Hydrogen separation from producer gas generated by biomass steam gasification

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Pilotanlage ausgelegt, konstruiert und optimiert um Wasserstoff aus dem Produktgas einer Biomasse-Dampf-Vergasung abzutrennen. Die Versuchsanlage mit einer Kapazität von 6 Nm3trocken/h Produktgas wurde am Standort des Biomassekraftwerks Oberwart (Österreich) betrieben. Das Anlagekonzept ist auf einer dreistufigen Prozesskette basiert: (1) Gasreinigung in einem Gaswäscher mit organischem Lösungsmittel, (2) Wasserstoffanreicherung mittels Membrantrennverfahren, und (3) Abschlussreinigung des Wasserstoffes über Druckwechseladsorption (DWA).<br />Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM) wurde eingesetzt, um Strom durch elektrochemische Umsetzung des in der Pilotanlage abgetrennten Wasserstoffes (BioH2) zu erzeugen.<br />Es wurde eine umfangreiche Parameterstudie aller Prozesseinheiten durchgeführt. Hierbei wurden die Hauptgasbestandteilen, Schwefelverbindungen, Benzol, Toluol, Xylol, Naphthalin, Teer und Ammoniak entlang der Prozesskette quantifiziert. Eine maximale Wasserstoffrückgewinnung von 0,55 in der Membrantrennanlage und 0,85 in der DWA-Anlage konnte erreicht werden.<br />Ein kontinuierlicher Betrieb der Pilotanlage mit Produktgas wurde erreicht und dabei wurde die Erzeugung von hochreinem Wasserstoff erzielt. Hauptverunreinigen im Raffinatprodukt (reiner Wasserstoff) waren Stickstoff (< 0,06 vol.%) und Sauerstoff (< 0,03 vol.%).<br />Kohlenmonoxid und Methan sind in Konzentrationen um zwei Größenordnungen niedriger im Produkt vorgelegen.<br />Langzeitperformance der Prozesskette zur Wasserstoffabtrennung wurde in vier Langzeittests von jeweils 100 Stunden sowie in einem weiteren von 500 Stunden erforscht. In Summe wurde die Pilotanlage etwa 1000 Stunden betrieben. Leistungseinbußen wurden im Laufe des Langzeitbetriebs nicht festgestellt, auch nicht unter strengeren Betriebsbedingungen der Pilotanlage.<br />Die hohe Qualität des abgetrennten BioH2 wurde durch den kontinuierlichen Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle unter Beweis gestellt. Im Vergleich vom Betrieb mit reinem Wasserstoff (gemäß ISO 14687) konnten beim 111-stundigen Betrieb mit BioH2 keine Leistungseinbußen in der Brennstoffzelle beobachtet werden.<br />

In the present work a pilot plant was designed, built and optimized to separate the hydrogen from a 6 Nm3dry/h side stream of producer gas generated in the biomass gasification plant Oberwart, in Austria. The design was based on a three-step process: (1) gas cleaning in a scrubber with organic solvent, (2) hydrogen enrichment in a membrane separation unit, and (3) hydrogen purification in a pressure swing adsorption (PSA) unit. A proton exchange membrane (PEM) fuel cell unit was used to generate electricity by electrochemical conversion of hydrogen produced in the pilot plant.<br />An extensive parameter study of the process units, linked with exhaustive chemical analyses of all process streams was carried out, including quantification of the main gas components; sulfur, benzene, toluene, xylenes, naphthalene, ammonia, and tar content. Maximum achievable hydrogen recoveries were 0,55 in the membrane separation unit and 0,85 for the PSA unit.<br />Continuous operation of the pilot plant with producer gas was achieved and the production of hydrogen with high purity was accomplished. Main impurities in the raffinate product stream (clean hydrogen) are nitrogen (< 0,06 vol.%), and oxygen (< 0,03 vol.%), and in quantities two orders of magnitude lower, carbon monoxide and methane are also present.<br />Long-term performance of the studied process to separate hydrogen from producer gas was investigated in four separated long-term tests of 100 hours and a single test of 500 hours, completing a total accumulated pilot plant operation time of nearly 1000 hours. Performance degradation effects in the process units were not observed under operation at harsher conditions nor at longer pilot plant operation times.<br />High hydrogen quality of the raffinate product (BioH2) from the studied pilot plant was achieved, and proven with the continuous operation of a PEM fuel cell powered by this raffinate product. No meaningful differences during the tests were observed between 111 hours of fuel cell operation with BioH2 and fuel cell operation with commercial high-purity hydrogen (ISO 14687 grade).