Dynamic modeling and control of a fluidized bed methanation reactor

Abstract

Synthetic natural gas (SNG) production from biogenic resources can help reduce greenhouse gas emissions and decrease the dependency from natural gas imports. A subprocess of SNG production is the methanation, where raw-SNG is produced from product gas. In this work, a method that enables the dynamic modeling of the fluidized bed methanation reactor is presented. Using existing models from literature, fitting their parameters to the process and considering experimental data, a model that describes the non-linear, dynamic behavior of the fluidized bed reactor of TU Wien is estimated. The model is validated by investigations in the fluidized bed reactor. To optimize the methanation process, a temperature controller is presented to maximize the methane content in the raw-SNG. An efficient controller is designed by combining a stationary feed-forward controller and a PI controller. Finally, the performance and robustness of the controller is shown by simulations using a plant model with changes in the model parameters.

Die Produktion von synthetischem Erdgas (SNG) aus biogenen Rohstoffen kann dazu beitragen, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und mehr Unabhängigkeit von Erdgasimporten zu erlangen. Ein Teilprozess bei der SNG Erzeugung ist die Methanierung, bei der Produktgas zu Roh-SNG umgewandelt wird. In dieser Arbeit wird eine Methode zur dynamischen Modellbildung einer Methanierung im Wirbelschichtreaktor vorgezeigt. Unter Verwendung bestehender Modelle aus der Literatur und Anpassung ihrer Parameter durch experimentelle Daten wird ein Modell geschätzt, welches das nichtlineare, dynamische Verhalten des Wirbelschichtreaktors der TU Wien beschreibt. Das Modell wird durch Untersuchungen am Wirbelschichtreaktor validiert. Zur Optimierung des Methanierungsprozesses wird ein Temperaturregler vorgestellt, um den Methangehalt im Roh-SNG zu maximieren. Die Kombination eines PI-Reglers mit einer stationären Vorsteuerung ergibt eine effiziente Reglerstruktur. Schlussendlich wird die Leistungsfähigkeit und die Robustheit des Reglers anhand von Simulationen mit einem Anlagenmodell mit veränderten Modellparametern gezeigt.