DE102009009376A1

DE102009009376A1 - Katalytisches Reinigungsverfahren zur Deponie-, Klär- und Biogasaufbereitung

Info

Publication number: DE102009009376A1
Application number: DE102009009376A
Authority: DE
Inventors: Achim Wörsdörfer
Original assignee: PRO2 ANLAGENTECHNIK GmbH
Current assignee: PRO2 ANLAGENTECHNIK GmbH
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2010-05-20

Abstract

Für eine Nutzung von Deponie-, Klär- und Biogas in Verbrennungsmotoren, Gasturbinen oder Brennstoffzellen muss das Gas eine entsprechend gute Qualität aufweisen. Spurenstoffe wie Schwefelwasserstoff oder Siliziumverbindungen können zu Schäden an den verwendeten Aggregaten, Anlagen und Komponenten führen. Der Stand der Technik umfasst zurzeit Verfahren, welche die Schadstoffe an der Oberfläche binden (z.B. Aktivkohle) oder sogar umwandeln (z.B. imprägnierte Aktivkohle). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Gas mit Waschflüssigkeiten von den unerwünschten Stoffen und Verbindungen zu reinigen. Hierbei können neben Wasser auch unterschiedliche Lösemittel eingesetzt werden. Andere Verfahren versuchen, durch eine Abkühlung des Gases die Schadstoffe mit dem sich bildenden Kondensat aus dem Gas zu entfernen. Dafür kühlen einige Hersteller das Gas auf Temperaturen unter -20°C ab. Diese Verfahren können folgende Nachteile aufweisen: Sie können hohe Betriebskosten verursachen. Sie können einen hohen apparativen Aufwand verursachen und neigen zu Störungen. Die Reinigungsleistung einiger Verfahren erfüllt u.U. nicht die gestellten Ansprüche. Durch die katalytische Gasreinigung sollen diese Nachteile aufgehoben werden. Die verwendeten Materialien sind günstig, weisen eine hohe Standzeit auf und sind nicht gesundheits- oder umweltgefährlich. Für das Verfahren werden lediglich ein Behälter für das katalytische Material und zwei Wärmetauscher für die Gaserwärmung ...

Description

Es ist bekannt, dass Deponie-, Klär- und Biogas neben den Hauptbestandteilen Methan (CH₄) und Kohlendioxid (CO₂) noch weitere Spurenstoffe in unterschiedlichen Konzentrationen beinhalten. Zu diesen Spurenstoffen gehören unter anderem Schwefelwasserstoff (H₂S), halogenierte Kohlenwasserstoffverbindungen und Siliziumverbindungen, insbesondere Siloxane.
Ferner ist bekannt, dass diese Spurenverbindungen zu Schäden an Rohrleitungen, Aggregaten, Wärmetauschern und Abgaskatalysatoren führen können. Folgende Schäden bzw. Probleme können auftreten bzw. sind bekannt:

• Korrosion von Rohrleitungen und anderen, mit dem Gas in Berührung kommenden Anlagenteilen
• Ablagerungen im Abgaswärmetauscher
• Erhöhter Verschleiß, insbesondere an Ventilen, Laufbuchsen und den Kolben
• Kurze Ölstandszeiten
• Desaktivierung des Abgaskatalysators
• Gesundheits- und umweltschädlich

Die durch die Spurenstoffe verursachten Schäden führen zu erhöhten Reparatur- und Wartungskosten. Erhöhte Reparatur- und Wartungsarbeiten reduzieren die Anlagenverfügbarkeit dementsprechend. Die Verunreinigungen im Gas haben also einen direkten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Durch die Gasreinigung sollen diese Schäden und Probleme, welche die Spurenstoffe verursachen, verhindert werden.
Zum Stand der Technik gehören unterschiedliche Reinigungsverfahren, die mittels Adsorption, Absorption oder durch Kondensation die Spurenstoffe aus dem Gas entfernen sollen. Die Wahl des geeigneten technischen Verfahrens hängt von dem Gasvolumenstrom und der Konzentration der Spurenstoffe im Rohgas ab. Standzeit und Materialkosten sind für die wirtschaftliche Bewertung der Verfahren von Bedeutung.
Zur Adsorption können unterschiedliche Arten von Aktivkohlen oder Silica Gel eingesetzt werden. Die Schadstoffe werden an der aktiven Oberfläche der Aktivkohle angelagert. Ist die Beladungskapazität der Aktivkohle erreicht, können keine weiteren Schadstoffe aufgenommen werden. Es kommt zum „Durchbruch” der Schadstoffe und die Aktivkohle muss gewechselt werden.
Absorptionsverfahren setzen zur Reinigung unterschiedliche Waschmedien ein (z. B. Aminwäsche). Die Schadstoffe werden durch die Waschflüssigkeit aufgenommen und das gereinigte Gas verlässt den Reaktor. Um den Verbrauch von Betriebsmitteln zu reduzieren, wird die Flüssigkeit in einem weiteren Behälter regeneriert. Somit kann die Waschflüssigkeit erneut eingesetzt werden.
Bei den Kondensationsverfahren soll durch eine Kühlung des Gases (z. B. bis 32°C) ein Auskondensieren der Schadstoffe durch Taupunktunterschreitung erreicht werden. Die Schadstoffe werden anschließend mit dem Kondensat entfernt.
Diese Verfahren weisen jedoch hinsichtlich der verschiedenen Spurenstoffe sehr unterschiedliche Abscheideleistungen auf. Das bedeutet, dass zwei Verfahren in Reihe geschaltet werden müssen, um eine ausreichende Reinigungsleistung erzielen zu können.
Dadurch wird die Anlage komplexer. Des Weiteren steigen die Investitions- und Betriebskosten an und gefährden somit den wirtschaftlichen Betrieb der Anlage. Ferner weisen diese Verfahren unterschiedliche, spezifische Probleme auf.
Nach Erreichen der Beladungskapazität müssen die verwendeten Materialien (Aktivkohle, Silica Gel) ausgetauscht und entsorgt werden. Die Beladungskapazität der einzelnen Aktivkohlearten mit Schadstoffen weist deutliche Unterschiede auf. Das Vorhandensein von bestimmten Stoffen kann sich negativ auf die Beladungskapazität auswirken. So kann die Beladungskapazität für Siloxane durch die Anwesenheit von aromatischen Kohlenwasserstoffen entsprechend geringer sein. Die bei der Absorption verwendeten Flüssigkeiten führen unter Umständen zu einem höheren Sicherheitsaufwand. Dieses Verfahren benötigt zwei entsprechend große Kolonnen, in denen die Abscheidung bzw. die Regenerierung der Waschflüssigkeit stattfindet. Verfahren, die mit sehr niedrigen Temperaturen arbeiten, sind störanfällig und energieintensiv. Die Anlagen neigen zum Vereisen und es gibt sehr unterschiedliche Angaben über die Wirksamkeit dieses Verfahrens.
Diese Verfahren verursachen entweder hohe Investitionskosten oder hohe Betriebskosten. Ihre Reinigungsleistung ist auf bestimmte Stoffe beschränkt und macht ggf. eine zweite Reinigungsstufe erforderlich. Keines der Verfahren stellt eine zufriedenstellende Lösung des Problems dar.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine mehrstufige, komplexe Gasreinigung durch eine vergleichsweise einfache, einstufige und kostengünstige Gasreinigung zu ersetzen. Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 2 aufgeführten Merkmale (Gaserwärmung, unterschiedliche Materialien in einem Reaktor) gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass statt mehreren unterschiedlichen Reinigungsstufen nur noch eine Reinigungsstufe installiert werden muss. Dadurch wird verhindert, dass die Anlage zu komplex und teuer wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Stoffe mit einem Verfahrensschritt aus dem Gasstrom entfernt werden können und dass die Reinigungsleistung die der anderen Verfahren übertrifft.
Die hohe Standzeit der eingesetzten katalytischen Materialien und die günstigen Preise für diese Materialien führen zu niedrigeren Betriebskosten.
Für die verwendeten Materialien müssen keine besonderen Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Sie sind nicht gesundheits- oder umweltschädlich. Das Material der 1. und 3. Lage kann problemlos deponiert werden, während das Material der 2. Lage wieder reaktiviert wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigt:
1: die Gasleitung, welche das Gas von der Verdichterstation (nicht dargestellt) durch die Gasreinigung (3) zum Blockheizkraftwerk (5) fördert.
2: den Abgaswärmetauscher, der zum Erwärmen des Gases benötigt wird.
3: den Reaktor, indem die Gasreinigung stattfindet.
4: die Gaskühlung mittels eines Wärmetauschers.
5: das Blockheizkraftwerk, indem die Verstromung des Gases stattfindet.
Es folgt die Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnung und nach dem Aufbau der dargestellten Erfindung.
Ausführungsbeispiel:
Das Gas erreicht den Abgaswärmetauscher mit etwa 20–30°C. Der Abgaswärmetauscher (2) erwärmt das Gas auf 300°C. Hierfür wird die Wärme aus dem Abgasstrom des Blockheizkraftwerkes (5) verwendet. Die Abgastemperatur liegt, je nach Motorentyp, b zwischen 460–500°C. Das auf 300°C erwärmte Gas strömt in den Reaktor (3) ein. In dem Reaktor befinden sich drei Schichten mit jeweils verschiedenen Materialien. Die erste Schicht entfernt die Siliziumverbindungen aus dem Gas. Die geschieht durch Umwandlung der langkettigen Siliziumverbindungen zu Siliziumdioxid (SiO₂). Der Katalysator besteht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) und muss nach erreichen der Beladungskapazität ausgetauscht werden.
In der zweiten Schicht: erfolgt die Oxidation der flüchtigen organischen Verbindungen und von Schwefelwasserstoff (H₂S). Diese Schicht besteht aus einem Metalloxidkatalysator (mit Vanadiumpentoxid, Titandioxid)
In der dritten Schicht erfolgt die Abtrennung der sauren Bestandteile durch ein Aluminiumoxid, welches mit einem basischen Zusatz (Natrium) versehen ist. Aus den sauren Gasbestandteilen und dem basischen Zusatz bilden sich Salze wie z. B. NaCl, Na₂SO₄.
Nachdem das gereinigte Gas den Reaktor verlassen hat, wird es auf eine Temperatur unter 50°C abgekühlt. Dies geschieht durch den zweiten Wärmetauscher (4). Mit einer Temperatur < 50°C kann das Gas anschließend in dem Blockheizkraftwerk zur Erzeugung von Strom und Wärme eingesetzt werden. Ein Teil der Abwärme (ca. 20–30%) wird zum Erwärmen des Gases benötigt (1).
Das Gas kann im Saug- oder Druckbetrieb durch den Reaktor strömen. Der Druckverlust liegt bei ca. 30 mbar.

Claims

Für die Verwendung von Deponie-, Klär- und Biogas (im Folgenden als „Gas” bezeichnet) in Verbrennungsmotoren, Gasturbinen und Brennstoffzellen muss das Gas von Spurenstoffen wie z. B. Schwefelwasserstoff, halogenierten und aromatischen Kohlenwasserstoffen und Siliziumverbindungen gereinigt werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in einem Festbettreaktor mit unterschiedlichen Materialien von den schädlichen Spurenstoffen durch katalytische Reaktionen gereinigt wird.
Das katalytische Gasreinigungsverfahren nach Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gas auf 300°C erwärmt wird und anschließend in einem Festbettreaktor mit unterschiedlichen Materialien von den Spurenstoffen gereinigt wird.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Abwärme z. B. des Verbrennungsmotors für die Erwärmung genutzt werden kann.
Des Weiteren zeichnet sich das Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch aus, dass wahlweise mehrere schädliche Spurenstoffe oder aber nur ein Spurenstoff aus dem Gas entfernt werden kann. Sollen mehrere schädliche Spurenstoffe aus dem Gas entfernt werden, so muss die Schüttung aus verschiedenen Materialien (in mehreren Schichten) bestehen. Für die Entfernung einer einzelnen Schadkomponente werden 1–2 Schichten mit katalytischen Materialien benötigt. Die Anzahl der Schichten und die Materialauswahl sind von dem zu entfernenden Schadstoff abhängig.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das gereinigte Gas auf eine für den Gasmotor benötigte Temperatur abgekühlt wird.