Sustainable hydrogen production from Biogas using Sorption-Enhanced Reforming (BioSER)

Hovedmålet med forskningsprosjektet BioSER var å videreutvikle og forbedre den såkalte SER teknologien (Sorption Enhanced Reforming) med biogass som brensel og med vekt på kritiske teknologiske utfordringer mot fremtidig oppskalering. Prosjektet var delt i to delmål hvor det første fokuserte på test og drift av en SER reaktorprototyp installert på HyNor Lillestrøm hydrogen testsenter og det andre satte vekt på utvikling av nye matematiske modeller som beskriver prosessens kjemiske reaksjonsmekanismer og prosessens ytelse. I første delen av prosjektet har prototypen vært gjennom en testfase hvor diverse tester har blitt kjørt for å optimalisere og validere kjøringsprosedyrene; blant andre oppstartsfasen, oppvarmingsfasen, dampproduksjonen og oppkjøring av brenneren som tilføyer energi i prosessen. Senere, ble begge reaktorene (reformer og regenerator) testet hver for seg i batch modus for å bekrefte deres funksjon. Det ble produsert en produktgass som inneholdt ca. 94 vol% hydrogen (etter kondensering) og med en lav CO2-konsentrasjon på om lag 0.1 vol% som bekrefter reformerens god ytelse. Faststoffet fra reformeren, som inneholdt den fangede CO2, ble fysisk tilføyet til regeneratoren og 100% regenerering av absorbenten ble oppnådd, med brenneren som varmekilde. Beregningene viser at om lag 11.5 kW ble overført til regeneratoren via brenner-varmeveksler sløyfen, hvor den høytemperatur varmeveksleren er nedsenket i regeneratorens partikkelseng. Beregningene viser også at oppsettet vil gjøre det mulig å overføre den nødvendige varmen for kontinuerlig drift av anlegget med sirkulasjon av faststoff mellom reaktorene. Om lag 20-25% varmetap i brenner-varmeveksler sløyfa ble målt, i hovedsak på grunn av anleggets skala og en ikke optimal isolering. Deretter har sirkulasjonssløyfa blitt testet ved å koble sammen begge reaktorene med såkalte «loop-seal» som gjør det mulig å transportere faststoff på en myk måte og samtidig å unngå gasslekkasjer fra en reaktor den den andre. Sirkulasjonstestene har blitt kjørt i noen timer med nitrogen som fluidiseringsgass, og stabile temperaturer og senghøyder i reaktorene har blitt oppnådd, noe som validerer design og driften av sløyfa. Parallelt til dette har IFE utviklet en metode for å behandle den CO2 faststoff absorbenten (naturlig dolomitt) som brukes i prosessen. Metoden går ut på å behandle materialet ved høytemperatur i en såkalt fluidisert seng reaktor for både å kalsinere, delvis sintre materialet og øke dets mekaniske styrke. Metoden gjør det også mulig å fjerne finstoff og svovelforbindelser som kan ødelegge det katalytiske materialet som brukes i prosessen. En annen aktivitet har studert hvordan de faststoffpartiklene som brukes i prosessen slittes ned mekanisk under relevante prosessbetingelser. Det ble påvist at fordelingen av partikkelstørrelse endres og at partiklene blir noe mindre med tid på grunn av fragmentering. Imidlertid ble relativt få fine partikler produsert og flesteparten av partiklene holder en størrelse innenfor det prosessen krever. Det ble også påvist at den mekaniske styrken endres lite mellom de to trinnene i prosessen. En annen type nedslitingstest, som følger en standard, har også blitt kjørt hvor partiklene ble eksponert til en høyhastighet gass jet ved høytemperatur. Måleverdier for både behandlet absorbent og katalysator var i samsvar med verdiene for en FCC katalysator som brukes industrielt i en prosess som benytter fluidisert seng reaktorer ved høytemperatur. Det andre delmål har handlet om å utvikle en ny partikkelmodell som beskriver hvordan og hvor fort de kjemiske reaksjonene skjer i prosessen. Denne modellen baserer seg på en matematisk beskrivelse av hvordan porøsiteten i faststoffpartiklene endres når de reagerer med gass i prosessen. Denne modellen har blitt validert med eksperimentelle data som gir en måling av hvor fort partiklene reagerer med gass, det vil si hvor fort biogassen omdannes til hydrogen og produsert CO2 absorberes. I den forbindelse ble det brukt en ny lab-skala fluidisert seng reaktor som har gjort det mulig å kjøre disse eksperimentene i relevante prosessbetingelser. Disse eksperimentene har blitt kjørt med samme absorbent som den som brukes i SER prototypen (dolomitt). Parallelt til dette ble det utviklet en overordnet prosessmodell med sirkulasjon av faststoff som beskriver hvordan prosessen kjøres og dens ytelse. Denne overordnede modellen inkluderer den kinetikk partikkelmodellen, en ny hydrodynamisk modell for de fluidisert seng reaktorene (2-fluid modell), samt masse- og energibalansene. Den gjør det mulig i hovedsak å beregne hvor mye faststoff reaktorene må fylles med, hvor fort faststoffet må sirkuleres mellom dem, og hvor mye energi må tilføyes. Modellen har blitt sammenliknet med tidligere produsert data for SER kjørt i batch modus, og med en annen enklere hydrodynamikk modell (K-L modell). Resultatene viser godt samsvar med de eksperimentelle data og bedre nøyaktighet enn med den K-L modellen.

In order to bring the Sorption-Enhanced Reforming (SER) technology forward to up-scaling and commercialisation, knowledge regarding stable operation of a reactor system suited to the SER process in steady state continuous operating conditions is needed. T his project will utilize the unique facilities and equipment as well as scientific results obtained from the SER R&D unit at the HyNor Lillestrøm node, where hydrogen will be produced from upgraded landfill gas (biogas). During operation of the Dual Bubbl ing Fluidized Bed (DBFB) reactor system, key operating data such as: solid inventory in both reactors, ratio of sorbent to catalyst as well as the solid circulation rate will be optimized to obtain a high optimum H2-yield. The performance of critical comp onents of the reactor system will be tested during continuous operation. Finally, the mechanical stability of the solids during circulation will be investigated and optimized to provide a steady operation and reduce the operating cost of the system. Based on experimental data collected during operation of the SER reactor system, a series of model tools of different level of complexity will be developed in order to improve and adapt the capabilities of fluidized bed reactors for the SER process. The work will focus on the description of the coupling between flow phenomena and chemical kinetics, and mass- and heat transfer processes in operating fluidized bed reactors. The outcomes of such simulations represent extremely important results enabling a reliab le evaluation of the process and further up-scaling. The collaborative project between IFE and NTNU will thus provide valuable experimental data at small pilot level and advanced fluidized bed reactor models that represent extremely important knowledge en abling reliable process evaluation of SER for hydrogen production and in power generation, and future design of medium to large scale SER demonstration plants.