AT12727U1 - Verfahren und einrichtung zur aufbereitung eines abgases einer biogasaufbereitungsanlage - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Aufbereitung eines Abgases (1) einer Biogasaufbereitungsanlage (2), wobei der Biogasaufbereitungsanlage (2) ein Biogas (3) zur Reinigung und Aufbereitung zugeführt wird und die Biogasaufbereitungsanlage (2) ein Produktgas (4) und ein Abgas (1) abgibt, wobei der Methangehalt des Abgases (1) in einem Methankonzentrator (5) erhöht wird sowie eine Biogasaufbereitungsanlage (2) mit einer Abgasaufbereitungsvorrichtung mit einem Methankonzentrator (5).

Description

österreichisches Patentamt AT12 727U1 2012-10-15
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung eines Abgases einer Biogasaufbereitungsanlage, wobei der Biogasaufbereitungsanlage ein Biogas zur Reinigung und Aufbereitung zugeführt wird und die Biogasaufbereitungsanlage ein Produktgas und ein Abgas abgibt, sowie eine Biogasaufbereitungsanlage mit einem ersten Ausgang für ein Produktgas, wobei das Produktgas als Hauptkomponente, vorzugsweise im Ausmaß von mindestens 95%, Methan enthält, und mit einem zweiten Ausgang für ein Abgas, wobei das Abgas einen Methangehalt von 5% bis 30% aufweist.
[0002] Anlagen zur Aufbereitung von Biogas sind im Stand der Technik bereits bekannt. So zeigt die AT 10 733 U1 ein Verfahren und eine Anlage zur Reinigung von Biogas, wobei das der Anlage zugeführte Rohbiogas unter Zugabe von im Wesentlichen reinem Sauerstoff biokatalytisch entschwefelt wird und in einem weiteren Schritt im Rohbiogas enthaltenes Kohlendioxid (C02) durch Adsorption abgetrennt wird. Durch dieses Verfahren kann Rohbiogas zu Biomethan aufbereitet werden, das als von der Biogasaufbereitungsanlage abgegebenes Produktgas einen Methangehalt von 97% bis 99,999% Methan aufweisen kann.
[0003] Bei einer solchen Aufbereitung von Rohbiogas zu Biomethan fällt je nach Methangehalt des Rohbiogases und der gewählten Aufbereitungstechnik ein niederkalorisches Abgas an. Dieses Abgas, das auch als Schwachgas bezeichnet wird, enthält nur geringe Mengen an Methan, beispielsweise 5% bis 30%, und besteht ansonsten überwiegend aus Kohlendioxid. Aus Umweltschutzgründen ist es jedoch erwünscht bzw. gefordert, dieses Abgas nicht unverbrannt in die Atmosphäre abzugeben. Aufgrund des geringen Heizwerts eines solchen Schwachgases von typischerweise kleiner gleich 8,5 Megajoule pro Normkubikmeter (MJ/Nm3) ist dieses jedoch unter den üblichen Bedingungen nicht brennbar. Daher wird das von der Biogasaufbereitungsanlage abgegebene Schwachgas bisher beispielsweise teuren katalytischen Brennern zugeführt, die mit hohen spezifischen Investitionskosten eine nur geringe Menge energietechnisch wenig lukrativer Wärme zur Verfügung stellen können.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es daher, das anfallende Abgas einer Biogasaufbereitungsanlage besser nutzbar zu machen.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Methangehalt des Abgases in einem Methankonzentrator erhöht wird. Eine erfindungsgemäße Biogasaufbereitungsanlage weist dafür eine Abgasaufbereitungsvorrichtung mit einem Methankonzentrator auf, wobei durch den Methankonzentrator der Methangehalt des Abgases erhöhbar ist.
[0006] Das von einer zur Biomethanerzeugung eingesetzten Biogasaufbereitungsanlage abgegebene Produktgas ist typischerweise ein Brenngas mit einem Methangehalt von größer gleich 95%, vorzugsweise größer gleich 97%. Nach einer entsprechenden Konditionierung des Produktgases in Bezug auf Trockenheit, Druck und Brennwert, kann dieses beispielsweise in ein Gasnetz eingespeist werden. Das abgegebene Produktgas kann aber auch entsprechend zwischengespeichert werden oder auch direkt für eine thermische und/oder elektrische Verwertung - beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk - genutzt werden.
[0007] Ein bei der Biomethanerzeugung anfallendes Abgas ist dabei typischerweise ein sogenanntes Schwachgas mit einem Heizwert von üblicherweise kleiner gleich 8,5 Megajoule pro Normkubikmeter (MJ/Nm3). Um auch ein solches Schwachgas wirtschaftlich nutzbar zu machen, ist vorgesehen, den Methangehalt des Abgases in einem Methankonzentrator zu erhöhen. Da das anfallende Abgas neben einem verhältnismäßig geringen Anteil an Methan im Ausmaß von z.B. 5% bis 30% hauptsächlich aus Kohlendioxid besteht, bietet es sich an, zur Erhöhung des Methangehalts des Abgases das darin befindliche Kohlendioxid auszusondern.
[0008] Zur Erhöhung des Methangehalts des Abgases im Methankonzentrator kann zum Beispiel ein Gaswäscher oder eine Druckwechseladsorptionsvorrichtung oder eine Membran verwendet werden.
[0009] Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Erhöhung des 1 /9 österreichisches Patentamt AT12 727U1 2012-10-15
Methangehalts des Abgases im Methankonzentrator durch eine biokatalytische Entschwefelung des Abgases unter Zugabe von im Wesentlichen reinem Sauerstoff und eine Abtrennung von im Abgas befindlichem C02 durch Adsorption mittels eines Adsorptionsmittels erfolgt.
[0010] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Abgas nach Erhöhung des Methangehalts im Methankonzentrator zur Erzeugung von Wärme und/oder von elektrischem Strom verwendet wird. Dazu kann das Abgas nach Erhöhung der Methankonzentration im Methankonzentrator einer thermischen und/oder elektrischen Verwertung zugeführt werden.
[0011] Beispielsweise kann das Abgas - gegebenenfalls unter Beimengung von weiteren Brennstoffen - zur Wärmeerzeugung verbrannt werden, z.B. in einem Gaskessel oder Ofen.
[0012] Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Abgas zur Verbrennung in einer Gasturbine oder Brennkraftmaschine verwendet wird, wobei ein mit der Gasturbine oder Brennkraftmaschine gekoppelter Generator elektrischen Strom abgibt. Auch hier kann vorgesehen sein, dass dem aufbereiteten Abgas geringe Mengen an reinem Brennstoff zugemischt werden. Beispielsweise kann das aufbereitete Abgas einem Blockheizkraftwerk zugeführt werden, welches nach dem Prinzip einer Kraft-Wärme-Kopplung sowohl elektrische Energie als auch Wärme abgeben kann. Eine dabei freigesetzte Wärme kann beispielsweise für Heizzwecke im Rahmen von Fernwärme- oder Nahwärmesystemen verwendet werden.
[0013] Besonders vorteilhaft ist jene Ausführungsform, bei der ein bei der Erhöhung des Methangehalts des Abgases im Methankonzentrator anfallendes Restgas ebenfalls für die Erzeugung von Wärme und/oder von elektrischem Strom verwendet wird. Dabei kann das Restgas einer Luftzufuhr des Gaskessels oder Ofens bzw. der Gasturbine oder Brennkraftmaschine beigemengt werden. Der in Bezug auf die gesamte Luftzufuhr jeweils nur geringe Anteil des Restgases hat dabei im Wesentlichen keine negativen Auswirkungen auf die jeweiligen Verbrennungsvorgänge. Vorteilhafterweise können dadurch aber sowohl das Abgas der Biogasaufbereitungsanlage als auch das bei der Abgasaufbereitung anfallende Restgas vollständig in weitere Verbrennungsprozesse eingebunden werden, wodurch eine geringstmögliche Emission von Abfallgasen in die Umwelt sichergestellt ist.
[0014] Schutz wird auch begehrt für eine Biogasaufbereitungsanlage nach Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den davon abhängigen Patentansprüchen angegeben.
[0015] Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen [0016] Fig. 1 eine Biogasaufbereitungsanlage mit einem Methankonzentrator in einem schematischen Blockschaltbild, [0017] Fig. 2a ein Beispiel einer elektrischen Verwertung des aufbereiteten Abgases einer Biogasaufbereitungsanlage gemäß Fig. 1, [0018] Fig. 2b ein Beispiel einer thermischen Verwertung eines aufbereiteten Abgases einer Biogasaufbereitungsanlage gemäß Fig. 1 und [0019] Fig. 3a bis 3c verschiedene Ausführungsformen eines Methankonzentrators zur Erhö hung des Methangehalts eines Abgases einer Biogasaufbereitungsanlage.
[0020] Figur 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Biogasaufbereitungsanlage 2, der ein rohes Biogas 3 zugeführt wird. In der Biogasaufbereitungsanlage 2 erfolgt eine Biomethanerzeugung in bekannter Art und Weise. Dabei wird von der Biogasaufbereitungsanlage 2 als Produktgas 4 ein Brenngas abgegeben, dessen Methangehalt üblicher Weise über 95% liegt.
[0021] Bei der Biomethanerzeugung fällt jedoch auch ein Abgas 1 mit einem wesentlich geringeren Methangehalt von nur ca. 5% bis 30% an. Der Rest dieses Abgases 1 wird zum größten Teil aus Kohlendioxid (C02) gebildet. Um dieses Abgas 1 wirtschaftlich nutzbar zu machen, ist ein Methankonzentrator 5 vorgesehen, durch den der Methangehalt des Abgases 1 erhöhbar 2/9 österreichisches Patentamt AT12 727U1 2012-10-15 ist. Dies kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass im Methankonzentrator 5 aus dem Abgas 1 Kohlendioxid ausgeschieden wird.
[0022] Durch die Abgasaufbereitung im Methankonzentrator 5 entsteht ein aufbereitetes konzentriertes Abgas 1', dessen Methangehalt beispielsweise von 20% bis 40% betragen kann. Dieses konzentrierte Abgas 1' kann in weiterer Folge einer thermischen und/oder elektrischen Verwertung zugeführt werden, indem es beispielsweise zur Erzeugung von Wärme und/oder zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet wird.
[0023] Figur 2a zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Biogasaufbereitungsanlage 2, dessen Abgas 1 in einer Abgasaufbereitungsvorrichtung mit einem Methankonzentrator 5 aufbereitet wird, wodurch ein konzentriertes Abgas 1' entsteht, das einen Methangehalt von ca. 20% bis 40% aufweist. Dieses konzentrierte Abgas 1' kann - gegebenenfalls unter Beimengung von geringen Mengen an reinem Brennstoff (zum Beispiel Treibgas) - in einem Blockheizkraftwerk oder einer Gasturbine 7 verbrannt werden, wobei ein im Blockheizkraftwerk angeordneter bzw. mit der Gasturbine gekoppelter Generator elektrischen Strom abgeben kann. Ein bei der Abgasaufbereitung im Methankonzentrator 5 anfallendes Restgas 8 kann dabei auch der Verbrennungsluftzufuhr 9 für das Blockheizkraftwerk oder für die Gasturbine 7 beigemengt werden. Dadurch wird eine Emission dieses anfallenden Restgases 8 an die Umwelt vermieden.
[0024] Figur 2b zeigt eine schematische Anordnung gemäß Figur 2a, bei der eine thermische Verwertung des konzentrierten Abgases T in einem Gaskessel oder Ofen 6 erfolgt. Auch hier kann dem konzentrierten Abgas 1' gegebenenfalls in geringen Mengen ein Kraftstoff zugeführt werden, um die Verbrennungsleistung zu erhöhen. Weiters kann auch in einer solchen Anordnung das bei der Methankonzentration im Methankonzentrator 5 anfallende Restgas 8 der Ansaugluft 9 für den Gaskessel oder Ofen 6 beigemengt werden.
[0025] Figur 3a bis Figur 3c zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Methankonzentrators 5 in schematischen Darstellungen.
[0026] Figur 3a zeigt einen Methankonzentrator 5, der als Druckwechseladsorptionsvorrichtung ausgebildet ist. Dabei wird die bevorzugte Adsorption von Kohlendioxid gegenüber Methan zum Beispiel an einem Kohlenstoffmolekularsieb ausgenützt. Hierbei kommen unterschiedliche Druckniveaus zum Einsatz, die durch eine Verdichtungseinrichtung 10 herbeigeführt werden können.
[0027] Die Adsorptionsphase findet dabei unter erhöhtem Druck statt. Dabei wird das Abgasventil 12 geöffnet und das Restgasventil 13 geschlossen. Das durch die Verdichtungseinrichtung 10 komprimierte Abgas 1 wird durch ein Molekularsieb 11 durchgeführt. Dadurch wird im Abgas 1 enthaltenes Kohlendioxid am Molekularsieb 11 adsorbiert, während im Abgas 1 enthaltenes Methan durch das Molekularsieb 11 durchströmen kann.
[0028] In der Desorptionsphase wird das im Molekularsieb 11 angesammelte Kohlendioxid wieder desorbiert und ausgestoßen. Dies wird unterstützt, indem auf das Molekularsieb 11 ein niedriger Druck einwirkt. Während der Desorptionsphase wird das Abgasventil 12 geschlossen und das Restgasventil 13 geöffnet.
[0029] Durch das Druckwechseladsorptionsprinzip kann das Adsorptionsmedium, das heißt beispielsweise ein Molekularsieb 11, ständig regeneriert werden, ohne dass es ausgewechselt werden muss.
[0030] Figur 3b zeigt einen Methankonzentrator 5, der als Membran 14 ausgebildet ist. Dabei kommt eine technische Membran 14 zum Einsatz, die ein Durchströmen von Methan erlaubt und eine Abtrennung von Kohlendioxid aus dem Abgas 1 ermöglicht.
[0031] Figur 3c zeigt einen Methankonzentrator 5, der als Gaswäscher 15 ausgebildet ist bzw. einen Gaswäscher 15 umfasst. Darin wird das Abgas 1 mit einem Flüssigkeitsstrom in Kontakt gebracht, um unerwünschte Bestandteile des Abgases 1, insbesondere Kohlendioxid, in der Flüssigkeit aufzunehmen. Durch eine sogenannte Aminwäsche können dabei generell saure Gase, insbesondere Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid, aus einem Biogas ausgewaschen 3/9

Claims (17)

  1. österreichisches Patentamt AT12 727U1 2012-10-15 werden. Als Waschmittel wird hierbei häufig Mono- und Diethanolamin eingesetzt. Da bei diesem Verfahren die abzusondernden Gasbestandteile von einer Flüssigkeit aufgenommen werden, entsteht bei dieser Art der Abgasaufbereitung kein Restgas. [0032] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorgeschlagenen Biogasaufbereitungsanlage kann auch vorgesehen sein, dass der Methankonzentrator zumindest eine biokatalytische Entschwefelungseinrichtung, eine Sauerstoffquelle zur Abgabe von im Wesentlichen reinen Sauerstoff und ein Adsorptionsmittel zur Adsorption von C02 umfasst. Ansprüche 1.
  2. 2.
  3. 3.
  4. 4.
  5. 5.
  6. 6. Verfahren zur Aufbereitung eines Abgases (1) einer Biogasaufbereitungsanlage (2), wobei der Biogasaufbereitungsanlage (2) ein Biogas (3) zur Reinigung und Aufbereitung zugeführt wird und die Biogasaufbereitungsanlage (2) ein Produktgas (4) und ein Abgas (1) abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Methangehalt des Abgases (1) in einem Methankonzentrator (5) erhöht wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Produktgas (4) ein Brenngas mit einem Methangehalt von größer gleich 95%, vorzugsweise größer gleich 97%, abgegeben wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgas (1) ein Schwachgas mit einem Heizwert kleiner gleich 8,5 MJ/Nm3 abgegeben wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Methangehalts des Abgases (1) im Methankonzentrator (5) ein Gaswäscher eingesetzt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Methangehalts des Abgases (1) im Methankonzentrator (5) eine Druckwechseladsorptionsvorrichtung eingesetzt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Methangehalts des Abgases (1) im Methankonzentrator (5) eine Membran verwendet wird.
  7. 7.
  8. 8.
  9. 9.
  10. 10.
  11. 11.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung des Methangehalts des Abgases (1) im Methankonzentrator (5) durch eine biokatalytische Entschwefelung des Abgases (1) unter Zugabe von im Wesentlichen reinem Sauerstoff und eine Abtrennung von im Abgas (1) befindlichem C02 durch Adsorption mittels eines Adsorptionsmittels erfolgt. Biogasaufbereitungsanlage (2) mit einem ersten Ausgang für ein Produktgas (4), wobei das Produktgas (4) als Hauptkomponente, vorzugsweise im Ausmaß von mindestens 95%, Methan enthält, und mit einem zweiten Ausgang für ein Abgas (1), wobei das Abgas (1) einen Methangehalt von 5% bis 30% aufweist, gekennzeichnet durch eine Abgasaufbereitungsvorrichtung mit einem Methankonzentrator (5), wobei durch den Methankonzentrator (5) der Methangehalt des Abgases (1) erhöhbar ist. Biogasaufbereitungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Methankonzentrator (5) einen Gaswäscher umfasst. Biogasaufbereitungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Methankonzentrator (5) eine Druckwechseladsorptionsvorrichtung umfasst. Biogasaufbereitungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Methankonzentrator (5) eine Membran umfasst. Biogasaufbereitungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Methankonzentrator (5) zumindest eine biokatalytische Entschwefelungseinrichtung, eine Sauerstoffquelle zur Abgabe von im Wesentlichen reinen Sauerstoff und ein Adsorptionsmittel zur Adsorption von C02 umfasst. 4/9 österreichisches Patentamt AT 12 727 Ul 2012-10-15
  13. 13. Verwendung eines gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder in einer Biogasaufbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 12 aufbereiteten Abgases (1') zur Erzeugung von Wärme und/oder von elektrischem Strom.
  14. 14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas (1') zur Wärmeerzeugung einem Gaskessel oder Ofen (6) zugeführt wird.
  15. 15. Verwendung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas (1') zur Verbrennung einer Gasturbine oder Brennkraftmaschine (7) zugeführt wird, wobei durch einen mit der Gasturbine oder der Brennkraftmaschine (7) gekoppelten Generator elektrischer Strom erzeugt wird.
  16. 16. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein bei der Erhöhung des Methangehalts des Abgases (1) im Methankonzentrator (5) anfallendes Restgas (8) ebenfalls für die Erzeugung von Wärme und/oder von elektrischem Strom verwendet wird.
  17. 17. Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas (8) einer Luftzufuhr (9) eines Gaskessels oder Ofens (6) bzw. einer Gasturbine oder Brennkraftmaschine (7) zugeführt wird. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 5/9
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