesamtverband der Aluminiumindustrie (GDA): Produktionsdaten 2009, http://www.aluinfo.de/index.php/produktion.html [4] Quinkertz, R.: Optimierung der Energienutzung bei der Aluminiumherstellung, Dissertation RWTH Aachen, 2002 [5] ZMAG: Tsunami - Permanent Magnet Stirrer for Molten Aluminum Furnaces Auszug Firmenprospekt, ZMAG Ltd., Japan