Scientific study of the heat supply of a natural gas steam reformer

Die Wärmeversorgung eines Erdgas-Dampf-Reformers, der innerhalb eines Brennstoffzellen-heizgerätes (BZH) für die Wasserstofferzeugung eingesetzt werden soll, erfolgt in der Regel durch einen Gas-Brenner, der zusammen mit den Komponenten Luftversorgung, Sensorik und Regelung das Brennersystem darstellt. In dieser Arbeit wurden Brennersysteme unter den speziellen Betriebsbedingungen in einem Dampf-Reformer untersucht. Die generelle Tauglichkeit unterschiedlicher Brennerkonzepte, die Emission von Schadstoffen und der Einfluss der Betriebsweise des Brennersystems auf die Dampf-Reformierung waren Gegenstand der theoretischen und experimentellen Betrachtungen. Es wurde ein thermodynamisches Modell eines BZH aufgebaut, wodurch die speziellen Betriebsparameter für das Brennersystem systematisch erarbeitet werden konnte. Es wurde deutlich, dass neben der kleinen Nennleistung von ca. 3 kW die Leistungsmodulierbarkeit und eine stark variierende Brenngaszusammensetzung, die während des Betriebs z.B. durch die Schwankungsbreite des Heizwertes von Hi = 6 MJ/m3 bis ca. 36 MJ/m3 deutlich wird, hohe Anforderungen an alle Komponenten des Brennersystems stellen. Anhand des ermittelten Anforderungsprofils erfolgte eine verfahrenstechnische und konstruktive Entwicklung von zwei Brenner-Funktionsmustern denen die Konzepte Flammenbrenner einerseits und Metallfaser-Flächenbrenner andererseits zu Grunde liegen. Für beide Brenner wurde sowohl in einer Modellbrennkammer als auch in einem Erdgas-Dampf-Reformer ein systematischer Vergleich durchgeführt. Als wesentliche Ergebnisgrößen können die Schadstoffemissionen sowie die Temperaturverteilung in der Reformer-Brennkammer und die resultierende Reformatgasqualität herangezogen werden. Es hat sich z.B. gezeigt, dass ein Zielkonflikt zwischen energetisch optimalem Betrieb einerseits und niedrigen Schadstoff-Emissionen andererseits besteht. In weiteren Arbeitsschritten wurden Komponenten zur Luftversorgung, zur Flammenüberwachung und zur Regelung des Brennersystems unter den speziellen Anforderungen experimentell qualifiziert. Ausgewählte Komponenten wurden zu einem neuartigen Brennersystem zusammengeführt und schließlich im Dampf-Reformer unter realen Bedingungen betrieben. Die Entwicklung und Erprobung eines Regelungskonzeptes, das durch die Verwendung einer λ-Sonde den Betriebszustand des Brenners unabhängig von der geforderten Leistung und der vorliegenden Brenngaszusammensetzung detektieren und eine entsprechende Luftmenge zur Einhaltung geringer Emissionen einstellen kann, rundet die Arbeit ab

System Simulation and Analysis of an LNG-Fueled SOFC System Using Additively Manufactured High Temperature Heat Exchangers

A laboratory-scale solid oxide fuel cell (SOFC) system using liquefied natural gas (LNG) as a fuel is designed to be used as an energy converter on seagoing vessels (MultiSchIBZ project). The presented system design phase is supported by thermodynamic system simulation. As heat integration plays a crucial role with regard to fuel recirculation and endothermic pre-reforming, the heat exchanger and pre-reforming component models need to exhibit a high degree of accuracy throughout the entire operating range. Compact additively manufactured tube-bundle and plate-fin heat exchangers are designed to achieve high heat exchange efficiencies at low pressure losses. Their heat transfer correlations are derived from experimental component tests under operating conditions. A simulation study utilizing these heat exchanger characteristics is carried out for four configuration variants of pre-reforming and heat integration. Their system behaviour is analyzed with regard to the degree of pre-reforming and the outlet temperature of the fuel processing module. The combination of allothermal pre-reforming with additively manufactured plate-fin heat exchangers exhibits the best heat integration performance at nominal full load and yields a partial load capability to up to 60% electrical load at net electrical efficiencies of 58 to 60% (LHV). © 2022 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland