Browsing by Author "Gritsch, Achim"

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Wärmeintegrierte Reaktorkonzepte für katalytische Hochtemperatur-Synthesen am Beispiel der dezentralen Dampfreformierung von Methan
(2008) Gritsch, Achim; Eigenberger, Gerhart (Prof. Dr.-Ing.)
Kleinere mobile und dezentrale Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen-Anlagen zur Stromerzeugung aus Wasserstoff stehen zur Zeit im Fokus der Automobil- und Energieindustrie. Die weltweit fortschreitende Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie führt zu einem steigenden Bedarf an hochreinem Wasserstoff aus kompakten und energieeffizienten Synthesegasanlagen. Starke Wärmetransportlimitierungen führen bei der großtechnischen Wasserstoffherstellung durch Reformierung von Kohlenwasserstoffen zu großvolumigen Rohrbündel-Apparaten mit unzureichender Energieeffizienz. Eine intensive Kopplung von endothermer Dampfreformierung und katalytischer Verbrennung in einem Wärmetauscher-Reaktor mit engen, parallelen Kanälen und gleichzeitig effizienter Wärmerückgewinnung aus den heißen Prozessgasen durch Vorwärmung der kalten Einsatzstoffe in Gegenstromwärmetauschern ist ein viel versprechender Ansatz zur Umgehung der großtechnischen Limitierungen. In dieser Arbeit wurde zunächst das Betriebsverhalten und die Leistungsfähigkeit wärmeintegrierter Kompaktreformer in Gegen- und Gleichstrombetrieb systematisch anhand von Simulationsstudien untersucht und bewertet. Die energieeffiziente und kontrollierte Wärmeversorgung der endothermen Reformierungsreaktion erfordert einen Gleichstromreformer mit einer zusätzlichen Brennstoffnacheinspeisung und Wärmerückgewinnung aus den heißen Prozessgasen in zwei separaten Gegenstromwärmetauschern. Das Temperaturniveau im Reformer kann für einen großen Lastbereich über die Verteilung des Brennstoffs auf den Zulauf und eine Nacheinspeisung eingestellt werden. Die Entwicklung eines Prototyp-Reformers erfolgte durch die Kombination detaillierter Simulationsrechungen mit gezielten Experimenten. Die experimentellen Untersuchungen in Modellreaktoren zur Wasserdampfreformierung von Methan, zur Kontrolle der Verbrennung von Methan und Wasserstoff sowie zur Kopplung der beiden Reaktionen bei Gleichstromführung gaben einerseits Aufschluss über die notwendigen Prozessbedingungen und dienten andererseits als Datenbasis für eine zuverlässige, modellbasierte Auslegung und Optimierung des Reformers. Der Prototyp-Reformer wurde für eine Wasserstoffproduktion von 5 Nm³/h ausgelegt, gefertigt und getestet. Der Prototyp kann manuell innerhalb von etwa 35 Minuten von Raumtemperatur bis auf 2/3 der maximalen Wasserstoffproduktion angefahren werden. Die reformiergasseitige Last des autothermen Gleichstromreformers lässt sich durch die flexible Anpassung der Brennstoffmenge stufenlos zwischen 0 und 100% der maximalen Nennleistung einstellen. Dabei bleiben der nahezu vollständige Reaktionsumsatz über den gesamten Lastbereich sowie der hohe energetische Gesamtwirkungsgrad von 80 bis 90% erhalten. Gegenüber konventionellen Reformertechnologien wurde eine ausgezeichnete, volumenspezifische Wasserstoffproduktion von 7 Nm³/h/L erzielt. Das robuste Betriebsverhalten und das schnelle Lastfolgevermögen bei hoher Energieeffizienz kennzeichnen den Prototyp-Reformer. Die sprungförmige Veränderung der reformiergasseitigen Last zwischen 27 und 100% der maximalen Leistung führt bei proportionaler Anpassung der Brennstoff- und Luftmenge zu einer nahezu verzögerungsfreien Einstellung der vorgegebenen Leistung. Das für die Realisierung des Prototyps gewählte Faltapparatekonzept eignet sich insbesondere für die drucklose Reformierung von Erdgas, Biogas oder Bioalkoholen in kleinen bis mittleren Anlagen von 1 bis 50 kW Wasserstoffproduktion.