Hochschule für Technik und Umwelt FHNW

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    Publikation
    Windsichter mit Zyklon
    (Hochschule für Technik FHNW, 27.03.2016) Cvetkovic, Darko; Vogel, Frédéric
    Ausgangslage: Die Themen dieser Bachelor Thesis sind Windsichter und Zyklone. Die Arbeit ist eine Fortsetzung des Projekts P5 „Auslegung eines Zyklons zur Auftrennung von Holzstaub“. Der Auftraggeber dieser Projektarbeit ist Prof. Dr. Frédéric Vogel vom Institut für Biomasse und Ressourceneffizienz der Fachhochschule Nordwestschweiz. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Anlage bestehend aus einem Windsichter und einem Zyklon als Vorzeigeobjekt für den Unterricht zu bauen. Die Anlage soll als Vorzeigeobjekt im Modul Verfahrenstechnik dienen, welches von Prof. Dr. Frédéric Vogel im Bachelor-Studiengang Energie- und Umwelttechnik unterrichtet wird. Vorgehen: Zu Beginn der Arbeit wurde die Auftragsklärung durchgeführt. Es galt herauszufinden wie eine Klassierung von mehreren hundert Kilogramm Holzstaub in wenigen Stunden zu bewerkstelligen und ob dies im Rahmen der Projektarbeit realisierbar ist. Dies wurde aufgrund der resultierenden Anlagegrösse und möglicher Kosten verworfen und der Fokus wurde auf eine Anlage gelegt, welche als Vorzeigeobjekt im Unterricht genutzt werden kann. Nach der Auftragsklärung wurde das Basic Engineering gestartet. Für die Anlage wurde nach passenden Komponenten gesucht. Diese wurden in die Auslegungsberechnungen eingesetzt und mit Hilfe eines 3D-CAD Models wurde die Anlage entwickelt. Daraufhin wurden Offerten eingeholt und eine Budgetabschätzung erstellt, um die Finanzierung des Projektes zu klären. Im Detail Engineering wurde das Model optimiert, Fertigungszeichnungen erstellt und Komponenten bestellt. Nach dieser Phase folgten die Montage, Inbetriebnahme und ein erster Funktionstest. Hauptergebnisse: Die Anlage wurde im Rahmen der Projektarbeit ausgelegt, gebaut, in Betrieb genommen und getestet. Sie steht als Vorzeigeobjekt für den Unterricht zur Verfügung. Der Windsichter, die Rohrleitungen, der Behälter für das Aufgabegut, die Kübel und der Zyklon wurden aus durchsichtigem Kunststoff hergestellt. Dies erlaubt einen Einblick in die einzelnen Trennprozesse der Anlage sowie die Transportprozesse in den Rohrleitungen. Der Ventilator, der Frequenzumrichter und das Manometer sind in der Anlage fest installiert. Über den Frequenzumrichter lassen sich die Drehzahl des Ventilators und so der Luft-Volumenstrom in der Anlage steuern. Für das Aufgabegut im Unterricht wurde Kunststoffgranulat aus Polypropylen gewählt. Ein kleiner Teil des Aufgabeguts wurde geschreddert, um eine Partikelgrössenverteilung im Aufgabegut zu erreichen. Das Aufgabegut ist weich genug, um die Apparate und Rohre nicht zu verkratzen. Der Zyklon kann Partikel mit einem Durchmesser von 5 bis 25 μm abscheiden. Dies in Abhängigkeit der Beladung und des Volumenstroms. Um kleinere Partikel aus dem Luftstrom abzuscheiden, ist ein HEPA-Filter am Luftaustritt des Zyklons installiert worden. Die Luftgeschwindigkeit im Windsichter kann über den Luft-Volumenstrom berechnet werden. Den Luft-Volumenstrom kann man mithilfe der Irisblende bestimmen. Die Anlage ist in einem Gestell aus Aluminium-Profilen aufgebaut und das Gestell steht auf Rollen. Die Anlage ist so konzipiert, dass sie einfach transportiert werden kann und sie passt durch Türen und in einen Warenlift. Ausblick: Als Einsatzzweck für die Anlage sind Laborversuche für die Studierenden denkbar. Die Studierenden könnten Auslegungsrechnungen zu der gegebenen Anlage durchführen, diese mit einem Versuch auf die Probe stellen und die Resultate diskutieren. Es sind auch weitere Projekte möglich, um die Anlage zu verbessern oder zu erweitern. Die Dosiervorrichtung sollte überarbeitet werden. Zudem könnten weitere Messpunkte installiert wer-den. Es gibt Pläne, die Anlage für das Klassieren von kleinen Holzstaubchargen zu benutzen. Basierend darauf, ob sich der Windsichter für diese Aufgabe gut eignet, kann eine grössere Anlage gebaut werden, welche den gewünschten Durchsatz ermöglicht.
    11 - Studentische Arbeit
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    Publikation
    Equation of state and thermodynamic properties for mixtures of H2O,O2, N2, and CO2 from ambient up to 1000 K and 280 MPa
    (Elsevier, 05.03.2019) Mangold, Fabienne; Pilz, Stephan; Bjelic, Sasa; Vogel, Frédéric
    Supercritical water oxidation (SCWO) is an effective technique to treat wet organic wastes. Its modeling requires an accurate calculation of thermodynamic properties. In this work an equation of state (EOS) is proposed which accurately predicts the thermodynamic state of mixtures of water, oxygen, nitrogen, and carbon dioxide for a wide range of compositions, temperatures, and pressures including supercritical conditions. The EOS includes a volume translation, an evolved alpha-function and non-quadratic mixing rules. The introduced parameters are regressed to experimental data. From the pressure-explicit EOS, enthalpy, specific heats at constant volume and constant pressure, and fugacity coefficients are derived and calculated. The binary mixtures H2O/O2, H2O/N2, H2O/CO2, N2/CO2 as well as the ternary mixture H2O/O2/N2 are well predicted by the proposed EOS with relative errors below 10% and 15%, respectively. The region of low temperature and high pressure is most difficult to predict with relative errors up to 20%.
    01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift
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    Publikation
    A prototype system for the hydrothermal oxidation of feces
    (Elsevier, 14.11.2022) Affolter, Joël; Brunner, Thomas; Hagger, Nicola; Vogel, Frédéric
    To ensure access to safe sanitation facilities in rural communities, cheap off-grid technologies need to be developed to substitute pit latrines and open defecation. In this study, we present a prototype system based on hydrothermal oxidation, which, under optimal conditions, converts a fecal sludge simulant almost completely to CO2 and water, leaving behind only a carbon-poor aqueous phase with the minerals. The prototype has been designed to process the feces from two households. This technology does not only enable a fast and complete conversion, but is potentially also very energy efficient, as the feed does not require any pre-treatment or drying. The system was found to effectively remove 97–99% of the total organic carbon within a reaction time of 600 s under an external energy demand of roughly 4 kWh per kilogram of wet feces by using the oxygen in air as an oxidant. A total of ten experiments with varying injection pressure, total solids content of the feed, and residence time in the reactor were performed to find experimental settings with high conversion. Only when the residence time was decreased from 600 to 300 s did the conversion fall significantly below 97%. To reach a target value of 99.9% TOC conversion, the reactor temperature and/or the residence time must be increased further. To achieve a system applicable in regions with no connection to the energy grid, the thermal loss of the reactor insulation needs to be lowered further to achieve an overall thermally self-sustaining operation.
    01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift
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    Publikation
    Hydrothermale Karbonisierung von Klärschlamm und Gülle im Labormassstab
    (Hochschule für Technik FHNW, 18.08.2023) Egolf, Tim; Vogel, Frédéric
    In der Schweiz entspricht das gesamte jährliche, energetische Potential, welches chemisch in Klärschlamm gebunden ist rund 5 PJ. Bei Gülle und Mist sind es knapp 49 PJ. Da Klärschlamm verbrannt werden muss, wird dieser vorab mechanisch entwässert und teilweise noch thermisch getrocknet. Besonders der zweite Schritt der Trocknung benötigt dabei viel Energie, weshalb alternative Möglichkeiten gesucht werden, den Klärschlamm für die Verbrennung aufzubereiten. Auch für überschüssige Gülle, welche nicht zum Düngen auf landwirtschaftlichen Feldern genutzt werden kann, würde sich eine solche Aufbereitung und anschliessende Nutzung als Brennstoff anbieten. Dies wäre besonders auch interessant, wenn in Zukunft durch vermehrtes Nährstoffrecycling einem Teil der Gülle die Funktion als Düngemittel verloren gehen würde. Ein alternatives Verfahren zur Entwässerung nasser Biomasse stellt die hydrothermale Karbonisierung (HTC) dar. In einem Reaktor wird das Substrat typischerweise bei 200 °C und 20 bar Druck innert weniger Stunden in einen braunkohleartigen Festbrennstoff umgewandelt. Dies gelingt, indem hauptsächlich durch Hydrolyse- und Dehydratisierungsreaktionen chemisch gebundenes Wasser und CO2 von der Biomasse abgeschieden werden. Dabei verringert sich die Molekülgrösse, der Kohlenstoffanteil steigt und damit auch der Brennwert. In einer Reihe von HTC-Batchversuchen mit Klärschlamm und Gülle im Labor wurde die Aufkonzentrierung des Trockensubstanzgehalts der Biomasse sowie deren Ansäuerung mit verdünnter Schwefelsäure untersucht. Dafür wurde ein Labordruckreaktor des Modells «kiloclave» von der Firma Büchi AG verwendet. Im Vordergrund der Untersuchungen stand die energetische Nutzung der erhaltenen Karbonisate. Die Ergebnisse wurden wo möglich jeweils mit Resultaten einer kontinuierlich arbeitenden Pilotanlage der Firma Mehli in Chur verglichen. Dabei musste berücksichtigt werden, dass gewisse Parameter wie zum Beispiel der Trockensubstanzgehalt der Ausgangssubstrate, nicht immer bei beiden Systemen identisch waren. Die Ergebnisse zeigten, dass durch die Trockensubstanz-Aufkonzentrierung mehr Energie von der Ausgangs-Biomasse in das Karbonisat überführt werden konnte, da sich besonders auch mehr Feststoffmasse vom Klärschlamm, beziehungsweise der Gülle im Karbonisat wiederfand. Durch eine Ansäuerung der Biomasse liess sich die Massenausbeute hingegen kaum verbessern. Die Brennwerte der Karbonisate waren über alle Versuche hinweg höher als jene der entsprechenden Ausgangssubstrate. Durch die Aufkonzentrierung und die Ansäuerung konnten jedoch nur kleine Steigerungen erreicht werden. Maximal wurde durch die Ansäuerung auf pH 2.0 eine Steigerung von 1.1 MJ/kg für Karbonisat aus Klärschlamm und 0.3 MJ/kg für Karbonisat aus Gülle erzielt. Daraus wurde abgeleitet, dass sich die Trockensubstanz-Aufkonzentrierung zur energetischen Optimierung des HTC-Karbonisats besser eignet als die Ansäuerung. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass sich dadurch auch mehr Organik im Prozesswasser löst und dieses dadurch stärker belastet ist. Es dürfte also auch schwieriger werden, dieses Nebenprodukt für die Einleitung in eine Abwasserreinigungsanlage aufzubereiten. Der Einsatz von Schwefelsäure schien sich zwar für die energetische Optimierung der HTC-Karbonisate nicht zu eignen, jedoch wären hierzu weitere Untersuchungen in Bezug auf die stoffliche Verwertung der Karbonisate interessant. So wurde in einer anderen Studie zum Beispiel eine bessere Löslichkeit von Phosphor in Zusammenhang mit einer Säurezugabe zur Biomasse beobachtet. IV Bei den Verbrennungsversuchen in einem Einzelpelletofen wurde festgestellt, dass der Grenzwert für Stickoxid-Emissionen von Holzfeuerungen mit allen HTC-Karbonisaten deutlich überschritten werden. Der Kohlenstoffmonoxid-Grenzwert wird zwar eingehalten, ist bei den Gülle-Karbonisaten aber um ein Vielfaches höher als bei Holz oder Klärschlamm-Karbonisat. Aus diesen Erkenntnissen lässt sich sagen, dass die untersuchten HTC-Karbonisate nicht für eine herkömmliche Holzfeuerung geeignet sind. Für die Verbrennung sind stickoxidreduzierende Massnahmen nötig wie beispielsweise das Einspritzen von Ammoniak zur Reduktion von NOx zu elementarem Stickstoff. Um die hohen CO-Emissionen bei den Karbonisaten aus Gülle zu senken, könnte zum Beispiel noch eine Abgasrückführung umgesetzt werden, um Kohlenstoffmonoxid in einem zweiten Schritt vollständig zu CO2 zu oxidieren.
    11 - Studentische Arbeit
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    Publikation
    Hydrothermal oxidation of fecal sludge. Experimental investigations and kinetic modeling
    (American Chemical Society, 17.10.2016) Hübner, Tobias; Roth, Markus; Vogel, Frédéric
    Hydrothermal oxidation (HTO) provides an efficient technique to completely destroy wet organic wastes. In this study, HTO was applied to treat fecal sludge at well-defined experimental conditions. Four different kinetic models were adjusted to the obtained data. Among others, a distributed activation energy model (DAEM) was applied. A total of 33 experiments were carried out in an unstirred batch reactor with pressurized air as the oxidant at temperatures of <470 °C, oxygen-to-fuel equivalence ratios between 0 and 1.9, feed concentrations between 3.9 and 9.8 molTOC L−1 (TOC = total organic carbon), and reaction times between 86 and 1572 s. Decomposition of the fecal sludge was monitored by means of the conversion of TOC to CO2 and CO. In the presence of oxygen, ignition of the reaction was observed around 300 °C, followed by further rapid decomposition of the organic material. The TOC was completely decomposed to CO2 within 25 min at 470 °C and an oxygen-to-fuel equivalence ratio of 1.2. CO was formed as an intermediate product, and no other combustible products were found in the gas. At certain reaction conditions, the formation of unwanted coke and tarlike products occurred. The reaction temperature and oxygen-to-fuel equivalence ratio showed a significant influence on TOC conversion, while the initial TOC concentration did not. Conversion of TOC to CO2 could be well described with a first-order rate law and an activation energy of 39 kJ mol−1.
    01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift
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    Publikation
    Holzvergasung von PU-verleimtem Restholz
    (Hochschule für Technik FHNW, 24.06.2024) Oester, Marc; Batu, Shevin; Baumann, Mario; Kamber, Sebastian; Wacker, Gian; Mandaliev, Petar; Dr. Horst Matzke
    Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Verwertung von PU verleimtem Restholz aus der Verarbeitung von Holzprodukten in einem lokalen Holzheizkraftwerk wie der LiPRO Anlage der Flück AG eine vielversprechende und ökologisch sowie ökonomisch sinnvolle Verwertungsmöglichkeit darstellen kann. Das anfallende Restholz unterscheidet sich hinsichtlich der Holzart (hauptsächlich Tanne und Fichte) nicht von naturbelassenen Waldholzhackschnitzeln. Ein Teil des Restholzes enthält Polyurethanleim aus der Verleimung der Holzkomponenten. Bei einer angenommenen Leimfugendicke von durchschnittlich 0.1 mm ergeben sich für die gängigsten Restholzstücke aus dem Abbundbetrieb der Flück AG durchschnittliche Mengen von < 0.6 bis < 11.9 Liter PU-Leim pro Kubikmeter Holz. Eine Vorbehandlung des Holzes bei diesen geringen Mengen PU-Leim zur Entfernung der Leimschicht ist nach heutigem Stand der Technik weder ökologisch noch ökonomisch sinnvoll. Die Auswertung der externen Messungen hat gezeigt, dass bei der Verbrennung und Vergasung von naturbelassenen Holzschnitzeln im Holzheizkraftwerk der Firma Flück AG Emissionswerte resultieren, welche die Vorgaben der LRV deutlich unterschreiten. Für die überwiegende Zahl der Parameter existieren jedoch keine LRV-Grenzwerte für den gemessenen Anlagentyp (siehe Bericht NoxaQuant, Anhang F). Es ist denkbar, dass auch für PU-verleimtes Restholz die Emissionswerte im gesetzlich gegebenen Rahmen bleiben. Dies sollte allerdings für verschiedene Kombinationen von Holzresten überprüft werden.
    11 - Studentische Arbeit
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    Publikation
    Fremdstoffe in biogenen Abfällen
    (Hochschule für Technik FHNW, 24.06.2024) Moser, Lukas; Tschan, Robin; Temperli, Hansjörg; Leber, Michelle; Mandaliev, Petar; Annelies Uebersax, Biomasse Suisse
    Ziel dieser Projektarbeit ist die Hypothese zu prüfen, ob die Verwendung von Compobags einen signifikanten Einfluss auf die Menge und Art der Fremdstoffe hat, sowie eine Aussage zur Qualität des gesammelten Grünguts zu treffen. Der Vergleich zwischen Gemeinden, die Compobags erlauben, und solchen, die sie verbieten, zeigt keine signifikanten Unterschiede. Die erhobenen Daten dieser Projektarbeit weisen keinen Zusammenhang zwischen der Verwendung von Compobags und der Menge von artfremdem Abfall im Grüngut auf. Grundlage dieser Erkenntnisse sind, die von Hand durchsuchten, biogenen Abfälle. Auffällig war, dass in den gesamten 40.4 Tonnen biogenen Abfalls nur zwei Compobags gefunden wurden, die artfremden Abfall enthielten. Dies deutet darauf hin, dass Compobags nicht zur Entsorgung von artfremdem Abfall missbraucht werden. Umgekehrt kann auch nicht festgestellt werden, dass nicht abbaubare Plastiksäcke verwendet werden, um Grüngutabfall zu entsorgen. Ob die verwendeten Plastiksäcke absichtlich, versehentlich oder aus Unwissenheit verwendet wurden, kann dabei nicht gesagt werden. Die biogenen Abfälle wurden auch fotografiert. Ein direkter Vergleich zwischen der Handsortierung und den Fotos kann nicht erstellt werden, weil die Fotos nur eine unbekannte Teilmenge der Handsortierung abbilden. Dennoch ermöglichen die Fotos Rückschlüsse auf die Herkunft des artfremden Abfalls. Es zeigte sich, dass nur wenige, aber stark verschmutzte, Container den Grossteil des artfremden Abfalls und die daraus resultierende Kontaminationsrate ausmachten. Somit hängt ein Grossteil der Verschmutzung nicht mit der Verwendung von Compobags zusammen, sondern ist auf andere Einflussfaktoren zurückzuführen. Die Fotos bestätigten auch die zuvor erstellten Prognosekarten. In Quartieren, für die ein erhöhtes Risiko für artfremden Abfall prognostiziert wurde, wurde tatsächlich ein höherer Anteil an artfremdem Abfall gefunden.
    11 - Studentische Arbeit