Aktenzeichen | 35483/01 |
Abschlussbericht: | |
Projektträger: | Universität Stuttgart
Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK)
Lehrstuhl Thermische Kraftwerkstechnik
Pfaffenwaldring 23 70569 Stuttgart weitere Projekte aus der Umgebung |
Telefon: | +49 711 685-68913 |
Internet: | - |
Bundesland: | Baden-Württemberg |
Beschreibung: | Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Angesichts der Bedeutung und des weit verbreiteten Einsatzes von Katalysatoren zur Emissionsminderung, z. B. bei der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von Stickoxiden (NOx), zielt dieses Projekt darauf ab, den Ressourcenverbrauch bei der Herstellung von Katalysatoren sowohl in Bezug auf Material als auch auf Energie durch ein innovatives Verfahren zur Herstellung katalytisch aktiver Oberflächen mittels Mikrowellentechnologie zu reduzieren. Für eine homogene Beschichtung von geeigneten porösen Trägermaterialien soll ein angepasstes Mikrowellensystem mit einem rotierenden Beschichtungsreaktor entwickelt und erprobt werden. Im Rahmen des Projekts sollen verschiedene katalytische Materialien hergestellt und die katalytische Aktivität unter Laborbedingungen getestet und bewertet werden. Zusätzlich soll ein Mikroskop-Kamerasystem mit Stacking- Technologie eingesetzt werden um die aktiven Oberflächen zu visualisieren und eine vorläufige Bewertung der Beschichtungsqualität vorzunehmen. Abschließend soll die Stabilität, Regenerationsfähigkeit und Wiederverwertbarkeit der hergestellten Katalysatoren aufgezeigt werden. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenGemeinsam mit dem Projektpartner MLS GmbH wurde ein Mikrowellensystem für die Beschichtung und Aktivierung (Kalzinierung) entwickelt. Das System wurde nachfolgend für die Beschichtung von verschiedenen SCR-Katalysatoren eingesetzt. Hierfür wurden unterschiedliche keramischer Trägermaterialien mit verschiedenen Lösungen und unter Variation der Prozessparameter beschichtet. Mit dem entwickelten Beschichtungsverfahren wurden Katalysatoren auf der Basis von Vanadium, Mangan, Eisen und Kupfer hergestellt und in einem erweiterten Laborprüfstand getestet. Hierfür wurden zwei Arten von Trägermaterialien ausgewählt: Aluminiumoxid und Titandioxid. Nachdem eine geeignete Metall-Träger-Kombination gefunden wurde, wurden weitere Katalysatorzusammensetzungen sowie binäre Metalloxidkatalysatoren hergestellt und erprobt. Zusätzlich wurde die thermische Aktivierung der beschichteten Katalysatoren neben einer konventionellen Kalzinierung im Hochtemperaturofen mit Mikrowellenenergie erprobt. Für die Beständigkeit der Katalysatoren wurden die typischen Störgase Wasserdampf und Schwefeldioxid (SO2) zugegeben und der Einfluss auf die Katalysatoraktivität aufgezeigt. Ergebnisse und Diskussion Für die Herstellung von Katalysatoren durch mikrowellengestützte Nassimprägnation wurde zusammen mit der MLS GmbH ein spezieller rotierender Reaktor entwickelt und in ein angepasstes Mikrowellensystem (Modell ETHOS X®) eingebaut. Für die Herstellung von SCR-DeNOx-Katalysatoren mit Vanadium als aktive Komponente wurden verschiedene Träger aus Aluminiumoxid und Titandioxid verwendet. Für Vanadium erwiesen sich Lösungen mit Oxalsäure für die Herstellung des aktiven Metallvorläufers als geeignet, ohne dass das Trägermaterial während des Beschichtungsprozesses beschädigt wurde. Verschiedene Katalysatoren mit aktiven Zentren basierend auf Vanadium, Eisen, Kupfer und Mangan wurden im Mikrowellensystem hergestellt und die Aktivität für die DeNOx SCR-Reaktion an einem angepassten Laboraufbau getestet. Die Katalysatoren erwiesen sich überwiegend als katalytisch aktiv, wobei mit Manganoxid auf Aluminiumoxid-Pellets mit einer NO-Umsetzrate von über 90 % bei 300 °C die höchste Aktivität erreicht werden konnte. Anschließend wurden binäre Metallsysteme getestet. Mit der Zugabe von Eisen konnte die Aktivität und der Umsatz des Mangan-Aluminiumoxid-Systems leicht erhöht und gleichzeitig die Betriebstemperatur abgesenkt werden. Abschließend wurde ein Langzeitstabilitätstest mit einem Mangan-Eisen-Katalysator (Mn-Fe/Al2O3) durchgeführt. Dieser ergab nach 130 Stunden Dauerbetrieb keinen nachweisbaren Aktivitätsverlust. Zusätzlich wurde die Beständigkeit gegen typische in Rauchgasen vorkommende Katalysatorgifte, Wasserdampf und Schwefeldioxid (SO2), bewertet. In Anwesenheit von Wasserdampf wurde eine Verringerung des Umsatzes um ca. 25 % festgestellt, allerdings ohne irreversible Deaktivierung. Der Einfluss von SO2 auf die Katalysatoraktivität sowie eine möglichen Deaktivierung konnte nicht eindeutig aufgezeigt werden und bedarf weiteren Untersuchungen sowie Anpassungen am Versuchsaufbau. Diese sollen im Anschluss des Projektes noch detaillierter durchgeführt werden. Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation Aufgrund der Kontaktbeschränkungen im Zuge der pandemischen Lage mit dem COVID-Virus wurden die die für Rauchgasreinigung und Emissionsminderung relevanten typischen Konferenzen ausgesetzt, verschoben oder abgesagt. Es wird davon ausgegangen, dass im kommenden Jahr 2022 wieder verstärkt Konferenzen stattfinden und die Projektergebnisse einem breiten Publikum vorgestellt werden können. Darüber hinaus ist mit dem Erstellen einer Veröffentlichung in einem internationalen Fachjournal begonnen worden. Die Veröffentlichung soll im ersten Halbjahr 2022 erfolgen. Fazit Für eine ressourcenschonende und homogene Beschichtung von Katalysatoren konnte ein rotierender Mikrowellenreaktor entwickelt und erprobt werden. Es konnte experimentell nachgewiesen werden, dass ein Energieeintrag mit Mikrowellen eine schnellere Erwärmung ermöglicht, geringere Energieverluste verursacht und zu einer homogeneren Energieverteilung führt. Das Mikrowellensystem wurde erfolgreich erprobt, indem verschiedene Katalysatoren mit Aluminium- und Titanoxid als Träger und Vanadiumoxid als aktive Phase hergestellt wurden. Hierbei wurden verschiedene Beschichtungsversuche mit verschiedenen Reagenzien und in verschiedenen Konzentrationen zur Herstellung einer Vanadiumlösung verwendet. Nach der erfolgreichen Erprobung des Herstellungsverfahrens und Optimierung des Temperaturprogramms des neuen Mikrowellenreaktors wurden SCR-Katalysatoren aus Mangan, Eisen und Kupfer erfolgreich hergestellt und unter Laborbedingungen erprobt. Die Bewertung der katalytischen Aktivität dieser Katalysatoren ergab, dass die Katalysatoren auf Basis von Mangan die besten Ergebnisse im Vergleich mit einem konventionellen Vanadiumoxid-Katalysator als Referenz zeigten. Außerdem erwies sich Aluminiumoxid aufgrund seiner porösen Oberflächenstruktur und den chemischen Eigenschaften und der großen Verfügbarkeit in der Natur als das geeignetste Trägermaterial. Die Beständigkeit gegenüber typischer im Rauchgas vorkommende Katalysatorgifte sowie die Regenerierbarkeit der entwickelten Katalysatoren wurde durch Beaufschlagung mit Wasserdampf und Schwefeldioxid untersucht. Die Katalysatoren wiesen in Gegenwart von Wasserdampf eine geringere Katalysatoraktivität auf. Dieser Verlust war bei Reduzierung des Wasserdampfgehaltes nahezu vollständig reversibel und führte nicht zu einer bleibenden Deaktivierung der aktiven Zentren auf der Oberfläche des Katalysators. Die Bewertung der SO2-Beständigkeit ist aufgrund von technischen Schwierigkeiten am Versuchsaufbau nicht eindeutig geklärt. Hierfür soll der Versuchsaufbau angepasst werden um Langzeitversuche unter Anwesenheit von SO2 durchführen zu können. Dies soll im Anschluss an das Projekt erfolgen. Die mikrowellengestützten Oberflächenbeschichtung für die Herstellung von katalytisch wirksamen Materialien konnte unter Laborbedingungen erfolgreich demonstriert werden. Neben der hohen Erwärmungsrate und der gleichmäßigen Verteilung der mit der Mikrowellenenergie verbundenen Strahlung wurde ein Versintern oder Blockieren der porösen Oberfläche wirkungsvoll verhindert. Durch den direkten Wärmeeintrag in die Imprägnierlösung konnte der Energieverbrauch gesenkt werden. Zusätzlich zu der mikrowellengestützten Beschichtung konnte die Kalzinierung ebenfalls mikrowellengestützt durchgeführt werden. Auf konventionelle organische Lösungsmittel sowie kritische Elemente konnte im Projekt durchgehend verzichtet werden. Die notwendige Reaktionstemperatur für DeNOx-Anwendungen konnte von Üblichen 300 – 375 °C deutlich gesenkt werden. So konnte bei dem entwickelten Bimetall-Katalysator eine technisch nutzbare Aktivität bei Temperaturen bereits ab 180°C aufgezeigt werden. Dies macht den energieeffizienten Einsatz des Katalysators auch bei niedrigen Rauchgastemperaturen, wie bei Biomassefeuerungen und Industrieprozessen, interessant. Für die Weiterentwicklung des Verfahrens und der praxisnahen Demonstration eines Niedertemperatur DeNOx-Systems im Technikumsmaßstab wird ein Folgeantrag eingereicht werden. |
Förderzeitraum: | 07.02.2020 - 07.08.2021 (1 Jahr und 6 Monate) |
Fördersumme: | 125.000,00 |
Förderbereich: | 07 |
Stichworte: | Energieeinsparung, Brennstoffzelle, Oberflächenstruktur, Materialeinsparung, Batterie |
Publikationen: |