Flammenlose Industriebrenner / 25.11.2016

Einsatzbereich für FLOX-Brenner wächst

Innenraum der Brennkammer, in der der Mega-FLOX-Brenner erprobt wurde. ©WS Wärmeprozesstechnik GmbH

Mithilfe sogenannter FLOX-Brenner sorgt die flammenlose Oxidation in vielen Hochtemperaturprozessen für die optimale Brennstoffnutzung bei niedrigen Schadstoff-Emissionen. Solche Brenner werden im mittleren Leistungsbereich zwischen 20 und 300 Kilowatt bereits verbreitet eingesetzt.

Ziel des Projektes Mega-FLOX ist es, den Leistungsbereich solcher Brenner zu erweitern. Forscher des Instituts für Industrieofenbau und Wärmetechnik der RWTH Aachen und des Brennersystem-Herstellers WS Wärmeprozesstechnik arbeiten daran, die bisherigen Leistungsgrenzen der FLOX-Technik von etwa 20 bis 300 kW zu erweiter, um kleinere und größere Brennersysteme möglich zu machen. Dadurch wollen sie weitere Anwendungsgebiete für diese Verbrennungstechnik bei Kleinanlagen wie Brennstoffzellen, kleine BHKW und Restgasverbrennungsanlagen erschließen, ebenso bei Großanlagen, zum Beispiel im Chemieanlagenbau oder in großen Erwärmungsöfen wie Hubbalken- und Stoßöfen.

Brenner für neue Leistungsbereiche entwickelt

In diesem Versuchsofen mit zylindrischer Brennkammer testeten die Wissenschaftler die neuen großen FLOX-Brenner. ©WS Wärmeprozesstechnik GmbH

Mit experimentellen Untersuchungen und Computersimulationen haben Forscher der WS Wärmeprozesstechnik und der RWTH Aachen Methoden und Instrumente entwickelt, mit denen sich die Brennergrößen skalieren lassen. Für die Versuche bauten die Forscher einen FLOX-Brenner im Megawattbereich, der mit wenigen Modifikationen zur serienreife gebracht werden könnte. Aber nicht nur große Megawattbrenner lassen sich damit entwickeln, sondern auch Kleinbrenner, beispielsweise für Mikrogasturbinen. Als entscheidende Vorteile der Technologie sieht Joachim Wünning, Projektleiter und Geschäftsführer bei WS Wärmeprozesstechnik, nicht nur die geringen Stickoxidemissionen: „Der FLOX-Prozess ist besonders flexibel bei der Brenngaszusammensetzung. Er eignet sich sowohl für synthetische Gase, Restgase und Schwachgase. Deshalb können die Brenner auch bei Anwendungen Vorteile bieten, bei denen es gar keine Stickoxidprobleme gibt – etwa dort, bei denen konventionelle Brenner nicht einwandfrei funktionieren.“

 

Dadurch eröffnen sich zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. Bisher werden FLOX-Brenner in vielen industriellen Prozessen eingesetzt, vorwiegend im Bereich der Wärmebehandlung von Metallen, beispielsweise in Glüh-, Härte oder Vergüteanlagen. Mit größerer Leistung im Megawattbereich könnten die Brenner in Reformern der Chemieindustrie oder großen Wärm- und Prozessöfen gute Einsatzchancen haben. Bei Power-to-Gas-Anlagen eignen sich die Brenner auch dazu, Schwachgase zu nutzen, die anderweitig nicht verwertet würden.

Flammenlose Verbrennung: schadstoffarm trotz hoher Temperaturen

Im Flammen-Modus wird der FLOX-Brenner vorgeheizt. ©WS Wärmeprozesstechnik GmbH

Industrieöfen arbeiten meist bei sehr hohen Prozess-Temperaturen. Entsprechend heiß verlassen die Brennerabgase den Ofenraum. Diese Energieverluste lassen sich mit Rekuperatorbrennern minimieren, die die Abgase zur Vorwärmung der Brennluft nutzen. Jedoch steigt bei höheren Temperaturen der Brennluft auch die Bildung von Stickoxiden. Gerade die Stickoxid-Emissionen sind eine maßgebliche Herausforderung bei Hochtemperaturprozessen. Häufig lassen sich die Grenzwerte der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) nur durch eine nachgeschaltete aufwendige Reinigung der Abgase erreichen.

 

Luftstickstoff oxidiert in besonderem Maße in den heißen Zonen der Flammenfront. Bei FLOX-Brennern entstehen hingegen kaum Stickoxide, obwohl auch sie die Brennluft mit dem Abgas vorwärmen. Der entscheidende Unterschied zu konventionellen Rekuperatorbrennern ist die flammenlose Oxidation des Brenngases – ohne die Temperaturspitzen einer Flammenfront. Dies führt zu einer gleichmäßigen Ofentemperatur, die bei geringen Stickstoffemissionen bis zu etwa 1.400 °C aufrechterhalten werden kann.

 

Die Verbrennung ohne Flamme lässt sich durch eine ausgeklügelte Durchmischung von Brenngas, Brennluft und rückzirkulierendem Abgas erreichen. Brenngas und Verbrennungsluft strömen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in die Brennkammer. Eine starke interne Abgaszirkulation vermischt Luft und Abgas in der Brennkammer und dieses Gemisch dann verzögert mit dem Brenngas. Dies führt dazu, dass oberhalb einer Temperatur von etwa 650 °C eine flammenlose Oxidation stattfindet. Entsprechend stellen sich im gesamten Ofenvolumen sehr homogene Temperaturen ein. Stickstoffoxide, die vor allem an Flammenfronten mit hohen Spitzentemperaturen entstehen, werden kaum noch gebildet. Die gute Durchmischung sorgt für eine vollständige Verbrennung, sodass auch die Kohlenmonoxid-Konzentration im Abgas vernachlässigbar ist.

Mehr zum Projekt

Erweiterung der Einsatzgrenzen der FLOX Technik für kleine und große Brennerleistungen

Abschlussbericht ist erhältlich als externer Download von der TIB Hannover.

Förderkennzeichen:

03ET1078A

Laufzeit:

2013 - 2015


Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.