Project

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Predicting the complex coupling of chemistry and hydrodynamics in fluidised bed methanation reactors for SNG-production from wood (bioSNG - fundamentals of methanation)

Applicant Schildhauer Tilman
Number 136891
Funding scheme NRP 66 Resource Wood
Research institution Allgemeine Energieforschung Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Chemical Engineering
Start/End 01.05.2012 - 31.01.2016
Approved amount 161'456.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Chemical Engineering
Fluid Dynamics

Keywords (3)

Fluidised bed reactors; Methanation; Synthetic Natural Gas (SNG) from Wood

Lay Summary (German)

Lead
Synthetisches Erdgas aus Holz - Wie kann man die Synthese optimieren? In diesem Projekt untersuchen die Forschenden, wie sich die chemischen Reaktionen, der Stoffübergang und die Fluiddynamik in Wirbelschichtreaktoren gegenseitig beeinflussen. Sie prüfen in Experimenten, ob die Reaktorsimulation die realen Abläufe ausreichend genau widerspiegelt. Dies ist wichtig, um mit Hilfe der Simulationen die Prozesse für die Bioerdgaserzeugung zu optimieren.
Lay summary

Hintergrund
Verholzte, ligninhaltige Biomasse wie Holz und Stroh lässt sich bisher nur über thermoche-mische Prozesse wie die Vergasung in ein brennbares Produktgas umwandeln. Aus dem so gewonnenen Holzgas entsteht mittels Wirbelschicht-Methanisierung ein synthetisches Erdgas. Dieses so genannte Bio-SNG (Synthetic Natural Gas) kann direkt in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden und steht als erneuerbarer und CO2-neutraler Ersatz für das her-kömmliche fossile Erdgas sowie als Treibstoff für Erdgasfahrzeuge zur Verfügung. Die Wirbelschicht-Methanisierung, bei der Holzgas in Methan umgewandelt wird, funktioniert gut im Pilotmassstab, für eine Umsetzung in grösseren Produktionsanlagen bedarf es weiterer Forschung.

Ziel
Ziel der Experimente ist es, auf einer 160 kW-Pilotanlage Daten mit der nötigen Qualität zu erheben, die es ermöglichen, Computermodelle zu überprüfen. Diese dienen dazu, die Wirbelschicht-Methanisierung auch auf kommerzielle Anlagen hochzuskalieren und die Prozesse zu optimieren. In ihren Experimenten variieren die Forschenden Temperatur, Druck, Gasflüsse und Gaszusammensetzung. Um die Prozesse zu optimieren, setzen die Forschenden Messverfahren zur Bestimmung der Fluiddynamik, eine verschiebbare Lanze zur Messung der axialen Temperatur- und Gasphasenkonzentrationsprofile sowie ein Katalysator-Probenahmesystem ein.

Bedeutung
Die anhand der Messergebnisse an der Pilotanlage überprüften Computermodelle erlauben, aussagekräftige Modellexperimente in der Perspektive des "mitfahrenden Beobachters" abzuleiten. Bei diesen wird eine kleine Menge Katalysator einer sich periodisch ändernden Gaszusammensetzung ausgesetzt, so wie es dem Katalysator bei der Bewegung im Wirbelschichtreaktor widerfährt. Dieser neuartige Ansatz kann für alle chemischen Reaktoren, in denen sich Feststoffe bewegen, angewendet werden.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Lay Summary (French)

Lead
Gaz naturel synthétique issu de bois: comment optimiser la synthèse? Les chercheurs de ce projet étudient les corrélations entre les réactions chimiques, le transfert de masse et la dynamique des fluides dans des réacteurs à lit fluidisé. Ils vérifient que la simulation du réacteur reflète les processus réels avec une précision suffisante, afin d’optimiser, par simulation, les processus de produc-tion de gaz naturel de synthèse.
Lay summary

Contexte
Pour transformer la biomasse ligneuse contenant de la lignine – comme le bois et la paille – en produit gazeux combustible, il faut de nos jours avoir recours à des processus thermochimiques tel que la gazéification. A partir du gaz de bois ainsi obtenu, un gaz naturel synthétique est généré par la méthanation à lit fluidisé. Ce gaz appelé bio-SNG (Synthetic Natural Gas) peut être injecté directement dans le réseau de gaz naturel existant et devient un produit renouvelable et au bilan de CO2 neutre et remplace ainsi le gaz naturel fossile traditionnel, par ex. comme carburant. Si le processus de méthanation à lit fluidisé, transformant le gaz de bois en méthane, fonctionne bien à l’échelle pilote, les recherches doivent être poursuivies en vue d’une application à plus grande échelle.

But
L’objectif des expériences sur une installation pilote de 160 kW est de recueillir des données d’une qualité suffisante pour vérifier les modèles de simulation. Elles servent à transposer la méthanation à lit fluidisé à une échelle supérieure, sur des installations commerciales, et à optimiser les processus. Dans leurs expériences, les chercheurs font varier la température, la pression, les flux de gaz et la composition du gaz. Pour optimiser les processus, les chercheurs utilisent: 1) des procédés de mesure pour déterminer la dynamique du fluide, 2) une lance réglable de mesure des profils de concentration en phase gazeuse et de la température axiale, et 3) un système de prélèvement d’échantillons de catalyseur.

Portée
Les modèles de simulation, que vérifient les mesures effectuées sur l’installation pilote, permettent de faire, par déduction, des expériences concluantes sur modèles, dans la perspective de l'"observateur accompagnateur". Elles consistent à exposer une petite quantité de catalyseur à une composition gazeuse en modification périodique, comme c’est le cas du catalyseur soumis au mouvement du réacteur à lit fluidisé.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Lay Summary (English)

Lead
Synthetic natural gas from wood - How can the synthesis be optimised? In this project, researchers examine how the chemical reactions, the mass transfer and the fluid dynamics in fluidised bed reactors mutually influence each other. In experiments, they check whether the reactor simulation mirrors the actual processes precisely enough. This is important for optimising processes for the production of bio natural gas with the help of simulations.
Lay summary

Background
Woody biomass containing lignin, such as wood and straw, can so far only be transformed into a combustible product gas via thermochemical processes such as gasification. From the wood gas thereby gained, a synthetic natural gas is made via fluid bed methanation. This so-called bio-SNG (synthetic natural gas) can be fed directly into the existing natural gas network and is available as a renewable and CO2-neutral substitute for conventional fossil natural gas and as fuel for natural gas vehicles. The fluid bed methanation, during which wood gas is transformed into methane, works well at the pilot scale, but further research is necessary before it can be implemented in larger production plants.

Aim
The goal of the experiments is to collect on a 160 kW pilot plant data of sufficiently good quality that will enable researchers to validate the computer models. These models are used to upscale the fluid bed methanation to the scale of commercial plants and to optimise processes. During the experiments, the researchers will vary temperature, pressure, gas flows and gas composition. For process optimisation, the researchers will measure the fluid dynamics, the axial temperature and the gas phase concentration profiles and will use a catalyst sampling system.

Significance
The computer modules validated via the measurements on the pilot plant enable researchers to derive meaningful model experiments in the perspective of the "observing passenger". In these experiments, a small amount of a catalyst is exposed to a periodically changing gas mixture, which is what happens to the catalyst when there is movement in the fluidised bed reactor. This innovative approach can be applied to all chemical reactors with moving solids.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
CTU AG (Industry) Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Industry/business/other use-inspired collaboration

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
European Symposium on Chemical Reaction Engineering Talk given at a conference Determining C2Hx hydrogenation kinetics for fluidised bed methanation design 27.10.2015 Fürstenfeldbruck, Germany Tschedanoff Vera; Schildhauer Tilman;
Catalytic Multiphase Reactors 2014 Talk given at a conference Improving two-phase model to support the scale-up of fluidised bed methanation reactors 07.12.2014 Lyon, France Tschedanoff Vera;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
156206 Development of a catalyst for methanation in the presence of sulphur to simplify the production of Synthetic Natural Gas from wood 01.09.2015 Project funding (Div. I-III)

Abstract

The production of Synthetic Natural Gas (SNG) from low quality or waste wood is one of the best options under several 1st and 2nd generation processes for bio-fuel production with respect to both, impact on environment and CO2 mitigation as was shown recentlyby a study of EMPA (Zah et al., 2008). In this process, wood is gasified and the generated producer gas is cleaned before feeding it to the synthesis step, the methanation. In the methanation step, the gas is converted to a methane-rich gas that is finally up-graded to pipeline ready SNG.This projects aims at predicting the complex coupling of chemistry and hydrodynamics in large scale fluidised bed methanation reactors with internals by replacing expensive pilot scale experiments with studies on small particles quantities (about 1 g) under simulated process conditions, combined with multi-scale modelling and validation experiments in pilot scale. To establish the multi-scale (heterogeneous) model, applied surface species kinetics will be determined. Moreover, hydrodynamic correlations will be measured in the pressurised set-up to ensure that the correlations are valid for the reactors with internals and the operation conditions applied. Based on the results of the hydrodynamic experiments and the multi-scale modelling, the particle studies will realistically mimic the highly transient gas phase concentration changes that catalyst particles encounter during their travel up and down in fluidised bed reactors (moving observer experiment). This way, it will be possible for the first time to investigate catalyst particles under (simulated) fluidised bed conditions by in-situ spectroscopy. This concept will support the scale-up of complex fluidised bed reactors and decrease significantly the number of necessary experiments in pilot scale plants. Moreover, it helps to understand catalyst state and surface reactions under the transient conditions in fluidised beds where the gas phase composition around the catalyst particle changes periodically over time during its travel through the reactor. The hope is, that with the combination of modelling and the planned experiments it is possible to calculate by applying the validated modelling/simulation tool on a (not yet realised) scaled-up reactor the axial gas phase concentration profiles and use them as input for the moving observer experiments allowing for more sophisticated analyses. The predictions of this combination of tools should facilitate reactor scale-up and process optimisation enabling an improved process for the energetic use of wood by conversion to SNG.
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