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Clausthaler Umwelttechnik-Institut GmbH

Modellierung einer Synthesegasfeinreinigung und einer Pyrolyse-Anlage mittels CHEMCAD

Dr.-Ing. Stefan Vodegel,Dipl.-Ing. Felix Müller (V)

Leipzig, 13.11.2012

Fließschemasimulation in der Energietechnik | DBFZ Leipzig | 13. November 2012

Felix Müller

Inhalt

Vorstellung CUTEC und Thermische Prozesstechnik

Projekte ABSART Ratiotech


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Felix Müller

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)


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Felix Müller

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


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Felix Müller

Projekt ABSART - Fließbild


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Felix Müller

Hydrolyse-Stufe

Aufgabe: COS-Hydrolyse zu H2S zur Abreinigung mittels Wäsche

COS + H2O → H2S + CO2

→ Stand der Technik, kommerzielle Katalysatoren verfügbar


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→ Unerwartete COS-Bildung anstatt Vernichtung

Eingang Ausgang

KatalysatorVersuchsgas H2S COS

[ppmv] [ppmv] [ppmv]

Typ AH2S 2999 > 234 > 197

COS 296 142 4,4

Typ BH2S 2999 > 248 11,1

COS 296 > 191 5,5

Felix Müller

COS-Hydrolyse


COS-Bildung

Lösungsansatz: Gleichgewichtsberechnung als Gibbs´scher Reaktor

→ Thermodynamik + Prozessbedingungen stellen besondere Anforderungen

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Felix Müller

CO2-Wäsche - Waschflüssigkeitsaufbereitung ohne/mit Desorption


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Eingang Abgas aufbereitetes Selexol

Rohgas beladenes Selexol

aus Entspan-nungsstufe

aus Desorptions-

kolonne

nur entspannt

mit Desorption

Mas

sens

tröm

e in

kg

/h

H2S 0,001 0,001 0,0003 0,001 0,0007 0

Selexol (TM) 0 300 0 0,0043 300 299,9957

H2 0,87 0,0194 0,0194 0,0194 0 0

CO 6,12 0,3582 0,357 0,3582 0,0013 0

CO2 24,56 24,4849 19,2944 24,4847 5,1905 0,0002

70 % des ausgewaschenen H2S werden im Kreis gefahren!

20 % des ausgewaschenen CO2werden im Kreis gefahren!

Felix Müller

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


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Felix Müller

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% → [C1H1,6O0,7]n

• Stroh, trocken: Kohlenstoff: 44,81 %,Wasserstoff: 5,84%,Sauerstoff: 39,97 %→ [C1H1,6O0,7]n

Modellbiomasse auf Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff reduziert, es fehlen Asche, Spurenstoffe, Wasser


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Felix Müller

Modellbiomasse in CHEMCAD


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• Biomasse in 3 Ströme geteilt:• C-H-O → Grundgerüst• Wasser → Einstellung über Controller „2“• Spurenstoffe → Asche, Chlor…

- Einstellungen über mehrere Controller denkbar

Felix Müller

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 vor-gegeben werden

Reaktion: Biomasse → „Teer“ + Wasser + Sauerstoff

„Teer“: hier 9 verschiedene Stoffe (Inden, Phenanthren, Naphthalin, Pyren,…)


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Felix Müller

Teerbildung bei der Pyrolyse – Anpassung Parameter

Reaktionsgleichung: 7 C10H16O7 → 5 C14H10 + 31 H2O + 9 O2

Anpassungen der Faktoren A und B im Arrhenius-Ansatz


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Felix Müller

Teerbildung bei der Pyrolyse - Simulationsergebnisse

• Simulationsergebnis stimmt mit Messwert (22,8 g/Nm³) überein• Temperaturabhängigkeit noch nicht überprüft


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Felix Müller

Vergleich Messwerte - Simulationsergebnisse


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Reingas Reststoffe

Gesamt 1,9913 0,612

Mas

sens

tröm

ein

kg/

h

Gasbe-standteile

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

Aufteilung Gas – Reststoffe• ähnlich wie in Realität• Abweichungen in der

Zusammensetzung des Reststoffstroms

• Simulation erzeugt übermäßig Wasser

• zu viel Teer im Reingas

Felix Müller

Ratiotech – Gasnutzung im Gasmotor

• Gasmotor als Gibbs-Reaktor

• Luftmenge über nachgeschaltetem Controller „13“ geregelt


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Felix Müller

Ratiotech – Gasnutzung in Brennstoffzelle


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• Teilumsetzung der brennbaren Gasbestandteile in Brennstoffzelle

• Gasvorwärmung durch Verbrennen des Anodenabgases (Strom 22)• zur Zeit fehlt Reformer: Umwandlung längerkettiger

Kohlenwasserstoffe zu „höchstens“ CH4

Felix MüllerFließschemasimulation in der Energietechnik | DBFZ Leipzig | 13. November 2012

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