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Projekt 2.5

Green and smart furnaces

Einleitung

Bestehende Öfen müssen ihre CO2-Emissionen bis 2030 um 55 % senken. Daher müssen alternative Energiequellen, insbesondere Wasserstoff, biologische Gase und elektrische Energie, eingesetzt werden. Alternative Gase verändern die Form der Flamme, den Flammenimpuls, die Flammengeschwindigkeit und die Ofenatmosphäre.

Um einen gleichmäßigen Betrieb in Kombination mit einer verbesserten Produktqualität zu gewährleisten, müssen neue Brennerkonzepte entwickelt und auf bestehende Öfen angewendet werden. In den vergangenen Förderperioden wurden Werkzeuge und Methoden zur Modellierung von Öfen und Brennern entwickelt. Diese Methoden sollen eingesetzt werden, um alternative Energiequellen in bestehenden Öfen zu untersuchen. Ein teilelektrisch beheizter Ofen bietet Potenzial zur Reduktion der CO2-Emissionen. Um einen teilelektrisch beheizten Ofen wirtschaftlich sinnvoll zu realisieren, sollte der Ofen in der Lage sein, sich an Strompreisschwankungen anzupassen.

Ziele und Motivation

  • Nutzung numerischer Modelle und Entwicklung von Industriebrennern, die ohne wesentliche Änderungen mit alternativen Gasen im Bereich von 0 – 100% betrieben werden können
  • Vorhersage der NOX-Emissionen
  • Herstellung der entwickelten Brenner und Prüfung in einer Brennertestkammer, um die Simulationsergebnisse mit Messungen zu vergleichen
  • Realisierung eines teilweise elektrisch beheizten Ofens zur Reduktion der CO2-Emissionen
  • Untersuchung verschiedener Methoden zur Ausstattung von bestehenden Öfen mit elektrischer Beheizung unter Verwendung von CFD- und „FastCalc“-Ansätzen
  • Verwendung der entwickelten CFD-Modelle verschiedener Ofentypen (Tunnelofen, Schachtofen, Hubbalkenofen, Drehrohrofen, Öfen für Stahlbänder), um die Auswirkungen der entwickelten Brenner auf einen Industrieofen zu untersuchen
  • Entwicklung eines Ofenmodells zur Bestimmung des Einflusses der alternativen Gase auf die Atmosphäre und folglich auf die Veränderung des Strahlungswärmeübergangs
  • Weiterentwicklung des „FastCalc“-Ansatzes (schnellere Vorhersage des Verhaltens von Öfen als in Echtzeit) zu „SmartCalc“, einem Hybrid zwischen „FastCalc“ und künstlicher Intelligenz, der die berechneten Daten von „FastCalc“ und die vorhergesagten Daten der künstlichen Intelligenz nutzt, um endgültige Ergebnisse zu erhalten
  • Implementierung des „SmartCalc“-Ansatzes als digitales Abbild eines Ofens eines beteiligten Industrieunternehmens
Veränderung der Flammenform, der Temperaturverteilung sowie die Erhöhung der Nox Bildung bei der Zumischung von 50 % H2 (© Montanuniversität Leoben)
Veränderung der Flammenform, der Temperaturverteilung sowie die Erhöhung der Nox Bildung bei der Zumischung von 50 % H2 (© Montanuniversität Leoben)

Vorgehensweise

  • Numerische Analyse des bestehenden Brenners mit dem Flamelet-Equilibrium-Hybrid-Modell zur Festlegung der Anforderungen für den neuen Brenner
  • Detail- und NOX-Verbesserung mit Flamelet-Methoden und dem NOX Postprocessor 2.0+
  • Bau eines Prototyps
  • Messung in einer Brennertestkammer, um die numerisch modellierten Ergebnisse zu überprüfen
  • Untersuchung des Verhaltens der Öfen auf verschiedenen Ebenen der elektrischen Beheizung mithilfe von CFD- und „FastCalc“-Methoden
  • Ermittlung der potenziellen Reduktion von CO2 und anderen Emissionen
  • Modellierung der bestehenden Prozesse und detaillierte Analyse der Öfen unter der Verwendung von verschiedenen Mengen an alternativen Gasen mit dem Schwerpunkt auf der Wärmeübertragung
  • Prozessverbesserung mit dem Fokus auf Ofeneffizienz und Produktqualität
  • Erstellung eines „FastCalc“-Modells des Ofens und eines digitalen Datenarrays für den Ofen
  • Entwicklung einer auf Messdaten basierenden künstlichen Intelligenz zur Vorhersage des Verhaltens des Ofens und Erstellung eines Mischalgorithmus zur Nutzung der Ergebnisse von „FastCalc“ und künstlicher Intelligenz
  • Ausführung des Mischalgorithmus als digitales Abbild für einen Industrieofen
  • Statistischer Vergleich der Vorhersagen zwischen dem digitalen Abbild und dem Betriebssteuerungssystem
Brenner Simulation (© Montanuniversität Leoben)
Brenner Simulation (© Montanuniversität Leoben)

Ergebnisse und Anwendung

Es werden neue Brennerkonzepte entwickelt, die von 0 bis 100 % mit alternativen Gasen betrieben werden können und das Potenzial für eine zusätzliche elektrische Beheizung bestehender Öfen haben. Daten zur Durchführung einer Finanzanalyse für dieses Konzept sollten verfügbar sein.Darüber hinaus sollen die Kenntnisse zum Betrieb verschiedener Industrieofentypen mit alternativen Gasen vertieft werden.
Es wird eine Prozessoptimierung für den Betrieb mit alternativen Gasen durchgeführt und ein digitales Abbild für verschiedene Industrieöfen erstellt.