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Die vorliegende Dissertationsschrift beschreibt Experimente zur Weiterentwicklung der Methode der elektrothermischen Verdampfung mit induktiv gekoppeltem Plasma und optischer Emissionsspektroskopie (ETV-ICP OES). Ziel ist die Analyse der Mobilisierung einzelner Elemente in Verbrennungsgasatmosphären, um so das Verschmutzungs- und Verschlackungspotential von Energierohstoffen abschätzen zu können. Zur Simulation der Atmosphäre wird Sauerstoff zum Argon-Gasstrom der Verdampfungseinheit in verschiedenen Verhältnissen zugesetzt, weshalb einige Bauteile der ETV und alle Methodenparameter angepasst werden müssen. Der Einfluss der Gasatmosphäre sowie des Temperaturprogrammes auf die Freisetzung der Elemente wird anhand von drei Kohlen unterschiedlicher Inkohlung und Mineralstoffanteile untersucht und die Analysenmethode dementsprechend optimiert. Im Anschluss erfolgt die Anwendung der entwickelten Methode auf acht Argonne Premium Kohlen sowie auf verschiedene Biomassen und Klärschlämme.:1 Motivation und Aufgabenstellung 12 2 Stand der Technik 15 2.1 Energierohstoffe 15 2.2 Ansatzbildung und Korrosion im Kraftwerk 17 2.2.1 Ansatzbildungsmechanismen 17 2.2.2 Korrosion 20 2.2.3 Freisetzung von Störkomponenten 21 2.2.3.1 Schwefel 21 2.2.3.2 Chlor 21 2.2.3.3 Alkalien 22 2.2.4 Analysemethoden zur Ermittlung der Freisetzung von Störkomponenten 23 3 Eingesetzte Methoden und Parameter 27 3.1 ETV-ICP OES 27 3.2 Thermodynamische Gleichgewichtsberechnungen 31 4 Methodenentwicklung modifizierte ETV-ICP OES 33 4.1 Anpassung des ETV-Systems an simulierte Prozessbedingungen 34 4.1.1 Auswahl der Gasatmosphären 36 4.1.2 Vergleich Standardrohr und SiC-beschichtetes Rohr 38 4.1.3 Einfluss der Beschichtung der Probentiegel 39 4.1.4 Fazit 42 4.2 Temperaturprogramm 43 4.3 Linienauswahl 44 4.4 Kalibration für quantitative Analysen 46 4.5 Datenbearbeitung 49 4.5.1 Korrekturfaktor für Massenbilanz 50 4.5.2 Argon-Korrektur 51 4.5.3 Intensität und Freisetzungsverlauf 53 4.5.4 Zusammenfassung notwendiger Datenbearbeitung 56 4.6 Einfluss der modifizierten Methode auf die Kohlematrix 56 4.6.1 Probenauswahl und Charakterisierung 57 4.6.1.1 Bestimmung der Bindungsformen von Kalium und Natrium 59 4.6.2 Elementfreisetzungsverhalten – Analyse der Kohleproben 64 4.6.2.1 Mineralreiche Kohle – 4419 64 4.6.2.2 Mineralarme Braunkohle – 3922 73 4.6.2.3 Steinkohlestandard – 1632d 81 4.6.2.4 Sonderfall Chlor 87 4.7 Fehlerbetrachtung 89 4.8 Zusammenfassung der Methodenentwicklung 92 5 Anwendung der Methode 96 5.1 Argonne Premium Kohlen 96 5.1.1 Kalium 98 5.1.2 Natrium 101 5.1.3 Schwefel 103 5.1.4 Zusammenfassung der Analysen an den APCs 106 5.2 Klärschlamm 106 5.2.1 Probenauswahl 107 5.2.2 Kalium 108 5.2.3 Natrium 111 5.2.4 Schwefel 113 5.2.5 Phosphor 115 5.2.6 Zusammenfassung der Klärschlammanalysen 118 5.3 Biomasse 118 5.3.1 Probencharakterisierung 119 5.3.2 Freisetzungsverhalten der Elemente 120 5.3.3 Zusammenfassung der Analysen an den Biomassen 123 5.4 Rückschlüsse der Ergebnisse auf reale Prozesse 124 6 Zusammenfassung und Ausblick 126 7 Anhang 130 7.1 Analysenmethoden zur Probencharakterisierung 130 7.1.1 Brennstoffanalyse 130 7.1.2 Röntgenfluoreszenzspektroskopie 131 7.1.3 Röntgendiffraktometrie 132 7.1.4 Thermische Analysen 134 7.1.5 Weitere Parameter für die FactSageTM-Berechnungen 135 7.2 Zusatzinformationen zur Methodenentwicklung 136 7.2.1 Methodenparameter 136 7.2.2 Probencharakterisierung 140 7.3 Zusatzinformationen zur Anwendung der modifizierten Methode 147 7.3.1 APC 147 7.3.2 Klärschlämme 148 8 Referenzen 150 9 Veröffentlichungsliste 160 10 Verzeichnisse 161 10.1 Abbildungsverzeichnis 161 10.2 Tabellenverzeichnis 166 10.3 Abkürzungsverzeichnis 168 This dissertation describes the development of a method to analyze the mobilization of individual elements in combustion gas atmospheres with the help of electrothermal evaporation in combination with inductively coupled plasma optical emission spectros-copy (ETV-ICP OES) to estimate the pollution and slagging potential of energy feed-stocks. To simulate the atmosphere, oxygen is added to the argon gas stream of the evaporation unit in different ratios. To that end, some components of the ETV unit and all method parameters have to be adjusted. The influence of the gas atmosphere as well as the temperature program on the release of the elements is investigated on the basis of three coals of different degree of carbonization and mineral content and the analysis method is optimized accordingly. Subsequently, the method is applied to analyze eight Argonne Premium coals as well as various biomasses and sewage sludges.:1 Motivation und Aufgabenstellung 12 2 Stand der Technik 15 2.1 Energierohstoffe 15 2.2 Ansatzbildung und Korrosion im Kraftwerk 17 2.2.1 Ansatzbildungsmechanismen 17 2.2.2 Korrosion 20 2.2.3 Freisetzung von Störkomponenten 21 2.2.3.1 Schwefel 21 2.2.3.2 Chlor 21 2.2.3.3 Alkalien 22 2.2.4 Analysemethoden zur Ermittlung der Freisetzung von Störkomponenten 23 3 Eingesetzte Methoden und Parameter 27 3.1 ETV-ICP OES 27 3.2 Thermodynamische Gleichgewichtsberechnungen 31 4 Methodenentwicklung modifizierte ETV-ICP OES 33 4.1 Anpassung des ETV-Systems an simulierte Prozessbedingungen 34 4.1.1 Auswahl der Gasatmosphären 36 4.1.2 Vergleich Standardrohr und SiC-beschichtetes Rohr 38 4.1.3 Einfluss der Beschichtung der Probentiegel 39 4.1.4 Fazit 42 4.2 Temperaturprogramm 43 4.3 Linienauswahl 44 4.4 Kalibration für quantitative Analysen 46 4.5 Datenbearbeitung 49 4.5.1 Korrekturfaktor für Massenbilanz 50 4.5.2 Argon-Korrektur 51 4.5.3 Intensität und Freisetzungsverlauf 53 4.5.4 Zusammenfassung notwendiger Datenbearbeitung 56 4.6 Einfluss der modifizierten Methode auf die Kohlematrix 56 4.6.1 Probenauswahl und Charakterisierung 57 4.6.1.1 Bestimmung der Bindungsformen von Kalium und Natrium 59 4.6.2 Elementfreisetzungsverhalten – Analyse der Kohleproben 64 4.6.2.1 Mineralreiche Kohle – 4419 64 4.6.2.2 Mineralarme Braunkohle – 3922 73 4.6.2.3 Steinkohlestandard – 1632d 81 4.6.2.4 Sonderfall Chlor 87 4.7 Fehlerbetrachtung 89 4.8 Zusammenfassung der Methodenentwicklung 92 5 Anwendung der Methode 96 5.1 Argonne Premium Kohlen 96 5.1.1 Kalium 98 5.1.2 Natrium 101 5.1.3 Schwefel 103 5.1.4 Zusammenfassung der Analysen an den APCs 106 5.2 Klärschlamm 106 5.2.1 Probenauswahl 107 5.2.2 Kalium 108 5.2.3 Natrium 111 5.2.4 Schwefel 113 5.2.5 Phosphor 115 5.2.6 Zusammenfassung der Klärschlammanalysen 118 5.3 Biomasse 118 5.3.1 Probencharakterisierung 119 5.3.2 Freisetzungsverhalten der Elemente 120 5.3.3 Zusammenfassung der Analysen an den Biomassen 123 5.4 Rückschlüsse der Ergebnisse auf reale Prozesse 124 6 Zusammenfassung und Ausblick 126 7 Anhang 130 7.1 Analysenmethoden zur Probencharakterisierung 130 7.1.1 Brennstoffanalyse 130 7.1.2 Röntgenfluoreszenzspektroskopie 131 7.1.3 Röntgendiffraktometrie 132 7.1.4 Thermische Analysen 134 7.1.5 Weitere Parameter für die FactSageTM-Berechnungen 135 7.2 Zusatzinformationen zur Methodenentwicklung 136 7.2.1 Methodenparameter 136 7.2.2 Probencharakterisierung 140 7.3 Zusatzinformationen zur Anwendung der modifizierten Methode 147 7.3.1 APC 147 7.3.2 Klärschlämme 148 8 Referenzen 150 9 Veröffentlichungsliste 160 10 Verzeichnisse 161 10.1 Abbildungsverzeichnis 161 10.2 Tabellenverzeichnis 166 10.3 Abkürzungsverzeichnis 168

Mit dem Ziel den Wissensstand der Verbrennungswissenschaft und -technik zu erweitern, werden im Zuge dieser Dissertation experimentelle und rechnerische Untersuchungen ausgeführt. Der Fokus der Betrachtungen liegt auf der Verbrennung bei erhöhten Drücken und beinhaltet Messungen und numerische Berechnungen fundamentaler Grenzphänomene der Flammbarkeit und kritischer Bedingungen. Die Entwicklung sowohl der experimentellen als auch der computergestützten Methodologie werden zusammen mit der Erweiterung der Kapazitäten der experimentellen Anlage hierin protokolliert. Ergebnisse vorangehender und zusätzlicher Untersuchungen bei atmosphärischem Druck werden angeführt und diskutiert, um im Bedarfsfall die Betrachtungen im Hauptaugenmerk zu ergänzen und die entwickelten rechnerischen Methoden und Modelle auf ihre Zuverlässigkeit und Effizienz zu prüfen. Die experimentelle Anlage, welche während der Untersuchungen angewendet und für die Simulationen modelliert wird, ist der Gegenstrombrenner in verschiedenen Konfigurationen für gasförmige und flüssige Brennstoffe. Die Messungen wurden in UC San Diego's Verbrennungslabor unternommen, in welchem sowohl ein modulares Brennersystem für Experimente bei atmosphärischem Druck als auch die einzigartige High Pressure Combustion Experimental Facility (HPCEF) zur Untersuchung von Verbrennungsprozessen und Flammen bei erhöhten Drücken zur Verfügung stehen. Bei atmosphärischem Druck wurden Auslöschungs- und Selbstzündungsexperimente zur Ermittlung der Auslöschungsströmungsgeschwindigkeiten und Selbstentzündungstemperaturen bei gasförmigen, vorverdampft flüssigen und angestaut kondensierten Brennstoffen durchgeführt, während am HPCEF ausschließlich kondensiert flüssige Brennstoffe untersucht wurden, um deren Selbstentzündungstemperaturen unter variierenden Randbedingungen bei Drücken von 5 bar bis zu 25 bar zu bestimmen. Die während der Versuche untersuchten Brennstoffe sind die gasförmigen Alternativkraftstoffkomponenten Dimethyl Ether (DME) und Propan und die flüssigen Referenzkraftstoffe und Surrogatkomponenten n-Heptan, n-Decan, and n-Dodecan. Graphische Darstellungen der experimentellen Daten und numerischen Berechnungen, zusammen mit den vorherrschenden Randbedingungen, befinden sich in den jeweiligen Kapiteln, während die individuellen Datenpunkte der Messungen, inklusive ihrer dazugehörigen Standardfehler, zur Referenz in tabellarischer Form im Anhang angeführt sind. Für die Berechnungen und computergestützten Simulationen dieser Arbeit kam das open source Software Toolkit Cantera zum Einsatz. Während sein Löser, welcher in der Lage ist thermodynamische, chemische und transporttechnische Phänomene zu lösen, um Strömungsprobleme mit chemischen Reaktionen und Flammen zu simulieren, unverändert verwendet wurde, wurden die Basisimplementierung und das Modell der Gegenstromkonfiguration angepasst und signifikant erweitert, um den Anforderungen der Untersuchungen dieser Arbeit gerecht zu werden. Als Resultat entstand ein Python Modul namens "UCSDComLab", welches durch die Implementierung zahlreicher Objekte und Funktionen zur Modellierung, Simulation und Evaluierung der Experimente, die im Zuge dieser Dissertation durchgeführt wurden, eine Schnittstelle zu Cantera bietet, um die Berechnungen und nummerischen Prozesse zu erleichtern und zu beschleunigen. Für die Bereitstellung der benötigten physikalischen und reaktionskinetischen Parameter der auftretenden Stoffe, welche zur Simulation der Systeme und Prozesse notwendig sind, wurden verschiedene vollständige, vereinfachte und spezialisierte Versionen des San Diego und des PoliMi Mechanismus eingesetzt., Experimental and computational investigations are carried out with the goal to expand the body of knowledge of combustion science and engineering. The dissertation's focus is set on combustion at elevated pressures and encompasses measurements and numerical calculations of fundamental limit phenomena and critical conditions. Development of the methodology and computational framework, as well as the expansion of capabilities of the experimental setup are documented herein. Results of preliminary and additional studies at atmospheric pressure are given and discussed to complement the key investigations where necessary, and to test the developed computational methods and models for their reliability and efficiency. The experimental device used for the investigations and modeled for the simulations is the counterflow burner in various configuration for gaseous and liquid fuels. The measurements were taken at UC San Diego's Combustion Laboratory where a modular burner for experiments at atmospheric pressure as well as the unique High Pressure Combustion Experimental Facility (HPCEF) for investigations of combustion processes and flames at elevated pressures are housed. At atmospheric pressure, extinction and autoignition experiments to measure extinction strain rates and autoignition temperatures of gaseous, prevaporized liquid and pools of condensed fuels were conducted, while at the HPCEF, exclusively condensed liquid fuels were studied to determine autoignition temperatures under varying boundary conditions at pressures from 5 bar up to 25 bar. The tested fuels for the investigations were the gaseous alternative fuel components dimethyl ether (DME) and propane, and the liquid primary reference fuel (PRF) and surrogate components n-heptane, n-decane, and n-dodecane. Graphical representations of the experimental data and numerical calculations including the imposed boundary conditions are given in the respective chapters, while the individual data points of the measurements together with their standard errors are given in tabulated form in the appendix for reference. For the computations and simulations of this thesis, the open source software toolkit Cantera was used. While its solver, capable of handling thermodynamic, chemical kinetic, and transport phenomena to numerically solve chemically reacting flow problems and simulate flames, was left unmodified, the basic implementation and model of the counterflow configuration was adapted and vastly expanded to fit the needs of the investigations presented in this thesis. Eventually, a Python module interfacing with Cantera named "UCSDComLab" was developed to facilitate and streamline the computations and numerical processes by implementing several objects and functions to model, simulate, and evaluate experiments conducted in the course of this dissertation. To provide the required property and reaction data for all the relevant species in the simulated systems and processes, various complete, reduced, and specialized versions of the San Diego and PoliMi Mechanisms were used.

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023; Aachen : RWTH Aachen University 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme (2023). = Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023, Carbon fibres (CF) are used in combination with plastics for various high-performance applications, especially in aviation, mobility or wind turbines. Although these carbon-fibre-reinforced-plastics (CFRP) are a niche application in terms of mass technology compared to glass-fibre-reinforced-plastics, continuous growth rates of around 11 w.-% have been recorded in recent years. With the increase in use, the amount of waste containing carbon fibres (WCCF) is also rising. Currently, production waste dominates here, but end-of-life waste also arises with a time lag. In the best case, this waste is collected separately and sent to one of the few recycling plants. However, fibres that cannot be recycled are produced during recycling. There are currently no known energy recovery or feedstock recycling routes for these WCCF. In addition, the missing of separate collection can already lead to inputs into established treatment routes such as municipal waste incineration. This thesis addresses this problem by carrying out both laboratory and large-scale investigations on the use of CFRP in high-temperature processes. The investigations are intended to find out possibilities for their utilisation in high-temperature processes. First, different types of fibres (High Tensile Strength, High Modulus and Ultra High Modulus) were investigated in the laboratory with regard to their thermal behaviour. The reaction mechanism is described by the two-dimensional phase boundary controlled reaction, especially in the first part of the oxidation. An increase in temperature accelerates the oxidative process. In addition, the degradation was investigated by SEM microscopy in different stages of oxidation. In addition to the typical reduction of the fibre diameter, various forms of decomposition such as pitting or poring could be detected. The various types of fibres differed in this respect. In further laboratory investigations, a fuel characterisation of various WCCF was carried out. In addition, the decomposition behavior and loss of volatiles was investigated by using an thermogravimetric analysis. As expected, all WCCF have a high carbon content. However, the ratio of carbon and oxygen or hydrogen shows clear differences compared to other wastes or secondary fuels. In addition, some WCCF have other elements such as nitrogen or sulphur, which have to be taken into account for utilisation in high-temperature processes. With the results, a combustion reaction calculation was carried out so that further differences to secondary fuels could be shown. The thermogravimetric analysis show significant differences in the loss of volatiles and decomposition behaviour. It follow that a suitable high-temperature process should cover a wide spectrum of WCCF. In the large-scale investigations, test campaigns were carried out in different high-temperature processes on an industrial scale. In addition to the three approaches for energy recovery in a municipal waste incineration plant, a hazardous waste incineration plant and a cement kiln plant, feedstock recycling in a electric arc furnace for the production of calcium carbide was investigated. The objectives of the investigations are, firstly, to test the suitability of the process for a complete conversion of CF, secondly, to identify the requirements for flue gas cleaning and, thirdly, to examine the extent to which fibres are produced with WHO criteria (diameter D < 3 μm, length L > 5 µm, L:D ≥ 3:1) (WHO-CF). The established methods of thermal waste treatment with grate or rotary kiln firing are not suitable for a complete oxidation of CF due to the insufficient process conditions (especially temperature and dwell time or mixing of air/solid fuel). The majority was discharged via bottom ash / slag, which cannot be further mechanically processed due to the high CF residues content. The exhaust gas cleaning system retained the CF discharged via the flue gas path. WHO-CF are produced to a small extent, but the possible exposure must be taken into account here. The cement kiln plant showed that the WCCF can only be used in the kiln burner. This requires a reduction to 2D particles with a maximum edge length of 30 x 30 mm. A low concentration of CF was found in the clinker, which should be investigated again in a further long-term test. The campaign time was too short and the specific amount of WCCF used were too low. In the fourth process, CFRP production waste was previously shredded and pelletised together with mixed plastics and replaced coke and coal tar pitch in the calcium carbide production. The recovery rates of CF are low, so that feedstock recycling seems to be possible. However, CF and, to a lesser extent, WHO-CF are discharged, especially via the carbide oven gas. In the exhaust gas cleaning system, the discharged fibres are separated. Due to the external utilisation of these residues, the effects on such utilisation paths should be examined in the case of a potential application. In summary, it can be seen that a systematic investigation of different types of CF with regard to their thermal behaviour should be carried out. Based on the examinations of three different fibres, the fibres should be investigated systematically (for example on the basis of properties such as material characteristics or virgin diameter). In particular, the proportion of potentially emerging WHO-CF should be determined. However, suitable methods are still required. The large-scale campaigns showed that thermal waste treatment in municipal and hazardous waste incineration plants is not suitable. The potential use in the two processes cement kiln plant electric arc furnace for calcium carbide production requires that the WCCF are prepared for utilisation. For this purpose, corresponding treatment processes must be prepared and evaluated. For the overall process evaluation, further bases should be created and evaluated, especially for the upstream. Only then can a final assessment be made for incineration in acement kiln or for feedstock recycling in an electric arc furnace for the production of calcium carbide., Published by RWTH Aachen University, Aachen

Wheat straw could be used for pellet production and therefore as solid fuel. However, it presents challenges due to its inferior combustion properties such as high ash content, low gross calorific value (GCV), and low ash melting temperature. To evaluate its combustion properties and based on recent work that improved methane production, wheat straw was subjected to thermobiological pretreatments. Nine pretreated samples based on wheat straw and nine pretreated samples based on compost-wheat straw mixture were produced. In addition, due to the ability to remove minerals and decrease the ash content, a washing process with water as a solvent was used. Ash content, net calorific value (NCV) and ash melting temperatures were evaluated. For the pretreated wheat straw (SW) samples, a 5,8% reduction in ash content was obtained due to the pretreatments when compared to untreated wheat straw. A 55% decrease in ash content was obtained when comparing the same materials before and after the washing process. No statistically significant changes in GCV were found. As for the ash melting temperatures, due to the incubation pretreatment, an average increase in the shrinkage starting temperature (SST) of 4,4% was obtained for anaerobic conditions and a decrease of 2,5% for aerobic conditions, compared to the same material without heat treatment. In addition, an increase in all ash melting temperatures was observed because of the washing process. It was possible to obtain a pellet complying with standard ISO 17225-6 that can be used in medium or large burners and significantly reduces the effort during combustion. For samples pretreated with a homogeneous compost-wheat straw (SKW) mixture, an average ash content decrease of 27% was obtained after using autoclave pretreatment at 140°C, compared to the same material without thermal pretreatment. The biggest decrease was due to the washing process, reducing the ash content on average by 43% when comparing the same materials before and after washing. GCV were 13% lower than samples pretreated with wheat straw, due to the low calorific value and high ash content of the compost. During ash melting temperature tests, an average 60% increase in SST was observed compared to pretreated SW ashes due to the high melting temperature of compost. Results are considered satisfactory since pellets based on this mixture would not cause ash sintering or slagging. However, counter effects were observed as the addition of compost increased the ash content and decreased the GCV, not complying with ISO 17225-6 for non-woody pellets. To achieve a pellet based on a compost-wheat straw mixture that complies with the standards, it is recommended for future research to control the percentage of compost added to the mixture.

To have more sustainable aviation, ways to reduce lead and gaseous emissions are important and currently large research topics. As further efficiency improvements for internal combustion engines (ICE) have reached a limit, and the research and development of certifiable full and hybrid electric aircrafts are still ongoing, it becomes increasingly important to investigate the use of alternatives to conventional fuels, such as bioethanol. In this study, a state-of-the-art turbocharged 104 kW flight piston engine (BRP Rotax 915 iS) was tested with fuels containing various amounts of ethanol to assess the influence on the engine’s performance and emissions. Emission and performance maps covering the full range of engine operation from 4500 to 5800 RPM and about 40 to 110 kW output power were obtained using the standard fuel AvGas 100 LL, its current alternative Super 98 E5, and higher ethanol content fuels Super 98 E10 and Super 95 E20. With 20% ethanol in the fuel blend, a general decrease in CO and unburned hydrocarbon (UHC) emissions and an increase in CO2 and NOx were observed compared to the other fuels. Differences in the performance and emissions of the engine were also observed with different manifold air temperatures (MAT)., publishedVersion

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit den Kohlenstoff-assoziierten heterogenen Reaktionen, die beim thermochemischen Prozess des Tonziegelbrands auftreten. Dieser Prozess wird in seinen Urformen seit tausenden Jahren von Menschen genutzt. Nach wie vor werden die günstigen Eigenschaften des gebrannten Tons als Werkstoff in der Konstruktion von Gebäuden eingesetzt. Dennoch wird das Produktionsverfahren von Tonziegeln wie generell jene von Baustoffen aufgrund des hohen Energiebedarfs und Treibhausgas-Ausstoßes zunehmend hinterfragt. In einer exemplarischen Prozessanalyse werden in der vorliegenden Arbeit zunächst die grundlegenden Merkmale des Tonziegel-Produktionsprozesses untersucht. Um die Wärme- und Stoffaustauschphänomene in der Tonphase eines Ziegels während dem Brennprozess besser zu verstehen, wurden im Zuge dieser Forschungsarbeit vielfältige Untersuchungen auf praktischer und theoretischer Ebene durchgeführt. In der Vergangenheit war keine theoretische Beschreibung des Brennvorgangs bekannt, der neben dem Ausbrand von organischer Substanz vor allem die Kalzination der im Rohton vorhandenen Karbonate und andere Umwandlungsprozesse umfasst. In der vorliegenden Arbeit werden die Oxidations- und Kalzinationsvorgänge im Ziegel während dem Brennvorgang nach Kenntnisstand des Autors erstmalig theoretisch fundiert beschrieben. Es wurde ein integriertes Reaktionsmodell für den Ziegelbrand entwickelt, welches die Beschreibung der Reaktionskinetik mittels etablierter kinetischer Reaktionsmodelle und die Implementierung eines detaillierten Mehrkomponenten-Diffusionsmodells umfasst. Dieses System von Differentialgleichungen wurde mittels Finite-Differenzen-Methode gelöst und in dimensionslose Form gebracht. Damit wurde eine allgemeine Form einer Massen- und Energiebilanz für den Ziegel gefunden, die auch auf andere Reaktionen im Kontext der Ziegelproduktion (z.B. Trocknung) oder auf ähnliche heterogene Reaktionen angewendet werden kann. Für den Ziegelbrand wurde gezeigt, dass der diffusive Stofftransport der Reaktanden O2 und CO2 in der Tonmatrix für den Ausbrand- und Konversionsfortschritt maßgeblich ist. Das hier vorgelegte Reaktionsmodell des Brennvorganges trägt zu einem besseren Prozessverständnis bei und stellt ein Prädiktionsinstrument für veränderliche Prozessbedingungen dar. Im Hinblick auf diskutierte Prozessänderungen zur Reduktion des spezifischen Energiebedarfs, bzw. zur Senkung der Treibhausgas-Emissionen, können damit mögliche Auswirkungen auf den Produktionsprozess beurteilt werden., The present doctoral thesis investigates the carbon-related heterogeneous reactions, which occur in the thermo-chemical process of clay brick firing. This technique has been used of humans in its ancient forms since thousands of years. Today, the favourable properties of fired clay as a construction and building material are still utilized. However, the production process of clay bricks is – as that of all construction materials – more and more questioned due to its substantial energy demand and greenhouse gas emissions. First, an exemplary process analysis is presented in this work, which investigates the basic characteristics of the clay brick production. Various theoretical and practical investigations have been undertaken in the framework of this thesis, in order to gain knowledge on the actual mass and heat transfer phenomena occurring in the brick during the firing process. In the past, no theoretical description of the conversion process at firing conditions was available. The firing comprises – beside other reactions – the combustion of organic substances in the brick and the calcination of carbonates originating from the natural clay. To the knowledge of the author, in the context of brick firing these phenomena have been theoretically described the first time in the present work. An integrated reaction model has been developed, including the description of the reaction kinetics according to well-established kinetic models and the implementation of a comprehensive multi-component diffusion model. This system of differential equations has been solved using a finite differences method and made dimensionless. By means of the model, a generalized form of mass and energy balances of the brick has been established, which could be used also for other reactions in clay brick firing (e.g. drying) or similar heterogeneous reactions. The application of the model showed the main processes in clay brick firing to be governed by diffusive mass transport of O2 and CO2 within the dense phase of the brick. The present reaction model provides better understanding of the firing process and serves as a prediction tool to investigate varying firing conditions. Process modifications helping to improve energy and greenhouse gas balances can be simulated by the established model, in order to assess possible effects on the production process.

Im Bericht ��ber eine europ��ische Strategie f��r kritische Rohstoffe 2021/2011 werden Richtlinien f��r die Wiederverwertung von Phosphor festgelegt. Phosphor, als eine essenzielle Ressource kann nicht durch andere Elemente substituiert werden und ist unentbehrlich f��r pflanzliches Wachstum. Die Europ��ische Union ist in hohem Ma��e von diesem Stoff abh��ngig, weswegen sich Phosphor bereits 2014 in der zweiten Liste der kritischen Rohstoffe wiederfand. Als Alternative zur Gewinnung von Phosphorit wird die R��ckgewinnung von Phosphor aus Abf��llen und R��ckst��nden untersucht und soll in der industriellen Anwendung forciert werden. Die thermische Behandlung von Kl��rschlamm bietet hier eine vielversprechende Technologie. In Co-Verbrennung und Co-Gaserzeugung des Kl��rschlammes mit biologischen R��ckst��nden wie Sonnenblumenschalen und Weizenstroh soll die Bioverf��gbarkeit der entstehenden Asche erh��ht werden. Aufgrund der leichteren L��slichkeit von Kaliumphosphaten ist die Umwandlung von Ca-Phosphaten zu K-Phosphaten w��hrend der thermischen Behandlung anzustreben. Die Co-Verbrennung von Kl��rschlamm mit biologischen R��ckst��nden mit hohem Kaliumanteil wie Sonnenblumenschalen und Weizenstroh zeigt sich als vielversprechend, da sowohl eine h��here Kaliumkonzentration in den Aschen als auch h��here K-P-Korrelationen detektiert werden k��nnen. Die Bodenasche ist hier die aussichtsreichste Fraktion um als D��ngemittel wiederverwendet werden zu k��nnen. Unter reduzierender Atmosph��re in der Gaserzeugung konnte nicht genug Durchmischung der beiden Brennstoffe festgestellt werden. Das K/Ca-Verh��ltnis ist hier deutlich geringer als in oxidierender Atmosph��re. Kalium scheint hier eher Verbindungen mit Aluminium und Silizium als Feldspat einzugehen., Because of regulations and suggestions by the European Parliament in the European strategy for critical raw materials 2021/2011 phosphorus recovery has gained importance in industrial applications. It was determined that there is no substitute material available to compensate the need of P. The European Union is to a high degree dependent on phosphorus which was already named in the second list of critical resources 2014. A better life cycle plan and recycling measurements are requested for the future. In order to counteract to the negative phosphorus balance in agriculture, technologies for P recovery and recycled P-material are investigated. Thermochemical treatment of sewage waste seems promising for receiving bio-available phosphorus with a low heavy metal content. The formation of different P-compounds depends on the operating conditions and the feed used. Co-combustion of sewage sludge with sunflower husk and wheat straw residues enhances the concentration of potassium and the P-K-correlations in general. K-phosphates seem promising regarding their bioavailability and usage as fertilizer. Especially in the bottom ash fraction positive K-P-correlations were detected for co-combustion. Under gasification conditions, in reducing atmosphere, the formation of feldspar seem to occur to a higher extent and the K/Ca ratio does not seem as promising as under combustion conditions. It is assumed that the blending of the fuel fractions and the conversion of Fe- and Ca-phosphates to K-phosphates progressed unsatisfactorily.

The present work contributes to the advancement of experimental and numerical methods for the evaluation and prediction of heat transfer phenomena in CH4/O2 thrust chambers. With respect to the experimental task, a computationally-efficient inverse heat transfer method is developed and applied to the evaluation of test data for single- and multi-element configurations. This leads to qualitative insights into the injection, heat release and flame-wall interaction phenomena in the chamber. Parallel to that, the extension of a turbulent combustion numerical model is executed to complement the experimental methods. A non-adiabatic flamelet model is adapted to allow for the prediction of exothermic recombination effects close to the cooled chamber walls. Die vorliegende Arbeit trägt zu der Weiterentwicklung von experimentellen und numerischen Methoden für die Auswertung und Vorhersage von CH4/O2 Wärmetransportphänomenen bei. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wird eine rechnereffiziente inverse Wärmetransportmethode entwickelt, welche anschließend bei der Auswertung von Testdaten in Single- und Multi-Element Konfigurationen Anwendung findet. Die Ergebnisse führen zu qualitativen Aussagen über die Einspritzung, Wärmefreisetzung und Flamme-Wandinteraktion in der Kammer. Ergänzend zu den experimentellen Methoden wird die Erweiterung eines numerischen Verbrennungsmodels erarbeitet. Dabei wird ein nicht-adiabates flamelet Model angepasst, um die exothermen Rekombinationsreaktionen in der Nähe der Wand aufzulösen.

In einer zukünftig nachhaltigen Gesellschaft wird Wasserstoff eine bedeutende Rolle als Energieträger spielen. Der Übergangspfad von reinem Erdgas zur Verwendung von Gemischen bis 50 % Wasserstoff muss eingehender untersucht werden. Die in dieser Arbeit durchgeführte Forschung konzentriert sich auf die Sicherheitsaspekte, Schadstoffentwicklung und Stabilitätsfelder von laminaren Flammen. Ein entscheidender Parameter für die Sicherheit von Brenneranlagen ist die laminare Brenngeschwindigkeit. In dieser Arbeit wurden Methan-Wasserstoff-Gemische experimentell vermessen und mit numerischen Daten unter Verwendung verschiedener Reaktionsmechanismen verglichen. Zur hochgenauen Messung der laminaren Brenngeschwindigkeit wurde der Heat Flux Brenner verwendet. In der vorliegenden Untersuchung wurden die laminaren adiabaten Brenngeschwindigkeiten für Methan-Wasserstoff-Sauerstoff-Stickstoff-Gemische bei verschiedenen Äquivalenzverhältnissen und variierten Sauerstoffanteilen untersucht. Die experimentellen Daten bis 20 % Wasserstoff bei reduziertem Sauerstoffgehalt konnten durch zehn ausgewählte detaillierte Reaktionsmechanismen nur teilweise wiedergegeben werden. Weiterführende Messungen befassen sich mit Methan-Wasserstoff-Luft Gemischen bei verschiedenen Äquivalenzverhältnissen, Temperaturen und Wasserstoffgehalten bis zu 50 %. Für diese Parameter wurde anschließend in Abhängigkeit der Höhe über dem Brenner eine Abgasanalyse mit dem Ziel der lokalen Stickstoffoxidkonzentration durchgeführt. Dabei zeigte sich im laminaren adiabaten Zustand eine Verringerung der Stickstoffoxide, insbesondere im brennstoffreichen Bereich. Eine Überlagerung von erhöhter Brenngeschwindigkeit und einhergehender kürzerer Verweilzeit wurde in Wasserstoff-Methan-Flammen im Vergleich zu reinen Methan-Flammen als Ursache ermittelt und numerisch nachvollzogen. Die experimentellen Daten konnten durch ausgewählte Reaktionsmechanismen nur teilweise wiedergegeben werden. Final wurden für vergleichbare Bedingungen an einem Gegenstrombrenner auch nicht vorgemischte Flammen bis zu einem Wasserstoffanteil von 50 % detaillierter untersucht. Dabei lag das Hauptaugenmerk der Ermittlung der Verlöschungsstreckungsgrenzen. Es konnte gezeigt werden, dass sich diese im Fall der Wasserstoffbeimischung deutlich iivergrößern, was auch von den numerischen Modellen vorhergesagt wurde. Im Fall einer Sauerstoffreduktion kommt es hingegen zu einer deutlichen Verkleinerung des stabilen Flammenbereiches. Es konnte gezeigt werden, dass sich dieser Zusammenhang nichtlinear zwischen der Sauerstoff- und Brennstoffkonzentration verhält. Abschließend konnte ein umfassender Datensatz zu laminaren Brenngeschwindigkeiten, Erlöschungsstreckungsraten und Schadstoffen für Methan-Wasserstoff-Flammen bis zu einem Anteil von 50 % Wasserstoff erstellt werden. Dieser dient der Verbesserung bestehender Reaktionsmechanismen und liefert grundlegende Erkenntnisse zur Auslegung von Brennern.:1 Einleitung, Motivation und Aufgabenstellung der Arbeit 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 Versuchsaufbau, verwendete Messmethoden und experimentelle Versuchsdurchführung 4 Numerische Methoden 5 Experimentelle und numerische Ergebnisse zur laminaren Brenngeschwindigkeit 6 Experimentelle und numerische Ergebnisse zur Erlöschungsstreckungsrate 7 Einfluss der Wasserstoffbeimischung in Methan-Flammen auf die Schadstoffbildung 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literatur 10 Anhang In a future sustainable society, hydrogen is expected to play an important role as an energy carrier. The transition path from pure natural gas to the use of mixtures, up to 50 % hydrogen, has to be investigated in more detail. The research that has been conducted focuses on the safety, pollutant emission and the stability areas of laminar flames. A significant parameter for the safety of burner systems is the laminar burning velocity. In this work, methane-hydrogen mixtures were measured experimentally and compared with numerical approaches using different reaction mechanisms. The Heat Flux Burner was used to measure the laminar burning velocity with high accuracy. In the present study, the laminar adiabatic burning velocities for methane-hydrogen-oxygen-nitrogen mixtures at different equivalence ratios and varied oxygen contents was investigated. The experimental data up to 20 % hydrogen at reduced oxygen content could only be partially reproduced by ten selected detailed reaction mechanisms. Further measurements are concerned with methane-hydrogen-air mixtures at different equivalence ratios, temperatures and hydrogen contents up to 50 %. For these parameters, an exhaust gas analysis was carried out as a function of the height above the burner with the aim of nitrogen oxide detections. A reduction in nitrogen oxides in the laminar adiabatic state was observed, especially in the fuel-rich range. A superposition of increased burning velocity and accompanying shorter residence time in the hydrogen-methane mixtures compared to pure methane flames was determined as the cause which could also be shown numerically. The experimental results could only be partially reproduced by selected reaction mechanisms. Furthermore, for comparable conditions, non-premixed flames up to a hydrogen content of 50 % were investigated in more detail. The main focus was the determination of the extinction strain rate limits. It could be shown that these increase significantly in the case of hydrogen admixture, which could also be predicted by the numerical models. In the case of oxygen reduction, on contrary, there is a significant reduction of the stable flame area. It could be demonstrated that this relationship is non-linear between the oxygen and fuel concentration. Finally, a comprehensive data set on laminar burning rates, extinction stretching rates and pollutants for methane-hydrogen flames up to a proportion of 50 % hydrogen could be generated. This can contribute to the improvement of existing reaction mechanisms and provide fundamental knowledge for the design of burners.:1 Einleitung, Motivation und Aufgabenstellung der Arbeit 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 Versuchsaufbau, verwendete Messmethoden und experimentelle Versuchsdurchführung 4 Numerische Methoden 5 Experimentelle und numerische Ergebnisse zur laminaren Brenngeschwindigkeit 6 Experimentelle und numerische Ergebnisse zur Erlöschungsstreckungsrate 7 Einfluss der Wasserstoffbeimischung in Methan-Flammen auf die Schadstoffbildung 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literatur 10 Anhang 在未来的可持续发展社会中，氢气将作为一种能源载体发挥重要作用。从纯天然气到使用高达50 %的氢气混合物的过渡需要进行更详细的科研调查。本论文的研究重点集中于安全角度，污染物的演变以及层流火焰的稳定性领域。作为燃烧系统安全的一个关键参数文章使用层状燃烧率。本文献通过实验测量了甲烷-氢气混合物，并对在不同反应机制的形成的数字数据进行了比较。 热流量燃烧器被用来高精度地测量层状燃烧速度。本研究针对不同当量比和不同氧含量的甲烷-氢-氧-氮混合物进行了层流绝热燃烧速度的分析。在氧气减少的情况下，至20 % 的氢气实验数据只能由10个选定的详细反应机制部分地重现。进一步的测量针对不同当量比、温度和氢含量至50 %的甲烷-氢-空气混合物。然后对这些参数依赖于燃烧器上方的高度，进行了废气分析，目的是确定局部的氮氧化物浓度。结果表明在层状绝热条件下，特别是在燃料丰富的区域，氮氧化物有所减少。与纯甲烷火焰相比，氢-甲烷火焰的高燃烧速度和短暂的停留时间两者叠加被确定为其原因，文章对此并进行了数值重建。实验数据只能被选定的反应机理部分重现。最后，文章在逆流燃烧器上的可比条件下，也对氢气含量至50 %的非预混火焰进行了更详细的研究。研究在此特别进行了熄灭应变率的测定。 结果表明，如同数值模型所预测，在氢气掺入的情况下，以上数值都明显增加。 而在氧气减少的情况下，稳定的火焰面积明显减少。由此可以证明氧气和燃料浓度之间的非线性关系。最后，文章结果可以用于建立一个关于甲烷-氢气 （其氢气比例最高至50 %）火焰的层流燃烧速度、熄灭应变率和污染物的综合数据集。这有助于优化现有的反应机制，并为燃烧器的设计提供基本知识。:1 Einleitung, Motivation und Aufgabenstellung der Arbeit 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 Versuchsaufbau, verwendete Messmethoden und experimentelle Versuchsdurchführung 4 Numerische Methoden 5 Experimentelle und numerische Ergebnisse zur laminaren Brenngeschwindigkeit 6 Experimentelle und numerische Ergebnisse zur Erlöschungsstreckungsrate 7 Einfluss der Wasserstoffbeimischung in Methan-Flammen auf die Schadstoffbildung 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literatur 10 Anhang

Ist der protektive Effekt des Remote Ischemic Conditioning (RIC) auf minderperfundiertes Gewebe auf Verbrennungswunden zu übertragen und welche Rolle spielt Stickstoffmonoxid (NO) dabei? Nach Verbrennung am Ohr der haarlosen Maus wurden in vier randomisierten Gruppen an Tag 0, 1, 3, 7 und 12 mikrozirkulatorische Parameter (Angiogenese, Gefäßdurchmesser, Blutfluss, Ödembildung, Leukozyten-Endothelzell-Interaktion) mittels intravitaler Fluoreszenzmikroskopie bestimmt. Neben der Kontrollgruppe wurde der Einfluss des RIC allein (NaCl) sowie die zusätzliche Wirkung von ISDN (NO-Donator) und L-NAME (NO-Synthase-Hemmer) untersucht. RIC erfolgte nach Medikamentengabe an Tag 0 bis 5 in jeweils drei Zyklen (5 Min. Ischämie, 10 Min. Reperfusion). Blutfluss und Gewebsperfusion waren in den Interventionsgruppen über eine Vasodilatation signifikant gesteigert. Eine verbesserte Angiogenese resultierte hieraus jedoch nicht. Die Ödembildung war in der Kontrollgruppe signifikant geringer ausgeprägt.

Durch die sich verschärfenden Emissionsanforderungen gewinnen Dual-Fuel-Motoren gerade bei Schiffsanwendungen immer mehr an Bedeutung. Im Vergleich zu herkömmlichen Brennverfahren sind die Verbrennungscharakteristiken des DF-Verfahrens noch nicht vollständig verstanden und durch den erhöhten Freiheitsgrad bei der Motorregelung ergibt sich ein hoher Abstimmungs- und Testaufwand. Zur Beherrschung der sich daraus ergebenden Komplexität für die Entwicklung von Motorsteuerungen, ist es erforderlich den Entwicklungsprozess durch geeignete Simulationsmethoden zu unterstützen. Um die entwickelte Software auf den Steuergeräten testen zu können wird eine Hardware-in-the-Loop-Simulation eingesetzt. Diese ermöglicht die entwickelte Software sowohl funktional als auch im Systemverbund ausführlich und automatisiert validieren zu können. Für die Durchführung der Tests mit Hilfe einer HiL-Simulation benötigt es ein entsprechend geeignetes Modell, welches die Systemreaktion durch den Eingriff der Regelungsfunktion bestimmt. Dafür wurde ein echtzeitfähiges, arbeitsspielaufgelöstes, phänomenologisches Verbrennungsmodell der DF-Verbrennung entwickelt und auf einem HiL-Prüfstand implementiert. Das Modell bildet simultan, untergliedert in Teilmodelle, die beiden bei der DF-Verbrennung auftretenden Verbrennungsprozesse ab. Der Schwerpunkt des Verbrennungsmodells liegt auf der qualitativ korrekten Abbildung der bei der Verbrennung auftretenden Phänomene. Hinzu kommt das Einhalten einer harten Echtzeitanforderung des Modells auf der verwendeten Hardware als Vorrausetzung. Die zur Abstimmung des Modelles benötigten Parameter werden mit Hilfe des mathematischen Solvers WORHP identifiziert, welches auf Basis eines SQP-Algorithmus das nichtlineare Optimierungsproblem löst. Dafür werden geeignete Parameter des Modells bestimmt und mit Hilfe von Messdaten identifiziert. Im Anschluss werden die Ergebnisse analysiert und Aussagen über die Abbildungsgenauigkeit des identifizierten Modells getroffen.

In this thesis, a detailed chemical kinetic mechanism is developed to predict the oxidation of ammonia. The main aim is to cover the most important features of ammonia combustion - laminar flame speed, auto-ignition timing, emission formation, speciation in different reactors, and subsequently to study fuel/NOx interaction. Each elementary reaction in the mechanism is carefully reviewed based on several published literature, both experimental and theoretical rate parameters are selected accordingly. A wide range of published experimental data in multi-setup experiments are selected - in freely propagating and burner stabilized premixed flames and in shock tubes and jet-stirred and flow, reactor to assess the performance of the developed mechanism. The reaction mechanism also considers the formation of nitrogen oxides and the reduction of nitrogen oxides depending on the conditions of the surrounding gas phase. The experimental data from the literature are interpreted with the help of the kinetic model developed in this thesis., In dieser Arbeit wurde ein detaillierter Reaktionsmechanismus zur Vorhersage der Ammoniakverbrennung entwickelt. Das Hauptziel bestand darin, die wichtigsten Merkmale der Ammoniakverbrennung zu erfassen, wie laminare Flammengeschwindigkeit, Z��ndverzugszeit, Schadstoffbildung, Speziesbildung in verschiedenen Reaktoren, und anschlie��end die Wechselwirkung zwischen Brennstoff und NOx zu untersuchen. Jede Elementarreaktion im Reaktionsmechanismus wurde sorgf��ltig auf der Grundlage verschiedener ver��ffentlichter Daten ��berpr��ft, und die experimentellen als auch theoretischen Reaktionsgeschwindigkeitsparameter wurden entsprechend ausgew��hlt. Um die Genauigkeit des entwickelten Reaktionsmechanismus zu bewerten, wurde eine breite Palette ver��ffentlichter experimenteller Daten f��r verschiedene Versuchsaufbauten ausgew��hlt, wie sich frei ausbreitende und brennerstabilisierte vorgemischte Flammen, Sto��wellenrohr, strahlger��hrte Reaktoren und Flussreaktoren. Der Reaktionsmechanismus beschreibt auch die Bildung von Stickoxiden und die Reduktion von Stickoxiden in Abh��ngigkeit von den Bedingungen der umgebenden Atmosph��re. Die experimentellen Daten aus der Literatur wurden mit Hilfe des in dieser Arbeit entwickelten kinetischen Modells interpretiert.

Die thermische Verwertung von Abf��llen in Abfallverbrennungskraftwerke gestaltet sich als komplexe Aufgabe, da das vorrangige Ziel die Abfallbehandlung vor dem Ziel der Energiegewinnung steht. Insbesondere die Heterogenit��t des aus verschiedenen Abf��llen bestehenden Brennstoffes stellt vielseitige Anforderungen an den Betrieb. Zur Optimierung der Betriebsfu��hrung von Dampferzeugern in Abfallverbrennungskraftwerken auf Basis der Maximierung des Durchsatzes, der Optimierung der Strom- und W��rmeproduktion sowie der Maximierung der Standzeit der Kraftwerkskomponenten unter Beru��cksichtigung der Emissionsgrenzwerte werden die im Kraftwerk erhobenen Messdaten eingesetzt sowie Bilddaten erhoben. Diese werden aufbereitet und vortrainierten neuronalen Netzen zugefu��hrt, mit dem Ziel verschiedene Materialien zu klassifizieren, um Informationen u��ber die Abfallzusammensetzung und dem Heizwert zu erhalten.