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Prozessanalytik bei der Biomassevergasung und der Herstellung von Bio-SNG
Die thermochemische Biomassevergasung und die Erzeugung von synthetischem Erdgas (Bio-SNG) erschließen großtechnische, CO₂-neutrale Grundlastenergie, indem feste kohlenstoffhaltige Rohstoffe – wie forstwirtschaftliche Reststoffe, landwirtschaftliche Nebenprodukte, Holzpellets und sortierter Siedlungsabfall – in hochwertige gasförmige Brennstoffe umgewandelt werden. Bei extremen Temperaturen (800–1200 °C) in Wirbelschicht- oder Mitreißstromvergasern zersetzt der Prozess komplexe Polymere in ein reaktives, aus mehreren Komponenten bestehendes Rohsyngas. Diese Rohmatrix ist jedoch stark mit schweren aromatischen Teeren, feinen Kohlepartikeln, Alkalimetalldämpfen (Kalium- und Natriumverbindungen) sowie korrosiven sauren Gasen (HCl, H₂S, COS, HCN und NH₃) verunreinigt.
Nachgeschaltete katalytische Umwandlungsanlagen – insbesondere Hoch- und Niedertemperatur-Wassergas-Shift-Reaktoren (WGS) sowie Sabatier-Methanisierungskatalysatorbetten auf Nickel- oder Rutheniumbasis – reagieren äußerst empfindlich auf diese Verunreinigungen. Schon eine geringfügige analytische Abweichung oder ein unüberwachter Anstieg der Giftstoffe führt zu einer raschen Katalysatordeaktivierung durch irreversible Verkokung, Schwefelvergiftung oder thermisches Sintern. Die MZD Analytik GmbH liefert robuste, leistungsstarke Prozessanalysesysteme, die speziell für den Einsatz in rauen thermochemischen Umgebungen entwickelt wurden und eine präzise stöchiometrische Regelung, Echtzeit-Schutz vor Giftstoffen sowie den langfristigen Schutz der Anlagen gewährleisten.
Messpunkte (MPs) für Kernprozesse, technische Anforderungen und technische Lösungen
1. Zusammensetzung des Rohsyngases und Steuerung des stöchiometrischen Verhältnisses beim Wasser-Gas-Shift-Verfahren (WGS)
Prozessherausforderung: Steuerung von mehrkomponentigen brennbaren Gasgemischen (H₂, CO, CO₂, CH₄ und H₂O) und Optimierung des Molverhältnisses von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid (H₂/CO) in katalytischen Hochtemperatur-Shift-Reaktoren. Um eine optimale Umwandlung in der nachgeschalteten Methanisierung zu erreichen, muss das H₂/CO-Verhältnis streng bei etwa 3:1 gehalten werden. Herkömmliche Analysatoren haben Schwierigkeiten mit Kreuzstörungen durch sich verändernde Hintergrundgase und thermische Schwankungen.
Schwerpunkt: Mehrkomponenten-Tracking im Subsekundenbereich und dynamische Matrixkompensation zur Stabilisierung des WGS-Reaktionskreislaufs bei schwankender Rohstoffqualität und thermischen Belastungen des Vergasers.
Technische Lösung: Einsatz von mehrkomponentigen, spektroskopischen und korrosionsbeständigen TCD Analysatoren mit automatischer Hintergrundunterdrückung, beheizten Probenvorbereitungsmodulen und Algorithmen mit schneller Reaktionszeit zur Analyse flüchtiger Synthesegas-Matrizen ohne Signalverlust.
2. Schutz vor Teer, Partikeln und korrosiven sauren Gasen (Gaswäscher und Nachbehandlungsschleife)
Prozessherausforderung: Schwere Teere und kondensierbare organische Fraktionen können in Verbindung mit sauren Gasen (HCl, H₂S, SO₂) Probenahmeleitungen schnell verschmutzen, Mikroöffnungen verstopfen und optische Fenster beschichten, wodurch Analysegeräte innerhalb weniger Stunden unbrauchbar werden.
Schwerpunkt: Kontinuierliche Überwachung der Effizienz der Nasswäsche, der Sättigung des Ölwäschers und des Durchbruchs im Schutzbett (H₂S, COS, HCl), bevor das Synthesegas in die Edelmetall- oder Nickelkatalysatorreaktoren gelangt.
Technische Lösung: Einsatz TCD-Analysatoren mit korrosiver Matrix und UV Gas Analysatoren/NDIR Gas Analysatoren ausgestattet mit beheizten Hochtemperatur-Probenahmeschleifen, optischen Messzellen aus inerter Keramik bzw. Quarz sowie automatisierten Rückspülzyklen zur Verhinderung von Teerkondensation und chemischer Ätzung.
3. „Defense Guard“ für Methanationskatalysatoren (Erfassung von Vergiftungen im Sub-ppm-Bereich)
Prozessherausforderung: Persistente Giftstoffe – darunter Sauerstoff (O₂), Schwefelwasserstoff (H₂S), Carbonylsulfid (COS) und Chlorwasserstoff (HCl) – können sich bereits in Konzentrationen im einstelligen ppm-Bereich chemisch an aktive Stellen auf Methanisierungskatalysatoren binden und so zu einer irreversiblen Deaktivierung sowie zu einem thermischen Durchgehen in Festbettreaktoren führen.
Schwerpunkt: Absolutgenaue Rückverfolgung von Spurenverunreinigungen und Hochgeschwindigkeits-Sicherheitsverriegelung direkt vor dem Hauptkreislauf der SNG-Synthese.
Technische Lösung: Implementierung hochempfindlicher galvanischer Systeme zur Überwachung von Spuren von Sauerstoff sowie elektrochemischer/laserbasierter Systeme zur Überwachung von Schwefel, die mit einer automatischen Druck- und Temperaturkompensation ausgestattet sind und eine zuverlässige Erkennung geringer Konzentrationen gewährleisten, die unempfindlich gegenüber Schwankungen des Trägergases ist.
4. Überwachung der Wasserqualität im thermochemischen Quench- und Scrubber-Prozess
Technische Herausforderung: Abwasserrückführungssysteme, Teerabscheider und Direktkühlsysteme erzeugen korrosive Kondensate, die mit Phenolen, organischen Säuren und Schwebstoffen belastet sind und zu schwerwiegenden lokalen Spannungsrisskorrosionen in Rohrleitungen und Wärmetauschern führen.
Schwerpunkt: Kontinuierliche Überwachung von pH-Wert und Leitfähigkeit zur Optimierung der Dosierung von Neutralisationschemikalien und zur Verhinderung von Korrosion an Bauteilen.
Technische Lösung: Einsatz von Nichtporöse Festkörper-Referenz-pH-/ORP-Messgeräte und 4-Elektroden-Leitfähigkeitsmessgeräte Entwickelt, um organischen Ablagerungen, chemischer Verunreinigung und Polarisierungseffekten in aggressiven Industrieabwässern standzuhalten.
Von MZD empfohlenes Messgeräteportfolio für die Biomassevergasung
TCD-Analysatoren mit korrosiver Matrix: Hergestellt aus speziellen Messzellen aus Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃), Glas oder Quarz für langfristige physikalische Stabilität in aggressiven Synthesegasströmen.
UV-Gasanalysatoren & NDIR-Gasanalysator: Störungsfreie, kontinuierliche optische Überwachung von Schwefelspezies (H₂S, COS, SO₂), Kohlenstoffoxiden und Schwankungen in der Feuchtigkeitsmatrix.
Spurenfeuchtigkeitsanalysatoren: Koulometrische Messung auf der Grundlage des Faradayschen Gesetzes zum Schutz von Katalysatoren für die Hochdrucksynthese vor einer durch Wasser verursachten Deaktivierung.
Nichtporöse Festkörper-Referenz-pH-/ORP-Messgeräte: Verhindert Verschmutzungen an Messstellen und chemische Vergiftungen in teerbelasteten Gaswäscher- und Quenchwasserkreisläufen.
Nächster Anwendungsschwerpunkt:
Weiter zu Prozessanalytik für Power-to-Gas (P2G) und Methanisierung
Kontakt
Für anwendungsspezifische technische Dokumentationen, Formulare zur Bewertung der Gasmatrix sowie maßgeschneiderte Layoutzeichnungen für die Instrumentierung von Biomassevergasungs- und Bio-SNG-Anlagen wenden Sie sich bitte an: sales@mzdd.de.