Wasserstoffgewinnung durch thermische Pyrolyse von Methan in einem durch Mikrowellenbeheizung unterstützten Wirbelschichtreaktor

Die thermische Pyrolyse von Methan (CH4) ist eine vielversprechende, kohlendioxidfreie (CO2-freie) Methode zur Herstellung von Wasserstoff (H2), bei der CH4 in H2 und festen Kohlenstoff zerlegt wird. Dieser stark endotherme und energieintensive Prozess kann durch Mikrowellenerwärmung (MW) nachhaltig betrieben werden, die mit erneuerbarem Strom gespeist wird.

In dieser Studie untersuchten wir die Effizienz der H2-Produktion und der gleichzeitigen Kohlenstoffabscheidung durch thermische CH4-Pyrolyse in einem labormaßstäblichen, mikrowellenunterstützten Wirbelschichtreaktor (MW-FBR). Durch einen direkten Vergleich mit einem konventionell beheizten Wirbelschichtreaktor (CH-FBR) unter identischen Betriebsbedingungen bestimmten wir die Auswirkungen des thermischen Gradienten zwischen Feststoff- und Gasphase im MW-FBR auf den Prozess. Feste dielektrische Partikel im MW-FBR erreichen hohe Temperaturen und schaffen dadurch günstige Bedingungen für die thermische Zersetzung von CH4.

Wir untersuchten den Einfluss der Temperatur (900–1065 °C), der mittleren Verweilzeit (0,5–1,5 s) und des CH4-Molenbruchs am Einlass (0,2–0,5) auf die CH4-Umwandlung und die H2-Selektivität. Unter den angewandten Versuchsbedingungen erreichten wir eine maximale CH4-Umwandlung von 23 % und eine H2-Selektivität von bis zu 98 %. Die Überwachung der pyrolytischen Kohlenstoffnebenprodukte zeigte, dass 90 % des erzeugten pyrolytischen Kohlenstoffs im Bett verblieben und von den fluidisierten Partikeln gebunden wurden.

Die vergleichende Analyse von MW-FBR und CH-FBR unter denselben Versuchsbedingungen zeigte, dass die Mikrowellenerwärmung die konventionelle Erwärmung aufgrund des thermischen Mikrowelleneffekts, des thermischen Gradienten zwischen Feststoff- und Gasphase sowie der Bildung von Hotspots deutlich übertraf. Im Durchschnitt stieg die CH4-Umwandlung um 150 %. Die Effizienz der Kohlenstoffabscheidung verbesserte sich um 70 %. Darüber hinaus erzeugte die Mikrowellenerwärmung mehr graphitischen Kohlenstoff.

Projektdatum:

• 25.10.2024

Link:

• https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.energyfuels.4c03428