Verbrennung
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Fachbereiche
Verbrennungstechnologie und Energieeffizienz, Wasserstoff, flammlose Verbrennung, Strömungs- und Verbrennungssimulation, Prozessgas- und Abgasanalytik
![EAF_Burner_H2_Oxyfuel EAF-Burner H2-Oxyfuel](https://www.iob.rwth-aachen.de/wp-content/uploads/2023/01/EAF_Burner_H2_Oxyfuel.png)
Aktivitäten
CO2-arme Brennstoffe
Kern der Aktivitäten in diesem Bereich ist die Forschung und Entwicklung von Technologien und Prozessen für den Einsatz CO2-armer Brennstoffe wie Wasserstoff in Thermoprozessanlagen. Ziel ist es, die Entwicklung von der Konzeption, der numerischen Simulation, über experimentelle Untersuchungen im Technikum bis hin zur Implementierung und Demonstration in industriellen Anlagen zu unterstützen und voranzutreiben.
Hierfür stehen neben einer leistungsfähigen eigenen Berechnungsinfrastruktur mit Anbindung zum RWTH Compute Cluster diverse Prüfstände für Brenner zur Verfügung (max. Brennerleistung ca. 250 kW), die über eine flexible Gasmischinfrastruktur mit Erdgas H, Wasserstoff und beliebigen Gemischen anderer Flaschengase (N2, CO2, CO, CH4, C3H8, NH3, O2) versorgt werden.
An den Prüfständen werden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, die neben der Durchfluss‑, Strömungs- und Temperaturmessung (konventionell, berührungslos, Absaugpyrometer) insbesondere die Prozessgas- und Abgasanalytik und die Flammencharakterisierung mittels OH*-Spektroskopie umfassen. Die Messungen dienen in vielen Fällen ebenfalls der Validierung der eigens aufgebauten numerischen Modelle, die auch für das Scale-up genutzt werden.
Ultra Low NOx Verbrennungsverfahren
In der Arbeitsgruppe wird seit vielen Jahren an NOx-armen Verbrennungsverfahren geforscht. Die Erweiterung der Einsatzgrenzen der flammlosen Verbrennung (FLOX) für kleine und große Brennerleistungen und neue Brennstoffe steht hierbei im Fokus. Die Entwicklung der mehrstufigen flammlosen Oxidation (FLOX‑2) ist ein neuer Bereich, der in diesem Arbeitsfeld abgedeckt wird.
Hierfür ist der Einsatz einer besonders leistungsfähigen Prozessgasanalytik notwendig, die von der Probenahme bis hin zur Analyse für geringste NOx-Konzentrationen optimiert wurde. In der Arbeitsgruppe ist langjährige Erfahrung bei der Durchführung komplexer Messaufgaben in Technikum und an industriellen Anlagen gebündelt, die immer weiter ausgebaut wird.
Energieeffiziente Beheizungstechnologien
Die Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz von Thermoprozessen ist eine der Grundaufgaben des Instituts. Im Bereich Verbrennung werden spezielle Verbrennungsverfahren wie bspw. die direkte Flammenbeaufschlagung (DFI – direct flame impingement) und die Verbrennung mit reinem Sauerstoff (Oxyfuel-Verbrennung) eingesetzt, um den Wirkungsgrad bestehender Prozesse zu steigern. Hierbei wird immer der Gesamtprozess berücksichtigt, sodass der Fokus nicht alleine auf der Verbrennung liegt.
Strahlheizrohrtechnologie
Die indirekte Beheizung von Thermoprozessanlagen mit Strahlheizrohren ist bei der Weiterverarbeitung von Halbzeugen weit verbreitet und der Themenkomplex wird am IOB seit vielen Jahren bearbeitet. Die Schwerpunkte der Arbeiten in diesem Bereich liegen in der Standzeiterhöhung metallischer Strahlheizrohre, die durch thermisch induzierte Spannungen und thermische Lastwechsel einer hohen Kriechverformung ausgesetzt sind. Weiterhin werden neue Strahlrohrbauformen und ‑konzepte entwickelt, erprobt und für geringe Schadstoffemissionen optimiert.
Hierfür stehen mehrere Prüfstände für Kurzzeit- und Langzeituntersuchungen zur Verfügung, die für verschiedene Strahlrohrbauformen geeignet sind. In diesem Bereich werden bevorzugt gekoppelte numerische Simulationen eingesetzt, mit denen Strömung, Verbrennung und Strukturmechanik abgebildet werden können. So lassen sich Aussagen zur Lebensdauer thermisch hochbelasteter Komponenten treffen. Die Berechnungsansätze werden kontinuierlich weiterentwickelt und optimiert.
Projekte
Laufende Projekte
- BUTTERFLY – Biomass Utilized To The Extended portfolio of Renewable Fuels with Large Yields (Horizon Europe)
- TWINGHY — Digital twins for green hydrogen transition in steel industry (EU RFCS Big Ticket)
- HyInHeat – Hydrogen technologies for decarbonization of industrial heating processes (Horizon Europe)
- HydroConnect — Entwicklung und Erprobung eines Software-Assistenzsystems basierend auf Algorithmen des maschinellen Lernens zur Entscheidungsfindung in der Wärmebehandlung zum Einsatz in der mittelständischen Industrie zur Unterstützung der Energiewende (progres.nrw Research)
- dissHEAT – Dissemination of the heating technology research results for emission minimization and process optimization towards todays fossil-free heating agenda (EU RFCS)
- H2GlassTemp – Entwicklung eines modularen, wasserstoffbeheizten Temperofens für Glasbauteile (AiF ZIM)
- FlexHeat2Anneal – Flexibler Einsatz von Wasserstoff an kontinuierlichen Glühlinien und Feuerbeschichtungsanlagen in der Stahlindustrie zur Reduktion der CO2-Emissionen (BMWK)
- ZeroCO2Glas – Entwicklung einer neuartigen mit Wasserstoff befeuerten, Glasschmelzwanne mit angepasster Glaszusammensetzung mit dem Ziel einer vollständig CO2 neutralen Behälterglasproduktion (BMWK)
- CONDRA – Kombinierte CO2-Abtrennung und Energieeinsparung an Industrieöfen durch Nutzung dezentral erzeugten Rein-Sauerstoffs (BMWK)
- H2MultiFuel – Entwicklung eines schadstoffarmen Verbrennungskonzepts für Wasserstoff zur Integration in Mehrstoffbrennersysteme (AiF ZIM)
- BaSys4Brenner – Entwicklung einer zertifizierbaren und Industrie 4.0 tauglichen innovativen Brennersteuerung auf Grundlage der BaSys-Konzepte (BMBF)
- TTgoesH2 – Integration von Wasserstoff als klimaneutraler Energieträger in die industrielle und gewerbliche Thermoprozesstechnik (AiF IGF Leittechnologie)
- Effizienzverbesserung des Kupolofens durch in-line Sauerstofferzeugung (AiF IGF)
- Untersuchung zum Einfluss flexibler Betriebsweisen von Industrieöfen auf die Lebensdauer metallischer Hochtemperaturkomponenten (AiF IGF)
- FLOX‑2 – Mehrstufige flammlose Oxidation als Beitrag zur CO2-neutralen Prozesswärmeerzeugung (BMWK)
- ReOrgAl – Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz des Recyclings organik-kontaminierter Al-Schrotte – ReOrgAl (BMWK)
Abgeschlossene Projekte
- H2RadiantTube – Wasserstoff aus erneuerbaren Energien als Brennstoff im Strahlheizrohr (progres.NRW Research)
- Entwicklung eines neuartigen, flexiblen Bearbeitungsprozesses zur Herstellung von Quarzglasbauteilen (AiF ZIM)
- Tailored Heating in der Warmumformung (AiF IGF)
- Entwicklung innovativer regenerativ beheizter Strahlheizrohre für den Einsatz in Wärmebehandlungsanlagen mit geringem Bauraum (AiF ZIM)
- Entwicklung eines Rekuperators zur hybriden Verbrennungsluftvorwärmung in Industrieöfen (AiF ZIM)
- Einfluss thermischer Lastwechsel auf die Lebensdauer hochbelasteter Ofenkomponenten aus metallischen Hochtemperatur-Werkstoffen (AiF IGF)
- Entwicklung eines energieeffizienten Brenners für Wärmebehandlungsanlagen mit oxidationsträger/reduzierender Schutzgasatmosphäre (AiF ZIM)
- Erweiterung der Einsatzgrenzen der FLOX-Technik für kleine und große Brennerleistungen (BMWi)
- Lebensdauererhöhung metallischer rezirkulierender Strahlheizrohre für Industrieöfen durch die Verringerung thermischer Spannungen (AiF IGF)
- Verfahrensentwicklung für eine zunderarme Wiedererwärmung von Metall-Halbzeugen (AiF IGF)
- Erhöhung der Lebensdauer metallischer Komponenten im Industrieofenbau (AiF IGF)