I den här rapporten utvärderas det nya konceptet Power & Biomass to Liquid (PBtL). PBtL är ett alternativ till den tidigare och mer etablerade Biomass to Liquid (BtL) processen. Med PBtL förbättras utbytet av kol jämfört med BtL genom att elektricitet läggs till i processen. Elektriciteten används för att producera H2, som används för att höja H2/CO förhållandet istället för att använda WGS som i vanlig BtL process. Rapporten är en del i ett större PBtL projekt som bedrivits vid Institutt for kjemisk prosessteknologi vid NTNU och på SINTEF. Utvärderingen utfördes genom flera simuleringar av lågtemperaturs Fischer-Tropsch reaktorer i simuleringsprogrammet Aspen Plus. Omvandling och katalytiska reaktorer utvecklades och togs fram i programmet. Produktfördelningen i omvandlingsreaktorn modellerades med ASF distribution theory tillsammans med en metod för sammanslagning av högre kolväten. Fördelningen av paraffiner, olefiner och oxygenater baserades på experimentella resultat från Shafer et al. som studerade en slurryreaktor under liknande förhållanden. Den kinetiska reaktorn modellerades med en variant av ASF fördelningsteori kallad ”consorted vinylene mechanism” från Rytter och Holmen. Reaktorerna adderades till förgasningsprocess, som utvecklats tidigare av PBtL gruppen, I förgasningsprocessen förgasas biomassa till syntesgas, dvs H2 och CO. För att möjliggöra en utvärdering av det efterföljande steget med separering av vax, mellandestillat och lättare kolväten så antogs en väl fungerande separation av Fischer-Tropsch produkterna. En enklare separation av med flash förångning gjordes också, dels för fortsättningen av PBtL processen och för att kunna studera tailgasrecirkulering. Ett mindre bidrag var studier av en torkningsprocess för biomassa innan inloppet till förgasningsprocessen. PBtL konceptet diskuterades även ur ett praktiskt perspektiv. Resultaten visar att vid driftbetingelser på 210 °C, 25 bar och H2/CO = 1,95 så gav omvandlingsreaktorn en kolselektivitet för CH4 respektive C5+ på 14,77 respektive 75,40 mol% C. Högre temperatur, tryck och H2/CO förhållande i reaktorn resulterar i en högre kolselektivitet mot lägre kolväten. Vid samma driftbetingelser gav den katalysreaktorn en kolselektivitet för CH4 respektive C5+ på 7,612 respektive 86,00 mol% C. Resultaten visar att C8-C16 produktionen var högre än C17+ med avseende på molflöde men lägre beträffande massflöde för katalysreaktorn. Generellt så ökar kolselektiviteten med ökande kolnummer till ett maximum runt 13 för att sedan minska. / In this report, the new Power & Biomass to Liquid (PBtL) concept was evaluated. The PBtL concept is a new alternative to the more well-established Biomass to Liquid (BtL) concept where electricity is added to the process. The main purpose for developing the PBtL is that the BtL process exhibits poor carbon efficiency compared to the PBtL process. The electricity here is used to produce H2 in electrolysis. The report is part of a larger PBtL project pursued for several years at the Department of Chemical Engineering at NTNU and SINTEF. The evaluation was done by simulating different types of low temperature Fischer-Tropsch reactors in simulation software Aspen Plus. A conversion reactor and a kinetic reactor was developed. A conversion reactor based on the result from the kinetic reactor was also developed. The conversion-based reactor was modeled with the ASF distribution theory which describes the distribution of products formed in Fischer-Tropsch synthesis along with a method of lumping higher hydrocarbons. The distribution between paraffins, olefins and oxygenates was based on experimental data from Shafer et al. with similar operating condition with a Slurry reactor. The kinetic-based reactor was modeled with ASF distribution theory with a consorted vinylene mechanism previously described in Rytter and Holmen. The reactors were added to a process for which the biomass gasification section had previously been developed by the PBtL group. The Fischer-Tropsch products were as well separated in order to evaluate the subsequent step of separation of waxes, middle distillate and lighter hydrocarbons. This enabled the option of recycling of tail gas to the Fischer-Tropsch reactor to be evaluated. A smaller contribution included addition of a biomass dryer prior the biomass gasification section. The PBtL concept is also shortly discussed from a practical point-of-view. It was found that for the operating condition of 210 °C, 25 bar and H2/CO = 1.95 for the conversion-based reactor yielded a carbon selectivity towards CH4 and C5+ of 14.77 and 75.40 mol C% respectively. For the same operating condition, the kinetic-based reactor yield a carbon selectivity towards CH4 and C5+ of 7.612 and 86.00 mol C% respectively. It could be seen from the conversion-based reactor that elevating temperature, pressure and H2/CO (to a certain extent) results in higher carbon selectivity towards lower hydrocarbons. From the product separation with the kinetic reactor, it was observed that C8-C16 production was higher than the C17+ production in terms of mole flow but lower in terms of mass flow. For both models, carbon selectivity increases with carbon number and peaks around carbon number 13 and then starts to decrease.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-289860 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Dahl, Robert |
| Publisher | KTH, Kemiteknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-CBH-GRU ; 2021:003 |
Page generated in 0.0029 seconds