Title: Optimized heat balance concept of a TSA-system for Efficient upgrading of biogas to bio-methane
Other Titles: Optimiertes Wärmehaushaltskonzept eines TSA-Systemes zur effizienten Aufbereitung von Biogas zu Biomethan
Language: English
Authors: Vogtenhuber, Hannes 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Hofmann, Rene 
Assisting Advisor: Werner, Andreas 
Issue Date: 2019
Number of Pages: 146
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Biogas wird heutzutage primär für die Stromund Wärmeerzeugung genutzt. Durch die in den kommenden Jahren zunehmenden erneuerbaren Erzeugungskapazitäten am vorherrschenden Strommarkt, ist eine alternative Nutzung des Biogases notwendig, da dieses sonst nicht mehr rentabel eingesetzt werden kann. Eine mögliche Form der Nutzung, ist die Aufbereitung des Biogases zu Bio-Methan. Bei Aufbereitungsverfahren zur Bio-Methan Veredelung, ist die CO2-Abtrennung maßgeblich für die Gesamt-Effizienz des Prozesses verantwortlich. Als Benchmark für die CO2-Abtrennung, wird das Verfahren der Aminwäsche angesehen, welches aber ebenfalls nicht als ausreichend wirtschaftlich betrachtet wird. Daher sind kostengünstigere Verfahren dringend erforderlich, die die Vorteile der Aminwäsche beibehalten und gleichzeitig die wesentlichen Nachteile beseitigt. Durch vielversprechende Vorversuche wird ein Temperaturwechseladsorptionsprozess (TSA) mit mehrstufigem Wirbelschichtdesign auf Basis eines festen Aminadsorbens entwickelt um ein effizienteres und deutlich kostengünstigeres Verfahren zur Erzeugung von Bio-Methan zur Verfügung zu haben. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich daher mit der Entwicklung dieses neuartigen Prozesses im Hinblick auf einen effizienten Wärmehaushalt unter der Berücksichtigung einer innovativen Wärmeverschaltung sowie einem innovativen Wärmetauscherdesign. Um CO2 effizient abzuscheiden, benötigt der TSA-Prozess ein sehr gutes Wärmemanagement. Dadurch basiert sein Reaktordesign auf der Wirbelschichttechnologie, welches ideale Eigenschaften im Bereich des Wärmeaustausches besitzt. Untersuchungen wurden in einem Wirbelschicht-Versuchstand vorgenommen, welche die zu erwartenden Wärmeübergangskoeffizienten (HTC) zwischen Aminadsorbens und verschiedenen Wärmeübertragungseinheiten aufzeigen. Hierbei wurden Glattrohr-Geometrien und Rippenrohr-Geometrien vermessen. Es wurde festgestellt, dass Glattrohre um den annähernden Faktor 2 höhere HTC aufweisen (199 W/(mK)), als Rippenrohre (90 W/(mK)). Basierend auf den Ergebnissen der Rippenrohruntersuchungen, ist eine dimensionslose Kennzahl entwickelt worden, welche den HTC für einen bestimmten Gültigkeitsbereich angibt. Diese entwickelte mathematische Korrelation kann in der Auslegungsberechnung für TSA-Wirbelschicht-Reaktoren verwendet werden und ermöglicht dadurch eine kompakte/effiziente Bauweise. Ein numerisches Simulationsprogramm wurde verwendet, um die fluid-dynamischen und Wärmetransport Eigenschaften des Wirbelschichtprüfstandes abzubilden. Simulationsergebnisse zeigen deutlich, dass die fluid-dynamischen Eigenschaften genau abgebildet werden können. Die, in der Berechnung auftretenden, Wärmeübergänge fallen deutlich geringer, im Vergleich zu den Experiment aus, was auf nicht abgebildete Mechanismen hindeutet. Thermodynamische Untersuchungen, bzw. Simulationen am TSA Verfahren wurden durchgeführt und zeigten, dass der Prozess für die Biogasaufbereitung möglich ist und durch energetische sinnvolle Verschaltungen, wie zum Beispiel der Nutzung, der Wärmepumpentechnik und idealer Wärmerohre, effizient geführt werden kann. Basierend auf der Entwicklung der Prozesssimulation, unter Berücksichtigung der Wärmeübertragungsexperimente mit der daraus abgeleiteten dimensionslosen Kennzahl, konnte ein optimiertes Wärmetauscherdesign vorgeschlagen und im Hinblick auf seine Größe, sowie Kosten untersucht werden. Die Einbringung von idealen Wärmeintegrationsmaßnahmen hat eine signifikante Auswirkung auf den Wärmehaushalt im TSA System. Durch diese durchgeführten wärmetechnischen Maßnahmen wird ermöglicht, dass der neuartige TSA-Prozess für die Biogasaufbereitung höhere thermische Effizienz aufweist.

Today, biogas is primarily used to generate electricity and heat. Due to the increasing renewable generation capacities on the prevailing electricity market in the coming years, an alternative use of biogas is necessary, otherwise it can no longer be used profitably. One potential form of utilization is the upgrading of biogas into bio-methane. In purification processes for bio-methane refinement, the CO2 separation is significantly responsible for the overall efficiency of the process. As benchmark for the CO2 separation, the process of amine scrubbing is considered, which is also not sufficiently economical. Therefore, cost-effective processes are urgently needed that maintain the benefits of amine scrubbing while eliminating the major drawbacks. By promising preliminary experiments a temperature swing adsorption process (TSA) with multi-stage fluidized bed design based on a solid amine adsorbent will be developed in order to have a more efficient and significantly more cost-effective process available for the production of bio-methane. This doctoral thesis therefore deals with the development of this novel process with regard to an efficient heat balance under consideration of an innovative heat interconnection as well as an innovative heat exchanger design. To separate CO2 efficiently, the TSA-process needs a very good heat management. Thus its reactor design is based on fluidized bed technology, which has ideal performance in the field of heat exchange. Investigations were carried out in a fluidized bed test facility which showed the expected heat transfer coefficients (HTC) between amine adsorbent and different heat exchanger units. Here, bare tube geometries and finned tube geometries were measured. It was observed that bare tubes have HTC (199 W/(mK)) higher than finned tubes (90 W/(mK)) by a factor of approximately 2. Based on the results of the finned tube investigations, a dimensionless number has been developed which indicates the HTC for a certain validity range. This developed mathematical correlation can be used in the design calculation for TSA fluidized bed reactors and thus enables a compact/efficient design. A numerical simulation program was used to reproduce the fluid-dynamic and heat transport properties of the fluid bed test facility. Simulation results clearly show that the fluid dynamic properties can be accurately modeled. The heat transfers occurring in the calculation are significantly lower compared to the experiments, which indicates that the particle properties are not to be represented. Thermodynamic investigations and simulations of the TSA-process were carried out and showed that the process for biogas treatment is possible and can be efficiently managed by energetically sensible connections, for example the utilization of heat pump technology and ideal heat pipes. Based on the development of the process simulation, under consideration of the heat transfer experiments with the dimensionless number derived from it, an optimized heat exchanger design could be proposed and investigated regarding its size, as well as costs. The incorporation of ideal heat integration measures has a significant effect on the heat balance in the TSA-system. These thermal engineering measures made it possible for the new TSA-process for biogas upgrading to exhibit higher thermal efficiency.
Keywords: Wärmeübergang; Wirbelschicht; Prozesssimulation
Heat Transfer; Fluidized Bed; Process Simulation
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-127935
http://hdl.handle.net/20.500.12708/8614
Library ID: AC15428550
Organisation: E302 - Institut für Energietechnik und Thermodynamik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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