Het vergroten van de smeltcapaciteit van aluminium smeltovens

In de afgelopen jaren is de draaitrommeloven weer een interessant smeltaggregaat geworden door toepassing van Oxy-fuel (= zuurstof/brandstof) branders in plaats van de normale luchtbranders. De ombouw naar Oxy-fuel branders is voor gietijzer een ingeburgerde techniek. De gedachte bestond echter dat het voor aluminium, vanwege de relatief lage smelttemperatuur, niet interessant was. In de laatste jaren heeft AGA veel inspanningen verricht om aan te tonen dat ook in aluminium smeltovens het vervangen van de normale branders door Oxyfuel branders zeer interessant kan zijn. Dit blijkt uit de tientallen conversies die de laatste jaren zijn uitgevoerd.

Marc Rijkaart


(artikel gepubliceerd in Aluminium nummer 3, 1998- artikel 19)

Bij de diverse conversies blijkt dat er naast een gemiddelde productieverhoging van circa 25% ook een brandstofbesparing van ongeveer 50% per ton aluminium bereikt kan worden. Bovendien brengt een conversie naar Oxy-fuel meestal positieve milieueffecten, zoals een lagere NOx-en stofemissie met zich mee.

INLEIDING

 
In een tijd waarin er weer sprake is van economische bloei willen ondernemers hiervan meestal direct profiteren. Voor aluminium smeltbedrijven betekent dit dat men na enkele matige jaren nu weer volop produceert. In sommige gevallen ontstaat er zelfs een tekort aan productiecapaciteit. Dit betekent dat men niet aan de vraag van de klant kan voldoen of men moet materiaal tegen hogere kosten bij andere leveranciers inkopen. De oorzaak van een tekort aan productiecapaciteit kan de te kleine smeltcapaciteit van de oven(s) zijn. Met vele jaren ervaring in het ombouwen van gietijzer draaitrommelovens op Oxy-fuel branders is AGA enkele jaren geleden gestart met een onderzoek bij aluminium smeltbedrijven. Sindsdien heeft zij diverse ovens, zowel stationaire als roterende, geheel of gedeeltelijk uitgerust met Oxy-fuel branders. De belangrijkste redenen om de normale branders te vervangen door Oxy-fuel branders zijn capaciteitsuitbreiding en het voldoen aan verscherpte milieu-eisen zonder dat hiermee grote investeringen gemoeid zijn.

OXY-FUEL THEORIE

 
In veel smeltovens wordt gebruikgemaakt van luchtbranders. Hierbij worden brandstof en lucht (met 20,9% zuurstof) in een bepaalde verhouding (in een mengkamer) gemengd. Dit mengsel wordt ontstoken en levert een vlam met een hoeveelheid rookgassen van een bepaalde temperatuur op. Bij het gebruik van een Oxy-fuel brander is een aantal zaken essentieel verschillend ten opzichte van de normale luchtbrander. Zo wordt er bij Oxyfuel gebruikgemaakt van zuivere zuurstof in plaats van lucht. Dit heeft tot gevolg dat de Oxy-fuel vlamkarakteristiek totaal verschillend is van die van een luchtbrander. Door het in de verbranding ontbreken van stikstof, die de verbranding vertraagt en veel energie opneemt, stijgt de vlamtemperatuur (zie afbeelding 1).


Afbeelding 1. Theoretische vlamtemperatuur als functie van het percentage zuurstof in de verbrandingslucht.


De warmteoverdracht van vlam naar product wordt onder andere bepaald door het temperatuurverschil tussen vlam en metaal (∆T) en de hoeveelheid straling (vlamstraling en selectieve gasstraling). Op afbeelding 1 kan men duidelijk zien dat bij het gebruik van Oxy-fuel deze ∆T altijd veel groter is dan bij het gebruik van een luchtbrander. In laboratoriumproeven blijkt tevens dat bij een toename van het zuurstofgehalte de hoeveelheid straling en ook de warmteoverdracht door straling sterk toeneemt (zie afbeelding 2).


Afbeelding 2. Hoeveelheid straling als functie van het zuurstofgehaltein de verbrandingslucht.


Verder is ook de hoeveelheid rookgassen door het ontbreken van de stikstof veel lager: circa 20% van de hoeveelheid vergeleken met een luchtbrander. Bij het verbrandingsproces van een normale luchtbrander neemt de circa 79% stikstof van de lucht een groot deel van de energie, die bij de verbranding vrijkomt, op en verdwijnt via het rookgassysteem naar buiten. Bij Oxy-fuel ontbreekt deze stikstof en wordt de energie voor het grootste deel effectief aan het metaal overgedragen. Hierdoor verloopt de warmteoverdracht van de vlam naar het product efficiënter en is er dus minder energie nodig om een bepaalde massa (oven+ metaal) te verwarmen.

ECONOMISCHE ASPECTEN

Een conversie naar Oxy-fuel branders wordt meestal alleen uitgevoerd als het naast de milieutechnische voordelen ook positieve economische effecten heeft. Hieronder is een aantal economische aspecten beschreven die een omschakeling naar Oxy-fuel branders rechtvaardigen.

Brandstofbesparing

Door het ontbreken van stikstof in de rookgassen en de hogere vlamtemperatuur is het thermisch rendement van een Oxy-fuel brander ten opzichte van de luchtbrander veel hoger (zie afbeelding 3).


Afbeelding 3. Thermisch rendement als functie van de rookgastemperatuur bij de verschillende zuurstofgehaltes
in de de verbrandingslucht.


Op afbeelding 3 is het thermisch rendement uitgezet tegen de rookgastemperatuur. Door de langere verblijftijd van de rookgassen in de oven en de betere energieoverdracht zal de rookgastemperatuur van een Oxy-fuel brander zeker niet hoger zijn dan bij een luchtbrander. Bij een rookgastemperatuur van circa 1000°C ligt het thermisch rendement van een normale luchtbrander (20,8 % O2) op ongeveer 45-50%. Het thermisch rendement bij een Oxy-fuel brander (100% O2) ligt bij deze temperatuur op circa 90%. Dit betekent een verdubbeling van het thermisch rendement. Omdat de brandstofbesparing omgekeerd evenredig met het thermisch rendement is, zou er volgens de theorie een halvering van het brandstofverbruik optreden. Dit komt goed overeen met de praktijk waar, bij verschillende aluminium smeltovens, brandstofbesparingen van circa 50% per ton gesmolten aluminium gemeten zijn.

Productieverhoging

Zoals hiervoor beschreven, zal bij het gebruik van Oxy-fuel branders de energieoverdracht van de warmtebron (de vlam) naar het metaal beter zijn. Zowel het grotere temperatuurverschil tussen de vlam en het aluminium als de hoeveelheid straling en het ontbreken van stikstof in de verbrandingslucht zorgen ervoor dat de benodigde energie voor het smelten van het aluminium sneller overgedragen wordt. Dit resulteert in een toename van de smeltsnelheid van 30-40%. In de praktijk blijkt dat, afhankelijk van de situatie (chargeertijd, wachttijd etc.), de productiviteitsstijging gemiddeld circa 25% bedraagt. Een hogere productie met de gelijke productiemiddelen zal dus een afname van de vaste kosten per ton aluminium tot gevolg hebben.

Aluminiumrendement

In de aluminiumindustrie heerst nog steeds de opvatting dat bij het gebruik van zuurstof het smeltrendement, het percentage aluminium dat overblijft na het smelten, verlaagd wordt door oxidatie, omdat het in contact zou komen met zuivere zuurstof. De oxidatie van aluminium tijdens het smelten wordt beïnvloed door verschillende zaken. Zo is naast de temperatuur en de vrije zuurstofatomen ook de tijd waarin het aluminium aan de zuurstofatomen bloot staat, van groot belang. Het is duidelijk dat de temperatuur een negatieve invloed op de afbrand (oxidatie) van het aluminium heeft. Bij een toenemende temperatuur, zoals bij Oxy-fuel het geval is, zal de oxidatiesnelheid verhogen. Hiertegenover staat een aantal positieve effecten. De hoeveelheid vrije zuurstofatomen uit de vlam kan met een Oxy-fuel brander zeer nauwkeurig geregeld worden. Verder is de hoeveelheid vrije zuurstofatomen afhankelijk van de dichtheid van de oven (leklucht). In de praktijk blijkt dus dat de totale hoeveelheid vrije zuurstof bij een oven met Oxy-fuel branders veellager is dan bij een oven met luchtbranders. Ook de verblijftijd van het aluminium in de oven is een belangrijke factor, die meespeelt bij de oxidatie. Bij het gebruik van Oxy-fuel verloopt het smeltproces veel sneller en is de verblijftijd van het aluminium in de oven veel korter. Dit betekent dat het aluminium veel minder tijd heeft om te oxideren. De praktijk wijst uit dat het netto aluminiumrendement, dus de optelsom van de drie bovengenoemde factoren, bij gebruik van Oxy-fuel branders minimaal gelijk is aan het rendement bij luchtbranders. In de meeste gevallen is zelfs een kleine rendementsstijging te zien.

Filterinstallatie

Verschillende aluminiumbedrijven werken nu zonder filterinstallatie. Een verscherping van de wetgeving op het gebied van emissies kan voor deze bedrijven betekenen dat men gedwongen is een filterinstallatie aan te schaffen. Bij het gebruik van Oxy-fuel branders is de hoeveelheid rookgassen zeer gering ten opzichte van luchtbranders en hebben de rookgassen dus een veel lagere snelheid. Dit heeft tot gevolg dat er veel minder stofdeeltjes uit de oven 'meegenomen' worden. In veel gevallen betekent dit dat men aan de emissie-eisen voldoet zonder gebruik te maken van een filterinstallatie of men kan volstaan met een veel kleinere en dus goedkopere filterinstallatie.

Branderinstallatie

De Oxy-fuel installatie bestaat uit leidingwerk, regelstraten voor zuurstof en brandstof, een besturing en een Oxy-fuel brander. De investering hiervoor is zeer laag ten opzichte van de investering in een nieuwe smeltoven. Dit betekent dat bij een relatief geringe investering een grote verhoging van de smeltcapaciteit verkregen kan worden. Deze capaciteitsverhoging kan in zeer korte tijd gerealiseerd worden zonder dat er sprake is van een noemenswaardige productie uitval. De ombouw op Oxy-fuel kan voor het grootste gedeelte tijdens de productie plaatsvinden. Slechts bij het plaatsen van de brander in de oven moet de oven korte tijd uit bedrijf genomen worden.

Zuurstofverbruik

Naast de hierboven beschreven voordelen is er ook een nadeel aan een conversie naar Oxy-fuel verbonden. Bij een omschakeling op Oxy-fuel branders is er zuurstof in plaats van lucht nodig. De kosten van de verbrandingslucht, die bestaan uit de elektriciteitskosten, de afschrijving en het onderhoud van de ventilator, zijn relatief gering ten opzichte van de zuurstofkosten per kubieke meter. Dit betekent dat de variabele kosten, de som van brandstof-en zuurstofkosten, afhankelijk van de brandstofkosten meestal licht zullen stijgen.

MILIEU-ASPECTEN

Bij de overschakeling op Oxy-fuel brander(s) zal een groot aantal milieu-effecten optreden. Hieronder zijn de belangrijkste effecten beschreven:

Reductie rookgashoeveelheden

Bij het gebruik van Oxy-fuel brander(s) ontbreekt stikstof in de rookgassen. Hierdoor is de hoeveelheid rookgassen die geproduceerd wordt, veel lager. Verder is door de verhoging van het thermisch rendement minder brandstof nodig om een bepaalde hoeveelheid materiaal te smelten. Beide effecten resulteren samen in een rookgasreductie van circa 80%.

Reductie emissies

Er zijn verschillende bestanddelen van rookgassen die schadelijke effecten op het milieu tot gevolg hebben. Zo zijn NOx, CO/CO2, SO2 en stof wel de meest aansprekende voorbeelden. Bij het gebruik van Oxy-fuel branders wordt zuivere zuurstof (zonder N2) toegepast. Hierdoor ontbreekt de N2 die nodig is voor de vorming van NOx· Bij het gebruik van Oxy-fuel zal daarom de NOx-emissie (afhankelijk van het soort brandstof en de hoeveelheid leklucht) sterk gereduceerd worden. SO2-emissies worden met name veroorzaakt door de zwavel in de brandstof. Doordat het brandstofverbruik bij aluminium smeltovens met circa 50% gereduceerd wordt, zal ook de absolute hoeveelheid SO2 die uitgestoten wordt, met de helft gereduceerd worden. Deze emissiereductie geldt natuurlijk ook voor de CO2-emissie die recht evenredig is met het brandstofverbruik. Zoals hierboven beschreven, zal de totale hoeveelheid rookgassen bij een conversie naar Oxy-fuel tot circa 20 % gereduceerd worden. Dit betekent dat bij een gelijke grootte van de oven de snelheid van de rookgassen sterk zal afnemen (en dus de verblijftijd in de oven langer is). Door deze afnemende snelheid zullen er veel minder stof en fijne deeltjes uit de oven meegenomen worden. Een lagere stofemissie is dus ook zeker te verwachten.

Reductie elektriciteitsverbruik

Omdat er bij het gebruik van pure zuurstof geen ventilator meer nodig is, vervalt dit deel van de installatie. Dit betekent dus dat er in dit deel van de installatie geen elektriciteit verbruikt wordt.

In het algemeen kan dus gesteld worden dat een omschakeling op Oxy-fuel branders alleen positieve milieu-effecten heeft en dat het door de scherper wordende milieuregels steeds in teressanter wordt om op Oxy-fuel branders om te schakelen.

PRAKTIJKVOORBEELDEN

In de laatste jaren heeft AGA in diverse landen in de wereld tientallen stationaire en draaitrommelovens omgezet op Oxy-fuel branders. Op het gebied van aluminiumsmelten heeft AGA in Europa de laatste jaren veel succes met de conversie van draaitrommelovens. Het bedrijf is daarmee marktleider. Enkele praktijkvoorbeelden volgen hieronder.

Volkswagen AG, Kassei (Duitsland)

Men heeft een smeltbedrijf met vijf stuks 15-tons draaitrommelovens. Als inzetmateriaal gebruikt men gebroken en gesorteerd schroot. Er wordt gesmolten in een zoutbad. In 1992 heeft men bij een van de ovens de lucht/aardgasbrander vervangen door een Oxy-fuel brander. Het doel van de conversie was een verhoging van de smeltcapaciteit. De volgende resultaten zijn behaald:

• De smeltcyclus is met 21% verkort;
• Het aardgasverbruik is met meer dan 50% gereduceerd;
• Het aluminiumrendement is met 4% verhoogd;
• De smeltcapaciteit is met meer dan 25% verhoogd. In 1995 is de tweede oven uitgerust met een Oxy-fuel brander. Inmiddels is men gestart met het vervangen van de branders van de resterende ovens door oxy-fuel branders.
   

Aluminium dross verwerking in een draaitrommel oven.


Heckett MultiServ , Karm 0y (Noorwegen)

De firma Heckett MultiServ verwerkt aluminiumdross (aluminiumoxides met ingesloten aluminium) in een draaitrommeloven. Er wordt gesmolten in een zoutbad. In 1992 is de lucht/propaanbrander door een Oxy-fuel brander vervangen met als doel een verhoging van de smeltcapaciteit te realiseren. De volgende resultaten zijn behaald:

• De gemiddelde smeltsnelheid is met 78% verhoogd;
• Het gemiddelde propaanverbruik is met 44% gereduceerd;
• De gemiddelde productie is met 41 % gestegen.

Andere positieve effecten zijn de verlaging van het geluidsniveau en een afname van de CO2-en de NOx-emissies. Er is ook geen ventilator meer nodig voor de verbrandingslucht.

CONCLUSIE

De conversie van lucht/brandstofbranders naar Oxy-fuel branders biedt een groot aantal voordelen waarvan productieverhoging (circa 25 %) en brandstofbesparing (circa 50% ) bij een relatief zeer lage investering wel de belangrijkste economische voordelen zijn. Ook de milieutechnische voordelen, zoals emissiereducties, kunnen bij de overweging van een conversie naar Oxy-fuel branders aandachtspunten zijn. Naast al deze voordelen spelen de kosten natuurlijk ook een belangrijke rol. Hierbij blijkt in de praktijk dat, mits er een behoefte aan productiestijging bestaat, een omschakeling op Oxy -fuel branders de aluminiumproducent grote financiële voordelen biedt.

Literatuur

1. Lars Saltin -The use of oxygen for hearing and melting -The joumal of the Swedish Ironmasters' Association 2/81.