Simulation and environmental assessment of the methanation process from wood to SNG

Abstract

Synthetic Natural Gas (SNG) aus erneuerbaren Rohstoffen, wie Holz, stellt eine vielversprechende Alternative als zukünftigen Ersatz fossiler Brennstoffe dar. Dabei ist die thermochemische Umwandlung trockener Biomasse (z.B. Holz) mittels Vergasung besonders interessant. Mit der Verwendung von Holz als erneuerbaren Rohstoff, scheint es möglich die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern zu reduzieren. Vorteile von Bio-SNG sind neben des geschlossenen Kohlenstoffkreislaufes, der hohen Heizwert, die saubere Verbrennung und das bereits bestehende Erdgasnetz für den Vertrieb. In der vorliegenden Arbeit wurde, zusammen mit der Forschungsgruppe der Thermischen Verfahrenstechnik des Paul Scherrer Institutes (PSI), der gesamte Methansierungsprozess von Holz zu synthetischem Erdgas in Aspen Plus simuliert und mit Industriedaten aus dem Wirbelschichtvergaser in Güssing/Österreich validiert. Der Focus der vorliegenden Diplomarbeit lag in der Simulation der chemischen Reaktionen in der Vergasung und der Methanisierungseinheit des Prozesses. Ziel der Arbeit war es, eine Massen- und Energiebilanz des gesamten Methanisierungsprozesses zu erstellen und dabei Berechnungsdaten für eine Lebenszyklusanalyse zu ermitteln. Die Vergasung und Methanisierung wurde bei einer Temperatur von jeweils 850°C und 320°C, bei einem Druck von 1bar simuliert. Durch die Implementierung einer Heißgasreinigungseinheit konnten alle vorhandenen Schwefelkomponenten, insbesondere Thiophen (C4H4S) und Schwefelwasserstoff (H2S), durch die Reduzierung der Konzentration auf einen Wert niedriger als 1ppmV entfernt werden. Die Anforderungen, des produzierten Bio-Erdgases, konnten mittels eines Gasaufbereitungssystems für das Erdgasnetz erfüllt werden. Durch die Verwendung eines Membranmodules und einer CO2- Wäscheeinheit könnte das verbleibende H2 und CO2 bis unter die erlaubten Grenzwerte reduziert werden. Die Abschätzung der Umweltauswirkungen konnte mittels einer Lebenszyklusanalyse rechnerisch bestimmt und mit Literaturdaten verglichen werden. Zusammengefasst, konnte der ganze Methanisierungsprozess von Holz zu SNG simuliert und validiert werden. Die Genauigkeit des simulierten Vergasungs- und Methanisierungsprozesses lässt Raum für weitere Verbesserung offen.

Synthetic Natural Gas (SNG) made out of renewable resources, like wood, presents a promising alternative in substituting fossil fuels in the near future. Therefore the thermochemical conversion of dry biomass (eg. wood) through gasification is especially interesting. The usage of wood as a renewable feedstock seems to be one of the possible key technologies in order to decrease the dependency on fossil energy sources. Advantages of bio-SNG are besides the closed carbon cycle, the high heating value, the clean combustion and the already existing natural gas grid for distribution. In this present work, together with the Thermal Process Engineering Group of the Paul Scherrer Institute (PSI), the whole methanation process from wood to SNG was simulated in Aspen Plus and validated with industrial data from the fluidized bed gasifier in Güssing/Austria. Focus in this master thesis was the simulation of the chemical reactions in the gasification and the methanation unit. The goal of this part of research was to perform a mass- und energybalance of the overall wood to SNG process and deliver data for the following Life-Cycle-Assessment (LCA). The gasification and methanation was simulated at 850°C and 320°C respectively at a pressure of 1bar. Through the implementation of a hot gas cleaning (HGC) unit all present sulfur components, especially thiophene (C4H4S) and hydrogen sulfide (H2S), got removed by reducing the concentration to a value lower than 1ppmV. The gas grid requirements of the produced bio-SNG were fulfilled by the usage of a gas upgrading system. Here the establishment of a membrane module and water washing system was carried out, to remove remaining H2 and CO2 in the syngas. For the estimation of the environmental impact a Life-Cycle-Assessment was performed over the whole methanation process and compared with literature data. In summary, the overall methanation process from wood to SNG could get simulated and validated. Nevertheless the accuracy of the simulated gasification and methanation process leaves room for further developement.