Teerentfernung in kleinen Biomassevergasungsanlagen - Prozesssimulation und Optimierung

Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassersger: Die Reinigung von Synthesegasen, insbesondere die Entfernung von Teerkomponenten, stellt das größte technische und wirtschaftliche Hindernis für die Implementierung der Biomassevergasung da. Besonders in Kleinanlagen, wo Skaleneffekte nicht berücksichtigt werden können, führen komplexe Reinigungsprozesse zu hohen spezifischen Anlagekosten. Um die Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten und Effizienzverluste zu begrenzen sind Prozessintegration und Prozessvereinfachung unverzichtbar. Das Ziel dieser Arbeit ist die Optimierung und Adaptierung von Gasreinigungskonzepten für kleine Biomassevergasungsanlagen. Zwei verschiedene Teerentfernungsverfahren, Mitteltemperaturgasreinigung (MTGC) und Kaltgasreinigung (CGC), werden mit einem allothermen Dampfvergaser mit einem Rohstoffeintrag von 1,3 MWth gekoppelt. Der Vergaser kann aufgrund der speziellen Bauweise wahlweise unter Druck betrieben werden. Im MTGC-Prozess werden Teere in einem mit Ni-Katalysator beladenen Festbettreaktor durch Dampfreformierung zu H2 und CO umgesetzt. Die notwendige Wärme für die endotherme Teerumwandlung wird durch die gleichzeitig ablaufende exotherme Methanisierungreaktion erzeugt. Daher arbeitet der Reaktor in einem deutlich niedrigeren Temperaturniveau von 500 bis 600 °C als andere katalytische Teerentfernungstechnologien. Beim CGC Prozess wird das Synthesegas auf unter 200 °C abgekühlt. Die Teerkomponenten werden physikalisch durch Kondensation und Absorption unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels in einer Packungskolonne abgetrennt. Derzeit gilt dieses Verfahren als Stand der Technik und wird in mehreren kommerziellen Biomassevergasungsanlagen verwendet. Beide Vergasungs- und Synthesegasreinigungsverfahren wurden untersucht, thermisch integriert und analysiert, um die Prozesseffizienz zu erhöhen und die erforderliche Menge an Energie und Verbrauchsmaterialien zu verringern. Das Gesamtverfahren wurde in IPSEpro implementiert, einem gleichungsorientierten stationären Prozesssimulationsprogramm.Dazu wurden vom Nutzer entwickelte mathematische Modelle verschiedener Gasreinigungsschritte mit vorhandenen, teilweise modifizierten Modelle verschaltet. Zusätzlich wurden beide Verfahren in Aspen Plus modelliert, da Aspen Plus eine detailliertere und umfassendere Betrachtung der einzelnen Komponenten erlaubt. Darüber hinaus erleichtern Aspen Plus und damit verbundene Softwareprodukte, insbesondere der Aspen Process Economic Analyzer, die wirtschaftliche Bewertung und Analyse. Diese Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wurde durchgeführt um den MTGC- und den CGC-Prozess zu vergleichen. Die in IPSEpro durchgeführte Analyse des Gesamtsystems unter Verwendung von MTGC zeigt, dass unter optimierten Betriebsparametern ein Kaltgaswirkungsgrad von ca. 70% erreicht werden kann. Mit CGC wurde ein optimierter Kaltgaswirkungsgrad von 79% berechnet. Durch die Verwendung der Abwärme, kann die Gesamteffizienz beider Verfahren auf ca. 90% erhöht werden. Beide Systeme wurden einer Sensitivitätsanalyse unterzogen. So konnte der Einfluss wichtiger Prozessparameter auf den Gesamtprozess und auf Einzelkomponenten evaluiert und mögliche Prozessverbesserungen identifiziert werden. Die Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse zeigen, dass das Dampfüberschussverhältnis und insbesondere der Vergasungsdruck großen Einfluss auf den Vergasungsprozess und das MTGC-System haben. Die Prozesseffizienz und die erforderliche Menge an Verbrauchsmaterialien können durch den Betrieb bei hohen Vergasungsdrücken und niedrigen Dampfüberschussverhältnissen deutlich verbessert werden. Der Gesamtprozess unter Verwendung von CGC profitiert von niedrigen Dampfüberschussverhältnissen und hohen Vergasungsdrücken. Die Teerentfernungseffizienz des organischen Teerwäschers steigt mit hohen Vergasungsdrücken und niedrigen Lösungsmitteltemperaturen. Trotzdem konnten in der Wäschersimulation auch unter optimierten Parametern nur ca. 85% der polyaromatischen Teerkomponenten und über 90% der heterocyclischen Teere entfernt werden. Daher sind Synthesegase, die ausschließlich mit dem in dieser Arbeit präsentierten CGC-Verfahren gereinigt wurden, nicht für Syntheseanwendungen geeignet. Im Gegensatz dazu, entfernt Teerreformierung, wie sie im MTGC-Prozess durchgeführt wird, Teere beinahe vollständig. Mittels MTGC gereinigte Teere erfüllen folglich die Anforderungen der SNGProduktion. Abschließend wurden die Kosten der beiden Gasreinigungsverfahren abgeschätzt. Die wirtschaftliche Analyse zeigt, dass unter den in dieser Arbeit gewählten Annahmen CGC deutlich billig ist als MTGC. Während die Kapitalkosten beider Konzepte vergleichbar sind, sind die Betriebskosten von MTGC extensiv. Daher ist MTGC unter den Annahmen in der Simulation nicht wirtschaftlich vertretbar. Die Gesamtkosten des MTGC-Prozesses können jedoch durch Senkung der Katalysatorkosten signifikant verringert werden. Um die Deaktivierung des Katalysators zu reduzieren und folglich die Synthesegasreinigungskosten zu senken, sind weitere Untersuchungen notwendig.eng: Syngas cleaning especially tar removal is the major techno-economical obstacle in the implementation of the gasification technology. Especially in small-scale applications, where economy of scale effects cannot be taken into account, complex syngas cleaning processes result in excessive specific plant costs. Hence, to limit efficiency losses and overall costs, process integration and design simplification are imperative in small-scale gasification plants. The aim of this contribution is the optimization and adaptation of gas cleaning concepts for small-scale biomass gasification processes. Two distinct tar removal technologies, namely medium temperature gas cleaning (MTGC) and cold gas cleaning (CGC), are combined with an allothermal and optionally pressurized steam gasifier, operating at a feedstock input of 1,3 MWth. The MTGC process removes tar components through steam reforming in a fixed bed reactor, containing conventional Ni-based steam reforming and methanation catalyst. The heat necessary for tar conversion is provided by the simultaneously proceeding methanation reaction. Thus the reactor operates in a considerably lower temperature range of 500 to 600 °C than conventional catalytic tar removal technologies. In contrast, the syngas is cooled to temperatures under 200 °C in the CGC process. The tar species are separated physically through condensation and absorption in a packed bed scrubber using an organic scrubbing solvent. Currently this process is considered state of the art and implemented into several commercial biomass gasification plants. By means of process simulation, both gasification and syngas cleaning concepts were designed, thermally integrated and analyzed to optimize the efficiency and minimize the required amount of energy and consumables. The overall process was implemented into the equation oriented simulation tool IPSEpro, combining mathematical models of various syngas cleaning steps, developed by the user, and partially modified existing model units. Additionally, both gas cleaning methods were modeled in Aspen Plus, which allowed a more detailed and comprehensive evaluation of the individual components. Moreover, the use of Aspen Plus and related software products, particularly the Aspen Process Economic Analyzer, facilitated the economic evaluation, performed to compare the MTGC and the CGC process conclusively. The analysis of the overall system, performed in IPSEpro, shows that under optimized parameters a cold gas efficiency of approx. 70% can be reached by using MTGC. Using CGC an optimized cold gas efficiency of approx. 79% was calculated. By utilizing waste heat, the total efficiency of both processes can be increased to approx. 90%. To evaluate the influence of important process parameters on the overall process as well as on individual components and identify potential process improvements, both systems were subjected to a sensitivity analysis. The results of the parametric analysis illustrate that the steam excess ratio and especially the gasification pressure have a strong impact on the overall gasification and MTGC system. The efficiency and the required amount of consumables can be improved significantly by working under high gasification pressures and low steam excess ratios. The overall process using CGC benefits from low steam excess ratios and high system pressures as well. The tar removal efficiency in the organic tar scrubber increases with high gasification pressures and low solvent temperatures. However, even under optimized parameters only approx. 85% of polyaromatic tar species and over 90% of heterocyclic components were removed in the scrubber simulation. Hence, the syngas cleaned in the CGC process is not suitable for synthesis applications. In contrast, catalytic tar reforming, as conducted in the MTGC process, achieves almost complete tar conversion and thus meets the requirements of SNG production. Finally, the costs of both gas cleaning systems were estimated. The economic analysis shows that under the assumptions made in this contribution CGC is considerably cheaper than MTGC. While the capital costs of both concepts are comparable, the operational costs of MTGC are extensive, making the gas cleaning process economically unfeasible under the simulation presumptions. However, the total costs of MTGC can be reduced significantly by limiting the catalyst cost. Hence further research is necessary to reduce catalyst deactivation and lower the respective syngas cleaning costs.14