Sauerstoffbereitstellung durch keramische Materialien: Reaktoruntersuchungen zur Charakterisierung der Sauerstoff-Speicher-Kapazität
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Innerhalb des Projektzeitraums wurde ein Reaktor konstruiert und in Betrieb genommen. Mit diesem Reaktor wurde die Möglichkeit eröffnet, oxidkeramische Sauerstoffspeichermaterialien (Oxygen Storage Material, OSM) zu untersuchen und hinsichtlich ihres Sauerstoffaustauschverhaltens zu charakterisieren. Durch das Fassungsvermögen von 100 cm³ ist ein Modellreaktor erstellt worden, um verfahrenstechnische Aspekte wie die Strömungsgeschwindigkeiten der Gase und die körperliche Ausformung der OSM sowie von der Geometrie abhängige Strömungsverhältnisse in die materialspezifische Bewertung einzubeziehen. Es wurden verschiedene Gas- und Temperaturwechselprogramme für die zyklische Sauerstoffspeicherung abgeleitet und getestet. Die Betriebsparameter des Reaktors (Temperatur, Zykluszeit, Volumenstrom) sind variiert worden und konnten während und nach jedem Versuch sukzessiven Optimierungsschritten unterzogen werden. Im fertig gestellten Reaktor wurden zyklische Be- und Entladungsvorgänge vom System CSFM5555 (Ca0,5Sr0,5Fe0,5Mn0,5O3-δ) an Partikel-Schüttungen und an einem Wabenkörper durchgeführt. Als ein wesentliches Resultat konnte aufgezeigt werden, dass die Verkürzung der Zykluszeit von 30 auf 10 Minuten eine merkliche Steigerung der Sauerstofffreisetzung (bis auf das 3-fache) mit beiden Probenformen dieses Materials gestattet. Die vorteilhafte Verkürzung der Zykluszeit weist jedoch auch auf eine materialspezifische Prozessbedingung hin, wonach der in der Materialtiefe gespeicherte Sauerstoff nicht in dem Prozess genutzt werden kann, da offensichtlich der Sauerstofftransport im Material zu langsam erfolgt. Durch Erhöhung der Reaktortemperatur (500 auf 800 °C) kann bei zyklischer Be- und Entladung eine effektive Erhöhung der Sauerstoffbereitstellung auf etwas das 8-fache erreicht werden. An dem untersuchten Material CSFM5555 erweist sich ein extrudierter Wabenkörper mit einer stabilen, definierten Oberfläche vorteilhafter als eine Partikelschüttung. Anhand der Messdateninterpretation wurde mit dem Sauerstoff-Austauschkoeffizient (Oxygen Exchange Coefficient, OEC) ein Materialparameter eingeführt, mit dem es möglich ist, die Reaktor- sowie die OSM-Leistungsfähigkeit unabhängig von der Masse des eingesetzten OSM quantitativ zu beschreiben. Mit dem OEC steht eine Größe zum Leistungsvergleich der ins Blickfeld gerückten OSM, innerhalb der OSM-Versuchsanlage, zur Verfügung. Der erstellte Reaktor soll durch die Professur Bauchemie der Bauhaus-Universität Weimar weiterhin genutzt werden. Da sich an der Professur mit verschiedenen Materialsystemen zur Sauerstoffspeicherung befasst wird, müssen neue synthetisierte Materialien charakterisiert und mit den vorliegenden Ergebnissen verglichen werden. Somit können komplexe Wechselwirkungen zwischen materialchemischen und verfahrenstechnischen Parametern experimentell untersucht werden. Zum aktuellen Zeitpunkt läuft eine studentische Qualifizierungsarbeit, welche sich sowohl mit der Dokumentation der gesamten Anlage als auch mit der rechnergestützten Modellierung auseinandersetzt. Damit sollen in Zukunft noch detaillierter Aussagen zum Reaktor- und Materialverhalten ermöglicht werden. Für die numerische Simulation wird der Reaktor inklusive aller Parameter einbezogen. Dazu können die Einflüsse von Gestalt und Materialkennwerten, der jeweiligen eingesetzten OSM, hinsichtlich der Austauschkinetik in die mathematische Modellierung integriert werden. Aus den Ergebnissen zu dem OSM-Verhalten des Perowskit-Systems CSFM5555 im OSM-Reaktor abgeleitet, werden zwei weitere keramische OSM-Systeme (Cuhaltige Oxidkeramik und Zn-(Mn/Fe)-Spinelle) in jeweils einer Diplom- und einer Kollegarbeit hinsichtlich der Sauerstoffspeicherfähigkeit untersucht. Sowohl durch die experimentellen Untersuchungen als auch durch die noch anstehende numerische Simulation besteht mit dem Reaktor eine Up-Scaling-Methode als Bindeglied zwischen konventionellen analytischen Systemen wie z.B. TG, DTA, Kalorimetrie, Redox-Titration oder XRD, REM/EDX und zukünftigen Festbett-Versuchsanlagen im Pilotmaßstab zur Verfügung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Influence of flue gas components on the chemical properties of the ceramic materials (Co-)Ce0,8Gd0,2−xPrxO2−δ. 2011, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 18 072005
J. Schneider, Ch. Semmler and Ch. Kaps, F. Schulze-Küppers, S. Baumann, W. A. Meulenberg
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Oxygen Storaging Behaviour of the Perovskite Ceramic (Ca0.5Sr0.5)(Mn0.5Fe0.5)O3-δ. 2011, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 18 072013
Ch. Kaps and M. Heidenreich
