Strukturierter Katalysator verbessert Effizienz und Wasserstoffausbeute bei der Dampfreformierung von Methan

1. Dezember 2021 | Von Scott Jenkins

Die Inbetriebnahme einer Pilotanlage hat begonnen, die die Wirksamkeit eines strukturierten Katalysatormoduls für die Dampf-Methan-Reformierung (SMR) demonstrieren soll, das die wichtigsten mit dem herkömmlichen Verfahren verbundenen Wärmeübertragungsineffizienzen behebt. Die strukturierte Katalysatortechnologie verbessert die Effizienz der SMR und erhöht die erzeugte Wasserstoffmenge.

Die Dampfreformierung von Methan – eine endotherme Reaktion, die typischerweise in Mehrrohr-Festbettreaktoren mit katalysatorbeladenen Keramikpellets durchgeführt wird – ist aufgrund der Größe und zufälligen Anordnung der Pellets mit Ineffizienzen bei der Wärmeübertragung behaftet.

„Die Wärmeübertragung in SMR-Reaktoren hängt in hohem Maße davon ab, dass Speisegas auf die Grenzschicht der Flüssigkeit an der Rohrwand trifft“, erklärt Bruce Boisture, Präsident und Mitbegründer von ZoneFlow Reactor Technologies, LLC (Windsor, Connecticut; www.zoneflowtech. com), dem Entwickler der neuen SMR-Technologie. „Aber dieser Wärmeübertragungsmechanismus ist in den Reaktorrohren aufgrund der zufälligen Packung der Pellets im Reaktor und ihrer relativ großen Größe (ein Zugeständnis an Haltbarkeitsbedenken) im Verhältnis zum Durchmesser des Reaktorrohrs nicht optimiert. Das Ergebnis ist ein zufälliges Gasströmungsmuster innerhalb des Reaktors, eine suboptimale Wärmeübertragung in den Reaktor und einen Druckabfall im Reaktor sowie eine erhebliche Menge Methan, die den Katalysator entlang der Rohrwände „umgehen“ kann. Dies bei hoher Temperatur, aber nicht umgesetzt Methan kann zu Koksablagerungen auf den Pellets führen.“

Der strukturierte ZoneFlow-Katalysator (Foto) verfügt über präzise konstruierte Strömungskanäle in seinem Außengehäuse, die das Methan dazu zwingen sollen, mit der Rohrwand in Kontakt zu kommen und gleichzeitig den Druckabfall zu minimieren. Die Geometrie seiner Stützstruktur hält das katalysatorbeschichtete Gehäuse trotz Rohrkriechen in ständigem Kontakt mit der Rohrwand und verhindert so einen Bypass, erläutert Boisture. „Bei Tests wurde die Wärmeübertragungseffizienz um 100 % verbessert, während der Druckabfall gleich blieb“, sagt Boisture, was sich in einem erwarteten 15 % höheren Durchsatz im Vergleich zu herkömmlichen Katalysatorsystemen niederschlägt.

Die Pilotanlage von ZoneFlow an der Université Catholique de Louvain (Belgien) wird derzeit endgültig in Betrieb genommen und die Anlage wird Ende 2021 in Betrieb gehen. Die Ergebnisse der Pilottests werden für Mitte 2022 erwartet. Anfang November gab ZoneFlow eine gemeinsame Entwicklungsvereinbarung mit Honeywell UOP (Des Plaines, Ill.; www.uop.com) zur Entwicklung und Vermarktung der Technologie bekannt. Laut Honeywell ermöglicht die ZoneFlow-Reaktortechnologie Kapitaleinsparungen für neue SMR-Anlagen und eine höhere Produktivität für bestehende Anlagen, und die Möglichkeit, den Dampfbedarf für SMR zu reduzieren, wird den Energiebedarf und die CO2-Emissionen reduzieren.