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 – 30.08.2020

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.


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 Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Weitere Informationen erhalten Sie über das Forschungskuratorium Maschinenbau e.V., Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt oder info@fkm-net.de