DD217788A1 - Verfahren zur aufbereitung, speicherung und nutzung von biogasen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung, Speicherung und Nutzung von Biogasen. Das Ziel der Erfindung besteht in der Verringerung der Korrosivitaet und in der Erhoehung des Heizwertes, in der Erweiterung des Einsatzgebietes der Biogase sowie in der Vermeidung von Betriebsstoerungen. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass durch Zwischen- und Nachkuehlung des Faulgases, Wasserdampf bis auf Taupunkte zwischen 10 C und 30 C entfernt wird, anschliessend das Gas auf einen Druck von 1,0 bis 32 MPa verdichtet wird, bei Erreichen eines Zwischendruckes von 2,0 bis 2,5 MPa wahlweise eine CO2- und/oder H2S-Entfernung und/oder eine Trocknung auf Wasserdampftaupunkte unter 10 C erfolgt und sodann das Gas verfluessigt oder in unlegierten Stahlbehaeltern gespeichert wird, dem sich eine Entspannung anschliesst.

Description

Titel der Erfindung

Verfahren zur Aufbereitung, Speicherung und Nutzung von Biogasen ^r

G 02 F 11/04

Anwendungsgebiet der Erfindung ⁽ Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung, Speicherung und Nutzung von Biogasen, insbesondere wasserdampfgesättigte Faulgase aus der kommunalen Abwasserbehandlung in Kläranla-

10gen und/oder Verwertung von landwirtschaftlichen Abfallprodukten wie Mist, Fäkalien oder Gülle, bei dem ein aus Methan, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff bestehender Faulgasstrom unterschiedlicher Menge erzeugt, dieser entschlammt, entwässert, wahlweise bei Niederdruck entschwefelt, im Nieder- oder Hoch-

15druckbereich gespeichert sowie eine?Abwärme- und/oderBrenngaaverwertung und/oder Verflüssigung zugeführt wird·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Bei der Behandlung von städtischen und/oder landwirtschaftlichen

20Abwasserachlämmen in Kläranlagen entsteht Biogas, das aus Methan, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff besteht und wasserdampfgesättigt ist» _r

Zur Gewinnung von Bio- bzw· Faulgas ist es bekannt, mehrere Faulgastürme batterieweise zusammenzuschalten und das anfallende

25Faulgas im Niederdruckbereich in einem gemeinsamen Gasspeicher aufzufangen· Aus der DE-PS 955 040 ist eine landwirtschaftliche Faulgasanlage

bekannt, die aus leicht beweglichen, ein- und ausbaufähigen, oberirdisch angeordneten, metallischen, innen gegen Korrosion ge-

30schützten und außen wärmeisolierten Behältern besteht, die teila als Gaszwischensammler für den Betriebsdruck der Faulgasentwiok-

ler und teils als Speicherbehälter für einen höher gelegenen,, durch einen Gaskompressor erzeugten» dem Betriebadruck der Gasverbraucher angepaßten Gasspeicherdruck ausgelegt sinde Zwi-

35schen Gasentwickler und Gaszwischensammler befindet sich ein Gasreiniger mit Gaswasserablaufstutzen, der aus dem Faulgas die schlamm·* oder schaumartigen Verunreinigungen und den auskon« densierenden Wasserdampf entfernt« Diese bekannte technische Lösung hat den Nachteil, daß das

40Faulgas weder getrocknet noch von Schwefelwasgerstoff und Kohlendioxid gereinigt wird, wodurch seine äußerst korrosiven Eigenschaften erhalten bleiben· Die Folge ist, daß Behälter eingesetzt werden müssen, die entweder aus gegen Faulgas beständige Werkstoffe hergestellt sind oder einen aufwendigen

45Kor*οsionsschutz aufweisen· Das betrifft sowohl die Speicherbehälter als auch die Gäszwischensammler, die verbindenden Rohrleitungen, die Gaskompressoren und alle Armaturen« Des weiteren verursacht die stete Korrosionsgefahr eine ständige Kontrolle und Wartung der Anlage, was den Aufwand weiter erhöht»

SODiese bekannte Lösung hat weiterhin den Nachteil, daß dieses Faulgas als Treibgas für Verbrennungsmotors im wirtschaftlichen Druckbereich von 16 bis 25 MPa die Gefahr der Hydratbildung und der Sublimation des Kohlendioxids infolge der Entspannung des Gases auf den Druck des Motorbetriebes erhöht und daher für ei-

55nen solchen Einsatzfall ungeeignet ist· Der hohe Kohlendioxid« anteil im Gas verringert ferner den Heizwert und damit den Wär~ merückgewinnungsgrad, was die wirtschaftliche Nutzung des Biogases stark beeinträchtigt· Das stark korrosive Gas erfordert zudem gegen Spannungsrißkorrosion restistente Armaturen·

60Darüber hinaus tritt der Nachteil auf, daß die Temperatur des Faulgases annähernd konstant gehalten werden muß, damit die im Gas gelösten Bestandteile nicht ausfallen« Dies hat eine aufwendige Isolierung der Behälter zur Folge·

65Die DE-OS 3 024 352 beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von Brenngas durch Ausfaulen organischer Stoffe· Dieses bekannte Verfahren bringt das Faulgas während der. Verdichtung mit einer Flüssigkeit in Kontakt, die Kohlendioxid, in stärkerem Maße als Methan löst. Als geeignete Flüssigkeit schlägt diese bekannte

70Lösung ein Glykol/Wassergemisch vor· Die Verdichtung erfolgt

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mittels eines !Flüssigkeitsringverdichter auf einen Druck von etwa 4 bis 10 bar« Der biologische Abbau der organischen Stoffe findet in einem Faulbehälter statt· Das aus Methan, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Ammoniak bestehende Gas sammelt sich

75oben im Paulbehälter und strömt zum Flüssigkeitsringverdichter, der daa Faulgas mit einem Glykol-Waa sergemisch intensiv ver*< mischt and das Gemisch unter Druck setzt· Das Gemisch wird dann einem Gasabscheider zugeführt, der unter Schwerkraftwirkung ein Absetzen des Glykol-Wasaergemisches mit den gelösten Gasanteilen

eOunten und ein Sammeln' des ungelösten Paulgasanteiles bzw· Brenngases ermöglicht· Nach Entspannung des Glykol*Wassergemisches treten die gelösten Gasbestandteile aus dem Gemisch aus und wer-« den in einem zweiten Gasabscheider gesammelt» Das unter Verdichtungsdruck stehende Brenngas strömt dann zu einem Brenngasapei-

85cher oder wird dem Verbraucher zugeführt* Das Verfahren nach DB-OS 3 024 352 hat den Nachteil, daß Flüssigkeitsringverdichter nur ein relativ kleines Gas-Flüssigkeitsverhältnis aufweisen« Dies beeinträchtigt den Abaorptionswirkungsg^rad, wodurch ein wesentlicher Anteil GO₂ und HgS im Gas ver-

90bleibt· Die Kompression des Gases im Flüssigkeitsringverdichter führt ferner zu einer Temperaturerhöhung des Gases, die das Absorptionsgleichgewicht stört und die CO₂** bzw* H₂S-Auswaschung ebenfalls herabsetzt, Das Paulgas bleibt korrosiv· Die Folge ist, daß alle Anlagenteile, Rohrleitungen und Armaturen, die mit dem

95Gaa in Kontakt kommen, aus korrosionsfesten Werkstoffen hergestellt sein müssen· Auch bleibt die Gefahr der Hydratbildung und " C0₂-Sublimation im Falle der Verwendung des Gases als Treibgas erhalten» Des weiteren hat diese bekannte technische Lösung den Nachteil,

lOOdaß die Flüssigkeitsringverdichter nur bis zu einem bestimmten Druck einsetzbar sind»

Es ist ferner ein Verfahren zum Trocknen von Druckgasen mit adsorbierbaren Bestandteilen mittels parallelgeschalteter und au-1O5tomatisch gesteuerter Adsorber bekannt, die periodisch umgeschaltet und im Gegenstromprinzip durch ein adsorbatfreies Spülgas regeneriert werden (DD-PS 74 625)· Das Adsorbens erreicht in einer Langzeitperiode nur eine Sättigungskapazität unter 10% vom Eigengewicht des Adsorbens, während der zu reaktivierende Adsor-

110ber mit einem erhitsten adsorbatfreien Spülgas aufgeheizt und anschließend biß zur nächsten Umschaltung ebenfalls mit adsorbaW freiem Spülgas wieder abgekühlt wird· ,

Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß die !Regeneration der Adsorber durch in seiner Herstellung teures adsorbatfreies

115Spülgas erfolgt» Für den großtechnischen Einsatz ist ein solches Verfahren völlig ungeeignet*

Ziel der Erfindung *

Das Ziel der Erfindung besteht in der Verringerung der Korrosivi-

120tät und in der Erweiterung des Einsatzbereiches bei gleichzeitiger Erhöhung des Heizwertes der Faulgase _$ in der Einsparung hochveredelter Werkstoffe und von Energie, in der Verminderung des Aufwandes für die Instandhaltung» Wartung und Pflege der Anlagen, in denen das Verfahren durchgeführt wird sowie in der Vermeidung

125vpn Betriebsstörungen»

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liejgt die Aufgabe zugrunde, die Trocknung des Faulgases vor und mit sowie die Reinigung mit der Verdichtung durchlauf uhren sowie die Sublimation des KoftlendioSfids und die Hydrat bildung bei der Verwendung des Gases als Treibgas sicher zu verhindern« Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß aus dem Faulgas durch Zwischen« und Hachkühlung, direkt mittels Wasserein» düsung oder indirekt im liederdruckbereich mit anschließender oder I35integrierter Abscheidung des Wassers bzw» Kondensates, Wasserdampf bis auf Taupunkte zwischen +10 ⁰O und +30 ⁰O, vorzugsweise +20 ⁰G entfernt wird, anschließend das Gas ein- oder mehrstufig auf einen Druck von 1,0 MPa bis 32,0 MPa, vorzugsweise bei mehrstufi« , ger Verdichtung auf 3,0 Mpa bis 25,0 MPa, verdichtet wird, bei 140Erreichen eines Zwischendruokes von 2,0 MPa bis 2,5 MPa wahlweise eine ein- oder mehrstufige CO«*» und/oder HgS-Entfernung bei Temperaturen zwischen 5 ⁰O und 25 ⁰C auf einen Kohlendioxidrestgehalt von weniger als 5 Vol_e*«$ und eine Schwef elwas ser st off aus« Waschung von mindesteng 85% und/oder eine Trocknung auf Wasser« 145dampftaupunkte unter —10 ⁰O erfolgt und sodann das Gas verflüssigt und aufbereitet oder in unlegierten Stahlbehältern gespeichert wird, dem sich eine ein- oder mehrstufige Entspannung mit oder ohne Aufheizung ansohließt·

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur ISOCOg-Entfernung und gleichzeitiger HgS-Entfernung ein Wasser-Frostsohutzmittelgemisch mit maximal 30 Gew*-% Frostschutzmittel verwendet und die Entspannung dea Wassers erfolgt ein- oder mehrstufig«

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung 155wird ζur Trocknung Kieselgel oder Molekularsiebe oder Glykole oder Salzlösungen oder entspanntes Kaltgas verwendet· I

ι= i

In einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die anfallenden Desorptionsgase teilweise und/oder zum Regenerieren verwendete Teilströme zur Saugseite des Kompressors zurückgeführt«

i60In Ausgestaltung der Erfindung sind die Verfahrensschritte Zwischen- und Nachkühlung, Verdichtung, GO₂- und/oder HgS-Ent- i f ernung, Trocknung, Verflüssigung, Aufbereitung und Entspannung über eine oder mehrere Wärmepumpen oder energetisch miteinander gekoppelt·

1651η weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden übelriechende Abwässer dem Klär- bzw· Faulprozeß wieder zugeführt· Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß das bei Hochdruck gespeicherte und getrocknete Gas vor der Entspannung durch Kompressorwarme und/oder andere Wär-

170meträger soweit aufgeheizt wird, daß nach Entspannung die Gastemperatur nicht kleiner als -40 ⁰O ist«

Die technisch-ökonomischen Auswirkungen, insbesondere die Effek- , tivität der Erfindung besteht in der Verringerung der Korrosi- ί

175vität und in der Erweiterung des Einsatzbereiches bei gleichzeir tiger Erhöhung des Heizwertes der Biogase· Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Lagerung des korrosiven Faulgases in unlegierten Stahlbehältern, ohne daß eine vollständige HpS-Entfernung erforderlich wird· Dies führt zur Einsparung hochver-

180edelter Werkstoffe und von Energie sowie zur Verminderung des Aufwandes für die Instandhaltung, Wartung und Pflege der Anlagen, in denen das Verfahren durchgeführt wird· Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die COg-Sublimation bei der Verwendung des Gases als

185Treibgas sicher verhindert wird und Betriebsstörungen der durch das Gas angetriebenen Motore vermieden werden«

; Ausführungabeispiele

Die Erfindung aoll nachstehend an zwei AuBführungsbeispielen näher erläutert werden«

190. ' ..,."' ; ; ' ; . .· · . , ·. ' ; ' . .. \.

Beispiel 1 j

Ein Faalgaaatrom iron 25 000 ar i »EU/d mit einer Zusammensetzung von 66,8 VoI·-% Methan, 33 VoI·-% Kohlendioxid und 0,2 Vol»-% Schwefelwaaseratoff soll für energetische Zwecke in einem eng

195begrenzten Verteilungssystem ID 1,0 MPa verwendet werden. Eine Reinigung dee Faulgases von GO₂ und HgS soll bei Einhaltung eines Wasserdampftaupunktes von -5 ⁰O und einem Druck von 1,0 MPa unterbleiben® Das ,Faulgas wird bei seinem Entstehungsdruck und seiner -tempe-

20Oratür durch direkte Eindüsung von Wasser auf Temperaturen von +20 ⁰C abgekühlt und dann von freien Flüssigkeiten, Wasser und Schlamm über mechanische Abscheider befreit· Anschließend erfolgt eine Kompression des Gases auf einen Druck von 2,0 MPa· Durch Kühlung des komprimierten Gasea mit Wasser wird das Gas auf

2O5eine Temperatur von +25 ⁰O abgekühlt. Das kondensierte Wasser wird abgeschieden und ausgeschleust·

Vor der Entspannung des Gases auf einen Druck von 1,0 MPa und der -. Lagerung in einem unlegierten Druckbehälter von 500 m passiert das Gas noch einen Wärmeübertrager und wird dort durch das ent-

210spannte Kaltgas auf eine Temperatur von +4 ⁰O abgekühlt« Das kondensierte Wasser wird im Rohrbündelwärmeübertrager abgeschieden und ausgeschleust* Bei einem Lagerdruck von 1,0 MPa hat das Gas dann einen Wasserdampftaupunkt von -5 ⁰O. Damit werden Störungen während der Lagerung oder im anschließenden Verteilungs-

215aystem ausgeschlossen«

Beispiel 2:

Ein Faulgasatrom von 4 000 nriVBU/d soll als Treibgas für Verbrennungsmotore genutzt werden« Dabei soll der Speicherdruck 220MPa und der Wasserdampftaupunkt weniger als -10 ⁰G betragen, wobei der GOg-Gehalt auf ^ 5 VoI·-% zu senken ist· Das Rohgas hat folgende Parameter:

GH_n 66,8 νο1 GO₂ 33,0 ti

H₂S 0,2 ⁿ

in Spuren

' ' ' \ · '. Baa Gas 4. et bei einer Temperatur von +35 ⁰O was eer dampf ge sättig t» Der Bohgasstrom wird mit Kühlwasser auf eine Temperatur von +22 ⁰G abgekühlt* Das dabei anfallende Kondensat wird im

230Bohrbündelwärmeübertrager abgeschieden und aus dem Gasstrom ent·* fernt· Durch die sioh anschließende Kompression des Gases tritt eine Erwärmung ein, so daß eine Kondensation von Wasser mit der damit verbundenen Korroaivität des Gases ausgeschlossen werden kann· Die Kompression des Gases erfolgt dreistufig auf 16 MPa·

235Bei einem Kompressionszwischendruck von 2» 3 MPa wird die CO₂** Entfernung vorgenommen· Das Gas wird nach der Kompressorstufe im unteren Teil einer Absorberkolonne direkt durch Waschwasser gekühlt· Im oberen Teil der Kolonne erfolgt im Gegenstrom die eigentliche

240CO₂- und H₂S-Entfernung durch am Kopf der Kolonne aufgegebenes Waschwasser· Es ist auch möglich, ein Wasser-Frostschutzmittelgemisch einzusetzen, das 25 Gew»-% GIysantin enthält· Das Beingas verläßt die Absorptionskolonne mit einem Gehalt an CO₂ von 4,0 Vo1.-% und an H₂S von 0,03 Vol.~% wasserdampfgesät-

245tigt mil; einer Temperatur von 18 °0» Anschließend wird das Gas in einer Adsorptionsanlage mit Kieselgel als Adsorptionsmittel bis auf einen Wasserdampftaupunkt von -32 ⁰C getrocknet· Die Trocknung kann aber auch mittels Molekularsiebe, Glykole oder Salzlösungen oder entspanntes Kaltgas durchgeführt werden»

25ONach Fassieren einer Staubabscheidung wird das Gas dem Verdichter wieder zugeführt, über die restlichen Kompressionsstufen auf einen Druck von 16 MPa verdichtet und in unlegierten Stahlbehält ern gelagert« . Aus diesen Behältern erfolgt die Betankung der Fahrzeuge, wobei

255in der Anfangphase eines jeden Betankungsvorganges über einen Doppelmantelwärmeübertrager und Warmwasser (von der Kompressor· kühlung) die Temperatur des Gases, das in die Stahlflaschen des Fahrzeuges gelangt, auf eine Temperatur von 2 -38 ⁰C gehalten wird·

260Das für die G0₂-Abaorption im Kreislauf befindliche Waschwasser wird im Sumpf der Absorptionskolonne in einem modifizierten Kleinkühlturm einstufig über Vollkegelstrahldüsen auf Normaldruck entspannt· Über entsprechende Einbauten rieselt das Wasser zur Auffangwanne und wird von dort über eine Pumpe der Absorptions-

265kolonne wieder zugeführt· Über Lüfter des KIeinkühlturmes kann das Waschwasser gegebenenfalls gestrippt werden» Die Waschwasser-

verlust© infolge Verdunstung werden so gesteuert*--daß über ~ die Temperatur des regenierten Waschwassers daa Temperaturprofil der Absorptionskolonne erhalten bleibt« Die Verluste wer«* 270den zu einem Teil durGh das auskondenaierende Wasser,' das bei der direkten Kühlung des Gases anfällt und zum anderen Teil durch Zusatz von Frischwasser kompensiert» Die Desorption des Kieselgels der Adsorptionsanlage erfolgt mit einem geringen Teilstrom des getrockneten, aufgeheizten ent»

275spannten Hoohdruokgaees· Dieses Gas wird mittels Wasserdampf

· " . . ' ·- ο ' ' ^y auf eine Temperatur von etwa 170 0 aufgeheizt und anschließend durch das Kieselgelbett geleitet» Der desorbierende Wasserdampf wird vom Desorptionsgae aufgenommen und anschließend wird dieses Gas dem Rohgas vor der Kühlung und dem Kompressor "wieder züge« 280setzt· Übelriechende Abwässer werden durch das heiße Dämpfkonden*· sat von etwa 40 ⁰G aufgeheizt und dem Faulprozeß wieder zugeführt

Claims (7)

Erflndungaanspruch

1· Verfahren ziir Aufbereitung, Speicherung und Mutzung von Biogasen, inabesondere wasserdampfgesättigte Faulgase aus der kommu-

285nalen Abwasserbehandlung in Kläranlagen und/oder Verwertung von landwirtschaftlichen Abfallprodukten wie Mist, Fäkalien oder Gülle, bei dem ein aua Methan« Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff bestehenden Faulgaestrom unterschiedlioher Menge erzeugt, dieser entschlammt, entwässert,wahlweise bei Niederdruck entschwefelt,

29Oim nieder- oder Hochdruckbereich gespeichert sowie einer Abwärme- und/oder Brenngasverwertung und/oder Verflüssigung zugeführt wird, gekennzeichnet dadurch, daß aus dem Faulgas durch Zwischen« und Nachkühlung, direkt mittels Wassereindüsung oder indirekt im Niederdruckbereich mit anschließender oder integrierter Abschei-

295dung des Wassers bzw· Kondensates, Wasserdampf bis auf Taupunkte zwischen +10 ⁰C und +30 ⁰C, vorzugsweise +20 ⁰C entfernt wird, anschließend das Gas ein- oder mehrstufig auf einen Druck von 1,0 Mpa bis 32 MPa, vorzugsweise bei mehrstufiger Verdichtung auf 3,0 MPa bis 25 MPa, verdichtet wird, bei Erreichen eines Zwi-300schendruckes von 2,0 MPa bis 2,5 MPa wahlweise eine ein- oder

mehrstufige CO₂- und/oder HgS-Entfernung bei Temperaturen zwischen j 5 ⁰C und 25 ⁰C auf einen COg-Restgehalt von weniger als 5 Vol«-% ^v und eine H₂S-AUsWaschung von mindestens 85% und/oder eine Trocknung auf Wasserdampf taupunkt e unter «· 10 ⁰C erfolgt und sodann das 3O5Gas verflüssigt und aufbereitet oder in unlegierten Stahlbehältern gespeichert wird, dem sich eine ein- oder mehrstufige Entspannung mit oder ohne Aufheizung anschließt«

2* Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur CO₂-3lOEntfernung und gleichzeitiger HgS-Entfernung ein Wasser-Frostschutzmittelgemisoh mit maximal 30 Gew.-% Frostschutzmittel verwendet wird und die Entspannung des Wassers ein- oder mehrstufig erfolgt·

3· Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch,daß zur Trocknung Kieselgel oder Molekularsiebe oder Glykole oder Salzlösungen oder entspanntes Kaltgas verwendet wird·

4. Verfahren nach Punkt 1 bis 3» gekennzeichnet dadurch, daß die 320anfallenden Desorptionsgase teilweise und/oder zum Regenieren verwendete Teilströme zur Saugseite des Kompressors zurückgeführt werdeß»

5® Verfahren nach Punkt Vgekenna ei ohne t dadaroh', daß die Ve r« fahrensschritte Zwischen- und Haehkühiong, Verdichtung^ COg- und/ 325oder HpS-Bntfernong_f Trocknung, Verflüssigung^ Aufbereitung und Entspannung über eine oder mehrere Wärmepumpen oder, ,energetisch' miteinander gekoppelt sind® .'..: / _: .

6» Verfahren nach Punkt V gekennzeichnet dadurch^ daß anfallen« 33Ode Abwässer wieder dem Klär« bzw« Faulproaeß zugeführt werden©

7 β Verfahren nach Punkt ^;1, gekennzeichjaet dadurch, daß das bei Hochdruck gespeicherte und getrocknete Gas vor der Entspannung
durch Kompreasorwärme und/oder andere Wärmeträger soweit aufge® 335heizt wird_s daß nach BBtspannuiig die Gastemperatur nicht kleiner

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