Die Erzeugung von Feinstaub durch technische Prozesse und verkehrsbedingte Verschmutzungen ebenso wie partikelempfindliche Produktionstechniken und Reinräume erfordern die Reinhaltung der Luft und immer leistungsfähigere Filtermedien. Im Umfeld steigender Energiekosten und der Notwendigkeit der weltweiten CO2 Reduktion gewinnt der Energieverbrauch von Luftfiltern zunehmend an Bedeutung. Der Energieverbrauch ist zudem einer der wichtigsten Kostenfaktoren der Gebäudeluftfiltration. Um eine optimierte Energieausbeute bei maximalem Abscheidungsgrad zu erzielen, ist ein möglichst geringer Druckverlust des Luftfilters ausschlaggebend. Die zunehmende Wichtigkeit der Energieausbeute spiegelt sich auch in der industriellen Plattform EUROVENT wieder, die erstmalig ein praxisnahes und unabhängiges Energierating zulässt. Ziel des Vorhabens ist es, über virtuelle Entwicklungs- und Simulationsmethoden neuartige Filtermedien zu entwickeln. Diese ermöglichen es effizient und nachhaltig kritische Stoffe, die den Betrieb und den Komfort von Gebäuden negativ beeinflussen können, über einen längeren Zeitraum zu filtern. Dadurch werden Ressourcen und Energie am effektivsten genutzt, was automatisch zur Minderung des CO2 Ausstoßes führt. Zentrale Aufgabe des Forschungsvorhabens ist es, die bereits bestehenden Ansätze der Prozesssimulation, welche die Herstellung von synthetischen Filtermedienstrukturen beschreibt, mit der Mikrostruktursimulation zu verknüpfen. Dadurch wird es erstmalig möglich, optimierte Medienstrukturen über Simulation zu entwickeln. Über die folgende Rückkopplung kann der Prozess gezielt weiter optimiert werden. Zudem können im Umkehrschluss optimierte Vlieslegeprozesse ermöglicht werden. Diese resultieren in Filtermedien mit optimaler Performance bei effektivstem Materialeinsatz für die spezifische Filtrationsaufgabe. Somit entsteht ein nachhaltigeres Produkt und zudem eine innovative simulationsbasierte Arbeitsmethodik, die zu kürzeren Entwicklungszyklen führt.
Das Forschungsvorhaben unterteilt sich in die folgenden Teilschritte: - Prozessanalyse/ Modellbildung: Eine detaillierte Analyse des konventionellen Zementherstellungsprozesses bildet die Basis für alle weiteren Schritte zur Anpassung des Prozesses an die Oxyfuel-Technologie. Die Analyse hat das Ziel, ein realistisches Prozessmodell, hier in AspenPlus®, zu erstellen. Mit dem für eine typische Anlagengröße erstellten Modell ist dann eine stoffliche und energetische Bilanzierung des konventionellen Zementherstellungsprozesses möglich. Die gewonnenen Daten sollen mit den Daten realer Anlagen validiert werden. Mit Hilfe des erstellten Simulationsmodells werden die wesentlichen Einflussparameter auf die CO2- und die Energiebilanz des Gesamtprozesses bestimmt. - Konzeptentwurf auf der Basis der Oxyfuel-Technologie: In einem ersten Entwurf wird die Wärmebereitstellung für den Klinkerherstellungsprozess auf Oxyfuel-Bedingungen umgestellt. Dafür sind unter Wahrung aller typischen Prozessparameter eine Luftzerlegungsanlage und eine Rauchgasrückführung zu ergänzen. Daraus lässt sich bei ansonsten unveränderter Anlagenkonfiguration erkennen, ob und an welcher Stelle des nur leicht modifizierten Prozesses die Abgasqualität die Anforderungen für eine ausreichend hohe CO2-Abtrennrate erfüllt. Dieses erste Simulationsmodell dient als Basis für die weitere energetische Optimierung und der Untersuchung weiterer Konzepte des Zementherstellungsprozesses mit Oxyfuel-Technologie mit Anpassungen an eine maximale CO2-Abtrennrate bei entsprechender CO2-Reinheit. - Bewertung des neu erstellten Konzepts für eine CO2-arme Zementherstellung: Der als realisierbar eingeschätzte Konzeptentwurf wird abschließend hinsichtlich seiner zusätzlichen Kosten für die CO2-Abtrenung und für die Anlagentechnik sowie auf sein Betriebsverhalten (An- und Abfahren, eventuell Laständerungen) mittels des Simulationsmodells untersucht. - Anwendung eines Post-Combustion Prozesses mit chemischem Lösungsmittel auf den Zementherstellungsprozess zur CO2-Abtrennung und Vergleich desselben mit dem Oxyfuel-Prozess: Zum Vergleich mit dem Oxyfuel-Prozess soll auch ein Post-Combustion Prozess mit einem chemischen Lösungsmittel zur CO2-Abscheidung beim Zementherstellungsprozess betrachtet und simuliert werd. Die ermittelten Kennzahlen sollen einen energetischen Vergleich mit dem Oxyfuel-Prozess und eine überschlägige Dimensionierung des CO2-Abtrennungsprozesses ermöglichen. Schlagwörter: Umweltfreundliche Zementherstellung; CO2-Abtrennung; Oxyfuel-Prozess; Post-Combustion Prozess; Modellierung; Integration des Gesamtprozesses
Biomasse, vor allem Holz, ist im deutschen Wärmemarkt der mit Abstand wichtigste erneuerbare Energieträger, dessen Einsatz ausgebaut werden soll. Jedoch entstehen bei dem Verbrennungsprozess u. a. Feinstaubpartikel, die ein Gesundheitsrisiko darstellen. Entsprechend wurden Grenzwerte festgelegt, die an Kleinfeuerungen (kleiner als 1 MW) mit den heutigen Technologien schwer einzuhalten sind und in Zukunft voraussichtlich weiter verschärft werden. In diesem Projekt soll ein kostengünstiger Staubabscheider für Kleinfeuerungsanlagen entwickelt werden, um den gegenwärtigen und zukünftigen Grenzwerten gerecht zu werden.
Das Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik der Universität Stuttgart (IFK) hatte bereits in Zusammenarbeit mit der LK Metallwaren GmbH in Schwabach und mit Unterstützung des externen Beraters Oskar Winkel Filtertechnik einen Entwurf eines Gewebefilters mit allen notwendigen Komponenten für einen Filterbetrieb an einem Biomassekessel entwickelt (FNR-Projekt FKZ 22031611). Die gewählte Abreinigungsmethode erwies sich jedoch als unzureichend, weshalb in Zusammenarbeit mit der Hochschule Rottenburg (HFR) alternative Abreinigungsmethoden erprobt werden.
Zunächst werden die Abreinigungsmethoden Jet-Pulse-Abreinigung (IFK) und Ultraschallreinigung (HFR) an kleinen Feuerungen erprobt. Die Jet-Pulse-Abreinigung mittels Druckluftstößen ist eine bewährte Technologie, welche erst noch, in Kombination mit Gewebefiltern, auf kleine Biomassefeuerungen angepasst werden muss. Die Reinigung mittels Ultraschall ist eine in der Industrie ebenfalls bewährte Technik, welche in diesem Projekt erstmals zur Filterreinigung von Feinstaubfiltern getestet und optimiert werden soll.
Dazu werden am IFK verschiedene Metallgewebe und unterschiedliche Reinigungsparameter getestet, um diese Methode für Kleinfeuerungen zu optimieren. An der HFR liegt der Fokus auf verschiedenen Ultraschallbedingungen sowie die Untersuchung der Abfallstoffe hinsichtlich Verwendungs- und Deponiermöglichkeiten. Die Tests erfolgen an beiden Standorten mithilfe von kleineren Biomassekesseln, die sowohl für Hackgut als auch für Pellets geeignet sind. Die Methoden sollen hinsichtlich Abscheidegrad, Betriebssicherheit und Energieeffizienz optimiert werden und der Anwendungsbereich hinsichtlich der Brennstoffe eingegrenzt werden.
Nach der Optimierung der beiden Methoden sollen die Ergebnisse analysiert und unter Abwägung aller Aspekte zum Bau eines Prototypen für die 200kW-Feuerung der HFR verwendet werden. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse und anhand von aussagekräftigen Langzeitversuchen soll als letzter Schritt ein Vorserienmodell des Filters entwickelt werden.
Biomasse, vor allem Holz, ist im deutschen Wärmemarkt der mit Abstand wichtigste erneuerbare Energieträger, dessen Einsatz ausgebaut werden soll. Jedoch entstehen bei dem Verbrennungsprozess u. a. Feinstaubpartikel, die ein Gesundheitsrisiko darstellen. Entsprechend wurden Grenzwerte festgelegt, die an Kleinfeuerungen (kleiner als 1 MW) mit den heutigen Technologien schwer einzuhalten sind und in Zukunft voraussichtlich weiter verschärft werden. In diesem Projekt soll ein kostengünstiger Staubabscheider für Kleinfeuerungsanlagen entwickelt werden, um den gegenwärtigen und zukünftigen Grenzwerten gerecht zu werden.
Das Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik der Universität Stuttgart (IFK) hatte bereits, in Zusammenarbeit mit der LK Metallwaren GmbH in Schwabach und mit Unterstützung des externen Beraters Oskar Winkel Filtertechnik, einen Entwurf eines Gewebefilters mit allen notwendigen Komponenten für einen Filterbetrieb an einem Biomassekessel entwickelt (FNR-Projekt FKZ 22031611). Die gewählte Abreinigungsmethode erwies sich jedoch als unzureichend, weshalb in Zusammenarbeit mit der Hochschule Rottenburg (HFR) alternative Abreinigungsmethoden erprobt werden.
Zunächst werden die Abreinigungsmethoden Jet-Pulse-Abreinigung (IFK) und Ultraschallreinigung (HFR) an kleinen Feuerungen erprobt. Die Jet-Pulse-Abreinigung mittels Druckluftstößen ist eine bewährte Technologie, welche erst noch, in Kombination mit Gewebefiltern, auf kleine Biomassefeuerungen angepasst werden muss. Die Reinigung mittels Ultraschall ist eine in der Industrie ebenfalls bewährte Technik, welche in diesem Projekt erstmals zur Filterreinigung von Feinstaubfiltern getestet und optimiert werden soll.
Dazu werden am IFK verschiedene Metallgewebe und unterschiedliche Reinigungsparameter getestet, um diese Methode für Kleinfeuerungen zu optimieren. An der HFR liegt der Fokus auf verschiedenen Ultraschallbedingungen sowie die Untersuchung der Abfallstoffe hinsichtlich Verwendungs- und Deponiermöglichkeiten. Die Tests erfolgen an beiden Standorten mithilfe von kleineren Biomassekesseln, die sowohl für Hackgut als auch für Pellets geeignet sind. Die Methoden sollen hinsichtlich Abscheidegrad, Betriebssicherheit und Energieeffizienz optimiert werden und der Anwendungsbereich hinsichtlich der Brennstoffe eingegrenzt werden.
Nach der Optimierung der beiden Methoden sollen die Ergebnisse analysiert und unter Abwägung aller Aspekte zum Bau eines Prototypen für die 200kW-Feuerung der HFR verwendet werden. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse und anhand von aussagekräftigen Langzeitversuchen soll als letzter Schritt ein Vorserienmodell des Filters entwickelt werden.
Ziel des Gesamtvorhabens ist es ein kompaktes und modulares Biomasse-basiertes Reststoff-Verwertungssystem mit sauberen Verbrennungstechnologien für die Wärmeerzeugung zu generieren, welches sowohl feste und gasförmige Brennstoffe als auch Abwärme nutzen kann. Die generierte Nutzwärme soll in nachgeschalteten Industrieprozessen und bei der dezentralen Versorgung Gemeinden Anwendung finden. Im Teilprojekt soll ein Partikelabscheider mit verbesserten Eigenschaften bzgl. Temperaturbeständigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen abrasive Stoffe entwickelt werden. Dabei ist ein Kompromiss aus Robustheit, geringe Druckverluste, hoher Abscheidegrad und Kosten zu finden. Mit Hilfe von numerischen Berechnungen, Materialuntersuchungen und praktischen Versuchen soll die Funktionsfähigkeit gewährleistet und die Überführung zur Realanwendung vorbereitet werden. Ergebnis des Teilprojektes wird eine modulare und standardisierte Hochtemperatur-Partikelabscheideeinheit sein, die mit den anderen Komponenten der Projektpartner zum BioClinc System kombiniert und effizient betrieben werden kann.