Dynamic modeling of a power-biomass-to-methanol process

Abstract

Methanol is a promising asset in global decarbonization efforts due to its potential as a renewable liquid fuel and chemical feedstock. In this work a dynamic model of a plant-wide power-biomass-to-methanol process was constructed and verified against steady-state data. The work also examines the fundamentals of a power-biomass-to-methanol process and provides examples of recent dynamic models of the process in literature as basis for the constructed model.

The constructed dynamic model was used to simulate a shift to partial-load operation with and without an automatic process controller controlling the electrolyzer feed steam. The results showed that plant dynamics are fast for syngas mass flow and methanol production. The model showed clear dynamic responses for the partial load shift and the process controller used successfully stabilized the process at more optimal values. The total efficiency was found to be slightly lower for partial operation, but carbon efficiency of the plant was similar or higher in partial operation than full load operation. The results also showed around 20 MW less electricity consumption when shifting to 80% partial load operation and controlling the amount of electrolyzer feed steam. Without control of the electrolyzer feed steam the electricity consumption remained similar to full load operation with less than 1 MW reduction.

Metanoli on lupaava työkalu globaalissa fossiilisten polttoaineiden vähennyksessä, sillä sitä voidaan potentiaalisesti tuottaa hiilineutraalina nestemäisenä polttoaineena tai kemikaalilähteenä. Tässä diplomityössä rakennettiin laitoslaajuinen dynaaminen malli powerbiomass-to-methanol prosessista, jonka tuloksest verifioitiin käyttämällä tasapainotilamallin tuloksia. Lisäksi tässä työssä käytiin läpi kyseisen prosessin toimintaperiaatteet, sekä esiteltiin kirjallisuudesta löytyviä esimerkkejä prosessin osien dynaamisista malleista.

Dynaamista mallia käytettiin osakuormaan siirtymisen dynaamisten vasteiden mallintamiseen sekä elektrolyyserihöyrykontrollerin kanssa, että ilman kontrolleria. Tulokset näyttivät, että mallin dynaamiset vasteet ovat nopeat synteesikaasun massavirralle. Malli osoitti selkeät dynaamiset vasteet osakuormaan siirtymiselle, ja prosessikontrolli onnistui pitämään synteesikaasun koostumuksen metanolisynteesille optimaalisemmassa arvossa. Prosessin kokonaishyötysuhde oli hieman alempi osakuormaoperaatiossa, mutta hiilitehokkuus pysyi samana tai parantui osakuormaan siirtyessä. Tulokset näyttivät myös noin 20 MW alennuksen sähkönkulutuksessa, kun osakuormaan siirryttiin yhdessä elektrolyyserin syöttöhöyryn kontrollerin kanssa. Ilman syöttöhöyryn kontrolleria prosessin sähkönkulutus väheni alle 1 MW.