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Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre

Zur nachhaltigen Sicherung der Energie- und Stromversorgung wird zukünftig neben Kernenergie und regenerativer Energiebereitstellung weiterhin der Rückgriff auf fossile Brennstoffe, wie Kohle, Öl und Erdgas, unverzichtbar bleiben. Bei konventionellen Kraftwerkstechnologien werden jedoch Treibhausgase freigesetzt, während gleichzeitig deren Reduzierung weltweit hohe Priorität hat. Zur Lösung dieses Zielkonflikts werden 'Carbon Capture and Storage' (CCS)-Methoden diskutiert, wobei die Oxyfuel-Verbrennung eine der vielversprechendsten Technologien zur CO2-Abscheidung darstellt. Bei diesem Verfahren wird der Brennstoff anstelle von Luft mit einem Gemisch aus Sauerstoff und rezirkuliertem Rauchgas verbrannt, um so ein hoch CO2-haltiges Abgas zu erzeugen, das nach weiteren sekundären Reinigungsschritten abgetrennt werden kann. Der Ersatz des Stickstoffanteils der Luft durch CO2 und H2O führt zu einem völlig neuen Verbrennungsverhalten, das auch zu Instabilitäten sowie zum örtlichen Verlöschen der Flamme führen kann. Die korrekte Beschreibung dieses Verbrennungsverhaltens erfordert entsprechende physikalisch und chemisch motivierte Modelle für diese spezielle Gasatmosphäre. Deshalb sollen bis zum Projektende des Sonderforschungsbereichs/Transregio die folgenden Erkenntnisse, Daten und Modelle zur Verfügung stehen: (1) Belastbare Modelle durch grundlegendes Verständnis der beteiligten Prozesse und deren Abhängigkeit von den jeweiligen Einflussparametern, von der Mikroskala bis hin zur skalenübergreifenden Interaktion, (2) Basisdaten zur Vorhersage der Wärmeübertragung von der Flamme an die Wände und Einbauten in Kraftwerkskesseln mit Oxyfuel-Atmosphäre, (3) Verlässliche Berechnungsgrundlagen für die Entwicklung und Auslegung von Brennern und Feuerräumen für Oxyfuel-Kraftwerke mit Feststoffverbrennung. Im Sonderforschungsbereich/Transregio arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der RWTH Aachen, Ruhr-Universität Bochum und TU Darmstadt zusammen.

Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre, B01: Theoretische und experimentelle Untersuchung der Entgasung und Oxidation von Kohlepartikeln in einem Gegenstrombrenner unter Oxyfuel-Bedingungen

Laminare Oxyfuel-Flammen werden in einer Gegenstromanordnung untersucht. Als Brennstoffe werden unter anderem gasförmige Entgasungssurrogate und Kohlestaub verwendet. Hier wird besonders die Gasphasenchemie betrachtet, aber auch deren Beeinflussung durch die Entgasung und den Koksabbrand. Das Teilprojekt trägt dazu bei, die Interaktion von Strömung und Verbrennung von gasförmigen und festen Brennstoffen unter Oxyfuel-Bedingungen grundlegend zu verstehen und Modelle hierfür zu entwickeln. Der hier zu entwickelnde reaktionskinetische Gasphasen-Mechanismus dient als Grundlage für großskalige numerische Simulationen.

Laboranlage zur energieeffizienten Sauerstoff-Abtrennung mittels OSM-Pellets und Wasserdampfzirkulation

Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre, Teilprojekt A03: Experimentelle Bestimmung von Reaktionskinetiken zur Freisetzung von Chlor- und Schwefelverbindungen und zur Umwandlung der Spezies in der Gasphase

In Teilprojekt A3 werden Modelle zur Beschreibung der Chlor- und Schwefelchemie bei der Oxyfuel-Verbrennung entwickelt, mit denen die Bildung Cl- und S-haltiger Minoritätenspezies vorhergesagt werden kann, um so die Rückwirkung von Cl- und S-haltigen Spezies auf die Verbrennung zu berücksichtigen. Experimentellen Untersuchungen hierzu erfolgen in einem Flugstromreaktor sowie mittels thermogravimetrischer Analyse. Eine extraktive Messtechnik mit Massenspektrometer für hochreaktive S- und Cl-Spezies wird entwickelt und erprobt.

Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre, Teilprojekt A01: Experimentelle Untersuchung der Kinetik von Pyrolyse und Koksabbrand in einem Well-Stirred-Reactor unter Flammen- und Ausbrandbedingungen

In einem Well-Stirred-Reaktor wird die Kinetik in Oxyfuel-Atmosphäre, d.h. die Freisetzung von Masse und Energie aus einem Brennstoffpartikel, experimentell und theoretisch untersucht. Aufbauend auf Referenzbedingungen (Luftatmosphäre, reiner Kohlenstoff als Brennstoff) werden in Experimenten Pyrolyse und Koksabbrand getrennt untersucht und die Konzentrationen der gasförmigen Reaktionsprodukte mittels eines FTIR-Spektrometers gemessen. Basierend hierauf sollen existierende Kinetikmodelle für die Pyrolyse und den Koksabbrand auf ihre Eignung in Oxyfuel-Atmosphäre geprüft und bei Bedarf neu formuliert werden. Die Ergebnisse werden mit Teilprojekt A2 abgeglichen.

Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre, Teilprojekt A06: Bestimmung exzesssorptiver Kinetiken, Gleichgewichtsbeladungen und Adsorptionswärmen der Oxyfuel-Gaskomponenten an den eingesetzten Festbrennstoffen

Ziel dieses TP ist, den in anderen TP gekoppelt auftretenden und teilweise geschwindigkeitsbestimmenden Vorgang der Sorption, der z. B. beim Verbrennungsvorgang nicht spezifisch aufgelöst werden kann, selektiv und vollständig zu erfassen. Dazu werden sowohl für die verwendeten Feedgase als auch die entstehenden Pyrolysegaskomponenten die jeweiligen Soprtionskinetiken, Gleichgewichtsbeladungen und Adsorptionswärmen in Abhängigkeit von Druck und Temperatur bestimmt. Mittels IAST-Gemischsorptionsmodellen kann zusätzlich die selektive Sorption von Gasgemischen am Brennstoffkorn im Oxyfuel-Prozess vorhergesagt werden.

Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre, Teilprojekt B06: Modellierung der Partikel-Turbulenz-Chemie-Wechselwirkung für Oxyfuel-Prozesse

In diesem Vorhaben werden LES-Methoden im Rahmen eines Euler-Lagrange-Verfahrens verwendet. Für die Gasphasenverbrennung wird ein regimeübergreifendes Modell auf Basis der 'flamelet generated manifolds'-Strategie formuliert. Basierend zum einen auf einer thermodynamisch konsistenten Modellierung der Oxyfuel-Vorgänge und zum anderen auf DNS-Beiträgen werden Modelle zur Beschreibung der Interaktion zwischen Partikel-Turbulenz-Chemie unter Oxyfuel-Verbrennungsbedingungen mit hohem Detaillierungsgrad entwickelt. Die resultierenden Modelle werden in den CFD Code FASTEST/LAG3D integriert und mit Hilfe der experimentellen Daten aus dem SFB/Transregio validiert.?

Sauerstoffbereitstellung mittels gekoppelter SOFC & SOEC für Oxyfuel-betriebene Brennprozesse am Beispiel der Zementindustrie

Flexibler Einsatz von Wasserstoff und Ammoniak in Pfannenfeuern in der Stahlindustrie zur Reduktion der CO2-Emissionen, Teilvorhaben: Entwicklung eines flexiblen Demonstrator-Brenners für Pfannenfeuer

Flexibler Einsatz von Wasserstoff und Ammoniak in Pfannenfeuern in der Stahlindustrie zur Reduktion der CO2-Emissionen, Teilvorhaben: Optimierung des Pfannenfeuerbetriebs bei flexibler Brennstoffzusammensetzung an einer Versuchsanlage im Stahlwerksumfeld

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