IGF-Projekt 20252 BG

Einsatzmöglichkeiten der dezentralen Sauerstofferzeugung an Industrieöfen

For­schungs­stel­len
RWTH Aachen, Insti­tut für Indus­trie­ofen­bau und Wärmetechnik
Fraun­ho­fer-Insti­tut für Kera­mi­sche Tech­no­lo­gien und Sys­te­me IKTS

Lauf­zeit
01.09.2018 — 30.09.2022

Zusam­men­fas­sung

Der Ein­satz der direk­ten Sau­er­stoff­an­rei­che­rung in der Ver­bren­nungs­luft zur Erhö­hung der Ener­gie­ef­fi­zi­enz und der Pro­duk­ti­vi­tät sowie zur Redu­zie­rung der pro­zess­be­ding­ten Emis­sio­nen ist in vie­len Hoch­tem­pe­ra­tur­pro­zes­sen Stand der Tech­nik. Die Reduk­ti­on des Brenn­stoff­be­darfs durch Sau­er­stoff­an­rei­che­rung der Ver­bren­nungs­luft resul­tiert aus dem gerin­ge­ren Stick­stoff­an­teil in der Ver­bren­nungs­luft. Stick­stoff nimmt nicht an den Ver­bren­nungs­re­ak­tio­nen teil, wird jedoch eben­falls auf Pro­zess­tem­pe­ra­tur gebracht. Die Abgas­ver­lus­te las­sen sich durch eine Stick­stoff­ar­me oder ‑freie Ver­bren­nung deut­lich redu­zie­ren. Dar­über hin­aus führt die Sau­er­stoff­an­rei­che­rung durch die Ver­rin­ge­rung des N2-Anteils zu höhe­ren Flam­men­tem­pe­ra­tu­ren, die den Wär­me­über­gang und damit die Pro­duk­ti­vi­tät erhö­hen können.

Die Wirt­schaft­lich­keit der Nut­zung von Sau­er­stoff für Ver­bren­nungs­pro­zes­se wird pri­mär vom Ver­hält­nis des O2-Prei­ses zum Brenn­stoff­preis bestimmt. Über 90 % des Sau­er­stoffs wird zen­tral in kryo­ge­nen Luft­zer­le­gungs­an­la­gen bei einem Ener­gie­ver­brauch von 0,46 ‑ 0,64 kWh/m3 O2 (i. N.) her­ge­stellt, wobei der Ener­gie­preis die Her­stel­lungs­kos­ten domi­niert. Die­se Groß­an­la­gen sind jedoch erst ab 5000 m3 O2/h (i. N.) ver­füg­bar, wes­halb die Wirt­schaft­lich­keit für den Groß­teil der poten­ti­el­len Abneh­mer durch die anfal­len­den Trans­port­kos­ten ver­schlech­tert wird. Ein Vaku­um­ver­fah­ren zur dezen­tra­len Her­stel­lung von Sau­er­stoff mit­tels MIEC-Mem­bra­nen (MIEC — Mixed Ionic Elec­tro­nic Con­duc­tor) befin­det sich bei dem Fraun­ho­fer IKTS in der Ent­wick­lung. Die­ses stellt die Bereit­stel­lung von Volu­men­strö­men in der Grö­ßen­ord­nung von 10 m3 O2/h (i. N.) bei einem Ener­gie­be­darf von 0,5 kWh/m3 O2 (i. N.) in Aus­sicht. Ein Teil die­ses Ener­gie­be­darfs kann zusätz­lich durch Pro­zess­wär­me zur Ver­fü­gung gestellt wer­den. Das Ziel des Pro­jekts ist es die tech­ni­schen und wirt­schaft­li­chen Ein­satz­mög­lich­kei­ten von MIEC-Mem­bran­an­la­gen für Indus­trie­öfen der Eisen- und Nicht­ei­sen­me­tall­in­dus­trie zu unter­su­chen und deren Poten­ti­al zu Erhö­hung der Ener­gie­ef­fi­zi­enz und der Wirt­schaft­lich­keit zu bewer­ten. Dazu sol­len Anla­gen­kon­zep­te für die Ein­bin­dung einer Sau­er­stoff-Mem­bran­an­la­ge in Indus­trie­öfen ent­wi­ckelt und ver­schie­de­ne Ein­satz­sze­na­ri­en mit Hil­fe eines ener­ge­ti­schen Modells des Gesamt­pro­zes­ses bewer­tet wer­den. Die Behei­zung der Sau­er­stoff-Mem­bran­an­la­ge soll mit Pro­zess­ab­wär­me oder ggf. mit Erd­gas anstel­le der kon­ven­tio­nel­len elek­tri­schen Behei­zung erfol­gen, da dies die Ener­gie­ef­fi­zi­enz, Wirt­schaft­lich­keit und Abgas­emis­sio­nen ent­schei­dend verbessert.

Veröffentlichungen im Rahmen des Projektes

Kurz­fas­sung des Abschlussberichts

Das IGF-Vor­ha­ben 20252 BG/1 der For­schungs­ver­ei­ni­gung For­schungs­ku­ra­to­ri­um Maschi­nen­bau e.V. wur­de über die AiF im Rah­men des Pro­gramms zur För­de­rung der Indus­tri­el­len Gemein­schafts­for­schung (IGF) vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirt­schaft und Kli­ma­schutz auf­grund eines Beschlus­ses des Deut­schen Bun­des­ta­ges gefördert.
Wei­te­re Infor­ma­tio­nen sowie den Abschluss­be­richt erhal­ten Sie über das For­schungs­ku­ra­to­ri­um Maschi­nen­bau e.V., Lyo­ner Stra­ße 18, 60528 Frank­furt oder info@fkm-net.de