Thermochemical Equilibrium Model of Synthetic Natural Gas Production from Coal Gasification Using Aspen Plus

Abstract

The production of synthetic or substitute natural gas (SNG) from coal is a process of interest in Colombia where the reserves-to-production ratio (R/P) for natural gas is expected to be between 7 and 10 years, while the R/P for coal is forecasted to be around 90 years. In this work, the process to produce SNG by means of coal-entrained flow gasifiers is modeled under thermochemical equilibrium with the Gibbs free energy approach. The model was developed using a complete and comprehensive Aspen Plus model. Two typical technologies used in entrained flow gasifiers such as coal dry and coal slurry are modeled and simulated. Emphasis is put on interactions between the fuel feeding technology and selected energy output parameters of coal-SNG process, that is, energy efficiencies, power, and SNG quality. It was found that coal rank does not significantly affect energy indicators such as cold gas, process, and global efficiencies. However, feeding technology clearly has an effect on the process due to the gasifying agent. Simulations results are compared against available technical data with good accuracy. Thus, the proposed model is considered as a versatile and useful computational tool to study and optimize the coal to SNG process.

Gasificación de madera para la obtención de un syngas útil en la producción de biocombustibles y/o productos químicos

“…Tomando como referencia reportes de la literatura [1][2]12], se definió el diagrama del proceso para la producción de un syngas útil para producir combustibles líquidos y/o productos químicos a partir de la gasificación en lecho arrastrado de biomasa, Figura 1. Para el proceso seleccionado, se desarrolló un modelo en equilibrio termodinámico mediante el software Aspen Plus, el cual se validó a partir de datos experimentales reportados en la literatura.…”

“…Para el software Aspen Plus, la biomasa se considera un compuesto "no convencional", por lo tanto para simular el proceso de gasificación usando los algoritmos y subrutinas incluidas por defecto en el software, es necesario descomponerla en compuestos reactivos (de acuerdo a su análisis próximo y análisis último) antes de ingresarla al gasificador. Para tal efecto se utiliza un reactor de rendimiento (bloque R-YIELD) con ayuda de subrutinas en FORTRAN [12,18]. En la Figura 3 se muestra el modelo utilizado para simular el proceso de gasificación.…”

“…En el reactor agua-gas, el syngas reacciona con vapor (reacción (R1)) para ajustar la relación H 2 /CO del syngas al valor deseado (1 para producción de productos químicos, 2 para la producción de combustibles líquidos, 3 para la producción de gas natural sustituto) [1,12]. En ocasiones, dependiendo de la relación H 2 /CO del syngas y la relación final deseada, puede ser necesario realizar una derivación (bypass) de la corriente gaseosa antes de que ésta ingrese al reactor agua-gas y luego mezclar la corriente que no ingresó al reactor con la corriente de salida de éste [1,12,31].…”

“…La corriente GAS proveniente de la etapa de limpieza y acondicionamiento se lleva a un divisor de corriente (bloque WGSPLIT, Figura 5) donde se divide la corriente gaseosa en la proporción deseada (de acuerdo a [1,12,32,33], entre un 10% y un 70% de la corriente debe pasar por el reactor agua-gas). La corriente WGSRIN se lleva a un reactor de equilibrio (bloque WGSR, Figura 5) donde reacciona con la corriente de vapor STEAM de acuerdo a la reacción (R1), cuyo flujo se determina de acuerdo a la relación H 2 /CO deseada al final del proceso.…”

“…Como dato interesante observaron que al aumentar la proporción de biomasa en la mezcla disminuyen tanto la producción de H 2 como la eficiencia energética del proceso. Barrera et al [12] desarrollaron un modelo para evaluar la producción de Gas Natural Sustituto (SNG) a partir de la gasificación de carbón en lecho arrastrado. Analizaron el uso de diferentes tipos de carbón mediante dos tecnologías de alimentación: seco y húmedo a partir del análisis de eficiencias energéticas, potencia y calidad del SNG obtenido.…”