Design of gas cleaning processes for SNG-production from biogenic residues

Abstract

Heutzutage setzten viele Länder darauf Ihre inländischen Biomasseressourcen für die Energieproduktion zu nutzen um die CO2-Emissionen zu reduzieren und unabhängig vom Import zu werden. Durch das Bestreben die CO2-Emissionen zu senken setzten die Länder vermehrt auf die Entwicklung und Förderung von alternativen und nachhaltigen Energiesystemen wie zum Beispiel Windkraft, Fotovoltaik oder die Nutzung von Biomasse. Ziele der europäischen Kommission bis 2030 sind die Treibhausgasemissionen gegenüber 1990 um mindestens 40 % zu senken und eine Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energiequellen auf mindestens 27 %. Trotz alldem sind große Kraftwerke und der Sektor Verkehr und Transport auf fossile Energieträger wie Öl und Gas angewiesen. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es eine mögliche Kaltbzw. Heißgasreinigungsanlage zu entwerfen um diese in ein Kraftwerk zu implementieren welches synthetisches Erdgas aus biogenen Reststoffen herstellt. Um Daten für die weitere Auslegung der Gasreinigungen zu generieren wurde ein Vergasungsexperiment an der TU Wien mit Haselnussschalen als Brennstoff durchgeführt. Mit den generierten Daten wurde zuerst ein 8 MWth Vergaser hinsichtlich Menge an produzierendem Produktgas ausgelegt. Weiters wurden Berechnungsmethoden erarbeitet um die einzelnen Reaktoren der jeweiligen Gasreinigung zu berechnen. Ziel dieser Auslegung ist es ein Produktgas bereitzustellen welches den Anforderungen des Methanierungskatalysators genügt. Die Berechnungsergebnisse zeigten, dass beide ausgelegten Gasreinigungen nicht in der Lage sind alle für den Katalysator schädlichen Stoffe so weit zu reduzieren das sie den Anforderungen genügen. Zusätzliche Gasreinigungsapparate müssten installiert oder die bestehenden optimiert werden. Weiters wurden beide Gasreinigungsprozesse hinsichtlich Energiebedarf diskutiert. Auch ein Vergleich der benötigten Ressourcen pro Tag um das Gas zu reinigen wurden durchgeführt. Das Resultat dieser Arbeit ist, dass basierend auf den Berechnungsmethoden eine Implementierung beider Gasreinig ngen in einen Prozess, der synthetisches Erdgas erzeugt, prinzipiell möglich ist. Jedoch werden die Anforderungen des Methanierungskatalysators hinsichtlich Gasqualität nicht vollständig erreicht und es müssen Adaptierungen am Gasreinigungsprozess vorgenommen werden. Weiter Forschung sollte in die experimentell untersucht und vermessen in die erarbeitete Prozesskette investiert werden. Darüber hinaus sollte das Langzeitverhalten des Methanierungskatalysators untersucht werden.

Nowadays many countries wish to use their domestic biomass resources for energy production in order to decrease carbon dioxide emissions and the import of energy. Efforts to cut carbon dioxide emissions have led to the development of renewable energy technologies such as wind turbines, photovoltaics and the use of biomass. The targets of the European Commission till 2030 are to cut greenhouse gas emissions by 40 % relative to 1990 levels and to increase renewable energy sources up to 27 %. However, the energy intensive industries and the transport sector remain largely dependent on fossil energy resources, mainly natural gas and oil products. The aim of this work is the design of a cold and hot gas cleaning process for synthetic natural gas (SNG) production from biogenic residues. To gain a data basis, a gasification experiment with hazelnut shells as fuel was conducted at TU Wiens dual fluidized bed gasifier. With the obtained data first a scale up to an 8 MWth gasifier was conducted. Further on mathematical models were created to design reactors which are able to meet the specified limits of the methanation catalyst. The results obtained that at the exit of both gas cleaning processes several specified limits of impurities which are harmful for the methanation catalyst were not reached. Additional cleaning devices or optimization of the existing ones is necessary to further reduce these impurities. Furthermore, both gas cleaning processes were discussed in terms of energy demand and needed recourses per day to clean the gas. The outcome of this master thesis was that, based on the used calculation models, an implementation of both cleaning sections in the biomass to SNG process is possible. However, to meet the requirements of the methanation catalyst the designed gas cleaning processes have to be adapted. Further research should be done to evaluating the designed gas cleaning processes experimentally and with the use of simulations. Additionally, the long-term behaviour of the methanation catalyst has to be investigated.