CH692653A5 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Biogas. - Google Patents

Description

  



  Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Biogas aus einer Gäranlage zum Vergären von biogenen Haus- und Gewerbeabfällen nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 9. 



  Zur Energiegewinnung aus biogenen Abfällen aus Haushalten, Landwirtschaft und Nahrungsmittelindustrie wird seit Jahren erfolgreich die Vergärung mittels methanogener Mikroorganismen angewendet. Das beim Abbau der organischen Abfälle anfallende Biogas setzt sich hauptsächlich aus Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) und in geringem Masse Stickstoff (N2), Wasserstoff (H2), Ammonium (NH4), Schwefelwasserstoff (H2S) und anderen Spurenstoffen zusammen. Der Gehalt des wassergesättigten Biogases an den Hauptkomponenten kann zwischen 40 bis 75 Vol.-% CH4 und 25 bis 60 Vol.-% CO2 schwanken. In der Praxis hat sich ein quasi-kontinuierliches Gärverfahren, wie es in der EP-A-0 621 336 beschrieben ist, als besonders vorteilhaft erwiesen.

   Dabei wird ein Fermenter, wie er zum Beispiel in der EP-A-0 770 675 beschrieben ist, nicht chargenweise beladen und wieder geleert, sondern das zu vergärende Frischgut wird kontinuierlich zugeführt, im Pfropfstromverfahren durch den Fermenter geführt und kontinuierlich wieder entnommen. 



  Die Durchlaufzeit des Gärgutes durch den Fermenter kann bei bis zu 20 Tagen liegen. Die Zusammensetzung der angelieferten organischen Abfälle, die vergoren werden sollen, schwankt stark. Vom Betreiber der Gäranlage kann also oft nicht kontrolliert und reguliert werden, welche Stoffzusammensetzung das zugeführte Substrat aufweist, und dementsprechend können trotz der, in der EP-A-0 621 336 beschriebenen, Steuerungsmöglichkeiten wichtige chemische Parameter des Gärgutes schwanken. Dies kann wiederum zu Schwankungen im Gärprozess führen.

   Gut oder schlecht gärbare Biomaterialien, Materialien mit stark unterschiedlichen C/N-Verhältnissen, Abfälle mit stark unterschiedlichen Anteilen an Kohlehydraten, Fetten und Proteine müssen dem Fermenter zugeführt werden, und beeinflussen unter anderem den pH-Wert und den Wassergehalt im Fermenter und damit den gesamten Gärverlauf stark. Diese Faktoren beeinflussen auch die Zusammensetzung des gasförmigen Fermentationsproduktes oder des Biogases, das sich entsprechend der kontinuierlichen Einspeisung kontinuierlich ändert. 



  In den bisher gebräuchlichen Anlagen wird das anfallende Biogas in der Regel in Blockheizkraftwerken (BHKW) vor Ort zur Produktion von Strom und Fernwärme genutzt. An die Gasqualität in Bezug auf die Zusammensetzung werden dabei keine zu hohen Ansprüche gestellt, da die Verbrennungsmotoren der BHKW direkt mit Biogas betrieben werden können. 



  Obwohl die BHKW einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad besitzen, ist die Umwandlung von Biogas in Strom und Wärme, die dann wiederum, eventuell unter hohen Energieverlusten, zum Endverbraucher transportiert werden müssen, energetisch nicht sehr effektiv. Da der spezifische Energiegehalt des Biogases zu niedrig ist, um einen Transport des anfallenden Biogases in Rohrleitungen direkt zum Endverbraucher zu rechtfertigen, bleibt als Nutzungsalternative eine Heizwertanhebung durch Abtrennung des Kohlendioxides. Das gereinigte CH4 kann anschliessend in ein bestehendes Erdgasnetz eingespeist werden oder zum Betrieb von Fahrzeugen abgefüllt werden. 



  Da Biogas, wie es aus dem Fermenter kommt, die Qualitätsanforderungen zur Einspeisung in ein Gasnetz in keiner Hinsicht erfüllt, muss das Biogas getrocknet, gereinigt und konzentriert werden. 



  Das im Fermenter erzeugte wassergesättigte Biogas von schwankender Qualität mit diversen Verunreinigungen, einem CH4-Gehalt von etwa 40 bis 75 Vol.-% und einem hohen CO2-Gehalt muss zu gereinigtem, netzzulässigem Gas mit einem CH4-Anteil von konstant mindestens 96 Vol.-% CH4 und einem Drucktaupunkt von -40 bis -50 DEG C veredelt werden. Bei der Methananreicherung soll zudem ein möglichst hoher Wirkungsgrad erreicht werden und es soll vermieden werden, dass während des Normalbetriebes der Anlage Methan in die Atmosphäre abgegeben oder abgefackelt wird. 



  Anlagen, die dazu dienen, Gasgemische mit einem niedrigen Methangasanteil und gewissen Verunreinigungen zu trocknen, zu konzentrieren und konditioniert abzugeben, sind bekannt. Solche Anlagen arbeiten normalerweise kontinuierlich und ohne Rückwirkung auf die Einspeisung, da das normalerweise anliegende zu reinigende Gas nur geringe Schwankungen in der Zusammensetzung aufweist. 



  Hingegen weist das Biogas einer Anlage zur Fermentation von biogenen Abfällen eine zeitlich stark schwankende Qualität in Bezug auf die Zusammensetzung auf. Mit herkömmlichen Mitteln allein war es nicht möglich, eine Gäranlage an ein Erdgasnetz anzuschliessen. 



  Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst. 



  Weitere Ausführungsvarianten ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. 



  In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt: 
 
   Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Gasreinigungsanlage bei der Rezyklierung von ungenügend gereinigtem Gas während des ersten Halbtaktes der Druckabbauphase, wobei nur die gasführenden Leitungen dargestellt, und alle Ventile weggelassen sind; und 
   Fig. 2 eine schematische Darstellung nach Fig. 1 während des zweiten Halbtaktes der Druckabbauphase; und 
   Fig. 3 eine schematische Darstellung nach Fig. 2 während der Abgabe von gereinigtem Methangas in ein Erdgasnetz; und 
   Fig. 4 ein Methangaskonzentrationsdiagramm in Abhängigkeit der Zeit an den Stellen A, B und C gemäss Fig. 1. 
 



  Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung besteht aus einer Gasreinigungsanlage, die einer aus der EP-A-0 621 336 bekannten Vergärungsanlage für biogene Abfälle nachgeschaltet ist. Das aus einem Fermenter 10 stammende wassergesättigte Biogas wird entwässert und kann in einem nicht dargestellten Folientank zwischengelagert und aktiv oder passiv abgekühlt werden. Das abgekühlte Biogas wird direkt oder nach Entnahme aus dem Folientank nochmals getrocknet und mit einem ebenfalls nicht dargestellten Gebläse komprimiert, in einer folgenden Mischstrecke mit Luft oder Sauerstoff auf einen optimalen O2-Gehalt für die nachgeschaltete Entschwefelung über Aktivkohle eingestellt. 



  Da die Aufkonzentrierung des CH4 im Druckwechselverfahren erfolgt, wird das vorgereinigte Biogas in einem weiteren Schritt mithilfe eines ölfreien Gasverdichters 20 mindestens auf den in der Druckwechseladsorptionseinheit 40 benötigten Adsorptionsdruck gebracht. Der Druckwechseladsorptionseinheit 40 ist noch ein Kältetrockner 30 vorgeschaltet, in dem das Gas bis auf einen Drucktaupunkt von -72 DEG C getrocknet und abgekühlt werden kann. Die Druckwechseladsorptionseinheit 40 besteht aus vier baugleichen Adsorbern 41, 42, 43 und 44, die in bekannter Weise mit einem Kohlenstoffmolekularsieb gefüllt sind. Die Porenstruktur des Molekularsiebes ist so eingestellt, dass sowohl Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Wasserdampf erheblich schneller adsorbiert werden als Methan.

   Die vier Phasen der Druckwechseladsorption laufen in ebenfalls bekannter Weise in den vier Adsorbern ab, sodass immer je ein Adsorber in der Adsorptions- oder Produktionsphase, der Entspannungs- oder Druckabbauphase, der Evakuierungs- oder Regenerationsphase und der Druckaufbauphase ist. Der Einsatz von mehreren Adsorbern, die parallel angeordnet ventilgesteuert wechselweise betrieben werden, erlaubt den quasi-kontinuierlichen Betrieb der Druckwechseladsorptionseinheit 40. Das gereinigte Methangas aus dem Adsorber 41, das sich gerade in der Adsorptions- oder Produktionsphase befindet, wird in einen Puffer- oder Ausgleichsbehälter 50 abgegeben. Das Gas aus dem Pufferbehälter 50 kann über geeignete Leitungen 52 mit Druckwandlern in das Erdgasnetz 90 eingespeist werden.

   Zwischen Pufferbehälter 50 und der Abgabestelle in das Erdgasnetz 90 wird jedoch die Qualität des abzugebenden Gases mittels einer Gasanalytik 60 überwacht, und falls die Qualität des Gases, insbesondere der Methangehalt, unter dem zur Einspeisung nötigen Wert liegt, wird die Netzeinspeisung unterbunden und das Gas einem weiteren Reinigungszyklus unterzogen. Um das minderqualitative Gas erneut der Druckwechseladsorptionseinheit 40 zuzuführen, wird es nach Passieren der Gasanalytik 60 ventilgesteuert über die Rezyklierleitung 53 zum Verdichter 20 zurückgeführt. In der Fig. 3 ist dargestellt, wie Produktgas aus dem Pufferspeicher 50, das die Qualitätskriterien für die Netzeinspeisung erfüllt, die Gasanalytik 60 passiert und in das Erdgasnetz 90 eingespeist wird.

   Um den Sicherheitsbestimmungen für Erdgas gerecht zu werden, muss dem Gas vor dem Einspeisen in das Erdgasnetz noch ein Geruchsstoff zugegeben werden. Dies erfolgt mittels einer Dosieranlage, die in Abhängigkeit vom abzugebenden Volumen dem Gas einen üblichen Zusatzstoff, wie zum Beispiel THT, vor dem Einspeisen in das Erdgasnetz zugibt. Weder die Dosieranlage, noch die Mischstrecke sind in den Figuren dargestellt. 



  Die erfindungsgemässe Druckwechseladsorptionsreinigung erfolgt, wie schon erwähnt, im Wesentlichen in vier Reinigungstakten oder -phasen. Der Wechsel zwischen den einzelnen Phasen der Druckwechseladsorption erfolgt für alle vier Adsorber jeweils annähernd gleichzeitig. Einem Produktionstakt folgt ein Druckabbautakt, dem sich wiederum ein Regenerationstakt und ein Druckaufbautakt anschliessen. Wie in Fig. 1 skizziert, befindet sich zu jedem beliebigen Zeitpunkt je ein Adsorber in je einer bestimmten Funktionsphase. Aus den Fig. 1 und 2 wird ersichtlich, dass der Druckabbautakt zweigeteilt ist. In beiden Figuren befindet sich Adsorber 41 in der Produktionsphase und gibt gereinigtes Methan über Leitung 51 an Pufferspeicher 50 ab.

   Adsorber 42 befindet sich in Fig. 1 im ersten Halbtakt der Entspannungsphase und ist mit dem sich in der Druckaufbauphase befindenden Adsorber 44 über die Leitung 45 verbunden. Adsorber 43 befindet sich in der Evakuierungsphase, ist mit einer Vakuumpumpe 70 verbunden und wird durch den angelegten Unterdruck regeneriert. 



  Dadurch, dass das unter Druck stehende Gas des Adsorbers in der Druckabbauphase 42 zum Druckaufbau in einem anderen Adsorber 44 genutzt wird, wird einerseits der Druckaufbau bis zum Druckausgleich zwischen den beiden Adsorbern ernergetisch sehr günstig durchgeführt, und andererseits wird das Methan, das noch in hohem Anteil im Entspannungsgas vorliegt, sofort wieder der Reinigung zugeführt. Spätestens sobald der Druckausgleich zwischen den beiden Adsorbern 42 und 44 erfolgt ist, wird das restliche Entspannungsgas, wiederum ventilgesteuert, in den Fermenter 10 zurückgeführt. Dieser Zustand ist in der Fig. 2 dargestellt. Der im Druckaufbau befindliche Adsorber 44 wird nicht mehr durch den Restdruck aus Adsorber 42 gespannt, sondern über die Feedgasleitung 46 vom Verdichter 20 mit zu reinigendem Gas auf Produktionsdruck gebracht.

   Der Adsorber 42 befindet sich nun im zweiten Halbtakt der Druckabbauphase und gibt Entspannungsgas über eine Entspannungsleitung 47 an den Fermenter 10 ab. Da der Gasraum des grossvolumigen Fermenters 10 nicht unter Überdruck steht, sondern nur einen Druck von etwa 50 mbar aufweist, kann die Entspannung des Adsorbers 42 weiterhin passiv erfolgen. Dies jedoch höchstens so lange, bis der Druckausgleich zwischen Fermenter 10 und zu entspannendem Adsorber 42 erreicht ist. Das noch im Entspannungsgas enthaltene, restliche CH4 geht also nicht, wie üblich, durch Abblasen oder Abfackeln verloren, sondern verbleibt im geschlossenen System. Mit sinkendem Druck nimmt jedoch auch der Methananteil im Entspannungsgas ab und der Anteil an CO2 und den anderen Verunreinigungen steigt. Am Ende der Entspannungsphase enthält das aus dem Adsorber 42 entweichende Gas praktisch kein CH4 mehr. 



  In der Evakuierungsphase wird der Druck im entspannten Adsorber 43, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, mittels einer Vakuumpumpe 70 weiter erniedrigt. Im Unterdruck werden nun CO2, N2, O2 und H2O annähernd vollständig vom Molekularsieb desorbiert und dieses dadurch vollständig regeneriert. Das Evakuierungsgas oder Abgas, das hauptsächlich aus CO2 besteht, wird wiederum ventilgesteuert über eine Evakuierungsleitung 71 aus dem System entfernt. Normalerweise wird es in die Atmosphäre abgegeben. Da aber in dem Abgas noch Spuren von organischen Geruchsstoffen enthalten sein können, die bei der vorgängigen Aktivkohlereinigung nicht entfernt worden sind, wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Abgas erst über einen Biofilter 80 geführt, bevor es über Dach 81 abgeblasen wird.

   Im Biofilter 80 werden dem Abgas die unerwünschten organischen Verunreinigungen von Mikroorganismen, vorzugsweise von Pilzen, entzogen. 



  In dem erfindungsgemässen Verfahren ist die Regelung der Gasreinigungsanlage also primär abhängig von der Qualität des produzierten Gases, wie es an der fiktiven Messstelle A nach dem Fermenter 10 anliegt. Die Gasqualität wird jedoch nicht direkt nach der Produktion, das heisst nach Verlassen der produzierenden Adsorber, ermittelt, sondern erst an einer Stelle C nach Zwischenspeicherung in einem nachgeschalteten Puffer, der beispielsweise durch einen Pufferspeicher 50 gebildet wird. Dies macht die Regelung vergleichsweise träge, was mehrere Vorteile mit sich bringt. Die gesamte Anlage kann sehr konstant betrieben werden, da kleinere Schwankungen der Qualität des aus der Druckwechselanlage 40 stammenden Gases durch das grosse nachgeschaltete Gasvolumen 50 abgepuffert werden.

   Erst ein länger anhaltender Abfall der Gasqualität führt dazu, dass das Produktgas ein weiteres Mal durch die Druckwechseladsorptionseinheit 40 geführt und gereinigt wird. Das Gasvolumen, das trotz bereits hohem CH4-Anteil ein weiteres Mal gereinigt werden muss, kann also minimiert werden. 



  Bei bekannter Zusammensetzung des als Feedgas verwendeten Biogases kann die Befülldauer des Adsorbers in der Reinigungsphase direkt in Abhängigkeit von der Verdichterleistung festgelegt werden. Das Umschalten zwischen den einzelnen Reinigungstakten erfolgt für alle Adsorber annähernd simultan. Obwohl die Feedgas-Qualität im Normalbetrieb schwankt, wird die Zyklusdauer aller Reinigungsschritte als Funktion der Verdichterleistung gewählt. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens sind drei verschiedene Zykluszeiten der Druckwechseladsorptionseinheit jeweils einer von drei Leistungsstufen des Verdichters zugeordnet. Die Zyklusdauer ist so auf eine Durchschnittsqualität des Feedgases abgestimmt, dass die Adsorber in der Reinigungsphase nur zu 80 bis 90% ihrer Kapazität mit dem zu entfernenden CO2 und den anderen Spurengasen beladen werden. 



  Die grafische Darstellung gemäss der Fig. 4 zeigt drei Kurven von fiktiven Messungen an den Stellen A und B, während die ebenfalls als fiktive Messstelle C dargestellte Einheit durch die Mittel der Gasanalytik 60 wirklich realisiert ist. Das aus dem Fermenter 10 stammende Biogas, wie es an der fiktiven Messstelle A anliegt, zeigt einen äusserst stark schwankenden Verlauf in Bezug auf den CH4-Gehalt. Diese Schwankungen werden anlagebedingt und bedingt durch die unterschiedlichen biogenen Abfälle, die dem Fermenter 10 zugeführt werden, verursacht. Die hier feststellbaren Werte des volumenmässigen CH4-Anteils schwanken maximal zwischen 40 und 75 Vol.-%. Nach der Druckwechseladsorptionseinheit 40, an der fiktiven Messstelle B, ist der Verlauf der Kurve B einerseits höher und andererseits gleichmässiger, also geglättet.

   Hier kann aber der volumenmässige CH4-Anteil immer noch in einer Bandbreite von ca. 90 bis 99 Vol.-% schwanken. Dies hängt mit den erheblichen relativ schnellen Schwankungen des an der Stelle A anliegenden Biogases zusammen, während die Druckwechseladsorptionseinheit 40 rein zeitabhängig gesteuert ist oder gegebenenfalls in Abhängigkeit der Gasproduktion im Fermenter, jedoch nicht in Abhängigkeit der anliegenden Qualität des Biogases. Diese relativ kurzzeitigen Schwankungen in der Kurve der Messstelle B werden geglättet durch die Vermischung des Produktgases im Pufferspeicher 50. Das aus dem Zwischenspeicher 50 kommende Gas weist an der Messstelle C eine Qualität gemäss der Kurve C auf. Die hier dargestellten Kurven dienen lediglich dem Verständnis und geben lediglich Tendenzangaben wieder.

   Sie sind jedoch weder einzeln, noch in Relation zueinander tatsächlichen Messergebnissen entsprechend.

Claims (11)

1. Verfahren zur Reinigung von Biogas aus kontinuierlicher anaerober und thermophiler Fermentation biogener Haus-, Gewerbe- und Gartenabfälle unter Anreicherung von Methangas, wobei in einem Fermenter (10) gewonnenes Biogas in zwei oder mehreren Schritten entwässert und entschwefelt wird, anschliessend verdichtet und in einem Vier-Takt-Druckwechselverfahren in einer Druckwechsel-Adsorbereinheit (40) der CH4-Gehalt des Biogases erhöht und der CO2-Gehalt erniedrigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das gereinigte, mit wechselnder CH4-Konzentration anliegende Gas in einem Pufferbehältnis (50) gespeichert und somit vermischt wird und nach Entnahme aus dem Pufferbehältnis in ein Gasnetz (90) abgegeben werden kann, wobei das mit relativ gleichmässiger CH4-Konzentration anliegende Gas aus dem Pufferbehältnis (50)

vor der Netzeinspeisung analysiert wird und so lange zu einem Verdichter (20) und nachfolgend zu der Druckwechseladsorbereinheit (40) zurückgeführt wird, so lange die CH4-Konzentration des Gases aus dem Pufferbehältnis (50) einen bestimmten Sollwert unterschreitet, und nur dann in das Netz (90) abgegeben wird, so lange dieser Sollwert für die CH4-Konzentration überschritten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckabbau oder Entspannungstakt des Druckwechselverfahrens in zwei aufeinander folgende Halbtakte unterteilt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Halbtakt des Entspannungstaktes das Gas aus einem unter Druck stehenden und zu entspannenden Adsorber (42) zum Druckaufbau in einen zu spannenden Adsorber (44) geleitet wird.

4.

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Halbtakt des Entspannungstaktes das Gas aus einem zu entspannenden Adsorber (42) in den Fermenter (10) geleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas aus dem zu entspannenden Adsorber (42) so lange in den zu spannenden Adsorber (44) geleitet wird, bis der Druckausgleich zwischen den beiden Adsorbern erreicht ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Halbtakt des Entspannungstaktes das Gas aus dem zu entspannenden Adsorber (42) so lange in den Fermenter (10) geleitet wird, bis der Druckausgleich zwischen Adsorber (42) und Fermenter (10) erreicht ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktwechsel der Druckwechseladsorptionseinheit (40) in Abhängigkeit der Zeit getaktet sind.

8.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktwechsel der Druckwechseladsorptionseinheit (40) in Abhängigkeit von der Gasproduktion im Fermenter (10) getaktet sind.

9. Vorrichtung zum Erzeugen von netzzulässigem Methangas aus Biogas gemäss einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bestehend aus einem Fermenter (10) zur kontinuierlichen anaeroben und thermophilen Fermentation biogener Haus-, Gewerbe- und Gartenabfälle, einer oder mehreren Entwässerungsstationen, einem Folientank und einem Aktivkohlefilter zur Entschwefelung, einer Druckwechseladsorptionseinheit (40) mit vorgeschaltetem Verdichter (20) und Kältetrockner (30) sowie einem der Druckwechseladsorptionseinheit (40) nachgeschalteten Pufferbehältnis (50) zur Speicherung von gereinigtem Gas, einem Mittel zum Bestimmen der Gasqualität (60)

und einer Abgabestelle des gereinigten Gases in ein Niederdruck- Gasnetz (90), dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Bestimmung der Gasqualität (60) dem Pufferbehältnis (50) nachgeschaltet und der Abgabestelle in das Gasnetz (90) vorgeschaltet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach Massgabe des Verfahrensstandes das Pufferbehältnis (50) mit dem Verdichter (20) über eine Leitung (53) ventilgesteuert verbindbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorber (41, 42, 43, 44) nach Massgabe des Verfahrensstandes mit dem Fermenter (10) ventilgesteuert verbindbar sind.