Ausgehend von Anwendungsproblemen des Werkzeugs „Modellierung und Simulation“ wird eine praxisnahe Vorgehensweise abgeleitet, die simulationsbasierte Vergleichsstudien unter den Aspekten Nachvollziehbarkeit, Vergleichbarkeit und Realitätsnähe erlaubt. Diese wird am Beispiel der Entwicklungsoptionen der Großkraftwerkstechnik hinsichtlich Wirkungsgradsteigerung und CO2-Emissionsminderung genutzt. Betrachtet werden stein- und braunkohlebefeuerte Dampfkraftwerke nach dem Stand der Technik, deren möglichen Fortentwicklung durch gesteigerte Dampfparameter, Braunkohlevortrocknung sowie CO2-Abtrennung im Post-Combustion- und Oxyfuel-Verfahren. Zudem werden die Unterschiede verschiedener Gasturbinenmodelle bei erdgasbefeuerten GuD-Kraftwerken untersucht.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Zementwerke besitzen mit bis zu 7 % weltweit den zweitgrößten Anteil an CO2-Emissionen aus stationären Quellen nach den Stromerzeugungsanlagen mit annähernd 80 %.
In der vorliegenden Arbeit werden Konzepte der CO2-armen Zementklinkerherstellung auf Basis von CCS-Technologien (Carbon Capture and Storage) durch Simulationsmodelle berechnet und miteinander verglichen. Hier bieten sich die aus der Kraftwerkstechnik bekannten CO2-Abtrennungsverfahren Postcombustion-CO2-Capture (PCC), Oxyfuel-CO2-Capture (OCC) und Kombinationen von beiden an. Hauptkriterium für die Bewertung ist der auf die vermiedenen CO2-Emis¬sio¬nen bezogene spezifische Primärenergiemehrbedarf im Vergleich zu einem herkömmlichen Zementwerk.
Dadurch kann eine konkrete Empfehlung gegeben werden, welche CCS-Konzepte für Zementwerke weiter verfolgt werden sollten. Diese Konzepte erweisen sich auch im Vergleich zu CCS-Konzepten für Kraftwerke als äußerst günstig.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Simulationsmodell zur Bestimmung korrosiver Atmosphären in Kohlefeuerungen entwickelt. Um die Konzentrationen der kurzlebigen korrosiven Gase berechnen zu können, ist ein detaillierter Reaktionsmechanismus für die Gasphase notwendig. Es wurde ein Freisetzungsmechanismus zur Beschreibung der Freisetzung von Schwefel und Chlor aus der festen Phase in die Gasphase entwickelt und implementiert. Eine wesentliche Voraussetzung für eine genaue Vorhersage der Freisetzung schwefel- und chlorhaltiger Stoffe ist die genaue Kenntnis der Zusammensetzung der Kohle. Dazu wird eine Berechnungsmethode vorgestellt, mit der die Zusammensetzung der mineralischen Substanz bestimmt werden kann. In der Arbeit werden die Validierung und eine Anwendung des Modells beschrieben. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Modellierung der Wärmestrahlung in Oxyfuel-Feuerungen untersucht. Bei der Planung und Auslegung von Kraftwerken sind Kenntnisse über den Wandwärmestrom von entscheidender Bedeutung. Ein weit verbreitetes Modell für die Simulation von Gasstrahlung ist das Weighted-Sum of Gray Gases Modell (WSGGM). In dieser Arbeit wurde die Brennkammer eines Oxyfuel-Kraftwerks im Demonstrationsmaßstab simuliert. Die Gasstrahlung wurde mit den verschiedenen WSGG-Modellformulierungen abgebildet. Zusätzlich wurde der Einfluss der Partikelstrahlung auf den Wärmetransport untersucht und es werden verschiedene Modellierungsansätze vorgestellt.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Dissertation zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieur der Fakultät für Maschinenbau der Ruhr-Universität Bochum
Aktualisiert: 2022-04-25
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Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung der strahlungstechnischen Eigenschaften von Aschen und Aschebestandteilen einer Oxyfuel-Feuerung. Für die Beschreibung des Wärmehaushalts einer Oxyfuel-Feuerung ist die detaillierte Kenntnis des Einflusses durch die Oberflächenstruktur sowie der chemisch-mineralogischen Zusammensetzung auf die spektralen Strahlungseigenschaften von Belägen unter Oxyfuel-Bedingungen erforderlich. In technischen Feuerungen bilden sich aus den mineralischen Verbindungen der Festbrennstoffe auf den Wärmetauscherflächen Ablagerungen der Brennstoffasche. Die Übertragung der Prozesswärme an das Arbeitsmedium ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit und den Strahlungseigenschaften dieser Ablagerungen. Der dominierende Wärmeübertragungsmechanismus ist bei den im Feuerraum vorherrschenden Temperaturen die Wärmestrahlung. Schwerpunkt dieser Dissertation sind experimentelle Untersuchungen an einem Strahlungsmessstand, mit dem die Detektion der Strahlungsleistung der Probenkörper und eines Schwarzkörpers in einem Temperaturbereich zwischen 500°C und 1000°C mit einem FTIR-Spektrometer erfolgt. Aus den Messdaten werden spektrale Emissionsgrade und Gesamtemissionsgrade berechnet, mit denen die Strahlungseigenschaften der Aschen und von Aschebestandteilen quantifiziert werden können. Der Fokus der Untersuchungen liegt auf Reinstoffen sowie Zweistoffsystemen typischer Bestandteile von Feststoffaschen aus Oxyfuel-Feuerungen. Aufgrund des erhöhten CO2-, SO2- und H2O-Partialdruckes in Oxyfuel-Feuerungen wird im Vergleich zur Feuerung in einer Luftatmosphäre verstärkt die Präsenz von Carbonaten, Sulfaten und Pyrit beobachtet. Aus diesem Grund stehen primär diese Mineralien im Fokus der Arbeit.
Aktualisiert: 2020-01-15
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In dieser Arbeit ist eine umfassende energetische Bedarfsuntersuchung der gesamten CCS-Prozesskette ausgehend von der CO2-Abtrennung in den verschiedenen Kraftwerks- und Industrieanlagen über den Transport des abgetrennten CO2-reichen Massenstroms unter Verwendung eines von allen Anlagen gemeinsam genutzten Pipelinesystems bis hin zur dauerhaften Speicherung des CO2-reichen Massenstroms in einer geologischen Fangformation durchgeführt worden.
A energy demand analysis of the whole CCS chain has been done in this thesis. The CO2 capture process in seven fossil-fueled power plants and four industrial plants, the transport of the separated CO2 streams by using a pipeline network shared by all plants, as well as the permanent storage of CO2 are modelled and calculated. In addition the influence of various design parameters on the overall CCS chain is evaluated.
Aktualisiert: 2021-04-16
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Im Vergleich zur Verbrennung mit Luft ergeben sich durch die hohen Konzentrationen von CO2 und Wasserdampf in Oxyfuel-Feuerungen zahlreiche Änderungen des Verbrennungsverhaltens fester Brennstoffe. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Oxyfuel-Bedingungen auf das Verhalten von in Kohle enthaltenen Schwefel- und Chlorverbindungen während der Verbrennung experimentell untersucht. Zudem wurde ein Modell für die Freisetzung von Schwefelverbindungen während der Pyrolyse von Kohle erweitert, um den Einfluss einer CO2-haltigen Atmosphäre auf das Freisetzungsverhalten zu berücksichtigen.
Temperaturprogrammierte Experimente zu Pyrolyse, Koksabbrand und direkter Verbrennung von zwei Steinkohlen wurden mit einer Kopplung aus Thermowaage und Massenspektrometer durchgeführt. Durch die Verwendung von Proben, die entweder ausschließlich Pyrit enthielten oder bei denen der Gehalt bestimmter Schwefel- bzw. Chlorspezies (Eisen(III)-, Natrium- und Zinksulfat sowie Kalium- und Natriumchlorid) deutlich erhöht wurde, konnte das Verhalten dieser einzelnen Verbindungen beobachtet werden.
Mit einem Flugstromreaktor wurden Experimente zur Pyrolyse in N2 sowie zur Verbrennung in Luft und in CO2/O2 (Oxyfuel-Atmosphäre) einer Steinkohle durchgeführt. Der Einfluss der Parameter Verbrennungsstöchiometrie, Reaktortemperatur und Verweilzeit auf die in die Gasphase freigesetzten Schwefel- und Chlorverbindungen wurde untersucht.
Ein in der Literatur verfügbares Modell zur Freisetzung von Schwefelverbindungen während der Pyrolyse von Kohle wurde im Rahmen dieser Arbeit um weitere Reaktionen und zusätzliche Spezies erweitert. Der Einfluss einer CO2-haltigen Atmosphäre auf die Freisetzungsreaktionen wurde im Modell berücksichtigt. Die Vorhersagen des erweiterten Modells wurden validiert.
Aktualisiert: 2020-01-15
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Um die Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels zu begrenzen, sind Maßnahmen nötig, die den Ausstoß des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid reduzieren. Eine Möglichkeit dafür ist das sogenannte Oxyfuel-Verfahren, bei dem Brennstoffe mit einem Gemisch aus reinem Sauerstoff und rezirkuliertem Rauchgas verbrannt werden. Anschließend kann das entstandene Kohlenstoffdioxid technisch einfach abgeschieden und weiterverarbeitet oder eingelagert werden.
In Kohlekraftwerken wird typischerweise ein Großteil der Wärme durch Strahlung übertragen. Die Wärmeübertragung eines Partikels an seine Umgebung hängt linear vom Partikelemissionsgrad ab, sodass dieser Größe eine besondere Bedeutung zukommt. Daher wurde in dieser Dissertation erstmalig ein Versuchsstand zur "in-flight" Messung des spektral aufgelösten Emissionsgrades aufgebaut, kalibriert und in Betrieb genommen. Mit diesem Versuchsstand wurden Messungen hinsichtlich des Einflusses verschiedener Prozess- und Partikelparameter auf den Emissionsgrad durchgeführt.
Zusätzlich wurde der Emissionsgrad mittels theoretischer Berechnungen aus dem komplexen Brechungsindex der Partikel bestimmt. Dafür wurden die Kohlepartikel mit Hilfe von Kugelclustern modelliert. Mittels verallgemeinerter Mie-Streuung konnte der spektrale Emissionsgrad dieser Cluster berechnet werden. Damit wurden unterschiedliche Einflüsse wie die Struktur der Partikel auf den Emissionsgrad nachgewiesen.
Insgesamt konnte durch diese Dissertation die verfügbare Datenbasis deutlich erweitert werden. Zudem sind nun erstmals spektral aufgelöste Daten unter dem Einfluss unterschiedlicher Faktoren im Temperaturbereich bis zu ca. 2500K verfügbar.
Aktualisiert: 2020-01-28
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Zur Eindämmung des Ausstoßes klimaschädlichen Kohlenstoffdioxids in die Atmosphäre eignet sich das so genannte Oxyfuel-Verfahren, bei dem Brennstoffe mit reinem Sauerstoff und rezykliertem Rauchgas verbrannt werden. Aus dem Rauchgas kann reines CO2 einfach abgeschieden und endgelagert werden. Der Abbrand eines einzelnen Brennstoffpartikels in einer Staubfeuerung setzt sich aus vier Phasen zusammen, von denen die Pyrolyse als zweite Phase große Teile der Masse freisetzt und Spezies formt, die die Schadstoffbildung maßgeblich beeinflussen. Während der Einfluss einer Oxyfuel-Atmosphäre auf die Wärmeübertragung in einer Staubfeuerung bekannt ist, sind die genauen Wirkungen bei der Pyrolyse und die Wechselwirkungen mit den anderen Einflussgrößen bisher jedoch nur unzureichend verstanden.
Fokus der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung des Einflusses hoher CO2-Konzentrationen auf die pyrolytische Zersetzung des festen Brennstoffs bei der Verbrennung unter Staubfeuerungsbedingungen. Dafür wurden Pyrolyseexperimente in einem Festbettreaktor bei geringen Aufheizraten zu moderaten Temperaturen sowie in einem Fallrohrreaktor unter realen Staubfeuerungsbedingungen durchgeführt und die Produkte der Pyrolyse untersucht.
Im Rahmen einer umfangreichen Messreihe mit verschiedenen Brennstoffen wurde auch ein Einfluss des CO2 auf die Pyrolyse festgestellt. Zwar konnte keine signifikante Änderung im Gesamtmassenverlust bei der Pyrolyse gemessen werden, dafür aber sind deutliche Unterschiede bei der Zusammensetzung der gemessenen Pyrolyseprodukte und in den Eigenschaften des Kokses sichtbar.
Aktualisiert: 2020-01-06
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Die Arbeitsblätter des Gas- und Wärme-Instituts Essen e.V. wurden über mehrere Jahre regelmäßig in der Fachzeitschrift gaswärme international veröffentlicht. Für diese Sonderpublikation erfuhren die Arbeitsblätter eine gründliche Überarbeitung und Ergänzung durch neue, bisher unveröffentlichte Arbeitsblätter zum Thema Oxyfuel. Weitere Themenbereiche sind Begriffe und Einheiten, Brenngase, Luft, Zündung, Verbrennung, Feuerungstechnik.
Praktische Berechnungsbeispiele bieten dem Leser eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Verwendung der Arbeitsblätter. Der Datenträger beinhaltet, neben dem eBook, ein Programm u.a. zur Berechnung von charakteristischen Brenngasgrößen, der Abgaszusammensetzung und der adiabaten Flammentemperatur und zur Bestimmung von Normdichte, Betriebsdichte und isobaren Wärmekapazitäten für Oxidator und Abgas.
Die Referenz für die technische Verbrennung in Industrie und Gewerbe.
Aktualisiert: 2020-01-01
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In dieser Arbeit wird der GuD-Prozess unter Oxyfuel-Bedingungen hinsichtlich der Einflussgrößen auf den Nettowirkungsgrad untersucht. Dazu wird ein konventionelles GuD-Kraftwerk im Luftfall modelliert und für den Betrieb unter Oxyfuel-Bedingungen angepasst. Die Gesamtprozessbetrachtung schließt auch die Modellierung der Sauerstoffbereitstellung mittels kryogener Luftzerlegung und die Aufbereitung des CO₂ mit ein. Für die Gasturbine des GuD Kraftwerks werden zwei Varianten betrachtet, die sich in ihrem Verbrennungskonzept, d. h. einstufige und sequentielle Verbrennung, unterscheiden. Die Modellierung des Gesamtprozesses erfolgt in EBSILON®Professional. Die Teilprozesse mit Luftzerlegung und CO₂-Aufbereitung werden mit ASPEN Plus® modelliert. Aufgrund der hohen Druckverhältnisse unter Oxyfuel-Bedingungen wurde in der Arbeit ein Modell entwickelt, mit dem der polytrope Wirkungsgrad des Gasturbinenverdichters in Abhängigkeit vom Druckverhältnis berechnet werden kann, ohne bereits eine detaillierte Verdichtergeometrie festzulegen.
Aktualisiert: 2019-11-13
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