„Keiser-Rigs“ setzen Materialien auf Hochtouren, um Produkte für Leistung und Vortrieb zu verbessern

"Wir konnten Tests in einer Vielzahl von Hochdruckgasatmosphären durchführen - in reinem Dampf, reinem Wasserstoff, reinem Sauerstoff und einer Vielzahl von korrosiven Mischgasen", sagte Jim Keiser von ORNL. 1991 baute Keiser zusammen mit Irv Federer zwei identische Systeme mit einzigartigen Fähigkeiten, die Temperatur- und Druckbedingungen erzeugen konnten, die in Laborumgebungen nur schwer reproduzierbar waren - so schwierig, dass zu Beginn der Bemühungen viele dachten, dass dies nicht möglich wäre . Die Systeme, die sie bauten, setzten Materialien Temperaturen (bis zu 1.400 ° C) und Drücken (bis zu 34 bar) aus, die strenger waren als die typischen Methanreformer, die Wasserdampf mit Methan unter Bildung von Wasserstoff und Kohlenstoff reagieren Monoxid für die chemische Prozessindustrie. Die Öfen - verpackt in glänzenden Metallwürfeln, die so groß wie Kühlschränke sind - wurden als "Keiser-Rigs" bezeichnet.

Keiser und Federer bauten die Testkammern, als Stone & Webster, ein in Massachusetts ansässiges Ingenieurdienstleistungsunternehmen, die Wissenschaftler von ORNL um Hilfe bei der Bewertung der Haltbarkeit von Keramikrohren für Wärmetauscher bat. Wenn Keramikrohre extremen Umgebungen standhalten könnten, in denen Rohre aus anderen Materialien stark korrodieren, könnten sie die Effizienz industrieller Prozesse erhöhen. Es stellte sich heraus, dass die Verbindungsstellen zwischen den Keramikrohren und dem Metallkopf des Wärmetauschers viel früher versagten als die Rohre, so dass das Projekt beendet wurde. Die Keiser-Anlagen lebten dagegen weiter und vermehrten sich sogar. Drei arbeiten jetzt bei ORNL.

Die Keiser-Bohrinseln standen dann in einem Großprojekt vor der Tür, um die besten Brennkammermaterialien für eine Gasturbine zu finden, die im Industriewerk Malden Mills in Massachusetts installiert werden sollte. Zwischen 1997 und 1999 führten die gemeinsamen Bemühungen von Solar Turbines, ORNL, Pratt & Whitney, Argonne National Laboratory von DOE, BF Goodrich und Honeywell Advanced Composites zur Entwicklung eines erdgasbetriebenen Turbinentriebwerks von Solar Turbines mit Brennkammerauskleidungen aus Endlosfasern Keramikverbundwerkstoffe oder CFCCs. Als es 1999 in Betrieb ging, wies es die niedrigsten Emissionen aller kommerziellen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen in den Vereinigten Staaten auf.

Bei CFCCs sind Keramikfasern von einer Schutzbeschichtung umgeben und in eine Keramikmatrix eingebettet. Um die besten Materialien für Malden Mills und andere Gasturbinenanwendungen zu identifizieren, haben die ORNL-Forscher und die Community im Allgemeinen CFCCs auf der Basis von Siliziumkarbid oder SiC an ihre Grenzen gebracht. Diese CFCCs handhabten Wärme besser als die meisten Metalllegierungen und schützten sie durch Umweltsperrbeschichtungen vor dem Hochdruckverbrennungsgas, das eine Turbine zur Stromerzeugung drehte.

Mit der Finanzierung durch das DOE-Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien in den 1990er und frühen 2000er Jahren untersuchten Forscher der damaligen ORNL-Abteilung für Metalle und Keramik viele Kandidaten-CFCCs, von denen die meisten von Partnerunternehmen hergestellt wurden. Zu diesen vielversprechenden Materialien gehörten SiC-Fasern, die in eine SiC-Matrix eingebettet waren (als "SiC-SiC" -Komposite bezeichnet), und Komposite auf Oxidbasis. Darüber hinaus stellte Rick Lowden mithilfe des chemischen Aufdampfprozesses von ORNL Verbundwerkstoffe mit einer Vielzahl von Fasern und Faserbeschichtungen her. Edgar Lara-Curzio bewertete die mechanischen Eigenschaften der Materialien - wie die Festigkeit beim Dehnen und Biegen sowie die Spannungsreaktionen, einschließlich Ermüdung, Kriechen und Reißen. Dann setzte Pete Tortorelli die Materialien extrem hohen Temperaturen und Drücken in den Keiser-Anlagen und anderen Testumgebungen aus.

In der Regel testete das Team Materialproben in Coupongröße in der Anlage 500 bis 2.000 Stunden lang und extrapolierte Daten zu den Abbauraten, um vorherzusagen, wann Materialien ausfallen würden. Die Datenaufzeichnungen zeigten, dass die meisten CFCC-Materialien auf SiC-Basis ohne Schutzbeschichtung innerhalb von 5.000 Stunden versagten.

"Es war unsere Aufgabe zu verstehen, wie sich die CFCCs verschlechtern", sagte Karren More, der eine mikrostrukturelle Charakterisierung von CFCCs durchführte, die mit verschiedenen Materialien und Methoden hergestellt wurden. Beim Vergleich identischer Materialien, die harten Bedingungen entweder in den Keiser-Prüfständen oder in den Motortests ausgesetzt waren, stellte More fest, dass der Mechanismus des Abbaus derselbe war. "Auf der anderen Seite des Gasstrompfades würde es aufgrund der Verflüchtigung des Materials zu Rezessionen oder Materialverlusten kommen", erklärte sie.

Fast zwei Jahrzehnte, nachdem in Malden Mills ein Emissionsrekord erreicht wurde, sind die Keiser-Anlagen noch immer stark. "Es stehen nur sehr wenige ähnliche Einrichtungen zur Verfügung, daher erhält Jim regelmäßig Anfragen aus der Industrie, die Geräte zu verwenden", sagte Bruce Pint, Leiter der ORNL-Gruppe für Korrosionswissenschaft und -technologie.

Da die Erhöhung der Dampftemperatur und des Dampfdrucks die Effizienz von Kesseln und Turbinen verbessert, wurden Keiser-Anlagen auch von einem Konsortium intensiv genutzt, um Materialien für die nächste Generation von hocheffizienten Kohlekesseln zu entwickeln, so Pint. Typische Vorgänge werden bei Temperaturen im Bereich von 500 bis 800 ° C (930 bis 1.470 ° F) und Drücken stattfinden, die das 30-fache der Erdatmosphäre auf Meereshöhe erreichen.

Weniger als 6 Monate nach der Nuklearkatastrophe von Fukushima Daiichi im Jahr 2011, bei der der Verlust von Reaktorkühlmittel zu drei Kernschmelzen führte, wurde eine Keiser-Anlage eingesetzt, um die während des Unfalls erreichten Temperatur- und Druckbedingungen zu simulieren und neue mögliche Brennstoffhüllen bis zu 1.350 Grad zu untersuchen C (2.460 Grad F). Die daraus resultierende Publikation wurde mit dem Best Paper Award 2013-2014 des Journal of Nuclear Materials ausgezeichnet.

Derzeit ist ein Keiser-Prüfstand Dampftestmaterialien für das Electric Power Research Institute. Für eine Studie des DOE Office of Fossil Energy evaluiert eine andere Anlage von Keiser strukturelle Legierungen für ein neues Verbrennungskonzept, das als stufenweise druckbeaufschlagte Oxy-Verbrennung bezeichnet wird und auf eine sauberere Nutzung von Kohle abzielt.

Das erneute Interesse an keramischen Verbundwerkstoffen könnte in Kürze eine Keiser-Anlage wieder in Betrieb nehmen - diesmal, um ihr Potenzial in neueren Turbinentriebwerken zu bewerten.