Experimental evaluation of a process chain to produce hydrogen from wood gas

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird eine experimentelle Evaluierung einer Pilotanlage zur Produktion von erneuerbarem hochreinem Wasserstoff (BioH2), basierend auf der Verarbeitung von Holzgas vom kommerziell betriebenen Biomassevergasungskraftwerk am Standort Oberwart, Österreich, demonstriert. Das Ziel war die Realisierung einer zuverlässigen und robusten Prozesskette, die sich aus folgenden drei Schrittenzusammensetzt: (i) Wassergas-Shift (WGS) Katalyse, (ii) Gasreinigung- und kühlung in einem mit organischem Lösungsmittel betriebenen Wäscher und (iii) hochreine Wasserstoff-Abtrennung mittels Druckwechseladsorption (DWA). Anschließend wurde der in der Pilotanlage hergestellte BioH2 in eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) eingespeist, um durch elektrochemische Umwandlung Elektrizität und Wärme zu generieren. Zunächst wurde die DWA Anlage unabhängig von der restlichen Pilotanlage mit einer synthetischen Gasmischung bestehend aus den Hauptkomponenten von Holzgas nach Wassergas-Shift-Reaktion betrieben. Parameterstudien der Adsorptionszeit und des Druckausgleichs wurden mit dem Ziel durchgeführt, ein hochreines Produkt mit ausreichender Ausbeute herstellen zu können. Bei optimierten Einstellungen wurde ein Eingangsgasstrom von 700 NLdb./h eingeleitet und Wasserstoff mit einer Reinheit von 99,92 vol.%db. und einer Wasserstoffausbeute von 82 % hergestellt. Im Anschluss wurde ein Langzeitversuch gestartet, um mit der Pilotanlage Holzgas zu Wasserstoff zu veredeln. Während des Langzeitversuchs wurde die gesamte Pilotanlage durchgängig für nahezu 250 Stunden betrieben. Umfangreiche Parameterstudien der einzelnen Prozesseinheiten und gründliche chemische Analysen aller Prozessströme wurden durchgeführt. Bei stationären Bedingungen wurde ein Teilgasstrom von 560 NLdb./h Holzgas vom Biomassevergasungskraftwerk entnommen, um 280 NLdb./h BioH2 mit einer Reinheit von 99,97 vol.%db. zu produzieren. Der Einsatz der Wassergas-Shift Katalyse ermöglichte eine Gesamt-Wasserstoff-Ausbeute von 131 %. Dabei konnten lediglich 0,02 vol.%db. O2 und 0,01 vol.%db. N2 im BioH2 nachgewiesen werden. Die hohe Qualität des produzierten BioH2 wurde durch einen kontinuierlichen Betrieb der PEMFC über drei Stunden unter Beweis gestellt, währenddessen keine Unterschiede zwischen einem Betrieb mit kommerziellem hochreinen Wasserstoff (gemäß ISO 14687) festgestellt werden konnten.

The presented work gives an experimental evaluation of a pilot plant to generate renewable high-purity hydrogen (BioH2), based on processing wood gas derived from the commercial biomass steam gasification plant in Oberwart, Austria. The aim was to realize a reliable and robust process chain employing following three steps: (i) water gas shift (WGS) catalysis, (ii) gas drying and cleaning in a scrubber with organic solvent and (iii) hydrogen purification by means of pressure swing adsorption (PSA). Subsequently, a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) was used to generate electricity and heat by the electrochemical conversion of BioH2 produced in the pilot plant. In a first approach, the PSA unit was tested separately from the rest of the pilot plant and fed with synthetic gas mixtures imitating the main components of wood gas, which already passed the WGS catalysis. Parameter studies on the adsorption time and equalization pressure were performed aiming a high-purity product at acceptable hydrogen recoveries. At optimized settings a flow of 700 NLdb./h wood gas entered the PSA unit to produce hydrogen with a purity of 99,92 vol.%db. and a hydrogen recovery of 82 %. Subsequently, a test campaign employing the pilot plant to refine wood gas from thegasification plant was carried out. During the test campaign the complete process chain was operated continuously for almost 250 hours. Extensive parameter studies of the process units and exhaustive chemical analyses of all process streams were carried out. At steady state conditions a partial stream of 560 NLdb./h wood gas was extracted to produce 280 NLdb./h BioH2 with 99,97 vol.%db. purity. The catalyzed WGS reaction enabled an overall hydrogen recovery of 131 %. Thereby the only detectable impurities measured in the BioH2 were 0,02 vol.%db. O2 and 0,01 vol.%db. N2. The high-quality of BioH2 was proven during three hours of flawless PEMFC operation, while no meaningful differences were observed versus the operation with commercial high-purity hydrogen (ISO 14687 grade).