04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/5
Browse
22 results
Search Results
Item Open Access Modellierung laminarer und turbulenter Flüssig-Sauerstoff/Wasserstoff-Sprayflammen unter kryogenen Hochdruckbedingungen(2001) Schlotz, Dominik; Gutheil, Eva (Prof. Dr. rer. nat.)Im Hinblick auf die technische Anwendung der Sprayverbrennung in Raketentriebwerken wird in dieser Dissertation die laminare und turbulente Verbrennung von Flüssig-Sauerstoff/Wasserstoff-Flammen unter kryogenen Hochdruckbedingungen behandelt. In Raketentriebwerken findet die Verbrennung im Flamelet-Bereich turbulenter Reaktionszonen statt. D.h., die Diffusionsflammenfronten können als ein Ensemble laminarer, gestreckter Flämmchen aufgefaßt werden, deren Struktur der der Gegenstromkonfiguration sehr ähnlich ist. Deshalb wird nach einer Einführung und einer Beschreibung der Grundgleichungen für reaktive Zwei-Phasen-Strömungen die Struktur laminarer Gas- und Sprayflammen in der Gegenstromkonfiguration mit numerischer Methoden untersucht. In dem zugrunde liegenden Modell werden detaillierte Chemie, detaillierter Transport, die Transporteigenschaften bei kryogenen Eintrittstemperaturen sowie die Druck- und Temperaturabhängigkeit des Phasengleichgewichts berücksichtigt. Die Ergebnisse werden in Flammenbibliotheken niedergelegt. Das Modell ermöglicht die Bestimmung von Verlöschbedingungen, die für die Simulation turbulenter Spraydiffusionsflammen mittels eines Flamelet-Ansatzes grundlegend sind. Für die Berechnung turbulenter Flüssig-Sauerstoff/Wasserstoff-Sprayflammen wird ein System gemittelter zweidimensionaler Gasphasen-Erhaltungsgleichungen gelöst, welche Quellterme des Phasenaustauschs beinhalten und durch das k-e-Turbulenzmodell geschlossen werden. Die Phasenaustauschterme werden mit Spraygleichungen berechnet. Gas- und Flüssig-Phase sind durch einen Euler-Lagrange Formalismus gekoppelt. Die in dieser Arbeit berechnete Gasflammenbibliothek wird bei der Bestimmung mittlerer Massenbrüche verwendet. Von der DLR Lampoldshausen durchgeführte Experimente an einer Mikrobrennkammer liefern Startwerte für die Berechnung und werden für einen Vergleich mit numerischen Ergebnisse herangezogen.Item Open Access Online-Validierung energietechnischer Prozesse unter Zulassung transienter Messdatenverläufe(2003) Laipple, Bernd; Welfonder, Ernst (Prof. Dr.-Ing.)Grundvoraussetzung für den erfolgreichen Einsatz von Betriebsführungssystemen ist die Bereitstellung in sich konsistenter Messdatensätze. Da Messungen jedoch stets mit Ungenauigkeiten behaftet sind, bedarf es einer intelligenten Fehlerausgleichsrechnung. Der Nachteil der hierzu entwickelten und bisher eingesetzten Validierungs-Algorithmen ist, dass sie ein stationäres Prozessverhalten voraussetzen. Um die Messdatenvalidierung auch beim Auftreten transienter Prozesszustände einsetzen zu können, bedarf es einer dynamischen Messdatenvalidierung. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Methoden zur Online-Validierung energietechnischer Prozessverläufe entwickelt und zwar - die Validierung nach Elimination der Prozessdynamik und - die Dynamische Validierung. Die Wirkungsweise und Wirksamkeit beider Methoden werden anhand transienter Messdatenverläufe verschiedener Prozessbereiche des Heizkraftwerks Stuttgart-Vaihingen aufgezeigt und erprobt. Dazu wird die für die Validierung notwendige dynamische Modellbildung der einzelnen Prozessbereiche durchgeführt. Zudem werden für die einzelnen Messgrößen toleranzbereichabhängige Gewichtungsfaktoren vorgegeben. Die auf diese Weise durchgeführte Online-Validierung führt auch bei transientem Prozessverhalten zu guten Ergebnissen.Item Open Access Simulation von Festbettreaktoren zur technischen Verbrennung mit der Euler/Euler-Methode(2006) Rückert, Frank; Hein, Klaus R. G. (Prof. Dr.-Ing)Die Arbeit enthält eine umfassende Darstellung des Modells zur Vorhersage der Verbrennungsvorgänge von Biomasse bzw. Abfall in Festbettreaktoren. Es wird gezeigt, wie sich solche heterogenen Festbrennstoffe charakterisieren lassen. Neben der Beschreibung von Strömungs, und Strahlungsvorgängen sowie homogenen Reaktionen in der Gasphase wird eine detaillierte Modellierung der Bewegungs,, Wärmeübergangs, und Verbrennungsvorgänge innerhalb der Feststoffphase vorgenommen. Das Euler/Euler,Mehrphasenmodell basiert auf Grundlagen der Theorie granularer Medien. Es ist integraler Bestandteil des 3D,CFD Programms AIOLOS und kann direkt bei der Planung und Optimierung von Rostfeuerungsanlagen eingesetzt werden. Die Vorhersagen werden an Versuchsanlagen und Anlagen im großtechnischen Maßstab bewertet.Item Open Access Modellierung eines Plasmaätzverfahrens am Beispiel der Ätzung einer Siliziumoberfläche durch ein Chlor/Argon Plasma(2003) Nold, Michael; Maas, Ulrich (Prof. Dr. rer. nat.)Das Thema dieser Arbeit ist die Modellierung eines Plasmaätzverfahrens am Beispiel der Ätzung einer Siliziumscheibe durch ein Chlor/Argon-Plasma. Plasmaätzverfahren spielen in der industriellen Fertigung von Halbleitern eine entscheidende Rolle, weil sie die Größe und Güte der kleinsten Elemente eines integrierten Schaltkreises auf dem Wafer wesentlich beeinflussen. Dies hat wiederum Einfluß auf die Leistung der Halbleiter, insbesondere der Computerprozessoren, deren Leistungssteigerung einher geht mit der Minimierung der kleinsten Bauteilabmessungen. An die Beschreibung eines Plasmaätzverfahrens kann prinzipiell durch Modellbildung oder durch Experimente herangegangen werden, wobei in dieser Arbeit der Modellierung den Vorzug gegeben wurde. Einerseits können Modelle den gezielten Aufbau, die Durch-führung und Auswertung von Experimenten unterstützen. Andererseits liefern sie ein tieferes Verständnis der Physik, gerade dann, wenn viele Größen in einem sehr reaktiven Plasma nicht meßbar sind. Sind die wichtigsten Zusammenhänge modelliert, kann mit der Optimierung hinsichtlich des Ätzergebnisses begonnen werden und die Einflüsse von Geometrie und Betriebsgrößen studiert werden. Die Modellierung von Plasmaätzverfahren ist sehr komplex, was zum großen Teil durch die Elektronen verursacht wird, welche durch ihre geringe Masse ein besonderes physikalisch-chemisches Verhalten zeigen. Deshalb ist es ein Schwerpunkt dieser Arbeit, die inelastischen Elektronenstoßprozesse mit Schwerteilchen hinsichtlich der Reaktionsgeschwindigkeit detailliert zu beschreiben. Speziell wird der Einfluß der Elektronendiffusion auf die Elektronen-Energie-Verteilung untersucht. Ausgangspunkt für die Beschreibung eines industriellen Ätzprozesses bildet die Boltzmann-Gleichung, welche die Teilchen in einem differentiellen Phasenraum bilanziert. Für Elektronen werden elastische sowie inelastische Stöße und Elektronendiffusion berücksichtigt. Um die Boltzmann-Gleichung nach der Elektronen-Energie-Verteilung aufzulösen, wurde ein Polynomansatz in sphärischen Koordinaten gewählt, welcher den isotropen und anisotropen Teil der Verteilung repräsentiert. Ein weiteres mathematisches Problem stellt die Diffusion der Elektronen dar, welche durch Konzentrationsunterschiede und äußere Kräfte, dem ambipolaren Feld, hervorgerufen wird. Zur Lösung wurde ein Modellansatz verwendet, welcher den effektiven Diffusionskoeffizienten im Phasenraum proportional zur Energie und der Änderung des Konzentrationsgefälles, gewichtet durch die Elektronen-Energie-Verteilung, setzt. Die Schwerteilchen können mit statistischen Momenten beschrieben werden, wenn der Druck nicht allzu klein ist. Neben der Impuls- wird auch die Spezieserhaltungsgleichung gelöst, worin die ambipolare Diffusion durch eine Näherung berücksichtigt wird. Die Chemie wird durch Elementarreaktionen modelliert, wobei die Geschwindigkeitskoeffizienten für Reaktionen mit Elektronenbeteiligung aus der Elektronen-Energie-Verteilung und den Stoßquerschnitten bestimmt werden. Die Oberflächenreaktionen werden durch Haftkoeffizienten beschrieben, und es wird berücksichtigt, daß ionisierte Spezies durch das Plasmarandschichtpotential auf die Oberfläche hin beschleunigt werden. Die Leistungseinkopplung ergibt sich aus der Lösung der Maxwellschen Gleichungen mit der Annahme, daß Elektronen dem elektromagnetischen Feld ohne Verzögerung folgen können. Die Modellgleichungen wurden mittels numerischer Verfahren gelöst. Im Ergebnisteil werden zunächst die Leistungseinkopplung und die Berechnung der Elektronen-Energie-Verteilung für sich betrachtet. Die der Leistungseinkopplung zugrunde liegenden elektromagnetischen Felder zeigen eine gute Übereinstimmung von Simulation und Experiment. Die Elektronen-Energie-Verteilung eines Chlor/Argon-Plasmas wird für verschiedene Fälle betrachtet. Einerseits werden die Effekte der Elektron-Elektron-Stöße und der Elektronendiffusion untersucht. Anderseits werden die Größen Elektronentemperatur, Bildungsgeschwindigkeit und Geschwindigkeitskoeffizienten aus der Elektronen-Energie-Verteilung berechnet und deren Zusammenhang mit den Variablen Druck, elektrischer Feldstärke und Konzentration der Schwerteilchen dargestellt. Von diesen Ergebnissen ausgehend wird der Ätzprozeß einer Siliziumoberfläche in einem Reaktor von Typ LAM 9000 simuliert. Neben der Strömungsgeschwindigkeit, den Spezieskonzentrationen wurde auch die Ätzgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Ort und der eingebrachten Leistung berechnet.Item Open Access Studies on ash behavior during co-combustion of paper sludge in fluidized bed boilers(2004) Coda, Beatrice; Hein, K.R.G. (Prof. Dr.-Ing.)The present work analysis the ash behaviour and the environmental impact with respect to the toxic trace metals (e.g. Cu, Pb, Zn, Cd, Mn, Cr, Ni) upon co-combustion of paper sludge, a waste deriving from the treatment of recovered paper, with coal and coal/biomass blends in fluidised bed combustors designed for energy production or steam generation. The study, conducted in the framework of a European research project aiming at widening the spectrum of fuels utilised by coal-fired and coal-straw fired fluidised bed boilers, is based on a large extent on experiments performed at a fludised bed combustion test-scale facility. Information on ash behaviour and toxic trace metal partitioning was obtained mainly by performing accurate mass balances on bottom bed ash, fly ash and flue gas. In addition, equilibrium calculations (performed at Åbo Akademi University, Combustion Research Department) predicting the behaviour of inorganic matter and the melting behaviour of the fuel blends have been interpreted and compared against experimental values. Finally, experimental results have been compared with those performed by a large-scale facility on the basis of a scale-up analysis. The results of the study indicate that co-combustion of paper sludge with coal could be performed without significant ash-related operational problems in blends covering low-to-medium shares of paper sludge. On reverse, upon combustion of paper sludge with a high-alkali, high-chlorine content biomass such as straw, the share of paper sludge may be more limited. For all the investigated fuel blends containing paper sludge, the capture of toxic trace metals on fine fly ash particles will be enhanced, and many of the toxic trace metals will be scarcely released in the flue gas, with emissions below the limits prevailing in the EU.Item Open Access Herstellung und Charakterisierung hoch poröser nanostrukturierter Filtermembranen(2007) Mertler, Michael; Seifert, Helmut (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit wurden hoch poröse, nanostrukturierte Filtermembranen untersucht und ihre Eigenschaften charakterisiert. Diese Nanomembranen bieten einen erfolgversprechenden Ansatz zur Minimierung der Haftkräfte von stark adhäsiven Stäuben auf der Membranoberfläche. Dies wird einerseits durch die Verringerung der Korngrößen der Nanomembranen und andererseits durch die Bereitstellung von nur wenigen Kontaktstellen auf der Nanomembran angestrebt. Die Nanomembranen wurden als Beschichtung durch Dispergierung, Trocknung und Filtration von nanoskaligen keramischen Al2O3 bzw. TiO2 Membrankörnern aus Suspensionen auf porösen, keramischen Substraten hergestellt. Die Suspensionen wurden mit dynamischer und statischer Lichtstreuung charakterisiert. Die Größenverteilungen der dispergierten Membrankörner wurden in der Gasphase mit einem DMPS (Differential Mobility Particle Sizer) bzw. einem Laserstreulichtspektrometer gemessen. Im Anschluss an die Filtration wurden die Nanomembranen zur mechanischen Verfestigung gesintert. Die Strukturen ungesinterter und gesinterter Nanomembranen wurden anhand von rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen charakterisiert. Zur Herstellung der Querschliffe wurden die Strukturen der Nanomembranen zunächst mit Cyanacrylat in der Gasphase fixiert und anschließend in ein Gießharz eingebettet. Nach der Aushärtung des Gießharzes wurden die Querschliffe angefertigt, poliert und mittels Ionendünnung geglättet bzw. geätzt. Die Oberflächen- und Querschliffaufnahmen der Nanomembranen wurden mit einem ESEM (Environmental Scanning Electron Microscope) gemacht. Aus den Aufnahmen wurden die Korngrößenverteilungen, Porengrößenverteilungen, Porositäten und Schichtdicken der Nanomembranen bildanalytisch bestimmt. Die Untersuchung zum Aufbau von Nanomembranen wurde mit zwei unterschiedlichen Al2O3 Suspensionen durchgeführt. Die Suspensionen hatten eine mittlere Korngröße von 98 nm und 155 nm. Es wurde beobachtet, dass die Schichtdicke der Nanomembranen linear mit der Filtrationszeit ansteigt. Die Filtrationsgeschwindigkeit war proportional zum Schichtwachstum der Nanomembranen. Der Anstieg war unter Verwendung der 155 nm großen Membrankörner wesentlich steiler als bei den 98 nm großen Membrankörnern. Es wurde zudem untersucht, ob bei Filtrationsgeschwindigkeiten zwischen 2,5 cm/s und 8,75 cm/s die Diffusionsabscheidung der Membrankörner beeinflusst werden kann und damit die Steuerung der filtrierten Membranstruktur möglich ist. Es wurde nur eine geringe Abnahme der Permeabilitäten, der Porengrößen und der Porositäten bei den 155 nm großen Membrankörnern mit zunehmender Filtrationsgeschwindigkeit gefunden. Bei der mittleren Korngröße von 98 nm war kein signifikanter Einfluss der Filtrationsgeschwindigkeit auf die Struktur der filtrierten Nanomembranen messbar. Die Nanomembranen mit 98 nm mittlerem Korndurchmesser hatten Porositäten um 0,86 und mittlere Porengrößen von 200 nm. Die Al2O3 Nanomembranen mit einem mittleren Korndurchmesser von 155 nm hatten geringfügig höhere Porositäten von 0,94 und Porengrößen von im Mittel 300 nm. Die ungesinterten Nanomembranen sind äußerst fragil. Durch das Sintern gewinnen die Nanomembranen an Festigkeit, jedoch kann sich ihre Struktur auch deutlich ändern. Die Sinterbedingungen der Al2O3 und TiO2 Nanomembranen wurden aus Literaturwerten und Dilatometrien kompaktierter Al2O3 und TiO2 Nanopartikeln mit einer mittleren Korngröße von 155 nm bzw. 196 nm abgeleitet. Die TiO2 Nanomembranen sintern bereits bei 1000 °C und einer Haltedauer von 5 h. Beim Al2O3 wurde eine erhöhte Sinteraktivität bei Sintertemperaturen von 1130 °C und 1250 °C über Sinterzeiten von 10 h gefunden. Bei diesen beiden Temperaturen wurden filtrierte Al2O3 Nanomembranen jeweils Haltezeiten von 2 h, 5 h, 7 h und 10 h ausgesetzt. Es war erkennbar, dass die Schichtdicke der Nanomembranen mit zunehmender Haltezeit um bis zu 27 % bei 1130 °C und sogar bis zu 50 % bei 1250 °C abnimmt. Bei der Sintertemperatur von 1130 °C waren selbst bei der Haltedauer von 10 h nur lokal gesinterte Bereiche vorhanden; der überwiegende Teil der Nanomembranen war nur schwach oder gar nicht gesintert. Bei 1250 °C erhielt man eine vollständig gesinterte Nanomembran mit kettenförmig versinterten Membrankörnern bei Haltezeiten von mehr als 7 h. Die Strukturanalysen der Nanomembranen ergaben, dass durch das Sintern starkes Korn- und Porenwachstum resultiert, was auf die Phasenumwandlung des gamma-Al2O3 in alpha-Al2O3 und die Sinterhalsbildung zurückzuführen ist. Die mittlere Porengröße von 200 nm einer ungesinterten Nanomembran stieg auf bis zu 700 nm bei der Sintertemperatur von 1250 °C und einer Haltedauer von 10 h an. Die hohe Porosität mit Werten größer als 0,9 blieb jedoch bei allen untersuchten Nanomembranen erhalten. Eindruckversuche mit einem Nanoindenter zeigten, dass gut gesinterte Nanomembranen bei einer Sintertemperatur von 1250 °C und einer Haltedauer von 10 h eine zehn mal höhere Festigkeit als schwach gesinterte Nanomembranen aufweisen. Die van der Waals Haftkräfte von monodispersen, sphärischen Modellstaubpartikeln im µm-Bereich auf Nanomembranen wurden mit der Zentrifugenmethode gemessen. Haftkräfte von Partikeln sind auf technischen Oberflächen zumeist verteilte Größen, abhängig von der Anzahl an Kontaktstellen und den Kontaktstellengeometrien. Es wurden zunächst harte Modellstaubpartikeln mit glatten und rauen Oberflächen zur Haftkraftmessung auf gesinterten Al2O3 Nanomembranen mit einer mittleren Korngröße von 210 nm verwendet. Die Haftkraft von glatten Modellstaubpartikeln nahm zwischen 1,88 µm und 9,78 µm linear mit dem Partikeldurchmesser zu. Dieser Zusammenhang wurde auf vermehrt auftretende Kontaktstellen und Nichtkontaktkräfte mit steigendem Partikeldurchmesser zurückgeführt. Bei den rauen Modellstaubpartikeln war zwischen 2,25 µm und 9,74 µm keine Abhängigkeit der Haftkraft vom Partikeldurchmesser erkennbar. Rauigkeiten könnten die Haftkraft durch Abstandsvergrößerung erniedrigen oder durch vermehrte Ausbildung von Kontaktstellen erhöhen. Weiche Carnaubawachspartikeln wurden mit einem Kondensations-Aerosolgenerator hergestellt und simulieren den in der Realität häufig vorkommenden Fall von stark adhäsiven Staubpartikeln bei hohen Filtrationstemperaturen. Sie hatten einen Partikeldurchmesser von 2,6 µm und waren streng monodispers. Sie hafteten deutlich stärker auf den Al2O3 Nanomembranen als die harten Modellstaubpartikeln mit vergleichbarem Durchmesser. Die erforderliche Zentrifugalkraft zum Ablösen von 10 % der harten Modellstaubpartikeln war fast sechs mal kleiner als die notwendige Trennkraft zur Ablösung des gleichen Prozentsatzes an Carnaubawachspartikeln. Dies wurde durch elastische, plastische und viskoelastische Deformation der Kontaktstellen zwischen den Carnaubawachspartikeln und der Nanomembran erklärt. Zur Klärung des Zusammenhangs zwischen der Struktur der Nanomembranen und der van der Waals Haftkraft von Staubpartikeln wurden vier unterschiedliche Al2O3 Nanomembranen mit mittleren Korngrößen zwischen 210 nm und 700 nm sowie drei TiO2 Nanomembranen mit Korngrößen zwischen 290 nm und 780 nm hergestellt. Die Haftkräfte wurden mit harten, rauen Modellstaubpartikeln mit einem Partikeldurchmesser von 9,74 µm gemessen. Zwischen 210 nm und 400 nm war kein Unterschied in der mittleren Haftkraft der Al2O3 Nanomembranen erkennbar. Bei der mittleren Korngröße von 700 nm wurde ein deutlicher Anstieg der mittleren Haftkraft auf ca. 23 nN festgestellt. Die Haftkraft auf den TiO2 Nanomembranen war von der mittleren Korngröße unabhängig, was mit der asphärischen Kornform zusammenhängen könnte. Die Nanomembranen mit den kleinsten Korngrößen hatten jedoch die engsten Haftkraftverteilungen. Durch Nanomembranen konnte die mittlere Haftkraft der 9,74 µm Modellstaubpartikeln im Vergleich zu einem kommerziellen Heißgasfilter mit einer mittleren Korngröße von 12 µm um den Faktor zwei bis fünf reduziert werden. Die Trennkraft zum Ablösen von 90 % der Modellstaubpartikeln war bei den Nanomembranen sogar bis zu sechs mal kleiner als beim keramischen Heißgasfilter. Die gemessenen Haftkräfte lagen in der Größenordnung der aus Theorien berechneten Haftkräfte. Die Haftkraftverteilungen konnten durch die existierenden Modelle allerdings nicht wiedergegeben werden. Zur Modellierung der Partikelhaftung auf Nanomembranen wurde diese als Monolage polydispers verteilter Kugeln mit konstanten Gitterabständen modelliert. Die Haftkraftberechnung der auf Adhäsionsabstand angenäherten Kugel, also des Modellstaubpartikels, erfolgte mit dem Hamaker Kugel-Kugel Modell. Die Haftkräfte von 1000 glatten Modellstaubpartikeln wurden an zufällig festgelegten Stellen der simulierten Nanomembran in einem C++ Programm berechnet und zu einer Haftkraftverteilung klassiert. Parameterstudien zeigten, dass bei kleinen Gitterabständen vermehrt Nichtkontaktkräfte auftraten, welche größere Haftkraftverteilungen verursachten. Die mittlere Korngröße hatte den deutlichsten Einfluss auf die simulierten Haftkräfte, da die Haftkraft im Einzelkontakt proportional zum Korndurchmesser ist. Aus breiteren Korngrößenverteilungen resultierten auch breitere Haftkraftverteilungen. Simulationen mit monodispersen Membrankörnern ergaben eine Haftkraftkurve, die sich mit einer Weibull-Verteilung beschreiben lässt. Die Haftkraftverteilung der glatten Modellstaubpartikeln auf der Al2O3 Nanomembran mit einer mittleren Korngröße von 210 nm wurde mit einer logarithmisch normalverteilten Korngrößenverteilung simuliert. Die stoffspezifischen Hamaker-Konstanten wurden in dieser Arbeit experimentell mittels Kontaktwinkelmessungen zur Bestimmung der Oberflächenenergien der Feststoffe ermittelt. Der Vergleich von Simulation und Experiment ergab, dass durch die idealisierte Beschreibung der Membran- und Partikelstruktur die simulierte Haftkraftverteilung enger verteilt und geringfügig kleiner als die gemessene Trennkraftkurve ist.Item Open Access Maßnahmen zur feuerungsseitigen Emissionsminderung bei der Holzverbrennung in gewerblichen Feuerungsanlagen(2002) Zuberbühler, Ulrich; Baumbach, Günter (Prof. Dr.-Ing.)Gegenwärtig werden in gewerblichen Holzfeuerungsanlagen beim Verbrennen von naturbelassenem Holz NOx-Werte < 200 mg/m³ und Partikelkonzentrationen < 50 mg/m³ erreicht. Mit Brennstoffen aus der Holzwerkstoffbearbeitung, wie sie insbesondere in holzbe- und -verarbeitenden Betrieben anfallen, können die NOx-Konzentrationen bis zu 1000 mg/m³ und die Partikelkonzentrationen bis zu 500 mg/m³ erreichen. In dieser Arbeit wurde ein neues Feuerungskonzept zur Verbesserung des Partikelausbrandes und der gleichzeitigen feuerungsseitigen NOx-Minderung entwickelt und getestet. Ausgehend vom Stand der Technik, einer modernen geregelten Unterschubfeuerung, wurde zunächst durch einen räumlich geteilten Feuerraum eine gestufte Verbrennung realisiert. Die Ausbrandzone dieser zweistufigen Feuerung wurde dabei so gestaltet, dass sie aufgrund der dortigen Strömungsführung gleichzeitig als Partikelabscheider wirkt. D.h. grobe Partikel werden im heißen Teil des Feuerraumes abgeschieden und können dort ausgebrannt werden. In einem weiteren Schritt wurde der Primärteil des Feuerraumes durch Vergrößerung und Gasrückführung dahingehend umgestaltet, dass die notwendigen Bedingungen zur feuerungsseitigen NOx-Minderung erfüllt wurden. Beim Test des entwickelten Feuerungskonzeptes wurde im kontinuierlichen Lastbetrieb mit beschichteten Spanplatten (N-Gehalt 4,3 %) eine mittlere NOx-Konzentration von ca. 450 mg/m³ gemessen, was gegenüber einer konventionellen Unterschubfeuerung eine NOx-Minderung um ca. 40 % darstellt. Die mittlere CO-Konzentration betrug 30 mg/m³ und die Partikelkonzentrationen lagen ohne nachgeschalteten Staubabscheider deutlich unter 50 mg/m³. Grundsätzlich können durch feuerungsseitige Maßnahmen die Emissionen bei der Verbrennung, besonders bei schwierigen Brennstoffen, gegenüber konventioneller Technik deutlich vermindert werden. Die Wirksamkeit feuerungsseitiger Maßnahmen hängt entscheidend von den dafür notwendigen Bedingungen im Feuerraum ab, woraus sich erhöhte Anforderungen an Mess- und Regeltechnik der Feuerung, aber auch an die Homogenität des Brennstoffes ergeben. Die mathematische Simulation der Verbrennungsvorgänge im Primär- und Sekundärteil des Feuerraumes lieferte ein komplexes Bild über die charakteristischen Größen, wie z.B. Temperatur, Luftzahl, Verweilzeit und Konzentrationen an jedem Ort des Feuerraumes. Dadurch wird es zukünftig möglich, Feuerraumgeometrien und Einstellungen, wie z.B. Brennstoff- und Luftmengen sowie die Luftverteilung, so zu optimieren, dass eine maximale feuerungsseitige Emissionsminderung erzielt werden kann.Item Open Access Behavior of oxyanions forming heavy metals in municipal solid waste incineration(2002) Paoletti, Francesca; Seifert, Helmut (Prof. Dr.-Ing.)A number of metals respectively half-metals of high environmental concern have the capability to form oxyanionic compounds. The purpose of the present work is to investigate the behavior of selected elements out of this group, namely arsenic, antimony, chromium and molybdenum, during the waste combustion process and the environmental properties of the solid combustion residues. As a first investigation step, the concentration and the chemical speciation of the investigated metals in municipal solid waste are assessed on the base of literature review. The thermal behavior of the prevailing input species of the elements in question is successively estimated by the minimization of the thermodynamic function Gibbs' free enthalpy. Thermogravimetric and calorimetric measurements in a thermobalance as well as X-ray diffractometric analyses of mixtures of metal salts and calcium oxide provide evidence that oxyanionic salts are formed in the temperature range around 500-900°C. The results of spiking tests in the TAMARA pilot plant for waste incineration show that the primary air number has a distinct effect on the transfer of the elements out of the fuel bed into the flue gas and on their partitioning among the solid residues. The effect is particularly strong for the two volatile metals arsenic and antimony. Sampling and analysis of fly ash samples at different locations along the flue gas path allow the characterization of the ashes as a function of the deposition temperature. The analysis of samples of filtered gas show the insignificance of gaseous metallic species at temperatures below 200°C and hence the low stack emission potential for the investigated metals. The last part of this work is concerned with the characterization of the TAMARA grate and fly ashes and with the assessment of the leaching potential of the selected metals from the residues. Different regulatory tests have been performed, the results are compared and interpreted in view of the speciation of the elements in question in these residues. All elements showed clearly an oxianionic pattern in their elution from the grate and boiler ashes. The elution from filter ashes instead showed a cationic pattern, especially for arsenic and antimony. The leachate pH appears to be the dominant factor controlling the mobilization of the metals. Molybdenum shows a very high potential for leaching over the entire pH range as a consequence of the formation of highly soluble molybdates. Chromium exhibits a leaching behavior which is strongly dependant on the combustion conditions. For low air number values the amounts released by means of leaching processes from the grate ashes are nearly two orders of magnitude lower than for the reference air number value. Thus, the oxygen concentration in the furnace seems to play an important role in the formation of highly toxic and highly soluble hexavalent chromates.Item Open Access Dampfwirbelschichttrocknung von Braunkohle(2006) Buschsieweke, Frank; Hein, Klaus R. G. (Prof. Dr.-Ing. emerit.)Für die erforderliche wirtschaftliche Optimierung von Braunkohle in Dampfwirbelschichten im rahmen der vorliegenden Arbeit zu ermitteln, in welchem Maße die verschiedenen Betriebs-parameter Fluidisierungsgeschwindigkeit, Temperatur, Druck und Verweilzeit sich gegenseitig beeinflussen bzw. auf investitions- und betriebskostenrelevante Parameter wirken. Ein wichtiger Parameter ist dabei der Wärmeübergangskoeffizient, welcher die erforderliche spezifische Wärmetauscherfläche und damit die Trocknerbaugröße bestimmt. Diese Untersuchungen wurden in einer dampfbetriebenen Wirbelschichtanlage im Technikums-Maßstab durchgeführt. Um gleichzeitig eine möglichst große Bandbreite an Kohleeigenschaften untersuchen zu können, wurden Rohkohlen unterschiedlicher Herkunft (Deutschland, Bulgarien, Griechen-land, Polen und Rumänien) eingesetzt. Hierdurch variierte u. a. der Wassergehalt, der Aschegehalt, die Partikeldichte sowie durch entsprechende Aufbereitungsschritte die Partikelgröße. Um die Versuchsergebnisse der Dampfwirbelschichtversuchsanlage interpretieren und den Wärmeübergang zwischen Heizmedium und Wirbelschicht modellieren zu können, wurden verschiedene begleitende Untersuchungen (Zusammensetzung, Partikelgröße und –dichte, Fluidisierungsverhalten und Trocknungsverhalten) im Labor durchgeführt. Die Untersuchungen mit europäischen Braunkohlen erfolgten im Rahmen des von der EU geförderten Verbundprojektes ''Predrying of Moist Fuels for Power Production'' mit dem Förderkennzeichen JOF3-CT97-0037. Die im Rahmen dieser Arbeit erarbeiteten Messwerte lassen die Schlussfolgerung zu, dass die Theorien in ihrer ursprünglichen Form zu optimistische Werte für den Wärmeübergang erwarten lassen als tatsächlich erreicht werden können. Durch Messungen zur Trocknungskinetik und Laboruntersuchungen zur Kohlepartikelveränderung sowie durch entsprechende Anpassungen der Theorien von Martin und Dietz konnte eine hinreichende Übereinstimmung von Theorie und Versuchen erreicht werden.Item Open Access Verfeuerung von Biomasse als Option zur Minderung der energieverbrauchsbedingten CO2-Emissionen(1996) Hein, Klaus R. G.; Spliethoff, Hartmut; Siegle, Volker; Heinzel, TimmVorwiegend in den industrialisierten Ländern wurden zur Minderung des Treibhauseffektes Beschlüsse zur Stabilisierung beziehungsweise Reduzierung der CO2-Emissionen gefaßt. In Deutschland sollen bis zum Jahre 2005 die CO2-Emissionen um 25 Prozent unter das Niveau von 1987 gesenkt werden. Um dieses hochgesteckte Ziel zu erreichen, sind alle Möglichkeiten einer CO2-Reduzierung auszuschöpfen. Neben einer rationelleren Nutzung der Energie, wie zum Beispiel durch Wirkungsgradsteigerungen bei der Stromerzeugung und Kraft-Wärme-Kopplung, müssen in Zukunft auch die Möglichkeiten einer regenerativen Energieerzeugung, u.a. auch der Einsatz von Biomasse, genutzt werden. Die Produktion von Biomasse und deren thermische Nutzung stellt einen zeitlich geschlossenen CO2-Kreislauf dar, da während der Wachstumsphase der Pflanzen der Luft die CO2-Menge entzogen wird, die bei der Verbrennung wieder freigesetzt wird. Eine Abschätzung der CO2-Bilanz zeigt, daß unter Berücksichtigung aller Aufwendungen für Brennstoffproduktion und Transport vergleichend zur Verbrennung von Steinkohle die CO2-Emissionen wesentlich gemindert werden können. Biomasse zur thermischen Nutzung weist sowohl ein beachtliches Potential als auch ein im Vergleich zu anderen regenerativen Energien günstiges Kostenniveau auf. Als mögliche Brennstoffe kommen sowohl Reststoffe aus Forst- und Landwirtschaft, wie Holz und Stroh, als auch speziell angebaute nachwachsende Rohstoffe wie Miscanthus Sinensis, Getreideganzpflanzen, Pappeln oder Weiden in Frage. Das Potential allein der Reststoffe wird mit etwa drei bis fünf Prozent des deutschen Primärenergieverbrauches angegeben. Spitzenreiter der Biomassenutzung in Europa ist gegenwärtig Österreich, wo etwa 12 Prozent des Primärenergieverbrauches im wesentlichen durch Nutzung von Holz gedeckt werden.
- «
- 1 (current)
- 2
- 3
- »