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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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Projekt ABSART - Fließbild
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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
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COS-Bildung
Lösungsansatz: Gleichgewichtsberechnung als Gibbs´scher Reaktor
→ Thermodynamik + Prozessbedingungen stellen besondere Anforderungen
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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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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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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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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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Teerbildung bei der Pyrolyse - Simulationsergebnisse
• Simulationsergebnis stimmt mit Messwert (22,8 g/Nm³) überein• Temperaturabhängigkeit noch nicht überprüft
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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
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Ratiotech – Gasnutzung im Gasmotor
• Gasmotor als Gibbs-Reaktor
• Luftmenge über nachgeschaltetem Controller „13“ geregelt
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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
18Clausthaler Umwelttechnik-Institut GmbHIhre Adresse für Fragen der Umwelt- und Energietechnik
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