Methanverbrennung für erdgasbetriebene Kraftwerke optimiert

Neues Katalysator-Material für Hochtemperatur-Prozesse

Cambridge/Massachusetts (pte013/14.03.2000/11:00)

Ein weißes, flaumiges Pulver, ähnlich frischgefallenem Schnee an einem sehr kalten Tag - dieses Pulver kann Temperaturen bis 1.300 °C widerstehen. Das neue am Massachusetts Institute of Technology (MIT) http://www.mit.edu:8001/ entwickelte Material erleichtert es Methan zu verbrennen, der Hauptbestandteil von Erdgas, während es deutlich die Emission von Schadstoffen aus erdgasbetrieben Kraftwerken reduziert. Weiter ebnet der Herstellungsprozess dieses Katalysators den Weg für die Herstellung anderer Materialien zur Verbesserung anderer Hochtemperatur-Prozesse.

Erdgas produziert weniger CO2 als jeder andere fossile Brennstoff. Aber es ist schwer zu verbrennen, da hohe Temperaturen nötig sind (um 1.400°C) um eine stabile Flamme zu erhalten. Die Temperaturen können bei der Verbrennung noch weiter steigen. Unter anderen Nachteilen verbinden sich bei diesen Temperaturen Stickstoff und Sauerstoff der Luft zu Stickoxiden, einem Schadstoff, der zu saurem Regen und Smog beiträgt. Das Verbrennen bei niedrigeren Temperaturen würde weniger NOx erzeugen und die Emission von Treibhausgasen wie unverbranntem Methan reduzieren.

Die Forscher stellten den neuen BHA-(Bariumhexaaluminat)-Katalysator mit Hilfe einer Mikroemulsion her, in der nanometergroße Wasser-Tröpfchen in Öl suspendiert sind. Jedes Tröpfchen ist ein kleiner Reaktor, denn die zugefügten Hauptbestandteile des Katalysators bewegen sich vom Öl in die Wassertröpfchen, wo sie reagieren. Eine abschließende Wärmebehandlung vervollständigt den Prozess. Bei der konventionellen Herstellung von BHA benutzt man ein Material, das vor der Wärmebehandlung schlecht gemischt ist. Deshalb muss die Kristallisation bei hohen Temperaturen ablaufen, was die einzelnen Partikel stark wachsen lässt, die Gesamt-Oberfläche reduziert und die Light-off-Temperatur auf 700 °C begrenzt.

Bei dem neuen Prozess erzeugt die Diffusion der Bestandteile in die Wassertröpfchen eine viel homogenere Mischung, dadurch kann die abschließende Wärmebehandlung zur Kristallisation bei tieferen Temperaturen geführt werden. Da bei tieferen Temperaturen das Wachstum der Partikel unterdrückt wird, bleibt die große Oberfläche des BHA erhalten und erlaubt letztlich eine geringere Light-off-Temperatur. Die neuen BHA-Kristalle haben einen Durchmesser von nur 30 Nanometer, sogar bei 1.300 °C, wodurch ihre Oberfläche 10mal größer als bei konventionell hergestelltem BHA ist. Und die Light-Off-Temperatur sinkt auf 600 °C.

Ein anderes Material - Ceria - ist ein aktiver Katalysator bei tiefen Temperaturen. Oberhalb von 600 °C ballen sich die Ceria-Kristalle zusammen und zerstören das Material. Die Lösung: Ceria wird zur Mikroemulsion bei der BHA-Herstellung dazugegeben. Das Ceria diffundiert ebenfalls in die Wassertröpfchen. Dadurch erhalten die BHA-Partikel einen diskreten Überzug von Ceria. Da die Ceriakristalle mit dem BHA verankert und gegenseitig separiert sind, können sie sich auch bei hohen Temperaturen nicht zusammenklumpen. Das ceria-bedeckte BHA hat eine Light-off-Temperatur um 400 °C und kann Temperaturen über 1.100°C widerstehen. Der Katalysator ist stabil gegenüber Wasserdampf und anderen potentiellen Verschmutzungen. Das Patent ist beantragt. Informationen: Dr. Jackie Ying, MIT, E-Mail: jyying@mit.edu (stpnews) (Ende)