响应工业5.0，3D打印的450 kW 铜燃烧器，看到氢气和天然气火焰的差异

| 3DScienceValley · 2023/01/31

在ACAM亚琛增材制造中心的RWTH DAP与合作伙伴开发的HyInnoBurn项目中，HyInnoBurn项目致力于开发优化的工业燃气燃烧器，以实现天然气和氢气的安全灵活运行。由于氢气火焰的行为不同于天然气火焰，该项目将开发优化的燃烧器几何形状以满足特定的燃烧器要求，例如低排放或在钢厂等具有挑战性的环境中安全运行。燃烧器还应具有可扩展性，以满足不同最终用户的特定要求。AM-增材制造技术成为关键的生产技术，以赋予燃烧器设计最大可能的自由度以及轻松的可扩展性。

HylnnoBurn项目
© ACAM亚琛增材制造中心

目的

虽然许多行业已经通过可再生能源发电实现脱碳，但钢铁生产或蒸汽发电等能源密集型行业对高温热的需求仍然很高。

用可再生生产的氢气部分或完全替代传统化石燃料（例如天然气）是这些行业中避免二氧化碳排放的一项关键技术。氢能燃烧器面临的最大挑战是遵守氮氧化物的排放限制并确保稳定的燃烧控制。3D打印-增材制造可以支持必要的复杂冷却元件设计的实现。

HyInnoBurn项目展示了减少工业燃气燃烧器二氧化碳排放的技术可行性和潜力，为氢气兼容燃烧器的可用性以及在实现碳中和过程提供了可行性。

研究方法

HyInnoBurn项目研究成员结合了发电厂技术、蒸汽和燃气轮机研究所的过程分析，专注于开发通用工业燃烧器，以便使用由天然气 (EG) 和氢气组成的混合燃料灵活运行。

对当前使用的燃烧器配置的初步调查构成了为 H2 燃烧器系统开发提供合适的数值和几何模型的基础，这些模型代表了不同气体成分的燃烧和排放物形成的现象学。通过燃烧器的模拟和实验分析，实现了燃料气体中灵活的含量氢优化。其中，通过3D打印-增材制造工艺生产燃烧器实现大量优化选项至关重要。

最后，在实际操作条件下的污染物排放、温度和过程稳定性方面展示HyInnoBurn项目的可扩展性和工业适用性。这为开发新型燃烧器系统的工业应用以HyInnoBurn项目的方法和能力应用到其他领域（例如固定式燃气轮机和飞机燃气轮机的燃烧器）奠定了基础。

资金来源

该项目得到了德国联邦教育和研究部 (BMBF) 为期 3 年的财政支持。联盟成员包括：

RWTH Aachen University Institute for Combustion Technology ITV

RWTH Aachen University Institute of Power Plant Technology, Steam and Gas Turbines IKDG

Kueppers Solutions GmbH

SMS group GmbH

ANSYS Germany GmbH – Berlin

Bayer AG

thyssenkrupp Industrial Solutions

RWTH Aachen University Chair Digital Additive Production DAP

最新进展

根据3D科学谷的了解，HyInnoBurn项目的最新进展包括现场测试了最近3D 打印的 450 kW 铜燃烧器，该燃烧器灵活地使用天然气和氢气。纯铜作为一种材料确保了高导热性，这有助于燃烧器保持凉爽，同时产生足够的热量。据称，通过该燃烧器，可以很好地看到和听到氢气和天然气火焰的差异。

根据3D科学谷，《逐步实现碳中和，洞悉3D打印的再生燃烧器iRecu的设计奥秘》，HyInnoBurn 项目成员之一Kueppers 此前还开发了新型蓄热式燃烧器 iRecu ® 使用数学上复杂的结构作为热交换器：三重周期最小曲面（简称 TPMS），TPMS结构是一种的典型的为增材制造而设计的结构，它们既具有高强度重量比，又具有非常高的表面积质量比，多被集成在需要进行热交换的3D打印部件中，例如热交换器、散热器。

由此可以看到，3D打印技术开辟了新的可能性：增材制造的系列部件将为热加工技术的能源转型做出重大贡献。在这方面，借助 3D 打印，可以生产出表面积更大的复杂结构，从而提高整个系统的效率。全新开发的 IntrinSiC© 换热式燃烧器或 IRecu，用于间接加热热处理炉。该产品利用了 3D 打印的所有灵活性。凭借 3D 打印的陀螺结构，它将能源效率最大化到前所未有的水平。

正如欧盟提出的工业5.0将可持续发展作为核心要素，欧盟出台了更严格的法规，最早将于2030年生效，以使工业行业更加环保，并实现最迟到2050年实现碳中和的气候目标。尽管在降低能源消耗方面取得了很大进展，但在可持续性发展上仍有许多工作要做。

而作为欧洲制造研发高点的亚琛，已经将可持续性发展作为研发目的之一，正如3D科学谷《促进循环经济，ACAM亚琛增材制造中心从三个角度看3D打印如何赋能工业生产实现可持续发展》一文所提到的，AM-增材制造工艺不仅有助于降排放，还可以提升燃料经济性，进一步的创造清洁的蓝天。