04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Leaching of fly ash particulate matter in MEA solutions and its relevance to the CO2 capture process with flue gas of coal-fired power plants(2020) Schallert, Bernd; Scheffknecht, Günter (Prof. Dr.)This study underlines the relevance of leaching of fly ash particulate matter to carbon capture plants and strives for a better understanding of the solubility of various elements and heavy metals, especially Fe, in MEA solutions and of relevant leaching parameters.Item Open Access Entwicklung eines Brenners mit Luft- und Brennstoffstufung zur emissionsarmen Biomasseverbrennung in Kleinfeuerungsanlagen(2018) Barth, Fritz; Baumbach, Günter (apl. Prof. Dr.-Ing. habil.)Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiges feuerungstechnisches Konzept zur emissionsarmen Verbrennung von festen Biomassebrennstoffen entwickelt und erprobt. Das feuerungstechnische Konzept grenzt sich gegenüber dem Stand der Wissenschaft und Technik in den folgenden Punkten ab: 1. Kombination von Luft- und Brennstoffstufung durch die räumliche Trennung der Entgasung, der vollständigen Verbrennung des Gas-Luftgemisches und des Abbrands des Entgasungsrückstandes (Primärkoks), 2. Gewinnung eines Reduktionsgases aus der Umsetzung des Primärkokses und Einsatz dieses Reduktionsgases als Stufenbrennstoff (kein Einsatz eines separaten Sekundärbrennstoffs notwendig) sowie 3. Anwendung des Blaubrennerkonzepts auf ein mit Biomasse befeuertes Brennersystem, d.h. Umstellung von Diffusions- auf Vormischflamme. Zur Evaluierung des entwickelten Feuerungskonzepts wurde ein Brennersystem gebaut und untersucht. Gemäß diesem Konzept wird die Verbrennungsluft dreifach gestuft im Bereich der Entgasung, des Primärkoksabbrandes sowie der Verbrennung des Gasgemisches zugeführt. Als Brennstoffe wurden Pellets aus Stroh- und Getreidereststoffen sowie aus Holz eingesetzt. Für die NOx-Konzentration zeigte sich eine starke Abhängigkeit sowohl von der Gesamtluftzahl als auch von den Teilluftzahlen. Die besten Ergebnisse wurden bei sehr geringem Luftüberschuss erzielt. Die NOx-Konzentration konnte bei Senkung der Gesamtluftzahl von 1,6 auf 1,1 um über 40 % reduziert werden. Bis zu einer Gesamtluftzahl von 1,2 wurden stabil niedrige CO-Emissionen von ca. 40 mg/m³ i.N. (13 Vol.-% O2) ermittelt. Die Partikelkonzentration konnte - verglichen mit den Ergebnissen aus Messungen, die bei anderen Feuerungsanlagen unter Verwendung ähnlicher Brennstoffe durchgeführt wurden - um 50 % reduziert werden. Durch Zugabe des Reduktionsgases kann ebenfalls eine Senkung der NOx-Konzentration erzielt werden. Bei Vorliegen optimaler Bedingungen (Temperatur > 700 °C im Reduktionsbereich, geringer Oxidationsgrad des Primärkokses) konnte die NOx-Konzentration um über 40 % verringert werden. Die Reduktionswirkung des Reduktionsgases war brennstoffübergreifend nachweisbar. Die Möglichkeit der Anwendung des Blaubrennerkonzepts auf den Versuchsbrenner konnte grundsätzlich bestätigt werden. Die Hauptschwierigkeit in der Umsetzung des Vormischflammenbetriebs lag in der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Pyrolysegas-Luftgemisches in der Mischzone. Zu Beginn der Versuche kam es häufig zum Abreißen der Flamme. Die Häufigkeit der Flammenabrisse konnte nach Einführung eines Flammenhalters reduziert werden, jedoch zeigte sich das Brennersystem im Betrieb mit Vormischflamme weiter sehr instabil bei der Änderung von Betriebsrahmenbedingungen (z.B. Abzug des Primärkokses, Druckschwankungen). Ein langfristig stabiler Betrieb mit Vormischflamme erfordert die Entwicklung einer speziell angepassten Regelung für den Betrieb mit Vormischflamme und die Installation einer Zündeinrichtung für den Fall des Abreißens der Flamme.Item Open Access Agglomeratstabilität von Nanopartikeln in Flammen zur Untersuchung der Freisetzung von Nanopartikeln bei der Abfallverbrennung(2023) Lang, Inge-Maria; Seifert, Helmut (Prof. Dr.-Ing.)Diese Arbeit untersucht die Stabilität von agglomerierten Ceroxid-Nanopartikeln in Flammen. Hierzu wurde Ceroxid-Aerosol in Laborflammen, in eine Drehrohr-Pilotanlage und in eine industrielle Sonderabfallverbrennungsanlage, eingebracht. Die Partikelgrößenverteilungen sowie CeO2-Konzentrationen im Abgas, Abwasser und Reststoffen der Abgasreinigung wurden gemessen. Es konnte gezeigt werden, dass sich CeO2-Agglomerate bereits weit unter dem Schmelzpunkt des Bulkmaterials zersetzen und im Abgas hohe Konzentrationen von Nanopartikeln bilden. Trotzdem tritt bei der thermischen Abfallbehandlung keine Freisetzung von CeO2 -Nanopartikeln in die Umgebung auf, da diese im Abgas mit dem Flugstaub agglomerieren und in der Abgasreinigung zurückgehalten werden. In Laboruntersuchungen mit einer Propan-Vormischflamme zersetzen sich CeO2-Agglomerate im Bereich von 1.400 bis 1.750°C und bilden hohe Konzentrationen von Nanopartikeln im Bereich von 7-15 nm. Die fahlgelbe Flammenfärbung weist auf die Bildung gasförmiger Cer-Spezies hin, die im kühleren Abgas Partikel bilden, deren mit HR-TEM bestimmte Gitterkonstante mit CeO2 übereinstimmt. Durch parallele Untersuchungen in einem Rohrofen im Temperaturbereich bis 1.600°C wurde ein reiner Temperatureffekt ausgeschlossen. Bei der Zersetzung dürften somit reduzierende Flammenbestandteile eine wesentliche Rolle spielen. Bei den Tracer-Versuchen an der Pilotanlage am Campus Nord des KIT und an der Rückstandsverbrennungsanlage in Dormagen wurde gleichermaßen vorgegangen, indem eine Ceroxid-Suspension mit einem Partikeldurchmesser von 40 nm in den Brennraum eingedüst und im Rauchgas die Konzentration und die Größenverteilung von Ceroxid bestimmt wurde. Im Rauchgas beider Anlagen wurden Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 20 nm gemessen. Somit finden hier die gleichen Prozesse statt, welche, wie in den Laborversuchen, zur Bildung einer neuen Partikelfraktion führen. Die elementspezifische Massenverteilung des Cers durch die ICP-MS Analyse der einzelnen Impaktorstufen zeigt die Agglomeration der Ceroxidpartikel mit dem Flugstaub. Die Wiederfindungsrate im Rauchgas lag bei 30% des eindosierten Ceroxid-Tracers. In der nassen Rauchgasreinigung (RGR) der Rückstandsverbrennungsanlage (RVA) wurden 99,99%, bezogen auf die insgesamt zudosierte Tracer-Menge, abgeschieden. Die Bilanzierung der wässrigen Stoffströme der RGR zeigt, dass 69% der Tracermenge in Quensche und saurem Wäscher abgeschieden werden. Im Filtrat der Waschwasserbehandlung, in der alle Stoffströme der RGR gereinigt werden, lag die Konzentration an Cer unterhalb der Nachweisgrenze. D. h., dass die gesamte Menge an abgeschiedenen Partikeln aus der RVA im Filterkuchen abgeschieden wird.Item Open Access Oxy-fuel combustion of hard coal, wheat straw, and solid recovered fuel in a 200 kWth calcium looping CFB calciner(2021) Moreno, Joseba; Hornberger, Matthias; Schmid, Max; Scheffknecht, GünterItem Open Access Particulate matter profiles along the rack railway route using low-cost sensor(2021) Samad, Abdul; Maali, Anas; Laquai, Bernd; Vogt, UlrichAir pollution due to Particulate Matter (PM) is an increasing concern of global extent. It has been the focus of many research projects worldwide and the latest low-cost technology is offering an ease and cheap way to monitor PM concentration. In this research, a low-cost PM monitoring platform was built with the objectives of evaluating its feasibility and its performance in mobile measurements, as well as characterizing the concentration profiles of PM along the measurement route. The rack railway in Stuttgart was utilized as means of transportation for this low-cost monitoring system with which the temporal and spatial distribution of the PM10, PM2.5 and PM1 concentration along the route was attained. The measurements were conducted for around two months from mid of January until mid of March 2019, during the operation hours of the rack railway. The results showed that the PM concentrations were dominated by fine particulate matter (PM2.5 and PM1) along the route of the rack railway. Higher PM concentrations were measured near the federal highway and high traffic area as compared to the residential area. An overestimation of PM concentration using low-cost sensor platform was observed during high relative humidity conditions as compared to the professional aerosol spectrometers.Item Open Access Assessment of a measurement-based machine learning technique for air quality and urban climate modelling(2024) Samad, Abdul; Scheffknecht, Günter (Prof. Dr. techn.)Item Open Access Operation and simulation of a technical-scale plant for CO2 capture via chemical absorption in a packed column(2018) Rincón Soto, Nelson FelipeDie Abscheidung und Speicherung von CO2 (CCS) aus Verbrennungsprozessen ist in den letzten Jahrzehnten eine akzeptable Lösung geworden, um die Menge der atmosphärischen Emissionen zu verringern. Post-Combustion-Verfahren für die CO2-Abscheidung gelten derzeit als eine Spitzentechnologie in diesem Bereich, besonders die chemische Absorption mit Amin-Lösungen ist eine der höchstentwickelten Techniken bis heute. Der Betrieb einer Pilotanlage (ABIGAIL - Aminosäuresalzlösungen zur Biogas Aufbereitung mit innovativer Lösungsmittelregeneration) zur CO2-Abscheidung mit MEA (Monoethanolamin) -Lösungen und Dampfregeneration wurde im Rahmen dieser Untersuchung durchgeführt, simuliert und optimiert. Zunächst wurde eine erste Versuchskampagne durchgeführt, um die vorläufigen Parameter und Betriebsbedingungen zu sammeln. Anschließend wurde in Aspen Plus V8.6® eine Prozesssimulation entwickelt, die die gleichen Betriebsbedingungen und Sensitivitätsanalysen der wichtigsten Variablen und deren Auswirkungen auf die CO2-Abscheidung beinhaltet. Dann wurde der Prozess in Aspen Plus V8.6® optimiert. wobei die Kostenminimierung die Zielfunktion ist. Im Anschluss wurde eine Verbesserung des Wärmetauschnetzes mit Hilfe der HENS-Analyse im Aspen Energy Analyzer V8.6TM konzipiert. Abschließend wurde eine zweite Reihe von Experimenten durchgeführt, die die optimalen Betriebsbedingungen umsetzte. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit den Simulationen verglichen, wobei ein Gesamtkorrelationsindex von 97.5% aufgezeigt werden konnte. Es konnte gesehen werden, dass das L/G-Verhältnis und die Lösungsmitteleintrittstemperatur die am meisten beeinflussenden Variablen im Betrieb des Absorbers sind, während der Druck im Stripper ist. Eine Kombination von L/G gleich 5.5 l/m3, 37ºC Einlasstemperatur und 2 bar im Desorberdruck stellte eine erhebliche Minimierung der Betriebskosten von 14.23 €/day dar, ohne den erforderlichen CO2-Abscheidungsprozess erheblich zu beeinflussen. Eine mögliche Wärmerückgewinnungskonfiguration für die aktuelle Pilotanlage wurden konzipiert und 309 kJ/h konnten in zusätzlichen Versorgungseinrichtungen eingespart werden.Item Open Access Assessment of coarse, fine, and ultrafine particles in S-Bahn trains and underground stations in Stuttgart(2022) Samad, Abdul; Arango, Kathryn; Alvarez Florez, Diego; Chourdakis, Ioannis; Vogt, UlrichThe Stuttgart S-Bahn network comprises six subway lines and is used by approximately 425,000 people on a daily basis. In previous studies in other cities, it was found that subways can be a source and collection point of particulate matter (PM), which is detrimental to human health. This study focused on making an initial assessment of the pollution situation inside the trains and on the underground platforms. Real-time measurements were performed with high time-resolution instruments inside the S-Bahn trains, two underground stations, and two outdoor stations in the Stuttgart subway network in November 2019. Firstly, the variation in concentration inside the train as it traveled through the tunnel was investigated, and it was recurrently observed that the pollutant concentration in the train increased while traveling through the tunnel and then decreased when nearing the tunnel exit. Secondly, the measurement location with the highest particulate matter concentrations was determined. The particulate matter concentrations on underground platforms were higher than those on the train and on the outdoor platforms. In addition, the dominant fraction of the particulate matter measured was in the range of ultrafine particles (UFP). Finally, the wind speed and wind direction data were analyzed in conjunction with specific locations along the platforms. From the wind measurement results, it was assumed that the combined airflows led to higher particle resuspension and particulate matter concentrations in these areas. In conclusion, it was determined that subway users were exposed to higher particle concentrations, particularly UFP (10-116 nm), while standing on underground platforms and when traveling through underground tunnels. It was found that the PNCs inside the train wagons as well as PM and BC mass concentrations increase when passing through the tunnel. Additionally, the average number concentration of UFPs on underground platforms was significantly higher than in other locations by factors of around 1.7 to 1.9 for UFPs and 1.6 to 2 for coarse and fine particles.Item Open Access Investigating a low-cost dryer designed for low-cost PM sensors measuring ambient air quality(2021) Samad, Abdul; Melchor Mimiaga, Freddy Ernesto; Laquai, Bernd; Vogt, UlrichAir pollution in urban areas is a huge concern that demands an efficient air quality control to ensure health quality standards. The hotspots can be located by increasing spatial distribution of ambient air quality monitoring for which the low-cost sensors can be used. However, it is well-known that many factors influence their results. For low-cost Particulate Matter (PM) sensors, high relative humidity can have a significant impact on data quality. In order to eliminate or reduce the impact of high relative humidity on the results obtained from low-cost PM sensors, a low-cost dryer was developed and its effectiveness was investigated. For this purpose, a test chamber was designed, and low-cost PM sensors as well as professional reference devices were installed. A vaporizer regulated the humid conditions in the test chamber. The low-cost dryer heated the sample air with a manually adjustable intensity depending on the voltage. Different voltages were tested to find the optimum one with least energy consumption and maximum drying efficiency. The low-cost PM sensors with and without the low-cost dryer were compared. The experimental results verified that using the low-cost dryer reduced the influence of relative humidity on the low-cost PM sensor results.Item Open Access Ambient air pollution from wood burning of domestic heating(2020) Zheng, Jiexia; Baumbach, Günter (apl. Prof. Dr.-Ing. habil.)