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.
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.
Zielsetzung: Bei der Glasbearbeitung werden häufig Gasbrenner eingesetzt, um Werkstücke aus Glas zu erhitzen. Die Gasflamme emittiert dabei Strahlung im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Bereich. Hierdurch kann es zu Expositionen der Beschäftigten gegenüber optischer Strahlung kommen. Wie in früheren Untersuchungen der Berufsgenossenschaft der Feinmechanik und Elektrotechnik und des BGIA - Instituts für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung festgestellt wurde, sind dabei Überschreitungen der Expositionsgrenzwerte möglich. Im Projekt soll systematisch untersucht werden, wie hoch die optische Strahlenemission von Gasbrennern in Abhängigkeit vom Brennertyp, der Gasart, dem Gasdurchsatz und dem bearbeiteten Werkstück ist. Ziel ist es, aus den Ergebnissen Hinweise zu geeigneten Schutzmaßnahmen für die Glasbearbeitung mit Gasbrennern abzuleiten, damit die Expositionsgrenzwerte eingehalten und Gefährdungen vermieden werden können. Aktivitäten/Methoden: Zuerst sollen typische Exemplare von Gasbrennern (Tischbrenner, Handbrenner, Maschinenbrenner) ausgewählt werden. Danach erfolgt die Messung der Emission ultravioletter, sichtbarer und infraroter Strahlung an verschiedenen Gasbrennern im Labor. Dabei werden Gasart, Gasdurchsatz, Abstand (Hand, Unterarm, Gesicht), Winkel und Werkstückes variiert. Auch Betriebsmessungen an ausgewählten Arbeitsplätzen sind geplant, um den typischen Arbeitsablauf, den Abstand der Gasflamme zum Körper und die Exposition der Beschäftigten gegenüber optischer Strahlung zu ermitteln. Anhand der Ergebnisse der Untersuchungen sollen eine Datenbasis der UV-, VIS-, IR-Emission von Gasbrennern bei der Glasbearbeitung erstellt sowie Hinweise zu geeigneten Schutzmaßnahmen erarbeitet werden.
Eine Erhoehung des Wirkungsgrads von Feuerungsanlagen ist eine der wirksamsten Massnahmen zur Verringerung des Energieverbrauchs und damit gleichzeitig zur Reduktion der CO2-Emission. Eine Steigerung des Wirkungsgrads kann durch Waermerueckgewinnung aus dem Abgas z.B. zur Vorwaermung der Verbrennungsluft, durch eine Verringerung der Waermeverluste durch die Waende von Feuerungsanlagen z.B. durch kompaktere Anlagen mit geringeren Oberflaechen und durch eine Verbesserung der Waermeuebertragung im Ofenraum z.B. durch eine Erhoehung der Waermeabgabe der Flamme bzw. der Feuerraumgase erzielt werden. Im Rahmen dieses europaeischen Forschungsvorhabens soll versucht werden, die Waermeabgabe aus dem Feuerraum an das Waermgut (oder Waermetauscher) durch eine Erhoehung der Waermeuebertragung durch Konvektion und Strahlung zu erhoehen. Die Untersuchungen sollen fuer low-NOx Brenner mit hoher Verbrennungsluftvorwaermung (FLOX hoch TM und Stufenverbrennung) und fuer oxy-fuel Brenner durchgefuehrt werden. Eine Moeglichkeit zur Erhoehung des Strahlungsanteils der Flamme ist z.B. eine partielle Russbildung in der Flammenzone. Die Untersuchungen werden beispielhaft fuer Brenner, die an Glasschmelzwannen mit rekuperativer Luftvorwaermung eingesetzt werden koennen, durchgefuehrt. Glasschmelzoefen wurden deshalb ausgewaehlt, weil hier neben der Optimierung der Waermeuebertragung auch das NOx-Problem noch zu loesen ist. Die Ergebnisse der Untersuchungen koennen jedoch auch auf andere Feuerungsanlagen uebertragen werden. Neben experimentellen Untersuchungen wird auch eine mathematische Modellierung der Waermeuebertragung und der NOx-Bildung etc durchgefuehrt, um eine moeglichst schnelle Uebertragung der Forschungsergebnisse auf unterschiedliche Industrieanlagen zu ermoeglichen. Aus diesem Grund wurden die auf dem Gebiet der mathematischen Modellierung von Feuerungsanlagen fuehrenden Hochschulen mit in das Projekt eingebunden. Der Beitrag des GWI zum Gesamtprojekt kann in die folgenden Arbeitsschritte eingeteilt werden: 1) Untersuchung der Mischungs- und Reaktionsvorgaenge in low-NOx Flammen; 2) Ermittlung der Waermeuebertragungseigenschaften von Flammen; 2.1 Standardbrenner; 2.2 Low-NOx Brenner; 3) Optimierung der Waermeuebertragungseigenschaften von low-NOx Flammen; 4) Anpassung der spektralen Strahlungseigenschaften von low-NOx Flammen an das Absorptionsspektrum von Glasschmelzen; 5) Ermittlung der Waermeuebertragungseigenschaften von low-NOx oxy-fuel Flammen; 6) Vergleich der Waermeuebertragungseigenschaften von Erdgas-Luft- und Erdgas-Sauerstoff-Flammen. Mit den Arbeiten wurde am 1.1.98 begonnen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 62 |
| Europa | 8 |
| Wissenschaft | 17 |
| Zivilgesellschaft | 3 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 62 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 62 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 56 |
| Englisch | 9 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 30 |
| Webseite | 32 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 51 |
| Lebewesen und Lebensräume | 45 |
| Luft | 42 |
| Mensch und Umwelt | 62 |
| Wasser | 42 |
| Weitere | 62 |