Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines neuartigen katalytisch aktiven Wärmeübertragers zur Totaloxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid in Abluftströmen, insbesondere für Gießereien

Ziel des Vorhabens ist es, ein einfaches Katalysatorsystem zur Oxidation von niedrigsiedenden Kohlenwasserstoffen (KWs) und Kohlenmonoxid (CO) aufzubauen, das sich durch eine neuartige Katalysatorkonfiguration auszeichnet, die gleichzeitig als Wärmeübertrager fungiert. Bei den etablierten Verfahren zur katalytischen Oxidation dieser Stoffe ist es häufig notwendig, dem Katalysereaktor eine Vorheizung und einen Wärmeübertrager vorzuschalten, um das Abgas auf die für das Katalysatorsystem notwendige Betriebstemperatur zu bringen und zu halten. Dies ist gerade bei diskontinuierlichem Betrieb von Abgasreinigungsanlagen von Nachteil, da es Zeit und Energie benötigt, bis die für eine vollständige katalytische Oxidation erforderliche Temperatur erreicht wird. In diesem Anfangsprozessfenster ist der Wirkungsgrad des Katalysatorsystems deutlich geringer. Im geplanten Vorhaben soll daher ein neuartiger Reaktor zur katalytischen Oxidation von niedrigsiedenden KWs und CO entwickelt werden, der sich durch eine interne, energieeinsparende Wärmeübertragung auszeichnet. Der neue Reaktor soll hierzu als Rohrbündelwärmeübertrager ausgebildet sein, wobei die Röhren außen mit einem elektrochemischen Verfahren mit katalytisch aktivem Material beschichtet werden. Im Gegensatz zu etablierten katalytischen Verfahren der Abgasreinigung kommt das neue Verfahren ohne einen vorgeschalteten Wärmeübertrager aus, was zu einem schnelleren Erreichen der Katalysatoranspringtemperatur führt und den Platzbedarf der Anlage verringert. Die durch die exotherme Oxidationsreaktion entstehende Wärme kann bei der geplanten Reaktorausführung für eine weitere Nutzung im Prozess zur Verfügung gestellt werden, wodurch sich der energetische Wirkungsgrad des neuen Verfahrens gegenüber etablierten katalytischen Verfahren erhöht. Das neue Verfahren ist daher vor allem zur Reinigung von Abluftströmen von kleinen und mittelständischen Unternehmen – z.B. Gießereien von Feingussteilen -besonders gut geeignet.

Ergebniszusammenfassung:

Für die Entwicklung des katalytischen Wärmeübertragers wurden im Rahmen des Projektes verschiedene Typen von Wärmeübertragerrohren mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen eingesetzt. Diese Oberflächenstrukturen wurden von der FE 1 (fem) mittels eines elektrochemischen Verfahrens mit Palladium als katalytisch aktiver Metallkomponente dotiert bzw. beschichtet. Anhand einer chemischen Modellreaktion (Oxidation von Methanol) wurde die katalytische Aktivität verschiedener Muster von Wärmeübertragerrohren hinsichtlich Oberflächenstruktur und Edelmetallbelegung vorab getestet.

An FE 2 (IUTA) wurde in einem kleinen Labortestreaktor die katalytische Aktivität der verschiedenen Wärmeübertragerrohre anhand von Modellgasen (verschiedene VOCs und CO) vergleichend getestet und bewertet. In einem iterativen Konstruktionsprozess aus CFD-Berechnungen und nachfolgenden Entwurfsoptimierungen erfolgte an FE 2 (IUTA) die Auslegung, Konstruktion und Fertigung eines strömungstechnisch optimierten Technikumsreaktors. Von drei ausgewählten Typen von Wärmeübertragerrohren (Oberfläche sandgestrahlt, mit noppenartiger Struktur und mittels Elektronenstrahltechnik spiralartig mit Rillen versehen) wurde jeweils ein Rohreinsatz aus insgesamt 16 Rohren hergestellt und in den Technikumsreaktor/Demonstrator (= katalytischer Wärmeübertrager) eingebaut. Diese Reaktoreinsätze wurden in umfangreichen Versuchsreihen zum katalytischen Abbau von VOC- und CO-haltigen Prüfgasen (als Modellabgase) untersucht.

Die beste Performance zeigten WT-Rohre mit spiral- bzw. rillenartiger Oberfläche, nicht die WT-Rohre mit der größten Gesamtoberfläche.

Eine Technologiebewertung mit CAPEX- und OPEX-Betrachtung erfolgte exemplarisch für eine Anwendung in einem Gießereibetrieb. Demnach wären die Investitionskosten vergleichbar einem konventionellen Abluftkatalysator. Bei einer Marktetablierung der neuen WT-Technik sind wirtschaftliche Vorteile gegenüber konventionellen Anlagen zu erwarten.