Biomass based Hydrogen production enhancement and Tar reduction using high temperature Steam Reforming process

การยกระดับการผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากเชื้อเพลิงชีวมวล และการลดการเกิดทาร์ด้วยการใช้กระบวนการสตีมรีฟอร์มมิ่งที่อุณหภูมิสูง

Name: Thawatchai Wongchang

keyword: Hydrogen production.

LCSH: Biomass

; Steam Reforming

LCSH: SYNTHESIS GAS

LCSH: TAR -- CONTROL

Abstract: This research investigates hydrogen production and tar reduction by steam reforming process of syngas from biomass(sawdust) pyrolysis in a free fall reactor. The aim of this work has been undertaken as part of the design of continuous hydrogen production using the high temperature steam reforming process without catalyst on steady state test conditions. The main research activities concentrated on the parametric study of effecting parameters including: reforming temperature, equivalence residence time and steam to biomass ratio(S/B). The main process step involves the reaction of steam and syngas with temperature 600°C to 1200°C to form hydrogen(H2) and carbon monoxide(CO) and also to suppress tar. The operating temperature is a key factor in determining the extent to which H2 production is increased at higher temperatures (900-1200°C) whilst maintaining the same equivalence residence time and S/B ratio. During the steam reforming process, methane(CH4) slightly increases when temperature was increased 600°C to 800°C. Above 800°C, the volume of CH4 slightly decreased. Throughout the whole process, CO and CO₂ slightly increases as the temperature rises, where the volume of CO higher than CO₂at all experimental conditions. Both ethylene(C₂H₄) and ethane(C₂H6) volume will slightly increase between temperature 600°C to 700°C, once surpass 700°C the volume will start to decrease consistently until 1100°C, where very little evidence of the ethylene and ethane compositions could be found. The results show that the use of syngas from biomass pyrolysis can produce higher hydrogen production from high temperature steam reforming On tar investigation, it has been found that the reforming temperature; resident time and steam to biomass ratio effected the tar reduction. The resident time have strong effect on tar suppression than steam to biomass ratio at the same temperature. At temperature higher than 1100°C, founded tar conversion to gas was 84-91%[wt]. Moreover, tar compositions have been studied. Aromatics compound groups will slightly decrease consistently until 900°C where very little evidence of the compositions could be found. In opposite, the increasing of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) groups was favorited by the temperature higher than 900°C. The high temperature steam not only increase reaction of syngas but also participate in tar reduction and increase high hydrogen production with steam reforming and water shift reaction. In future work, the increasing reformer efficiency needs to be optimized for different operating conditions.

Abstract: วิทยานิพนธ์ฉบับดังกล่าวนี้ศึกษาการผลิตก๊าซไฮโดรเจนและลดการเกิดทาร์ (Tar) ด้วย กระบวนการสตีมรีฟอร์มมิ่ง (Steam Reforming Process) จากก๊าซที่ได้จากกระบวนการไพโรไลซิส (Pyrolysis Process) จากเชื้อเพลิงชีวมวล (ขี้เลื่อย) ในรีแอคเตอร์แบบตกอิสระ (Free Fall Reactor) ส่วนสำคัญประการหนึ่งของงานวิจัยนี้คือการออกแบบเครื่องมือวิจัยเพื่อศึกษาการผลิตก๊าซ ไฮโดรเจนอย่างต่อเนื่องด้วยการใช้กระบวนการสตีมรีฟอร์มมิ่งชนิดที่ไม่ใช้ตัวคะตะลิส (Catalyst) บนเงื่อนไขการทำงานแบบสถานะคงตัว จุดมุ่งหมายของงานวิจัยนี้คือศึกษาพารามิเตอร์ที่มีผลต่อ กระบวนการสตีมรีฟอร์มมิ่ง ซึ่งได้แก่ อุณหภูมิ เวลา และสัดส่วนไอน้ำต่อเชื้อเพลิง ซึ่งกระบวนการ ดังกล่าวจะเกิดขึ้นจากการทำปฏิกิริยาระหว่างไอน้ำและก๊าซสังเคราะห์ (Syngas) ภายในตัวรีฟอร์ม เมอร์ (Reformer) ภายใต้อุณหภูมิ 600°C ถึง 1200°C เพื่อที่จะผลิตก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซ คาร์บอนมอนอกไซด์รวมไปถึงการกำจัดทาร์ จากงานวิจัยนี้พบว่าอุณหภูมิเป็นตัวแปรสำคัญที่ทำ ให้ปริมาณการผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการสตีมรีฟอร์มมิ่งเพิ่มมากขึ้นในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ 900°C ถึง 1200°C ในขณะที่รักษาให้เวลาและอัตราส่วนไอน้ำต่อชีวมวลคงที่ นอกจากนี้ยังพบว่า ก๊าซมีเทน (CH₄) มีปริมาณค่อยๆ เพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 600°C ถึง 800°C และมีปริมาณเริ่มลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 800°C ตลอดช่วงกระบวนการสตีมรีฟอร์มมิ่งในช่วงอุณหภูมิ 600°C ถึง 1200°C พบว่าทั้งก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์ (CO₂) มีปริมาณเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โดยที่ปริมาณของก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์จะมากกว่า ก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์เล็กน้อยตลอดช่วงการทดลอง ส่วนก๊าซเอทิลีน (C₂H₄) และก๊าซอีเทน (C₂H₆) มีปริมาณเพิ่มขึ้นเล็กน้อยในช่วงอุณหภูมิ 600°C ถึง 700°C และเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 700°C ปริมาณของก๊าซทั้งคู่จะค่อยๆ มีปริมาณลดลง และเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 1100°C จะพบปริมาณก๊าซเอทิลีนและก๊าซอีเทนได้น้อยมาก ซึ่งจากผลการทดลองทั้งหมดพบว่าการใช้กระบวนการ สตีมรีฟอร์มมิ่งที่อุณหภูมิสูงกับก๊าซสังเคราะห์จากกระบวนการไพโรไลซิสสามารถเพิ่มปริมาณการ ผลิตก๊าซไฮโดรเจนได้เป็นอย่างดี ในการศึกษาเรื่องการลดปริมาณทาร์ พบว่า อุณหภูมิ เวลา และอัตราส่วนไอน้ำต่อเชื้อเพลิง ในกระบวนการสตีมรีฟอร์มมิ่ง ต่างก็มีผลต่อการลดปริมาณทาร์ทั้งสิ้น โดยที่เวลามีผลมากกว่า อัตราส่วนไอน้ำต่อเชื้อเพลิงต่อการลดปริมาณทาร์ที่อุณหภูมิเดียวกัน ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1100°C พบว่าทาร์สามารถเปลี่ยนเป็ นก๊าซได้ถึง 84-91%[wt] นอกจากนั้นในงานวิจัยนี้ยังได้ศึกษา ส่วนประกอบของทาร์ด้วยเช่นกัน และพบว่าส่วนประกอบของทาร์จำพวกกลุ่มสารประกอบ อะโรมาติก (Aromatics Compound Groups) จะมีปริมาณลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและจะมีปริมาณ น้อยมากเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 900°C ในทางตรงกันข้ามทาร์จำพวกกลุ่มสารประกอบโพลีไซคลิก- อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) กลับมีปริมาณสูงขึ้นเมื่ออุณภูมิ สูงขึ้นโดยเฉพาะเมื่ออุณภูมิสูงกว่า 900°C จากการทดลองพบว่าไอน้ำอุณหภูมิสูงนั้นนอกจาก ส่งเสริมการเกิดปฏิกิริยาของก๊าซสังเคราะห์ในรีฟอร์มเมอร์แล้ว ยังช่วยลดปริมาณการเกิดของทาร์ และเพิ่มปริมาณการผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากกระบวนการสตีมรีฟอร์มมิ่งและวอเตอร์ก๊าซชิพ (Water Gas Ship Reaction) ในงานวิจัยต่อไปในอนาคตยังมีความต้องการที่จะเพิ่มประสิทธิภาพของ กระบวนการรีฟอร์มเมอร์ขึ้นอีกด้วยการควบคุมด้วยเงื่อนไขที่แตกต่างออกไปจากงานวิจัยนี้

King Mongkut's University of Technology North Bangkok. Central Library

Address: BANGKOK

Email: library@kmutnb.ac.th

Name: Suthum Patumsawad

Role: Thesis advisors

Email : stt@kmutnb.ac.th

Name: Bundit Fungtammasan

Role: Thesis advisors

Email : bdf@kmutnb.ac.th

Name: Kunio Yoshikawa

Role: Thesis advisors

Created: 2012

Modified: 2012-11-07

Issued: 2555-10-31

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

CallNumber: Dissert DME T4W

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Mechanical Engineering

Grantor: King Mongkut's University of Technology North Bangkok

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	B15579694.pdf	2.81 MB	90	2025-04-05 14:25:58

ใช้เวลา

0.034444 วินาที