Experimental investigations of thermo-catalytic methane pyrolysis in a fluidised bed reactor

Abstract

Current state of the art hydrogen production is performed by steam methane reforming. This process emits vast amounts of climate damaging carbon dioxide and is therefore not suitable for future applications, or – at the least – necessitates the use of a carbon capture and storage unit. Electrolysis as a renewable way for hydrogen production requires renewable electricity and is not yet ready for the production of hydrogen in large-scale. Decomposition of methane or natural gas is an alternative form of hydrogen production without emission of carbon dioxide and without massive energy requirements. After presenting a theoretical overview of the subject, this thesis studies the catalytic decomposition of methane in a small-scale fluidised bed reactor. Various bed materials were employed: Limestone, Activated carbon, Ilmenite, and Iron. Deactivation of the bed material showed to be problematic especially using limestone and activated carbon. Activated carbon was treated with CO2 and steam, respectively, to regain its activity. The downsides were additional energy requirements and carbon emissions. Carbon deposits on iron exhibited self-catalytic properties and high conversion rates. Thus, iron can be seen as most promising candidate for the thermo-catalytic decomposition of methane.

Der überwiegende Teil des heutzutage industriell eingesetzten Wasserstoffs wird über die Methandampfreformierung erzeugt. Bei diesem Verfahren werden große Mengen an klimaschädlichem Kohlendioxid freigesetzt, sodass es für künftige Anwendungen ungeeignet ist oder zumindest eine Anlage zur Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid erforderlich macht. Die Elektrolyse als erneuerbare Methode zur Wasserstofferzeugung erfordert große Mengen an Energie, die derzeit nicht vollständig erneuerbar erzeugt werden können. Die Zersetzung von Methan oder Erdgas ist eine alternative Form der Wasserstofferzeugung ohne Emission von Kohlendioxid und ohne massiven Energiebedarf. Nach einem theoretischen Überblick über die Thematik wird in dieser Arbeit die katalytische Zersetzung von Methan in einem Wirbelschichtreaktor in kleinem Maßstab untersucht. Es wurden verschiedene Bettmaterialien verwendet: Kalkstein, Aktivkohle, Ilmenit und Eisen. Die Deaktivierung des Bettmaterials erwies sich insbesondere bei Kalkstein und Aktivkohle als problematisch. Aktivkohle wurde mit CO2 bzw. Dampf behandelt, um ihre Aktivität wiederzuerlangen. Nachteilig waren der zusätzliche Energiebedarf und die Kohlenstoffemissionen. Kohlenstoffablagerungen auf Eisen wiesen selbstkatalytische Eigenschaften und hohe Methanumsätze auf. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Eisen als Katalysator somit die vielversprechendsten Eigenschaften aufweist.