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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.

Verbund - DDI: Wassergranulation von Elektroofenschlacke zu Schwarzem Hüttensand

Nachweis der Machbarkeit der CO2-Abtrennung mittels CycloneCC-Technologie in der Zementindustrie

Holcim (Süddeutschland) GmbH wird in dem Vorhaben der Erstanwender der sogenannten 'CycloneCC-Technologie' als 'End-of-Pipe'-Lösung innerhalb der Zementindustrie im industriellen Maßstab sein. Im Projekt PRIDE-ID wird ein Versuch der Technologie zur Abscheidung unvermeidbarer CO2-Emissionen mittels realer Prozessgase in einem Zementwerk erfolgen. Die CycloneCC-Technologie, welche eine CO2-Abtrennung mittels Rotating Packed Bed-Komponente einsetzt, ist als innovative, kostengünstige CO2-Abscheidungstechnologie von dem Unternehmen Carbon Clean entwickelt worden (eingebunden als Unterauftragnehmer). Zudem ist im Rahmen des zu fördernden Vorhabens die Universität Stuttgart als Projektpartner eingebunden, welche den Einsatz der CycloneCC-Technologie wissenschaftlich begleiten und CO2-Nutzungsszenarien für eine perspektivische Skalierung der Technologie erarbeiten wird. Als weiterer wissenschaftlicher Partner charakterisiert das Institut für Nichtklassische Chemie e.V. die Wirkkomponenten und deren Alterungsprodukte in der Aminlösung und identifiziert die Mechanismen der Alterungsreaktionen. Ziel des Projekts ist die Installation einer Versuchsanlage zur CO2-Abtrennung mit der CycloneCC-Technologie im Zementwerk Dotternhausen, um 10 TPD CO2 aus dem Gasstrom des Zementwerks abzuscheiden. Das Projekt wird am Gelände des Holcim Zementwerk in Dotternhausen und unter Verwendung eines Teilabgasstromes des Werkes stattfinden. Holcim wird die Testkampagne durch Mitarbeiter vor Ort unterstützen und Probenentnahmen gewährleisten. Anschließend wird Holcim bei der Erarbeitung des Skalierungskonzept unterstützen. Holcim wird weitreichende Kenntnisse im Bereich Verbrennungsprozess und Betriebsweisen in der Zementproduktion, der Verwendung von CO2 als Rohstoff sowie erforderliche Prozessdaten (u.a. für die Charakterisierung der Stoffströme und potenzielle Störkomponenten) in das Vorhaben einbringen.

Nachweis der Machbarkeit der CO2-Abtrennung mittels CycloneCC-Technologie in der Zementindustrie, Teilvorhaben: Praxisorientierte Analyse einer innovativen CO2-Abscheidetechnologie

Holcim (Süddeutschland) GmbH wird in dem Vorhaben der Erstanwender der sogenannten 'CycloneCC-Technologie' als 'End-of-Pipe'-Lösung innerhalb der Zementindustrie im industriellen Maßstab sein. Im Projekt PRIDE-ID wird ein Versuch der Technologie zur Abscheidung unvermeidbarer CO2-Emissionen mittels realer Prozessgase in einem Zementwerk erfolgen. Die CycloneCC-Technologie, welche eine CO2-Abtrennung mittels Rotating Packed Bed-Komponente einsetzt, ist als innovative, kostengünstige CO2-Abscheidungstechnologie von dem Unternehmen Carbon Clean entwickelt worden (eingebunden als Unterauftragnehmer). Zudem ist im Rahmen des zu fördernden Vorhabens die Universität Stuttgart als Projektpartner eingebunden, welche den Einsatz der CycloneCC-Technologie wissenschaftlich begleiten und CO2-Nutzungsszenarien für eine perspektivische Skalierung der Technologie erarbeiten wird. Als weiterer wissenschaftlicher Partner charakterisiert das Institut für Nichtklassische Chemie e.V. die Wirkkomponenten und deren Alterungsprodukte in der Aminlösung und identifiziert die Mechanismen der Alterungsreaktionen. Ziel des Projekts ist die Installation einer Versuchsanlage zur CO2-Abtrennung mit der CycloneCC-Technologie im Zementwerk Dotternhausen, um 10 TPD CO2 aus dem Gasstrom des Zementwerks abzuscheiden. Das Projekt wird am Gelände des Holcim Zementwerk in Dotternhausen und unter Verwendung eines Teilabgasstromes des Werkes stattfinden. Holcim wird die Testkampagne durch Mitarbeiter vor Ort unterstützen und Probenentnahmen gewährleisten. Anschließend wird Holcim bei der Erarbeitung des Skalierungskonzept unterstützen. Holcim wird weitreichende Kenntnisse im Bereich Verbrennungsprozess und Betriebsweisen in der Zementproduktion, der Verwendung von CO2 als Rohstoff sowie erforderliche Prozessdaten (u.a. für die Charakterisierung der Stoffströme und potenzielle Störkomponenten) in das Vorhaben einbringen.

Nachweis der Machbarkeit der CO2-Abtrennung mittels CycloneCC-Technologie in der Zementindustrie, Teilvorhaben: Untersuchung der Alterung der Waschlösung und deren Konsequenzen für die Abscheidung von Kohlendioxid

Holcim (Süddeutschland) GmbH wird in dem Vorhaben der Erstanwender der sogenannten 'CycloneCC-Technologie' als 'End-of-Pipe'-Lösung innerhalb der Zementindustrie im industriellen Maßstab sein. Im Projekt PRIDE-ID wird ein Versuch der Technologie zur Abscheidung unvermeidbarer CO2-Emissionen mittels realer Prozessgase in einem Zementwerk erfolgen. Die CycloneCC-Technologie, welche eine CO2-Ab-trennung mittels Rotating Packed Bed-Komponente einsetzt, ist als innovative, kostengünstige CO2-Abscheidungstechnologie von dem Unternehmen Carbon Clean entwickelt worden (eingebunden als Unter-auftragnehmer). Carbon Clean ist ein innovatives Unternehmen mit Hauptsitz in Großbritannien, das sich auf Kohlendioxid-Rückgewinnungstechnologie für industrielle Zwecke spezialisiert hat. Zudem ist im Rah-men des zu fördernden Vorhabens die Universität Stuttgart als Projektpartner eingebunden, welche den Einsatz der CycloneCC-Technologie wissenschaftlich begleiten wird. Als weiterer wissenschaftlicher Part-ner charakterisiert das Institut für Nichtklassische Chemie e.V. die Wirkkomponenten und deren Alterungsprodukte in der Aminlösung und identifiziert die Mechanismen der Alterungsreaktionen. Ziel des Projekts ist die Installation einer Versuchsanlage zur CO2-Abtrennung mit der CycloneCC-Technologie im Zementwerk Dotternhausen, um 10 TPD CO2 aus dem Gasstrom des Zementwerks abzuscheiden.

Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus Industriegasen, Teilvorhaben: Entwicklung und Optimierung keramischer Support- Membranen für die Abscheidung von CO2- und H2-selektiven Gastrennmembranen

Membranverfahren für die Gasseparation haben das Potenzial eine Schlüsselrolle in einer zukünftigen Industriegesellschaft einzunehmen, die sich durch CO2-Emissionsvermeidung und -Kreislaufführung, der Verwendung von H2 sowie der Sektorenkopplung auszeichnet. Das Vorhaben MemKoWI adressiert dies durch die Erforschung von mehrstufigen Membranverfahren für die Abtrennung von CO2 aus: Rauchgas von Gichtgaskraftwerken der Stahlindustrie, Hochofengas der Stahlindustrie, Rauchgas von Frischholzkraftwerken, Abgasen der Zementindustrie und die Abtrennung von H2 aus Prozessgasen der Stahlindustrie. Hierbei sollen sowohl die modifizierte Anlage aus den Vorgängerprojekten zum Einsatz kommen als auch neue, modulare Membrananlagen konzipiert, gebaut und betrieben werden. Die darin verwendeten Membran- und Modultechnologien sollen weiter erforscht und ihre dauerstabile Eignung für die geschilderten Anwendungen soll nachgewiesen werden. Hierbei werden Polymer- und Keramikmembranen betrachtet und in Module integriert. Das Mehrstoffpermationsverhalten der Membranen wird experimentell untersucht werden und die Basis für die Modellierung des Trennverhaltens bilden. Diese wird zusammen mit der Beschreibung der Strömungsführung in Simulationstools für Membranmodule einfließen, welche wiederum in Prozesssimulationswerkzeuge integriert werden. Simulationen werden für die Auslegung der Anlagen, die Auswertung von Versuchsergebnissen, die Entwicklung von Verfahrensalternativen, die Übertragung auf andere Anwendungen und die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit verwendet. Die Fernüberwachung der Anlagen wird es ermöglichen, experimentelle Daten fortlaufend mit Simulationsergebnissen abzugleichen und Regelungs- und Automatisierungsaspekte zu adressieren. Ziel des Vorhabens ist es, Membranverfahren als skalierbare, bedarfsgerecht einsetzbare und einfach zu integrierende Technologie für die CO2- und H2-Abtrennung in einer sich der CO2-Neutralität annähernden Industriegesellschaft zu etablieren.

Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus Industriegasen, Teilvorhaben: Wasserstoffabtrennung aus Prozessgasen der Eisen- und Stahlindustrie

Membranverfahren für die Gasseparation haben das Potenzial eine Schlüsselrolle in einer zukünftigen Industriegesellschaft einzunehmen, die sich durch CO2-Emissionsvermeidung und -Kreislaufführung, der Verwendung von H2 sowie der Sektorenkopplung auszeichnet. Das Vorhaben MemKoWI adressiert dies durch die Erforschung von mehrstufigen Membranverfahren für die Abtrennung von CO2 aus: Rauchgas von Gichtgaskraftwerken der Stahlindustrie, Hochofengas der Stahlindustrie, Rauchgas von Frischholzkraftwerken, Abgasen der Zementindustrie und die Abtrennung von H2 aus Prozessgasen der Stahlindustrie. Hierbei sollen sowohl die modifizierte Anlage aus den Vorgängerprojekten zum Einsatz kommen als auch neue, modulare Membrananlagen konzipiert, gebaut und betrieben werden. Die darin verwendeten Membran- und Modultechnologien sollen weiter erforscht und ihre dauerstabile Eignung für die geschilderten Anwendungen soll nachgewiesen werden. Hierbei werden Polymer- und Keramikmembranen betrachtet und in Module integriert. Das Mehrstoffpermationsverhalten der Membranen wird experimentell untersucht werden und die Basis für die Modellierung des Trennverhaltens bilden. Diese wird zusammen mit der Beschreibung der Strömungsführung in Simulationstools für Membranmodule einfließen, welche wiederum in Prozesssimulationswerkzeuge integriert werden. Simulationen werden für die Auslegung der Anlagen, die Auswertung von Versuchsergebnissen, die Entwicklung von Verfahrensalternativen, die Übertragung auf andere Anwendungen und die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit verwendet. Die Fernüberwachung der Anlagen wird es ermöglichen, experimentelle Daten fortlaufend mit Simulationsergebnissen abzugleichen und Regelungs- und Automatisierungsaspekte zu adressieren. Ziel des Vorhabens ist es, Membranverfahren als skalierbare, bedarfsgerecht einsetzbare und einfach zu integrierende Technologie für die CO2- und H2-Abtrennung in einer sich der CO2-Neutralität annähernden Industriegesellschaft zu etablieren.

Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus Industriegasen, Teilvorhaben: Polymermembrantechnologie für die Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff

Membranverfahren für die Gasseparation haben das Potenzial eine Schlüsselrolle in einer zukünftigen Industriegesellschaft einzunehmen, die sich durch CO2-Emissionsvermeidung und -Kreislaufführung, der Verwendung von H2 sowie der Sektorenkopplung auszeichnet. Das Vorhaben MemKoWI adressiert dies durch die Erforschung von mehrstufigen Membranverfahren für die Abtrennung von CO2 aus: Rauchgas von Gichtgaskraftwerken der Stahlindustrie, Hochofengas der Stahlindustrie, Rauchgas von Frischholzkraftwerken, Abgasen der Zementindustrie und die Abtrennung von H2 aus Prozessgasen der Stahlindustrie. Hierbei sollen sowohl die modifizierte Anlage aus den Vorgängerprojekten zum Einsatz kommen als auch neue, modulare Membrananlagen konzipiert, gebaut und betrieben werden. Die darin verwendeten Membran- und Modultechnologien sollen weiter erforscht und ihre Eignung für die geschilderten Anwendungen soll nachgewiesen werden. Hierbei werden Polymer- und Keramikmembranen betrachtet und in Membranmodule integriert. Das Mehrstoffpermationsverhalten der Membranen wird experimentell untersucht werden und die Basis für die Modellierung des Trennverhaltens bilden. Diese wird zusammen mit der Beschreibung der Strömungsführung in Simulationstools für Membranmodule einfließen, welche wiederum in Prozesssimulationswerkzeuge integriert werden. Simulationen werden für die Auslegung der Anlagen, die Auswertung von Versuchsergebnissen, die Entwicklung von Verfahrensalternativen, die Übertragung auf andere Anwendungen und die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit verwendet. Die Fernüberwachung der Anlagen wird es ermöglichen, experimentelle Daten fortlaufend mit Simulationsergebnissen abzugleichen und Regelungs- und Automatisierungsaspekte zu adressieren. Ziel des Vorhabens ist es Membranverfahren als skalierbare, bedarfsgerecht einsetzbare und einfach zu integrierende Technologie für die CO2- und H2-Abtrennung in einer sich der CO2-Neutralität annähernden Industriegesellschaft zu etablieren.

Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus Industriegasen

Membranverfahren für die Gasseparation haben das Potenzial eine Schlüsselrolle in einer zukünftigen Industriegesellschaft einzunehmen, die sich durch CO2-Emissionsvermeidung und -Kreislaufführung, der Verwendung von H2 sowie der Sektorenkopplung auszeichnet. Das Vorhaben MemKoWI adressiert dies durch die Erforschung von mehrstufigen Membranverfahren für die Abtrennung von CO2 aus: Rauchgas von Gichtgaskraftwerken der Stahlindustrie, Hochofengas der Stahlindustrie, Rauchgas von Frischholzkraftwerken, Abgasen der Zementindustrie und die Abtrennung von H2 aus Prozessgasen der Stahlindustrie. Hierbei sollen sowohl die modifizierte Anlage aus den Vorgängerprojekten zum Einsatz kommen als auch neue, modulare Membrananlagen konzipiert, gebaut und betrieben werden. Die darin verwendeten Membran- und Modultechnologien sollen weiter erforscht und ihre Eignung für die geschilderten Anwendungen soll nachgewiesen werden. Hierbei werden Polymer- und Keramikmembranen betrachtet und in Membranmodule integriert. Das Mehrstoffpermationsverhalten der Membranen wird experimentell untersucht werden und die Basis für die Modellierung des Trennverhaltens bilden. Diese wird zusammen mit der Beschreibung der Strömungsführung in Simulationstools für Membranmodule einfließen, welche wiederum in Prozesssimulationswerkzeuge integriert werden. Simulationen werden für die Auslegung der Anlagen, die Auswertung von Versuchsergebnissen, die Entwicklung von Verfahrensalternativen, die Übertragung auf andere Anwendungen und die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit verwendet. Die Fernüberwachung der Anlagen wird es ermöglichen, experimentelle Daten fortlaufend mit Simulationsergebnissen abzugleichen und Regelungs- und Automatisierungsaspekte zu adressieren. Ziel des Vorhabens ist es Membranverfahren als skalierbare, bedarfsgerecht einsetzbare und einfach zu integrierende Technologie für die CO2- und H2-Abtrennung in einer sich der CO2-Neutralität annähernden Industriegesellschaft zu etablieren.

Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus Industriegasen, Teilvorhaben: Membrantechnologie für die CO2-Abtrennung in der Zementindustrie

Gastrennmembranen stellen eine Querschnittstechnologie für die Energiewende dar. Sie erlauben es, eine modular skalierbare und dynamisch betreibbare Gastrenntechnologie an verschiedenste Anlagentypen und -größen anzupassen und dabei durch die unterschiedlichen zur Verfügung stehenden Membranmaterialien zahlreiche Trennaufgaben zu adressieren. Aus diesem Grunde sind sie bestmöglich geeignet, unterschiedliche Industrie- und Energieerzeugungssegmente im Sinne der Sektorkopplung zu verbinden. Dieser Querschnittsgedanke wird im geplanten Vorhaben MemKoWI durch die Untersuchung von Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus verschiedenen, in der Industrie und der regenerativen Energieerzeugung auftretenden Abgas- und Prozessgasströmen verfolgt. Beide Gaskomponenten, CO2 und H2, stellen im Kontext der Energie- und Rohstoffwende Einsatzstoffe für die Erzeugung von Energieträgern und industriellen Grundstoffen mittels Power-to-X Verfahren dar. Im geplanten Vorhaben sollen dazu exemplarisch relevante Abgas- und Prozessgasströme folgender ausgewählter Industrieprozesse betrachtet werden: - Regenerative Energieerzeugung: Frischholzkraftwerk CO2-Abtrennung aus dem Abgas. - Zementindustrie: CO2-Abtrennung aus dem Abgas. - Eisen- und Stahlindustrie o Gichtgaskraftwerk: CO2-Abtrennung aus dem Abgas o Hochofengas: CO2-Abtrennung und Aufbereitung für anschl. Synthesegasherstellung o Hochofengas: H2-Abtrennung und prozessinterne Rückführung als Reduktionsmittel o Koksofengas: H2-Abtrennung zur Aktivierung von CO2 für die Erzeugung von Grundchemikalien und Kraftstoffen sowie zur Nutzung als Reduktionsgas im Hochofen und Direktreduktion. Der Fokus des Vorhabens liegt auf der experimentellen Untersuchung des Gastrennverfahrens im Miniplant- und Testanlagenmaßstab. Dabei sollen ein- und zweistufige Verfahrensführungen getestet werden. Begleitet werden sollen die experimentellen Aktivitäten durch theoretische Arbeiten zur Modellierung und Simulation der Trennverfahren.

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