Venus, M. (2017). Simulation and balancing of biogas potential from residues of biohydrogen production [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/78574
E166 - Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften
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Date (published):
2017
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Number of Pages:
112
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Keywords:
Simulation; Biogas; Anaerobe Vergärung; Aspen Plus
de
simulation; biogas; anaerobic digestion; Aspen Plus
en
Abstract:
In den letzten 20 Jahren wurden Biogasanlagen für die Energieproduktion immer interessanter. Neben Wind-, Wasser- und Solarenergie sind Biogasanlagen eine wichtige Quelle erneuerbarer Energien. Während bei den ersten Biogasanlagen agrar- und landwirtschaftliche Rückstände eingesetzt wurden, verlagert sich das Ausgangsmaterial zunehmend auf Lebensmittelabfälle. Darüber hinaus stellt eine anaerobe Gärung eine interessante Möglichkeit dar, Restströme aus Bio-Raffinerien zu verarbeiten. Um die Berechnung des Biogaspotenzials in der Prozessgestaltung und Prozessauswertung in einem frühen Stadium der Prozessentwicklung einzubeziehen, werden Biogasmodelle in der Simulationsumgebung Aspen Plus implementiert. Im Rahmen dieser Arbeit werden anaerobe Gärungs Modelle auf der Basis des chemischen Sauerstoffbedarfs (COD), der Buswell-Gleichung und stöchiometrischer Reaktionen überarbeitet und erweitert. Neben einer Aktualisierung der verfügbaren Komponentenliste werden für die stöchiometrische Berechnung fraktionelle Umrechnungsfaktoren implementiert. Für die Berechnungen auf der Grundlage der Buswell-Gleichung wird die Zerlegung von Komponenten in Elementen verbessert. Darüber hinaus wird die Berechnung durch Kombination mit der McCarty-Gleichung erweitert, um den neuen kombinierten Buswell-McCarty-Ansatz (CBMA) zu erhalten. Der CBMA betrachtet die Menge an Zellmasse, die während der anaeroben Digestion erzeugt wird. Schließlich wird die COD-Route neu aufgebaut, um flexibel innerhalb des Fließbildes verwendet werden zu können. Die neue Berechnungsmethode (CBMA) sowie die implementierten anaeroben Digestionsmodelle werden mit einzelnen Berechnungsansätzen und Literaturdaten validiert. Die Berechnungen zeigen Abweichungen von 0,08 - 0,4%. Mit Hilfe der implementierten anaeroben Gärungsmodelle wird das Biogaspotenzial von Restströmen aus der Bio-Wasserstoff-Produktion berechnet. Untersucht wurden Prozesse basierend auf drei Vorbehandlungsmethoden für Schnittgras und Weizenstroh. Der Vorbehandlung folgen eine enzymatische Hydrolyse und ein Dunkel Fermentationsschritt bei thermophilen Bedingungen. Alle Restströme des Prozesses werden durch anaerobe Gärung verwertet. Das Biogaspotential auf der Grundlage des stöchiometrischen Weges wurde mit 426 kg/h, 360 kg/h und 1037 kg/h für Schnittgras/alkalische Vorbehandlung, Weizenstroh/ verdünnte Säurevorbehandlung und Weizenstroh/ Dampfexplosion ermittelt . Unterschiede zum CBMA-Ansatz sind kleiner als 2%, für Schnittgras/ alkalische sind es jedoch bis zu 9%.Der Beitrag des Abbaus von Enzymen und Puffer, die in dem Verfahren verwendet werden, werden ebenfalls bewertet.
de
During the last 20 years biogas plants got more interesting for energy production. Beside wind, water and solar power, biogas plants are an important source of renewable energy. Whereas first biogas plants used agricultural residues, feedstock is more and more shifting towards to agro-food wastes. Furthermore, anaerobic digestion represents an interesting option to valorise residual streams from bio-refineries. To include the calculation of biogas potential in process design and process evaluation at an early stage of process development, biogas models are implemented in the simulation environment Aspen Plus. Within the scope of this thesis available anaerobic digestion models based on the chemical oxygen demand (COD), Buswell equation and stoichiometric reactions are revised and extended. Besides an update of the available component list, fractional conversion factors are implemented for the stoichiometric-calculation route. For calculations based on Buswell equation the decomposition of components in elements is improved. Furthermore, the calculation is extended by combining with the McCarty's equation to get the new combined Buswell McCarty approach (CMBA). The CBMA considers the amount of cell mass built during anaerobic digestion. Finally, the COD route is redefined to be used flexible within the flowsheet. The new calculation method (CBMA) as well as the implemented anaerobic digestion models are validated with single calculation approaches and literature data. Calculations show deviations of 0,08 - 0,4 %. The implemented anaerobic digestion models are used to calculate the biogas potential of residual streams from bio-hydrogen production. Investigated options include three pre-treatment methods applied for feedstocks verge grass and wheat straw. Pre-treatment is followed by enzymatic hydrolysis and a dark fermentation step at thermophilic conditions. All residual streams of the process are valorised via anaerobic digestion. Obtained biogas potential based on stoichiometric route was found to be 426 kg/h, 360 kg/h and 1037 kg/h for verge grass/alkaline pre-treatment, wheat straw/dilute acid pre-treatment and wheat straw/steam explosion, respectively. Differences to CBMA approach are less than 2 %, expect for verge grass/alkaline 9 %. The contribution of degradation of enzymes and buffer used in the process is evaluated.
en
Additional information:
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers