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.
The present invention relates to a method and a device for purifying biogas from a fermentation plant for fermenting biogenic domestic and commercial waste according to the preamble of claims 1 and 9.
Fermentation using methanogenic microorganisms has been used successfully for years to generate energy from biogenic waste from households, agriculture and the food industry. The biogas produced when organic waste is broken down mainly consists of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) and to a small extent nitrogen (N2), hydrogen (H2), ammonium (NH4), hydrogen sulfide (H2S) and other trace substances. The content of the water-saturated biogas in the main components can vary between 40 to 75 vol.% CH4 and 25 to 60 vol.% CO2. In practice, a quasi-continuous fermentation process, as described in EP-A-0 621 336, has proven to be particularly advantageous.
In this case, a fermenter, as described, for example, in EP-A-0 770 675, is not loaded and emptied in batches, but rather the fresh material to be fermented is fed continuously, passed through the fermenter in the graft stream process and continuously removed again.
The throughput time of the digestate through the fermenter can be up to 20 days. The composition of the delivered organic waste that is to be fermented varies widely. The operator of the fermentation plant is therefore often unable to control and regulate which substance composition the substrate supplied has, and accordingly, despite the control options described in EP-A-0 621 336, important chemical parameters of the fermentation material can fluctuate. This in turn can lead to fluctuations in the fermentation process.
Good or poorly fermentable biomaterials, materials with very different C / N ratios, wastes with very different proportions of carbohydrates, fats and proteins must be fed to the fermenter, and affect, among other things, the pH value and the water content in the fermenter and thus the whole Fermentation process strong. These factors also influence the composition of the gaseous fermentation product or the biogas, which changes continuously according to the continuous feed.
In the plants that have been used up to now, the biogas generated is generally used in combined heat and power plants (CHP) on site to produce electricity and district heating. The gas quality in relation to the composition is not too high, since the CHP's internal combustion engines can be operated directly with biogas.
Although the CHP has a comparatively high level of efficiency, the conversion of biogas into electricity and heat, which in turn has to be transported to the end user, possibly with high energy losses, is not very effective in terms of energy. Since the specific energy content of the biogas is too low to justify the transport of the biogas in pipelines directly to the end user, an increase in the calorific value by separating the carbon dioxide remains as an alternative use. The cleaned CH4 can then be fed into an existing natural gas network or filled for the operation of vehicles.
Since biogas, as it comes from the fermenter, does not meet the quality requirements for feeding into a gas network, the biogas must be dried, cleaned and concentrated.
The water-saturated biogas of fluctuating quality with various impurities, a CH4 content of around 40 to 75 vol.% And a high CO2 content generated in the fermenter must be converted into purified, network-permissible gas with a CH4 content of at least 96 vol. % CH4 and a pressure dew point of -40 to -50 ° C. In addition, the highest possible efficiency should be achieved with methane enrichment and it should be avoided that methane is released or flared into the atmosphere during normal operation of the plant.
Plants are known which are used to dry, concentrate and release gas mixtures with a low methane gas content and certain contaminants. Such systems normally work continuously and without any effect on the feed, since the gas to be cleaned, which is normally present, shows only slight fluctuations in the composition.
In contrast, the biogas of a plant for the fermentation of biogenic waste has a temporally strongly fluctuating quality in terms of composition. With conventional means alone it was not possible to connect a fermentation plant to a natural gas network.
This object is achieved by a method and an apparatus for carrying out the method according to the characterizing features of claims 1 and 9.
Further design variants result from the dependent claims.
In the drawings, an embodiment of the subject matter of the invention is shown and explained in the following description. It shows:
Figure 1 is a schematic representation of the gas cleaning system according to the invention during the recycling of insufficiently cleaned gas during the first half cycle of the pressure reduction phase, only the gas-carrying lines being shown and all valves being omitted; and
Fig. 2 is a schematic representation of Figure 1 during the second half cycle of the pressure reduction phase. and
3 shows a schematic illustration according to FIG. 2 during the delivery of purified methane gas into a natural gas network; and
4 shows a methane gas concentration diagram as a function of time at points A, B and C according to FIG. 1.
The device shown schematically in Fig. 1 consists of a gas purification system which is connected downstream of a fermentation system for biogenic waste known from EP-A-0 621 336. The water-saturated biogas originating from a fermenter 10 is dewatered and can be temporarily stored in a film tank, not shown, and cooled actively or passively. The cooled biogas is dried again directly or after removal from the film tank and compressed with a blower, also not shown, in a subsequent mixing section with air or oxygen to an optimal O2 content for the subsequent desulfurization via activated carbon.
Since the CH4 is concentrated using the pressure swing process, the pre-cleaned biogas is brought to at least the adsorption pressure required in the pressure swing adsorption unit 40 in an additional step using an oil-free gas compressor 20. The pressure swing adsorption unit 40 is also preceded by a refrigeration dryer 30 in which the gas can be dried and cooled down to a pressure dew point of -72 ° C. The pressure swing adsorption unit 40 consists of four identical adsorbers 41, 42, 43 and 44, which are filled in a known manner with a carbon molecular sieve. The pore structure of the molecular sieve is adjusted so that both carbon dioxide, nitrogen, hydrogen, oxygen and water vapor are adsorbed much faster than methane.
The four phases of pressure swing adsorption also take place in the four adsorbers in a known manner, so that one adsorber is always in the adsorption or production phase, the relaxation or pressure reduction phase, the evacuation or regeneration phase and the pressure build-up phase. The use of several adsorbers, which are operated in parallel and alternately operated in a valve-controlled manner, permits the quasi-continuous operation of the pressure swing adsorption unit 40. The cleaned methane gas from the adsorber 41, which is currently in the adsorption or production phase, is placed in a buffer or expansion tank 50 delivered. The gas from the buffer tank 50 can be fed into the natural gas network 90 via suitable lines 52 with pressure transducers.
Between the buffer tank 50 and the delivery point into the natural gas network 90, however, the quality of the gas to be released is monitored by means of a gas analysis 60, and if the quality of the gas, in particular the methane content, is below the value necessary for the feed-in, the feed-in to the network is prevented and the gas is combined subjected to another cleaning cycle. In order to supply the low-quality gas again to the pressure swing adsorption unit 40, after passing through the gas analysis 60, it is returned to the compressor 20 via the recycling line 53 in a valve-controlled manner. FIG. 3 shows how product gas from the buffer store 50, which fulfills the quality criteria for feeding into the network, passes through the gas analysis 60 and is fed into the natural gas network 90.
In order to meet the safety regulations for natural gas, an odorant must be added to the gas before it is fed into the natural gas network. This is done by means of a metering system which, depending on the volume to be dispensed, adds a common additive, such as THT, to the gas before it is fed into the natural gas network. Neither the dosing system nor the mixing section are shown in the figures.
As already mentioned, the pressure swing adsorption cleaning according to the invention essentially takes place in four cleaning cycles or phases. The change between the individual phases of pressure swing adsorption takes place approximately simultaneously for all four adsorbers. A production cycle is followed by a pressure reduction cycle, which in turn is followed by a regeneration cycle and a pressure build-up cycle. As outlined in FIG. 1, there is an adsorber in a specific functional phase at any given time. 1 and 2 that the pressure reduction cycle is divided into two. In both figures, adsorber 41 is in the production phase and releases purified methane via line 51 to buffer store 50.
In FIG. 1, adsorber 42 is in the first half cycle of the relaxation phase and is connected to adsorber 44, which is in the pressure build-up phase, via line 45. Adsorber 43 is in the evacuation phase, is connected to a vacuum pump 70 and is regenerated by the negative pressure applied.
Because the pressurized gas of the adsorber is used in the pressure reduction phase 42 to build up pressure in another adsorber 44, on the one hand the pressure build-up until the pressure equalization between the two adsorbers is carried out very economically, and on the other hand the methane, which is still high Proportion in the flash gas is immediately returned to cleaning. At the latest as soon as the pressure equalization between the two adsorbers 42 and 44 has taken place, the remaining expansion gas, again valve-controlled, is returned to the fermenter 10. This state is shown in FIG. 2. The adsorber 44 in the pressure build-up is no longer tensioned by the residual pressure from adsorber 42, but is brought to production pressure by the compressor 20 with gas to be cleaned via the feed gas line 46.
The adsorber 42 is now in the second half cycle of the pressure reduction phase and releases expansion gas to the fermenter 10 via an expansion line 47. Since the gas space of the large-volume fermenter 10 is not under excess pressure, but only has a pressure of approximately 50 mbar, the expansion of the adsorber 42 can continue to be passive. However, this at most until the pressure equalization between fermenter 10 and adsorber 42 to be relaxed is reached. The remaining CH4, which is still contained in the expansion gas, is therefore not lost through blowing or flaring, as usual, but remains in the closed system. However, with falling pressure, the methane content in the expansion gas also decreases and the amount of CO2 and other impurities increases. At the end of the relaxation phase, the gas escaping from the adsorber 42 contains practically no CH4.
In the evacuation phase, the pressure in the relaxed adsorber 43, as shown in FIGS. 1 and 2, is further reduced by means of a vacuum pump 70. In the negative pressure, CO2, N2, O2 and H2O are now almost completely desorbed from the molecular sieve, thereby completely regenerating it. The evacuation gas or exhaust gas, which mainly consists of CO2, is in turn valve-controlled removed from the system via an evacuation line 71. Usually it is released into the atmosphere. However, since traces of organic odorous substances which have not been removed during the previous activated carbon cleaning may still be present in the exhaust gas, in a preferred embodiment of the invention the exhaust gas is first passed through a biofilter 80 before it is blown off via roof 81.
In the biofilter 80, the undesired organic contaminants from microorganisms, preferably fungi, are extracted from the exhaust gas.
In the method according to the invention, the regulation of the gas cleaning system is therefore primarily dependent on the quality of the gas produced, as it is present at the fictitious measuring point A after the fermenter 10. However, the gas quality is not determined directly after production, that is to say after leaving the producing adsorber, but only at a point C after intermediate storage in a downstream buffer which is formed, for example, by a buffer store 50. This makes the regulation comparatively sluggish, which has several advantages. The entire system can be operated very constantly, since smaller fluctuations in the quality of the gas originating from the pressure change system 40 are buffered by the large downstream gas volume 50.
Only a long-lasting drop in the gas quality leads to the product gas being passed through the pressure swing adsorption unit 40 and cleaned again. The volume of gas that has to be cleaned again despite the already high CH4 content can thus be minimized.
If the composition of the biogas used as feed gas is known, the filling time of the adsorber in the cleaning phase can be determined directly as a function of the compressor output. Switching between the individual cleaning cycles takes place almost simultaneously for all adsorbers. Although the feed gas quality fluctuates in normal operation, the cycle time of all cleaning steps is selected as a function of the compressor performance. In a preferred embodiment of the method according to the invention, three different cycle times of the pressure swing adsorption unit are each assigned to one of three power stages of the compressor. The cycle duration is matched to an average quality of the feed gas so that the adsorbers are only loaded with 80 to 90% of their capacity in the cleaning phase with the CO2 to be removed and the other trace gases.
The graphical representation according to FIG. 4 shows three curves of fictitious measurements at points A and B, while the unit, also represented as fictitious measuring point C, is actually realized by means of gas analysis 60. The biogas originating from the fermenter 10, as it is present at the fictitious measuring point A, shows an extremely strongly fluctuating course in relation to the CH4 content. These fluctuations are caused by the plant and are caused by the different biogenic waste that is fed to the fermenter 10. The values of the CH4 content by volume that can be determined here vary between a maximum of 40 and 75% by volume. After the pressure swing adsorption unit 40, at the fictitious measuring point B, the curve B is on the one hand higher and on the other hand more uniform, that is, smoothed.
Here, however, the volume-based CH4 portion can still fluctuate within a range of approximately 90 to 99% by volume. This is related to the considerable, relatively rapid fluctuations in the biogas present at point A, while the pressure swing adsorption unit 40 is controlled purely as a function of time or, if appropriate, as a function of the gas production in the fermenter, but not as a function of the quality of the biogas present. These relatively short-term fluctuations in the curve of the measuring point B are smoothed by the mixing of the product gas in the buffer store 50. The gas coming from the intermediate store 50 has a quality according to curve C at the measuring point C. The curves shown here are for your understanding only and only show tendencies.
However, they are neither individual nor corresponding in relation to actual measurement results.