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Modelling of Landfill Gas Adsorption with Bottom Ash for Utilization of Renewable Energy

Miao, Chen

Energy crisis, environment pollution and climate change are the serious challenges to people worldwide. In the 21st century, human being is trend to research new technology of renewable energy, so as to slow down global warming and develop society in an environmentally sustainable method. Landfill gas, produced by biodegradable municipal solid waste in landfill, is a renewable energy source. In this work, landfill gas utilization for energy generation is introduced. Landfill gas is able to produce hydrogen by steam reforming reactions. There is a steam reformer equipment in the fuel cells system. A sewage plant of Cologne in Germany has run the Phosphoric Acid Fuel Cells power station with biogas for more than 50,000 hours successfully. Landfill gas thus may be used as fuel for electricity generation via fuel cells system. For the purpose of explaining the possibility of landfill gas utilization via fuel cells, the thermodynamics of landfill gas steam reforming are discussed by simulations. In practice, the methane-riched gas can be obtained by landfill gas purification and upgrading.
This work investigates a new method for upgrading-landfill gas adsorption with bottom ash experimentally. Bottom ash is a by-product of municipal solid waste incineration, some of its physical and chemical properties are analysed in this work. The landfill gas adsorption experimental data show bottom ash can be used as a potential adsorbent for landfill gas adsorption to remove CO2. In addition, the alkalinity of bottom ash eluate can be reduced in these adsorption processes. Therefore, the interactions between landfill gas and bottom ash can be explained by series reactions accordingly.
Furthermore, a conceptual model involving landfill gas adsorption with bottom ash is developed. In this thesis, the parameters of landfill gas adsorption equilibrium equations can be obtained by fitting experimental data. On the other hand, these functions can be deduced with theoretical approach. In this thesis, both of them are discussed respectively. Additionally, the diffusion phenomena of landfill gas mixtures can be expressed by Maxwell-Stefan equations and Fick’s law. According to the relation between Maxwell-Stefan equations and Fick’s law, the diffusion coefficients of landfill gas mixtures can be estimated in theory.
The major part of this model is based on the theory of mass transfer through porous media. In which, mass balance, momentum balance and constitutive relations among multi-phase are employed for modeling. Landfill gas adsorption processes in two-dimension porous media can be thus simulated with application of this model.

Energiekrise, Umweltverschmutzung und Klimawandel sind die großen globalen Herausforderungen. Im 21. Jahrhundert ist die Entwicklung von neuen Technologien in Bereich der erneuerbaren Energien im Fokus der Forschung, um die Klimaerwärmung zu vermindern und die Entwicklung der Gesellschaft in eine ökologisch nachhaltige Richtung zu bringen.
Deponiegas, welches von biologisch abbaubaren Siedlungsabfällen auf Deponien erzeugt wird, ist eine erneuerbare Energiequelle. In dieser Arbeit wird in das Themenfeld der Deponiegasnutzung für die Energieerzeugung eingeführt. Durch Dampfreformierung kann aus Deponiegas Wasserstoff erzeugt werden. Hierfür ist ein Reformer in das Brennstoffzellen-System integriert. Eine Kläranlage in Köln nutzt ein Phosphorsäure-Brennstoffzellen-Kraftwerk mit Biogas bereits seit mehr als 50.000 Stunden erfolgreich. Deponiegas kann daher als Brennstoff für die Stromerzeugung mittels eines Brennstoffzellen-Systems verwendet werden. Zur Beschreibung der Möglichkeit zur Nutzung von Deponiegas in Brennstoffzellen werden die Thermodynamik von Deponiegas und der Dampfreformierung unter Zuhilfenahme von Simulationen diskutiert.
In der Praxis kann methanreicheres Gas durch Deponiegasreinigung und -abtrennung erreicht werden. Diese Arbeit untersucht eine neue Methode um Deponiegas mittels Adsorption mit Rostasche bzw. Schlacke experimentell zu einem höheren Methangehalt zu bringen. Diese Schlacke ist das Restprodukt kommunaler Müllverbrennungsanlagen. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften werden in dieser Arbeit beschrieben und analysiert. Die Adsorptionsversuche mit Deponiegas zeigen, dass Schlacke als potenzieller Absorber für Deponiegas verwendet werden kann, um CO2 zu entfernen. Darüber hinaus kann die Alkalität des Schlacke-Eluats mit diesem Adsorptionsverfahren reduziert werden. Weiterhin werden die Interaktionen und die unterschiedlichen Reaktionen zwischen Deponiegas und Kesselasche entsprechend erklärt.
Darüber hinaus wird ein Simulationsmodell zur Deponiegasadsorption mit Schlacke entwickelt. Hierzu werden die Parameter von Deponiegas, dem Adsorptionsgleichgewicht und deren Gleichungen durch experimentelle Daten verifiziert. Außerdem werden theoretische Funktionen genutzt um den Simulationsansatz abzuleiten. In dieser Arbeit werden beide Ansätze diskutiert. Zusätzlich werden die Diffusionsvorgänge von Deponiegasmischungen von Maxwell-Gleichungen und Stefan Fick-Gesetz ausgedrückt. Die Beziehung zwischen Maxwell-Gleichungen und den Stefan Fick-Gesetz ermöglicht eine theoretische Abschätzung der Diffusionskoeffizienten von Deponiegasmischungen. Maßgebend basiert dieses Modells auf der Theorie der porösen Medien. Hierbei werden Massenbilanz, Impulsbilanz und konstitutive Beziehungen in einem Multi-Phasen-Modellierung eingesetzt. Das Deponiegasadsorptionsverfahren mittels Schlacken wird in einem zweidimensionalen Modell der porösen Medien implementiert und anschließend simuliert.

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Miao, Chen: Modelling of Landfill Gas Adsorption with Bottom Ash for Utilization of Renewable Energy. 2011.

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