Hydrogen separation and electricity production from product gas generated by biomass gasification

In this work, a process chain for hydrogen separation from biomass gasification product gas has been investigated. The implemented process chain consists of three operation units: (1) gas drying and cleaning in a chilled rapeseed methyl ester scrubber, (2) hydrogen enrichment through membrane gas permeation and (3) separation of pure hydrogen by means of pressure swing adsorption. From the experimental point of view, a pilot plant has been operated continuously for almost 500 hours with 3 Nm3/h of real product gas derived from dual fluidized bed steam gasification of wood chips at the commercial combined heat and power plant in Oberwart, Austria. The robustness of the system has been proven and a comprehensive analysis of main components, sulphur compounds and benzene, toluene and xylenes has been performed to evaluate the performance of each unit and of the overall process chain. In addition, a parametric study on the pressure swing adsorption unit has been performed and the related operating parameters have been optimized. An overall hydrogen recovery of almost 40% (14 g/kg dry biomass) has been reached, with a purity of hydrogen product above 99.94 vol.%. A fuel cell has been used to generate electricity from the produced hydrogen with a conversion efficiency of 56%. The performance of the fuel cell unit has then been assessed on its complete power range with pure hydrogen fuel from a gas cylinder. An energy analysis showed that the electrical consumption of the investigated process chain is equal to 3 kWh/Nm3 referring to the hydrogen product. On the basis of both the experimental and analytical performed work, some of the possible improvements to increase the efficiency of the presented configuration before a possible scale-up to demonstration plant have been identified.

In questo lavoro, è stata studiata una catena di processo per la separazione di idrogeno dal gas prodotto da gassificazione della biomassa. Tale catena di processo si compone di tre unità operative: (1) lavaggio del gas in uno scrubber mediante contattamento con estere metilico di colza, (2) arricchimento in idrogeno per mezzo di permeazione attraverso una membrana e (3) separazione di puro idrogeno mediante pressure swing adsorption. Dal punto di vista sperimentale, si é esercito ininterrottamente un impianto pilota per quasi 500 ore, con 3 Nm3/h di gas prodotto mediante gassificazione a vapore di cippato di legno in un gassificatore a doppio letto fluido presso l’impianto commerciale cogenerativo di Oberwart, Austria. La robustezza del sistema è stata verificata e si é condotta un'analisi completa dei componenti principali, composti solforati e benzene, toluene e xileni per valutare le prestazioni di ciascuna unità e della catena di processo complessiva. Inoltre, è stato eseguito uno studio parametrico sulla unità pressure swing adsorption ed i relativi parametri di esercizio sono stati ottimizzati. Si é raggiunto un recupero di idrogeno complessivo di circa 40% (14 g/kg biomassa secca), con una purezza dell'idrogeno prodotto superiore a 99.94 vol.%. Una cella a combustibile è stata utilizzata per generare elettricità dall'idrogeno prodotto, ottenendo un rendimento elettrico di conversione pari a 56%. Le prestazioni della cella a combustibile sono poi state valutate sull'intera gamma di potenza esprimibile, alimentando idrogeno puro da una bombola. Un’analisi energetica dell'impianto ha portato a concludere che il consumo elettrico della catena di processo studiata è pari a 3 kWh/Nm3 di idrogeno prodotto. Sulla base del lavoro sperimentale ed analitico svolto, sono stati identificati alcuni possibili miglioramenti della configurazione presentata per aumentarne l'efficienza prima di un eventuale scale up ad impianto dimostrativo.