Entwicklung eines autothermen Biogasreformers zur Herstellung von Wasserstoff Florian Rau, TU Bergakademie Freiberg/ Deutschland 14. Symposium Energieinnovation EnInnov2016, Graz/ Österreich, 10.-12.02.2016 AGENDA 1. Einführung 2. Anlagenbeschreibung 3. Prozessmodellierung 4. Voruntersuchung der Katalysatoren 5. Zusammenfassung 2 1. EINFÜHRUNG 3 1. EINFÜHRUNG Projektpartner 4 1. EINFÜHRUNG Reformierung von Methan Dampfreformierung (SR) πͺπ―π + π―π πΆ β πͺπΆ + ππ―π βπ―πππ π² = + πππ, π ππ± β πππβπ Partielle Oxidation (POX) πͺπ―π + π π πΆπ β πͺπΆ + ππ―π βπ―πππ π² = β ππ, π ππ± β πππβπ Autotherme Reformierung (ATR) ππͺπ―π + π π πΆπ + π―π πΆ β ππͺπΆ + ππ―π βπ―πππ π² = π ππ± β πππβπ Wassergas-Shift-Reaktion (WGS) πͺπΆ + π―π πΆ β πͺπΆπ + π―π βπ―πππ π² = βππ, π ππ± β πππβπ 5 2. ANLAGENBESCHREIBUNG Vereinfachtes Fließbild Luft ATR-Reaktor Rußfalle Verdichter Gasvorwärmung Wasserdampf/ Biogas Mischer ATR Einheit Biogas Dampfstrahlpumpe NT-WGS Synthesegas HT-WGS Dampf Verdampfer / Überhitzer Verdichter Druckwechseladsorptionsanlage Wasserstoff Wasser Eduktaufbereitung (Kompression & Vorwärmung) Gasreinigung 6 2. ANLAGENBESCHREIBUNG Gesamtansicht 7 2. ANLAGENBESCHREIBUNG Container 1 - Dampferzeuger 8 2. ANLAGENBESCHREIBUNG Container 2 - ATR 9 2. ANLAGENBESCHREIBUNG Container 4 β ATR II 10 3. PROZESSMODELLIERUNG Grundlagen - ASPEN PLUS® - Idealer Prozess mit Wärmeintegration (Synthesegas, WGS) - 60 Mol.-% Methan und 40 Mol.-% Kohlendioxid - Wärmeintegration++ - Anlagenprozessführung & -parameter - Gütekriterium: Ξ·plant = n - S/C-Verhältnis: π πΆ - O/C-Verhältnis: π πΆ nH2 βHu,H2 biogas βHu,biogas +Qi +Pi = = ππ»2 π ππΆπ»4 ππ ππΆπ»4 = 2βππ2 ππΆπ»4 11 3. PROZESSMODELLIERUNG Anlagenprozessführung Maximaler Anlagenwirkungsgrad für verschiedene Anlagenkonfigurationen zur Biogasreformierung bei einer maximalen Wärmeintegration 12 3. PROZESSMODELLIERUNG Anlagenparameter a) Ohne Nutzung von DWA-Restgas S/C=2 S/C=3 S/C=4 S/C=5 0,65 0,63 0,62 0,60 0,59 0,58 0,57 S/C=1,5 S/C=2 S/C=3 S/C=4 S/C=5 0,69 Anlagenwirkungsgrad 0,61 Mit Nutzung von DWA-Restgas 0,70 plant efficiency ο¨plant [-] 0,64 plant efficiency ο¨plant [-] Anlagenwirkungsgrad b) 0,68 0,67 0,66 0,65 0,64 0,63 0,62 0,61 0,56 0,8 0,9 1,0 1,1 O/C [-] 1,2 1,3 0,60 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 O/C [-] Effizienzanalyse (600°C ATR-Eintrittstemperatur) 13 4. VORUNTERSUCHUNG DER KATALYSATOREN Katalysatorstrukturen Würfelgitter Oktettgitter Kelvinzelle 14 4. VORUNTERSUCHUNG DER KATALYSATOREN Katalysatorstrukturen Oktettzelle Kelvinzelle Konventioneller Schaum Gedrehte Würfelzelle 15 4. VORUNTERSUCHUNG DER KATALYSATOREN Katalysatorteststand A Massendurchflussregler D Reaktorrohr G Thermoelement B Gasmischstrecke E Katalysator H Dämmmaterial C Druckwasserbehälter F Beheizungseinrichtung 16 4. VORUNTERSUCHUNG DER KATALYSATOREN Ergebnisse - Methanumsatz X CH4 = 100% nCH4,0 β nCH4,1 nCH4,0 GHSV = V0 VKat Methanumsatz 98% 96% 94% 92% 90% 0 5.000 10.000 15.000 Raumgeschwindigkeit GHSV [h-1] 20.000 17 4. VORUNTERSUCHUNG DER KATALYSATOREN Ergebnisse - Wasserstoffausbeute YH2 2,20 nH2 = nCH4,0 GHSV = V0 VKat Waserstoffausbeute 2,10 2,00 1,90 1,80 1,70 0 5.000 10.000 15.000 20.000 Raumgeschwindigkeit GHSV [h-1] 18 4. VORUNTERSUCHUNG DER KATALYSATOREN Ergebnisse - Wasserstoffausbeute 1 (CUBE 100) 2 (CUBE 111) 19 5. ZUSAMMENFASSUNG & AUSBLICK - Autotherme Reformierung zeigt Vorteile - Anlagenparameter über Prozesssimulation bestimmt - Geringer Druckverlust der regelmäßige Strukturen - Methanumsatz und Wasserstoffausbeute besser als Referenz (Schaum) in den Voruntersuchungen - Erster Katalysator bereits eingetroffen - Test beginnen im März 2016 20 Vielen Dank! Dipl.-Ing. Florian Rau TU Bergakademie Freiberg Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik Gustav-Zeuner-Str. 7 09599 Freiberg [email protected] 21
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