Themen für Arbeiten
Die Stahlindustrie verursacht rund 7 % aller Treibhausgasemissionen weltweit. Um CO2-Emissionen der Stahlindustrie zu reduzieren, findet derzeit eine Transformation zu einer umweltfreundlichen Stahlproduktion statt. Im Fokus steht dabei die Dekarbonisierung der Produktionsprozesse durch den Einsatz von erneuerbaren Energien und Wasserstoff, mit denen fossile, kohlenstoffbasierte Rohstoffe und Energieträger ersetzt werden. Diese Umstellung erfordert jedoch aufwändige technologische Modifikationen, die in Abhängigkeit der Produktionsprozesse in jedem Stahlwerk individuell ausgewählt und gestaltet werden müssen. Ziel der Arbeit ist die wirtschaftliche und ökologische Bewertung von Maßnahmen zur Dekarbonisierung in einem EAF-Stahlwerk. Dazu müssen die Prozesse in einem Stahlwerk mit Elektrolichtbogenofen (EAF) hinsichtlich der CO2e-Emissionen analysiert werden, um darauf basierend Modernisierungsmaßnahmen abzuleiten und zu bewerten.
Mittel- bis langfristig müssen energieintensive Anlagen auf eine CO2-arme bzw. neutrale Prozesswärmeerzeugung umgestellt werden. Flexible Prozessketten und Anlagenkonzepte haben großes Potential für den Einsatz unter sich verändernden Rahmenbedingungen. Die Arbeit soll einen Beitrag zur Analyse der Wirtschaftlichkeit von flexible eingesetzten Thermoprozessanlagen und Industrieöfen unter dynamischen Rahmenbedingungen (volatiler Energiemarkt) leisten. Auf Basis der Ergebnisse sollen flexible Prozessketten und Anlagenkonzepte (u.a. Lastverschiebung, hybride Beheizungskonzepte, Speicher) in Bezug auf ihre ökologische und ökonomische Vorteilhaftigkeit bewertet werden.
Die von der metallerzeugenden und ‑verarbeitenden Industrie benötigte Prozesswärme wird aktuell hauptsächlich durch die Verbrennung fossiler Energieträger erzeugt. Ein Ansatz zur Emissionsreduzierung ist die Elektrifizierung der Anlagen. Im Rahmen einer studentischen Arbeit sollen Modelle zur mathematischen Beschreibung verschiedener elektrischer Beheizungs- und Strömungsführungskonzepte basierend auf experimentellen Untersuchungen entwickelt werden.
Das Ziel des vom IOB koordinierten EU-Projekts „HyInHeat“ ist, den Einsatz von Wasserstoff als Brennstoff in den Hochtemperaturprozessen der Stahl- und Aluminiumindustrie zu demonstrieren. Die Verunreinigung von Wasserstoff mit anderen Spezies (N2, O2, H2O, CO2, CH4) kann während der verschiedenen Produktionswege auftreten. Die Auswirkungen von H2-Verunreinigungen (bis zu 2 Vol.-%) auf die kalibrierte Durchflussmesstechnik und die Verbrennungsregelung sollen im Technikum des IOB durch das Mischen technischer Gase in einem Durchflussmessprüfstand, der mit einem Brennerprüfstand ver-bunden ist, untersucht werden. Dabei werden auch die Auswirkungen auf die Verbrennungsregelung und den Brennerbetrieb erforscht.
Ziel der Arbeit ist die Entwicklung von Wärmeübergangsmodellen für Prallstrahlen mit dem CFD-Programm Ansys Fluent. Es sollen die Einflüsse verschiedener Turbulenzmodelle sowie Netzeinstellungen auf die numerische Modellierung charakterisiert werden. Die gewonnen Ergebnisse sollen anhand einer experimentellen Parameterstudie validiert werden. Dazu werden Untersuchungen am institutseigenen Wärmeübergangsversuchstand stattfinden. Zur genaueren Auflösung der Strömung werden ergänzend Versuche mit einem laseroptischen Geschwindigkeitsmessverfahrens durchgeführt.
Der Submerged Arc Furnace ist ein elektrisches Schmelz- und Reduktionsaggregat, welches bereits seit Jahrzehnten beispielsweise für Ferronickel, Ferrochrom oder Phosphor großtechnisch eingesetzt wird. Auf Grund der gestiegenen Restriktionen hinsichtlich des CO2-Fußabdrucks von Produkten und den ebenfalls gestiegenen Kosten für CO2-Emissionen wird auch in der Stahlproduktion nach alternativen Prozessrouten zur Hochofenroute gesucht. Der Submerged Arc Furnace stellt eine Möglichkeit zum Erschmelzen von direktreduziertem Eisen dar und wird von einigen großen Stahlunternehmen favorisiert. In dieser Arbeit soll ein vorhandenes CFD-Modell eines Ferrochrom-SAFs weiter ausgebaut werden. Grundlegendes Prozessverständnis soll durch eine Besichtigung des SAFs bei Outokumpu in Tornio (Finnland) zu Beginn der Arbeit erlangt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit soll die Berechnung der Reaktionschemie, für ein am Institut entwickeltes umfangreiches Prozessmodell des Elektrolichtbogenofens, durch ein datenbasiertes Proxy-Modell ergänzt werden. Hierzu müssen die bisherigen Lösungsverfahren hinsichtlich ihrer Eignung untersucht und ein entsprechendes Approximationsverfahren implementiert werden. Abschließend sollen die Simulationsergebnisse verglichen und der resultierende Fehler untersucht werden, um etwaige Grenzen für die Anwendbarkeit des Proxy-Modells festzulegen
In dieser Arbeit wird eine Methode zur Bestimmung der Emissionsgrade beliebiger Oberflächen entwickelt. Dabei steht die Anforderung im Vordergrund, dass die Methode im Rahmen eines experimentellen Aufbaus realisierbar sein sollte. Dazu werden die unterschiedlichen Möglichkeiten der Emissionsgradbestimmung erörtert und darauf basierend eine geeignete Methode entworfen. Diese wird im Anschluss mathematisch modelliert. Die Ergebnisse werden eingeordnet und eine Bewertung der entwickelten Methode schließt sich an.
Der Fokus der Arbeit liegt auf der Recherche zu Reaktionsmechanismen, die für die Abbildung der unterstöchiometrischen Verbrennung geeignet sind, sowie deren Implementierung in einem CFD-Modell. Reaktionsmechanismen werden benötigt, um die bei der numerischen Verbrennungssimulation auftretenden Spezies zu berücksichtigen. Dies ist neben der Wahl eines passenden Turbulenz‑, Strahlungs- und Verbrennungsmodells von großer Bedeutung, um eine adäquate Lösung zu erlangen.
Ziel ist es, an einem (bestehenden) CFD-Modell unterschiedliche Reaktionsmechanismen für die unterstöchiometrische Verbrennung von Erdgas zu implementieren und nach selbst erarbeiteten Kriterien zu bewerten. Dazu ist eine intensive Literaturrecherche zu Reaktionsmechanismen und den validierten Bereichen notwendig.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methodik für die Bestimmung des CO2-Fußabdrucks im Rahmen einer Ökobilanz (Life Cycle Assessment, kurz LCA) für den Betrieb von Thermoprozessanlagen als Teil eines spezifischen Herstellungsprozesses für Produkte aus der Metall- und Mineralindustrie entwickelt und angewendet. Dabei werden anlagenspezifische Restriktionen mit dem notwendigen technischen Sachverstand berücksichtigt. Es stehen u. a. die folgenden Branchen im Fokus:
- Metallindustrie: Stahl, NE-Metalle, Gießereiwesen, Schmieden, Härtereitechnik
- Mineralindustrie: Glas, Keramik, Kalk, Zement