Simulation of biogas production from sugar–ethanol residues using Aspen PlusⓇ

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein kinetisches Simulationsmodell zur Biogasproduktion durch anaerobe Fermentation für die Abfälle Vinasse, Bagasse, Filterkuchen und Zuckerrohrstroh, der kubanischen Zuckerund Ethanolproduktion angefertigt. Die Simulationsmodelle wurden in der Software Aspen Plus® Version 10.0 erstellt. Es wurden zunächst drei Simulationsmodelle mit derselben Kinetik erster Ordnung und verschiedenen Reaktorkonfigurationen (kontinuierlich betriebener Rührkessel, kontinuierlich betriebene Rührkessel-Kaskade und kontinuierlich betriebenes Strömungsrohr) aufgebaut. Zur Evaluierung des implementierten kinetischen Modelles mit Literaturdaten basierend auf Batch-Versuchen, wurde schließlich das Simulationsmodell mit dem kontinuierlich betriebenen Strömungsrohr verwendet. Das Simulationsmodell wurde durch weitere Komponenten ergänzt, und damit der Abbau von dem komplexen organischen Substrat Heu simuliert sowie anschließend mit Literaturdaten evaluiert. In Anlehnung an industrielle Biogasanlagen wurde ein Simulationsmodell mit vier kontinuierlich betriebenen Rührkesseln erstellt. Jeder dieser Reaktoren beinhaltet eine Substrat-spezifische Kinetik für Vinasse, Bagasse, Filterkuchen und Zuckerrohrstroh. Das Simulationsmodell wurde für die Berechnung der kumulierten Methanausbeute jeder dieser Substrate für eine Verweilzeit von 35 Tagen verwendet. Die resultierenden kumulierten Methanausbeuten für Vinasse, Bagasse, Filterkuchen uns Zuckerrohrstroh betragen in dieser Reihenfolge 0,277 Nm³/kgVS, 0,248 Nm³/kgVS, 0,260 Nm³/kgVS and 0,226 Nm³/kgVS. Mit Hilfe des Modells eines Gasmotors wird das Biogas zu Strom und Wärme umgesetzt. Basierend auf (Hilby 2014) konnten die entstehende spezifische Wärme und der entstehende Strom aus den Zuckerrohrabfällen abgeschätzt werden. Auf Grundlage von Daten aus den Jahr 2005, könnte das Biogas aus den Zuckerrohrabfällen ungefähr 40% des gesamten Energiebedarf Kubas des Jahres 2005 decken.

This diploma thesis relates to the simulation of biogas production via anaerobic digestion from sugarcane derived residues such as vinasse, bagasse, press mud and sugarcane straw, which represent the main wastes of the sugar-ethanol industries in Cuba. The simulation was conducted using the simulation software Aspen Plus® Version 10.0. This thesis focuses on the kinetic modelling of anaerobic digestion. For the evaluation of the applied first-order kinetic model, three different reactor configurations, a continuously stirred tank reactor (CSTR), a CSTR cascade and a plug flow reactor, were implemented. The simulation models showed, that the plug flow reactor is the most appropriate one for the evaluation of the utilized kinetics. This kinetic simulation model was extended in terms of components, in order to observe the degradation behaviour of complex organic matter such as hay. Based on industrial biogas plants, a continous simulation model featuring four continuously stirred tank reactors, one for each sugarcane residue with its own feedstock specific kinetics, was established. This model was used to determine the cumulated methane yields of vinasse, bagasse, press mud and sugarcane straw for a retention time of 35 days. The obtained cumulated methane yields amounted 0,277 Nm³/kgVS for vinasse, 0,248 Nm³/kgVS for bagasse, 0,260 Nm³/kgVS for press mud and 0,226 Nm³/kgVS for sugarcane straw. An annexed combined heat and power generation unit derived from (Hilby 2014) was used to assess the specific heat and power obtained from sugarcane derived residues. Based on the amounts of generated sugarcane residues in 2005, the available heat and power produced from biogas of sugarcane residues would cover approximatly 40% of Cuba’s total energy demand in 2005.