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Mathematische Modellierung und experimentelle Untersuchungen zur Pyrolyse von Abfällen in einer Wirbelschicht und an einem Drehrohr im Pilotmaßstab

Das Ziel des hier in einem Paketantrag vorgeschlagenen Forschungsvorhabens besteht in der Entwicklung eines mathematischen Basismodells für die Pyrolyse von Abfällen, das in Verbindung mit den jeweiligen Reaktormodellen für die Beschreibung der Pyrolyse in einer Wirbelschicht und in einem Drehrohr geeignet ist. Dabei entspricht die Wirbelschicht als Reaktormodell einem oder wenigen Rührkesselelementen. Die Hintereinanderschaltung mehrerer dieser Elemente führt zum Kolbenströmermodell für das Drehrohr. Das bisher in Wirbelschichtreaktoren gesammelte, umfangreiche Datenmaterial zur Pyrolyse von homogenen Abfällen soll zunächst in einem detaillierten, mechanistischen Reaktionsmodell mit einem bereits erprobten Wirbelschichtmodell kombiniert werden. Dieses sehr detaillierte Modell liefert grundsätzliche Erkenntnisse zur Bedeutung einzelner Transport- und Reaktionsmechanismen für vergleichsweise homogene Abfallstoffe (z.B. Polymermischungen). Für komplex zusammengesetzte Abfälle, wie z.B. Schredderleichtfraktion, müssen vor dem Hintergrund fehlender Basisdaten bzgl. stoffspezifischer Eigenschaften und Daten zum Transport- oder Mischungsverhalten jedoch entsprechend vereinfachte Summenparameter u.a. mit Thermowagenuntersuchungen im Labor- und Technikummaßstab ermittelt werden. Das auf diese Weise gewonnene vereinfachte Basismodell für komplex zusammengesetzte Abfälle dient dann als Grundlage für das weiter zu entwickelnde Gesamtmodell für das Drehrohr.

Innovatives hydrometallurgischen Verfahren zur Zinkextraktion aus Reststoffen, insbesondere der Stahlindustrie, zur Unterstützung des Übergangs zu einer Kreislaufwirtschaft

Die DK Zinc Recycling GmbH ist eine neu gegründete GmbH mit Sitz in Duisburg, die ein 86-prozentiges Tochterunternehmen der Hargreaves services Plc ist - ein börsennotiertes Unternehmen mit ca. 1.400 Beschäftigten, das Dienstleistungen für den Umwelt-, Industrie- und Immobiliensektor erbringt. Durch das Vorhaben sollen 15 Arbeitsplätze neu geschaffen werden. Im Zuge der Dekarbonisierung der Stahlindustrie wird die klassische Hochofenroute zukünftig durch die Kombination aus Direktreduktion und Elektrolichtbogenofen (DRI/EAF-Route) abgelöst. Diese Umstellung führt prozessbedingt zum Anfall von deutlich größeren Mengen an Stahlwerksstäuben mit einem Zinkgehalt zwischen 5 bis 15 Prozent. Bisher können diese Stäube im klassischen Recyclingprozess, dem Wälzofenprozess, nicht wirtschaftlich recycelt werden, da dieses Verfahren erst ab Zinkgehalten von ca. 20 Prozent ökonomisch zu betreiben ist. Der am Standort bestehende „DK-Prozess“ kann wiederum nur Staubgemische mit einem Zinkanteil von ca. 3 Prozent verwerten. Mit einem innovativen Verfahren sollen nunmehr auch Stäube mit einem Zinkgehalt zwischen 5 bis 15 Prozent wirtschaftlich weiterverwertet werden können. Ziel ist, diesen Stoffstrom nicht mehr zu deponieren bzw. als Zuschlagstoff der Zementindustrie anzudienen, sondern die darin enthaltenen Metalle wie Eisen und Zink dem Wertstoffkreislauf wieder zuzuführen. Die Stäube sollen über eine mehrstufige, hydrometallurgische Zinkextraktion vollständig recycelt werden. Das Zink wird mithilfe von alkalischen Extraktionen und sauren Extraktionen aus den Vorstoffen gelöst. Anschließend erfolgen mehrere Reinigungsschritte, um Nebenkomponenten wie Eisen, Mangan, Nickel oder Kupfer abzutrennen. Dazu wird das zinkhaltige Filtrat aus den Extraktionsstufen zunächst oxidiert, um Eisen und Mangan auszufällen und anschließend über einen Aktivkohlefilter abzutrennen. Das Filtrat wird dann durch eine Zementation mit metallischem Zink von allen edleren Metallen befreit. Die ausgefällten Metalle werden abfiltriert und können dem klassischen DK-Prozess zugeführt werden. Das Lösemittel wird verdampft und kann nach der Rekondensation erneut für die Extraktionsschritte eingesetzt werden. Ein Teil des Extraktionsmittels wird zu Gips umgesetzt. Der so hergestellte Gips kann als weiteres Nebenprodukt verkauft werden. Durch das Abtrennen des Lösemittels fällt Zinkhydroxysulfat aus, welches abfiltriert, getrocknet und abschließend in einem erdgasbefeuerten Drehrohrofen kalziniert wird. Dabei entsteht als Hauptprodukt ein hochreines Zinkoxid („white seal“). Es entsteht zudem schwefeldioxidhaltiges Abgas, welches in einer Abgasreinigung zu Natriumhydrogensulfit überführt wird und ebenfalls vermarktet werden kann. Die Umweltentlastung liegt im hochwertigen Recycling von zinkhaltigen Stäuben, die bisher nicht wirtschaftlich verwertet werden können. Bezogen auf die angestrebte Produktionsmenge von 5.300 Tonnen Zinkoxid pro Jahr ergäbe dies eine Einsparung von 2,5 Tonnen CO 2 pro Tonne Zinkoxid bzw. 13.250 Tonnen CO 2 pro Jahr. Damit wird der CO 2 -Fußabdruck um etwa 60 Prozent gegenüber der Primärerzeugung von Zinkoxid reduziert. Neben dem CO 2 -Fußabdruck kommt auch noch der Verzicht auf Bergbau-Kapazitäten zum Tragen, da durch dieses Vorhaben auf die Förderung und Bearbeitung von etwa 40.000 Tonnen Zinkerz verzichtet werden kann, was mit der Reduzierung entsprechender Umweltbelastungen im Zinkbergbau einher geht. Der Modellcharakter ist gegeben. Durch Lizenzvergaben könnten ähnliche Anlagen dezentral und klimafreundlich errichtet werden, beispielsweise in unmittelbarer Nähe eines Stahlwerks. Daraus ergibt sich in Europa ein Potenzial von etwa 10–20 Nachahmern. Branche: Wasser, Abwasser- und Abfallentsorgung, Beseitigung von Umweltverschmutzungen Umweltbereich: Ressourcen Fördernehmer: DK Zinc Recycling GmbH Bundesland: Nordrhein-Westfalen Laufzeit: seit 2025 Status: Laufend

Lichtofenforschung - Skalierung Lichtfläche und LED Lebensdaueranalyse

Illutherm plant den Einsatz von kurzwelligem Licht für die Erhitzung industrieller Materialien, wie z.B. Keramik oder Zement als Ersatz für fossile Brennöfen. Hierfür muss die bisher vorhandene LED-Lichteinheit skaliert werden und die Möglichkeit des dauerhaften Betriebs von geeigneten LEDs bei hohen Temperaturen nachgewiesen werden. In diesem Projekt wird eine größere Lichtfläche aus mehreren modularen Lichteinheiten gebaut und getestet. Beim Testen wird ein Schwerpunkt darauf liegen, die Lebensdauer der Lichtfläche zu untersuchen und je nach Bedarf zu verlängern. Siehe auch Projektskizze

Untersuchung des Einflusses der H2-Verbrennung in Industrieöfen auf das Produkt am Beispiel von Stahlbrammen, Teilvorhaben: Betriebsnahe Analyse der Auswirkungen auf das Produkt bei H2-Einsatz

Ziel des Vorhaben 'H2-EiPro' ist es, den Einfluss auf das Nutzgut bei der Verwendung von Wasserstoff als Energieträger in Industrieöfen genauer zu ermitteln. Insbesondere bei den Prozessen, bei denen das Produkt in direktem Kontakt mit der Abgasatmosphäre des Verbrennungsprozesses kommt (offene/direkte Beheizung), ist mit einem zu untersuchenden Einfluss auf die Produkte zu rechnen. Es sollen die Auswirkungen und notwendigen Anpassungen (z.B. Aufheizkurven, Liegezeit, Volumenströme (Brenngas/-luft)) für unterschiedliche Produkte erstmals unter vollständigen Produktionsbedingungen am Beispiel eines Brammenofens einer Warmbandstraße mit Auswirkungen (weitere Verarbeitbarkeit bei veränderten Oberflächen- und Randschichten) auf die weiteren Bearbeitungsschritte (Folgeprozesse) systematisch untersucht werden. Die Folgeprozesse sind: Warmwalzen, Beizen, Kaltwalzen und Feuerbeschichten. Hierfür soll im Rahmen des Projektes ein vorhandener Pilot-Brammenofen mit offener Beheizung von Erdgas auf bis zu 100 % H2-Betrieb umgerüstet werden.

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.

Experimentelle Untersuchung einer Anlage zur integrierten Pyrolyse und Verbrennung von Biomasse

Hauptproblematik bei der Umsetzung von Vergasungsverfahren für Biomassen stellen nach wie vor die im Produktgas enthaltenen höheren Kohlenwasserstoffe dar. Ziel der Entwicklung des IPV-Verfahrens ist es, ein preisgünstiges Verfahren zur energetischen und rohstofflichen Nutzung von Biomassen und biogenen Reststoffen zu entwickeln, das die Vorbehandlung auf ein Minimum reduziert, ein hochwertiges, nicht mit Inertgasen verdünntes Produktgas erzeugt, dabei mit möglichst einfacher Anlagentechnik robust ist und eine hohe Verfügbarkeit aufweist. Das Verfahren beinhaltet die Kopplung eines Pyrolyse- und eines Verbrennungsprozesses. Das entstehende weitgehend teerfreie Synthesegas kann rohstofflich oder energetisch verwendet werden.

Untersuchung des Einflusses der H2-Verbrennung in Industrieöfen auf das Produkt am Beispiel von Stahlbrammen, Teilvorhaben: Untersuchung des Einflusses auf die Produktqualität sowie Ermittlung von notwendigen Anpassungen der Produktionsparameter

Ziel des Vorhaben 'H2-EiPro' ist es, den Einfluss auf das Nutzgut bei der Verwendung von Wasserstoff als Energieträger in Industrieöfen genauer zu ermitteln. Insbesondere bei den Prozessen, bei denen das Produkt in direktem Kontakt mit der Abgasatmosphäre des Verbrennungsprozesses kommt (offene/direkte Beheizung), ist mit einem zu untersuchenden Einfluss auf die Produkte zu rechnen. Es sollen die Auswirkungen und notwendigen Anpassungen (z.B. Aufheizkurven, Liegezeit, Volumenströme (Brenngas/-luft)) für unterschiedliche Produkte erstmals unter vollständigen Produktionsbedingungen am Beispiel eines Brammenofens einer Warmbandstraße mit Auswirkungen (weitere Verarbeitbarkeit bei veränderten Oberflächen- und Randschichten) auf die weiteren Bearbeitungsschritte (Folgeprozesse) systematisch untersucht werden. Die Folgeprozesse sind: Warmwalzen, Beizen, Kaltwalzen und Feuerbeschichten. Hierfür soll im Rahmen des Projektes ein vorhandener Pilot-Brammenofen mit offener Beheizung von Erdgas auf bis zu 100 % H2-Betrieb umgerüstet werden.

Grundlagenforschung zur Verwendung von geschmolzenen Salzen in der Luftreinhaltungstechnik

Ziel der Vorhaben ist die Verwendung von geschmolzenen Salzen als Adsorptionsmittel fuer Schwefeldioxid aus Abgasen. In einem Drehrohrofen wird das Entschwefelungsvermoegen von ternaeren, niedrigschmelzenden Karbonatschmelzen untersucht, wobei auch eine regenerative Verwendung der Salze vorgesehen ist, was auch eine Ueberfuehrung des Schwefels in seine umweltfreundliche Elementarform ermoeglicht.

Schadstoffarme Verbrennung von Ammoniak für Industrieöfen mittels flammloser Oxidation mit partieller Spaltung des Brennstoffs

Untersuchungen zur regenerativen und emissionsarmen Wärmebereitstellung mit grünem Ammoniak durch Integration eines Ammoniakcrackers am Industrieofen - NH3-Cracker am Industrieofen

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