Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Idee der Umwandlung von Holz zu synthetischem Erdgas, kurz Methan-aus-Holz, stammt zumindest aus den frühen 90er Jahren. Unabhängig von einander haben im In- und Ausland verschiedene Gruppen sich mit der Fragestellung befasst, wie Holz in Methan umgewandelt werden kann. In der Zwischenzeit ist u.a. ein binationales Projektteam entstanden, welches bis 2010 eine erste 20 MWth Anlage realisieren will. Diese Anlage soll möglichst effizient aus Holz synthetisches Erdgas (SNG) zu wirtschaftlich interessanten Bedingungen herstellen. Auf dem Weg zur Realisierung einer 20 MWth Anlage braucht es den technischen Nachweis, dass synthetisches Erdgas aus Produktgas der Holzvergasung hergestellt werden kann. Dieser technische Nachweis soll schrittweise auf immer grösseren Anlagen erfolgen, bis schlussendlich das Up-scaling auf Anlagen grösser als 10 MWth an die Hand genommen werden kann. Dieser Bericht beschreibt die Arbeiten aus den Jahren 2003 und 2004 und deckt die wesentlichen Arbeiten der Phase 1 ab. In einem ersten Schritt wurden Prozess-Simulationen mit der Software AspenPlus® ausgeführt, mit denen der Einfluss verschiedener Verschaltungsvarianten von Methanierung und CO2-Abtrennung auf die Zusammensetzung des im Methanierungsprozess erzeugten Gasgemischs untersucht wurde. Gestützt auf diese Arbeit konnten vielversprechende Konzepte abgeleitet werden und die interessantesten experimentellen Testbedingungen festgelegt werden. In Güssing (A) betreibt das Biomassekraftwerk Güssing einen FICFB-Vergaser mit 8 MWth (Fast Internally Circulating Fluidized Bed). Dieser industrielle Vergaser liefert ein nahezu stickstofffreies und gleichzeitig methanreiches Produktgas. Das gereinigte Produktgas wird im Kraftwerk über einen Gasmotor mit 2 MWel verstromt. Für die Methanierung wird das Produktgas aus dem FICFBVergaser als besonders interessant erachtet. Unklar ist der erforderliche Reinheitsgrad des Produktgases für die Methanierung. Deshalb wurde in Güssing im Mai 2003 mit einer 2 kW Versuchsanlage sowohl die Methanierung, als auch verschiedene weitergehenden Produktgasreinigungskonzepte über insgesamt 120 h getestet. U.a. wurde ein Konzept getestet, bei dem die weitergehende Gasreinigung des Produktgases ausschliesslich aus einer Entschwefelung mittels Zinkoxid bestand. Die vielversprechenden Resultate sind anschliessend in die Konzeptionierung einer 10 kW Mini-Pilotanlage eingeflossen. Die neue Anlage erlaubt u.a einen unbemannten Langzeitbetrieb bei erhöhtem Reaktionsdruck. Im Frühjahr 2004 wurde die Anlage am PSI fertiggestellt und in Betrieb genommen. Mit synthetischem Holzgas wurden verschiedene erfolgsversprechende Einstellungen getestet und ein Langzeitversuch über 100 h durchgeführt. Wie bereits die 2 kW Anlage im Mai 2003 wurde die Mini-Pilotanlage im September 2004 in Güssing mit dem FICFB-Vergaser verknüpft und erfolgreich in Betrieb genommen. Bis Ende 2004 konnte zwei Langzeitversuche über jeweils 200 Betriebsstunden durchgeführt und die Resultate vom Mai 2003 reproduziert werden. Es kam jedoch jeweils zur Deaktivierung des Methanierungskatalysator. Die Limitierung der Lebensdauer des Katalysators ist vermutlich auf Vergiftung der aktiven Zentren mit organischen Schwefelverbindungen zurückzuführen. Ziel der weiteren Arbeiten muss es daher sein, die organischen Schwefelverbindungen zu identifizieren und quantitativ zu bestimmen. Aufgrund der ermittelten organischen Schwefelverbindungen müssen geeignete Entschwefelungsverfahren gewählt und sinnvoll Fahrweisen für die Entschwefelung ermittelt werden. Diese weiteren Arbeiten werden im Rahmen von dem EU Projekt RENEW durchgeführt. Nachdem die Entschwefelung verbessert ist, stehen erneut Langzeitversuche an, um den Nachweis zu erbringen, dass tatsächlich die organischen Schwefelverbindungen für die Lebensdauerlimitierung verantwortlichen waren. Die in diesem Bericht enthaltenen Resultate waren die entscheidende fachliche Grundlage für die Einreichung eines Projektantrages im 6. EU Rahmenprogramm von DG-TREN. Im Rahmen dieses EU Projektes soll von dem im Jahre 2004 gebildeten Technologiekonsortium eine 1 MWPilotanlage für die Methanierung errichtet und betrieben werden. Vertragsverhandlungen für die definitive Projektbewilligung sind im Gange. Der geplante Projektstart ist Anfangs 2006.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Labor für Energie und Stoffkreisläufe, Allgemeine Energieforschung, Paul Scherrer Institut
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Biollaz,Serge
Seemann,M.
Schildhauer,T. J.
Stucki,S.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The conversion of wood to SNG (Synthetic Natural Gas) is an idea from the early 90`s. Meanwhile, several groups around the world do research on the different aspects of the methanation process. With the participation of PSI, a project team was set up that has the vision to realize a first 20 MW plant. Goal of the technology development is an efficient conversion process “wood to SNG” which is economically attractive. For the scale-up to industrial size, the proof of concept on lab-scale is a first step and essential. Based on the technical feasibility, a stepwise development to industrial scale is planned. This report includes the work done in the years 2003 and 2004. In a first step, several process concepts for the conversion of product gas to SNG were simulated using ASPENPlus®. Especially the effect of different arrangements of the CO2-separation and methanation units was investigated to identify the most promising operation conditions. Based on this work, most promising concepts and operation conditions were determined. In Güssing (Austria), an 8 MWth FICFB gasifier is operated (Fast Internally Circulating Fluidized Bed). The producer gas of this industrial gasification power plant is used to run a gas engine which has an output of 2 MWel. As the producer gas is nearly nitrogen-free but methane-rich it is also considered as very suitable for methanation. To clarify the requirements on the gas quality for the methanation a first test was done 2003 with an existing 2 kW lab reactor. During this campaign, the methanation catalyst was tested using three different gas cleaning strategies. The campaign started with an additional cleanup, consisting of an ammonia scrubber, an active carbon filter and a ZnO bed for desulphurization. Stepwise, the active carbon filter and ammonia scrubber were removed form the cleaning system. At the end of the campaign the gas cleaning for the methanation catalyst consisted only of the existing product gas cleaning of the power plant and a ZnO bed. During this campaign the catalyst was in operation for 120 h. The experiences gained in this campaign and the promising results set the basis for a 10 kW mini pilot. The new test rig was designed for unmanned operation, needed to perform on-site long-duration experiments. The setup was commissioned in summer 2004 and tested with synthetic product gas for promising operation conditions. Finally, a 100 h test was performed as a preparation for the on-site experiments in Güssing. In September 2004, the setup was transferred to Guessing and linked to the FICFB gasifier. Until the end of 2004, two 200 h long term experiments in Güssing were performed. Results from the campaign 2003 could successfully be reproduced. Unfortunately, deactivation of the methanation catalyst took place. Reasons for the limited lifetime are most probably organic sulphur species in the producer gas that poison the active sites of the catalyst. Thus, the focus of further research and development is set on the identification and quantification of these organic sulphur species to select improved desulphurization systems. This ongoing work will be done within the frame of the EU-project RENEW. As soon as the desulphurization is improved, further long duration experiments are planned to prove the sulphur hypothesis. The results of the two campaigns (2003 and 2004) were the technical basis for an EU proposal within the 6th Framework Programme of DG-TREN. Within this project a 1 MWSNG will be erected and operated. Final negotiations are underway and the expected project start is at the beginning of 2006.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Labor für Energie und Stoffkreisläufe, Allgemeine Energieforschung, Paul Scherrer Institut
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Biollaz,Serge
Seemann,M.
Schildhauer,T. J.
Stucki,S.
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