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Miniaturisierter GlidArc® Plasmareformer und Methanreformierung auf der Basis perovskitischer Katalysatoren

Spasova, Berta (2014)
Miniaturisierter GlidArc® Plasmareformer und Methanreformierung auf der Basis perovskitischer Katalysatoren.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der Schwerpunkt der vorliegenden Dissertation zielte auf die Entwicklung eines miniaturisierten GlidArc® Plasmareformers für den universellen Einsatz von diversen Kohlenwasserstoffen (Methan, Propan, n-Undecan) zur Synthesegas-Herstellung (H2+CO). Ein nicht katalytischer Prozess auf der Basis der Lichtbogenentladung (GlidArc®) wurde untersucht. Es wurde somit ein für die weiteren Versuche hinreichendes Verständnis des Reaktorbetriebs und seiner elektrischen Stellgrößen erreicht, das sicherstellt, dass unter guten Betriebsbedingungen prozessiert werden kann. Die Energiezufuhr zur Bildung des Plasmas hängt von der Einstellung des Stroms im Inneren des Streufeldtransformators ab. Das ist eine wichtige Einflussgröße für das Verständnis des Reaktorbetriebs. Die Anwendung des miniaturisierten GlidArc® Plasmareformers belegte den universellen Einsatz für Reformierung von unterschiedlichen Brennstoffen (CH4, C3H8, C11H24). Es wurde somit erreicht, dass ein Plasma-Prozess etabliert und charakterisiert wurde, der einen niedrigen Energieverbrauch für die Umsetzung von Methan und Propan als die existierenden nicht-thermischen Verfahren (max. 6907 kJ/mol) und eine gute Energieeffizienz von 38,9% für Methan und 38,4% für Propan. Anschließend wurde mit dem weniger oft verwendeten n-Undecan (C11H24) eine Prozessentwicklung erreicht, die einen weiterhin verfügbaren Kraftstoff als mögliche Synthesegasquelle nutzt, die allerdings noch weiterer Optimierung bedarf. Außerdem wurden bei dieser Arbeit perovskitische Katalysatoren-edelmetalldotiert (Ru und Rh) und nicht-dotiert-mittels der Pechini-Methode hergestellt und auf ihre katalytische Aktivität für die Methanreformierung in mikrostrukturierten Testreaktoren getestet. Der Syntheseweg nach der Pechini-Methode ermöglichte die Bildung reiner perovskitischer Strukturen und basierend auf einer Rietveld-Analyse zeigte erfolgreich die Dotierung von Ru/Rh in der Probe von LaNiO3. Alle getesteten Katalysatoren in die Form von LaXO3 (X = Ni, Mn, Fe, Co, Cr), LaNiO3 dotiert mit Ru und Rh, auch eine modifizierte La-Ce-(Fe-Co)-Mischungen von Oxiden und Perovskit dotiert mit Rh waren aktiv für die oxidative Dampfreformierung von Methan mit einem max. Umsatz von 92% auf LaNiO3-dotiert mit 1 wt.% Rh. Neben der Entwicklung des miniaturisierten GlidArc® Plasmareformers und der Methanreformierung auf Basis perovskitischer Katalysatoren wurde eine Ökobilanzierung (LCA Analyse) durchgeführt, um den Plasmaprozess zur Verarbeitung von Methan im Hinblick auf die zukünftige Einsetzbarkeit zu evaluieren. Die LCA-Analyse und die Untersuchung des Umweltprofils gaben erste Hinweise, wie eine Plasmareformierung sich in eine industrielle Anlagenumgebung und ein ganzheitliches Energiekonzept einfügen muss.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2014
Autor(en): Spasova, Berta
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Miniaturisierter GlidArc® Plasmareformer und Methanreformierung auf der Basis perovskitischer Katalysatoren
Sprache: Deutsch
Referenten: Hessel, Prof. Dr. Volker ; Kolb, Prof. Dr. Gunther
Publikationsjahr: 2014
Datum der mündlichen Prüfung: 14 Juli 2014
URL / URN: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4221
Kurzbeschreibung (Abstract):

Der Schwerpunkt der vorliegenden Dissertation zielte auf die Entwicklung eines miniaturisierten GlidArc® Plasmareformers für den universellen Einsatz von diversen Kohlenwasserstoffen (Methan, Propan, n-Undecan) zur Synthesegas-Herstellung (H2+CO). Ein nicht katalytischer Prozess auf der Basis der Lichtbogenentladung (GlidArc®) wurde untersucht. Es wurde somit ein für die weiteren Versuche hinreichendes Verständnis des Reaktorbetriebs und seiner elektrischen Stellgrößen erreicht, das sicherstellt, dass unter guten Betriebsbedingungen prozessiert werden kann. Die Energiezufuhr zur Bildung des Plasmas hängt von der Einstellung des Stroms im Inneren des Streufeldtransformators ab. Das ist eine wichtige Einflussgröße für das Verständnis des Reaktorbetriebs. Die Anwendung des miniaturisierten GlidArc® Plasmareformers belegte den universellen Einsatz für Reformierung von unterschiedlichen Brennstoffen (CH4, C3H8, C11H24). Es wurde somit erreicht, dass ein Plasma-Prozess etabliert und charakterisiert wurde, der einen niedrigen Energieverbrauch für die Umsetzung von Methan und Propan als die existierenden nicht-thermischen Verfahren (max. 6907 kJ/mol) und eine gute Energieeffizienz von 38,9% für Methan und 38,4% für Propan. Anschließend wurde mit dem weniger oft verwendeten n-Undecan (C11H24) eine Prozessentwicklung erreicht, die einen weiterhin verfügbaren Kraftstoff als mögliche Synthesegasquelle nutzt, die allerdings noch weiterer Optimierung bedarf. Außerdem wurden bei dieser Arbeit perovskitische Katalysatoren-edelmetalldotiert (Ru und Rh) und nicht-dotiert-mittels der Pechini-Methode hergestellt und auf ihre katalytische Aktivität für die Methanreformierung in mikrostrukturierten Testreaktoren getestet. Der Syntheseweg nach der Pechini-Methode ermöglichte die Bildung reiner perovskitischer Strukturen und basierend auf einer Rietveld-Analyse zeigte erfolgreich die Dotierung von Ru/Rh in der Probe von LaNiO3. Alle getesteten Katalysatoren in die Form von LaXO3 (X = Ni, Mn, Fe, Co, Cr), LaNiO3 dotiert mit Ru und Rh, auch eine modifizierte La-Ce-(Fe-Co)-Mischungen von Oxiden und Perovskit dotiert mit Rh waren aktiv für die oxidative Dampfreformierung von Methan mit einem max. Umsatz von 92% auf LaNiO3-dotiert mit 1 wt.% Rh. Neben der Entwicklung des miniaturisierten GlidArc® Plasmareformers und der Methanreformierung auf Basis perovskitischer Katalysatoren wurde eine Ökobilanzierung (LCA Analyse) durchgeführt, um den Plasmaprozess zur Verarbeitung von Methan im Hinblick auf die zukünftige Einsetzbarkeit zu evaluieren. Die LCA-Analyse und die Untersuchung des Umweltprofils gaben erste Hinweise, wie eine Plasmareformierung sich in eine industrielle Anlagenumgebung und ein ganzheitliches Energiekonzept einfügen muss.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

The focus of this thesis was at the development of a miniaturized GlidArc® plasma reformer for the universal use of various hydrocarbons (methane, propane, n-undecane) for synthesis gas (H2+CO) production. A non-catalytic process based on the arc discharge (GlidArc®) was chosen. For a sufficient understanding of the further experiments for the reactor operation and thus of its electrical control values was achieved, which ensures that it can be processed under good operational conditions. The power supply for the formation of the plasma depends on the setting of the current in inside of transformer. This is an important factor for the understanding the reactor operation. The application of the miniaturized GlidArc® plasma reformer occupied universal used for reforming of different fuel gases such as (CH4, C3H8, C11H24). It was thus achieved that a plasma process has been established and characterized with low power consumption for the conversion of methane and propane as the existing non-thermal processes (max. 6907 kJ/mol) and a high energy efficiency of 38.9% for methane (CH4) and 38.4% for propane (C3H8). Then has reached a development process with the using of less often n-undecane (C11H24), which uses a still available fuel as possible synthesis gas source, but the process requires further optimization. Furthermore, in this current research work perovskite doped noble metal catalysts (Ru and Rh) and the non-doped perovskites were prepared by the Pechini method and then were tested in microstructured reactors in terms of their catalytic activity for the methane reforming. The synthetic route of the Pechini method enabled the formation of pure perovskite structure and based on a Rietveld analysis showed successful doping of Ru/Rh in the sample of LaNiO3. All the tested catalysts in the form of LaXO3 (X = Ni, Mn, Fe, Co, Cr), LaNiO3 doped with Ru and Rh, a modified La-Ce-(Fe-Co) containing mixtures of oxides and perovskites doped with Rh were found to be active in oxidative steam reforming of methane. The highest methane conversion X(CH4) exceeding 92% was achieved over LaNiO3-doped with 1 wt.% Rh. In addition to the development of miniaturized GlidArc® plasma reformer and the methane reforming based on the perovskite catalysts a life cycle assessment (LCA) analysis was performed to evaluate the plasma process for the processing of methane with regard to its future applicability and valorization. The LCA analysis and the investigation of the environmental profile gave first advices how a plasma reforming must be integrated in an industrial plant environment and a holistic energy concept.

Englisch
Freie Schlagworte: Nicht-thermisches Plasma, Miniaturisierung, GlidArc® Plasmareformer, Synthesegas, Plasmareformierung, oxidative Dampfreformierung, Methan, Propan, Mikroreaktor, Perovskit, Pechini-Methode, Charakterisierung, Ökobilanzierung (LCA), Umweltprofil, Luftemissionen, Treibhauspotenzial, Wirkungskategorien, Industrielle Anwendung
Schlagworte:
Einzelne SchlagworteSprache
Non-thermal plasma, Miniaturization, GlidArc®-(Gliding arc discharge) plasma reformer, Synthesis gas, Plasma reforming, Oxidative steam reforming, Methane, Propane, Microreactor, Perovskite, Pechini-method, Characterization, Life cycle assesment (LCA), Environmental profile, Air emissions, Global warming potential, impact classes, Industrial applicationnicht bekannt
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-42213
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 07 Fachbereich Chemie > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Technische Chemie > Technische Chemie I
07 Fachbereich Chemie > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Technische Chemie > Technische Chemie II
07 Fachbereich Chemie > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Technische Chemie > Technische Chemie III
07 Fachbereich Chemie > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Technische Chemie
07 Fachbereich Chemie
Hinterlegungsdatum: 16 Nov 2014 20:55
Letzte Änderung: 16 Nov 2014 20:55
PPN:
Referenten: Hessel, Prof. Dr. Volker ; Kolb, Prof. Dr. Gunther
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 14 Juli 2014
Schlagworte:
Einzelne SchlagworteSprache
Non-thermal plasma, Miniaturization, GlidArc®-(Gliding arc discharge) plasma reformer, Synthesis gas, Plasma reforming, Oxidative steam reforming, Methane, Propane, Microreactor, Perovskite, Pechini-method, Characterization, Life cycle assesment (LCA), Environmental profile, Air emissions, Global warming potential, impact classes, Industrial applicationnicht bekannt
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