Das Verbund-ZIK

OptiCon ist ein Verbundprojekt der Zentren für Innovationskompetenz (ZIK) „ultra optics“ an der Friedrich-Schiller-Universität Jena und „Virtuhcon“ an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg.

Die Bündelung der Expertise auf dem Gebiet der Laserphysik, die im ZIK ultra optics in Jena entwickelt wurde, mit dem Know-how des ZIK Virtuhcon auf dem Gebiet der Modellierung von Hochtemperatur-Konversionsprozessen im Verbund mit der experimentellen Stoffdatenermittlung zielt auf die Entwicklung neuer Methoden zur experimentellen Untersuchung von Hochtemperaturreaktionen.

Die Arbeiten in OptiCon bauen auf den Ergebnissen der Vorläuferprojekte HITECOM I +II auf.

Die Ziele

Die Zielstellung besteht in der Entwicklung und Anwendung neuer experimenteller Versuchsanordnungen. Ein Schwerpunkt ist die in-situ-Bestimmung von Temperatur- und Konzentrationsprofilen an reagierenden Einzelpartikeln bei Temperaturen bis zu 1400 °C und Drücken bis zu 40 bar. Ein zweiter Schwerpunkt ist die Vermessung des Flammenprofiles bei der Partialoxidation von Erdgas in einer großtechnischen, industrienahen Versuchsanlage, die bei Drücken bis zu 100 bar und Temperaturen bis zu 1400 °C betrieben wird.

Der Hintergrund ist die Bestrebung, die Neu- und Weiterentwicklung von Hochtemperatur-Konversionsprozessen (Metallurgie, stoffliche Kohle-und Biomassenutzung, Synthesegasherstellung) verstärkt auf Basis numerischer Modelle zu betreiben. Die Modellierung kann nur realitätsnah gestaltet werden, wenn sie auf Grundlage chemisch-physikalischer Gesetzmäßigkeiten erfolgt. Hierfür sind eine breite Basis an chemisch-physikalischen Stoffdaten sowie experimentell ermittelte Validierungsdaten erforderlich.

Um diese Datenbasis gezielt zu erweitern und damit auch die Qualität der numerischen Modelle weiter zu verbessern, sind neue experimentelle Methoden erforderlich. Dieser Aufgabe stellt sich OptiCon, indem am ZIK Virtuhcon ein neuartiger Versuchsreaktor zur orts- und zeitaufgelösten in-situ-Erfassung der Konversion von Einzelpartikeln unter definierten Strömungsbedingungen zur Anwendung kommt. Weiterhin wird der OptiCon-Ansatz an der am Forschungsstandort vorhandenen Pilotanalage HP-POX demonstriert. An der Friedrich-Schiller-Universität Jena werden spektroskopische Methoden gezielt so weiterentwickelt, dass sie auch bei den extremen experimentellen Bedingungen eingesetzt und für die Datenerfassung genutzt werden können.

Um bereits projektbegleitend die technologische Relevanz sowie die verwertungsorientierte Projektbearbeitung zu stärken, haben sich vier Industriepartner zur assoziierten Zusammenarbeit bereiterklärt. Die Outotec GmbH & Co. KG sowie die Air Liquide Forschung & Entwicklung GmbH begleiten die vom Projekt adressierten Bereiche Metallurgie und Synthesegasherstellung. Der Bereich der laserspektroskopischen Analyseverfahren wird prominent durch die Active Fiber Systems GmbH und die TRUMPF Scientific Lasers GmbH + Co. KG vertreten.

Die besonderen Herausforderungen des Verbundvorhabens ergeben sich aus den Reaktionsbedingungen (reaktive Gase, 1400 °C, 40-80 bar) im Zusammenhang mit der technischen Realisierbarkeit des Versuchsaufbaus und der Entwicklung und Anpassung der erforderlichen spektroskopischen Messverfahren. Zur Entwicklung von Lösungsansätzen wird die Konzeptionierung der Versuchsanordnungen durch begleitende Vorversuche und numerische Strömungssimulationen unterstützt.

Die thematischen Schwerpunkte

Die thematischen Schwerpunkte umfassen:

• Verbesserung der bestehenden Versuchsanordnung zur Untersuchung reaktiver Einzelpartikel und deren Anwendung und Erhöhung der Messgenauigkeit der spektroskopischen Untersuchungsmethoden
• Anwendung der Versuchsanordnung auf Schlüsselreaktionen aus der Metallurgie und Recyclingtechnologie zum Aufbau einer detaillierten Datenbasis für heterogene Hochtemperaturreaktionen aus den Technologiebereichen Metallurgie sowie Reduktionsgas- und Synthesegasherstellung
• erweiterte CFD-Modellierung für die gekoppelte Analyse der intrapartikulären Konversionsprozesse bei unterschiedlichen metallurgischen und kohlenstoffbasierten Einsatzstoffen
• fortschrittliche, validierte numerische Teilmodelle als Basis für die verbesserte Gesamtreaktorsimulation (kohlenstoffbasierte und metallurgische Hochtemperaturkonversionsprozesse)
• Skalierung des OptiCon-Ansatzes hin zu großtechnischen Anwendungen und Demonstration an der HP-POX.

Die Partner

• Friedrich-Schiller-Universität Jena, Institut für Angewandte Physik
• Technische Universität Bergakademie Freiberg, ZIK Virtuhcon
• assoziierte Industriepartner: Outotec GmbH & Co. KG, Air Liquide Forschung & Entwicklung GmbH, Active Fiber Systems GmbH, TRUMPF Scientific Lasers GmbH + Co. KG

Kontakt

Prof. Dr. Andreas Tünnermann
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Physikalisch-Astronomische Fakultät
Max-Wien-Platz 1
07743 Jena
Tel.: 03641 80 72 01
E-Mail: tuennermann[at]iap.uni-jena.de
www.acp.uni-jena.de/ZIK_ultra_optics.html

Prof. Dr.-Ing. Bernd Meyer
TU Bergakademie Freiberg
Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen
Professur für Energieverfahrenstechnik und thermische Rückstandsbehandlung
Fuchsmühlenweg 9, Haus 1
09596 Freiberg
Tel.: 03731 394510
E-Mail: bmeyer[at]iec.tu-freiberg.de
www.virtuhcon.de