Transporteigenschaften gemischtleitender Hochtemperaturmembranen zur Sauerstoffabtrennung

Engels, Stephan; Modigell, Michael (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2012)
Doktorarbeit

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wird der Stofftransport durch gemischtleitende Hochtemperaturmembranen mit der Zusammensetzung Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-d (BSCF) zur Sauerstoffabtrennung aus Luft untersucht. Dabei werden alle relevanten Stofftransportwiderstände berücksichtigt und deren Einfluss auf den Sauerstofffluss durch die Membran analysiert. Hierzu werden experimentelle Untersuchungen zur O2-Permeationsrate und CFD-Simulationen der Versuchsstände durchgeführt und Modelle zur Beschreibung des Stofftransportes über eine inverse Parameteranpassung validiert. Die CFD-Simulation bietet dabei einen örtlich hochaufgelösten Einblick in die sonst messtechnisch unzugänglichen Bedingungen nahe der Membranoberfläche, die entscheidend für den Sauerstofftransport über die Membran sind. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, die intrinsischen Materialkonstanten CWagner und KWagner der Wagner-Gleichung und die charakteristische Membrandicke LC(T) zu ermitteln. Des Weiteren lassen sich mögliche Konzentrationspolarisationeffekte in den Gasphasen und die Transportwiderstände des Sauerstofftransportes wie Bulktransport im Membranmaterial, Oberflächenaustausch und Gasphasentransport bestimmen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass der O2-Stofftransport durch BSCF-Membranen bei Temperaturen oberhalb von 800°C nur geringfügig vom Oberflächenaustausch limitiert wird und so eine Steigerung der O2-Permeationsrate durch eine weitere Verringerung der Membrandicke möglich ist. Festgestellt wird weiter, dass es zu teilweise deutlichen Konzentrationspolarisationseffekten kommt, die den Sauerstofftransport über der Membran maßgeblich beeinflussen. Dabei können die feed- und permeatseitigen Gasphasenwiderstände zusammen bis zu 40% des Gesamtwiderstandes ausmachen. Weiter wird der Einfluss von den Schadgaskomponenten CO2, SO2 und ausgedampften Chromverbindungen auf den Sauerstofftransport untersucht. Hierzu werden perowskitische (BSCF, Sr0,5Ca0,5Mn0,8Fe0,2O3-d) und perowskitähnliche Materialien (La2NiO4+d) experimen-tell untersucht und auf ihre Einsatzfähigkeit im OXYCOAL-AC Kraftwerksprozess hin beurteilt. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass Membranen aus BSCF die höchsten O2-Permeationsraten aufweisen, jedoch bei Kontakt zu CO2-reichem Spülgas Degradationseffekte auftreten, die zu einem Rückgang der O2-Permeationsrate führen. Die Membranmaterialien SCMF und La2NiO4+d zeigen hier eine bessere Stabilität gegenüber CO2. Unter Einfluss von 360 ppm SO2 sind diese jedoch ebenfalls nicht einsetzbar. Darüber hinaus zeigt sich in Langzeittests, dass sowohl BSCF als auch SCMF mit ausgedampften CrO3 reagiert, welches zu einem langsamen Abfall der O2-Permeationsrate führt.

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