Title: Long term performance of an Fe/Cr based water gas shift catalyst processing tar-rich wood gas
Language: English
Authors: Binder, Matthias 
Qualification level: Diploma
Keywords: Wasser-Gas-Shift-Reaktion; Holzvergasung; Produktgas
Water-Gas-Shift-Reaction; wood gasification; product gas
Advisor: Hofbauer, Hermann 
Assisting Advisor: Kraussler, Michael
Issue Date: 2015
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Wasserstoff gilt als wichtiger erneuerbarer sekundärer Energieträger der Zukunft. Heutzutage wird Wasserstoff zum überwiegenden Teil aus fossilen Energieträgern hergestellt. Eine Wasserstoffproduktion aus Biomasse, mittels thermo-chemischem Verfahren kann eine vielversprechende Alternative für einen zukünftigen, kohlenstoff-freien Energieträger darstellen. Besonders die Zweibettwirbelschicht-Dampfvergasung von Holzhackgut ist hierfür eine vielversprechende Technologie. Sie erzeugt ein Holzgas mit einem hohen Heizwert von 12 MJ/m (3)_(N,db) und einem hohen Wasserstoffanteil von etwa 40 mol.%_(db). Der zusätzliche Einsatz einer Wassergas-Shift (WGS) Anlage erhöht die Wasserstoffausbeute. Im Zuge dieser Arbeit wurde die Lebensdauer eines kommerziellen Fe/Cr basierten WGS Katalysators untersucht. Zu diesem Zweck wurde eine Wassergas-Shift Pilotanlage über einen Zeitraum vom mehr als 2330 Stunden mit einem teerreichen Holzgasteilstrom, welcher dem Zweibettwirbelschicht-Dampfvergasungs-Kraftwerk Oberwart, Österreich, vor dem Rapsmethylester (RME) Wäscher entnommen wurde, betrieben. Hierbei war es möglich stationäre Teillastbetriebszustände sowohl von der WGS Versuchsanlage, als auch vom Zweibettwirbelschicht-Dampfvergasungs-Kraftwerk zu untersuchen. Während der Versuche wurden umfangreiche chemische Analysen durchgeführt. CO, CO2, CH4, N2, O2, C2H6, C2H4, C2H2, H2S, COS und C4H4S wurden analysiert. Zusätzlich wurden mittels Gaschromatographen in Verbindung mit einem Massenspektrometer (GCMS) Teermessungen und Ammoniakanalysen durchgeführt. Um die Aktivität des Katalysators beurteilen zu können, wurde das Temperaturprofil über die Reaktoren der WGS Versuchsanlage aufgezeichnet. Ein einwandfreier und stetiger Langzeitversuch der WGS Versuchsanlage konnte realisiert werden. Selbst der Teillastbetrieb des Zweibettwirbelschicht-Dampfvergasungs-Kraftwerks beeinflusste die Leistungsfähigkeit der WGS Versuchsanlage nicht nachteilig. Die WGS Versuchsanlage wurde mit einem deutlichen Dampfüberschuss betrieben. Mit diesen Versuchsbedingungen wurde ein Kohlenmonoxidumsatz von 93 % und damit verbunden, weniger als 1,5 mol.%_(db) Kohlenmonoxid am Versuchsanlagenausgang erreicht. Zusätzlich konnte eine deutliche GCMS-Teer Reduktion erzielt werden. Mit dem aktuellen Versuchsanlagenaufbau konnte keine Katalysatordeaktivierung festgestellt werden.

Hydrogen is seen as an important renewable secondary energy carrier of the future. Today, hydrogen is predominantly produced from fossil fuels. Hydrogen production from biomass via a thermochemical route can be an auspicious alternative for future decarbonized applications, which are based on renewable and carbon dioxide neutral produced hydrogen. Especially the dual fluidized bed (DFB) biomass steam gasification using wood chips as feedstock, seems to be a promising technology. It generates a wood gas with a high calorific value, of up to 12 MJ/m (3)_(N,db) and with a high hydrogen content, of about 40 mol.%_(db). Applying a water gas shift (WGS) unit could even increase the hydrogen yield.- In this thesis, the long term performance of a commercial Fe/Cr based WGS catalyst was investigated. For this purpose, a WGS pilot unit was operated for more than 2330 hours, processing a side stream of tar-rich wood gas, extracted upstream of the RME gas scrubber from the commercial DFB biomass steam gasification plant in Oberwart, Austria. Furthermore, steady partial load operations of the DFB gasification plant as well as of the WGS pilot unit were investigated. Extensive chemical analyses were carried out. CO, CO2, CH4, N2, O2, C2H6, C2H4, C2H2, H2S, COS, and C4H4S were measured. In addition, gas chromatography coupled with a mass spectrometer (GCMS) tar and ammonia analyses were performed. Furthermore, the catalyst's activity was observed by measuring the temperature profiles along the reactors of the WGS pilot unit. A technically immaculate functionality and a steady long term operation of the WGS pilot unit could be achieved. Even partial load operation at the DFB plant did not affect the performance of the WGS pilot unit in a negative way. The WGS pilot unit was operated with a significant excess of steam. At this condition of operation, a carbon monoxide conversion up to 93 % and consequently less than 1.5 mol.%_(db) carbon monoxide was obtained at the WGS pilot unit's outlet. In addition, a significant reduction of detectable GCMS tar components was achieved along the WGS pilot unit. With the present experimental layout, no catalyst deactivation could be observed.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-106523
http://hdl.handle.net/20.500.12708/9115
Library ID: AC12669791
Organisation: E166 - Inst. f. Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Techn. Biowissenschaften 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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