Conceptual design of a sustainable aviation fuel production route from biomethane

Abstract

This work aims to provide a conceptual design and preliminary economic evaluation for a process where biomethane is converted to sustainable aviation fuel via a synthesis gas production route using Ficher-Tropsch synthesis to produce renewable liquid fuel products.

The motivation behind the work is to find an economically viable route to utilize biogas to produce liquid fuels, mainly sustainable aviation fuel. This can be done by first producing synthesis gas from the biomethane in the biogas and using that as a feedstock for Fischer-Tropsch synthesis. The Fischer-Tropsch product is then distilled and processed further using a hydrocracker to obtain liquid products from the heavy wax fraction.

The theoretical section of the work explores the fundamental theories behind the different production processes. Basic reaction equations, chemistries and thermodynamics are presented and different process configurations are evaluated. Based on these evaluations, the most suitable process options are chosen.

The experimental part of the work is done in Aspen Plus simulation environment, where a simulation of the process is done to obtain mass and heat balances for the process. This is done by using the Peng-Robinson Boston-Mathias property method and components and operation blocks that are readily available in Aspen Plus.

Based on these balances, the capital and operational expenditures for the process are calculated. Based on these calculations, the work finds that the process is narrowly economically viable in its current state with current feedstock and product prices but could very well be even more economically viable in the future depending on the development of the respective markets.

Tämän työn tarkoituksena on luoda konsepti- sekä kannattavuusarvio uusiutuvan lentopolttoaineen tuotannolle biometaanista, käyttäen synteesikaasureittiä sekä Fischer-Tropsch synteesiä nestemäisten polttoaineiden tuottamiseen. Työn motivaationa on löytää taloudellisesti kannattava reitti biokaasun hyödyntämiseen nestemäisten polttoaineiden, erityisesti nestemäisen lentopolttoaineen tuotannossa. Tämä voidaan toteuttaa tuottamalla ensin snyteesikaasua biokaasun sisältämästä metaanista ja käyttäen sitä raaka-aineena Fischer-Tropsch synteesissä. Fischer-Tropsch synteesin tuote tislataan ja prosessoidaan edelleen käyttäen vetykrakkeria nestemäisten tuotteiden saamiseksi raskaasta vahajakeesta.

Työn teoreettinen osuus tutkii työn kannalta keskeisiä teorioita tuotantoprosessien takana. Prosessien reaktioyhtälöt, kemiat sekä termodynamiikat esitellään ja erilaisia prosessivaihtoehtoja arvioidaan. Näiden arvioiden pohjalta valitaan prosessiin sopivimmat vaihtoehdot.

Työn kokeellinen osuus on toteutettu Aspen Plus -simulaatio-ohjelmistolla, jossa simulaatio prosessista on toteutettu massa ja lämpötaseiden laskemiseksi. Tämä on toteutettu käyttäen Peng-Robinson Boston-Mathias tilanyhtälöä sekä komponentteja ja yksikköoperaatioita jotka ovat valmiiksi saatavilla Aspen Plus -ohjelmistossa.

Näiden taseiden perusteella prosessin investointi- sekä käyttökustannukset on laskettu. Näiden laskelmien perusteella prosessi on niukasti taloudellisesti kannattava nykytilassaan nykyisillä raaka-aine- sekä tuotehinnoilla, mutta voi hyvin olla vielä huomattavasti kannattavampi tulevaisuudessa riippuen markkinoiden kehityksestä.