Membrane based biogas upgrading processes

Scholz, Marco; Wessling, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2014)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Biogas besteht hauptsächlich aus Methan und Kohlenstoffdioxid und wird bei der Fermentation organischer Reststoffe, Energiepflanzen, Gülle und Klärschlämmen gewonnen. Oftmals wird das Biogas direkt in Blockheizkraftblöcken verstromt, wobei erhebliche Wärmemengen anfallen, die häufig ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden. Eine Alternative zur direkten Nutzung des Biogases, ist dessen Aufbereitung. Dabei wird hauptsächlich Kohlenstoffdioxid vom Methan getrennt, um den Brennwert des Gases zu erhöhen und um ein Produktgas zu erhalten, das als Erdgassubstitut ins Erdgasnetz eingespeist werden kann. Zum Betrieb konventioneller Biogasaufbereitungsverfahren sind erhebliche Energiemengen erforderlich, um Lösemittel oder Adsorptionsmaterialien zu regenerieren oder um tiefe Temperaturen für eine destillative Trennung bereitzustellen. Gaspermeationsmembranen stellen eine interessante Alternative zu konventionellen Biogasaufbereitungsverfahren dar. Insbesondere der einfache und modulare Aufbau sowie moderate Energieverbräuche machen ein membranbasiertes Biogasaufbereitungsverfahren besonders attraktiv für den Einsatz in landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Gaspermeationsmembranen sind auch für die bevorzugt zurückgehaltenen Gase durchlässig. Um hohe Produktgasreinheiten und hohe Produktgasausbeuten zu erhalten, ist eine intelligente Verschaltung mehrerer Membranstufen erforderlich. Durch die Vielzahl möglicher Prozesskonfigurationen und Prozessparametern führt eine auf Erfahrung basierende Prozessauslegung zu suboptimalen Prozessen. In dieser Arbeit wurde die Methode der Superstrukturoptimierung auf Gaspermeationsprozesse angewandt, um eine optimale Verschaltung von Gaspermeationsstufen und optimale Betriebsparameter zu identifizieren. In einem weiteren Schritt wurde ein optimales Membranmaterial ermittelt und hinsichtlich einer Markteinführung bewertet. Das optimale Biogasaufbereitungsverfahren wurde in ein rigoroses Prozessmodell überführt, um dynamische Prozesssimulationen durchzuführen. Anhand dieser Simulationen wurde ein Regelkonzept für das optimale Biogasaufbereitungsverfahren ermittelt. Zur rigorosen Untersuchung von Gaspermeationsmodulen wurde ein Model für Hohlfasermembranen in Aspen Custom Modeler implementiert. Das Modell berücksichtigt nicht-ideale Effekte, die beim Betrieb von Gaspermeationsmodulen beobachtet werden. Zu nennen sind: Der Joule-Thomson Effekt, Konzentrationspolarisation, Realgasverhalten und Druckverluste zu beiden Seiten der Membran. Oftmals entfalten Membranen ihr Potential in Kombination mit konventionellen Gastrennprozessen. Daher wurden hybride Gaspermeationsprozesse konventionellen Gasseparationsprozessen gegenübergestellt. Abschließend wurde ein Strukturoptimierungsmodell für das gesamte Biogasaufbereitungsverfahren erstellt, das neben der Abtrennung von Kohlenstoffdioxid, die Separation von Wasserdampf und Schwefelwasserstoff vom methanreichen Gasstrom berücksichtigt. Die in dieser Arbeit entwickelten und implementierten Simulations- und Optimierungsmodelle sind nicht auf Biogasaufbereitungsprozesse beschränkt. Eine Übertragung auf andere Gastrennprobleme ist leicht möglich. Somit bilden die Prozess- und Optimierungsmodelle eine wertvolle Basis zur schnellen, optimalen und verlässlichen Auslegung von Gaspermeationsprozessen.

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