DD291318A5 - Verfahren zur kombinierten nutzung von abwaerme und co tief 2 aus abgasen der biogasverbrennung - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur kombinierten Nutzung von Abwaerme und CO2 aus Abgasen der Biogasverbrennung betrifft die gekoppelte Verwendung von Abwaerme und CO2 zur Wachstumsfoerderung von Pflanzen, vorzugsweise in Gewaechshaeusern. Dazu erfolgt in einer ersten Stufe eine Kreislauf-Wasserwaesche zur Teilentstickung und Kuehlung des SO2-freien Gases, sowie zur CO2-Anreicherung des Wassers, in einer zweiten Stufe die Erzeugung von CO2-angereicherter, wasserdampfgesaettigter Warmluft fuer den Gewaechshauseinsatz. Abgasverdichtung mit Kuehlung fuehrt bei zwangslaeufiger Wasserkondensation zur Restentstickung, die Einleitung dieser Kondensate, sowie von ablaufendem Verdichterkuehl- und Kreislaufueberschuszwasser in die in einem Biogasreaktor umzusetzende Guelle ermoeglichen deren Erwaermung und die Entstehung von Stickstoffduenger im Fugat des Biogasprozesses, so dasz das erfindungsgemaesze Verfahren zur Nutzung von Abwaerme und CO2 praktisch abproduktfrei arbeitet.{Biogasverbrennung; Abgasnutzung; Abwaermeverwertung, vollstaendig; CO2-Duengung; Verfahren, zweistufig; Abgaskreislauf-Wasserwaesche; Warmlufterzeugung, abproduktfrei}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Verfahren zur schadstofffreien Anwendung von Abgasen aus der Biogasverbrennung zur CO]-Düngung bei völliger Nutzung der fühlbaren Wärme der Abgase.

Charakteristik des bekannton Standes der Technik

Die Verbrennung von annähernd schwefelfreien Gasen zur Herstellung von CO₂ und dessen Einsatz zur Ertragssteigerung in Gewächshäusern gehört zum bekannten Stand der Technik. Üblich ist ebenfalls die Nutzung von Abwärme. Bekannt ist, daß schwefelfreies Erdgas unter Vermeidung von Stickoxid· und Kohlenmonoxidbildung in Spezialbrennern innerhalb von Gewächshäusern verbrannt und das so entstehende Rauchgas (Abgas) direkt zur Erwärmung der Gewächshausluft und unter Nutzung des COyGehaltes zur Düngung der Pflanzen verwendet wird. Als Beispiel dafür sei ein modifiziertes Benzinheizgerät mit Spezialbnnner für Erdgasbetrieb gemäß PS DD 242162 aufgeführt.

Im Gegensatz zum Betrieb dieser speziellen Verbronnungseinrich'ungen für die Erzeugung stickoxid· und CO-armer Rauchgase zu Düngungszwecken entstehen bei der VerUonnung von Gasen einschließlich schwefelgereinigten Biogasen in Kesseln CO und NO_x, bei Ausfall oder Störung der vorg jschalteten Entschwefelung auch SO]. Diese Abgaskomponenten wirken bereits in geringen Konzentrationen toxisch auf PfIa' izen und Menschen und müssen vor der Nutzung der Abgase weitgehend entfernt werden.

Nach heutigem Erkenntnisstand sind nachstehende Schadstoffkonzentrationen in der Gewächshausluft pflanzenhygienisch noch zulässig:

CO: max500Vol.-ppm SO₂: max 0,1 Vol.-ppm NO_x: max 1000 Vol.-ppm

Diese Werte dürfen jedoch niemals, auch nicht kurzzeitig überschritten werden, da andernfalls irreversible Schädigungen der Pflanzen entstehen. Der für Pflanzen zulässige ΝΟ,-Gehalt erscheint ziemlich hoch und schon aus Gründen des übrigen Umweltschutzes sind geringere NO_x-Gehalte in der Gowächshausluft anzustreben. Die Entfernung von Schwefelverbindungen erfolg· zweckmäßigerweise nicht erst im Abgas mit aufwendigen SO₂-Entschwefelungsverfahren, sondern bereits Im Biogas mit bekannten H₂S-Reinigun&^verfahren, wie zum Beispiel gemäß PS DE 3151187 im Reduktionsverfahren mittels Eisenhydroxidbett, durch Auswaschen um? Druck mit einem Wasser-Glycol- Gemisch gemäß PS DD 217788 oder auch durch Einbringen von Luft bereits in Faulschlamm der Biogasanlage gemäß PS DE 3335265 und dann möglichem Abtrieb des H₂S bzw. entstandenen SO₂. Die Entfernung der Stickoxide muß aus dem Rauchgas erfolgen. Dazu existiert eine große Anzahl technischer Lösungen, die teils

mit Katalysatoren, mit speziellen Waschlösungen oder Massen, teilweise bei erhöhten Temperaturen realisiert werden, die aberalle besonders aufwendig und mit schwer verwertbaren Abprodukten belastet sind.

Für einen Gewächshausbetreiber praktikable Lösungen zur fast vollständigen Entfernung von Kohlenmonoxid existieren

überhaupt nicht. Damit läßt oer bekannte Stand der Technik eine wirtschaftlich vertretbare Nutzung von Abgasen der

Biogasverbrennung unter Kesseln zur kombinierten CO₂-Düngung und Abwärmeverwertung nicht erkennen. „

Das Ziel der Erfindung besteht darin, Abgase aus der Biogasverbrennung für die COj-Düngi ng mit gegenüber bekannten Mitteln geringerem ökonomischen Aufwand apparativ und verfahrenstechnisch zuverlässig aufzubereiten und die Abwärme vollständig zu nutzen. Darüber hinaus foil den Belangen des Umweltschutzes durch eine sinnvolle Nutzung der entstehenden Abprodukte Rechnung getragen werden.

Darlegung des Wesen» der Erfindung

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens Abgase aus der Verbrennung von Biogasen so aufzubereiten, daß das für die Photosynthese von Pflanzen im Abgas enthaltene CO₂ genutzt, schädliche Gaskonzentrationen von SOj, Stickoxiden und CO ausgeschlossen, die fühlbare Wärme der Abgase vollständig verwertet und entstehende Abprodukte oiner umweltfreundlichen Verwendung zugeführt werden können.

Ein vorteilhafter Einsatz von CO₂ aus Abgas für eine beschleunigte Photosynthese von Pflanzen, vorzugsweise in Gewächshäusern, wird erreicht, wenn

- der SO₂-Ge)IaIt der Gewächshatjsluft höchstens 0,2Vol.-ppm und

- der Anteil der Stickoxide höchstens 1000 Vol.-ppm, angestrebt nahe O Vol.-ppm

beträgt,

- der CO-Gehalt der in den Gewächshäusern befindlichen Mischung aus Luft und Abgas 100Vol.-ppm nicht überatoigt und

- der COj-Gehalt zwischen 320 und 1000 Vol.-ppm variiert werden kann

Erfindungsgemäß wird wie folgt verfahren:

Das schwefelarme Abgas aus Biogasverbrennung in Kesseln oder Motoren, das auch Stickoxide und CO enthalten kann, wird in einor ersten Verfahrensstufe direkt mit Kreislaufwasser gekühlt und dabei gleichzeitig teilentstickt. Entsprechend der sich einstellenden Gleichgewichtstemperatur werden Anteilo CO₂ und möglicherweise vorhandene SO₂-Anteile im Kreislaufwasser gebunden. Eventuell während der Verbrennung entstandenes Kohlenmonoxid löst sich nur in Spuren im Kreislaufwasser. Anschließend wird das gewaschene Abgas verdichtet und die Verdichtungswärme mit Kühlwasser abgeführt. Mit dieser Kühlung fällt Kondensat im Abgas an, in dem sich die restlichen Stickoxide lösen, die dann mit dem Kondensat aus dem Verdichter herausgeführt und der Gülle zugesetzt werden. Mit dieser Maßnahme wird einerseits eine Erwärmung der Gülle für den Methanisierungsprozeß im Biogasreaktor erreicht, andererseits reagieren die als Säuren gelösten Stickoxide mit dem Ammoniak der Gülle zu Ammoniumnitraten, die mit dem Fugat des Biogasprozesses als Stickstoffdünger verfügbar sind. Das gekühlte, erstickte und SO₂-freie Abgas kann zur Erzielung einer optimalen CO₂-Konzentration für die Photosynthese in die Gewächshäuser gefördert werden. Die damit einhergehende Verdünnung wird im Regelfall das Auftreten einer unerwünscht hohen CD-Konzentration größer 500VoI.-ppm CO ausschließen.

In einer zweiten Verfahrensstufe wird das in der ersten Stufe gewonnene CO₂-angereicherte warme Kreislaufwasser entweder durch Gegenstromführung von Luft in einem geeigneten Stoffaustauschreaktor zur Herstellung CO₂-angereicherter, wasserdampfgesättigter Warmluft genutzt, die frei von CO, SO₂ und Stickoxiden Ist und optimal in Gewächshäusern zur Wachstumsförderung eingesetzt werden kann, oder das warme Krelslaufwasser wird zur indirekten Erwärmung der in Biogasreaktor umzusetzenden Gülle verwendet. Auch sind beide Varianten wahlweise gleichzeitig nebeneinander möglich. In der zweiten Verfahrensstufe besteht neben der unterschiedlichen Verwendung des warmen Kreislaufwassers für die Herstellung von Warmluft und/oder Güllewärmung durch Variation der Kreislaufwassermengen die Möglichkeit, Temperatur und CO₂-Gehalt der Warmluft zu steue η:

Im Vergleich zum Normalbetrieb veiminderte Kreislaufwassermengen führen bei konstantem Rauchgasabfall zu höherer Wassertemperatur und damit geringerem CO₂-Gehalt. Beim Stoff-Wärme-Austausch mit Luft entsteht Warmluft relativ höherer Temperatur mit vermindertem CO₂-Gehalt

Das hat praktische Bedeutung für den Gewächshausbetrieb:

Nachts wird aufgrund fehlender Sonneneinstrahlung ein höheres Wärmeangebot erforderlich, der CO₂-Gehalt sollte den Normalwert der Luft von ca. 300Vol.-ppm nicht überschreiten, da die Photosynthese im Dunkeln nicht möglich ist und ein übernormaler CO₂-Anteil sogar schädlich wirkt; tagsüber ist dagegen ein erhöhter CO₂-Anteil erwünscht, der gegenüber einem verminderten Wärmeangebot Vorrang hat.

Neben der Abführung des im Verdichter anfallenden Kondensates in die Gülle erfolgt eine ständige Ausschleusung von überschüssigem Kreislaufwasser, das infolge Kondensation der Abgasfeuchte und aus der Zuführung des ablaufenden Verdichterkühlwassers entsteht. Überschüssiges Kreislaufwasser wird in den Biogasreaktor oder auch in die dem Reaktor zulaufende Gülle zwecks Erwärmung geleitet. Damit werden gleichzeitig die Konzentrationen der ausgewaschenen Schadstoffe im Kreislaufwasser auf einem niedrigen Niveau gehalten.

Ausführungsbeispiel

Mit einem Beispiel soll die Erfindung nachstehend anhand Figur 1 erläutert werden:

In einer Kesselanlage werden zur Erzeugung von Warmwasser stündlich etwa 8Om³In) entschwe 'eltes Biogas verbrannt. Dabei entstehen ca. 600m³(n)/h Abgas 1 mit einem CO₂-Gehalt von ca. 14 Vol.-% und einer Temperatur von 6O⁰C bis 120⁰C. Dieses Abgas 1 wird mittels Gebläse in eine übliche Glockenbodenkolonne 2 mit drei Böden und einem Durchmesser von 3 m geförder. Im Gegenstrom zu dem aufsteigenden Abgas 1 strömt Kreislaufwasser 3. Dieses Wasser nimmt die fühlbare Wärme des Abgases 1 und das anfallende Kondensat auf und erwärmt sich je nach Kreislaufwassermenge von 10⁰C bis 25⁰C auf 30-8O⁰C. In Abhängigkeit von der Wassertemperatur wird dabei CO₂ aufgenommen. Außerdem gehen wesentliche Anteile der NO_x und des eventuell vorhandenen SO₂ in das Kreislaufwasser 3 aus dem Abgas 1 über. Sollte CO im Abgas 1 sein, wird dieses durch das Kreislaufwasser 3 aufgrund der geringen Lösungskoeffizienten von CO in Wasser nicht aufgenommen.

Das auf 1O⁰C bis 2O⁰C gekühlte Abgas 1 wird auf einen Druck von 0,2-0,6MPa verdichtet und danach indirekt gekühlt 4. Infolge der Kühlung 4 fällt aus dem verdichteten Abgas 1 Kondensat 6 an, das das restliche NO_x aus dem Abgas 1 aufnimmt. Dieses Kondensat 5 wird der In der Biogasanlage β eingesetzten QUIIe 7 zugemischt. Die aus dem NO_x mit dem Wasser entstandenen Säuren reagieren mit dem Ammoniak der Gülle 7 zu Stickstoffverbindungen, die gemeinsam mit dem flüssigen Fugat aus der Biogasherstellung zur Düngung Verwendung finden können oder in anderer an sich bekannter Weise als Abwasser behandelt werden.

Das verdichtete Abgas 1, das aus CO₂, N₂,0₂ und möglicherweise geringen Anteilen CO bis 0,2 Vol.-% besteht, wird dann zur CO₂-Düngung verdünnt und mit Luft in Gewächshäusern eingesetzt.

Das Kreislaufwasser 3 dient in einer zweiten Glockenbodenkolonne 8, die in den geometrischen Abmessungen der ersten ähnlich Ist, zur Erwärmung von im Mittel 10000m³(n)/h Luft 9 von der jeweiligen Umgebungstemperatur auf 25-35°C. Gleichzeitig wird diese Luft mit Wasserdampf gesättigt. Um die Luft 9 außerdem mit CO₂ anzureichern, werden 2 m³ Kreislaufwasser 3 pro Stunde gefahren. Dabei entsteht eine Kreislaufwassertemperatur in der Kolonne 2 von ca. 35⁰C. Bei dieser Temperatur nimmt das Kreislaufwasser 3 soviel CO₂ auf, daß in der Warmluft 9 nach der Kolonne 8 ca. 600 Vol.-ppm CO₂ enthalten sind. Dieser Gehalt ist optimal für das Wachstum der Pflanzen am Tage. In der Nacht werden nur 0,6m³ Kreislaufwasser 3 gefahren. Damit entsteht eine Wassertemperatur von ca. 65⁰C, bei der eine nur r dringe Aufnahme von CO₂ in das Kreislaufwasser 3 erfolgt, was bei dem anschließenden kombinierten Stoff-Wärme-Austausch zwischen Kreisiaufwasser und Luft in der Kolonne 8 dazu führt, daß eine CO₂-Anreicherung in der Luft nicht stattfindet. Überschüssige Anteile des Kreislaufwassers 3, die auch infolge der Kondensation der Feuchtigkeit aus dem Abgas 1 und aus der Zuführung des Kühlwassers 10 entstehen, werden nach dem zweiten Behälter 8 aus dem Kreisiaufwasser 3 entnommen und in einer Überschußwasserleitung 11 dem Biogasreaktor 6zur Erwärmung der Gülle 7 zugegeben. Damit werden die Konzentrationen des Kreislaufwassers 3 an NO_x und SO₂ auf einem niedrigen Niveau gehalten. Wird weniger Warmluft 9, als in der Kolonne 8 erzeugt, benötigt, kann die dann für die Warmluft 9 nicht benötigte Energiemenge mit Hilfe einer Leitung 12 zur Gülleerwärmung Im Biogasreaktor 6 eingesetzt werden.

Claims (3)

1. -1- 201318 Patentansprüche:

   1. Verfahren zur kombinierten Nutzung von Abwärme und CO₂ aus Abgasen der abgasverbrennung oder blogaebetriebenen Motoren, gekennzeichnet dadi veh, daß in einer ersten Verfahrensstufe das schwefelarme Abgas, das auch stickoxid- und CO-haltig sein kann, direkt mit Kreislaufwasser gekühlt, dabei gleichzeitig zur Entstickung gewaschen und das erwärmte Kreislaufwasser mit CO₂ angereichert wird, daß anschließend eine Verdichtung des gekühlten und teilerstickten Gases erfolgt, wobei die Verdichtungswärme an Kühlwasser und die restlichen Stickstoffverbindungen an das aus dem verdichteten Gas ausfallende Kondensat abgegeben werden und daß in einer zweiten Verfahrensstufe dasCO₂-angereicherte Kreislaufwasser derersten Stufe in an sich bekannter Weise zur Herstellung CO₂-angerelcherter, wasserdampfgesättigter Warmluft Nutzung findet und die für den Wasserkreislauf nicht benötigten Üb jrschußwassermengen abgeführt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Überschußwassermengen aus dem Wasserkreislauf allein oder zusammen mit dem ablaufenden Kühlwasser des Verdichters der in einem Biogasreaktor umzusetzenden Gülle zugespeist werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das in der ersten Verfahrensstufe anfallende erwärmte Kreislaufwasser unter teilweisem oder vollständigem Verzicht auf die Herstellung CO₂-angereicherter Warmluft zur indirekten Gülleerwärmung verwendet wird.