Katalytisch-thermische Entsorgung methanhaltiger Schwachgase - MethaKat. Abschlussbericht: Laufzeit des Vorhabens 01.10.2006 bis 31.03.2010, Berichtszeitraum 01.10.2006 bis 31.03.2010; FKZ: 01LS05016

Im Projekt wurde eine robuste und preiswerte Technologie zur Schwachgasentsorgung von Deponie- und Grubengasen entwickelt und erfolgreich getestet. Kernstück ist dabei ein Katalysatoreinsatz, welcher aus einem katalytisch beschichteten Trägermaterial besteht. Der Nachweis der Technologietauglichkeit des entwickelten Systems wurde über drei Entwicklungsstufen erbracht: Zunächst erfolgte im Labormaßstab die Entwicklung einer stabilen Materialkombination Träger Katalysator, was auch die Entwicklung eines Verfahrens zur Beschichtung von Schaumkeramiken mitfunktionellen Katalysatorschichten beinhaltete. Dabei wird die Schaumkeramik in eine Suspension mit speziell eingestellten rheologischen Eigenschaften getaucht und anschließend mit einer Zentrifuge abgeschleudert. Als Katalysatorträger wurden dafür keramische Schäume mit guter thermomechanischer Stabilität und hoher Permeabilität entwickelt. Durch die anschließende Stabilisierung dünner Katalysatorschichten auf den hochpermeablen Strukturen wurde die Funktionalisierung des Keramikträgers erreicht. Mit dieser Technik wurden verschiedenste sehr gute, abriebfeste Materialkombinationen Träger/Katalysator hergestellt und getestet. Die Größe der Proben im Labormaßstab betrug: d = 28 mm und I = 30 mm. Die Bewertung der Katalysatoren erfolgte am IEC Freiberg mittels Katalysatorteststand. Anhand dieser Ergebnisse konnte eine optimale Materialpaarung für einen aktiven Katalysator zur Entsorgung von methanhaltigen Schwachgasen festgelegt werden. Diese besteht aus: (i) Siliciumcarbid-(SiC)-Schaumkeramik mit rauer Oberfläche, (i) einer Mullitsperrschicht welche die Reaktion zwischen SiO2 und Calciumaluminat verhindern soll, (i) einer Calciumaluminatschicht mit Manganoxid-Imprägnierung. Da der Katalysatoreinsatz im Betrieb starken thermischen Wechselbeanspruchung sowie extremen Temperaturgradienten ausgesetzt ist, wurde im Anschluss an Untersuchungen der katalytischen und thermischen Effekte durch das IEC am IKTS eine qualitative Thermospannungsanalyse durchgeführt. Als Simulationsergebnis wurde die thermomechanischen Belastungen der Katalysatorbausteine im Reaktor simuliert und daraus eine optimale geometrische Auslegung der Katalysator- Formteile abgeleitet. Die im Labormaßstab gewonnen Erkenntnisse zur Materialentwicklung wurden darüber hinaus durch IKTS und Pall in den nächst größeren Maßstab für die Teststrecke übertragen. Im Zuge der Herstellung von Katalysatorbauteilen für diese Teststrecke wurden einerseits die zylindrischen Schaumkeramikträger (∅ 10cm, I 15cm) und andererseits die Suspensionen für die Mullit-Zwischenschicht sowie die Katalysatorschicht erfolgreich an den nächsten größeren Maßstab angepasst. Im Rahmen der Untersuchungen wurde darüber hinaus ein Konzept zur Modifizierung der Schaumkeramiken erarbeitet, mit dem es möglich ist die Wanderungsgeschwindigkeit der Reaktionszone zu beeinflussen. In Anlehnung an die Ergebnisse aus der Laboranlage sowie der Teststrecke wurde am IEC eine Reaktormodellierung vorgenommen, mit deren Hilfe es möglich war Hinweise zur Einstellung von Parametern für den erfolgreichen Betrieb der Teststrecke sowie der Pilotanlage zu generieren. Mit Hilfe des Reaktormodells sowie durch das erfolgreiche material- und verfahrenstechnische Upscaling wurden realistischen Rahmenbedingungen für den Bau und Betrieb der Pilotanlage geschaffen werden. Mit der Errichtung und Inbetriebnahme einer Pilotanlage mit abgestimmter Verfahrens- und Anlagentechnik durch die Firmen LAMBDA und CDM konnte abschließend der Nachweis für die Einsatztauglichkeit der entwickelten Technologie im Regelbetrieb erbracht werden. Dazu wurden die Erfahrungen aus dem Testbetrieb auf der Deponie Castrop-Rauxel in den Pilot-Maßstab übertragen. In der Fackelanlage der Deponie wurden vom IKTS sowie von Pali verschiedene unbeschichtete und beschichtete 1,50 m hohe Katalysatoreinsätze mit einem Durchmesser von 0,5 m bereitgestellt und durch die Firma LAMBDA sowie CDM integriert. Die Zerlegung des zylindrischen Katalysatoreinsatzes in 170 Einzelsegmente beruhte auf den Ergebnissen der thermomechanischen Simulationsrechnungen. Zusätzlich wurden Kernsegmente in den Zellweiten ppi20 und ppi45 hergestellt, so dass mit dem neuen Katalysatordesign eine Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht werden konnte