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Online-Optimierung eines Absorptions- und Desorptionsprozesses für die Koksofengasreinigung

In der Prozessindustrie sind die Anforderungen an die Verfahren wie preiswertes Design und umweltschonenden Betrieb vielseitig, und teilweise auch gegenläufig. Hierdurch steigt der Bedarf an flexibleren Produktionsanlagen, um den steigenden Anforderungen bezüglich der schnell wechselnden Marktanforderungen und der Umweltverträglichkeit gerecht zu werden. Ressourcenschonung und Reduzierung der Umweltbelastung sind Ziele, die die gängigen Verfahren aufgrund der sich ändernden Umweltauflagen (Reinheit der Gasemission) an die Grenzen der Wirtschaftlichkeit bringen. Die Reaktivabsorption und die anschließende Desorption stellt durch die Kombination von Stofftrennung und chemischer Reaktion in Mehrkomponentensystemen ein sehr komplexes Verfahren mit einem hohen Optimierungspotential dar. Dies gilt insbesondere für die im Rahmen des Forschungsprojektes zu untersuchende Ammoniak-Schwefelwasserstoff-Kreislaufwäsche zur Reinigung von Kokereiabgasen. Bei diesem industriell relevanten und hier exemplarisch ausgewählten Prozess basiert der konventionelle Betrieb integrierter Kolonnensysteme auf der vorherigen Auslegung für einen konstanten Betriebspunkt. In der Realität ändern sich jedoch die Randbedingungen, so dass die Prozesse am vorgegebenen Betriebspunkt nicht optimal betrieben werden können. Hier liegt die besondere wissenschaftliche Herausforderung bezüglich der Online-Optimierung, die Umweltrestriktionen sowie alle Produktanforderungen unter den gegebenen Anlagenbegrenzungen und den sich ändernden Echtzeit-Randbedingungen zur Minimierung der Betriebskosten gleichzeitig einzuhalten. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird eine Methodik zur Online Optimierung entwickelt und an einer realen Anlage (AS-Kreislaufwäsche) im Pilotmaßstab erprobt und bewertet. Als Ergebnis ist ein effizientes robustes Online-Optimierungssystem zur Ermittlung optimaler Prozessführungsstrategien für dynamische nichtlineare große Systeme unter Echtzeit-Randbedingungen zu erwarten. Die zu entwickelnde Methodik der Online-Optimierung ist allgemeingültig und soll für die Optimierung anderer Prozesse übertragbar sein.

Monitoring and modeling of water and water-related nutrient fluxes in rice-based cropping systems

Many studies have been conducted with the aim to better understand biologic and hydrologic processes that control C and N fluxes in rice paddy systems. But rarely have studies attempted to explicitly link the hydrological and biogeochemical controls of nutrient transport on the field scale. In this research project we aim to improve our understanding of processes that are involved in storing and releasing water and nutrients of different rice-based cropping systems. The Catchment Modeling Framework (CMF) will be coupled to the biogeochemical MOBILE-DNDC model (SP6) in to simulate (1) vertical and lateral transport processes of water, C and N and (2) to predict the reaction of ecosystem services such as water storage and purification, gas regulation, nutrient cycling and food supply in dependence of cropping systems. SP7 follows a rejectionist framework where model complexity is adapted to available data and process understanding. State-of-the-art analytical instruments will be connected to a unique automatic sampling system to continuously measure water isotopic composition as well as dissolved carbon and nitrogen solutes in situ for the first time. Waters to be sampled include surface water, irrigation water, groundwater and water vapor. Cavity Ringdown Spectroscopy will be used to measure 2H/H and 18O/16O. Isotopic signatures will allow estimating water mean transit times, partitioning between evaporation and transpiration and separating flow paths. Hyperspectral UV photometers equipped with a flow-through cell will be installed for continuous measurements of nitrate and DOC.

Verbrennung von Hausmuell

Die Entsorgung kommunaler Abfaelle erfordert die Weiterentwicklung des klassischen Muellverbrennungsprozesses mit dem Ziel einer Minderung der Freisetzung von Schadstoffen. Dazu sind umfassende Kenntnisse ueber die Entstehung und das Verhalten einzelner Schadstoffe notwendig. Entsprechende Untersuchungen werden an bestehenden Muellverbrennungsanlagen, insbesondere mit Hilfe der halbtechnischen Testanlage TAMARA des KfK durchgefuehrt. Sie betreffen folgende Problemkreise: 1) Bilanzierung und Verhalten von Schadstoffen mit dem Ziel einer Schadstoffbilanz in Muellverbrennungsanlagen mit unterschiedlichen Gasreinigungssystemen mittels Einsatz moderner Analyseverfahren. 2) Untersuchungen der Verbrennungsvorgaenge im Brennraum und in der Nachbrennkammer von Muellverbrennungsanlagen, insbesondere der Entstehung organischer Schadgase, des chemischen und thermischen Verhaltens von Schwermetallen und der Bildungs-, Emissions- und Zersetzungsmechanismen organischer Schadstoffe einschl. Entwicklung spezieller analytischer Verfahren. 3) Erprobung der Abscheidewirksamkeit verschiedener Entstaubungsverfahren wie Zyklone, Elektro- und Gewebefilter, in Kombination mit nasser Rauchgasbehandlung zur HCl-, Hg- und SO2-Abscheidung. 4) Methodische Entwicklungen zur Schwermetallaugung aus den Filterstaeuben mit der sauren Fluessigphase der Rauchgas-Waesche, zur Abscheidung und Konzentrierung dieser Metalle aus den resultierenden Waessern, mit Hilfe der Testanlagen DORA und KLARA sowie zur Rueckfuehrung der gelaugten Filterstaeube in den Verbrennungsraum, um anhaftende organische Schadstoffe zu zerstoeren (3R-Verfahren).

Entwicklung eines innovativen Adsorptionsmittels auf Kohlenstoffbasis zur Reinigung wasserstoffhaltiger Gase als ein Baustein der Wasserstoffwirtschaft, Teilvorhaben DBI: Technischer Nachweis der Funktionsfähigkeit sowie verfahrenstechnische Optimierung der Performance der Aktivkohlen

Untersuchung hochflexibler Betriebsfahrweisen von Salzkavernen und Obertageanlagen zur Wasserstoffspeicherung unter Nutzung von Sole-Pendelung

Im F&E Vorhaben 'H2CAST-Prove' werden neuartige Betriebsfahrweisen zur Untergrundspeicherung von grünem Wasserstoff in Salzkavernen erprobt und sicherheitstechnisch validiert. Zwei umgerüstete Kavernen und die für H2 ausgelegte Obertageanlage werden im industriellen Maßstab betrieben. Mit Hilfe eines innovativen Solependelbetriebs unter Nutzung bestehender Anlagen wird ein realitätsnaher Betrieb in einem geschlossenen Kreislauf ohne Verbrauch von H2 abgebildet. Speichervolumen, Druck- und Fließratenregime können angepasst werden, hochflexible und multizyklische Ein- und Ausspeicherraten sind möglich. Probeläufe und der Langzeitdemonstrationsbetrieb liefern Grundlagen für Bewertung und Optimierung der Betriebsfahrweisen, Gasreinigung, Kavernenintegrität, Prüf- und Instandhaltungsstrategien und Anlagensicherheit. Durch den Testbetrieb wird ein TRG von 7 erreicht. Ein Triaxialprüfstand für gebirgsmechanische Untersuchungen wird entwickelt. Die Kavernen dienen dem Test von Untertage-Ausrüstungen, Durchführbarkeit von UT-Arbeiten sowie dem Fachkräfte- und Wissensaufbau. Mittels eines Gesamtsystemmodelles erfolgt begleitend die simulative Bestimmung von Auslegungsgrößen und Betriebsparametern für den Versuchsbetrieb. Zusätzlich werden die Potentiale der Kavernenspeicher als sektorenkoppelnde Schnittstelle des Gas- und Stromnetzes evaluiert und Konzepte für CO2-Einsparpozenziale erarbeitet. Mit Projektabschluss soll ein entsprechend den sicherheitstechnischen und behördlichen Anforderungen bestimmungsgemäßer Speicher für die unbefristete Nutzung bereitstehen. Das Speichervolumen kann entsprechend des Bedarfs angepasst werden. H2CAST dient zum gezielten, nachhaltigen infrastrukturellen Markthochlauf für die Untergrundspeicherung von H2 als chemischer Energieträger in einem zukünftigen Energiesystem. Voraussetzungen für die Anbindung des Kavernenspeichers an eine H2-Pipeline Infrastruktur werden geschaffen. Begleitend stehen Fragen zur öffentlichen Akzeptanz im Fokus.

Untersuchung hochflexibler Betriebsfahrweisen von Salzkavernen und Obertageanlagen zur Wasserstoffspeicherung unter Nutzung von Sole-Pendelung, Teilprojekt: Modellierung Gesamtsystem

Im F&E Vorhaben 'H2CAST-Prove' werden neuartige Betriebsfahrweisen zur Untergrundspeicherung von grünem Wasserstoff in Salzkavernen erprobt und sicherheitstechnisch validiert. Zwei umgerüstete Kavernen und die für H2 ausgelegte Obertageanlage werden im industriellen Maßstab betrieben. Mit Hilfe eines innovativen Solependelbetriebs unter Nutzung bestehender Anlagen wird ein realitätsnaher Betrieb in einem geschlossenen Kreislauf ohne Verbrauch von H2 abgebildet. Speichervolumen, Druck- und Fließratenregime können angepasst werden, hochflexible und multizyklische Ein- und Ausspeicherraten sind möglich. Probeläufe und der Langzeitdemonstrationsbetrieb liefern Grundlagen für Bewertung und Optimierung der Betriebsfahrweisen, Gasreinigung, Kavernenintegrität, Prüf- und Instandhaltungsstrategien und Anlagensicherheit. Durch den Testbetrieb wird ein TRG von 7 erreicht. Ein Triaxialprüfstand für gebirgsmechanische Untersuchungen wird entwickelt. Die Kavernen dienen dem Test von Untertage-Ausrüstungen, Durchführbarkeit von UT-Arbeiten sowie dem Fachkräfte- und Wissensaufbau. Mittels eines Gesamtsystemmodelles erfolgt begleitend die simulative Bestimmung von Auslegungsgrößen und Betriebsparametern für den Versuchsbetrieb. Zusätzlich werden die Potentiale der Kavernenspeicher als sektorenkoppelnde Schnittstelle des Gas- und Stromnetzes evaluiert und Konzepte für CO2-Einsparpozenziale erarbeitet. Mit Projektabschluss soll ein entsprechend den sicherheitstechnischen und behördlichen Anforderungen bestimmungsgemäßer Speicher für die unbefristete Nutzung bereitstehen. Das Speichervolumen kann entsprechend des Bedarfs angepasst werden. H2CAST dient zum gezielten, nachhaltigen infrastrukturellen Markthochlauf für die Untergrundspeicherung von H2 als chemischer Energieträger in einem zukünftigen Energiesystem. Voraussetzungen für die Anbindung des Kavernenspeichers an eine H2-Pipeline Infrastruktur werden geschaffen. Begleitend stehen Fragen zur öffentlichen Akzeptanz im Fokus.

Abgasreinigung in der elektrischen Entladung

In Elektrodenanordnungen mit zwischengeschaltetem Dielektrikum koennen bei Anlegen einer hinreichend hohen Wechselspannung Entladungsvorgaenge eingeleitet werden, die zur Zersetzung des Gases fuehren (auf diese Art und Weise ist beispielsweise auch Ozon fuer die Trink- und Abwasseraufbereitung erzeugbar). Es ist naheliegend zu untersuchen, ob bei einer solchen Art von 'Stiller Elektrischer Entladung' auch Schadgase zersetzt werden koennen. Die Untersuchungen wurden mit NOx und SO2 durchgefuehrt.

Heissentfluorierung von reduzierenden Gasen mit Absorbern auf Kalkbasis

In der Industrie, z.B. bei der Muellvergasung oder bei GuD-Kraftwerken, entsteht unter anderem Fluorwasserstoff (HF). Da HF extrem umweltschaedlich und giftig ist, muss es aus dem Gas entfernt werden. Im Gegensatz zu den konventionellen Nassgasreinigungen kann das Gas trocken bei moeglichst hohen Temperaturen gereinigt werden. Energieverluste infolge des Abkuehlens und Wiederaufheizens koennen vermieden und so der Wirkungsgrad um einige Prozentpunkte erhoeht werden. Zudem entfaellt die Aufbereitung der anfallenden Abwaesser bei der Nassgasreinigung. Die Entwicklung derartiger Verfahren ist Gegenstand dieses Projektes.

Entwicklung eines innovativen Adsorptionsmittels auf Kohlenstoffbasis zur Reinigung wasserstoffhaltiger Gase als ein Baustein der Wasserstoffwirtschaft, Teilprojekt: Ingenieurtechnische Begleitung der Entwicklungen aus Anwendersicht sowie Konzepterstellung zur Verfahrensumsetzung

Klimaneutrale Wärmenutzung und Wasserstofferzeugung aus biogenen Rest- und Abfallstoffen, Teilvorhaben: Optimiertes Prozessverständnis durch Analytik und Modellierung

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