Hochtemperaturprozesse sind immer mit extremen thermischen Verlusten verbunden, so dass sich ein mächtiger Hebel zu Energie-, CO2- und Kosteneinsparung ergibt. Um die Wirksamkeit der Effizienzsteigerung dieser Prozesse durch MMSO zu demonstrieren, wird im Verbundprojekt der Kammerofenprozess des Anwendungspartners ICL betrachtet, der unter hohem Energiebedarf zur Herstellung von Polyphosphaten eingesetzt wird. Für die Modellierung ist ein komplexes Multiphysik-Modell notwendig, auf dessen Basis sowohl die Ofengeometrie neu ausgelegt als auch die Positionierung des Gasbrenners optimiert wird. Die entwickelten Methoden lassen sich später auf eine Vielzahl ähnlicher Hochtemperaturprozesse, insbesondere aus dem Bereich der chemischen Industrie und der Glasproduktion, übertragen. Das Teilprojekt TP2 bildet die Schnittstelle zur industriellen Anwendung und setzt die entwickelten Methoden in Form eines Demonstrators für den Kammerofenprozess um.
Hochtemperaturprozesse sind immer mit extremen thermischen Verlusten verbunden, so dass sich ein mächtiger Hebel zu Energie-, CO2- und Kosteneinsparung ergibt. Um die Wirksamkeit der Effizienzsteigerung dieser Prozesse durch MMSO zu demonstrieren, wird im Verbundprojekt der Kammerofenprozess des Anwendungspartners ICL betrachtet, der unter hohem Energiebedarf zur Herstellung von Polyphosphaten eingesetzt wird. Für die Modellierung ist ein komplexes Multiphysik-Modell notwendig, auf dessen Basis sowohl die Ofengeometrie neu ausgelegt als auch die Positionierung des Gasbrenners optimiert wird. Die entwickelten Methoden lassen sich später auf eine Vielzahl ähnlicher Hochtemperaturprozesse, insbesondere aus dem Bereich der chemischen Industrie und der Glasproduktion, übertragen. Ziel von TP1 ist eine umfassende Modellierung des Kammerofenprozesses sowie die Bereitstellung von adäquaten numerischen Verfahren zur Optimierung des Gasbrenners und zur Formoptimierung des Kammerofens.
Die sichere, bezahlbare und nachhaltige Energieversorgung der Zukunft wird wesentlich durch die effiziente Wandlung primärer, überwiegend regenerativer Energieträger zu sekundären Energieträgern wie Strom, Wärme und Kraftstoffe sowie deren effiziente Nutzung bestimmt. Forschung und Entwicklung stehen daher vor der Aufgabe, relevante Optionen und variable Prozesskombinationen zu entwickeln, um bei sich ändernden Bedingungen der Märkte innovative und flexibel umsetzbare Lösungen bereitzuhalten. Im Rahmen des Energy Lab 2.0 wird am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ein energietechnischer Anlagenverbund realisiert, der wesentliche Komponenten zur Erzeugung, Wandlung und Speicherung verschiedener Energieträger enthält und dabei elektrische, thermische und chemische Energieströme miteinander verknüpft. Eine wichtige Fragestellung dabei ist der Einsatz von Gasturbinen zur Erzeugung von Strom und Wärme aus unterschiedlichen Mischungen von Synthesegas und Erdgas . Im Rahmen des hier beantragten Vorhabens soll deshalb ein Brennersystem entwickelt werden, das einen brennstoff- und lastflexiblen Betrieb der Gasturbine ermöglicht. Zur Analyse der Wechselwirkungen zwischen den Verbrauchern, den Erzeugern, dem Vergasungsprozess und der Gasturbine wird ein mobiler Mikrogasturbinenprüfstand (MobGT) durch das DLR aufgebaut und im Anlagenverbund des KIT in Betrieb genommen. Die Entwicklung des MobGT lässt sich in die drei Schritte Konzept, Entwicklung und Inbetriebnahme unterteilen. Im ersten Schritt wird das Design des Brennersystems entworfen und der MobGT Prüfstand sowie das Regelungskonzept entwickelt. In der Entwicklungsphase wird das Brennersystem getestet, optimiert und in den MobGT eingebaut. Der Schritt Inbetriebnahme ist zweigeteilt und umfasst zuerst eine Inbetriebnahme des mobilen Labors am DLR in Stuttgart. Nach erfolgreichem Betrieb folgt der Transport und die Inbetriebnahme in Karlsruhe, wo eine reale Kopplung an den bioliq® Vergaser durchgeführt werden kann.
Die Glasindustrie kann einen wichtigen Beitrag zur Ausrichtung von Industrieprozessen auf eine flukturierende Energieversorgung leisten, weil in ihren Schmelzanlagen Primärenergieträger (Erdgas) und Strom parallel eingesetzt werden und es besteht eine gut ausgebaute Infrastruktur für die Versorgung, Messung und Regelung beider Energieträger. Zur Erzeugung einer spezifikationsgerechten Glasqualität ist neben der Energiemenge auch die Verteilung zwischen den beiden Energieträgern von ausschlaggebender Bedeutung. Da elektrischer Strom unmittelbar in die Schmelze eingebracht wird, während die Gasbrenner nur über Wärmestrahlung auf die Glasschmelze einwirken, können sich bei Änderung der Energieverteilung sehr unterschiedliche Glasqualitäten (Anzahl der Blasen, Relikte, Knoten u.a.) ergeben. Daher wird eine Glasschmelzanlage in der Regel mit konstanten Anlagenparametern betrieben und es bestehen nur sehr wenige Erfahrungen für den Betrieb von Schmelzanlagen unter flexibler Energieverteilung. Im Vorhaben wird nach Möglichkeiten gesucht, den Flexibilisierungsgrad zwischen den beiden Energieträgern auf mindestens 10% der eingesetzten Gesamtenergie zu steigern. Nach theoretischer Voruntersuchung wird ein kontinuierlicher Versuch im Technikumsmaßstab (2-4 t/d) durchgeführt, um die Ergebnisse der Voruntersuchung experimentell zu verifizieren. Im 1. Projektjahr sind theoretische Arbeiten in Form von mathematischen Simulationen geplant. Aus den Ergebnissen können Aussagen zum möglichen Flexibilisierungsgrad sowie eine erste Kosten/Nutzen-Abschätzung abgeleitet werden. Im 2. Projektjahr wird ein Versuch konzipiert und das Lasten- und Pflichtenheft für einen 6-wöchigen Technikumsversuch erstellt. Im 3. Projektjahr wird dieser Technikumsversuch aufgebaut und durchgeführt. Zum Projektende können Aussagen zum Einfluss einer flexibilisierten Energieverteilung auf Glasqualität, Produktionsausbeute und Betriebskosten getroffen werden.
Dieses Vorhaben ist Teil des Verbundprojektes AG Turbo 2020. Im Mittelpunkt dieses Vorhabens steht die Erweiterung des Betriebsbereiches eines robusten Hochtemperatur-Gasturbinenbrenners, mit dem niedrige Stickoxidemissionen bei hohen Temperaturen als auch geringe Kohlenmonoxidemissionen bei tiefen Temperaturen erreicht werden können. Außerdem soll mit Hilfe einer axialen Stufung thermoakustisch induzierte Verbrennungsinstabilitäten über einen größeren Betriebsbereich vermieden werden. Dazu soll eine umfassende akustische Charakterisierung für unterschiedliche Betriebsparameter zusammen mit verschiedenen optischen Messtechniken durchgeführt werden. Aus diesen Messungen wird ein umfangreicher Datensatz erstellt, mit dem Siemens Validierungen für die numerische Simulation durchführen kann. Für den Hochdruckbrennkammerprüfstand HBK-S soll eine Brennkammer entwickelt werden, die ein möglichst ähnliches akustisches Verhalten wie eine aktuell bei Siemens verwendete Gasturbinenbrennkammer hat. Mit der zusätzlichen axialen Stufung werden verschiedene Betriebspunkte hinsichtlich des akustischen Verhaltens und der Abgasemissionen charakterisiert. In einer zweiten Messkampagne werden dann für ausgewählte Betriebspunkte detaillierte laserdiagnostische Verfahren eingesetzt, mit denen der CO-Ausbrand, das Strömungsfeld und die Lage der Flammenfront bestimmt werden sollen.
Die Verbundpartner entwickeln ein Energie- und Stoffstrommanagement auf der Basis eines Mephrec®-Schmelzreaktors zur Verwertung des regional erzeugten Klärschlamms mit dem Ziel der nahezu reststofffreien Rückgewinnung und Nutzung der enthaltenen Energie, der Metalle und der Pflanzennährstoffe. Mit Hilfe einer Pilotanlage im halbtechnischen Maßstab soll das Mephrec®-Verfahren der einstufigen, metallurgischen Verarbeitung des Klärschlamms in seinen Kernkomponenten getestet werden. In diesem Sinne sollen mit dem Vorhaben alle maßgeblichen Fragen der integrierten Systemlösung zur energetischen und stofflichen Verwertung mit Allokation der Abwasserinhaltsstoffe beantwortet werden. Die Baumgarte Boiler Systems GmbH ist verantwortlich für die Planungsleistungen im Bereich Objektplanung und technische Ausrüstung sowie für die Bauausführung der Pilotanlage. Zum Lieferumfang bzw. Verantwortungsbereich gehört der Mephrec®-Reaktor, der Gasbrenner mit Muffel, der Stahlungsrekuperator, der Wärmetauscher, die Rauchgasreinigung, das Schlacken- und Eisenhandling, die Düsen-, Herd- sowie die el. und leittechn. Ausrüstung o.g. Komponenten. Der Lieferumfang beginnt an der Einwurföffnung am Mephrec®-Reaktor und endet rauchgasseitig unmittelbar hinter dem Schlauchfilter. Der benötigte Sauerstoff inkl. Düsen wird an der Primärwindeindüsung zur Verfügung gestellt. Baumgarte Boiler Systems wird die o.g. Komponenten auslegen, konstruieren, liefern, montieren, in Betrieb nehmen und den Betrieb wenn notwendig begleiten.
Entwicklung eines Verbrennungssystems mit erweiterter Brennstofffähigkeit: Ziel ist eine Mehrbrennstofffähigkeit, so dass sowohl flüssige als auch gasförmige Brennstoffe verbrannt werden können. Als Basis dient ein Strahlbrennerkonzept das in vorhergehenden AGTurbo Vorhaben ein sehr gutes Potential bezüglich Betriebsflexibilität und Hochtemperaturfähigkeit gezeigt hat. Ein begleitendes Ziel ist die Weiterentwicklung eines Designsystems zur Qualifizierung von Zweibrennstoffverbrennungssystem für gasförmige als auch flüssige Brennstoffe. Die Zielsetzung erfordert die Entwicklung und Auslegung von Mehrbrennstoffdüsen. Hierbei kann auf die Arbeiten zur Gasverbrennung (COORETEC 2.1.4) zurückgegriffen werden. Allerdings besitzt das Designsystem zur Auslegung des Ölverbrennungssystems noch erhebliche Lücken. Insbesondere sind Methoden zur Charakterisierung von Öl/Wasser Emulsionen, die zur NOx Minderung im Ölbetrieb verwendet werden, hauptsächlich erfahrungsbasiert. Deshalb werden parallel zur Konzeptentwicklung auch die Designmethoden zur Entwicklung des Flüssigbrennstoffsystems vertieft und qualifiziert. Geplant ist die Untersuchung des Ölverbrennungssystems im Labormaßstab bei der DLR. Die Zerstäubung und Brennstoffaufbereitung im Vormischkanal sollen bei SIEMENS im Labormaßstab untersucht werden. Auf Basis der Grundlagen Untersuchungen wird SIEMENS den Ölbrenner in den bestehenden Gasbrenner integrieren und in einem Hochdrucktest im Maschinenmaßstab qualifizieren.
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