Optimized Heat Balance Concept of a TSA-System for Efficient Upgrading of Biogas to Bio-Methane

Biogas wird heutzutage prim ar f ur die Strom- und W armeerzeugung genutzt. Durch die in den kommenden Jahren zunehmenden erneuerbaren Erzeugungskapazit aten am vorherrschenden Strommarkt, ist eine alternative Nutzung des Biogases notwendig, da dieses sonst nicht mehr rentabel eingesetzt werden kann. Eine m ogliche Form der Nutzung, ist die Aufbereitung des Biogases zu Bio-Methan. Bei Aufbereitungsverfahren zur Bio-Methan Veredelung, ist die CO2-Abtrennung ma geblich f ur die Gesamt-E zienz des Prozesses verantwortlich. Als Benchmark f ur die CO2-Abtrennung, wird das Verfahren der Aminw asche angesehen, welches aber ebenfalls nicht als ausreichend wirtschaftlich betrachtet wird. Daher sind kosteng unstigere Verfahren dringend erforderlich, die die Vorteile der Aminw asche beibehalten und gleichzeitig die wesentlichen Nachteile beseitigt. Durch vielversprechende Vorversuche wird ein Temperaturwechseladsorptionsprozess (TSA) mit mehrstu gem Wirbelschichtdesign auf Basis eines festen Aminadsorbens entwickelt um ein e zienteres und deutlich kosteng unstigeres Verfahren zur Erzeugung von Bio-Methan zur Verf ugung zu haben. Diese Doktorarbeit besch aftigt sich daher mit der Entwicklung dieses neuartigen Prozesses im Hinblick auf einen e zientenW armehaushalt unter der Ber ucksichtigung einer innovativen W armeverschaltung sowie einem innovativen W armetauscherdesign. Um CO2 e zient abzuscheiden, ben otigt der TSA-Prozess ein sehr gutes W armemanagement. Dadurch basiert sein Reaktordesign auf der Wirbelschichttechnologie, welches ideale Eigenschaften im Bereich des W armeaustausches besitzt. Untersuchungen wurden in einem Wirbelschicht-Versuchstand vorgenommen, welche die zu erwartenden W arme ubergangskoe zienten (HTC) zwischen Aminadsorbens und verschiedenen W arme ubertragungseinheiten aufzeigen. Hierbei wurden Glattrohr-Geometrien und Rippenrohr-Geometrien vermessen. Es wurde festgestellt, dass Glattrohre um den ann ahernden Faktor 2 h ohere HTC aufweisen (199W=(m2K)), als Rippenrohre (90W=(m2K)). Basierend auf den Ergebnissen der Rippenrohruntersuchungen, ist eine dimensionslose Kennzahl entwickelt worden, welche den HTC f ur einen bestimmten G ultigkeitsbereich angibt. Diese entwickelte mathematische Korrelation kann in der Auslegungsberechnung f ur TSA-Wirbelschicht-Reaktoren verwendet werden und erm oglicht dadurch eine kompakte/e ziente Bauweise. Ein numerisches Simulationsprogramm wurde verwendet, um die uid-dynamischen und W armetransport Eigenschaften des Wirbelschichtpr ufstandes abzubilden. Simulationsergebnisse zeigen deutlich, dass die uid-dynamischen Eigenschaften genau abgebildet werden k onnen. Die, in der Berechnung auftretenden, W arme uberg ange fallen deutlich geringer, im Vergleich zu den Experiment aus, was auf nicht abgebildete Mechanismen hindeutet. Thermodynamische Untersuchungen, bzw. Simulationen am TSA Verfahren wurden durchgef uhrt und zeigten, dass der Prozess f ur die Biogasaufbereitung m oglich ist und durch energetische sinnvolle Verschaltungen, wie zum Beispiel der Nutzung, der W armepumpentechnik und idealer W armerohre, e zient gef uhrt werden kann. Basierend auf der Entwicklung der Prozesssimulation, unter Ber ucksichtigung der W arme ubertragungsexperimente mit der daraus abgeleiteten dimensionslosen Kennzahl, konnte ein optimiertes W armetauscherdesign vorgeschlagen und im Hinblick auf seine Gr o e, sowie Kosten untersucht werden. Die Einbringung von idealen W armeintegrationsma nahmen hat eine signi kante Auswirkung auf den W armehaushalt im TSA System. Durch diese durchgef uhrten w armetechnischen Ma nahmen wird erm oglicht, dass der neuartige TSA-Prozess f ur die Biogasaufbereitung h ohere thermische E zienz 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 pro tably. One potential form of utilization is the upgrading of biogas into bio-methane. In puri cation processes for bio-methane re nement, the CO2 separation is signi cantly responsible for the overall e ciency of the process. As benchmark for the CO2 separation, the process of amine scrubbing is considered, which is also not su ciently economical. Therefore, coste ective processes are urgently needed that maintain the bene ts of amine scrubbing while eliminating the major drawbacks. By promising preliminary experiments a temperature swing adsorption process (TSA) with multi-stage uidized bed design based on a solid amine adsorbent will be developed in order to have a more e cient and signi cantly more cost-e ective process available for the production of bio-methane. This doctoral thesis therefore deals with the development of this novel process with regard to an e cient heat balance under consideration of an innovative heat interconnection as well as an innovative heat exchanger design. To separate CO2 e ciently, the TSA-process needs a very good heat management. Thus its reactor design is based on uidized bed technology, which has ideal performance in the eld of heat exchange. Investigations were carried out in a uidized bed test facility which showed the expected heat transfer coe cients (HTC) between amine adsorbent and di erent heat exchanger units. Here, bare tube geometries and nned tube geometries were measured. It was observed that bare tubes have HTC (199W=(m2K)) higher than nned tubes (90W=(m2K)) by a factor of approximately 2. Based on the results of the nned 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 uidized bed reactors and thus enables a compact/e cient design. A numerical simulation program was used to reproduce the uid-dynamic and heat transport properties of the uid bed test facility. Simulation results clearly show that the uid dynamic properties can be accurately modeled. The heat transfers occurring in the calculation are signi cantly 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 e ciently 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 signi cant e ect 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 effi ciency.