Technische Universität Bergakademie Freiberg: Qucosa
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Development of sustainable performance indicators to assess the benefits of real-time monitoring in mechanised underground mining
Get PDFThis paper presents the development and quantification of a catalogue of Sustainable Performance Indicators (SPIs) for the assessment of the benefits real-time mining can offer in small and complex mechanised underground mining operations. The SPIs investigated in detail include:
‒ grade accuracy and error of the resource model,
‒ high/low grade ore classification accuracy and error,
‒ additional high grade ore identified per unit volume,
‒ profit expected per unit volume,
‒ ore classification accuracy per unit volume assigned to the stockpiles.
A case study utilising the Red Lake gold mine located in Northwestern Ontario, Canada, which is owned by Goldcorp Inc., was designed with the aim to assess the effect of real time sensory data acquisition and resource model update on the SPIs.
The methodology broadly comprises of three steps. Firstly, the provided dataset was used to develop a virtual asset model (VAM) representing the true 3D grade distribution in order to simulate the ‘sublevel cave and fill’ mining method and the associated grade data acquisition from the development drillholes and face monitoring, the development and production muck pile, LHD/scooptram and conveyor belt transport, taking into account the sensor parameters. Next, the acquired data was assimilated into the models developed for the purpose of detailed statistical assessment of the SPIs, thereby enabling optimised decision-making during the production of ore in order to meet the grade requirements. Finally, an evaluation of the sensor performance was carried out using three additional levels of sensor error and interpretation bias (10, 20 and 30%). The three models used for the quantification of the SPIs include:
‒ resource block model (RBM): which represents the 3D grade distribution in the ore body;
‒ grade control model: which enables selective stope production (drilling, charging and blasting) based on the underlying requirements pertaining to e.g. cut-off grade, time and economic constraints; and
‒ logistics model: which classifies the ore grades for conveyance and stockpiling, in order to eventually facilitate for the mixing of run of mine ore to meet the grade requirements before milling at the processing plant.
The improvement of the SPIs when real time monitored data is used in the update of the models has been verified. It is also shown that the noise in the acquired data, which directly reflects both the accuracy and precision of the sensors, has a measurable effect on the values obtained for the SPIs. However, 10 to 20% noise does not appear to reduce significantly the improvements achieved, while 30% noise has a more profound effect on the SPIs and the quality of improvements achieved through real time data assimilation in the models.
The work carried out demonstrates that there is a need for robust sensor technologies that allow for minimum bias in grade estimation and maximum classification accuracy. It is also expected that sensor performance is likely to vary from site to site and possibly within the same ore deposit mined due to local geological conditions (heterogeneity), variations in the underground environment were sensors are installed (affecting sensor performance), the mining method used (affecting the access and availability of real time monitored data) as well as the specifics of the sensor technologies used. Thus, it is suggested that sensor performance needs to be evaluated and quantified for the mine and area considered for sensor installation given the local geological, operational and mining method related characteristics and opportunities for monitoring
Assessment of complex microbial assemblages: description of their diversity and characterisation of individual members: Assessment of complex microbial assemblages: description of their diversity and characterisation of individual members
Get PDF1. Microbial ecology
According to Caumette et al. (2015) the term ecology is derived from the Greek words “oikos” (the house and its operation) and “logos” (the word, knowledge or discourse) and can, therefore, be defined as the scientific field engaged in the “knowledge of the laws governing the house”. This, in extension, results in the simple conclusion that microbial ecology represents the study of the relationship between microorganisms, their co-occurring biota and the prevailing environmental conditions (Caumette et al. 2015).
The term microbial ecology has been in use since the early 1960s (Caumette et al. 2015) and microbial ecologists have made astonishing discoveries since. Microbial life at extremes such as in the hydrothermal vents (see Dubilier et al. 2008 and references therein) or the abundance of picophytoplankton (Waterbury et al. 1979; Chisholm et al. 1988) in the deep and surface waters of the oceans, respectively, are only a few of many highlights. Nevertheless, a microbial ecologist who, after leaving the field early in their career, now intends to return would hardly recognise again their former scientific field. The main reason for this hypothesis is to be found in the advances made to the methodologies employed in the field. Most of these were developed for biomedical research and were subsequently hijacked, sometimes followed by minor modifications, by microbial ecologists.
The Author presents in this thesis scientific findings which, although spanning only a fraction of the era of research into microbial ecology, have been obtained using various modern tools of the trade. These studies were undertaken by the Author during his employment as postdoctoral scientist at Warwick University (UK), as member of staff at Plymouth Marine Laboratory (UK) and as scientist at the TU Bergakademie Freiberg. Although the scientific issues and the environmental habitats investigated by the Author changed due to funding constraints or due to change of work place (i.e. from the marine to the mining environment) the research shared, by and large, a common aim: to further the existing understanding of microbial communities. The methodological approach chosen to achieve this aim employed both isolation followed by the characterisation of microorganisms and culture independent techniques. Both of these strategies utilised again a variety of methods, but techniques in molecular biology represent a common theme. In particular, the polymerase chain reaction (PCR) formed the work horse for much of the research since it has been routinely used for the amplification of a marker gene for strain identification or analysis of the microbial diversity. To achieve this, the amplicons were either directly sequenced by the Sanger approach or analysed via the application of genetic fingerprint techniques or through Sanger sequencing of individual amplicons cloned into a heterologous host. However, the Author did not remain at idle while with these ‘classical’ approaches for the analysis of microbial communities, but utilised the advances made in the development of nucleotide sequence analysis. In particular, the highly parallelised sequencing techniques (e.g. 454 pyrosequencing, Illumina sequencing) offered the chance to obtain both high genetic resolution of the microbial diversity present in a sample and identification of many individuals through sequence comparison with appropriate sequence repositories. Moreover, these next generation sequencing (NGS) techniques also provided a cost-effective opportunity to extent the characterisation of microbial strains to non-clonal cultures and to even complex microbial assemblages (metagenomics).
The work involving the high throughput sequencing techniques has been undertaken in collaboration with Dr Jack Gilbert (PML, lateron at Argonne National Laboratory, USA) and, since at Freiberg, with Dr Anja Poehlein (Goettingen University). These colleagues are thanked for their support with sequence data handling and analyses
Three-dimensional individual and joint inversion of direct current resistivity and electromagnetic data
Get PDFThe objective of our studies is the combination of electromagnetic and direct current (DC) resistivity methods in a joint inversion approach to improve the reconstruction of a given conductivity distribution. We utilize the distinct sensitivity patterns of different methods to enhance the overall resolution power and ensure a more reliable imaging result.
In order to simplify the work with more than one electromagnetic method and establish a flexible and state-of-the-art software basis, we developed new DC resistivity and electromagnetic forward modeling and inversion codes based on finite elements of second order on unstructured grids. The forward operators are verified using analytical solutions and convergence studies before we apply a regularized Gauss-Newton scheme and successfully invert synthetic data sets. Finally, we link both codes with each other in a joint inversion.
In contrast to most widely used joint inversion strategies, where different data sets are combined in a single least-squares problem resulting in a large system of equations, we introduce a sequential approach that cycles through the different methods iteratively. This way, we avoid several difficulties such as the determination of the full set of regularization parameters or a weighting of the distinct data sets. The sequential approach makes use of a smoothness regularization operator which penalizes the deviation of the model parameters from a given reference model. In our sequential strategy, we use the result of the preceding individual inversion scheme as reference model for the following one. We successfully apply this approach to synthetic data sets and show that the combination of at least two methods yields a significantly improved parameter model compared to the individual inversion results.Ziel der vorliegenden Arbeit ist die gemeinsame Inversion (\"joint inversion\") elektromagnetischer und geoelektrischer Daten zur Verbesserung des rekonstruierten Leitfähigkeitsmodells. Dabei nutzen wir die verschiedenartigen Sensitivitäten der Methoden aus, um die Auflösung zu erhöhen und ein zuverlässigeres Ergebnis zu erhalten.
Um die Arbeit mit mehr als einer Methode zu vereinfachen und eine flexible Softwarebasis auf dem neuesten Stand der Forschung zu etablieren, wurden zwei Codes zur Modellierung und Inversion geoelektrischer als auch elektromagnetischer Daten neu entwickelt, die mit finiten Elementen zweiter Ordnung auf unstrukturierten Gittern arbeiten. Die Vorwärtsoperatoren werden mithilfe analytischer Lösungen und Konvergenzstudien verifiziert, bevor wir ein regularisiertes Gauß-Newton-Verfahren zur Inversion synthetischer Datensätze anwenden.
Im Gegensatz zur meistgenutzten \"joint inversion\"-Strategie, bei der verschiedene Daten in einem einzigen Minimierungsproblem kombiniert werden, was in einem großen Gleichungssystem resultiert, stellen wir schließlich einen sequentiellen Ansatz vor, der zyklisch durch die einzelnen Methoden iteriert. So vermeiden wir u.a. eine komplizierte Wichtung der verschiedenen Daten und die Bestimmung aller Regularisierungsparameter in einem Schritt. Der sequentielle Ansatz wird über die Anwendung einer Glättungsregularisierung umgesetzt, bei der die Abweichung der Modellparameter zu einem gegebenen Referenzmodell bestraft wird. Wir nutzen das Ergebnis der vorangegangenen Einzelinversion als Referenzmodell für die folgende Inversion. Der Ansatz wird erfolgreich auf synthetische Datensätze angewendet und wir zeigen, dass die Kombination von mehreren Methoden eine erhebliche Verbesserung des
Inversionsergebnisses im Vergleich zu den Einzelinversionen liefert
Numerical simulation of pulverized coal combustion
Get PDFDie Arbeit befasst sich mit der Flamelet Modellierung für die Verbrennung von Kohlenstaub. Dabei liegt der Fokus sowohl auf der detaillierten Betrachtung der Gasphasenchemie als auch auf der Interaktion der Kohle mit der Gasphase. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Methode für die Simulation großtechnischer Kohlestaubfeuerungen.
Die energetische Umsetzung von Kohle läuft in drei wesentlichen Schritten ab: Verdampfung der Feuchtigkeit, Ausgasung der Kohle (Pyrolyse) und schließlich der Koksabbrand. Da die Struktur der Kohle als fossiler Brennstoff hoch komplex ist, existieren viele prädiktive, rechenaufwändige Modelle zur Beschreibung dieser Prozesse [1–4]. Diese Modelle können nicht direkt in numerischen Strömungssimulationen genutzt werden, dienen aber zur Kalibrierung einfacherer kinetischer Modelle. Diese in der Arbeit angewendete Prozedur wird in [5] beschrieben.
Zur detaillierten Beschreibung des Abbaus der entstehenden höheren Kohlenwasserstoffe werden in der Simulation große Reaktionsmechanismen benötigt. Die Benutzung solcher Mechanismen ist mit großen Rechenzeiten verbunden und daher bleibt deren Anwendbarkeit auf einfache Anwendungsfälle beschränkt. Der Vorteil der Flamelet Modellierung besteht darin, dass unter bestimmten Voraussetzungen der komplette thermo-chemische Zustand, bestehend aus Temperatur, Druck und Zusammensetzung, mit nur wenigen charakterisierenden Kontrollvariablen abgebildet werden kann. Durch Vorgabe und Variation der Kontrollvariablen können diese Zustände mittels kanonischer Flammenkonfigurationen vorberechnet und in sogenannten Flamelettabellen abgespeichert werden. Für das klassische Flamelet / Fortschrittsvariablen Modell [6] wird der thermo-chemische Zustand über Mischungsbruch und Fortschrittsvariablen parametriert, dabei bestimmt der Mischungsbruch den Anteil an Brenn- stoff im Gemisch und die Fortschrittsvariable den Fortschritt der chemischen Reaktion. Die Kontrollvariablen werden in der numerischen Simulation transportiert, an Stelle der Energie- und Speziesgleichungen. Dies stellt für große Mechanismen eine dramatische Reduktion der zu lösenden Gleichungen dar. Der thermo-chemische Zustand ergibt sich per Look-up aus den Flamelettabellen.
Im Zuge der Verbrennung trockener Kohle werden zwei Brennstoffe durch Pyrolyse und Koksabbrand freigesetzt. Für die Flamelet Modellierung bedeutet dies entsprechend je einen Mischungsbruch für Pyrolysegas und Produkte aus dem Koksabbrand. Neben der Fortschrittsvariablen wird ebenfalls die Enthalpie der Gasphase als Kontrollvariable benötigt aufgrund des intensiven Wärmeaustauschs zwischen Kohle und Gasphase. In der Arbeit erfolgt die Vorstellung der benötigten Transportgleichungen sowie die Beschreibung verschiedener Methoden zur Integration nicht-adiabater Zustände in Flamelettabellen. Dabei unterscheiden sich die vorgestellten Tabellierungstrategien hauptsächlich in der betrachteten Verbrennungsart.
IV Erfolgt die Mischung von Brennstoff und Oxidationsmittel erst in der untersuchten Flammenkonfiguration, spricht man von Diffusionsflammenstrukturen; sind beide schon gemischt, so entstehen Vormischflammenstrukturen. Die Detektion solcher Strukturen erfolgt in der Arbeit anhand einer Flammenstrukturanalyse mittels Flammenmarker. Die prinzipielle Übertragbarkeit des Flamelet / Fortschrittsvariablen Modells auf turbulente Kohlestaubfeuerung wurde von Watanabe [7] gezeigt, jedoch ist die Bewertung der eingesetzten Flamelet Modellierung in Grobstruktursimulationen nicht ohne weiteres möglich. Deshalb werden zur Verifizierung der entwickelten Tabellierungstrategie in der Arbeit einfache Flammenkonfigurationen betrachtet, die es erlauben, direkte Chemielösungen mit den Lösungen der tabellierten Chemie zu vergleichen. Für den entsprechenden Vergleich erfolgt die Vorstellung zweier Analysen. Bei der a priori Analyse wird der thermo-chemische Zustand der detaillierten Lösung mit dem tabellierten Zustand verglichen. Für den Look-up werden dabei die Kontrollvariablen der direkten Chemiesimulation benutzt. Die a posteriori Analyse ist der Vergleich einer voll gekoppelten Rechnung unter Benutzung der Tabellierungstrategie mit der zugehörigen detaillierten Rechnung.
Die erste untersuchte Konfiguration stellt eine Gegenstromanordnung mit vorgewärmter Luft und Kohlebeladung dar. Die Hauptergebnisse dieser rein numerischen Studie wurden bereits veröffentlicht [8] und es konnte die erfolgreiche Applikation der vorgestellten Tabellierungstrategie in dieser Anordnung für Tabellen basierend auf Diffusionflammenstrukturen gezeigt werden.
Für die Validierung der detaillierten Rechnungen erfolgt die Nutzung experimenteller Daten [9, 10] für magere Methan-Sauerstoff-Stickstoff Mischungen in Staupunktströmungen. Es zeigt sich, dass diese Konfigurationen stark von den vorgemischten Gasflammen dominiert werden und somit Tabellen basierend auf Vormischflammenstrukturen einzusetzen sind. Die entwickelte Tabellierungsmethode ist in der Lage, auch diese Flammenstrukturen abzubilden.
Abschließend wird numerisch eine Parametervariation hinsichtlich Einlassgeschwindigkeit und Kohlebeladung vorgestellt, um die Robustheit und breite Anwendbarkeit der entwickelten Tabellierungstrategie aufzuzeigen.
Zusammenfassend konnte mittels Flammenstrukturanalyse für jede vorgestellte Konfiguration der zu verwendende Typ der Tabelle bestimmt werden. In den untersuchten Konfigurationen führte deren Anwendung zu einer guten Übereinstimmung mit den detaillierten Rechnungen. Damit legt diese Arbeit den Grundstein für weiterführende Betrachtung zur Simulation großtechnischer Kohlestaubfeuerungen
On the lattice of varieties of almost-idempotent semirings
Get PDFDie Arbeit beschäftigt sich mit fast-idempotenten Halbringen, die eine Verallgemeinerung der idempotenten Halbringe darstellen. Es werden - ausgehend von Halbringen mit zwei Elementen - bis auf isomorphe Bilder sämtliche fast-idempotente Halbringe mit drei Elementen generiert, diejenigen Halbringe, die schon in durch zweielementige Halbringe erzeugten Varietäten liegen, aussortiert und die in den verbleibenden elf Halbringen gültigen Gleichungen charakterisiert. Der Verband L(IA3) der Varietäten generiert durch fast-idempotente Halbringe mit maximal drei Elementen wird mit Hilfe eines Kontexts mit 21 Halbringen als Attribute und 28 trennenden Gleichungen als Objekte vollständig bestimmt und besteht aus 19.901 Varietäten. Im Anschluss richtet sich der Fokus der Arbeit auf den Verband L(IA) der fast-idempotenten Halbringe. In diesem werden insbesondere die Varietät V = [xy = yx, xy = xy+x] und deren Untervarietäten V_k = [x^k = x^(k+1)], k >= 2; untersucht. Für all diese Varietäten wird jeweils eine Konstruktionsmethode für eine abzählbare Kette an Untervarietäten der gegebenen Varietät eingeführt und somit schließlich gezeigt, dass der Verband L(IA) aus mindestens abzählbar unendlich vielen Varietäten besteht
Reinigung und Charakterisierung der Diethylentriaminpenta(methylenphosphonsäure) - DTPMP
Get PDFSynthesebedingt fällt die DTPMP als dunkelbraune, zähflüssige Lösung mit zahlreichen Verunreinigungen an. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung einer hochreinen, festen DTPMP. Hierfür wurden zwei unterschiedliche Reinigungsmethoden untersucht. Durch Umkristallisation und anschließendes Rühren in Ethanol konnte mit 95 % eine höhere Reinheit als bisher veröffentlicht erzielt werden. Eine alternative Reinigungsmethode stellt die Ausfällung als Erdalkali-DTPMP-Salz und anschließende Auflösung in Schwefelsäure und Abtrennung des entstehenden Erdalkalisulfats dar, wobei eine Reinheit > 99 % erzielt wurde.
Zur strukturellen Charakterisierung wurden zahlreiche Kristallisationsexperimente zur Züchtung von Kristallen der DTPMP als Säure und deren Alkali- und Erdalkalisalzen durchgeführt. Weiterhin wurde das thermische Verhalten der DTPMP und deren Salzen charakterisiert. Unter den zahlreichen möglichen Anwendungen der DTPMP wurde beispielhaft die Wirksamkeit auf die Gipskristallisation untersucht
Nasschemische Siliciumbehandlung in Flusssäure-haltigen Lösungen mit den Oxidationsmitteln Wasserstoffperoxid und Ozon
Get PDFDie Siliciumauflösung in Flusssäure-Wasserstoffperoxid- und Flusssäure-Ozon-Lösung ist aufgrund der, aus der Oxidation des Siliciums, formal resultierenden Reaktionsprodukte Wasser und Sauerstoff interessant. Der Auflösungsprozess, speziell die Oxidation des Siliciums / Elektronenlochinjektion ins Siliciumvalenzband, wird – verglichen mit anderen Ätzsystemen für Silicium – massiv kinetisch gehemmt. Ätzprozesse auf Basis dieser Mischungen sind hinsichtlich der geringen bzw. moderaten erzielbaren Siliciumabtragsraten (rSi < 0,02 nm s-1 mit Rissaufweitung in Flusssäure-Wasserstoff-peroxid-Lösungen bzw. rSi < 0,61 nm s-1 mit Oberflächenpolitur in Flusssäure-Ozon-Lösungen) wenig effektiv. Eine Erhöhung der Siliciumabtragsraten gelingt prinzipiell durch die Erhöhung der Konzentrationen siliciumoxidierender Spezies in der Silicium / Elektrolyt-Grenzfläche oder durch Zufügen geeigneter grenzflächenaktiver Elektronenüberträgerspezies. In stark sauren Lösungen wird der Elektronentransfer zusätzlich durch stabilisierende Wasserstoffaustauschprozesse inhibiert. Die Mischungen sind zur Reinigung von Siliciumwaferoberflächen oder feinteiligem Silicium geeignet.:1. Motivation und Problemstellung 5
2. Halbleiterrelevante Eigenschaften von Silicium 9
2.1 Siliciumoberflächen 9
2.2 Silicium als Halbleiter 14
2.3 Silicium in Elektrolyt-Lösungen 17
2.3.1 Silicium / Elektrolyt-Kontakt 17
2.3.2 Silicium in Flusssäurelösungen 20
2.4 Oxidation von Siliciumoberflächen in Elektrolytlösungen 23
2.4.1 Elektronentransfer beim Silicium / Elektrolyt-Kontakt 24
2.4.2 Chemische Oxidation von Silicium 27
3. Siliciumätzverfahren 32
4. Nasschemische Siliciumauflösung in wässrigen Flusssäure-haltigen Lösungen 35
4.1 Elektrochemische Siliciumauflösung 37
4.2 Außenstromlose Siliciumauflösung in sauren Lösungen 41
4.2.1 Stromlose elektrochemische Siliciumauflösung 41
4.2.2 Metall-assistierte Siliciumauflösung 44
4.2.3 Chemische Siliciumauflösung 48
4.2.4 Ausgewählte Abtragsraten zur sauren nasschemischen Siliciumbehandlung 49
4.3 Anisotropie-Effekte bei der nasschemischen Siliciumauflösung 51
5. Silicium in Flusssäure-Wasserstoffperoxid-basierten Ätzlösungen 54
5.1 Silicium in wässrigen Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Lösungen 54
5.1.1 Reaktivitäten wässriger Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Lösungen gegenüber Silicium 55
5.1.2 Formalkinetische Untersuchungen des Ätzprozesses 58
5.1.3 Eigenschaften der Siliciumoberflächen: Morphologie und Bindungssituation 64
5.1.4 Poröses Silicium in wässrigen Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Lösungen (außenstromlos) 66
5.2 Stimulierung des Prozesses der Siliciumauflösung in wässrigen Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Lösungen 71
5.2.1 Auswirkungen ausgewählter „Verunreinigungen“ der Ätzlösungen 73
5.2.2 Stimulierung durch zusätzliche Oxidationsmittel 74
5.2.3 Stimulierung durch potenzielle Elektronenüberträger 80
5.3 Silicium in Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Schwefelsäure-Lösungen 90
5.3.1 Eigenschaften von Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Schwefelsäure-Lösungen 90
5.3.2 Reaktivitäten von Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Schwefelsäure-Lösungen 94
5.3.3 Eigenschaften der erzeugten Siliciumoberflächen 101
5.4 Silicium in Flusssäure-Wasserstoffperoxid-Salzsäure-Lösungen 106
5.5 Oxidation der Siliciumoberfläche in Wasserstoffperoxid-basierten Lösungen 109
5.6 Schlussfolgerungen zur Siliciumauflösung in Flusssäure-Wasserstoffperoxid-basierten Ätzlösungen 113
5.7 Anwendungspotenziale Flusssäure-Wasserstoffperoxid-basierter Ätzlösungen 116
6. Silicium in wässrigen Flusssäure-Ozon-basierten Ätzlösungen 123
6.1 Silicium in Flusssäure-Ozon-Lösungen 129
6.2 Silicium in Flusssäure-Ozon-Schwefelsäure-Lösungen 137
6.3 Silicium in Ozon-durchleiteten Flusssäure-Salzsäure-Lösungen 141
6.4 Oxidation der Siliciumoberfläche in Ozon-haltigen Lösungen 147
6.5 Schlussfolgerungen zur Siliciumauflösung in Flusssäure-Ozon-basierten Ätzlösungen 152
6.6 Anwendungspotenziale Flusssäure-Ozon-basierter Ätzlösungen 158
7. Zusammenfassung 162
8. Experimenteller Teil 166
8.1 Grundlagen 166
8.2 Chemikalien und Siliciumsubstrate 167
8.3 Charakterisierungsmethoden und Geräte 171
8.4 Konzentrationsbestimmungen in wässrigen Lösungen 174
8.5 Ätzlösungen und Abtragsraten 177
8.6 Daten zu den einzelnen Versuchen 180
8.6.1 Flusssäure-Wasserstoffperoxid-haltige Lösungen 180
8.6.2 Flusssäure-Ozon-haltige Lösungen 191
8.6.3 Daten der XPS-Untersuchungen 198
8.6.4 Reinigung von Siliciumsubstraten 208
9. Anhang 211
A Abkürzungsverzeichnis 211
B Literaturverzeichnis 212
C Tabellen / Literaturvergleichswerte 227
E Sonstiges 233
E.1 Eidesstattliche Erklärung 233
E.2 Publikationen 234
E.4 Danksagung 24
Brown coal char CO2-gasification kinetics with respect to the char structure
Get PDFThis research has been performed in the framework of the Virtuhcon project, which intends to virtualize high temperature conversion processes. Coal gasification is one of these processes, which is nowadays considered as a promising technology for the chemical industry. This study is devoted to the coal char physical structure, which is one of the most important parameters influencing coal gasification reaction.
First, this study presents the extensive literature review of the char physical structure role during its conversion. Collection of the char structural properties as well as their changes during char conversion are shown and discussed.
Literature review is followed by the experimental investigations. Chars prepared from two brown coals (Lusatian and Rhenish) were gasified in a laboratory scale fluidized bed reactor in CO2 at temperatures of 800, 850, 900, and 950 °C and atmospheric pressure. Char samples were gasified completely as well as partially in order to evaluate the reaction kinetics and char structural changes during the reaction, respectively. Complete gasification curves were evaluated by different methods, including application of three gasification models (the Random Pore Model, the Volume Reaction Model, and the Shrinking Reaction Model), instantaneous reaction rate approach as well as the self-developed surface-related reaction rate approach. The results of different approaches were compared.
This study also presents a comprehensive methodology to analyze coal char physical structure. The variety of measurement techniques (gas physical adsorption, mercury porosimetry, helium pycnometry, SEM, etc.) were applied to assess structural properties of the char, such as specific surface area, particle density, porosity, pore size and shape, structure morphology, etc. Problems associated with the choice of a proper measurement technique and the comparability of the data delivered by different techniques were discussed.
The main objective of the study was to link char structural changes to the char gasification kinetics. The specific task of this thesis was to investigate pore size in relation to their availability for the reaction. As such, specific surface areas of pores of different sizes (from sub-micro to mesopores) were correlated to the instantaneous reaction rates.
Both chars exhibit similar trends in their structural changes during gasification, although the absolute values differ, especially with respect to the pores of microscale. Furthermore, structural changes were caused not only by the reaction but also by the influence of the heat treatment, especially at the earlier stages of the reaction. The most reasonable correlation has been achieved between the instantaneous reaction rate and the specific surface area of mesopores. Sub-micro- and micropores did not govern the gasification reaction under given conditions.
Finally, kinetic parameters derived from different evaluation methods were reapplied in order to test their ability to predict the experimental data. Each of the method has its advantages and disadvantages as used for the kinetic evaluation.
The results of this study represent a substantive base of the experimentally derived data concerning physical structure and morphology of coal char. The findings can be used in numerical and simulation studies for development, validation, and improvement of the models which consider coal particle as a reactive porous solid
Flamelet/progress variable modelling and flame structure analysis of partially premixed flames
Get PDFThis dissertation addresses the analysis of partially premixed flame configurations and the detection and characterization of their local flame regimes.
First, the identification of flame regimes in experimental data is intensively discussed. Current methods for combustion regime characterization, such as the flame index, rely on 3D gradient information that is not accessible with available experimental techniques. Here, a method is proposed for reaction zone detection and characterization, which can be applied to instantaneous 1D Raman/Rayleigh line measurements of major species and temperature as well as to the results of laminar and turbulent flame simulations, without the need for 3D gradient information. Several derived flame markers, namely the mixture fraction, the heat release rate and the chemical explosive mode, are combined to detect and characterize premixed versus non-premixed reaction zones. The methodology is developed and evaluated using fully resolved simulation data from laminar flames. The fully resolved 1D simulation data are spatially filtered to account for the difference in spatial resolution between the experiment and the simulation, and experimental uncertainty is superimposed onto the filtered numerical results to produce Raman/Rayleigh equivalent data. Then, starting from just the temperature and major species, a constrained homogeneous batch reactor calculation gives an approximation of the full thermochemical state at each sample location. Finally, the chemical explosive mode and the heat release rate are calculated from this approximated state and compared to those calculated directly from the simulation data. After successful validation, the approach is applied to Raman/Rayleigh line measurements from laminar counterflow flames, a mildly turbulent lifted flame and turbulent benchmark cases. The results confirm that the reaction zones can be reliably detected and characterized using experimental data. In contrast to other approaches, the presented methodology circumvents uncertainties arising from the use of limited gradient information and offers an alternative to known reaction zone identification methods.
Second, this work focuses on the flame structure of partially premixed dimethyl ether (DME) flames. DME flames form significant intermediate hydrocarbons in the reaction zone and are classified as the next more complex fuel candidate in research after methane. To simulate DME combustion processes, accurate predictions by computational combustion models are required. To evaluate such models and to identify appropriate flame regimes, numerical simulations are necessary. Therefore, fully resolved simulations of laminar dimethyl ether flames, defined by different levels of premixing, are performed. Further, the qualitative two-dimensional structures of the partially premixed DME flames are discussed and analyses are carried out at selected slices and compared to each other as well as to experimental data. Further, the flamelet/progress variable (FPV) approach is investigated to predict the partially premixed flame structures of the DME flames. In the context of the FPV approach, a rigorous analysis of the underlying manifold is carried out based on the newly developed regime identification approach and an a priori analysis. The most promising flamelet look-up table is chosen for the fully coupled tabulated chemistry simulations and the results are further compared to the fully resolved simulation data
Innovative Monitoring-Verfahren im Nachbergbau: Überblick, Potentiale, Erfahrungen: Innovative Monitoring-Verfahren im Nachbergbau: Überblick, Potentiale, Erfahrungen
Get PDFDer verantwortungsbewusste Umgang mit alt- und nachbergbaulichen Strukturen umfasst den Aufbau und die Entwicklung eines Risikomanagementsystems. Aktuelle Informationen über die Stabilität der bergbaulichen Objekte, ihren Zustand und mögliche Auswirkungen auf die Tagesoberfläche werden durch ein Monitoringprogramm bereitgestellt. Der Beitrag behandelt die Zusammenhänge zwischen den bergbaulichen Elementen/ Objekten, den Ereignissen an der Tagesoberfläche, den zu messenden Parametern und den heute zur Verfügung stehenden Monitoringverfahren. In einem besonderen Fokus stehen alle Verfahren, deren Potentiale als besonders untersuchungswürdig eingestuft werden. Dazu zählen insbesondere die Daten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus.
Die bisher gewonnenen Erfahrungen bei der Verschneidung der radarinterferometrischen, multi- und hyperspektralen Daten u.a. der Sentinel-Satelliten, mit den Ereignissen an altund nachbergbaulichen Elementen werden beschrieben. Neben der Analyse von Bodenbewegungsprozessen kommt den Veränderungen des Bodenwassergehaltes, der Vitalität der Vegetation und der Landnutzung eine besondere Bedeutung zu.The responsible handling of old- and post-mining structures encompasses the installation and the development of a risk management system. Up-to-date information about the mining objects` stability, their condition and possible effects to the ground surface are provided by a monitoring program.
This contribution deals with the contexts between the mining objects, the effects to the ground surface, the parameters to be measured and the currently available monitoring methods.
The methods which are recognized as extraordinary useful, shall be emphasized within this paper. Among these, the data of the European Earth observation program Copernicus are of a special interest.
The to date gained experiences by merging of radar interferometrical, multi- and hyperspectral data with the old- and post-mining elements are being described. Besides the analysis of ground movement processes the variations of soil water, the vegetation’s vitality
and the land use are focussed