Thema:
Experimentelle Untersuchungen und Simulationsstudien zur Beständigkeit keramischer Brennerkomponenten gegenüber thermischen Beanspruchungen
Forschungsstelle:
Technische Universität Dresden, Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik Professur für Energieverfahrenstechnik
IGF – Fördernummer:
73 LBR
Laufzeit: 01.11.2023-30.04.2026
Kurzfassung:
Gasbrenner sind seit vielen Jahrzehnten Bestandteil sehr verschiedener industrieller Anwendungen und zentraler Bestandteil von Thermoprozessanlagen und Industrieöfen. Ziel ist in der Regel die Erzeugung von Heißgasen, die für unterschiedliche Prozesse der Hochtemperaturverfahrenstechnik (500 °C–2.000 °C Prozesstemperatur) benötigt werden, unter anderem zur Wärmebehandlung von Waren und Produkten, zur Erwärmung von Prozessluft für Trocknungsanlagen, zur Warmwasser- oder Dampferzeugung in Kesselanlagen oder auch zur Nachverbrennung von Luftschadstoffen in thermischen Nachverbrennungsanlagen.
Aktuell werden Industriebrenner vornehmlich mit Erdgas betrieben, wobei auch andere Kohlenwasserstoffe wie Propan, Butan, Ethylen oder auch Kohlenmonoxid als Brenngase eingesetzt werden. Vor dem Hintergrund der Senkung der Treibhausgasemissionen nimmt die Bedeutung alternativer, nichtfossiler Brennstoffe zu. Dazu zählt auch Wasserstoff, der im Bereich der Industriebrenneranwendungen traditionelle Energieträger substituieren soll. Die Umstellung von Erdgas auf Wasserstoff erfordert technische Veränderungen der bisherigen Brenner infolge veränderter Parameter des Brenngases und daraus folgenden veränderten Rahmenbedingungen bei der Verbrennung. Neben konstruktiven Veränderungen ergeben sich auch veränderte werkstoffliche Anforderungen an die besonders belasteten Komponenten der Brenner, die sich aus den höheren Flammentemperaturen ergeben. Hinsichtlich erhöhter thermischer und korrosiver Belastung können keramische Werkstoffe zu höherer Zuverlässigkeit, erhöhter Effizienz und Absenkung des Ressourcenverbrauchs bei der Herstellung der Brenner beitragen.
Im Gesamtvorhaben soll das technologische Basiswissen zur Herstellung von keramischen Brennerkomponenten entwickelt werden, die sich aus den Auswirkungen des Brenngaswechsels von Erdgas auf reinen grünen Wasserstoff ergeben. Der Fokus des Teilprojektes 1, das von den Forschungseinrichtungen Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS Dresden, Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH Ifw Jena bearbeitet wird, liegt auf dem Diffusionsfügen von Keramikfolien und der werkstofflichen Eigenschaftsanpassung für Folienverbunde. Ziel dieses Teilprojekts 2 besteht in der experimentellen und theoretischen Untersuchung und Bewertung der keramische Brennerkomponenten unter praxistypischen Einsatzbedingungen. Dazu wird die konstruktive Gestaltung von Demonstratorkomponenten für industrielle Wasserstoffbrenner simulationsgestützt und wissensbasiert sowie in Abstimmung zu den Fertigungsanforderungen erarbeitet. Mit den hergestellten Demonstratorkomponenten werden dann praxisrelevante Tests durchgeführt und der Optimierungsbedarf identifiziert.