Erschwingliches Gerät macht Haushaltsöfen sauberer, sicherer und langlebiger

Von Oak Ridge National Laboratory, 16. März 2023

Der preisgekrönte Ultraclean-Kondensations-Hocheffizienz-Erdgasofen von ORNL verfügt über eine erschwingliche Zusatztechnologie, die mehr als 99,9 % der sauren Gase und anderen Emissionen entfernen kann. Die Technologie kann auch zu anderen erdgasbetriebenen Geräten hinzugefügt werden. Bildnachweis: Jill Hemman/ORNL

Erdgasöfen heizen nicht nur Ihr Zuhause, sondern verursachen auch eine erhebliche Menge an Umweltverschmutzung.

Selbst moderne Hochleistungs-Brennwertöfen erzeugen erhebliche Mengen an ätzendem Säurekondensat und gesundheitsschädliche Mengen an Stickoxiden, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Methan. Diese Emissionen gelangen typischerweise in die Atmosphäre und verschmutzen letztendlich unseren Boden, unser Wasser und unsere Luft.

Jetzt haben Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des Energieministeriums eine erschwingliche Zusatztechnologie entwickelt, die mehr als 99,9 % der sauren Gase und anderen Emissionen entfernt, um einen hochreinen Erdgasofen zu erzeugen. Diese Sauergas-Reduktions- oder AGR-Technologie kann auch zu anderen erdgasbetriebenen Geräten wie Warmwasserbereitern, gewerblichen Heizkesseln und Industrieöfen hinzugefügt werden.

„So wie Katalysatoren dazu beitragen, die Emissionen von Milliarden von Fahrzeugen weltweit zu reduzieren, kann die neue AGR-Technologie problematische Treibhausgase und saure Kondensation, die von heutigen neuen und bestehenden Gasöfen für Privathaushalte erzeugt werden, praktisch eliminieren“, sagte Zhiming Gao, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei ORNLs Energy Science and Technology Direktion. „Ein umweltfreundliches Kondensat macht die Verwendung korrosionsbeständiger Edelstahlmaterialien für Ofenwärmetauscher überflüssig, was die Herstellungskosten senkt.“

Um die Wirksamkeit der Säuregasreduktion in einem Ofen zu demonstrieren, stellten die Forscher einen AGR-Katalysator her, schlossen ihn in ein Metallgehäuse ein und installierten das Gerät in einem handelsüblichen Hochleistungs-Kondensationsofen. Die Ergebnisse eines 400-stündigen Zuverlässigkeits- und Haltbarkeitstests zeigten, dass der AGR schädliche Emissionen fast vollständig aus dem Rauchgas entfernte und ein nicht saures Kondensat mit einem neutralen pH-Wert erzeugte.

Um den internen Zustand und die Rußverteilung des AGR nach dem Test zu untersuchen, ohne die Gasdurchflusskanäle des Geräts zu beschädigen, verwendeten die Wissenschaftler Neutronen-Computertomographie am High Flux Isotope Reactor (HFIR) des ORNL. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen können Neutronen das Metallgehäuse durchdringen und Bilder aufnehmen, die dann zur Erstellung von 2D- und 3D-Darstellungen des verwendeten Geräts verwendet werden.

„Solche Erkenntnisse werden verbesserte AGR-Gerätedesigns für ein gleichmäßigeres und selbstreinigenderes Gasströmungsmuster ermöglichen“, sagte Gao. „Dies wird auch dazu beitragen, übermäßige Rußansammlungen zu verringern und die Leistung von AGR-fähigen Öfen zu verbessern.“

Rußpartikel, die typischerweise durch die unvollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entstehen, enthalten erheblich Wasserstoff. Neutronen eignen sich besonders gut zur Erkennung und Kartierung von Wasserstoff und anderen leichten Elementen.

„Neutronenbildgebung und -kartierung nach dem AGR-Test lieferten Details darüber, wie das Rauchgas durch den AGR strömte, was die starke Ansammlung von Rußpartikeln in der Mitte des Katalysators offenbarte“, sagte Yuxuan Zhang vom ORNL, ein Neutroneninstrumentenwissenschaftler am HFIR.

Die AGR-Technologie würde es Ofenherstellern ermöglichen, Materialien zu verwenden, die erschwinglicher sind als die in den meisten Wärmetauschern verwendeten Edelstähle. Diese erhöhte Erschwinglichkeit könnte es Ofenherstellern ermöglichen, mehr hocheffiziente Öfen zu verkaufen, die den von Kalifornien vorgeschlagenen neuen Standards für Emissionen von Wohn- und Gewerbeöfen entsprechen.

„Derzeit erfordern AGR-fähige Öfen unter normalen Nutzungsbedingungen etwa alle drei Jahre eine Offline-Regeneration des Geräts“, sagte Gao. „Die AGR-Einheit könnte von einem Hausbesitzer oder Techniker entfernt und zu einem Regenerations- und Recyclingstandort gebracht werden. Dies wäre vergleichbar mit der Art und Weise, wie Verbraucher ihre leeren Erdgastanks für ihren Außengrill zum Händler bringen, um sie gegen volle Tanks einzutauschen.“

Referenz: „Zerstörungsfreie Neutronenbilddiagnose eines Säuregas-Reduktionskatalysators nach 400-Stunden-Betrieb in einem Erdgasofen“ von Zhiming Gao, Yuxuan Zhang, Shuo Qian, Weiwei Yang, Zili Wu, Kyle Gluesenkamp, ​​Kashif Nawaz und Anthony Gehl, 2. November 2022 , Chemical Engineering Journal.DOI: 10.1016/j.cej.2022.140099

Im Jahr 2022 erhielt die ORNL AGR-Technologie die begehrte R&D 100-Auszeichnung und wurde für gezielte Investitionen im Rahmen des Technology Innovation Program des ORNL ausgewählt.

Die Forschung wurde vom DOE Building Technologies Office gesponsert und nutzte Ressourcen des Building Technologies Research and Integration Center (HFIR) des ORNL und des Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS).