Modellierung einer Synthesegasfeinreinigung und einer Pyrolyse-Anlage mittels CHEMCAD

Transkript

1 Modellierung einer Synthesegasfeinreinigung und einer Pyrolyse-Anlage mittels CHEMCAD Dr.-Ing. Stefan Vodegel, Dipl.-Ing. (V) Clausthaler Umwelttechnik-Institut GmbH Leipzig,

2 2 Inhalt Vorstellung CUTEC und Thermische Prozesstechnik Projekte ABSART Ratiotech

3 3 CUTEC CUTEC Clausthaler Umwelttechnik Institut Ca. 100 Mitarbeiter in 5 Abteilungen: Analytik, Modellbildung und Simulation, Chemische, Physikalisch-Biologische, Thermische Prozesstechnik Thermische Prozesstechnik 13 Mitarbeiter, 2 Arbeitsgruppen: Abgasreinigung, Biomassekonversion Arbeitsgebiete: Regenerative Thermische Oxidation, Thermische Nachverbrennung, Verbrennung, Vergasung, Pyrolyse RTO-Anlage (Brennerleistung 120 kw, Abluftstrom bis 3000 Nm³/h), TNV-Anlage (350 kw Brennerleistung, Abluftstrom bis 1200 Nm³/h), Rückschubrost (900 kw), stationäre Wirbelschicht (50 kw, bis 20 kg/h Brennstoff), Pyrolysedrehrohr (40 kw, bis 70 kg/h Brennstoff), Zirkulierende Wirbelschicht (400 kw, bis etwa 100 kg/h Brennstoff)

4 4 Projekt ABSART ABSART: Akronym für Aufbereitungstechnologie für biomassebasierte Synthesegas mit Implentierung in die ArtFuel-Anlage Ausgangspunkt: ArtFuel-Prozess, 400 kw Biomasse- Vergasungsanlage mit einer einfachen Gasreinigung, Feinreinigung (Entschwefelung) mittels Aktivkohle Idee: Erweiterung um regenerativen Prozess, bei dem möglichst verwertbare Produktströme entstehen Ziel: ein für Synthesen geeignetes Gas Fischer-Tropsch-Synthese Kraftstoffe Synthetic-Natural-Gas-Synthese Erdgasersatz

5 5 Projekt ABSART - Fließbild

6 6 Hydrolyse-Stufe Aufgabe: COS-Hydrolyse zu H 2 S zur Abreinigung mittels Wäsche COS + H 2 O H 2 S + CO 2 Stand der Technik, kommerzielle Katalysatoren verfügbar Eingang Ausgang Katalysator Typ A Typ B Versuchsgas H2S COS [ppmv] [ppmv] [ppmv] H 2 S 2999 > 234 > 197 COS ,4 H 2 S 2999 > ,1 COS 296 > 191 5,5 Unerwartete COS-Bildung anstatt Vernichtung

7 7 COS-Hydrolyse Lösungsansatz: Gleichgewichtsberechnung als Gibbs scher Reaktor COS-Bildung Thermodynamik + Prozessbedingungen stellen besondere Anforderungen

8 8 CO 2 -Wäsche - Waschflüssigkeitsaufbereitung ohne/mit Desorption Massenströme in kg/h Eingang Abgas aufbereitetes Selexol beladenes aus Entspannungsstufe werden im entspannt Kreis gefahren! Desorption 70 % aus des ausgewaschenen nur mit H Rohgas Desorptionskolonne 2 S Selexol H 2 S 0,001 0,001 0,0003 0,001 0, Selexol (TM) , ,9957 H 2 0,87 0,0194 0,0194 0, % des ausgewaschenen CO 2 werden im Kreis gefahren! CO 6,12 0,3582 0,357 0,3582 0, CO 2 24,56 24, , ,4847 5,1905 0,0002

9 9 Ratiotech Pyrolyse von Biomasse in einem Zinnbad extrem guter Wärmeübergang sehr gleichmäßige Wärmeverteilung spontane Brennstoffumsetzung schnelles An- und Abfahren robust gegenüber verschiedensten Brennstoffen/Feuchten Einsatz des Gases in einem Blockheizkraftwerk Projektziele: Weiterentwicklung der Versuchsanlage, Aufnehmen von Messwerten (Gaszusammensetzung, Teer- und Schwefelgehalte), Auslegung einer erforderlichen Gasreinigung und Erstellen eines chemisch-physikalischen Prozessmodells

10 10 Modellbiomasse in CHEMCAD Herausforderung: CHEMCAD kennt keine Biomasse! Strukturformel auf Basis der Zusammensetzung von Biomasse Holz, trocken: Kohlenstoff: 49,10 %, Wasserstoff: 6,83 %, Sauerstoff: 43,48% [C 1 H 1,6 O 0,7 ] n Stroh, trocken: Kohlenstoff: 44,81 %, Wasserstoff: 5,84%, Sauerstoff: 39,97 % [C 1 H 1,6 O 0,7 ] n Modellbiomasse auf Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff reduziert, es fehlen Asche, Spurenstoffe, Wasser

11 11 Modellbiomasse in CHEMCAD Biomasse in 3 Ströme geteilt: C-H-O Grundgerüst Wasser Einstellung über Controller 2 Spurenstoffe Asche, Chlor - Einstellungen über mehrere Controller denkbar

12 12 Teerbildung bei der Pyrolyse - Reaktorauswahl Teerbildung keine Gleichgewichtsreaktion, Bildung über die Minimierung der Gibbs schen Freien Enthalpie nicht möglich Gasbildung an sich recht gut mit Gibbs- Reaktor darstellbar Verwendung des Gibbs-Reaktors alleine nicht möglich Gleichgewichtsreaktor zur Teerbildung Gleichgewicht musste vorgegeben werden Reaktion: Biomasse Teer + Wasser + Sauerstoff Teer : hier 9 verschiedene Stoffe (Inden, Phenanthren, Naphthalin, Pyren, )

13 13 Teerbildung bei der Pyrolyse Anpassung Parameter Reaktionsgleichung: 7 C 10 H 16 O 7 5 C 14 H H 2 O + 9 O 2 Anpassungen der Faktoren A und B im Arrhenius-Ansatz

14 14 Teerbildung bei der Pyrolyse - Simulationsergebnisse Simulationsergebnis stimmt mit Messwert (22,8 g/nm³) überein Temperaturabhängigkeit noch nicht überprüft

15 15 Vergleich Messwerte - Simulationsergebnisse Aufteilung Gas Reststoffe ähnlich wie in Realität Abweichungen in der Zusammensetzung des Reststoffstroms Simulation erzeugt übermäßig Wasser zu viel Teer im Reingas Reingas Reststoffe Gesamt 1,9913 0,612 Gasbestandteile H2, CO, CO2, CH4 1,8811 0,0025 Asche C, Si 0 0,0656 Teer Fluoren, Pyren 0,0562 0,0018 Wasser 0,0541 0,5419 Massenströme in kg/h

16 16 Ratiotech Gasnutzung im Gasmotor Gasmotor als Gibbs-Reaktor Luftmenge über nachgeschaltetem Controller 13 geregelt

17 17 Ratiotech Gasnutzung in Brennstoffzelle Teilumsetzung der brennbaren Gasbestandteile in Brennstoffzelle Gasvorwärmung durch Verbrennen des Anodenabgases (Strom 22) zur Zeit fehlt Reformer: Umwandlung längerkettiger Kohlenwasserstoffe zu höchstens CH 4

18 18 Clausthaler Umwelttechnik-Institut GmbH Ihre Adresse für Fragen der Umwelt- und Energietechnik Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!