SNG-Synthese
Nutzungstechnik. Auch SNG (Synthetic Natural Gas), also Biomethan, Bioerdgas oder Erdgasersatz, kann aus dem Produktgas der Biomassevergasung erzeugt wer — den. Dieses Verfahren wurde schon 1902 fur Kohle entwickelt und in der zweiten Halfte des vorigen Jahrhunderts intensiv untersucht und demonstriert /11-30/. Bei — spielsweise wird in der USA in der Great Plains Synfuels Plant auf der Basis von Kohle seit 1984 in 14 parallel arbeitenden Vergasern mit einer thermischen Leis — tung von je 150 MW Synthesegas fur die Methanisierung erzeugt /11-154/.
Die SNG-Synthese ist exotherm (d. h. es muss kontinuierlich Warme aus der Synthese abgefuhrt werden). Die Reaktion lauft begunstigt unter Anwesenheit von geeigneten Katalysatoren (vorzugsweise auf Nickel(Ni)-Basis) bei Temperaturen von 300 bis 450 °C und Drucken zwischen 1 und 5 bar ab.
Die Reaktionen nach Gleichung (11-10) und Gleichung (11-11) zeigen die zwei wichtigsten Reaktionen der Methanisierung und die dabei entstehenden Produkte.
CO+3H2 ^CH4 + H2O AH = -217 kJ/mol (11-10)
CO + H2O ^ CO2 + H2 AH = -40,9 kJ/mol (11-11)
Aufgrund der Shiftreaktion (Gleichung (11-11), die auch im Methanisierungs — reaktor ablauft, kann das H2/CO-Verhaltnis am Eintritt in die Methanisierungsstufe in relativ weiten Grenzen schwanken. Dabei besteht die Gefahr der Bildung von Kohlenstoff uber die Boudouard-Reaktion. Durch hohere Wasserdampfgehalte kann diese Gefahr vermindert werden und durch niedrigere Temperaturen und hohere Drucke wird sie erhoht /11-30/.
Bei der SNG-Produktion konnen energetische Wirkungsgrade von ca. 60 bis 65 % erreicht werden. Weitere 20 %-Punkte der im Holz vorhandenen Energie kann zusatzlich in Form von Warme und/oder Strom gewonnen werden.
Als Reaktoren fur die Methanisierung kommen Rohrbundelreaktoren (sog. Fest — bettreaktoren) oder Wirbelschichtreaktoren (stationar oder zirkulierend) in Frage.
— Fur die Kontrolle der exothermen Reaktion bei der Methanisierung im Festbett muss bei hohen Kohlenstoffmonoxid(CO)-Konzentrationen im Synthesegas mit einem Dampfuberschuss und groflen Kuhlwassermengen gearbeitet werden. Haufig werden die Festbettreaktoren mehrstufig ausgefuhrt und zwischen den Reaktionsstufen Gaskuhlungen vorgesehen, um die entstandene Warme abzu — fuhren.
— Durch die guten thermischen Eigenschaften der Wirbelschichttechnik ist hier eine einfache Auskopplung der Reaktionswarme auf einem hohen Temperatur — niveau (bis zu 450 °C) und eine nahezu isotherme Betriebsweise moglich. Die Entwicklung der Methanisierung in der stationaren Wirbelschicht wurde fur Synthesegas auf Kohlebasis bereits Mitte der 1970er Jahre in Deutschland vor — angetrieben. Die technische Machbarkeit wurde zwischen 1980 und 1985 in ei — ner Pilotanlage ("Comflux") mit einer thermischen Leistung von 20 MW de — monstriert. Eine kommerzielle Anwendung in industriellen Prozessen gibt es gegenwartig aber nicht.
Nach der Methanisierung liegt der Kohlenstoffdioxid(CO2)-Gehalt im Produktgas bei bis zu 50 Vol.-%. Damit Bio-SNG in das Erdgasnetz unter Einhaltung der dort gegebenen Spezifikationen eingespeist werden kann, muss es deshalb weiter aufbe — reitet werden. Wesentlich dafur ist die Abtrennung des Kohlenstoffdioxids (CO2) und ggf. auch von Wasserstoff (H2) /11-118/.
Anwendungsbeispiel. Aus der Vielfalt der Vergasungsverfahren erscheint die allotherme Wirbelschicht-Wasserdampfvergasung, wie sie beispielsweise in Gus- sing/Osterreich in Betrieb ist, fur die Bio-SNG-Erzeugung gut geeignet, da bei diesem Verfahren bereits ca. 10 bis 12 % Methan (CH4) im Synthesegas enthalten sind. Bezogen auf den Energieinhalt bedeutet dies, dass rund 30 bis 35 % der im Synthesegas erhaltenen Energie bereits in Form von Methan vorliegen.
Abb. 11.23 zeigt ein Blockflieflbild einer Bio-SNG-Demonstrationsanlage. Demnach wird das aus der allothermen Biomasse-Dampfvergasung kommende Produktgas von Partikeln, Teeren, Kohlenstoffdioxid (CO2) und insbesondere von Schwefel — und Chlorverbindungen (< 1 ppm) befreit, bevor das Synthesegas in die Methanisierungsstufe eintritt. Hier kommt ein Wirbelschichtreaktor mit integrier — ten Tauchheizflachen zum Einsatz, um die bei der Methanisierung entstehende Warme effizient abfuhren zu konnen. Als Bettmaterial findet ein Nickel — Katalysator Verwendung, der mit dem von der Vergasung kommenden H2/CO — Verhaltnis von ca. 1,4 bis 1,7 arbeiten kann; zusatzliche Shift-Reaktionen sind damit nicht notwendig. Das aus der Methanisierungsstufe austretende Gas wird auf Erdgasqualitat aufbereitet (d. h. CO2- und H2-Abscheidung), damit es in das Erdgasnetz eingespeist und dadurch an Erdgastankstellen als Kraftstoff abgegeben werden kann.
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Abb. 11.23 BlockflieBbild einer Methanisierung mit Nutzung des Synthesegases aus der Zweibett-W irbel schicht-Dampfvergasung