Einfluss der Brennstoffwahl auf die Schmelzequalität und Oxidation beim Aluminiumrecycling

Die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger gilt als einer der vielversprechendsten Lösungsansätze zur Verringerung der brennstoffbedingten Treibhausgasemissionen in Hochtemperaturprozessen. Beim Recycling von Aluminium kommt derzeit vorwiegend Erdgas zur Beheizung der energieintensiven Schmelz-, Warmhalte- und Gießöfen zum Einsatz. Eine potenzielle Substitution durch Wasserstoff stellt aus prozess- und anlagentechnischer Sicht eine sinnvolle Alternative auf dem Weg zur Klimaneutralität dar. Die metallurgischen Auswirkungen einer veränderten Brennstoffwahl auf das flüssige Metall sind jedoch bislang weitgehend unbekannt. Da es bei der Verbrennung von Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas neben der gewünschten Eliminierung von Kohlendioxid zu einem Anstieg der Wasserdampfkonzentration in den Öfen kommt, müssen mögliche Wechselwirkungen zwischen H₂O und Aluminiumschmelzen evaluiert werden.
Diese Arbeit gibt einen Überblick hinsichtlich des Einflusses von Wasserdampf sowie komplexer Ofenatmosphären auf die Schmelzequalität und das Oxidationsverhalten von Aluminiumschmelzen. Die Durchführung von Experimenten im Maßstab von 0,5 g bis 60 t ermöglicht sowohl die Untersuchung der grundlegenden Mechanismen als auch die Abschätzung der tatsächlichen Auswirkungen auf die Prozesse in den industriellen Produktionsanlagen. Die Forschung umfasst zum einen die Vorgänge in klassischen Herdöfen bei der Verarbeitung von reinen Schrotten zu Knetlegierungen. Zum anderen erfolgt eine Evaluierung der Rolle von Wasserstoff beim Schmelzen von organisch behaftetem oder oxidhaltigem Material in Dreh-Kipptrommelöfen unter Einsatz von Schmelzsalz.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Umrüstung der Öfen in der sekundären Aluminiumherstellungskette auf Wasserstoffbrenner sowohl prozesstechnisch als auch hinsichtlich der erzielbaren Produktqualität eine gleichwertige Alternative zur klassischen Beheizung mit Erdgas darstellt. Erhöhte Wasserstoffgehalte im flüssigen Metall, resultierend aus der Verfeuerung von Wasserstoff, lassen sich durch ausreichend dimensionierte Entgasungsaggregate weiterhin auf das übliche Niveau absenken. Die Bewertung der Auswirkungen alternativer Ofenatmosphären auf das Oxidationsverhalten ist wesentlich komplexer. Die Versuchsergebnisse belegen jedoch, dass gesteigerte H₂O-Gehalte bzw. die Entfernung von CO₂ nicht zu erhöhtem Metallabbrand führen. Bei Vorliegen einer Salzschlacke erweist sich diese auch unter den veränderten Bedingungen im Zuge einer Beheizung mit Wasserstoff als wirksamer Schutz für das flüssige Metall und verhindert weitgehend Reaktionen mit Wasserdampf.