H2 und CH4 Abtrennung aus dem Produktgas einer Zweibett-Wirbelschicht-Biomasse-Dampfvergasung mittels Druckwechseladsorption

Abstract

Als ein mögliches regeneratives und CO2 neutrales Verfahren zur Wasserstoffherstellung wird derzeit die Zweibett-Wirbelschicht-Biomasse-Dampfvergasung mit anschließender Shiftreaktion (Konvertierung von Kohlenmonoxid und Wasserdampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff) angesehen. Das dabei entstehende Produktgas besteht nach der Shiftreaktion im Wesentlichen aus Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid, Methan und einem geringen Anteil Kohlenstoffmonoxid. Dieses Produktgas ermöglicht - im Gegensatz zur festen Biomasse - eine vielfältige Einsetzbarkeit zur Erzeugung von Wärme und Strom aber auch zur Erzeugung von synthetischen Produkten wie synthetischem Erdgas, synthetischen flüssigen Treibstoffen (z.B: Fischer-Tropsch Kraftstoffen) bis hin zur Erzeugung von reinem Wasserstoff. Betrachtet man den Beitrag der einzelnen Produktgaskomponenten zum Gesamtheizwert der Gasmischung fällt auf, dass dieser hauptsächlich durch die Komponenten Wasserstoff und Methan zustande kommt. Methan hat zwar nur einen volumetrischen Anteil von ca. 10 vol. % liefert aber ca. 36 % des Gesamtheizwerts des Produktgases. Auf Grund dieser Tatsache soll im Rahmen dieser Arbeit eine gemeinsame Abtrennung von Wasserstoff und Methan (Hythane, engl. Hydrogen and Methane) zur Herstellung eines brennwertreichen Gases untersucht werden. Bei dieser Arbeit handelt es sich um eine Parameterstudie mit dem Ziel, ein möglichst reines Produkt mit möglichst hoher Ausbeute herstellen zu können. In einer ersten Versuchsserie wurde dazu Produktgas aus dem kommerziell betriebenen Biomasse-Dampf-Vergasungskraftwerk am Standort Oberwart entnommen und einem Shiftreaktor zugeführt. Das daraus erhaltene Produktgas wurde nach anschließender Aufbereitung (Wasser und Teerabtrennung) einer Druckwechseladsorption (PSA) zugeführt. Mit dem verwendeten Adsorbens (Aktivkohle AC1 Typ RB2, Firma Norit) konnte allerdings keine zufriedenstellende Abtrennung erzielt werden. In einer zweiten Versuchsserie wurden die einzelnen Gaskomponenten aus Gasflaschen bezogen und in einer Gasmischeinheit in demselben Verhältnis wie sie im realen geshifteten Produktgas vorkommen zusammengeführt. Die Abtrennung von Methan und Wasserstoff erfolgte dann wieder mittels Druckwechseladsorption. Bei diesen Versuchen wurde als Adsorbens ein Kohlenstoffmolekularsieb (Carbotech CMS FB) verwendet, welches seine ursprüngliche Anwendung in der Biogasaufbereitung findet (Trennung von CH4 und CO2). Die gemessenen Wasserstoff- und Methangehalte im Raffinat der PSA lagen hier über 80 vol. % tr für Wasserstoff und über 16 vol. % tr für Methan. Eine gegenläufige Abhängigkeit von Produktreinheit und Produktausbeute ist in den Ergebnissen deutlich erkennbar.

The dual fluidized bed steam gasification of biomass with subsequent shift reaction (conversion of carbon monoxide and water vapor into carbon dioxide and hydrogen) is being considered as an important regenerative method of hydrogen production. The resulting product gas consists mainly of hydrogen, carbon dioxide, methane, and a small proportion of carbon monoxide. The produced product gas allows - in contrast to solid biomass - a versatile application for generating heat and electricity but also production of synthetic products such as synthetic natural gas, synthetic liquid fuels (e.g. Fischer-Tropsch fuels) or production up to pure hydrogen. Considering the contribution of the individual components to the total calorific value of the gas mixture, it can be seen that the calorific value mainly comes from the components hydrogen and methane. Methane has only a volumetric fraction of approximately 10 vol . % but provides about 36 % of the total calorific value of the product gas . Due to this fact, a joint separation of hydrogen and methane (Hythane, Hydrogen and Methane) for producing a gas with a high calorific value will be investigated in this work. The work is a parametric study with the aim of being able to produce a pure product with sufficient product yield. During the first test campaign, the product gas was extracted from the commercially operated biomass gasification power plant in Oberwart and fed into a shift reactor. The obtained product gas was fed into a Pressure Adsorption Unit (PSA) after subsequent treatment (water- and tar removal). With the used adsorbent (Activated Carbon AC1 Type RB2, Norit) no sufficient separation could be achieved. In a second test campaign, the individual gas components were taken from gas cylinders and mixed in a gas mixing unit in the same proportion as they occur in real product gas. The separation of methane and hydrogen was then carried out again by means of PSA. In these experiments, a carbon molecular sieve (CMS Carbotech FB) was used as an adsorbent. This CMS takes its initial application as an adsorbent for biogas upgrading (separation of CH4 and CO2). The measured hydrogen and methane content in the raffinate were over 80 vol. %tr of hydrogen and over 16 vol. %tr of methane. A trade off between product purity and product yield can be clearly seen in the results.