Separation of gaseous mixtures originated in gasification of hard coal process

Jakub Tomasz Antczak

Abstract

Coal gasification process is one example of clean usage of fossil fuels. In that process coal is the subject of complicated chemical and thermal treatment, which is carried out in the terrestrial reactor or in the underground channels (UCG – underground coal gasification). Above-ground reactors are supplied by powdered coal generally in three categories of reactors: moving bed gasifiers (Sasol-Lurgii, British Gas), fluid-bed gasifiers (Winkler, U-Gas, IDGCC, Mitsui Babcock), and entrained flow gasifiers (E-Gas, Shell, General Electric). In the face of gasifying fluid (usually H2O steam) the synthesis gas is created (CO + H2). Synthesis gas is used in synthesis reactions (hence the name), like Fischer- Tropsch reactions. Products of this gas could be used elsewhere when they are separated, CO can be converted to H2 using H2O in Water Gas Shift reaction. In the result we receive valuable energy mixture of gases in which H2 is the major component. Purification of hydrogen is important due to the application. In any energetic cases hydrogen purity is above 80%vol. to 99,99%vol. Wherein around 100% value is necessary in fuel cells, rocket fuel. Hydrogen produced in gasification reactors is full of pollutants that adversely affect not only the location of use, but also in the process of purification. Nowadays there are three different methods of hydrogen purification. These are cryogenic distillation, pressure swing adsorption, and membrane separation. Cryogenic distillation is energetically expensive process where gases of mixture are first liquefied and pay only for large installations producing like 200 t of gas per day. Purify of hydrogen reaches maximum 95%. Pressure swing adsorption is currently the most widely used method of H2 separation, exactly in methane steam reforming from natural gas. Purity reaches 99,9% and maybe more. Membrane separation is very promising for this application due to the high purity (even 100%), low exploitation costs, and scalability. However membranes are not free from defects such as susceptibility of poisoning by sulfur and carbon compounds, even H2O, degradation. Membranes to become irrefutable competition must work in extreme thermal and chemical conditions. Advantages of membranes cause the interest of scientists to take a research on permanent, more permeable and selective, with good resist to process conditions materials. Distinguish several of these: metals, polymers, ceramics, zeolites, silica, and even carbon. Each has its own unique characteristics, and can perfect fit into different applications, but research and develop are needed for each types. In the work I’m presenting a universal membrane module for membrane tests. It’s equipped with heater, temperature, flow and pressure sensors. Composition of products is measured by the gas chromatograph.
Diploma typeMaster of Science
Author Jakub Tomasz Antczak WIChiP
Jakub Tomasz Antczak,,
- Faculty of Chemical and Process Engineering
Title in PolishRozdzielanie mieszanin gazowych powstających w procesie zgazowania węgla kamiennego
Supervisor Andrzej Grzegorz Chmielewski ZKTP
Andrzej Grzegorz Chmielewski,,
- Department of Process Kinetics and Thermodynamics
Certifying unitFaculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Affiliation unitDepartment of Process Kinetics and Thermodynamics (DPKT)
Study subject / specializationInżynieria Chemiczna i Procesowa
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date15-01-2013
Issue date (year)2013
Pages68
Internal identifierDICHP-2161
Reviewers Andrzej Grzegorz Chmielewski ZKTP
Andrzej Grzegorz Chmielewski,,
- Department of Process Kinetics and Thermodynamics
, Roman Krzywda ZPR
Roman Krzywda,,
- Department of Separation Processes
Keywords in Polish-
Keywords in English-
Abstract in PolishProces zgazowania węgla jest jedną z propozycji czystego wykorzystania paliw nieodnawialnych. W procesie tym węgiel podlega skomplikowanej obróbce chemicznotermicznej w reaktorach naziemnych bądź w kanałach pod ziemią (PZW – podziemne zgazowanie węgla). Reaktory naziemne zasilane są węglem rozdrobnionym okresowo tworząc strukturę nieruchomą (reaktory Sasol-Lurgii, British Gas), fluidalnie (w reaktorach typu Winklera, U-Gas, IDGCC, Mitsui Babcock), bądź strumieniowo (technologie E-Gas, Shell, General Electric). Poprzez działanie czynnika zgazowującego powstaje gaz syntezowy (syngas, H2+CO). Gaz syntezowy można wykorzystać do syntez chemicznych (stąd nazwa) min. Fischera Tropscha. Jego produkty mogą także podlegać dalszemu procesowi konwersji tlenku węgla w wodór przy pomocy pary wodnej w reakcji tzw. przejścia wodno gazowego (Water Gas Shift). Dzięki temu otrzymujemy mieszaninę wartościowych energetycznie gazów, których głównym składnikiem jest wodór. Oczyszczanie wodoru w tym stanie jest konieczne ze względu na jego wykorzystanie. Czystość wodoru w zastosowaniach energetycznych to ok. 80% do blisko 100% molowych tego gazu. Przy czym wartości bliskie 100% są konieczne w ogniwach paliwowych, paliwie rakietowym. Wodór pochodzący z reaktora zgazowania może mieć szereg zanieczyszczeń, które niekorzystnie wpływają nie tylko na zastosowanie, ale też na sam proces oczyszczania. W dzisiejszych czasach istnieją trzy konkurujące metody oczyszczania wodoru, destylacja kriogeniczna, adsorpcja zmiennociśnieniowa, oraz separacja membranowa. Destylacja gazów skroplonych (kriogeniczna) jest procesem bardzo drogim i opłaca się tylko w bardzo dużych instalacjach rzędu 200 ton gazu/dobę, a czystość sięga jedynie 95%. Adsorpcja zmiennociśnieniowa jest obecnie najszerzej wykorzystywana do oczyszczania wodoru w reformingu par metanu z gazu ziemnego, czystość sięga 99,9%. Separacja membranowa jest bardzo obiecująca ze względu na duże czystości (nawet 100%), niskie koszty eksploatacyjne, łatwą skalowalność. Jednak membrany mają jeszcze wiele wad np. podatność na zatrucia ze strony siarki, dwutlenku węgla. Membrany, aby stać się niezbitą konkurencją muszą pracować w ekstremalnych warunkach temperatury, zawartości związków chemicznych. Zalety membran pchają naukowców do badań nad coraz trwalszymi, lepiej przepuszczalnymi i selektywnymi, odpornymi na ekstremalne warunki procesowe materiałami. Wyróżniamy kilka takich materiałów w separacji wodoru: metale, polimery, ceramika, zeolity, silikony, a także węgiel. Każdy z tych materiałów posiada swoje unikalne cechy i może pasować do innych zastosowań. Lecz wszystkie warto badać i rozwijać. W pracy przedstawiony jest uniwersalny moduł do badań membran. Jest zaopatrzony w grzałkę oraz czujniki temperatury ciśnienia i przepływu. Skład gazu bada się na chromatografie.
File
Rozdzielanie mieszanin gazowych powstających w procesie zgazowania węgla kamiennego - Jakub Antcz.pdf (file archived - login or check accessibility on faculty) Rozdzielanie mieszanin gazowych powstających w procesie zgazowania węgla kamiennego - Jakub Antcz.pdf 125.99 KB
Local fieldsIdentyfikator pracy APD: 2736


Back