Pinch and exergy analysis of bioethanol and biohydrogen production processes

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war es, Methoden für die Analyse und Beurteilung der komplexen Produktionskonzepte für die Biowasserstoff- und Bioethanolproduktion unter besonderer Berücksichtigung der Pinch- und Exergie-Techniken zu entwickeln. Um die Exergie der Komponente und der Ströme von biologischen Prozessen zu berechnen und die Wärmetauschernetzwerke für industrielle Anlagen systematisch zu optimieren, wurden zwei Mathematica basierte Programme entwickelt. Für die Biowasserstoffproduktion wurde der Einfluss von verschiedenen Parametern wie Gasreinigungstechnologien, Rohstoffen, Substratumsatz im photoheterotrophen Fermenter (PHF), Wärmeintegration, Rezirkulation von PHF-Abwässern, Nebenprodukten sowie der Einfluss der Glukose-Konzentration im thermophilen Fermenter (THF) auf die Prozessleistung exergetisch untersucht. Es wird gezeigt, dass die Exergieeffizienz deutlich geringer ist für die Prozessvariante mit Vakuumwechseladsorption (VSA), als im Vergleich zur Prozessvariante mit Monoethanolamin (MEA) für die CO2- Abtrennung. Die Prozessoption mit Dicksaft hat im Vergleich zu den Prozessoptionen mit Rohstoffen (dampfbehandelte Kartoffelschalen (PSP) und Weizen) die höchste Exergieeffizienz. Ausserdem zeigen die Prozessoptionen, dass je höher die Wasserstoffausbeute im PHF ist, desto höher ist die Exergieeffizienz. Eine detaillierte Parameterstudie zeigt, dass die Wärmeintegration, interne Nutzung von festen Reststoffen, hohe Konzentration von Glukose im THF sowie die Rückführung von PHF-Abwässern, die Prozess-Irreversibilitäten reduzieren. Für die Produktion von Bioethanol aus Lignocellulose wurden einige Fälle zur Behandlung von Schlempe aus exergetischer Sicht untersucht. Die Exergie-Analyse zeigt, dass die Exergieeffizienz von der Bioethanolprozess (Bioethanol, Flüssigfraktion von Schlempe und getrocknete Feststoffe als Hauptprodukte) höher ist, als die Exergieeffizienz von Biogas und Kraft Wärme-Kopplung-Prozessen (KWK). Bei Biogas- und KWK-Prozessen geht ein Teil der Exergie in Form von Schlamm bzw. Rauchgas verloren. Die Pinch Analyse von der Bioethanolproduktion zeigt, dass ein gut gestaltetes Wärmetauscher-Netzwerk die Wärmeintegration bis zu 45 MW erhöht. Darüber hinaus wurden der Druck und die Wärmeleistung von Destillations- und Verdampferanlage modifiziert, um die Wärmeintegration zu verbessern. Schliesslich wurden einige Szenarien für einen Polygeneration-Prozess zur Herstellung von Ethanol, Strom und Fernwärme aus Weizenstroh und Weizenkorn definiert, um den Einfluss der verschiedenen Rohstoffe und Prozesskonfigurationen im Hinblick auf die Exergieeffizienz zu untersuchen. Der Referenzfall ist die Bioethanolproduktion aus Weizenkorn und ergibt die höchste Exergieeffizienz für die Hauptprodukte (Ethanol und Dried Distillers Grains (DDG)). Diese Studie zeigt, dass die Bioethanolproduktion aus Weizenkorn und Weizenstroh exergetisch effizienter ist, als die Bioethanolproduktion aus Weizenstroh alleine. Eine Weiterentwicklung und Optimierung von neuen Produktionskonzepten ist durch die entwickelten Methoden und Programme zur Exergieberechnung und Wärmetauschernetzwerkgestaltung wie an den oben genannten Prozessverbesserungsbeispielen gezeigt werden konnte, möglich.

The overall goal of this work was to develop methods for analyzing and evaluating the complex production concepts for biohydrogen and bioethanol production with specific regard to pinch and exergy techniques. In order to calculate the exergy of compounds and streams of biological processes and to solve the heat exchanger network synthesis (HENS) problems for large industrial chemical plants in a systematic way, two Mathematica-based programs were developed. For the biohydrogen production, the impact of gas-upgrading technologies, raw materials, substrate conversion in photoheterotrophic fermenter (PHF), heat integration, recirculation of effluents and residues and by-products as well as impact of glucose concentration in the thermophilic fermenter (THF) feed on the process performance were investigated from exergetic point of view. It is shown that exergy efficiency is considerably lower for cases applying vacuum swing adsorption (VSA) compared to the process options with monoethanol amine (MEA) absorption. The process option based on feedstock thick juice has the highest exergy efficiency compared to the process option based on feedstock potato steam peelings (PSP) and wheat. Moreover, process options with 60% and 80% hydrogen yield in the PHF show that exergy efficiency is considerably decreased for the low substrate conversion in PHF. A detailed parametric study shows that, heat integration, internal use of solid residues and increasing concentration of glucose in the THF feed as well as process improvements such as effluents recirculation reduce the irreversibilities of the process. For the bioethanol production from lignocellulosic feedstocks, some different cases are investigated for handling stillage waste from ethanol production from exergetic point of view. The Exergy analysis shows that the exergy efficiency of bioethanol process, in which bioethanol, liquid fraction of stillage and dried solids (C5 sugars and pellets, respectively) are products, is higher than biomethane and combined heat and power (CHP) process. In biomethane process a part of exergy is lost in the form of sludge and in CHP process the flue gas leaving system demonstrates waste exergy stream. The pinch analysis of bioethanol production shows that a well-designed heat exchanger network increases heat integration up to 45 MW. Furthermore, the pressure and heat load modifications of distillation and evaporation units are applied to improve the heat integration and process design yielding a utility demand reduction of 15% compared to the base case. Finally, some scenarios for a polygeneration processes for production of ethanol, electrical power, and district heat from wheat straw and wheat grain, are defined to evaluate the impact of different feed materials and process configurations with regard to exergy efficiencies. The reference case is a wheat grain to ethanol process and yielded the highest exergy efficiency for products (ethanol and dried distillers grains (DDG)). The interim case (wheat grain and wheat straw as feedstock) was found to be more efficient producing ethanol compared to the lignocellulose case using only wheat straw to produce ethanol. Further development and optimization of novel production concepts are possible through the methods and programs developed for exergy calculation and heat exchanger network optimization, as mentioned in the above process improvement case studies.