Schlussbericht. der Forschungsstelle(n) 1, Gas- und Wärme-Institut Essen e. V. zu dem über die

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1 Schlussbericht der Forschungsstelle(n) 1, Gas- und Wärme-Institut Essen e. V. zu dem über die im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages geförderten Vorhaben N Untersuchungen zur Verbesserung der Energieeffizienz und der Wärmeüber-tragung einer Oxy-Fuel-Glasschmelzwanne (O2-Glaswanne) (Bewilligungszeitraum: ) der AiF-Forschungsvereinigung Gaswärme Essen, Ort, Datum Dr.-Ing. Anne Giese Name und Unterschrift des/der Projektleiter(s) an der/den Forschungsstelle(n) 0910

2 1. Zusammenfassung Hintergrund und Stand der Forschung Hintergrund Anlass der Antragstellung und Stand der Forschung Aufgabenstellung, Lösungsweg und angestrebte Forschungsergebnisse Angestrebte Forschungsergebnisse Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse Experimentelle Grundlagen GWI-Versuchsofen Temperaturmessung Emissionsmessung Strahlungsmessung OH-Flammenvisualisierung Spektralradiometer Grundlagen der numerischen Simulation reaktiver Strömungen Turbulenzmodellierung Wärmeübertragungsvorgänge Verbrennungsmodellierung Experimentelle Untersuchungen Untersuchungen am GWI-Prüfstand (AS 1) Vergleich der untersuchten Brenner Messungen mit dem Spektralradiometer der HVG am Laborofen (AS 1) Messungen an produzierenden Oxy-Fuel-Glasschmelzwannen (AS 2) Spektralradiometrische Messungen an einer Glasschmelzwanne (AS 2) Numerische Untersuchungen Numerische Simulationen des GWI-Versuchstands (AS 3) Numerische Untersuchungen von Glasschmelzwannen (AS 3) Entwicklung eines spektralen Strahlungsmodells (AS 3)

3 8. Weitergehende Untersuchungen des Oxy-Fuel-Prozesses Zusätzliche Vermessungen von Oxy-Fuel-Brennern Detaillierte numerische Untersuchungen Ausblick Abweichungen vom Projektplan Gegenüberstellung von Forschungszielen und erzielten Ergebnissen Nutzen der Forschungsergebnisse Wissenschaftlich-technischer Nutzen Wirtschaftlicher Nutzen für KMU Veröffentlichungen Danksagung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis

4 1. Zusammenfassung Ein wesentliches Problem in der Glasindustrie ist die thermische NO X -Bildung in Glasschmelzwannen aufgrund der erforderlichen hohen Prozesstemperaturen. Eine Primärmaßnahme zur Reduktion von Stickoxid-Emissionen ist die sogenannte Oxy-Fuel-Feuerung, bei der der Oxidator Luft durch annähernd reinen Sauerstoff ersetzt wird. Neben den potentiell erheblich geringeren NO X - Emissionen bietet diese Form der Prozessführung eine Reihe weiterer Vorteile, weshalb die Oxy-Fuel- Feuerung gerade bei der Produktion von Spezialgläsern immer mehr Verbreitung findet. Die meisten im Betrieb befindlichen Oxy-Fuel-Wannen sind umgerüstete, rekuperative seitenbefeuerte Wannen, die ursprünglich für den Betrieb mit Luft ausgelegt waren. Daher liegen bisher kaum Erfahrungswerte für die Neuauslegung solcher Oxy-Fuel-Wannen vor; man orientiert sich im Wesentlichen an den Design-Kriterien für konventionelle Wannen. Ein Ziel des Forschungsvorhabens O 2 -Glaswanne war es daher, durch eine Kombination von numerischer Strömungssimulation (CFD) und experimentellen Untersuchungen sowohl im semi-industriellen Maßstab als auch an bereits produzierenden Anlagen Design-Kriterien zu erarbeiten, um die Eigenheiten des Oxy-Fuel-Prozesses optimal auszunutzen. Dabei sollten die detaillierten Messungen an Versuchsöfen u. a. auch zur Validierung von CFD-Verfahren zur Beschreibung von Oxy-Fuel- Feuerungen dienen. Es musste festgestellt werden, dass gängige CFD-Codes derzeit keine Reaktionsmodelle zur Verfügung stellen, mit denen Oxy-Fuel-Flammen korrekt mit vertretbaren Rechenzeiten abgebildet werden können. Lediglich ein numerisch sehr aufwändiges Modell in Kombination mit einem umfangreichen Reaktionsmechanismus kann die anders geartete Reaktionskinetik in einem solchen chemischen System abbilden, allerdings mit einem derart hohen Rechenzeitbedarf, dass die Anwendung dieses Modells für industrielle Anwendungen nicht in Frage kommt. Hier besteht noch Entwicklungsbedarf, um geeignete Reaktionsmodelle mit vertretbaren Rechenzeiten zur Beschreibung von Oxy-Fuel-Flammen für industrielle Anwendungen zur Verfügung zu stellen. Da für die Ermittlung von Design-Kriterien für die Neuauslegung von Oxy-Fuel-Wannen verlässliche CFD-Simulationen zwingend erforderlich sind, insbesondere in Bezug auf die Wärmeübertragung von der Flamme in das Glasbad, konnte das Projekt nicht wie ursprünglich geplant durchgeführt werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde teilweise erreicht. 3

5 2. Hintergrund und Stand der Forschung 2.1 Hintergrund Die industrielle Herstellung von Glas ist ein sehr energieintensiver Prozess, bei dem, je nach Glasart und -qualität, Prozesstemperaturen von mehr als 1600 C benötigt werden. Die hierfür erforderlichen Flammentemperaturen sind noch weitaus höher. In konventionellen Glasschmelzwannen lassen sich derartige Temperaturen nur durch intensive regenerative oder rekuperative Luftvorwärmung erreichen, wobei Luftvorwärmtemperaturen von bis zu 800 C für rekuperative und bis zu 1400 C für regenerative Luftvorwärmsysteme üblich sind [1]. Auf diese Weise kann die noch im Abgas enthaltene Enthalpie größtenteils wiedergewonnen werden, was den feuerungstechnischen Wirkungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit der Anlage erhöht. Allerdings bringen diese hohen Temperaturniveaus, in Verbindung mit langen Aufenthaltszeiten im Glaswannengewölbe aufgrund geringer Strömungsgeschwindigkeiten, jedoch immer die Gefahr erhöhter Emissionen thermischer Stickoxide (NO X ) mit sich. Aus diesem Grund besteht seitens der Glasindustrie großes Interesse, die NO x -Bildung in Glasschmelzwannen durch geeignete Primärmaßnahmen zu reduzieren. Eine Möglichkeit, derart hohe Prozesstemperaturen ohne hohe NO X -Emissionen zu erreichen, stellt die Oxy-Fuel-Technologie dar, bei der anstelle von vorgewärmter Verbrennungsluft annähernd reiner Sauerstoff als Oxidator in den Brennraum eingebracht wird. Durch den Wegfall von 79 Vol-% praktisch inertem Stickstoff im chemischen System werden erheblich höhere Flammentemperaturen erreicht als bei einer konventionellen Verbrennung mit Luft. Des Weiteren wird die NO X -Bildung in solchen Anlagen deutlich reduziert, da durch die Substitution von Luft durch reinen Sauerstoff ein quasi unerschöpfliches Stickstoffreservoir wegfällt. Die einzigen Stickstoffquellen, mit denen NO X gebildet könnte, wären Verunreinigungen im Sauerstoff oder Erdgas, Falschluft über das Gemenge bzw. andere Undichtigkeiten der Anlage sowie Ausgasungen aus dem Glasbad. Neben dem Potenzial für deutlich reduzierte Stickoxid-Emissionen bringt die Oxy-Fuel-Technologie noch eine Reihe weiterer Vorteile mit sich. Oxy-Fuel-Anlagen haben einen höheren feuerungstechnischen Wirkungsgrad, da mit dem Luftstickstoff eine wesentliche Wärmesenke fehlt. Bei der Oxy-Fuel-Feuerung ist keine Luftvorwärmung notwendig. Somit entstehen geringere Investitions- und Folgekosten. Der Wegfall von rekuperativen oder regenerativen Luftvorwärmsystemen erlaubt außerdem eine bessere Prozessführung der Glasschmelzwanne, da sich Oxy-Fuel-Systeme sensibler regeln lassen und Effekte, wie etwa das Altern von Regeneratoren bzw. Rekuperatoren entfallen, so dass die Eigenschaften des Oxidatorvolumenstroms leichter zu steuern sind. 4

6 Die geringeren Abgasvolumen und somit niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten reduzieren die Gefahr der Staubaufwirbelung an der Gemengeoberfläche und erlauben den Einsatz kleinerer und damit kostengünstigerer Filteranlagen. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich konventionelle Glasschmelzwannen recht einfach auf den Oxy-Fuel- Betrieb umrüsten lassen. Die Oxy-Fuel-Technologie bringt jedoch nicht nur Vorteile mit sich. Da das heiße Abgas nicht mehr, wie im konventionellen Wannenprozess, zur Vorwärmung der Verbrennungsluft genutzt wird, muss die in ihm enthaltene thermische Energie anderweitig verwendet werden, um den Gesamtprozess effizient zu gestalten. Auch erfordern Oxy-Fuel-Anlagen höherwertiges und damit teureres Feuerfestmaterial als konventionelle luft-befeuerte Glasschmelzwannen. Im Allgemeinen entscheiden jedoch in der Regel die Kosten für die Bereitstellung des Sauerstoffs über die Wirtschaftlichkeit von Oxy-Fuel-Wannen. Durch verbesserte Herstellungsverfahren ist in den letzten Jahren zwar eine deutlich günstigere Produktion des Sauerstoffs vor Ort beim Glashersteller möglich geworden, jedoch sind die Bereitstellungskosten des O 2 nach wie vor das entscheidende Kriterium für oder gegen den Betrieb einer Oxy-Fuel-Wanne, vor allem im Bereich von Float- oder Behälterglas. Im Bereich der Spezialgläser hingegen finden Oxy-Fuel-Wannen in Deutschland aufgrund der genannten Vorteile eine zunehmende Verbreitung. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der Begriff der Oxy-Fuel-Technologie im Bereich der Kraftwerkstechnik anders definiert wird. Hier wird die Verbrennung mit Sauerstoff anstelle von Luft nicht als Maßnahme zur NO X -Minderung und Prozessoptimierung eingesetzt, sondern dient primär zur Vorbereitung von CCS-Maßnahmen (CCS: Carbon Capture and Storage). Da beim Kraftwerksprozess erheblich geringere Prozesstemperaturen auftreten als in einer Glasschmelzwanne (was aus Werkstoffgründen auch erwünscht ist), werden hier große Mengen Abgas im Brennraum rezirkuliert und mit Sauerstoff angereichert. Ziel ist, eine hohe Kohlendioxid- Konzentration im Abgas zu erreichen, wodurch die CO 2 -Abscheidung erleichtert wird [2]. 2.2 Anlass der Antragstellung und Stand der Forschung Die chemischen und thermodynamischen Zustände im Ofenraum einer oxy-fuel-befeuerten Glasschmelzwanne unterscheiden sich erheblich von denen in einer konventionellen, luftbefeuerten Wanne. Die adiabate Flammentemperatur einer Methan-Sauerstoff-Verbrennung liegt unter stöchiometrischen Bedingungen bei etwa 2800 C, während die adiabate Flammentemperatur einer nicht vorgewärmten stöchiometrischen Methan-Luft-Verbrennung bei etwa 2000 C liegt. Dies ist auf den fehlenden Luftstickstoff zurückzuführen, der in einer konventionellen Feuerung mit Luft als Wärmesenke dient und große Mengen Energie bindet. Bei einer Oxy-Fuel-Verbrennung hingegen steht die freigesetzte Energie vollständig der Fortführung der chemischen Kettenreaktionen zur Verfügung, was auch Auswirkungen auf die reaktionskinetischen Prozesse der Verbrennung hat. Auch die Abgaszusammensetzungen und -mengen unterscheiden sich deutlich. Bei Feuerung mit Luft besteht das Rauchgas zu mehr als 70 Vol-% aus Stickstoff, während das Abgas einer Oxy-Fuel- Feuerung im Wesentlichen aus Kohlendioxid und Wasser besteht, also Spezies, die als sogenannte 5

7 Eigenstrahler erheblichen Einfluss auf die Gasstrahlung und somit auf die Wärmeübertragung im Ofenraum haben. Das ist ein Aspekt, der in Glasschmelzwannen, in denen ein Großteil der Wärmeübertragung aufgrund der hohen Ofenraumtemperaturen durch Strahlung erfolgt, eine wesentliche Rolle spielt. Gleichzeitig sinkt das Abgasvolumen bei der Oxy-Fuel-Verbrennung um mehr als zwei Drittel. Dennoch sind die meisten derzeit im Betrieb befindlichen Oxy-Fuel-Wannen entweder umgerüstete, ursprünglich konventionell betriebene Wannen oder wurden in Anlehnung an sogenannte Unit Melter mit rekuperativer Luftvorwärmung und Seitenfeuerung ausgelegt. Dies bedeutet, dass das Gewölbe kaum auf die veränderten chemischen und thermodynamischen Zustände in einer Oxy- Fuel-Wanne hin angepasst wurde, so dass noch große Optimierungspotenziale bzgl. Ofengeometrie und Brenneranordnung zu erwarten sind. Es gibt bis dato kaum Untersuchungen hinsichtlich des Einflusses der Ofenraumgeometrie auf die Wärmeübertragungsvorgänge in Oxy-Fuel-Wannen. Das Konzept des rechteckigen, seitenbefeuerten Unit Melters, wie er in Abbildung 1 zu sehen ist, wird nicht in Frage gestellt. In Oxy-Fuel-Wannen werden lediglich die Brenner durch Brennstoff- Sauerstoff-Brenner ersetzt und der Rekuperator weggelassen. Hierfür gibt es eine ganze Reihe von Gründen. Neben den Kosten für eine neu zu entwickelnde Glasschmelzwannenkonfiguration wäre auch das schwer abzuschätzende Betriebsrisiko einer Anlage zu nennen, für die es bisher keine Erfahrungswerte gibt. Untersuchungen für solche Aggregate, die von Ofenbauern und Anlagenbetreibern durchgeführt wurden, zeigen keine wesentlichen Unterschiede zu konventionellen Wannen [3]. Abbildung 1: Eine seitenbefeuerte Glasschmelzwanne mit Zentralrekuperator ("Unit Melter") 6

8 Eine systematische Untersuchung mit einem Fokus, insbesondere auf die spektralen Strahlungseigenschaften von Oxy-Fuel-Flammen, steht aber bisher aus. In [4] wurde eine Wanne mit besonders hohem Gewölbe untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass gerade bei einer Oxy-Fuel-Wanne eine Anpassung der Ofenraumgeometrie an die veränderten Wärmeübertragungsbedingungen durch Strahlung und Konvektion, einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf den Gesamtprozess hat, wobei Aspekte wie etwa die Qualität des Feuerfestmaterials zu beachten sind [5],[6]. Ein anderer wesentlicher Punkt ist die Ausführung der Brenner. Derzeit ist der Einfluss verschiedener Konstruktionen (Rohr-in-Rohr-Brenner, Flachflammenbrenner, etc.) auf die Wärmeübertragung noch nicht hinreichend geklärt [7],[8],[9],[10], [11],[12],[13], [14]. In den letzten Jahren wird immer mehr Wert auf die Produktqualität und die Verringerung der Produktverluste durch Materialaustrag bei gleichzeitiger Steigerung der Wärmeübertragung gelegt. Dazu wurden besonders die im Stahl-, Aluminium- und Glasschmelzbereich eingesetzten Oxy-Fuel- Brenner hinsichtlich der Vermeidung von lokalen hot-spots, ungleichmäßiger Wärmeverteilung und übermäßigen Sauerstoffgehalts verbessert [4],[7],[9], [10],[11],[12], [13],[14],[15]. Seit 1991 beschäftigt sich das Gaswärme-Institut e. V. Essen (GWI) mit dem Einsatz von Oxy-Fuel- Brennern in Hochtemperaturprozessen. Dabei wurden Oxy-Fuel-Brenner hinsichtlich der Flammenausbreitung, der Wärmeübertragung und der NO X -Emissionen optimiert [15], [16]. Im Bereich der Untersuchung von Glasschmelzöfen [17], [18], [19], [20], [21], [22] und zur Beeinflussung der Wärmeübertragungseigenschaften [23],[24], [25] liegen langjährige Erfahrungen vor. Abgeschlossene Projekte beschäftigen sich speziell mit der Optimierung von Glasschmelzöfen hinsichtlich NO x -Reduzierung (Verdünnte Verbrennung, IGF-Förder-Nr N), [26] und Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften von Erdgas- und Ölflammen (SPEKTRAL II, IGF- Förder-Nr N) [27], [28]. Dabei wurden sowohl numerische Simulation zur Veranschaulichung der Optimierungspotenziale als auch experimentelle Untersuchungen an der semi-industriellen Hochtemperaturversuchsanlage des GWI zur Widerspiegelung der Verhältnisse im Verbrennungsraum einer Glasschmelzwanne und Modifikation der Betriebsparameter eingesetzt. So wurden erstmals im Rahmen eines abgeschlossenen AiF-Projektes die Zusammenhänge zwischen der spektralen Strahlung der Flamme und des Abgases auf die Glasschmelze in einer luftbefeuerten Glasschmelzwanne untersucht [28]. Mit diesen Erkenntnissen ist es gelungen, die Wärmeübertragung durch eine Sekundärgaszufuhr zu verbessern und dabei gleichzeitig die NO x - Emissionen zu verringern. Untersuchungen dieser Zusammenhänge für Oxy-Fuel-Wannen in hinreichendem Maße stehen jedoch noch aus. Die Strahlungseigenschaften der Flamme, des Abgases und des Gewölbes ändern sich aufgrund der veränderten Abgaszusammensetzung erheblich. 7

9 Hierzu ist noch beträchtlicher Untersuchungsbedarf vorhanden, bei der auch der Einsatz moderner Simulationsverfahren einen wertvollen Beitrag liefern kann. Abbildung 2 zeigt beispielhaft die mit Hilfe einer CFD-Simulation ermittelte Wärmestromverteilung auf der Oberfläche eines Glasbades für eine regenerativ beheizte Querbrennerwanne. Diese Darstellung lässt Rückschlüsse auf die Höhe und die Verteilung der jeweils durch Konvektion und Strahlung übertragenen Wärme zu. Eine spektrale Auflösung ist damit jedoch noch nicht verbunden. Das Einbringen der Wärme durch Strahlung ist sehr stark abhängig von der Wellenlänge. Hierbei muss sowohl eine Abhängigkeit vom Zustand der Glasschmelze (Gemengezusammensetzung, Glasspiegel, Läuterbereich, Blasenbildung, usw.) als auch von der Glasart (grünes, weißes, braunes, etc.) beachtet werden [29],[30]. Abbildung 2: Simulierte Wärmestromdichteverteilung an der Glasbadoberfläche in einer regenerativen querbefeuerten Glasschmelzwanne Neu- und Umbauten von Glasschmelzwannen werden heutzutage ohne eine vorherige numerische Simulation nicht mehr durchgeführt, wobei verschiedene CFD-Simulationsprogramme zum Einsatz kommen. Speziell auf die Bedürfnisse der Branche zugeschnitten sind die Produkte von Glass Service (GS) und TNO [31], [32], [33], [34], [35], [36]. Diese Programmsysteme sind in der Lage, sowohl die Gasphasenprozesse im Feuerungsraum als auch die Prozesse in der Glasschmelze sowie ihre Wechselwirkungen miteinander zu beschreiben. Allerdings sind die implementierten Modelle zur Beschreibung der Gasphasenprozesse oft recht einfach gehalten. Sie betrachten zwar die Wechselwirkung zwischen dem Verbrennungsraum und dem Glasbad einschließlich dem Einschmelzund Läuterungsprozess, jedoch sind die eingebundenen Verbrennungsmodelle relativ elementar, der Schwerpunkt bei der Programm- und Modellentwicklung liegt eindeutig bei den Prozessen in der Schmelze. Spektrale Strahlungseigenschaften wurden bisher nur rudimentär berücksichtigt. 8

10 Das Programmsystem ANSYS FLUENT [37] hingegen bietet bezüglich der Turbulenz- und Verbrennungsmodellierung eine große Anzahl teilweise erheblich detaillierterer Modelle an, da diese Software in vielen unterschiedlichen Bereichen der Strömungs-, Energie- und Verfahrenstechnik verwendet wird. Auch gestaltet sich die Diskretisierung komplexer Geometrien - etwa von Brennern - erheblich einfacher, als es bei den Produkten von TNO und GS möglich ist, was numerische Untersuchungen bzgl. des Einflusses der Brennergeometrie auf die Flammenform erlaubt. Allerdings sind hier die Möglichkeiten der Beschreibung der Prozesse im Glasbad auf ein UDF- Interface (UDF: User Defined Function) beschränkt, d. h. es stehen keine vorgefertigten Modelle zur Beschreibung der Prozesse in der Schmelze zur Verfügung. Eine verlässliche mathematische Modellierung der Prozesse in einer Oxy-Fuel-Glasschmelzwanne, insbesondere unter Berücksichtigung der spektralen Strahlungseigenschaften, wäre sowohl für die Wannenbetreiber als auch für Ofenbauer von großem Interesse. Hierfür sind insbesondere detaillierte Messungen aus den Feuerungsräumen von Glasschmelzwannen oder zumindest semiindustriellen Versuchsanlagen notwendig, um Aussagen über die Belastbarkeit von CFD-Modellen für Oxy-Fuel-Anwendungen treffen zu können. 9

11 3. Aufgabenstellung, Lösungsweg und angestrebte Forschungsergebnisse Wie im vorangegangenen Abschnitt dargestellt, sind die Prozesse in einer Oxy-Fuel- Glasschmelzwanne bisher kaum detailliert untersucht worden. Daher lehnt sich das Design solcher Wannen nach wie vor eng an das konventioneller seitenbefeuerter Glasschmelzwannen an. Das übergeordnete Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, die Wärmeübertragung in einer Oxy- Fuel-Glasschmelzwanne an das Glasbad zu untersuchen und daraus Optimierungsmöglichkeiten abzuleiten. Hierfür sollten unter anderem die spektralen Flammeneigenschaften verschiedener Oxy- Fuel-Flammen sowie das Zusammenspiel mit dem Glasbad analysiert und in gängige CFD- Berechnungstools der Glasindustrie (GTM-X) eingebunden werden. Durch die Kenntnis der Strahlungswechselwirkung zwischen Flamme und Glasbad und der daraus folgenden Verbesserung der Wärmeübertragung kann der Prozess der Glasherstellung transparenter gemacht und Energieeinsparmöglichkeiten aufgezeigt werden. Die angestrebten Ziele werden in enger Zusammenarbeit mit der Industrie, hier vor allem Spezialglasherstellern, aber auch Ofenbauern, Brennerherstellern sowie Mess- und Regeltechnikfirmen erarbeitet, um die technische Realisierbarkeit jederzeit zu gewährleisten. Ein weiterer Schwerpunkt dieses Forschungsvorhabens war in der zurzeit stattfindenden kontroversen Diskussion über den Einfluss unterschiedlicher Sauerstoffbrenner-Konstruktionen (Flachflammen, konzentrische Flammen) auf die Wärmeübertragung (und damit auf den Wirkungsgrad) von Oxy-Fuel-Wannen begründet. Unterschiedliche Ausführungen von Brennern sollten deshalb durch numerische Simulationen intensiv untersucht werden, um Optimierungsmöglichkeiten für Oxy-Fuel-Wannen aufzuzeigen. 3.1 Angestrebte Forschungsergebnisse Aus den oben genannten Forschungszielen lassen sich folgende angestrebte Forschungsergebnisse ableiten: 1) Aufzeigen von Optimierungspotenzialen an bestehenden Anlagen anhand von detaillierter Erfassung der Temperatur-, Konzentrations- und Strahlungseigenschaften einer Oxy-Fuel- Flamme und Untersuchung am GWI-Versuchsofen mit begleitenden numerischen Simulationen. 2) Verringerung des Energieverbrauchs und des Rohstoffeinsatzes durch die Verbesserung des Wärmeübertragungsprozesses. Durch eine optimale Rauchgasführung sollen die Abgastemperaturen gegenüber herkömmlichen Oxy-Fuel-Wannen deutlich gesenkt werden und somit eine einfachere Abgaswärmenutzung ermöglichen. Damit können dann optimierte, kleinere Filteranlagen zum Einsatz kommen. 3) Aufstellen von Auslegungskriterien für Neuanlagen. Mit Hilfe dieser Design-Kriterien können Ofenbauer und Anlagenbetreiber bei Neuauslegungen von Oxy-Fuel-Wannen eine verbesserte Flammen-Abgasführung erreichen und gezielt den Wärmeeintrag in das Glas beeinflussen. 10

12 3.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse Durch das Zusammenspiel von detaillierten Brenneruntersuchungen an einer semi-industriellen Versuchseinrichtung, Messungen an bestehenden Oxy-Fuel-Glasschmelzwannen und detaillierten numerischen Simulationen der Laboruntersuchungen und der Glasschmelzwannen soll das Verständnis der der Oxy-Fuel-Technologie zugrunde liegenden Prozesse verbessert werden, um somit die Potenziale dieser Technologie hinsichtlich Wärmeübertragung und Schadstoffminimierung besser ausnutzen zu können. Besonderen Stellenwert hat hier vor allem auch der spektrale Strahlungsaustausch zwischen der Oxy-Fuel-Flamme und dem Glasbad, der bisher noch nicht vollständig erforscht ist. Die Abstimmung zwischen dem Absorptionsverhalten der Abgase und dem Emissionsverhalten des Gewölbes sowie dem Absorptions- und Transmissionsverhalten der Glasschmelze sollen für eine Oxy-Fuel-Wanne hinsichtlich einer optimierten Prozessführung erfolgen. Hierdurch können der Energieeinsatz und die Ausbeute bzw. die Glasqualität verbessert werden. 11

13 4. Experimentelle Grundlagen Im folgenden Kapitel werden die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens verwendeten Versuchsanlagen sowie die den experimentellen Untersuchungen zu Grunde liegenden Messfahren und -geräte eingehender beschrieben. 4.1 GWI-Versuchsofen In Abbildung 3 ist der GWI-Versuchsofen dargestellt. An dieser Anlage können die Bedingungen des Verbrennungsvorgangs in Glasschmelzwannen nachgestellt werden. Gleichzeitig ist der Ofen, im Gegensatz zu industriell genutzten Glasschmelzwannen, speziell auf eine gute messtechnische Zugänglichkeit hin ausgelegt worden. Abbildung 3: GWI-Versuchsofen Mit Hilfe des Drehbettregenerators sind Luftvorwärmtemperaturen bis zu 1350 C realisierbar. Die Begrenzungen für die Ofenraum- und Ofenwandtemperatur betragen 1650 bzw C. Durch das Einbringen von Kühlrohren kann die Ofenraumtemperatur konstant auf einem definierten Niveau gehalten werden. Die im rechten Bild sichtbaren Sondenöffnungen erlauben Feldmessungen der Größen Temperatur und Konzentration (CO, CO 2, NO x, O 2, ) und von Strahlungswärmefluss- Messungen über die gesamte Ofenlänge und -breite mit Hilfe von Sonden. Hierdurch können detaillierte Daten - auch im Brennernahbereich - messtechnisch erfasst werden, um einerseits Validierungsdaten für die numerische Simulation zu erhalten und andererseits Vorgänge, die im Inneren der Glasschmelzwanne stattfinden, transparenter darzustellen. Die Messmethoden werden in den nachfolgenden Abschnitten detaillierter erläutert. 12

14 Abbildung 4: Messplan der Feldmessungen Abbildung 5: Messebene am GWI-Versuchsstand An der oben beschriebenen GWI-Versuchsanlage können verschiedene Stirnwände angebracht werden, mit denen sowohl mittig angeordnete Brenner als auch die für die Glasindustrie typischen Brennerports adaptiert werden können. Hiervon wurde jedoch im Rahmen von O 2 -Glaswanne kein Gebrauch gemacht. Abbildung 4 zeigt den Messplan, der den Speziesfeldmessungen zugrunde liegt. Dabei werden 14 axiale und zwischen sechs und 16 transversale Messpunkte angefahren, um auf diese Weise eine 13

15 zweidimensionale Verteilung der gemessenen Größen zu erhalten. Dabei liegen im Brennernahbereich mehr Messpunkte als weiter stromab, um auf diese Weise einen detaillierteren Einblick in die Prozesse in der Nähe der Flamme zu erhalten. In Abbildung 5 ist u. a. die Messebene zu sehen, die auf diese Weise untersucht wird. 4.2 Temperaturmessung Die Messung der Prozesstemperaturen erfolgt über Pt/Rh-Pt Thermoelemente des Typs B. Das B steht als internationaler Kennbuchstabe für die oben genannte Materialpaarung. Diese Thermoelemente können bei Temperaturen bis zu 1800 C eingesetzt werden Vergleichsstelle 2 Thermo- / bzw. Ausgleichsleitungen 3 Anschlussstelle 4 Messstelle 3 Abbildung 6: Schematische Darstellung eines Thermoelement-Messkreises 4 Prinzipiell besteht ein Thermoelement aus zwei (daher auch Thermopaar genannt) elektrisch leitenden Metallen mit möglichst unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften, die an einem Ende leitend verbunden werden. Wird nun das Thermoelement an der verbundenen Stelle, also der Messstelle, einer bestimmten Temperatur ausgesetzt, entsteht an den beiden offenen Enden - der sogenannten Vergleichsstelle - eine Thermospannung. Diese Thermospannung hängt vom Werkstoff der Thermodrähte und von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle ab. Die Temperatur der Vergleichsstelle muss konstant gehalten werden oder sehr genau bekannt sein, um eine entsprechende Korrektur durchzuführen. Das Thermoelement kann mit Thermo- bzw. Ausgleichsleitungen verlängert werden, die direkt an das Messgerät angeschlossen werden (siehe Abbildung 6 ). 4.3 Emissionsmessung Die Analyse der Abgaskonzentrationen und Feldmessungen beinhaltet neben der Temperaturerfassung die Messung der CO-, CO 2 -, NO-, NO 2 - und NO x -Konzentrationen mit zusätzlicher Aufnahme des O 2 -Gehaltes. Die Absaugung des Abgases geschieht mit einer speziellen, wassergekühlten Abgassonde. Die Bestimmung der Abgaskonzentrationen von CO, CO 2, NO, und NO 2 14

16 findet mit Hilfe eines mikroprozessor-gesteuerten Gasanalysators vom Typ BINOS 1001 statt, der ein NDIR- und ein NDUV-Photometer zur Konzentrationsbestimmung nutzt. Die nichtdispersive Infrarotabsorption (NDIR) ist ein bewährtes Verfahren zur Konzentrationsmessung von heteroatomigen Gasen. Damit sind Gase gemeint, die aus unterschiedlichen Atomen aufgebaut sind wie CO, CO 2 und NO. Das Messprinzip beruht auf der Absorption infraroter Strahlung durch die Verschiedenheit der gasspezifischen Wellenlängen. Der aus der Strahlungsabsorption abgeleitete Messeffekt ermöglicht die akkurate Bestimmung der Gaskonzentration. Abbildung 7 zeigt das schematische Funktionsprinzip eines NDIR-Photometers. Die NO 2 -Konzentrationsmessung wird über die verwandte nichtdispersive Ultraviolett-Resonanzabsorption (NDUV) getätigt. In Abbildung 8 ist der Aufbau des NDUV-Messgerätes schematisch dargestellt. Ähnlich wie beim zuvor beschriebenen NDIR-Verfahren wird die Eigenschaft der Gasmoleküle ausgenutzt, elektromagnetische Strahlung bei typischen Wellenlängen zu absorbieren IR-Strahler mit Reflektor 2 Messstrahl (mit Absorption) 3 Mess-Seite 4 Analysen-Küvette 5 Filter-Küvette 6 Wirbelstrom-Antrieb 7 Fenster 8 Vergleichs-Seite 9 Vergleichs-Strahl (ohne Absorption) 10 Modulationsblende (Chopper-Rad) 11 Pneumatischer Detektor (IR) 12 Absorptioins-Kammer 13 Licht-Pulse (konzentrationsproportional) 14 Mikro-Strömungsfühler 15 Spannungs-Pulse (konzentrationsproportional) 16 Signalverarbeitung 17 Messwertausgabe /-anzeige 18 Ausgleichskammer Abbildung 7: Funktionsprinzip eines NDIR-Photometers [38] Der kennzeichnende Unterschied beider Verfahren ist die Strahlungsquelle. Während bei der NDIR- Methode die Strahlung mittels Infrarotstrahler erzeugt wird, wird beim NDUV-Verfahren die Strahlung des ultravioletten Wellenbereichs durch Molekülanregung mit einer Entladungslampe hervorgerufen [38]. Die NO x -Konzentration wird geräteintern rechnerisch aus der Summe von NO und NO 2 ermittelt. 15

17 UV-Strahler mit Reflektor 2 Messstrahl (mit Absorption) 3 Mess-Seite 4 Analysen-Küvette 5 Wirbelstrom-Antrieb 6 Fenster 7 Vergleichs-Seite 8 Vergleichs-Strahl (ohne Absorption) 9 Fokussierung 10 Modulationsblende (Chopper-Rad) 11 Licht-Pulse (konzentrationsproportional) 12 Foto-Zelle 13 Halbleiter-Detektor (UV) 14 Spannungs-Pulse (konzentrationsproportional) 15 Signalverarbeitung 16 Messwertausgabe /-anzeige Abbildung 8: Aufbau eines NDUV- Photometers [38] Das OXYNOS 100 (siehe Abbildung 9) analysiert die Sauerstoffkonzentration nach dem Prinzip des Paramagnetismus Drahtschleife 2 Spiegel 3 Lichtstrahl 4 Differential-Fotozellen 5 Signalverarbeitung 6 Messwertausgabe / -anzeige 7 Torsionsband 8 Lichtquelle 9 Drehwaage (Verdrängungskörper) Abbildung 9: Aufbau der Sensormesskammer des O 2 -Messgerätes [39] Das bei Konzentrationsbestimmung häufig angewandte Absorptionsverfahren kann bei der Sauerstoffmessung nicht verwendet werden, da Sauerstoff keine Strahlung im relevanten Wellenlängenbereich absorbiert. Aus diesem Grund werden paramagnetische Messverfahren eingesetzt, die auf dem magneto-dynamischen bzw. paramagnetischen Verhalten von Sauerstoff basieren. Das bedeutet, dass sehr paramagnetische Gase wie Sauerstoff zu dem Ort größter Feldstärke hingezogen werden. Strömt nun das zu analysierende Gas in die Messkammer, erhöht sich der Sauerstoffpartialdruck durch Anwesenheit eines starken Magnetfeldes, das von zwei Permanentmagneten erzeugt wird. Die vom Magnetfeld verdichteten Sauerstoffmoleküle in der Mitte des Sensors bewirken eine Positionsänderung des hantelförmigen Drehpendels. Durch die Verdrehung wird ein Lichtstrahl über ein Spiegelelement in divergente Richtungspunkte reflektiert. 16

18 Ein hochgenauer Fotozellendetektor überwacht kontinuierlich die Verdrehung des speziell konzipierten Körpers. Die Intensität dieser Verdrehung ist ein direktes Maß für die Sauerstoffkonzentration [39]. 4.4 Strahlungsmessung Zur Messung des Strahlungswärmeflusses wurde ein Narrow-Angle-Radiometer (NAR) eingesetzt. Mit der Narrow-Angle-Radiometer-Sonde (Abbildung 10) kann die Gesamtstrahlung (Wandstrahlung, Gasstrahlung und evtl. Rußstrahlung) detektiert werden. Jedoch wird durch die geometrische Gestaltung des Strahlungskanals jegliche quer einfallende Strahlung vom wassergekühlten Mantel der Sonde absorbiert, und nur die senkrecht einfallende Gesamtstrahlung gelangt über einen Spiegel zum Sensor. Da das Signal sehr schwach ist, wird zur Vermeidung äußerer Einflüsse der gesamte Detektorkopf auf eine konstante Temperatur gekühlt und das Signal verstärkt. Die Sonde wird mit Stickstoff gespült, um Verunreinigungen zu vermeiden und konstante Randbedingungen in der Sonde zu realisieren. Da die Sonde nur die senkrecht einfallende Strahlung detektiert, können detaillierte Aussagen über das Strahlungsverhalten von der punktuell gegenüberliegenden Feuerraumwand und der dazwischen liegenden Ofenatmosphäre und Flamme gemacht werden. Abbildung 10: Funktionsprinzip des Narrow-Angle-Radiometers 4.5 OH-Flammenvisualisierung Neben der Strahlungs-, Temperatur- und Spezieskonzentrationsmessung wurden bei den Testreihen am Versuchsofen auch Messungen zur Flammenvisualisierung durchgeführt. Hierzu kam das am GWI zur Verfügung stehende UV-Kamerasystem der Firma LAVISION [40] zum Einsatz, das mit dem Prinzip der OH-Chemoluminiszenz arbeitet. Dieses Verfahren basiert auf der Visualisierung von Flammen durch Detektion der Eigenstrahlung der in der Verbrennungsreaktion entstehenden OH- Radikale im UV-Wellenlängenbereich. 17

19 Abbildung 11: OH-Chemoluminiszenz-Aufnahme einer Flamme Die kurzlebigen OH-Radikale sind Zwischenprodukte der Verbrennung, die sowohl in der Reaktionsfront (Oxidation von CO) als auch bei hohen Temperaturen durch Dissoziation von Wassermolekülen entsprechend folgender Gleichungen entstehen bzw. umgesetzt werden: CO-Oxidation: Hochtemperaturdissoziation: Die Rekombinationsvorgänge von O- und H- Atomen zeichnen sich durch eine emittierte Strahlung bei einer charakteristischen Wellenlänge im ultravioletten Wellenlängenbereich von 306,4 nm aus. Wie Abbildung 12 zeigt, findet im UV-Bereich, im Gegensatz zum sichtbaren Spektrum, keine Überlagerung von Strahlungssignalen der Wände und Flamme statt, so dass dieser Spektralbereich gut geeignet ist, um die Flammenform mit Hilfe der Emissionen der OH-Radikale zu visualisieren, und auf diese Weise sowohl die Form der Reaktionszone als auch eine qualitative Temperaturverteilung wiederzugeben. Zur Detektion der Signale dieser kurzlebigen Radikale dient ein bildverstärktes UV-sensitives CCD- Kamerasystem. Das Kamerasystem besteht aus einer CCD-Kamera (CCD: charged-coupled device), einem Restlichtverstärker, der mittels Steuerungsgerät die eingehende Strahlung verstärken bzw. reduzieren kann, einem Objektiv und einem UV-Filter, den nur Licht im ultravioletten Spektrum durchdringt. 18

20 Abbildung 12: Prinzip der UV-Flammenvisualisierung Abbildung 13: Komponenten einer UV-Kamera Die einzelnen Aufnahmen lassen sich über eine Software erfassen und zu einem Summenbild mitteln. Durch die statistische Analyse der Einzelbilder können auch oszillierende und turbulente Flammenformen visualisiert werden. Die am Gaswärme-Institut zur Verfügung stehenden Versuchsöfen sind für die Zugänglichkeit mit optischen Messverfahren konzipiert und weisen dementsprechend große Sichtfenster auf, siehe auch Abbildung 14 und