Einleitung
Aufgrund der ständig steigenden Umweltanforderungen ist die Reduktion von Emissionen, vor allem Kohlendioxid (CO2), aber auch Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (NOX) durch energetische Optimierungsmaßnahmen ein permanentes Thema von Interesse. Dies erfordert Strömungs- und numerische Modellierung zur energetischen Optimierung und zur optimierten Emissionsminderung energieintensiver Aggregate. Ein weiteres Kriterium stellen Qualitätsanforderungen an den Prozess dar, um die qualitativen Kenngrößen des Prozesses zu verbessern.
Ziele und Motivation
- Entwicklung von 1D-Modellen für Tunnelöfen und kontinuierliche Wärmebehandlungslinien mit kurzer Rechenzeit und einem geringeren Bedarf an Rechnerleistung
- Rechenzeitreduktion eines NOx-Postprocessors
- Verbesserung der Temperaturverteilung und Steigerung der Energieeffizienz des Hubbalkenofens sowie energetische Verbesserungsmaßnahmen für den Drehrohrofen
- Entwicklung eines Katalysators für die Oxidation von CO zu CO2 im Sinterabgas für den Niedertemperaturbereich (200 ° bis 250 °C)
Vorgehensweise
Seit der Publikation numerischer Modelle für Massen- und Energiebilanzen in den späten 1970er Jahren erfolgte eine stetige Weiterentwicklung dieser Methoden, welche im Regelfall jedoch nicht die räumlichen Verteilungen beteiligter reaktiver Spezies in energieintensiven Prozessen betrachten. Die Innovation im Projekt 3.3 besteht darin, einen auf das betrachtete Aggregat zugeschnittenen Mittelweg über eine 1D-Auflösung mittels einer impliziten finiten Volumenmethode zu erarbeiten.
Im Rahmen vorangegangener Projekte wurde am Lehrstuhl für Thermoprozesstechnik der Montanuniversität Leoben ein Postprocessor zur Modellierung der NOX-Konzentrationen entwickelt, welcher eine präzise Vorhersage der Konzentrationen in einem Bruchteil der Zeit herkömmlicher Modelle ermöglicht und damit auf große industrielle Prozesse anwendbar ist. In diesem Projekt 3.3 werden weitere Methoden zur Reduktion der Rechenzeit untersucht und in den Postprocessor implementiert. Zu den drei Ansätzen, welche untersucht werden, zählen die Optimierung durch Reduktion der Floating Point Operations mittels tabulierter Werte, die Generierung optimierter Rechennetze für den NOX-Postprocessor während der Flameletberechnung und die Entwicklung eines Modells zur Generierung optimierter chemischer Anfangsbedingungen.
Außerdem erfolgt die datierte Betrachtung eines Hubbalkenofens und eines Drehrohrofens mittels CFD (Computational Fluid Dynamics). CFD-Modelle entsprechen grundsätzlich dem Stand der Technik. Jedoch ist es notwendig, zur Abbildung des Prozesses neue Modelle zu entwickeln. Das bereits entwickelte Modell zur Beschreibung des Hubbalkenofens soll mit Fokus auf einer Reduktion der Rechenzeit durch adaptive Netze weiterentwickelt werden. Parallel dazu soll mit dem energetischen Verbesserungszyklus auf Basis des bestehenden Modells begonnen werden. Zudem muss ein Modell mit vertretbarer Rechenzeit zur Abbildung des Drehrohrofens entwickelt werden, welches als Basis der detaillierten energetischen Prozessbetrachtung dient.
Daneben befasst sich das Projekt 3.3 mit der katalytischen Oxidation von CO im Sinterabgas. Dabei gilt es, im Labormaßstab einen Katalysator zu entwickeln, der im Niedertemperaturbereich betreibbar ist (200 °C bis 250 °C). Begleitend zu den Laborversuchen werden diagnostische Studien zur Schwefelchemie erfolgen und es ist eine energetische Bilanzierung der CO-Katalyse geplant.
Ergebnisse und Anwendung
Das Hauptaugenmerk dieses Projektes liegt in der Emissionsreduktion durch energetische Optimierungszyklen. Nach der Evaluierung von 1D-Modellen für Tunnelöfen und kontinuierliche Wärmebehandlungslinien erfolgt die Implementierung in eine grafische Benutzeroberfläche, welche einfach zu handhaben ist.
Mit dem NOX-Postprozessor 2.0 wurde in der ersten Förderperiode ein industrielles Brennerdesign verbessert. Dieser wird in einem Verbesserungszyklus zur Reduktion der NOX-Emissionen industrieller Aggregate eingesetzt.
Die datierte Betrachtung eines Hubbalkenofens und eines Drehrohrofens mittels CFD ermöglicht ein tiefgreifendes detailliertes Verständnis der physikalischen und chemischen Vorgänge in den Aggregaten. Dadurch können energetische Verbesserungsmaßnahmen abgeleitet und deren Wirksamkeit durch das Modell überprüft werden.
Weiters soll ein theoretisches Anlagenkonzept einer CO-Katalyse für die Abgasreinigung einer Sinteranlage entwickelt werden.