Modelling and Optimization of a Power-and-Biomass-to-Liquid Process via Fischer-Tropsch Synthesis

Abstract

En Biomass-to-Liquid-prosess produserer avanserte biodrivstoff gjennom gasifisering av biomasse og påfølgende Fischer-Tropsch (FT) syntese. Ved å tilsette H2 fra elektrolyse av vann ved bruk av fornybare energikilder, kan karboneffektiviteten til prosessen forbedres betraktelig. Optimale flertrinns FT-syntese prosesser ble oppnådd ved bruk av path optimization metoden. Denne studien sammenligner og identifiserer optimale designstrukturer og strategier ved å verifisere de optimale designene gjennom simulering i en forenklet Power-and-Biomass-to-Liquid prosess. Reaksjonskinetikken er fra en publisert modell basert på CO-insertion mechanism, og er utviklet i VB.NET for implementing i simuleringen. Fire optimale, en-gjennomgangsprosesser ble evaluert, der antall trinn og effekten av en relativt høy eller lav hydrogenkostnadsparameter ble utforsket. En syntesegassføde med under-støkiometrisk H2/CO-forhold før hvert trinn sikrer en høy per-trinn CO-konvertering. Dette oppnås ved å tilsette H2 før hvert reaktortrinn, som vil øke CO-konverteringen med 19.0% for et tretrinns designs siste trinn, sammenlignet med H2-tilsetting kun før første trinnet. For et en-gjennomgangsdesign med liknende H2-tilsetning, er effekten av å legge til et tredje trinn en økning på 10.4% og 9.5% CO-konvertering og 16.7% og 13.4% i synkrudproduksjon. Høye driftstemperaturer for FT-syntesen gjør designene ustabile, og det anbefales at rammeverket for path optimization metoden modifiseres for å oppnå mer stabile optimale design. Høytemperatur gasifisering reformerer lettere hydrokarboner i resirkuleringsgasssen, noe som sikrer en høy karboneffektivitet på opptil 97.4%. Derimot, om resirkuleringsgass-til-biomasse forholdet er betraktelig, vil dette øke O2 tilsatt gasifiseringen, som gjør at prosessen krever mer kraft. Dette kan motvirkes om en oppnår høy CO-konvertering per gjennomgang for FT syntesen. En CO-konvertering på 85.7% vil øke tilsatt O2 med 57.0% sammenlignet med ingen resirkuleringsgass. Den største mengden CO2 produsert i en høytemperatur gassifiseringsenhet er 2.8 mol%, noe som gjør en RWGS-enhet unødvendig.

A Biomass-to-Liquid process produces advanced biofuels through gasification of woody biomass and subsequent Fischer-Tropsch (FT) synthesis. By adding H2 from the electrolysis of water using renewable energy sources, can the carbon efficiency of the process be improved considerably. Optimal multi-stage FT synthesis processes were obtained using the path optimization method. This study compares and identifies optimal design structures and strategies by verifying the optimal designs through rigorous simulation in a simplified Power-and-Biomass-to-Liquid process. Kinetic reaction extensions are developed in VB.NET to implement reaction kinetics for a published kinetic model based on the CO-insertion mechanism. Four optimal, once-through designs were evaluated, where the number of stages and the effect of a relatively high or low hydrogen cost penalty parameter were explored. Operating the syngas at an under-stoichiometric H2/CO ratio before each stage ensures a high per-stage CO-conversion. This is obtained by adding extra H2 prior to each stage, which increases CO-conversion by 19.0% for the three-stage design's last stage, compared to only adding H2 before the first stage. For once-through designs with similar H2 addition, is the effect of adding a third stage an increase of 10.4% and 9.5% for CO-conversion and 16.7% and 13.4% in syncrude production. High operating temperatures for the FT synthesis cause the designs to be unstable, and it is recommended that the framework for the path optimization method be modified to achieve more stable optimal designs. High-temperature gasification reforms lighter hydrocarbons in the tail gas recycle, ensuring a high carbon efficiency, up to 97.4%. However, if the tail gas recycle-to-biomass ratio is considerable, will this require a significant increase in O2 addition to the gasifier, increasing the process' power demand. This can be negated by achieving a high per-pass CO-conversion for the FT synthesis. A per pass CO-conversion of 85.7% increased O2 addition by 57.0% compared to no external tail gas recycling. The most CO2 produced in a high-temperature gasifier is 2.8 mol%, deeming an RWGS unit unnecessary.