Der Einfluss von Wasserdampf auf den Sauerstofftransport in keramischen Hochtemperaturmembranen

Thaler, Florian; Spatschek, Robert; Zander, Brita Daniela

doi:10.18154/RWTH-2018-226270

Der Einfluss von Wasserdampf auf den Sauerstofftransport in keramischen Hochtemperaturmembranen

Thaler, Florian^RWTH*

2018

VerantwortlichkeitsangabeFlorian Thaler

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2018

Umfang1 Online-Ressource (ii, 93, XXXI Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-340-2

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/ Energy & environment ; 430

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Druckausgabe: 2018. - Onlineausgabe: 2018. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Spatschek, Robert (Thesis advisor)^RWTH* ; Zander, Brita Daniela (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-05-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-226270
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/729239/files/729239.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/729239/files/729239.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Sauerstofftransportmembran , Permeation , Perowskit , Hochtemperaturmembran , Wasserdampf , Oxyfuel , Carbon Capture and Storage (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Keramische Hochtemperaturmembranen zur Sauerstoffabtrennung aus der Umgebungsluft bieten eine vielseitige und kosteneffiziente Alternative zu energieintensiven Prozessen wie der kryogenen Luftzerlegung (Linde-Verfahren) oder der Vakuum-Druckwechseladsorption (VPSA). Insbesondere mischleitfähige Materialien besitzen bei hohen Temperaturen sowohl ionische als auch elektronische Leitfähigkeit (MIEC) und transportieren somit lediglich O2- -Ionen über Unterstöchiometrie im Kristallgitter entlang eines Partialdruckgradienten über die gasdichte Membran. Somit ist theoretisch eine hundertprozentige Selektivität und bei genügend hoher Membranfläche eine hohe Sauerstoffausbeute möglich. Als Werkstoffe für solcherart Membranen kommen meist Perowskite oder Fluorit- bzw. Spinell-Phasen zum Einsatz, da diese mitunter die höchsten Leitfähigkieten aufweisen. Je nach Bedarf können diese Sauerstofftransportmembranen (OTMs) entweder direkt zur Sauerstoffgewinnung eingesetzt werden, oder finden Anwendung in sogenannten Membranreaktoren bei denen bestimmte chemische Reaktionen durch eine gezielte Oxidation gesteuert werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem sogenannten „Oxyfuel-Verfahren“, bei dem fossile Energieträger wie Kohle in einem Kraftwerk unter reinem Sauerstoff verbrannt werden, um die Effizienz des Prozesses zu steigern und die Bildung von Stickoxiden (NOx) zu verhindern. Die dafür benötigten enormen Mengen an Sauerstoff sollen über ein OTM-Modul direkt im Kraftwerk bereitgestellt werden. Dabei entsteht bei einer vollständig stickstofffreien Verbrennung, abgesehen von H2O und ppm-Anteilen SO2, ein nahezu reiner CO2-Abgasstrom, welcher sich ohne aufwändige Nachbehandlung zur Sequestrierung im sogenannten „Carbon Capture and Storage“ (CCS) Verfahren eignet. Um die erhöhten Prozesstemperaturen bei der Verbrennung in reinem Sauerstoff zu reduzieren wird meist Rauchgas aus dem Kraftwerk in den Verbrennungsprozess zurückgeführt. Dieses führt jedoch bei einigen Membranmaterialien, so z.B. bei einem der vielversprechendsten Perowskite der Zusammensetzung Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-δ (BSCF5582), zu einer starken Degradation. Daher gibt es Bestrebungen für ein neues Oxyfuel-Konzept, bei dem Wasserdampf anstelle von rezykliertem Rauchgas zum Transport des Sauerstoffs vom OTM-Modul in den Kessel verwendet werden soll. Hier setzt die vorliegende Arbeit an, indem sie Experimente im Labormaßstab an verschiedenen Membranmaterialien mit Wasserdampf als Spülmedium für den über die Membran abgetrennten Sauerstoff behandelt. Es werden drei verschiedene OTM-Materialien, darunter BSCF wie auch La0,6Sr0,4Co0,2Fe0,8O3-δ (LSCF6428) und Dual-Phase Membranen der Zusammensetzung Ce0,8Gd0,2O2-δ-FeCo2O4 auf ihre Langzeitstabilität und die Degradation der O2-Permeationsleistung durch den Einsatz von befeuchtetem Spülgas (Sweep) untersucht. Mit steigendem Wasserdampfanteil im Sweep sinkt die experimentell bestimmte Permeationsleistung nachweislich bei alle untersuchten Membrantypen. Diese Degradation ist bei den unterschiedlichen Materialien auf verschiedene Korrosionserscheinungen zurückzuführen, welche im Rahmen der Auswertung der Ergebnisse diskutiert werden.

Ceramic high temperature oxygen transport membranes (OTMs) represent a promising alternative for the extraction of oxygen from ambient air compared to conventional high-energy intensive processes like cryogenic air separation. Especially materials with a mixed ionic and electronic conductivity (MIEC) are of current interest as O2- -ion conductors. The high number of vacancies and the high mobility for electrons at sufficient high temperature and partial pressure gradient, enables these materials to transport oxygen via the crystal lattice and achieve a 100 % selectivity. Due to their high conductivities, mostly perovskites or a combination of fluorite- and spinel-phases are used as OTM-materials. Depending on the application, OTMs can be used either directly for the oxygen production or in a so-called membrane reactor where chemical reactions are controlled by selective oxidation of particular reactants. This work examines the so-called “oxyfuel-combustion”, where fossil fuels like coal are combusted under pure oxygen atmosphere in a power plant, to reduce \NOx-emissions and make the combustion more efficient. A OTM-module implemented in the power plant should provide the needed amount of oxygen. The flue gas of such a oxyfuel power plant consist, except for H2O and traces of SO2, of a pure CO2-stream which can be directly used for Carbon Dioxide Capture and Storage. To reduce the high temperatures occurring in the oxyfuel-combustion and to flush the oxygen from the membrane module, usually recycled flue gas is used. Unfortunately some of the most promising OTM-materials show degradations facing CO2 and CO from the flue gas. Therefore a new concept was invented, where water vapor is used to sweep the membrane instead of the aggressive flue gas. On this point the current work deals with lab-scale experiments on different membrane materials in a permeation measurement setup with humidified sweep gas. Several OTM-materials are investigated concerning their long-term stability and the degradation of the permeation performance while using different amounts of water vapor in the sweep. All tested materials show a decreasing permeation rate for oxygen with increasing water content. The reason for this declined performance can be explained by miscellaneous materials corrosion and degradation mechanisms, which are discussed in the results part.

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