Modellierung und Simulation eines Festbettreaktors zur hydrothermalen Vergasung von nasser Biomasse

Abstract

Die Vergasung von Biomasse unter hydrothermalen Bedingungen ist eine Alternative zu den konventionellen Vergasungsmöglichkeiten unter atmosphärischem Druck. Neben energetischen Vorteilen lassen sich im hydrothermalen Milieu auch Biomasse-Umsätze von über 99% erreichen, wobei nahezu keine Teere gebildet werden. Als Reaktionsprodukte treten nur Wasser, Kohlendioxid und Methan auf. Am Paul Scherrer Institut (PSI) wurde ein Verfahren entwickelt, um aus verschiedensten Edukt-Biomassen die oben genannten Reaktionsprodukte zu erhalten. In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell für einen Festbettreaktor erstellt, der unter hydrothermalen Bedingungen arbeitet.Zur Beschreibung der Chemie wird davon ausgegangen, dass zunächst die Biomasse zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt wird (Reformierung). Anschließend folgt die Umwandlung des Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid (Wassergas-Shift-Reaktion) und schließlich die Umsetzung zu Methan (Methanierung). Für die Reformierung wird das DAEM verwendet (distributed activation energy model). Reaktionsgeschwindigkeitsansätze für die Wassergas-Shift-Reaktion bzw. die Methanierung wurden aus der Literatur übernommen und geringfügig angepasst. Es zeigte sich ferner, dass auch Mischungseffekte bei der Modellierung zu berück-sichtigen sind.

The gasification of biomass under hydrothermal conditions is an alternative to the conventional possibilities of gasification under atmospheric pressure. Apart from energetic advantages a conversion of biomass of over 99% is achievable whereas no tars are formed. The reaction products are only water, carbon monoxide and methane. At Paul Scherrer Institut (PSI) a process was developed to get the above mentioned reaction products of various reagent biomasses. In this work a model for a fixed bed reactor is developed, which works under hydrothermal conditions. To describe the reaction kinetics it is assumed that first the biomass is converted to carbon monoxide and hydrogen (reforming). Afterwards the conversion of the carbon monoxide to carbon dioxide follows (watergas-shift reaction). After that the conversion to methane follows (methanation). For the reforming the distributed activation energy model (DAEM) is used. Reaction kinetics for the watergas-shift reaction and the methanation were taken from literature and slightly adapted. It could be shown that mixing effects have to be considered.