Entwicklung eines neuartigen edelmetallfreien und SO2-resistenten Katalysators für die langzeitstabile Oxidation von CH4, CH2O und CO im Abgas von stationären Gasmotoren; Teilvorhaben 2: Demonstratorentwicklung und Erprobung anwendungsnaher Katalysatoren (MethOx)

Abstract

Projektbeschreibung: Bei der motorischen Verbrennung von Biogas entstehen in geringem Umfang Emissionen wie z. B. Methan, die einen höheren Treibhausgasfaktor haben im Vergleich zu CO2. Die bisherigen technischen Lösungen, wie die Methanoxidation an Edelmetallkatalysatoren, erreichen nur eine unzureichende Minderung der Emissionen oder eine ungenügende Standzeit und können die geplanten Abgasgrenzwerte nicht mehr einhalten. Insbesondere ist die Schädigung der Katalysatoren durch Schwefel im Biogas dafür verantwortlich. Mit dem Projektziel, der Entwicklung eines neuartigen edelmetallfreien und schwefelresistenten Katalysators für die Oxidation von Methan (CH4), Formaldehyd (CH2O) und Kohlenmonoxid (CO) im Abgas von stationär betriebenen mageren Gasmotoren, soll eine neue technische Lösung gefunden werden. Die DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH arbeitet zusammen mit der Professur Reaktionstechnik der TU Bergakademie Freiberg und der Völkl Motorentechnik GmbH an der Demonstratorentwicklung und Erprobung anwendungsnaher Katalysatoren und unterstützt im Projekt mit Modellierungen und experimentellen Untersuchungen die Entwicklung. Projektergebnisse: In dem Projekt MethOx wurde zusammen mit den Projektpartnern ein schwefelresistenter Katalysator entwickelt, welcher bei Gasmotoren eingesetzt werden kann, um die Emissionen von Kohlenmonoxid, Formaldehyd und Methan so weit zu senken, dass die aktuellen Vorschriften der TA-Luft eingehalten werden können. Die giftigen Schadstoffe wie Kohlenmonoxid und Formaldehyd konnten bereits bei geringer Temperatur zu über 80 % entfernt werden. Das Treibhausgas Methan, welches aus dem Schlupf der Verbrennung rührt, konnte mit dem entwickelten Katalysator bei hoher Temperatur messbar reduziert werden. Dazu wurden am DBI nach der Konzeptentwicklung die vorausgewählten katalytischen Materialien auf einem Monolithen unter Laborbedingungen getestet und die Performance mit kommerziellen Edelmetallsystemen verglichen. Das beste System wurde unter Realabgas untersucht und auf Demonstratormaßstab skaliert. Der Einfluss von Katalysatorgiften auf die Performance und Dauerstabilität wurde ebenfalls untersucht und mit den Edelmetallsystemen verglichen. Abschließend erfolgte die wissenschaftlich-technische Auswertung der Versuche und die Handlungsempfehlung für die Weiterentwicklung. Es konnte bei den edelmetallfreien Katalysatoren eine Degradation beobachtet werden, allerdings wurde ein Zusammenhang mit SO2 nicht nachgewiesen. Datei-Upload durch TIB Project objective: The engine combustion of biogas produces a small amount of emissions such as methane, which has a higher greenhouse gas factor than CO2. Previous technical solutions, such as methane oxidation on precious metal catalytic converters, only achieve an insufficient reduction in emissions or an insufficient service life and can no longer comply with the planned exhaust gas limits. In particular, the damage to the catalysts caused by sulphur in the biogas is responsible for this. The aim of the project is to find a new technical solution by developing a new type of precious metal-free and sulphur-resistant catalyst for the oxidation of methane (CH4), formaldehyde (CH2O) and carbon monoxide (CO) in the exhaust gas of stationary lean-burn gas engines. DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH is working together with the Chair of Reaction Engineering at TU Bergakademie Freiberg and Völkl Motorentechnik GmbH on the development and testing of application-oriented catalysts and is supporting the project with modeling and experimental studies. Project results: In the MethOx project, a sulphur-resistant catalytic converter was developed together with the project partners, which can be used in gas engines to reduce emissions of carbon monoxide, formaldehyde and methane to such an extent that the current TA-Luft regulations can be complied with. Over 80 % of toxic pollutants such as carbon monoxide and formaldehyde can be removed even at low temperatures. The greenhouse gas methane, which results from combustion slip, could be measurably reduced at high temperatures with the catalyst developed. Following concept development, the pre-selected catalytic materials were tested on a monolith under laboratory conditions at the DBI and the performance compared with commercial precious metal systems. The best system was tested under real exhaust gas conditions and scaled up to demonstrator scale. The influence of catalyst poisons on the performance and long-term stability was also investigated and compared with the precious metal systems. Finally, the scientific and technical evaluation of the tests and recommendations for further development were made. Degradation was observed in the precious metal-free catalysts, although a correlation with SO2 was not proven.