Nachhaltiges Aluminium-Recycling: Effizientes Einschmelzen
Im Advanced Metals And Processes Forschungscluster (AMAP) bearbeiten verschiedene Forschungsstellen und Unternehmen gemeinsam vorwettbewerbliche Problemstellungen. Das „Projekt 5 – Aluminium Recycling“, in welchem das IOB involviert ist, thematisiert die Modellierung des Erwärmungs- und Einschmelzvorgangs von Aluminium-Schrotten (z.B. Getränkedosen, sog. UBCs – „used beverage cans“, siehe Abbildung 1). Verglichen mit der Erzeugung von primärem Aluminium, ist das Recyceln von verwendetem Aluminium (wie beispielsweise Getränkedosen) energetisch günstiger und führt gleichzeitig zu deutlich geringerer CO2 Produktion.
Abb. 1: Paket aus lackierten, gebrauchten Getränkedosen (UBCs)
Das Einschmelzen von Aluminiumschrott ist ein wichtiger Vorgang in der Recyclingkette und erfordert eine detaillierte Betrachtung aller beteiligten Mechanismen. Ein besseres Verständnis für diese Mechanismen wie z.B. der Wärmeübertragung oder der Pyrolyse führt zu einer weiteren Optimierung des Recycling-Konzepts. Dabei werden Fragestellungen zu den Metallverlusten und der organische Kontamination der Aluminiumschrotte untersucht.
Die Hauptaufgabe des IOB im Rahmen des AMAP P5 Konsortiums besteht darin, eine CFD Simulation der verschiedenen untersuchten Phänomene zu generieren. Die am IOB untersuchten Beiträge sind die Modellierung des Verbrennungsvorgangs, im speziellen der flammenlosen Verbrennung, die (Strahlungs-)Wärmeübertragung auf das zu schmelzende Gut sowie die Pyrolyse der anhaftenden Organik (Lacke und Kühlschmiermittel).
Charakteristisch für die flammenlose Verbrennung ist die starke Rezirkulation der Verbrennungsprodukte, die in einer herabgesetzten Verbrennungstemperatur und einer räumlich ausgedehnten Reaktionszone resultiert. Das Fehlen der Temperaturspitzen und somit einer Flammenfront verursacht eine nicht mit dem menschlichen Auge erfassbare Reaktionszone. Eine numerische Berechnung dieses Vorgangs mit den bereits implementierten Modellen ist nicht möglich und erfordert eine Erweiterung der chemischen Reaktionsmechanismen. In Abbildung 2 ist die OH° Konzentration auf der Mittelebene eines Pilot-Ofen-Modells dargestellt. Im Vergleich zu einer konventionellen Verbrennung, ist diese nicht an der Brennermündung konzentriert, sondern ragt relativ weit in den Ofen hinein. Auch die Temperaturspitzen liegen mit ca. 900 °C deutlich unterhalb der adiabaten Verbrennungstemperatur und entsprechen damit den flammenlosen Bedingungen.
Abb. 2: OH-Konzentration im Pilot-Ofen-Modell
Die durch die beschriebene Verbrennung erhitzten Ofenwände leisten einen Teil der Wärmeübertragung an das Gut in Form von Strahlungsenergie. Um die Strahlungswärmeübertragung an ein als poröses Medium modelliertes Einsatzmaterial zu berechnen, müssen die von komerziellen Solvern bereit gestellten Strahlungsmodelle weiterentwickelt werden. Dies wird ebenfalls vom IOB mit bearbeitet.
Ein weiterer Teil des AMAP P5 ist die Untersuchung der bereits zuvor genannten Pyrolysegas-Emissionen aus verschiedenen, mit Organik kontaminierten Schrotten während der Erwärmung. Anhand von experimentellen Untersuchungen werden die Pyrolysegas-Emissionen charakterisiert, um die Wechselwirkungen derartiger Gase mit der Schmelze betrachten und die Emission in CFD-Simulationen integrieren zu können. Hierzu werden im Labormaßstab kleine Mengen des zu untersuchenden Materials mit definierter Aufheizrate von Raumtemperatur bis knapp unterhalb des Schmelzpunktes erwärmt. Bei Temperaturen ab ca. 350 °C finden Zersetzungsreaktionen der organischen Komponenten statt, die zu Teer‑, Öl und Gasemissionen führen. Entstehende Gase werden mit Analysesystemen (FTIR etc.) untersucht. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse lassen Rückschlüsse auf die Zersetzungsvorgänge und Reaktionsmechanismen sowie über den kalorischen Beitrag der Gase zur Ofenenergiebilanz zu.