Qualitative und Quantitative Produktanalyse der Katalytischen Konvertierung von Biogas in Plasmagestützten Rohrströmungsreaktoren

Kroker, Thorsten

Biogas besteht hauptsächlich aus Methan und Kohlendioxid. Es entsteht durch aerobe Zersetzung von Biomasse, die z.B. als Abfallprodukt bei der Landwirtschaft anfällt. Da CH4 und CO2 zu den Treibhausgasen zählen, verstärkt dieser Prozess den anthropogenen Treibhauseffekt. Durch die Nutzung von Biogas als Edukt kann eine CO2-neutrale Prozessführung erreicht werden. Die Nettobilanz des Kohlendioxids in der Erdatmosphäre wird also nicht verändert. In konventionellen Reaktoren laufen Reaktionen zwischen CH4 und CO2 nur unter extremen (hoher Druck und Temperatur) Bedingungen ab, da beide Gase sehr reaktionsträge sind. Solche Prozesse verbrauchen viel Energie und sind sehr kostenintensiv. In einer Gasentladung (Plasma) werden heiße Elektronen erzeugt, die durch Stöße CH4 und CO2 dissoziieren und Radikale erzeugen: CH4+e->CH3+H+e(1) CO2+e->CO+O+e(2) Durch Rekombination entsteht z.B. Wasserstoff: CH4+H->CH3+H2(3) Bei diesen Prozessen entsteht hauptsächlich Wasserstoff (3) und Kohlenmonoxid (2). Als Nebenprodukte fallen verschiedene Kohlenwasserstoffe an, darunter Ethan, Ethen und Acetylen, sowie die sauerstoffhaltigen Spezies Methanol und Formaldehyd. In einem dielektrischen Barrieren Reaktor laufen diese Prozesse bei Atmosphärendruck ab, so dass hohe Investitions- und Betriebskosten für Hochdruckanlagen eingespart werden können. Ein weiter Vorteil eines DBE-Reaktors ist, dass er als Plug-Flow-Reaktor konzipiert und so ein kontinuierlicher Betrieb realisiert werden kann. Die Mischung aus H2 und CO wird in der Industrie in großen Mengen verwendet und ist als Synthesegas (SG) bekannt. SG kann durch die Fischer-Tropsch-Synthese zu synthetischem Benzin veredelt werden: (2n+1)H2+(n)CO->CH(n)H2(n+2)+(n)H2O (4) Dafür wird ein Verhältnis von (H2/CO) von 1.7 benötigt. Da die Zusammensetzung des Biogases stark orts- und zeitabhängig ist, muss ein Weg gefunden werden, trotzdem eine konstante SG-Zusammensetzung (SGZ) von 1.7 beizubehalten. Um den Produktstrom zu beeinflussen, wurden verschiedene Parameter variiert und der Einfluss auf die SGZ untersucht. Durch eine geschickte Variation der Behandlungszeit und der Reaktorleistung kann das SGZ signifikant beeinflusst und ein konstanter SGZ-Wert erreicht werden.

Biogas produced by putrefaction of rotting biomass is a major source of the greenhouse gases methane and carbon dioxide. This process increases man-made greenhouse effect significantly. Using biogas as starting material is an excellent idea because it relies on an exhaustless source of renewable material. Furthermore such processes are CO2-neutral. Using conventional reactors is very cost-intensive because CH4 and CO2 are very inert and react only under extreme conditions (high pressure and high temperature). Gas discharges generate hot electrons (several 10.000 K). The electrons collide with CH4 and CO2 and dissociate them: CH4+e->CH3+H+e(1) CO2+e->CO+O+e(2) Hydrogen is produced by recombination: CH4+H->CH3+H2(3) The reaction produces mainly hydrogen (3) and carbon monoxide (2). Byproducts are diverse hydrocarbons including ethane, ethylene and acetylene as well as containing oxygen species like methanol and formaldehyde. This processes are possible at atmospheric by using a dielectrical barrier discharge reactor (DR). Much money can be saved, because working and investigation cost are much lower by saving high pressure equipment. The easy building of a plug-flow-reactor is a decided advantage of a DR. In this way a continuous method is possible. The mixture of H2/CO is called synthesis gas (SG). SG is basis for many industrial processes. SG can be refined by the Fischer-Tropsch synthesis to synthetic fuel: (2n+1)H2+(n)CO->CH(n)H2(n+2)+(n)H2O (4) It is important to know the H2/CO ratio because usually a ratio of 1.7 is needed. Biogas composition is variable. Therefore, it is beneficial to compensate the effect of these variations can be compensated for changing the reactor conditions and obtaining the desired SG-ratio (SGR). A combination of resident time and electrical power can significantly influence the SGR. In this way the postulated H2/CO mixture of 1.7 can be upheld.

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Kroker, Thorsten: Qualitative und Quantitative Produktanalyse der Katalytischen Konvertierung von Biogas in Plasmagestützten Rohrströmungsreaktoren. 2011.

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