Badania nad separacją wodoru w projekcie H2GEO - Instytut Technologii Paliw i Energii
W Instytucie Technologii Paliw i Energii (ITPE) prowadzone są zaawansowane prace badawczo-rozwojowe w ramach projektu „New technology for hydrogen and geopolymer composites production from post-mining waste” (akronim H2GEO, nr 101112386), realizowanego w odpowiedzi na rosnące zapotrzebowanie na innowacyjne i zrównoważone technologie wytwarzania wodoru. Projekt H2GEO koncentruje się na opracowaniu i demonstracji nowej technologii produkcji wodoru oraz kompozytów geopolimerowych z wykorzystaniem frakcji energetycznej odpadów pogórniczych, wpisując się tym samym w założenia gospodarki o obiegu zamkniętym oraz transformacji energetycznej.
Jednym z kluczowych obszarów badawczych realizowanych w ITPE są prace nad uzdatnianiem i separacją wodoru z gazu procesowego, wytwarzanego w wyniku zgazowania frakcji energetycznej odpadów pogórniczych. Gaz ten charakteryzuje się złożonym i zmiennym składem, obejmującym m.in. wodór (H₂), ditlenek węgla (CO₂), tlenek węgla (CO), metan (CH₄) oraz azot (N₂), co stawia wysokie wymagania wobec stosowanych technologii separacyjnych. W ramach projektu H2GEO do wydzielania wodoru zastosowano technologię PSA (Pressure Swing Adsorption), uznawaną za jedną z najbardziej efektywnych i elastycznych metod oczyszczania wodoru z mieszanin gazowych.
Instalacja badawcza PSA w ITPE
Badania realizowane są z wykorzystaniem laboratoryjnej instalacji PSA, opracowanej i eksploatowanej w ITPE. Układ składa się z czterech kolumn adsorpcyjnych, pracujących w cyklicznym układzie adsorpcji i regeneracji, co umożliwia ciągłą separację wodoru. Instalacja przystosowana jest do pracy przy ciśnieniach rzędu 4–9 bar oraz strumieniach gazu zasilającego w zakresie 5–20 dm³n/min, co pozwala na odtworzenie warunków zbliżonych do tych, jakie mogą występować w instalacjach półtechnicznych i przemysłowych.
Istotną zaletą instalacji PSA ITPE jest jej wysoka elastyczność konfiguracyjna. Układ umożliwia modyfikację czasu trwania poszczególnych etapów cyklu PSA, takich jak adsorpcja, rozprężanie, płukanie czy regeneracja, a także testowanie różnych schematów procesowych. Pozwala to na szczegółową analizę wpływu parametrów operacyjnych oraz konfiguracji procesu na skuteczność separacji wodoru, stabilność pracy instalacji oraz zużycie energii.
Charakterystyka gazu procesowego i zakres badań
W ramach pakietów roboczych projektu H2GEO badania prowadzone były z wykorzystaniem dwóch głównych typów gazów zasilających instalację PSA. Pierwszym z nich był gaz surowy pochodzący bezpośrednio z procesu zgazowania frakcji energetycznej odpadów pogórniczych. Drugim – gaz po dodatkowym etapie konwersji w procesie Water Gas Shift (WGS), którego celem jest zwiększenie zawartości wodoru poprzez reakcję tlenku węgla z parą wodną.
Zakres prowadzonych badań obejmował:
analizę wpływu składu gazu zasilającego na efektywność separacji wodoru,
ocenę wpływu udziału CO₂, CO, CH₄ i N₂ na selektywność zastosowanych adsorbentów,
optymalizację parametrów pracy instalacji PSA, w tym ciśnienia adsorpcji i regeneracji, czasu trwania poszczególnych etapów cyklu oraz strumienia gazu,
ocenę wpływu konfiguracji cyklu PSA na czystość wodoru i jego uzysk.
Złoża adsorpcyjne i materiały sorpcyjne
Kolumny adsorpcyjne instalacji PSA wypełnione były złożami warstwowymi, dobranymi pod kątem selektywnego usuwania poszczególnych składników gazu procesowego. W górnych warstwach kolumn zastosowano węgiel aktywny, który odpowiadał przede wszystkim za adsorpcję CO₂ oraz węglowodorów, w tym metanu. W kolejnych warstwach wykorzystano sita molekularne typu 5A, charakteryzujące się wysoką selektywnością względem tlenku węgla, azotu oraz pozostałych domieszek gazowych.
Zastosowanie różnych konfiguracji układu złóż sorpcyjnych umożliwiło szczegółową ocenę zależności pomiędzy stopniem oczyszczenia wodoru, wydajnością separacji a parametrami poszczególnych etapów cyklu PSA. Badania pozwoliły również na identyfikację potencjalnych kierunków dalszej optymalizacji składu złóż adsorpcyjnych pod kątem przyszłych zastosowań półtechnicznych.
Wyniki badań i znaczenie projektu
Uzyskane wyniki jednoznacznie potwierdziły wysoką skuteczność technologii PSA zastosowanej w projekcie H2GEO. W trakcie przeprowadzonych testów osiągnięto czystość wodoru przekraczającą 90% obj., co odpowiada założeniom projektowym oraz wymaganiom stawianym instalacjom demonstracyjnym. Jednocześnie potwierdzono stabilną i powtarzalną pracę instalacji PSA, nawet przy zmiennym składzie gazu zasilającego.
Rezultaty badań wskazują na istotny potencjał skalowalności opracowanego rozwiązania oraz możliwość jego dalszego rozwoju w kierunku instalacji pilotażowych i przemysłowych. Prace realizowane w ITPE w ramach projektu H2GEO stanowią ważny krok w kierunku demonstracji pełnego łańcucha technologicznego produkcji wodoru z odpadów pogórniczych – od zgazowania surowca, poprzez konwersję WGS, aż po separację i uzdatnianie wodoru.
Osiągnięte rezultaty przyczyniają się do rozwoju kompetencji ITPE w obszarze technologii wodorowych oraz technologii PSA, a także wzmacniają potencjał instytutu jako partnera w międzynarodowych projektach badawczo-rozwojowych ukierunkowanych na zrównoważoną energetykę i gospodarkę niskoemisyjną.
Źródło: https://itpe.pl/badania-nad-separacja-wodoru-w-projekcie-h2geo/
