Filmreaktorkonzepte und Strategien zur Vermeidung und Entfernung von Kohlenstoffablagerungen bei der Methanpyrolyse

Abstract

Der Weg zu einer klimafreundlicheren Zukunft führt unweigerlich über die Dekarbonisierung der wichtigsten Wirtschaftssektoren Energie, Bausektor, Verkehr, Industrie und Landwirtschaft. Wasserstoff leistet einen großen Beitrag auf diesem Weg, als alternativer Energiespeicher, Energieträger oder Treibstoff. Emissionsfreier Wasserstoff kann unter Nutzung regenerativer Energien via Methanpyrolyse produziert werden. Das Nebenprodukt Kohlenstoff erhöht durch Verkauf die Wirtschaftlichkeit des Prozesses, erzeugt aber auch verfahrenstechnische Herausforderungen. Akkumulation von Kohlenstoff endet unumgänglich mit einer Verblockung des Reaktors. Zur Vermeidung und Entfernung von Kohlenstoffablagerungen wurden verschiedene Reaktorkonzepte studiert. Im Fallfilmreaktor und im rotierenden Filmreaktor wird die Wand durch einen Film flüssigen Metalls vor Ablagerungen geschützt. Beide Reaktoren wurden experimentell, mit Schwerpunkten hinsichtlich der Ausbildung des Films, der Filmdicke und des Verweilzeitverhaltens, untersucht. Mit CFD-Modellen wurden die Pyrolysereaktion in den Reaktoren und die Abtrennung von Kohlenstoffpartikeln beleuchtet. In einem Fallfilmreaktor (L = 3 m, ⌀ = 26 mm) konnten bei 1600 K hohe Umsätze von > 90 % erzielt werden. Der Gleichstrombetrieb wurde als vorteilhaft identifiziert und mehr als 75 % des produzierten Kohlenstoffs konnten über den flüssigen Film abgetrennt werden. Der rotierende Filmreaktor wurde etwas kürzer (1,7 m) und breiter (. = 44 mm) ausgeführt. Umsätze > 83 % wurden bei gleichem formalen Reaktionsvolumen erreicht. Die Abtrennung des Kohlenstoffs wurde durch die Rotation des Reaktors verbessert. Ab Partikelgrößen von 5 µm konnte der Kohlenstoff nahezu vollständig über den Film abgetrennt werden. Neben den Filmreaktorkonzepten, wurden Bildung, Einfluss auf die Reaktion und Entfernung von Kohlenstoff in Rohrreaktoren untersucht. In kinetischen Untersuchungen wurde gezeigt, dass im Reaktor akkumulierender Kohlenstoff die Reaktion beschleunigt. Mit einem Modell aus Gasphasen- und Oberflächenreaktion konnten die Effekte gut beschrieben werden. Zuletzt wurden die Kohlenstoffverblockungen mit einer Pressvorrichtung mechanisch entfernt. Die zur Entfernung notwendige Kraft steigt mit der Kohlenstoffmenge im Reaktor und ist abhängig vom Reaktormaterial.

The path to a more carbon-neutral future inevitably involves decarbonizing the key economic sectors of energy, construction, transport, industry and agriculture. Hydrogen plays a major role on this path, as energy storage, energy carrier or fuel. Zero-emission hydrogen can be produced using renewable energies via methane pyrolysis. The by-product carbon contributes to the economic efficiency of the process, but also creates challenges in process engineering. Accumulation of carbon inevitably ends with clogging of the reactor. Various reactor concepts were studied to prevent and remove carbon deposits. A liquid metal film protects the wall from deposits within the falling film reactor and the rotating film reactor. Both reactors were studied experimentally, focusing on the film formation, film thickness and residence time distribution. CFD models were used to investigate the pyrolysis reaction and the separation of carbon. In a falling film reactor (L = 3 m, ⌀ = 26 mm), high conversions of > 90 % were obtained at 1600 K. Co-current operation was identified as advantageous and more than 75 % of the carbon could be separated via the liquid film. The rotating film reactor was shorter (1.7 m) and wider (. = 44 mm). Conversions > 83 % were achieved in the same formal reaction volume. Carbon separation was improved by rotating the reactor. From particle sizes of 5 µm, almost all the carbon was separated via the film. In addition to the film reactors, formation and removal of carbon in tubular reactors were studied. Kinetic studies showed that carbon accumulating in the reactor accelerates the reaction. Using a model of gas-phase and surface reaction, the effects could be well described. Finally, the carbon aggregates were removed mechanically with a pressing device. The force required for removal increases with the amount of carbon in the reactor and depends on the reactor material.