Skip to main content
Article thumbnail
Location of Repository

Sabatier based autothermal catalytic methanation of flue gas in scale of a demonstration plant and reconversion in a CHP

By Johannes Israel

Abstract

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.\ud 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. \ud 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.\ud 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. \ud 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.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. \ud 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. \ud 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. \ud 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. \ud 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

Topics: Rauchgasreinigung, Kohlendioxidemission, Methanisierung, Blockheizkraftwerk, ddc:530
Year: 2017
OAI identifier: oai:kobv.de-opus4-btu:4146

Suggested articles


To submit an update or takedown request for this paper, please submit an Update/Correction/Removal Request.