Syngas production by water electrolysis: preliminary tests on methane production

Master Thesis to obtain the Master degree in Chemical Engineering - Branch Chemical Processes

Desde a Segunda Revolução Industrial, a procura mundial de energia tem vindosempre a aumentar, levando a humanidade a concentrar-se gradualmente na sustentabilidade das suas atividades. Esta tendência é comprovada pelo aumento doconsumo das fontes de energia primária registado nas últimas décadas, combinado a um aumento interessante no consumo de energias renováveis. Numa primeira fase, o presente trabalho consiste na otimização da produção de gás de síntese (syngas) numa única etapa, num processo inovador e patenteado de eletrólise alcalina da água, num eletrolisador de 1 kW, utilizando eletrodos de grafite e sem separação de gases (contendo CO, CO2, H2e pequenas quantidades de O2). Graças aoestado da arte alcançado antes da realização deste trabalho, utilizou-se como electrólito hidróxido de sódio (NaOH), com uma concentração de 0,4 M. A evolução do caudal degás de síntese e a sua composição foram estudados e optimizados, variando os parâmetros operacionais, nomeadamente a temperatura, pressão e intensidade de corrente. Os testes foram realizados com dois diferentes “stacks”, denominados “stack 1” e “stack 2”. Posteriormente, o gás de síntese com a melhor composição obtida foi enviado para umreator catalítico (cheio com um catalisador de Ni/CaO-Al2O3) para o segundo objetivodeste trabalho: realização de testes preliminares de produção de metano, a 1 bar e a diferentes temperaturas. Os melhores resultados foram obtidos, no “stack 1”, a 90 ° C, 35 V, e 3 bar. Nestascondições, obteve-se um teor em CO2 e O2de 24,4 % e 4,9 %, respetivamente, e umcaudal e intensidade de corrente iguais a 103,5 L/h e 17,1 A. Os resultados mais favoráveis foram obtidos, no “stack 2”, a 75 ° C, 10 A, e 1 bar. Nestas condições, obteve-se um teor em CO2 e O2de 21 % e 10.6 %, respetivamente, e um caudal igual a 27.6 L/h. No que respeita ao reactor catalítico, os melhores resultados foram obtidos a 125 °C. Nesta condição, obteve-se um teor em CH4de 25.51 %, uma conversão em CO2de 44.2 % e uma selectividade em CH4de 96.5 %.

Abstract:Since the Second Industrial Revolution, the world energy demand has been always increasing, leading humanity to gradually focus on the sustainability of its activities. This trend is proved by the increased primary energy sources consumption registered in the last decades, combined with an interesting increase in the renewable energy consumption. This work consists, as a first step, in the synthesis gas (syngas) production and optimization through a one step innovative 1 kW prototype of alkaline water electrolysis (patented), using graphite electrodes and without separation of gases (containing CO, CO2, H2and small amounts of O2). Thanks to the state-of-the-art achieved before this work, the electrolyte used is sodium hydroxide (NaOH), with a composition equal to 0.4 M. The behavior of the syngas composition and flow rate has been studied and optimized, changing operational parameters such as temperature, pressure and current intensity, and testing two different stacks. Afterwards, the best syngas composition has been sent into a catalytic reactor (filled with a Ni/CaO-Al2O3 catalyst) for the second aim of this work: preliminary tests on the methane production, at 1 bar and different temperatures. The best results were obtained, in the so called “stack 1”, at 90 °C, 35 V, 3 bar. In these conditions, the results obtained are a CO2 and O2yield of 24.4 % and 4.9 %,respectively, and a flow rate and current intensity equal to 103.5 L/h and 17.1 A. In “stack 2”, the best results were obtained at 75 °C, 10 A and 1 bar. In these conditions, the results obtained are a CO2 and O2yield of 21 % and 10.6 % respectively, and a flow rate equal to 27.6 L/h. Regarding the catalytic reactor, the best results were at 125 °C. In this condition, the results obtained are a CH4 yield of 25.51 %, a CO2conversion of 44.2 % and a CH4selectivity of 96.5 %.