Universität Stuttgart
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Item Open Access Steam-oxygen fluidized bed gasification of sewage sludge(2023) Schmid, Max; Scheffknecht, Günter (Univ.-Prof. Dr. techn.)Sewage sludge is a residue that is generated unavoidably by the population. On a first sight, sewage sludge may be a hazardous waste that requires safe disposal. By looking closer, it is recognized as secondary resource. The mineral fraction contains valuable elements such as phosphorous, which can be retrieved as secondary raw material. This thesis focuses on the organic fraction, which is a renewable fuel and carbon source and can be used to substitute fossil carbon in fuels and chemicals. The first step in converting sewage sludge to renewable goods is syngas production via gasification. The experimental work of this thesis demonstrated the feasibility of synthesis gas production from sewage sludge by steam-oxygen fluidized bed gasification. It was shown that the process works reliably in the investigated 20 kW scale and that the syngas contains high H2 and CO concentrations and is thus suitable for synthesis of fuels and chemicals. The impurities NH3, H2S, COS and tar species, including heterocyclic species such as pyridine, were measured in considerable concentrations in the syngas. Small amounts of limestone bed additive enabled cracking of heavy tars and partial capture of H2S and COS. It was further found that the cold gas efficiency increases with rising gasification temperature due to improved tar and char conversion at higher temperatures. The typical operation temperature 850 °C requires an oxygen ratio of 0.33, obtaining a cold gas efficiency of 63 %. Moreover, the H2/CO-ratio could be controlled efficiently by altering the steam to carbon ratio, as steam promotes the water gas shift reaction in the gasifier to achieve the desired stoichiometry for synthesis, however, resulting in higher energy demand for steam provision. The experimental results can be utilized for process design, e.g., for a TRL 7-demonstrator. Furthermore, a gasifier model was developed and an integrated process chain was simulated to assess the conversion of sewage sludge to synthetic natural gas (SNG) with and without inclusion of power-to-gas through electrolysis. The total efficiency of the conversion including own consumption for the case without electrolysis was 51 % with a carbon utilization of 33 %. These values could be enhanced by inclusion of power-to-gas. It was predicted that the produced SNG has a CH4-concentration of between 0.81 m3 m 3 and 0.84 m3 m 3 and nitrogen concentrations of up to 0.16 m3 m 3 originating from fuel-bound nitrogen. The simulations on process integration showed that up to 20% of the sewage sludge feed can be dried by heat integration. This implies that also external heat sources have to be used for drying. Overall, the steam-oxygen gasification proved to be an efficient and technically feasible process for sewage sludge treatment and can be considered as an alternative to fluidized bed incineration for future mono-treatment plants.Item Open Access Heterogeneously catalyzed reactions over newly developed SCR DeNOx catalysts(2022) Schwämmle, Tobias; Scheffknecht, Günter (Prof. Dr. techn.)Catalysts for selective catalytic reduction (SCR) can, in addition to the reduction of NOx, also contribute to the oxidation of elemental mercury (Hg0) as well as to the undesired conversion of SO2 to SO3. By placing the catalysts in the high-dust configuration, oxidized mercury (Hg2+) can then be separated in downstream wet flue gas desulfurization units, allowing mercury to be removed efficiently from the flue gas. The aim of this work is to show how mercury oxidation can be increased by newly developed SCR catalysts, which influences there are on Hg oxidation, and which mechanisms lie behind the three reactions over the SCR catalysts. The research with parameters derived from the experiences and conditions in power plant operation is carried out in synthetic flue gas in laboratory micro-reactors as well as in a lab-scale firing system under real flue gas conditions. The research forms a comprehensive examination of all reactions relevant in power plant operation with conventional as well as newly developed SCR catalysts. As a benchmark of the catalysts regarding all reactions, the performance indicator P3 is introduced. The research is mainly conducted with standard SCR catalysts as reference and newly developed, modified honeycomb SCR catalysts, and supplemented by tests on plate-type SCR catalysts. In this research, modifications in the active component (V, Cu, Fe, Mn, Ce), of the promoters (W, Mo) as well as modifications of the base materials are studied. Through the dedicated application of the promoter molybdenum and modifications of the base material, a significant and clear increase in catalyst performance (high values of P3) can be achieved. An increased wall thickness of the catalyst also leads to an increase in Hg oxidation; however, the SO2/SO3 conversion is increased in parallel. Examinations on the influences of the flue gas on the oxidation of Hg show a strong effect of the halogen content (HCl, HBr) in the flue gas. Likewise, the sulfation of the catalysts has a positive effect on the reactions over the catalysts. A parallel DeNOx reaction in the catalyst with the addition of NH3 and the presence of CO in flue gas inhibits Hg oxidation as well as SO2/SO3 conversion. The oxidation of Hg over SCR catalysts seems to proceed according to an Eley-Rideal or Mars-Maessen mechanism: mercury adsorbs on the SCR catalyst and reacts with weakly adsorbed hydrogen halide or hydrogen halide species from the gas phase. The Hg adsorption and release can be correlated with the catalyst composition. The Deacon reaction might bring an additional contribution, but does not seem to be exclusively responsible for the measured effects.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 Experimental and modelling studies on fuel-NOx formation during flameless combustion of biogenous fuels(2023) Zięba, Mariusz; Scheffknecht, Günter (Prof. Dr. techn.)Item Open Access Experimentelle Untersuchung des Calcium-Looping-Verfahrens im Pilotmaßstab(2022) Dieter, Heiko; Scheffknecht, Günter (Univ.-Prof. Dr. techn.)In dieser Arbeit wird durch experimentelle Untersuchungen an einer 200 kWth-Pilotanlage mit realitätsnahen Prozessbedingungen eine Datengrundlage für das Calcium-Looping (CaL)-Verfahren geschaffen. Die experimentellen Untersuchungen umfassen die Felder Karbonator- und Regeneratorbetrieb sowie Erkenntnisse zum Sorbensverhalten. Zum erreichten Ziel eines Karbonatorabscheidegrads deutlich über 90% CO2 tragen vielschichtige Faktoren bei, welche im einzelnen untersucht und charakteristische Betriebsfenster abgeleitet werden. Mittels simulativer Berechnung von Betriebsfenstern wird das Verfahren anhand seiner charakteristischen Parameter optimiert und Effizienzpotentiale anhand des Nettowirkungsgradverlusts durch CO2-Abscheidung aufgezeigt. Abschließend wird eine Methode zur simulationsgestützten Verfahrensauslegung und -skalierung entwickelt. Auf dieser Grundlage kann eine CaL-Anlage bestehend aus gekoppelten Wirbelschichten ausgelegt, skaliert und betrieben werden.Item Open Access Untersuchungen zur Minderung der Partikelemissionen durch Elektroabscheider bei verschiedenen Abgasbedingungen von Biomassekleinfeuerungen(2024) Goy, Julia; Baumbach, Günter (Apl. Prof. Dr.-Ing. habil.)Partikelabscheider dienen der Minderung von Partikelemissionen als Sekundärmaßnahmen bei Biomassekleinfeuerungen. Dafür wird unter anderem die Technologie der elektrostatischen Abscheidung eingesetzt. Im Zusammenspiel mit Feuerungsabgasen sind jedoch viele Zusammenhänge noch unklar. Dies betrifft vor allem den Einfluss der Abgasbedingungen auf das Abscheideverhalten der Elektroabscheider. Dies soll durch die vorliegende Arbeit mittels experimenteller Untersuchungen aufgearbeitet werden, um den Kenntnisstand zu erweitern und die Emissionsminderung bei Biomassekleinfeuerungen durch Elektroabscheider zu verbessern. Zuerst werden die Grundlagen zur energetischen Nutzung von holzartigen Brennstoffen in Kleinfeuerungen zur Wärmebereitstellung in Haushalten zusammengefasst. Dadurch werden die Rahmenbedingungen beschrieben, bei denen die Elektroabscheider eingesetzt werden. Danach werden die technischen Grundlagen für die Emissionsminderung durch Elektroabscheider beschrieben. Anschließend werden die methodischen Grundlagen und der Kenntnisstand zur Untersuchung und Bewertung von Abscheidern bei Biomassekleinfeuerungen erläutert. Zur Hinführung an den Hauptteil werden in den Voruntersuchungen ausgewählte einzelne Aspekte für den Einsatz von Abscheidern in Feuerungsabgasen bei Kleinfeuerungen betrachtet. Dies beinhaltet Berechnungen zum Einfluss der Auslegungsparameter auf den theoretischen Abscheidegrad auf Basis der Deutsch-Gleichung, eine Kurzstudie zum Einfluss verschiedener Abscheideflächen auf die Strömung in einem Elektroabscheider mittels Strömungsmodellierung und eine Untersuchung zum Einfluss der Heiztemperatur auf die Entstehung und Regeration von Rußschichten an einem Hochspannungsisolator mittels Verbrennungsversuchen in Feuerungsabgasen. Den Hauptteil der Arbeit stellen die experimentellen Untersuchungen von verschiedenen ausgewählten Einflüssen beim Einsatz von unterschiedlichen Kombinationen von Abscheidern und Feuerungen dar. Die Hauptmessgröße stellt die Gesamtstaubkonzentration in Rohgas und Reingas dar, wobei die Rohgaskonzentration die hauptsächliche Bewertungsgröße für das Emissionsverhalten der Feuerung darstellt. Hauptsächliche Bewertungsgröße für die Emissionsminderung durch den Abscheider ist der Abscheidegrad. Auszugsweise werden Partikelinhaltsstoffe und Korngrößenverteilungen bestimmt. Es kommen automatisch und manuell beschickte Feuerungen zum Einsatz und verschiedene Abscheider. Der Einfluss der Verbrennungsqualität wird an einem Pelletofen mit zweistufigem Kompakt-Elektroabscheider-Prototyp untersucht. Der Einfluss der Brennstoffart wird an einem Hackgutkessel mit gleichem Elektroabscheider untersucht. Der Einfluss zur Betriebsweise einer manuell beschickten Feuerung wird an einem Kaminofen mit mündungsbasiertem Elektroabscheider betrachtet. Der Einfluss der Verbrennungsphase wird an einem Kaminofen mit zweistufigem Stand-Elektroabscheider untersucht.Item Open Access Investigation into the behavior of mercury in wet flue gas desulfurization systems(2022) Masoomi, Ida; Scheffknecht, Günter (Univ.-Prof. Dr. techn.)Item Open Access Verbrennung von Mischungen aus Anthrazit- und Braunkohle(2023) Marcak, Kamil; Scheffknecht, Günter (Prof. Dr. techn.)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 Equivalent dynamic models of active distribution networks with grid following and grid forming converters(2023) Ungerland, Jakob; Lens, Hendrik (Prof. Dr.-Ing.)Grid forming converters emulating inertia are a crucial part of a stable renewable power system. Considering them in complexity-reduced equivalent distribution networks allows for comprehensive stability studies of future power systems. This work addresses this research gap by providing a validated methodology to create equivalent dynamic active distribution networks including grid forming converters.
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