Industrielle Prozessfeuerung mit H₂ und O₂
Status & Laufzeit
Abgeschlossen | 01.06.2020 – 30.05.2023
Zusammenfassung
Branntkalk ist ein wichtiger Grundstoff für die Stahl- und Bauindustrie, die Landwirtschaft und den Umweltschutz. Seine Herstellung in Kalkschachtöfen verursacht jedoch hohe CO₂-Emissionen. Ein Teil entsteht prozessbedingt bei der Entsäuerung des Kalksteins, der andere brennstoffbedingt durch die Feuerung mit fossilen Energieträgern. Das Vorhaben untersuchte, wie sich der Ofenbetrieb verändert, wenn Erdgas durch regenerativ erzeugten Wasserstoff (H₂) ersetzt wird. Zusätzlich sollte der bei der Wasserelektrolyse anfallende Sauerstoff (O₂) für eine Oxyfuel-Verbrennung genutzt werden. Dabei steigt die CO₂-Konzentration im Abgas, was eine nachgeschaltete Abscheidung (CCUS) weniger energieintensiv und kostengünstiger macht.
In der heißen und trägen Partikelschüttung industrieller Öfen sind Messungen kaum möglich. Das Vorhaben stützte sich daher auf Simulationen. Ein Gleichgewichtsmodell in Aspen Plus™ lieferte die globalen Massen- und Energiebilanzen. Diese dienten als Randbedingungen für ein am IUTA entwickeltes, gekoppeltes CFD-DEM-Modell. Es bildet Strömung, Gasphasenverbrennung, Wärme- und Stoffübertragung zwischen Gas und Partikeln sowie den Kalzinierungsgrad zeitlich und örtlich aufgelöst ab. Als Referenzfall diente ein erdgasbefeuerter Normalschachtofen. Ergänzend wurde die H₂-Bereitstellung über eine alkalische Elektrolyse modelliert.
Mit H₂ sinkt der thermische Energiebedarf um bis zu 9 %, gleichzeitig steigen aber die Verbrennungs- und Partikeltemperaturen. Ein Ofen mit 200 t/d CaO bräuchte bei vollständiger Substitution eine Elektrolyseleistung von mindestens 14 MW, das sind rund 122 GWh Strom pro Jahr. Mit reinem Sauerstoff und ohne Gegenmaßnahmen werden die Temperaturen so hoch, dass das Material sintert. Eine Abgasrezirkulation mit einem Rezirkulationsverhältnis über 0,2 ist daher zwingend. Auch bei vollständigem Brennstoffwechsel bleiben rund 0,78 kg CO₂ je kg CaO an prozessbedingten Emissionen, die sich nur durch CCUS vermeiden lassen. Aus den Ergebnissen wurden Handlungsempfehlungen für Anlagenbetreiber abgeleitet. Sie betreffen unter anderem das Brennerdesign, die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik, die Sicherheitstechnik sowie Gasaufbereitung und -rückführung. Im Folgeprojekt „Einsatz von regenerativem Wasserstoff und Sauerstoff in industriellen Kalkschachtöfen“ (49VF240049) werden die Arbeiten für GGR-Öfen fortgeführt.
Schlussbericht
INNO-KOM-Projekt: 49VF200006
Forschungsstelle:
Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V.
Förderhinweis
Das Forschungsprojekt wurde im Rahmen des Programms INNO-KOM „FuE-Förderung gemeinnütziger externer Industrieforschungseinrichtungen – Innovationskompetenz“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
