synthesegas durch vergasung von...
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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
Institut fürKatalyseforschung und -technologie
www.kit.edu
Synthesegas durch Vergasung von Stroh
N. Dahmen, E. Dinjus
IKFT2 26.03.2012
XTL: Synthetische Kraftstoffe und chemische Produkte
Erdgas
Biomasse Synthesegas
Fischer-Tropsch-
Synthese
Propylen
Ethylen
Benzin
Oxygenate
Acrylsäure …….
Gase
Flüssiggas
Naphta
Kerosin
Diesel
……….
Dimethyl-ether DME
Veredlung
H2 CO
Direktnutzung(Brennstoffzelle,RME-Produktion)
Wasserstoff
Methan (SNG)
Methanol-Synthese
Kohle
Erdgas Kohle Braunkohle Biomassse
CH: 85 % CH4
L: >89 % CH4
1-8 % Alkane1-11 % Inertgas
80-90 60-75 50
H 3-6 6 6
O 2.5-10 17-34 43
IKFT3 02.04.2012
SasolShell
Syngas MeOH DME Olefine KraftstoffTOTAL
MTO(UOP)
MTS (Lurgi,Südchemie)
MTG (ExxonMobil, Haldor Topsøe)
Fischer-Tropsch-ProzesseBASF
Etanol +höhere Alkohole
Prozesse die auf Methanol basieren
Verfahren und ausgewählte Betreiber
MTS = Methanol-To-Synfuel; MTG = Methanol-To-Gasoline; MTO = Methanol-To-Olefins
IKFT4 02.04.2012
Methanol und DME als Kraftstoff
Methanolzusatz im Otto-KraftstoffOhne Kennzeichnung: 3% + Stabilisator, EN 228
80er Jahre: Großversuch mit M15, M85 und M20/Diesel
M100/Diesel (Glühzündungsmotor)
MTBE (Oktanzahl- und Verbrennungsverbesserung)
Methanol-to-Gasoline (80er Jahre, Exxon u. a.)
Direkt-Methanol-Brennstoffzelle
Veresterung von Pflanzenöl
Problem: toxisch, aber biologisch leicht abbaubar
DME: Geringe Toxizität (im Vgl. z CH3OH), leicht narkotisierende Wirkung
Propangasersatz in Haushalt und Industrie (Tm: -114°C, Ts. -25°C)
Beimischung zu Dieselkraftstoff (30 Gew.% DME in LPG)
Treibmittel (Mittlere Lebensdauer in der Atmosphäre: 5 d)
Produktion eines hochoktanigen Benzins (dimethylether to gasoline, DtG)
IKFT5 26.03.2012
CTL-Projekte
Firmen Firmen Kapazität Ges.Kosten
NCCP Coal toChemicals, China
Siemens/Lurgi/
Südchemie
5 x 500 MWSFGT-Vergaser
Methanol toproylene
Secunda CTLSasol mit LurgiFestbettvergaser
20.0000 t/d Fischer-Tropsch
Orissa, Indien (geplant) TATA Steel /Sasol
3,6 Mio.t/a Fischer-Tropsch
…..
Produkte Produktkapazität
LPG 50.000 t/a
Benzin 190.000 t/a
Polypropylen 500.000 t/a
NCCP Coal to Chemicals, China
IKFT6 26.03.2012
GTL-Projekte
Firmen Ort Kapazität Ges.Kosten Spez. Kosten
Shell/Qatar Qatar 2010 140.000 bbl/d 19 Mrd.$ 130.000 $/bbl
Sasol/Qatar Oryx 1993 33.000 bbl/d 1 Mrd.$ 30.000 $/bbl
Sasol / Chevron Escravos 33.000 bbl/d 6 Mrd.$ 180.000 $/bbl
…..
OhneHydrocracking
MitHydrocracking
LPG 2 4
Naphta 18 26
Jet-KeroDiesel (Gasöl)
50 70
Lubes 30 < 1
Wachs 10 < 1
SpezialitätenOlefine, Lösungsmittel, Detergentien,Aromen, Bohrfluide
IKFT7 02.04.2012
BTL-Projekte in Europa
Prozess Typ Kapazität Druckstufe
KIT bioliq, DSchnellpyrolysie + Hochdruck-Flugstromvergasung + Heißgasreinigung +DME und DtG Benzinsynthese
5 MWth
(2 MWth)80 bar
Carbo-V, DCGT Druck-Flugstromvergaser, FT-synthese(still gelegt, Rechte bei Linde)
45 MWth 4 bar
Biodies, FVorbehandlung + Flugstromvergasung +Rectisol + GTL.F1-Synthese (derzeit Studie) 45 MWth 4 bar
BioTfueL , FTorrefaction + Uhde Prentflo-Vergasung +FT-Synthese 15 MWth n.b.
Güssing, AGestufte Wirbelschicht, Strom,SNG (1 MW) und FT-Synthese (Labor) 8 MWth atm.
BioDME, SSchwarzlauge-Flugstromvergasung +DME/Methanol-Synthese 5 t/d DME 29 bar
Neste Oil, FI Zirkulierende Wirbelschicht, FT-Synthese 12 MWth atm.
Värmlands methanol, S HTW-Vergasung (Uhde), Methanol+Wärme 111 MWth n.b.
IKFT8 26.03.2012
Mögliche Einsatzstoffe
Landwirtschaft
Stroh, Heu, ….
Energiepflanzen
Kurzumtriebsplantagen
Forstwirtschaft
Waldrestholz
Holzwerkstoffindustrie
Landschaftspflegegut
Gehölzschnitt
Pflegeheu
Organische Reststoffe
IKFT9 26.03.2012
Energiedichte: 2 GJ/m3 25 GJ/m3 36 GJ/m3
Das - Konzept
Energieverdichtung zu bioliqSyncrude in dezentralen Anlagen
Wirtschaftlicher Transport über große Strecken
Weiterverarbeitung in wirtschaftlich sinnvollen Großanlagen
IKFT10 26.03.2012
Thermolyse (in inerter Atmosphäre)
Schnellpyrolyse 500°C atm. Sec - min
Torrefaction (Darre) 200 °C atm. < h
Biomass steam processing, BSP < 400 °C atm. min – h
Solvolyse in organischen Lösungsmitteln oder Wasser
Hydrothermale Verflüssigung < 350 °C 10 bar 10 min
Hydrothermale Carbonisierung < 200 °C 350 bar 2 h
Desoxygenierung und Hydrierung
Hydrothermale Verflüssigung (+ Kat., +CO/H2) < 350 °C 10 bar 10 min
Biocrude oil (algae oil) Upgrading < 250 °C < 100 bar min
Verfahren zur Energieverdichtung
IKFT11 26.03.2012
- Prozessschema
O2 (Dampf)
bioSyncrudebioSyncrude
Partikelfilter Sorption CO2- undWasserab-scheidung
Katalysator
Kraftstoff-Synthese
DME-Synthese
Gasreinigung und -konditionierung
Hochdruck-Flugstrom-Vergasung
bioSyncrudebioSyncrude
Synfuel
Schnellpyrolyse
Bio
mass
e
Zerkleinerung Syngas
Dezentral Zentral
Schlacke
IKFT12 26.03.2012
- Pilotanlage
Praxistauglichkeit
Repräsentative Produkte
Kostenschätzungen
Auslegungsdaten zurMaßstabsvergrößerung
IKFT13 26.03.2012
Stufe I: Schnellpyrolyse
Doppelschnecken-Mischreaktor, 500 °C, Gasverweilzeit ~3 sec
Wärmeübertragung durch Sand, der im Kreislauf gefahren wird
Vermischung von Pyrolysekoks- und öl zu BioSyncrude
Koks + Pyrolyseöl = BioSyncrude
IKFT14 26.03.2012
Ausbeuten aus unterschiedlicher Biomasse
Koks gesamtes Kondensat Gas FeuchteAsche Buchenholz
Weizenstroh
Reisstroh
Heuhäcksel
Weizenkleie
0 20 40 60 80 100 Gew. %
IKFT15 26.03.2012
BioSyncrude - Herstellung
Kolloid-Mischer
Stabile Suspensionen fürTransport und Lagerung
Frei fließend unter Prozessbedingungen
Zerstäubungsfähig zur Vergasung
Niedrige Gefährdungseinstufung
Mit wenig Aufwand herstellbar
Entscheidend: Partikelgröße
IKFT16 26.03.2012
Energieverdichtung mit BioSyncrude
2,2 GJ/m3
22 GJ/m3
BioSyncrude Entfernung / km
100
50
0
0 100 200 300 400 500
30 km
250 km
Tra
nsp
ort
ko
ste
n€
/t(w
af)
BioSyncrude
Bahn
LKW
Stroh
Bahn
Trak
tor
LKW
IKFT17 26.03.2012
Stufe II: Die Hochdruck-Flugstromvergasung
Sauerstoff-Vergasung bei 1200°Cund 80 bar zu teerfreiem undmethanarmen Synthesegas
Verwendung aschereicher Brenn-stoffe variabler Zusammensetzung
Verschlackende Fahrweise durchEinsatz eines Kühlschirmes
Versuchskampagnen am 3-5 MW-Vergaser in Freiberg mit 70 t Bio-Syncrude
Weitere Entwicklung des 5 MWPilotvergasers mit Lurgi mitDruckstufen von 40 und 80 bar
Komponente Vol%
H2 20 – 25
CO 25 – 37
CO2 12 - 18
CH4 0 - 1
H2O 25 - 30
O2 0
N2 4 – 15
teerfreies, methanarmes Synthesegas,
keine aufwändige Gaskompression
IKFT18 26.03.2012
Stufe IIIa: Hochtemperatur-Gasreinigung
HTHP-Trockensorption zurAbtrennung von Sauergasenund Alkalien
Katalytische Zersetzung vonorganischen und stickstoff-haltigen Verbindungen
CO2-Abtrennung (optional)
700 Nm3/h Synthesegas(40 Bm³/h bei 80 bar, 800 °C)
Mögliche Energieeinsparung ca. 10%gegenüber konventioneller Gasreinigung
Optimierung durch Prozessintegration
Keramikfilter
RohsyngasvomVergaser
Synthesegas
Festbett-reaktor
Katalysator
Gasanalyse
(Flugstrom-sorption)
Shiftreaktor CO2
Abscheider
katalytischesKeramikfilter
Rohsyngas
Flugstrom-sorbent
Sicherheits-bett
Reingas
IKFT19 26.03.2012
Stufe IIIb/IV: DME- und DtG- Synthese
Vereinfachte Technologie
Anpassbare Produkte mithoher Selektivität
3 CO + 3 H2 → CH3OCH3 + CO2
CH3OCH3 → 2n „CH2“ + H2O
Einstufige DME Synthese
Synthesegas kann ohne vorherigeEinstellung des CO/H2-Verhältnisses eingesetzt werden
Temperaturen um 250 °Cund Drücke um 60 bar
Zeolith-katalysierteBenzinsynthese
Dehydratisierung
Oligomerisierung
Isomerisierung von DME
bei 350 °C, 25 bar
IKFT20 26.03.2012
Aktueller Stand des - Pilotvorhabens
Stufe I Stufe II Stufe IIIa/b Stufe IV
Verfahren Schnellpyrolyse Hochdruck-Flug-stromvergasung
Gasreinigung+ Synthese I
Synthese II
Produkt BioSyncrude Synthesegas DME Synthese-kraftstoff
Kapazität 2 MW (500 kg/h) 5 MW (1 t/h) 180 kg/h 50 l/h
Realisierung 2005-2008 2008-2012 2009-2012
Partner Lurgi
MAT
Lurgi CAC
MUT
IKFT21 26.03.2012
Gesamtansicht der Pilotanlage
Mechanische Fertigstellung: Nov. 2011
IKFT22 26.03.2012
Energie- und Massenbilanz
7,5 t Holz oder Stroh mit 15 Gew.% H2O
5,4 t Kondensat/Koks - Slurry oder Pasteplus ~ 2,7 t technischer O2
1,2 t FT-Synthese-Rohprodukte
1 t Synthesekraftstoff
Koppelproduktion vonKraftstoff, Strom, Wärme
Lignocellulose100 %
Schnellpyrolyse
~ 3 %
~ 3 %
~ 7 %
PyrolysegasKondensat/Koks– Slurry~ 90 %
Flugstrom-Druckvergasung ~ 3 %
~ 13 %
ReaktionswärmeSynthese- RohgasSynthese- Reingas
~ 76 %
FT- Synthese
FTS - Reaktionswärme
~ 18 %
~ 6 %
~ 5 %
nicht umgesetztes SyngasSyntheseprodukte
~ 51 %
~ 40 % C5+ FTS- ProdukteSynfuel, Wachse, Olefine...
Strom undHT Dampf:~ 42 %
Wärmeverluste:Summe ~ 6 %
~ 1 %
~ 1 %
~ 1 %
C5- - Produkte
~ 5 % wertvolleC5- Produkte
Trennung
Lignocellulose100 %
Schnellpyrolyse
~ 3 %
~ 3 %
~ 7 %
PyrolysegasKondensat/Koks– Slurry~ 90 %
Flugstrom-Druckvergasung ~ 3 %
~ 13 %
ReaktionswärmeSynthese- RohgasSynthese- Reingas
~ 76 %
FT- Synthese
FTS - Reaktionswärme
~ 18 %
~ 6 %
~ 5 %
nicht umgesetztes SyngasSyntheseprodukte
~ 51 %
~ 40 % C5+ FTS- ProdukteSynfuel, Wachse, Olefine...
Strom undHT Dampf:~ 42 %
Wärmeverluste:Summe ~ 6 %
~ 1 %
~ 1 %
~ 1 %
C5- - Produkte
~ 5 % wertvolleC5- Produkte
Trennung
Lignocellulose100 %
Schnellpyrolyse
~ 3 %
~ 3 %
~ 7 %
PyrolysegasKondensat/Koks– Slurry~ 90 %
Flugstrom-Druckvergasung ~ 3 %
~ 13 %
ReaktionswärmeSynthese- RohgasSynthese- Reingas
~ 76 %
FT- Synthese
FTS - Reaktionswärme
~ 18 %
~ 6 %
~ 5 %
nicht umgesetztes SyngasSyntheseprodukte
~ 51 %
~ 40 % C5+ FTS- ProdukteSynfuel, Wachse, Olefine...
Strom undHT Dampf:~ 42 %
Wärmeverluste:Summe ~ 6 %
~ 1 %
~ 1 %
~ 1 %
C5- - Produkte
~ 5 % wertvolleC5- Produkte
Trennung
Lignocellulose100 %
Schnellpyrolyse
~ 3 %
~ 3 %
~ 7 %
PyrolysegasKondensat/Koks– Slurry~ 90 %
Flugstrom-Druckvergasung ~ 3 %
~ 13 %
ReaktionswärmeSynthese- RohgasSynthese- Reingas
~ 76 %
FT- Synthese
FTS - Reaktionswärme
~ 18 %
~ 6 %
~ 5 %
nicht umgesetztes SyngasSyntheseprodukte
~ 51 %
~ 40 % C5+ FTS- ProdukteSynfuel, Wachse, Olefine...
Strom undHT Dampf:~ 42 %
Wärmeverluste:Summe ~ 6 %
~ 1 %
~ 1 %
~ 1 %
C5- - Produkte
~ 5 % wertvolleC5- Produkte
Trennung
IKFT23 26.03.2012
Beispiel: Versorgungsstruktur in BW
Standort NORD
Aufkommen
R= 40 km
(Mg TM)
R= 50 km
(Mg TM)
R= 60 km
(Mg TM)
Stroh 235.000 334.000 469.000
Heu(Überschuss)
90.000 141.000 200.000
Waldrestholz 267.000 448.000 651.000
Insgesamt 592.000 923.000 1.320.000
StandortSÜD
Aufkommen
R= 40 km
(Mg TM)
R= 50 km
(Mg TM)
R= 60 km
(Mg TM)
Stroh 140.000 213.000 309.000
Heu(Überschuss)
141.000 210.000 272.000
Waldrestholz 405.000 574.000 755.000
Insgesamt 686.000 997.000 1.336.000
Quelle: ITAS
IKFT24 26.03.2012
„Die weltweiteNachfrage nach
Kraftfahrzeugen wirdeine Million nichtüberschreiten…
Gottlieb Daimler 1901
… allein schon ausMangel an Chauffeuren„
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!