Verbrennung

Dr.-Ing. Nico Schmitz

Grup­pen­lei­ter & Ansprechpartner

Fach­be­rei­che

Ver­bren­nungs­tech­no­lo­gie und Ener­gie­ef­fi­zi­enz, Was­ser­stoff, flamm­lo­se Ver­bren­nung, Strö­mungs- und Ver­bren­nungs­si­mu­la­ti­on, Pro­zess­gas- und Abgasanalytik

EAF-Burner H2-Oxyfuel

Aktivitäten

CO2-arme Brennstoffe

Kern der Akti­vi­tä­ten in die­sem Bereich ist die For­schung und Ent­wick­lung von Tech­no­lo­gien und Pro­zes­sen für den Ein­satz CO2-armer Brenn­stof­fe wie Was­ser­stoff in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen. Ziel ist es, die Ent­wick­lung von der Kon­zep­ti­on, der nume­ri­schen Simu­la­ti­on, über expe­ri­men­tel­le Unter­su­chun­gen im Tech­ni­kum bis hin zur Imple­men­tie­rung und Demons­tra­ti­on in indus­tri­el­len Anla­gen zu unter­stüt­zen und voranzutreiben.

Hier­für ste­hen neben einer leis­tungs­fä­hi­gen eige­nen Berech­nungs­in­fra­struk­tur mit Anbin­dung zum RWTH Com­pu­te Clus­ter diver­se Prüf­stän­de für Bren­ner zur Ver­fü­gung (max. Bren­ner­leis­tung ca. 250 kW), die über eine fle­xi­ble Gas­misch­in­fra­struk­tur mit Erd­gas H, Was­ser­stoff und belie­bi­gen Gemi­schen ande­rer Fla­schen­ga­se (N2, CO2, CO, CH4, C3H8, NH3, O2) ver­sorgt werden.

An den Prüf­stän­den wer­den umfang­rei­che Unter­su­chun­gen durch­ge­führt, die neben der Durchfluss‑, Strö­mungs- und Tem­pe­ra­tur­mes­sung (kon­ven­tio­nell, berüh­rungs­los, Absaug­py­ro­me­ter) ins­be­son­de­re die Pro­zess­gas- und Abgas­ana­ly­tik und die Flam­men­cha­rak­te­ri­sie­rung mit­tels OH*-Spektroskopie umfas­sen. Die Mes­sun­gen die­nen in vie­len Fäl­len eben­falls der Vali­die­rung der eigens auf­ge­bau­ten nume­ri­schen Model­le, die auch für das Sca­le-up genutzt werden.

Ultra Low NOx Verbrennungsverfahren

In der Arbeits­grup­pe wird seit vie­len Jah­ren an NOx-armen Ver­bren­nungs­ver­fah­ren geforscht. Die Erwei­te­rung der Ein­satz­gren­zen der flamm­lo­sen Ver­bren­nung (FLOX) für klei­ne und gro­ße Bren­ner­leis­tun­gen und neue Brenn­stof­fe steht hier­bei im Fokus. Die Ent­wick­lung der mehr­stu­fi­gen flamm­lo­sen Oxi­da­ti­on (FLOX‑2) ist ein neu­er Bereich, der in die­sem Arbeits­feld abge­deckt wird.

Hier­für ist der Ein­satz einer beson­ders leis­tungs­fä­hi­gen Pro­zess­gas­ana­ly­tik not­wen­dig, die von der Pro­be­nah­me bis hin zur Ana­ly­se für gerings­te NOx-Kon­zen­tra­tio­nen opti­miert wur­de. In der Arbeits­grup­pe ist lang­jäh­ri­ge Erfah­rung bei der Durch­füh­rung kom­ple­xer Mess­auf­ga­ben in Tech­ni­kum und an indus­tri­el­len Anla­gen gebün­delt, die immer wei­ter aus­ge­baut wird.

Energieeffiziente Beheizungstechnologien

Die Stei­ge­rung der Ener­gie- und Res­sour­cen­ef­fi­zi­enz von Ther­mo­pro­zes­sen ist eine der Grund­auf­ga­ben des Insti­tuts. Im Bereich Ver­bren­nung wer­den spe­zi­el­le Ver­bren­nungs­ver­fah­ren wie bspw. die direk­te Flam­men­be­auf­schla­gung (DFI – direct fla­me impinge­ment) und die Ver­bren­nung mit rei­nem Sau­er­stoff (Oxy­fuel-Ver­bren­nung) ein­ge­setzt, um den Wir­kungs­grad bestehen­der Pro­zes­se zu stei­gern. Hier­bei wird immer der Gesamt­pro­zess berück­sich­tigt, sodass der Fokus nicht allei­ne auf der Ver­bren­nung liegt.

Strahlheizrohrtechnologie

Die indi­rek­te Behei­zung von Ther­mo­pro­zess­an­la­gen mit Strahl­heiz­roh­ren ist bei der Wei­ter­ver­ar­bei­tung von Halb­zeu­gen weit ver­brei­tet und der The­men­kom­plex wird am IOB seit vie­len Jah­ren bear­bei­tet. Die Schwer­punk­te der Arbei­ten in die­sem Bereich lie­gen in der Stand­zeit­er­hö­hung metal­li­scher Strahl­heiz­roh­re, die durch ther­misch indu­zier­te Span­nun­gen und ther­mi­sche Last­wech­sel einer hohen Kriech­ver­for­mung aus­ge­setzt sind. Wei­ter­hin wer­den neue Strahl­rohr­bau­for­men und ‑kon­zep­te ent­wi­ckelt, erprobt und für gerin­ge Schad­stoff­emis­sio­nen optimiert.

Hier­für ste­hen meh­re­re Prüf­stän­de für Kurz­zeit- und Lang­zeit­un­ter­su­chun­gen zur Ver­fü­gung, die für ver­schie­de­ne Strahl­rohr­bau­for­men geeig­net sind. In die­sem Bereich wer­den bevor­zugt gekop­pel­te nume­ri­sche Simu­la­tio­nen ein­ge­setzt, mit denen Strö­mung, Ver­bren­nung und Struk­turme­cha­nik abge­bil­det wer­den kön­nen. So las­sen sich Aus­sa­gen zur Lebens­dau­er ther­misch hoch­be­las­te­ter Kom­po­nen­ten tref­fen. Die Berech­nungs­an­sät­ze wer­den kon­ti­nu­ier­lich wei­ter­ent­wi­ckelt und optimiert.

Projekte

Laufende Projekte

  • BUTTERFLY – Bio­mass Uti­li­zed To The Exten­ded port­fo­lio of Rene­wa­ble Fuels with Lar­ge Yields (Hori­zon Europe)
  • TWINGHY — Digi­tal twins for green hydro­gen tran­si­ti­on in steel indus­try (EU RFCS Big Ticket)
  • HyIn­Heat – Hydro­gen tech­no­lo­gies for decar­bo­niza­ti­on of indus­tri­al hea­ting pro­ces­ses (Hori­zon Europe)
  • Hydro­Con­nect — Ent­wick­lung und Erpro­bung eines Soft­ware-Assis­tenz­sys­tems basie­rend auf Algo­rith­men des maschi­nel­len Ler­nens zur Ent­schei­dungs­fin­dung in der Wär­me­be­hand­lung zum Ein­satz in der mit­tel­stän­di­schen Indus­trie zur Unter­stüt­zung der Ener­gie­wen­de (progres.nrw Research)
  • dissHEAT – Dis­se­mi­na­ti­on of the hea­ting tech­no­lo­gy rese­arch results for emis­si­on mini­miza­ti­on and pro­cess opti­miza­ti­on towards todays fos­sil-free hea­ting agen­da (EU RFCS)
  • H2GlassTemp – Ent­wick­lung eines modu­la­ren, was­ser­stoff­be­heiz­ten Tem­pero­fens für Glas­bau­tei­le (AiF ZIM)
  • FlexHeat2Anneal – Fle­xi­bler Ein­satz von Was­ser­stoff an kon­ti­nu­ier­li­chen Glüh­li­ni­en und Feu­er­be­schich­tungs­an­la­gen in der Stahl­in­dus­trie zur Reduk­ti­on der CO2-Emis­sio­nen (BMWK)
  • ZeroCO2Glas – Ent­wick­lung einer neu­ar­ti­gen mit Was­ser­stoff befeu­er­ten, Glas­schmel­z­wan­ne mit ange­pass­ter Glas­zu­sam­men­set­zung mit dem Ziel einer voll­stän­dig CO2 neu­tra­len Behäl­ter­glas­pro­duk­ti­on (BMWK)
  • CONDRA – Kom­bi­nier­te CO2-Abtren­nung und Ener­gie­ein­spa­rung an Indus­trie­öfen durch Nut­zung dezen­tral erzeug­ten Rein-Sau­er­stoffs (BMWK)
  • H2MultiFuel – Ent­wick­lung eines schad­stoff­ar­men Ver­bren­nungs­kon­zepts für Was­ser­stoff zur Inte­gra­ti­on in Mehr­stoff­bren­ner­sys­te­me (AiF ZIM)
  • BaSys4Brenner – Ent­wick­lung einer zer­ti­fi­zier­ba­ren und Indus­trie 4.0 taug­li­chen inno­va­ti­ven Bren­ner­steue­rung auf Grund­la­ge der BaSys-Kon­zep­te (BMBF)
  • TTgoesH2 – Inte­gra­ti­on von Was­ser­stoff als kli­ma­neu­tra­ler Ener­gie­trä­ger in die indus­tri­el­le und gewerb­li­che Ther­mo­pro­zess­tech­nik (AiF IGF Leittechnologie)
  • Effi­zi­enz­ver­bes­se­rung des Kupol­o­fens durch in-line Sau­er­stoff­er­zeu­gung (AiF IGF)
  • Unter­su­chung zum Ein­fluss fle­xi­bler Betriebs­wei­sen von Indus­trie­öfen auf die Lebens­dau­er metal­li­scher Hoch­tem­pe­ra­tur­kom­po­nen­ten (AiF IGF)
  • FLOX‑2 – Mehr­stu­fi­ge flamm­lo­se Oxi­da­ti­on als Bei­trag zur CO2-neu­tra­len Pro­zess­wär­me­er­zeu­gung (BMWK)
  • ReOr­gAl – Stei­ge­rung der Ener­gie- und Res­sour­cen­ef­fi­zi­enz des Recy­clings orga­nik-kon­ta­mi­nier­ter Al-Schrot­te – ReOr­gAl (BMWK)

Abgeschlossene Projekte

  • H2RadiantTube – Was­ser­stoff aus erneu­er­ba­ren Ener­gien als Brenn­stoff im Strahl­heiz­rohr (progres.NRW Research)
  • Ent­wick­lung eines neu­ar­ti­gen, fle­xi­blen Bear­bei­tungs­pro­zes­ses zur Her­stel­lung von Quarz­glas­bau­tei­len (AiF ZIM)
  • Tail­o­red Hea­ting in der Warm­um­for­mung (AiF IGF)
  • Ent­wick­lung inno­va­ti­ver rege­ne­ra­tiv beheiz­ter Strahl­heiz­roh­re für den Ein­satz in Wär­me­be­hand­lungs­an­la­gen mit gerin­gem Bau­raum (AiF ZIM)
  • Ent­wick­lung eines Reku­per­a­tors zur hybri­den Ver­bren­nungs­luft­vor­wär­mung in Indus­trie­öfen (AiF ZIM)
  • Ein­fluss ther­mi­scher Last­wech­sel auf die Lebens­dau­er hoch­be­las­te­ter Ofen­kom­po­nen­ten aus metal­li­schen Hoch­tem­pe­ra­tur-Werk­stof­fen (AiF IGF)
  • Ent­wick­lung eines ener­gie­ef­fi­zi­en­ten Bren­ners für Wär­me­be­hand­lungs­an­la­gen mit oxidationsträger/reduzierender Schutz­gas­at­mo­sphä­re (AiF ZIM)
  • Erwei­te­rung der Ein­satz­gren­zen der FLOX-Tech­nik für klei­ne und gro­ße Bren­ner­leis­tun­gen (BMWi)
  • Lebens­dau­er­erhö­hung metal­li­scher rezir­ku­lie­ren­der Strahl­heiz­roh­re für Indus­trie­öfen durch die Ver­rin­ge­rung ther­mi­scher Span­nun­gen (AiF IGF)
  • Ver­fah­rens­ent­wick­lung für eine zun­der­ar­me Wie­der­erwär­mung von Metall-Halb­zeu­gen (AiF IGF)
  • Erhö­hung der Lebens­dau­er metal­li­scher Kom­po­nen­ten im Indus­trie­ofen­bau (AiF IGF)