ISBN 978-3-8439-3348-3

978-3-8439-3348-3, Reihe Verfahrenstechnik

Katharina Großmann
Katalysatordeaktivierung während der partiellen Dampfreformierung von Methan bei niedrigen S/C-Verhältnissen

187 Seiten, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg (2017), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die Dampfreformierung (DR) dient zur Herstellung von Synthesegas und Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen wie Erdgas. Die DR ist eine endotherme Reaktion, weshalb sie auch zur Speicherung von Strom aus fluktuierender Erzeugung eingesetzt werden kann. Im Vergleich mit der industriellen DR können als Power-to-Hydrogen-Speicher mildere Prozessbedingungen angesetzt werden. Thermodynamische Simulationen zeigten, dass in der Speicheranwendung der Wirkungsgrad mit sinkendem Wasseranteil im Feed steigt, während gleichzeitig auch die Gefahr der Kohlenstoffbildung zunimmt.

Der Einfluss sehr niedrigen Wasseranteils wurde experimentell bei Atmosphärendruck untersucht. Außerdem wurde eine 20 kW Anlage mit monotubularen Reaktor ausgelegt und aufgebaut. Messungen in einer kleinskaligen Anlage zeigten charakteristisches Deaktivierungsverhalten für Nickelkatalysatoren: Abflachen des Temperaturprofils, Veränderung der Produktgaszusammensetzung und Anstieg des Druckverlusts über der Schüttung. Parametervariationen machten deutlich, dass hohe Reaktionstemperaturen, niedrige Wassermengen im Feed und Einsatz höherer Kohlenwasserstoffe zu starker C-Bildung und niedrigen Standzeiten führen.

Um die Standzeit zu erhöhen wurden zwei Ansätze untersucht: 1.) Einsatz eines Edelmetallkatalysators und 2.) zyklischer Betrieb, dem Wechsel von Reformierung und Regenerierung. Kurzzeitversuche mit einem Rh-basierten Katalysator wurden durchgeführt; sie zeigten vielversprechende Ergebnisse, da es anders als beim Ni-Katalysator zu keiner offensichtlichen Deaktivierung kam. Für den zyklischen Betrieb wurden verschiedene Vergasungsmittel untersucht. Während O2 nicht nur die C-Ablagerungen, sondern auch Nickel zum inaktiven NiO oxidierte, war H2O das beste nicht-oxidierende Medium.

Die verbrauchten Katalysatoren wurden mittels TPO und REM untersucht. C-Ablagerungen auf den Nickelkatalysatoren waren hauptsächlich filamentöser Natur. Edelmetallkatalysatoren besitzen eine wesentlich niedrigere Löslichkeit für Kohlenstoff, so dass hier kaum Filamente gefunden wurden.

Langzeitversuche wurden im Monotube-Reaktor durchgeführt. Der zyklische Betrieb führte zu einer Verdreifachung der Standzeit. Die Reformierung an Rh wurde nach 120 h ohne beobachtbare Deaktivierung gestoppt. Aus den Messungen wurden Katalysatorverbrauchskosten berechnet. Obwohl Edelmetallkatalysatoren in ihrer Anschaffung etwas teurer sind, lieferten sie höhere Standzeiten und führen dadurch zu niedrigeren Verbrauchskosten.