04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access CO2-Abtrennung aus Synthesegasen mit Hydrotalciten unter Hochtemperatur-Hochdruckbedingungen(2017) Bublinski, Martin; Seifert, Helmut (Prof. Dr.-Ing.)Membranverfahren trennen Gasgemische kontinuierlich, selektiv und energieeffizient. Damit stellt dieses Trennverfahren eine interessante Alternative zu herkömmlichen, energieintensiven Gasreinigungsverfahren mittels Wäschern dar. Allerdings steigen insbesondere für Hochtempera-turanwendungen die material- und prozesstechnischen Anforderungen an das Membransystem, wodurch die Materialauswahl stark eingegrenzt wird. Bisher existiert im kommerziellen Maßstab noch kein hochtemperaturtaugliches, kontinuierliches Abscheideverfahren für die selektive Abscheidung von CO2 aus Synthesegas. Der Einsatz von Membranen aus Hydrotalcit stellt für die CO2-Abscheidung aus vorgereinigten Synthesegasen einen vielversprechenden Lösungsansatz dar. In dieser Arbeit wird die systematische Entwicklung von anorganischen mehrschichtigen Hydrotalcit-Membranen vorgestellt, mit denen CO2 selektiv aus dem Gasstrom unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen (T > 350 °C, p ≤ 80 bar) abgeschiedenen werden kann. Die Prozesse CO2-Sorption bzw. CO2-Desorption auf der Membranoberfläche sowie die Diffusionseigenschaf-ten der Membran wurden dabei getrennt voneinander untersucht. Zuerst wurden an reinen und mit Kaliumcarbonat dotierten Hydrotalciten mit einem Sorptions-/Druckreaktor CO2-Sorptionsgleichgewichtsdaten im Temperatur- und Druckbereich zwischen 200-500 °C bzw. 20-80 bar aufgenommen. Dabei wurden maximale CO2-Kapazitäten von 1,2 mol/kg für reines Hydrotalcit und 2,0 mol/kg für dotiertes Hydrotalcit mit trockenem, bzw. 1,95 mol/kg für reines Hydrotalcit und 5,70 mol/kg für K-dotiertes Hydrotalcit mit feuchtem Gas ermittelt. Die Desorptionseigenschaften wurden mittels zyklischen CO2-Sorptionsexperimenten bestimmt. Dabei stellte sich sowohl für reines als auch für K-dotiertes Hydrotalcit für trockenes und feuchtes Gas eine konstante Arbeitskapazität nach mehreren Sorptionszyklen auf dem Niveau von zwei Drittel der ursprünglichen CO2-Sorptionskapazität ein. Die Hydrotalcit-Membransynthese erfolgte auf Al2O3-Substraten mit einem Harnstoff-Hydrolyse-Verfahren. Dadurch konnte ein Wachstum der Hydrotalcit-Kristalle direkt auf der Substratoberfläche erreicht werden und eine homogene Hydrotalcit-Membran synthetisiert werden. Durch eine weitere Hydrotalcit-Schicht gelang es, die Defekte der Membran weiter zu verringern. Die CO2-Permeanzen wurden mit einem Hochtemperatur-Membranmodul bei 200 °C auf 3,03·10-7 mol/(m2·s·Pa) und 500 °C auf 1,06·10-6 mol/(m2·s·Pa) bestimmt. Neben der Knudsen-Diffusion wurde die Lösungs-Diffusion von CO2 als weiterer Transportmechanismus durch die Hydrotalcit-Membran identifiziert. Die idealen CO2-Selektivitäten bezüglich N2, H2 und CO lagen demnach meist leicht über den Knudsen-Selektivitäten. Gegenüber N2 konnte bei Tempera-turen von 350 °C eine Selektivität von 1,31 ermittelt und folglich eine partielle CO2-selektive Trennung mit den synthetisierten Hydrotalcit-Membranen erzielt werden.Item Open Access Parametric study on the adjustability of the syngas composition by sorption-enhanced gasification in a dual-fluidized bed pilot plant(2021) Hafner, Selina; Schmid, Max; Scheffknecht, GünterFinding a way for mitigating climate change is one of the main challenges of our generation. Sorption-enhanced gasification (SEG) is a process by which syngas as an important intermediate for the synthesis of e.g., dimethyl ether (DME), bio-synthetic natural gas (SNG) and Fischer-Tropsch (FT) products or hydrogen can be produced by using biomass as feedstock. It can, therefore, contribute to a replacement for fossil fuels to reduce greenhouse gas (GHG) emissions. SEG is an indirect gasification process that is operated in a dual-fluidized bed (DFB) reactor. By the use of a CO2-active sorbent as bed material, CO2 that is produced during gasification is directly captured. The resulting enhancement of the water-gas shift reaction enables the production of a syngas with high hydrogen content and adjustable H2/CO/CO2-ratio. Tests were conducted in a 200 kW DFB pilot-scale facility under industrially relevant conditions to analyze the influence of gasification temperature, steam to carbon (S/C) ratio and weight hourly space velocity (WHSV) on the syngas production, using wood pellets as feedstock and limestone as bed material. Results revealed a strong dependency of the syngas composition on the gasification temperature in terms of permanent gases, light hydrocarbons and tars. Also, S/C ratio and WHSV are parameters that can contribute to adjusting the syngas properties in such a way that it is optimized for a specific downstream synthesis process.Item Open Access Extended theoretical and experimental studies of the calcium looping process for carbon dioxide capture(2017) Duelli, Glykeria; Scheffknecht, Günter (Univ.-Prof. Dr. techn.)The world is at a critical juncture in its efforts to combat climate change. Since the first Conference of the Parties (COP) in 1995, greenhouse-gas (GHG) emissions have risen by more than one-quarter and the atmospheric concentration of these gases has increased steadily to 435 parts per million carbon-dioxide equivalent (ppm CO2-eq) in 2012 [1]. The international commitment to keep the increase in long-term average temperatures below two degrees Centigrade, compared to pre-industrial levels, requires substantial and sustained reductions in global emissions. Given the dominant role that fossil fuels continue to play in primary energy consumption followed by the continuously increasing global energy demand, the deployment of carbon capture and storage technologies (CCS) is imperative [1]. The individual component technologies required for CO2 capture, transport and storage are generally well-understood and, in some cases, technologically mature. The largest challenge for CCS deployment is the integration of component technologies into large-scale (demonstration) projects. In this direction simulation and modeling works allow a cost effective investigation of the feasibility and the applicability of the prototype technology as well as its development and optimization. In addition, complete process approach allows determination of the impact that integration of the CO2 capture plant imposes on the power plant. However, a reliable assessment of the process performance requires the process models to be validated with experimental data. In this work, one of the major CCS technologies, the calcium looping process is realized, investigated and evaluated at a 10 kWth dual fluidized bed (DFB) continuously operating facility at the University of Stuttgart. The performance of the process in terms of CO2 capture in the carbonator and sorbent calcination in the regenerator is studied. Natural limestones were used. The process was realised in presence of water vapor in both carbonator and regenerator reactor. The calcination took place in high CO2 concentration representative of the oxy-fuel combustion in the regenerator. Synthetic flue gas was used while both reactors were electrically heated with supplementary CH4 combustion in the regenerator when necessary. The Ca flow circulating between the reactors as well as the Ca mass in the reactors were varied. The regenerator and the carbonator temperatures were varied. The sorbent CO2 capture ability was studied through thermogravimetric analysis of the samples taken during experimentation. Attrition phenomena were studied by measuring the particle size distribution and weighting the material collected from the cyclones of the DFB facility. The experimentation was successfully performed with reliable data and the trends observed are in good agreement with previous works. It was shown that CO2 capture efficiencies of more than 90% can be achieved at conditions closer to the industrial ones. The CO2 capture efficiency was improving by increasing bed inventory and looping ratio. The sorbent calcination degree is a decreasing function of the carbonate content of the incoming solid flow and an increasing function of the particle residence time and reactor temperature. In presence of water vapor, CO2 capture efficiencies of more than 90% and complete sorbent calcination were achieved for looping ratios of around 8. The temperatures were for the regenerator not more than 1193K and for the carbonator around 903K. The sorbent carbonation conversion was retained at about 0.2 molCaCO3/molCaO, constant for many hours of operation. The material loss was measured to be around 4.5%wt/h based on the total system inventory while the mean particle size of the sorbent decreased to around 400 µm and remained constant for many hours of operation. Simplified semi-empirical models were successfully implemented in the experimental results. Kinetic and attrition constants were calculated and a good agreement between the predicted and the actual data is shown. Design parameter of active space time was found to be 30s for the carbonator and 0.11h for the regenerator with efficiencies of more than 90% in both reactors.Item Open Access Nanoparticle emission and characterization from pre-dried lignite and bituminous coal co-combustion(2020) Avagianos, Ioannis; Vounatsos, Panagiotis; Papandreou, Ioannis; Maier, Jörg; Grammelis, Panagiotis; Kakaras, EmmanuelNowadays, the high share of electricity production from renewables drives coal-fired power plants to adopt a more flexible operation scheme and, at the same time, maintain flue gas emissions within respective standards. A 500 kWth pulverized coal furnace was used to study pre-dried lignite combustion or co-combustion as an available option for these plants. Bituminous coal from Czech Republic and pre-dried lignite from Greece were blended for the experiments. Particle emissions measurements with a heated Electrical Low Pressure Impactor (ELPI+) and Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM/EDS) analyses were performed. The effect of the pre-dried lignite proportions in the fuel feed and the combustion conditions regarding the combustion air staging were the two parameters selected for this study. Skeletal density values were measured from the cyclone prior to the impactor. Results are depicted with respect to the aerodynamic and Stokes diameter for impactor stages. The presence of pre-dried lignite in the fuel blend lowers the particle matter (PM) PM2.5, PM1 and PM0.1 emissions, thus having a positive impact on ESP’s fractional and overall efficiency. The staged combustion air feed reduces the particle emissions in all cases. Sulfur content follows a pattern of higher concentration values for finer particles.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 Tar reforming over low-cost active materials for gasification derived syngas(2021) Chen, Yen-Hau; Scheffknecht, Günter (Univ-Prof. Dr. techn.)The present work investigated the potential of in-situ biochar mixture from gasification process (straw char containing fly ash), pyrolyzed biochars by self-production (wood char, straw char, and palm shell char), and metal impregnated biochars (potassium and iron-loaded palm shell char) to be reused as tar-reforming catalysts in gasification processes. The catalytic activity and reforming selectivity of different materials were evaluated with toluene and naphthalene as tar model compounds in the presence of steam and hydrogen (major composition in the syngas from sorption enhanced gasification and steam-oxygen gasification) in a lab-scale fixed bed reactor at high temperature up to 900 °C. Straw char containing fly ash derived from the steam-oxygen gasification process was verified to be able to apply as a tar-reforming catalyst for enhancing the overall performance of the steam-oxygen gasification process. It was found that the significant effect of hydrogen on toluene reforming was demonstrated by the formation of benzene through hydrodealkylation reaction. The volumetric ratio of H2O to H2 was an essential parameter that decided the selectivity of toluene reforming. Although the coexist of toluene and hydrogen would inhibit the gasification, straw char containing fly ash was proved to be gasified during toluene reforming. The surface migration and agglomeration of inorganics due to gasification also resulted in the change of catalytic activity and reforming selectivity through time. With regard to pyrolyzed biochars, the low-cost material, wood char, straw char, and palm shell char, can successfully be used as the tar-reforming catalyst after sorption enhanced gasification process. A theoretical space time to reach the complete naphthalene conversion was 0.07 kg h m-3 at 850 °C for wood char, demonstrating a promising catalytic activity. It was also found that potassium and iron-loaded palm shell chars exhibited much better catalytic activity than palm shell char, while the parallel reaction of gasification of K-loaded palm shell char influenced the conversion with its drastic mass loss. Lastly, the spontaneous gasification and catalytic activity of wood char were thoroughly evaluated in simulated sorption enhanced gasification environments with toluene and naphthalene as tar model compounds. Besides, CaO was used as a reference catalyst for the comparison purpose since CaO is a commonly used sorbent in the sorption enhanced gasification process. A model of gasification reactivity during reforming of tar model compounds over wood char was developed in this work based on the reactivity at 20 % carbon conversion adopting the Extended Random Pore Model, where the pre-exponential factor, activation energy, and structural parameter were calculated to be 1.65·1010 min-1, 265.8 kJ mol-1, and 127, respectively. During the catalytic activity investigation, hydrogen was found to inhibit tar-reforming performance over CaO while the impact of hydrogen was insignificant over wood char. The results showed that spontaneous gasification during tar surrogates reforming led to mass loss, pore collapse, and inorganics agglomeration, which contributed to the catalytic deactivation of wood char. By considering gasification-caused deactivation, the carbon conversion was then used as a variable to modify the kinetic equations of the tar surrogates reforming. The activation energy and pre-exponential factor of naphthalene reforming (and toluene reforming) over wood char were calculated with the values of 422.5 kJ mol-1 and 2.92·1022 m3 kg-1 h-1 (284.8 kJ mol-1 and 1.90·1015 m3 kg-1 h-1), respectively, whereas the values for CaO were 126.9 kJ mol-1 and 6.79·104 m3 kg-1 h-1 (254.5 kJ mol-1 and 6.73·1011 m3 kg-1 h-1), respectively. The kinetic models developed in this study were later used for designing a tar reformer integrated with the sorption enhanced gasification process.Item Open Access Screw pyrolysis of biogenic feedstock with integrated hot gas filtration(2019) Tomasi Morgano, Marco; Seifert, Helmut (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Hydrodynamic studies of the dual fluidized bed reactor systems for high temperature solid looping cycles(2017) Bidwe, Ajay Ramesh; Scheffknecht, Günter (Prof. Dr. techn.)A high temperature solid looping cycle (HTSLC) is a type of chemical process carried out in twin reactor system. The hot solid particles are transferred from first reactor to second reactor and same particles are transferred back to the original reactor in the continuous and endless cyles. The purpose of the solid transfer is either to provide heat to carry out the desired reaction or to regenerate the particle reactivity. In some operations solid transport is required for both purposes. The calcium looping process, steam gasification process and chemical looping combustion are the examples of high temperature solid looping cycles. All these processes are well acknowledged for their potential in carbon capture development. Although these processes differ on the basis of chemistry, they require the use of same reactor system called dual fluidized bed (DFB) system. These HTSLCs are currently under the demonstration phase at pilot scale. A 200 kWth test plant is built at University of Stuttgart to demonstrate calcium looping and sorption enhanced reforming process. This thesis presents hydrodynamic studies carried out on the cold model of the test plant.Item Open Access Combustion of biomass and solid recovered fuels on the grate(2019) Nowak, Piotr; Seifert, Helmut (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Untersuchungen zur Belagsbildung und Charakterisierung der Ascheablagerungen in steinkohlegefeuerten Kraftwerken(2016) Babat, Selahattin; Scheffknecht, Günter (Prof. Dr. techn.)Bei der Verfeuerung fester Brennstoffe in Kraftwerken kann es durch Ascheablagerungen auf Heizflächen (Membranwände, Überhitzer, Zwischenüberhitzer, etc.) zur Verminderung des Wärmetransports und zu Betriebsstörungen und Schädigungen an Anlagenteilen kommen. Verantwortlich für diese Ablagerungen sind die mineralischen Bestandteile der Kohle, die beim Verbrennungsprozess zu schmelzflüssigen Phasen umgewandelt werden können. In einem Heizkraftwerk (730 MWth) wird für drei Steinkohlen das Verbrennungsverhalten im Hinblick auf Asche- und Belagsbildung sowie Belagscharakterisierung untersucht. Ein Schwerpunkt ist die Untersuchung des Belagaufbaus auf gekühlten und ungekühlten Depositionssonden. Mit der gekühlten Sonde wird die Initialschicht, die sich unmittelbar auf den Kesselrohren bildet, untersucht, während mit der ungekühlten Sonde eine Untersuchung im Hinblick auf die Deckschicht durchgeführt wird. Die Initialschichten zeigen für alle drei untersuchten Steinkohlen eine Anreicherung an Eisen im Vergleich zur Deckschicht und des Flugstaubes. Ursächlich für diese eisenreiche Grundschicht ist nach bisherigen Erkenntnissen das Mineral Pyrit. Neben den experimentellen und analytischen Untersuchungen werden mit der Software FactSage Gleichgewichtsberechnungen unter Berücksichtigung der im Brennstoff enthaltenen Mineralien (Pyrit, Illit, Kaolinit und Quarz) und der Analyse von Aschepartikeln unter oxidierenden und reduzierenden Verbrennungsbedingungen durch-geführt. Der Einfluss der Feuerraumatmosphäre auf das Ascheschmelzverhalten und die daraus hervorgehenden Ablagerungen wird mit diesen Berechnungen beurteilt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ablagerung eines Aschepartikels erheblich durch die Partikelhistorie beeinflusst wird. Abgesehen von der Partikelzusammensetzung haben insbesondere die Temperatur und die jeweilige Atmosphäre, die ein Partikel auf seiner Flugbahn bis zum Auftreffen auf die Heizfläche durchläuft, großen Einfluss auf die Mineralumwandlung und das Anhaften des Partikels.