Die perfekte Reaktion

Wie kann die Roheisenproduktion optimiert oder aus der Müllverbrennung wertvolles Synthesegas gewonnen werden? Auf diese und andere wichtige Zukunftsfragen für die Industrie wollen Forscher aus Freiberg und Jena Antworten finden.

Die Chemiker und Physiker haben ihre Kompetenzen im Verbund-ZIK OptiCon gebündelt. OptiCon steht für Optical Measurement High Temperature Conversion und ist aus den Zentren für Innovationskompetenz Virtuhcon in Freiberg und ultra optics in Jena hervorgegangen. Die Wissenschaftler nutzen optische und mathematische Methoden, um Hochtemperaturprozesse genauer durchdringen zu können. Ihr Ziel ist es, die entsprechenden industriellen Verfahren zu optimieren.

Kleine Partikel – großer Erkenntnisgewinn

Im Mittelpunkt der Forschungen steht ein Reaktor, den das Team gemeinsam konstruiert hat und der die Beobachtung einzelner Partikel bei der Reaktion mit Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf ermöglicht. Die Partikel stammen von Kohlenstoffträgern wie Braunkohle, Klärschlamm oder auch Bagasse – die Überreste aus der Zuckerproduktion. Im Reaktor konnten die Wissenschaftler erstmals die Strukturänderungen einzelner Partikel unter definierten Strömungsbedingungen untersuchen.

Einzelne Partikel von Kohlenstoffträgern

Unter Beobachtung: Einzelne Partikel von Kohlenstoffträgern können im eigens dafür entwickelten Reaktor unter anderem bei Reaktionen mit Sauerstoff beobachtet werden.

TUB Freiberg

Unterstützend zu den praktischen Experimenten hat eine Freiberger Arbeitsgruppe den Stoff- und Wärmetransport im Reaktor sowie die reaktive Grenzschicht um das Partikel analysiert. Dazu haben die Ingenieure die numerische Strömungssimulation genutzt. Die Ergebnisse der experimentellen und numerischen Arbeiten können sie auf metallurgische Prozesse übertragen, insbesondere auf die Herstellung von Roheisen, das durch die Reduktion von Eisenerz bei der Vergasung von Koks entsteht. Roheisen bildet die Grundlage für die Stahlproduktion.

Flammen analysieren und Moleküle messen

Für Hochtemperaturprozesse wie die Wasserstoffherstellung durch Erdgas ist eine optimale Temperaturverteilung im Reaktor notwendig. Da diese wesentlich von den Brennern abhängt, vergleichen die Wissenschaftler verschiedene Brennersysteme in einer großtechnischen Hochdruck-Versuchsanlage. Mit Hilfe von Strömungssimulationen und Kameras sind Untersuchungen von Flammen für verschiedene Erdgas-Sauerstoff-Gemische geplant. Das Besondere an dem Versuchsreaktor ist, dass er über optische Zugänge verfügt und an ein Lasermesssystem gekoppelt werden kann. Um die Temperatur und Konzentrationsverteilung ganz exakt zu messen, wollen die Jenaer Wissenschaftler die Ramanspektroskopie nutzen, mit der alle Moleküle des Partikels im Reaktor simultan gemessen werden können.

Die anwendungsorientierten Experimente und Simulationen des OptiCon-Teams sind auf große industrielle Anlagen übertragbar, woran die beteiligten Unternehmenspartner sehr interessiert sind.

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