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Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre

Zur nachhaltigen Sicherung der Energie- und Stromversorgung wird zukünftig neben Kernenergie und regenerativer Energiebereitstellung weiterhin der Rückgriff auf fossile Brennstoffe, wie Kohle, Öl und Erdgas, unverzichtbar bleiben. Bei konventionellen Kraftwerkstechnologien werden jedoch Treibhausgase freigesetzt, während gleichzeitig deren Reduzierung weltweit hohe Priorität hat. Zur Lösung dieses Zielkonflikts werden 'Carbon Capture and Storage' (CCS)-Methoden diskutiert, wobei die Oxyfuel-Verbrennung eine der vielversprechendsten Technologien zur CO2-Abscheidung darstellt. Bei diesem Verfahren wird der Brennstoff anstelle von Luft mit einem Gemisch aus Sauerstoff und rezirkuliertem Rauchgas verbrannt, um so ein hoch CO2-haltiges Abgas zu erzeugen, das nach weiteren sekundären Reinigungsschritten abgetrennt werden kann. Der Ersatz des Stickstoffanteils der Luft durch CO2 und H2O führt zu einem völlig neuen Verbrennungsverhalten, das auch zu Instabilitäten sowie zum örtlichen Verlöschen der Flamme führen kann. Die korrekte Beschreibung dieses Verbrennungsverhaltens erfordert entsprechende physikalisch und chemisch motivierte Modelle für diese spezielle Gasatmosphäre. Deshalb sollen bis zum Projektende des Sonderforschungsbereichs/Transregio die folgenden Erkenntnisse, Daten und Modelle zur Verfügung stehen: (1) Belastbare Modelle durch grundlegendes Verständnis der beteiligten Prozesse und deren Abhängigkeit von den jeweiligen Einflussparametern, von der Mikroskala bis hin zur skalenübergreifenden Interaktion, (2) Basisdaten zur Vorhersage der Wärmeübertragung von der Flamme an die Wände und Einbauten in Kraftwerkskesseln mit Oxyfuel-Atmosphäre, (3) Verlässliche Berechnungsgrundlagen für die Entwicklung und Auslegung von Brennern und Feuerräumen für Oxyfuel-Kraftwerke mit Feststoffverbrennung. Im Sonderforschungsbereich/Transregio arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der RWTH Aachen, Ruhr-Universität Bochum und TU Darmstadt zusammen.

Entwicklung eines mathematischen Modells zur Minimierung des Energieverbrauchs bei Zementdrehrohröfen mit Ketteneinbauten

Zement wird mit Hilfe des Trocken- oder Nassverfahrens im Drehrohrofen hergestellt. Beim Nassverfahren ist der spezifische Energiebedarf zum Brennen des Klinkers ca. 40 Prozent höher als beim Trockenverfahren, da im Gegensatz zum Trockenverfahren das feuchte Vormaterial direkt in den Drehrohrofen eingebracht wird und so das Wasser im Drehrohrofen sehr energieintensiv verdampft werden muss. Eine Möglichkeit den Energiebedarf beim Nassverfahren zu senken, ist die Verbesserung des Wärmeübergangs von den heißen Rauchgasen auf das Vormaterial im Drehrohrofen, indem im Drehofen Ketten angebracht werden. Die Ketten werden im heißen Rauchgas aufgeheizt und durch die Drehbewegung des Ofens in das kältere Vormaterial gefördert, wo sie ihre Wärme entsprechend abgeben. Dadurch sind Energieeinsparungen von rd. 15 Prozent möglich. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts soll ein mathematisches Modell, basierend auf Stoff-, Massen-, Energie- und Impulsbilanzen, zur Beschreibung des Betriebsverhaltens dieser Kettensysteme formuliert werden, um durch eine verbesserte Auslegung des Kettensystems im Drehofen den Energiebedarf und damit Umweltbelastungen und Energiekosten bei der Zementherstellung zu minimieren.

Energierelevante Typenpruefung fuer Oel- und Gasheizkessel mit Geblaesebrenner

Ziel sind genauere Aussagen ueber das energetische Verhalten von Heizkesseln mit Geblaesebrenner. Es wird ein Berechnungsmodell verwendet, das anhand der Daten der Typenpruefung den Nutzungsgrad des Kessels bestimmt. Der Weg ueber das Berechnungsmodell erspart einen grossen Teil der sonst erforderlichen Messungen. Das Projekt testet vorgeschlagene Modelle aufgrund von Pruefstandsmessungen verschiedener Kesseltypen und entwickelt sie weiter.

Die oberflaechliche Kontamination von Koernerfruechten bei direkter Trocknung mit Propangas und Heizoel EL (Fe, Mn, Cu, Zn, Mo, Cr, Ni, Se, Cd, Pb, As, Hg, S, F, NO2, NO3)

Nachweis aller im Rauchgas/Luftgemisch von Fluessiggas- und Leichtoelbrennern auftretenden Stoffe (Pb, F, CrIII, CrVI, Zn, Se, Ni, As, Hg, Cd, Mo, Sn, Cu, SO2, Hf, NOx, polycyklische Aromate) bei Variation von Luftmenge, Gas- bzw. Oelmenge und Brennereinstellung. Ermittlung der Ablagerungen aus diesem Rauchgas/Luftgemisch auf Koernerschuettungen in Satz- und Durchlauftrocknern.

Statistische Erfassung von NOx-Emissionen an Haushalts-Gasgeraeten

Die statistische Erfassung von NOx-Emissionen auf dem Markt befindlicher und auf den Markt kommender Haushaltsgeraete soll einerseits Grundlage von zu erarbeitenden Normanforderungen bezueglich der zulaessigen NOx-Emissionen sein, andererseits zur Konstruktion und dem Einbau von Brennern mit NOx-armer Verbrennung fuehren.

Flexibler Einsatz von Wasserstoff an kontinuierlichen Glühlinien und Feuerbeschichtungsanlagen in der Stahlindustrie zur Reduktion der CO2-Emissionen, Teilvorhaben: Modifikation der industriellen Anlage und Untersuchung der Einflüsse auf den Betrieb

WASSERSTOFF: Industriegasbrennerentwicklung für Erdgas-Wasserstoff-Gemische, Teilprojekt A

Flexibler Einsatz von Wasserstoff an kontinuierlichen Glühlinien und Feuerbeschichtungsanlagen in der Stahlindustrie zur Reduktion der CO2-Emissionen, Teilvorhaben: Untersuchung und Optimierung des Strahlrohrsystems, Betriebsmessungen und Ökobilanz

LaBreVer - Last- und Brennstoffflexible Verbrennung, Teilvorhaben: Optimierung der Luftzufuhr zu neuartigen Strahlbrennern, Betriebsflexibilitätserweiterung von Kombikraftwerken und Untersuchung der Dynamik von Sprayflammen.

Das Vorhaben umfasst die drei Aktivitäten an den Lehrstühlen für Thermodynamik bzw. für Energiesysteme der TU-München zum Verbundvorhaben 'Last- und Brennstoffflexible Verbrennung (LaBreVer)'. Im Rahmen der ersten Teilaktivität wird ein neues fluiddynamisches Problem bearbeitet, das sich mit dem geplanten Generationswechsel von den traditionell eingesetzten großen Drallbrennern zu zahlreichen kleineren Strahlbrennern ergeben hat. Konkret geht es um die gleichmäßige und zeitlich stabile Versorgung der zahlreichen Einzelelemente solcher Brenner mit Verbrennungsluft nach der Strömungsumkehr im Kopf von Rohrbrennkammern. Die zweite Teilaktivität beschäftigt sich mit der thermoakustischen Verbrennungsinstabilität von Sprayflammen, die im Zusammenhang mit der Erhöhung der Brennstoffflexibilität von Kombikraftwerken von Bedeutung ist. Bisher nur für vorgemischte Gasflammen etablierte Berechnungsansätze sollen auf den deutlich komplexeren Fall mit Zerstäubung, zweiphasiger Mischung und Vorverdampfung ausgedehnt werden. Die dritte Teilaktivität ist auf Systemebene angesiedelt und beschäftigt sich mit der Betriebsflexibilitätserweiterung von Kombikraftwerken durch lokale Energiespeicherung, die im Zusammenhang mit der vermehrten Nutzung erneuerbaren Energien von steigendem Interesse ist.

Flexibler Einsatz von Wasserstoff an kontinuierlichen Glühlinien und Feuerbeschichtungsanlagen in der Stahlindustrie zur Reduktion der CO2-Emissionen, Teilvorhaben: Konzeption und Entwicklung des Strahlrohrsystems

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