TY - JOUR A1 - Richter, Jana A1 - Rachow, Fabian A1 - Israel, Johannes A1 - Roth, Norbert A1 - Charlafti, Evgenia A1 - Günther, Vivien A1 - Flege, Jan Ingo A1 - Mauss, Fabian T1 - Reaction mechanism development for methane steam reforming on a Ni/Al2O3 catalyst T1 - Entwicklung eines Reaktionsmechanismus für die Methan-Dampfreformierung an einem Ni/Al2O3-Katalysator N2 - In this work, a reliable kinetic reaction mechanism was revised to accurately reproduce the detailed reaction paths of steam reforming of methane over a Ni/Al2O3 catalyst. A steadystate fixed-bed reactor experiment and a 1D reactor catalyst model were utilized for this task. The distinctive feature of this experiment is the possibility to measure the axially resolved temperature profile of the catalyst bed, which makes the reaction kinetics inside the reactor visible. This allows for understanding the actual influence of the reaction kinetics on the system; while pure gas concentration measurements at the catalytic reactor outlet show near-equilibrium conditions, the inhere presented temperature profile shows that it is insufficient to base a reaction mechanism development on close equilibrium data. The new experimental data allow for achieving much higher quality in the modeling efforts. Additionally, by carefully controlling the available active surface via dilution in the experiment, it was possible to slow down the catalyst conversion rate, which helped during the adjustment of the reaction kinetics. To assess the accuracy of the revised mechanism, a monolith experiment from the literature was simulated. The results show that the fitted reaction mechanism was able to accurately predict the experimental outcomes for various inlet mass flows, temperatures, and steam-to-carbon ratios. N2 - In dieser Arbeit wurde ein zuverlässiger kinetischer Reaktionsmechanismus überarbeitet, um die detaillierten Reaktionswege der Dampfreformierung von Methan über einem Ni/Al2O3-Katalysator genau zu reproduzieren. Dazu wurden ein stationäres Festbettreaktorexperiment und ein 1D-Reaktor Katalysatormodell verwendet. Die Besonderheit dieses Experiments ist die Möglichkeit das axial aufgelöste Temperaturprofil des Katalysatorbetts zu messen, wodurch die Reaktionskinetik im Reaktor sichtbar wird. Dies ermöglicht es den tatsächlichen Einfluss der Reaktionskinetik auf das System zu verstehen. Während Messungen der reinen Gaskonzentration am Ausgang des katalytischen Reaktors Bedingungen nahe am Gleichgewicht zeigen, zeigt das hier dargestellte Temperaturprofil, dass es nicht ausreicht, die Entwicklung eines Reaktionsmechanismus auf Daten nahe am Gleichgewicht zu stützen. Die neuen experimentellen Daten ermöglichen es, eine wesentlich höhere Qualität bei der Modellierung zu erreichen. Durch eine sorgfältige Kontrolle der verfügbaren aktiven Oberfläche mittels Verdünnung im Experiment war es außerdem möglich, die Katalysatorumsatzrate zu verlangsamen, was bei der Anpassung der Reaktionskinetik hilfreich war. Um die Genauigkeit des überarbeiteten Mechanismus zu bewerten, wurde auch ein Monolith-Experiment aus der Literatur simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass der angepasste Reaktionsmechanismus in der Lage war, die experimentellen Ergebnisse für verschiedene Einlassmassenströme, Temperaturen und Dampf-Kohlenstoff-Verhältnisse genau vorherzusagen. KW - 1D modeling KW - Reaction rates KW - Methane steam reforming KW - Fixed-bed reactor experiments KW - Nickel catalyst KW - 1D-Modellierung KW - Reaktionsgeschwindigkeiten KW - Methan-Dampfreformierung KW - Festbettreaktor-Experimente KW - Nickel-Katalysator KW - Katalysator KW - Reaktionsmechanismus KW - Festbettreaktor KW - Steamreforming KW - Reaktionsgeschwindigkeit Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.3390/catal13050884 ER - TY - THES A1 - Israel, Johannes T1 - Sabatierbasierte autothermale katalytische Rauchgasmethanisierung im Technikumsmaßstab und Rückverstromung im BHKW T1 - Sabatier based autothermal catalytic methanation of flue gas in scale of a demonstration plant and reconversion in a CHP N2 - Es konnte gezeigt werden, dass die direkte Methanisierung des Kohlenstoffanteils aus Rauchgas auf Grundlage der Sabatier-Reaktion im Rahmen des Power-to-Gas Ansatzes unter realen Bedingungen im Technikumsmaßstab möglich ist. Es wurde ein Durchsatz von knapp 235 kg/d CO2 bei einer Gesamtraumgeschwindigkeit der Eduktgase von ca. 1500 h-1, was einem Durchfluss von 45 Nm³/h bei einem Reaktorvolumen von 30 dm³ entspricht, erreicht. Dabei wurde das Kohlenstoffdioxid direkt, ohne weitere Aufarbeitung des Rauchgases, mit mindestens 60% Umsatz katalytisch zu Methan reduziert. Dafür wurde ein Katalysator auf Nickelbasis verwendet. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass für eine autotherme Betriebsweise der Methanisierung von Rauchgas der Sauerstoffanteil im Rauchgas eine notwendige Voraussetzung darstellt. Es hat sich dabei herausgestellt, dass das vorliegende Intervall von 4 - 6 Vol % Sauerstoffanteil im Rauchgas aus konventionellen Braunkohlekraftwerken genau in dem notwendigen Bereich liegt, der für eine ausgeglichene Wärmebilanz sorgt. Die bei der Wasserstoff-Sauerstoffreaktion zusätzlich frei werdende Wärme gleicht den kühlenden Effekt des mitgetragenen Stickstoffes genau aus, wodurch die für die Sabatier-Reaktion benötigte Temperatur von mindestens 300 °C aufrechterhalten werden kann. Ohne den Sauerstoff könnte die Methanisierung nicht autotherm betrieben werden. Zudem ist die Reaktion selbstregulierend, die Reaktionstemperatur läuft auf einen oberen Grenzwert von etwa 600 °C hinaus, wodurch Umsätze von 60% nicht unterschritten werden. Bei niedrigeren Temperaturen von ca. 400 °C konnten auch Ergebnisse von über 90% CO2 Umsatz im Rauchgas erreicht werden. Diese Ergebnisse konnten sowohl unter Laborbedingungen, d.h. mit aus technischen Gasen synthetisch hergestelltem Rauchgas, gemessen werden, als auch mit realem Rauchgas direkt am Kraftwerk vor Ort reproduziert werden. Das bei der Rauchgasmethanisierung entstehende Produktgas weist eine Energiedichte von ca. 5 MJ/Nm³ auf, womit es zu den Schwachgasen gezählt wird. Hier konnte der Nachweis erbracht werden, dass eine Nutzung des Produktgases in einem Rückverstromungskonzept mittels eines dezentralen Blockheizkraftwerkes, welches mit einem herkömmlichen Wankelmotor betrieben wird, möglich ist. Das "Proof of Principle" für einen geschlossenen CO2 Kreislauf unter realen Bedingungen mittels der Sabatier Reaktion wurde somit erbracht und lädt dazu ein, diesen Weg weiter zu verfolgen. N2 - It is shown, that the direct methanation of the carbon content of flue gas is possible. This was done on the basis of the Sabatier reaction and under real circumstances in a pilot plant scale. At the reactant gases hourly space velocity of approximately 1500 h-1 an output of just under 235 kg/d CO2 was reached, which corresponds to a flow-rate of 45 Nm³/h at a reactor volume of 30 dm³. Without further reprocessing of the flue gas, the carbon dioxide was directly reduced to methane via catalysis, which resulted in a conversion rate of at least 60%. A nickel based catalyst was used. Furthermore, it appeared that the flue gases oxygen content is a necessary precondition for the methanations autothermic mode of operation. Thereby the present interval of 4 - 6 vol% oxygen content of flue gas from conventional lignite power plants turned out to lie exactly in the necessary range to provide an even thermal balance. Since the additionally released heat from the hydrogen-oxygen reaction just compensates for the cooling effect of the present nitrogen, the Sabatier reaction's required temperature of at least 300 °C can be maintained. Without that oxygen the methanation could not be run autothermally. Additionally, the reaction is self-regulating. The reaction temperature results in a maximum limit value of approximately 600 °C, whereby conversion rates do not fall below 60%. At lower temperatures of about 400 °C, results of over 90% CO2 conversion from flue gas could be reached. These results could be measured under laboratory conditions, i.e. with synthetically produced flue gases mixed from industrial gases, and were reproduced with real flue gas directly from the power plant. The resulting gas from the flue gas methanation exhibits an energy density of approximately 5 MJ/Nm³, which ranks it among the lean gases. Here it could be proven that a reconversion of the produced gas into electricity is possible using a local block-type thermal power station, run with a conventional Wankel rotary engine. Thus the 'Proof of Principle' was provided for a closed CO2 circle under real conditions by means of the Sabatier reaction, which is an invitation to further pursue this path. KW - Sabatier KW - Methanisierung KW - Energiespeicher KW - Rauchgas KW - Kohlendioxid KW - Blockheizkraftwerk KW - Wasserstoff KW - BHKW KW - CCU KW - CHP KW - Energy storage KW - Carbon dioxid KW - Methanation KW - Flue gas KW - Sabatier KW - Hydrogen KW - CCU KW - Power-to-Gas KW - Combines heat and power plant KW - Rauchgasreinigung KW - Kohlendioxidemission KW - Methanisierung KW - Blockheizkraftwerk Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-41467 ER -