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Der Vorschlag bezieht sich auf das Gebiet der Reinigung von Gasen, insbesondere auf Einrichtungen zum Entfernen von Schwefelwasserstoff aus Gasen, und ist in Systemen zur Neutralisierung von Schwefelwasserstoff in Behälter-, Deponie- und Schachtgasen sowie in Anlagen zur Erzeugung von Biogas unter den Bedingungen verwendbar, wenn das zu reinigende Gas unter einem dem Atmosphärendruck nahen Druck steht.
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Es ist eine Anlage zur Reinigung eines Gases von Schwefelwasserstoff bekannt (
US 4482524 ), umfassend einen Behälter mit einem Absorptionsmittel, eine den Behälter in zwei Bereiche teilende Trennwand sowie Gas- und Luftverteiler, von denen jeder in seinem Bereich angeordnet ist. Der Gasreinigungsprozess beruht auf der Flüssigphasenoxidation von Schwefelwasserstoff zu elementarem Schwefel. Die Reinigung des Gases von Schwefelwasserstoff erfolgt durch Barbotieren des Gases durch eine Schicht des Absorptionsmittels im Absorptionsbereich unter Bildung fester Partikel von elementarem Schwefel, welcher dann aus dem Apparat entfernt wird. Als Absorptionsmittel wird eine wässrige Lösung von Metallkomplexen mit einer variablen Valenz, vorzugsweise von Eisenchelaten, verwendet. Bei der Oxidation von Schwefelwasserstoff geht ein Metallion im Chelatkomplex in einen Zustand mit einem geringeren Oxidationsgrad über und das Absorptionsmittel verliert seine Sorptionseigenschaften in Bezug auf Schwefelwasserstoff. Zur Wiederherstellung der Sorptionseigenschaften erfolgt eine Regenerierung des Absorptionsmittels, also das Zurückkehren der Metallionen in den Ausgangszustand durch deren Oxidation mit Luftsauerstoff. Das wird durch Blasen des Absorptionsmittels mit Luft im Regenerierungsbereich erreicht. Aufgrund der Dichtedifferenz von Gas-Flüssigkeits-Gemischen wegen der unterschiedlichen Gassättigung auf den verschiedenen Seiten der Trennwand erfolgt eine Selbstzirkulation des Absorptionsmittels, die es erlaubt, dem Absorptionsbereich ein regeneriertes Absorptionsmittel zuzuführen.
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Der Vorteil der Anlage besteht darin, dass die Vollständigkeit der Schwefelwasserstoffentnahme, welche während eines katalytischen Flüssigphasenprozesses unter Einsatz der Metallkomplexe erreicht wird, 99,9% und höher beträgt, wozu unter anderem die Organisierung der Selbstzirkulation der Lösung beiträgt. Das erlaubt es, hochwirksame Gasreinigungssysteme zu realisieren.
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Der Nachteil dieser Anlage im Falle der Reinigung von Brenngasen besteht im Vermischen des von Schwefelwasserstoff gereinigten Gases mit sauerstoffhaltigen Resten der zur Regenerierung zuführbaren Luft, da es zu einer Gefahr der Bildung von explosionsgefährlichen Gemischen und zumindest zur einer Verdünnung des Gases mit einem Ballast führt, was den Energiewert des Gases herabsetzt. Der Nachteil besteht auch in der Notwendigkeit, einen Überdruck des Gases zu erzeugen, um den hydrostatischen Druck der Absorptionsmittelschicht zu vermeiden.
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Es ist auch eine Anlage zur Reinigung eines Gases von Schwefelwasserstoff aufgrund des Flüssigphasenprozesses unter Einsatz einer wässrigen Lösung des Eisenkomplexes mit der Äthylendiamintetraessigsäure bekannt (
RU 2016633 ). Die Anlage verwirklicht den Prozess in zwei einzelnen Einrichtungen, nämlich einem Absorber zum Gaswaschen und einem Regenerator zur Wiederherstellung der Eigenschaften des Absorptionsmittels, die im Wesentlichen als Absorptionsmittelbehälter dienen. Es sind auch Verteiler des der Reinigung zuführbaren Gases und der der Regenerierung zuführbaren Luft vorgesehen. Diese Anlage ermöglicht auch ohne Verwendung einer Pumpe die Selbstzirkulation des Absorptionsmittels wegen der Dichtedifferenz der gasgesättigten und gasfreien Flüssigkeit.
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Die Vorteile der Anlage sind ein hoher Grad der Reinigung des Gases von Schwefelwasserstoff, der für alle Flüssigphasen-Reinigungsprozesse unter Einsatz von Eisenchelaten charakteristisch ist, und die Ermöglichung der pumpenlosen Zirkulation der Lösung, indem der Absorptionsbereich und der Regenerierungsbereich getrennt sind, und das erlaubt es, ein reines Gas ohne Vermischen mit Restluft zu erhalten.
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Der Nachteil dieser Anlage besteht in der Notwendigkeit, einen Überdruck des Gases zu erzeugen, um den hydrostatischen Druck der Schicht des Absorptionsmittels zu vermeiden. Bei der Reinigung von unter Atmosphärendruck stehenden Gasen, z. B. von Biogas, Behälter- oder Deponiegas, ist der Einsatz der Ausrüstung zur Erhöhung des Gasdrucks mit erheblichem Aufwand verbunden. Als Nachteil der Anlage kann auch die konstruktiv getrennte Anordnung des Absorbers und des Regenerators genannt werden, was bei erhöhten Anforderungen an die von der Anlage eingenommene Arbeitsfläche kritisch ist.
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Es ist eine Anlage zur Reinigung eines Gases von Schwefelwasserstoff mit Hilfe eines Absorptionsmittels aufgrund einer wässrigen Lösung eines Eisenchelatkomplexes bekannt, in der die Reinigung bei einem minimalen Überdruck des Gases erfolgt (
Nr. 5, 2008, S. 86). Die Anlage weist einen Venturi-Wäscher, einen Aufsatzabsorber und einen Apparat zur Regenerierung des Absorptionsmittels auf. Die Reinigung des Gases von Schwefelwasserstoff erfolgt in zwei Stufen: im Venturi-Wäscher beim Kontakt des Gases mit den Strahlen des Absorptionsmittels und weiter im Absorber beim Kontakt des teilweise gereinigten Gases mit dem Absorptionsmittel auf der benetzten Oberfläche des Aufsatzes. Die Regenerierung des Absorptionsmittels erfolgt in einem gesonderten Apparat. Der Nachteil dieser Anlage besteht in der Notwendigkeit, einen wenn auch geringen Überdruck des der Reinigung von Schwefelwasserstoff zuführbaren Gases wegen hydraulischer Druckverluste am Absorber aufrechtzuerhalten, sowie in der Verwendung eines zusätzlichen Apparates zur Regenerierung des Absorptionsmittels.
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Dem technischen Wesen und dem erzielbaren Ergebnis nach liegen dem Vorgeschlagenen eine Methode und eine Anlage zur Entfernung von Schwefelwasserstoff aus Gasen am nächsten (
DE 34 44 252 ), umfassend mindestens eine Einrichtung zum Gaswaschen mit einem Absorptionsmittel aufgrund eines Metallchelatkomplexes, insbesondere des Eisenchelats, die eine Flüssigkeitsstrahl-Injektionspumpe darstellt, eine Einrichtung zur Regenerierung des Absorptionsmittels, einen Luftverteiler, einen Luftverdichter, Zu- und Ableitungen für Gas und Absorptionsmittel, Zirkulationspumpen für das Absorptionsmittel, eine Einrichtung zum Ausscheiden von Schwefel und eine Steuereinrichtung. Um die Effektivität der Regenerierung des Absorptionsmittels zu erhöhen, ist die Regenerierungseinrichtung in Form mindestens einer Kolonne ausgebildet, deren untere Teil mit einem Absorptionsmittelbehälter und mit einer pulsierenden Pumpe verbunden ist, die ein intensives Vermischen des Absorptionsmittels und der zu pumpenden Luft in der Regenerierungskolonne ermöglicht.
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Die Nachteile dieser Anlage sind zum einen deren erhebliche Abmessungen, die mit der getrennten Anordnung des Gaswäschers und der Absorptionsmittel-Regenerierungseinrichtung verbunden sind, zum anderen das Vorhandensein von Stauzonen innerhalb des Absorptionsmittelbehälters, was zu einer erhöhten Ablagerung von Schwefelresten und als Folge zur Beeinträchtigung des normalen Schwefelentfernungsvorganges sowie zur Verringerung des Reparaturintervalls des Reinigungssystems führt und zum dritten fehlt bei der veränderlichen Konzentration des Schwefelwasserstoffs im Gas am Einlauf der Anlage die Möglichkeit der Steuerung der Absorptions- und Regenerierungsprozesse, was es nicht erlaubt, den Energieaufwand und den Verbrauch der chemischen Reagenzien zu optimieren.
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Die technische Aufgabe der vorgeschlagenen Erfindung nach Anspruch 1 ist es, die Effektivität der Reinigung eines unter einem dem Atmosphärendruck nahen Druck stehenden Gases durch Optimierung des Prozesses dessen Reinigung von Schwefelwasserstoff zu erhöhen. Dabei kann die Konzentration des Schwefelwasserstoffs im gereinigten Gas kontrolliert und der Verbrauch des Absorptionsmittels bei der veränderlichen Konzentration des Schwefelwasserstoffs in dem zu reinigenden Gas geregelt werden, das Redoxpotential des Absorptionsmittels kontrolliert und der Verbrauch der Luft für dessen Regenerierung geregelt werden, die Stauzonen innerhalb des Absorptionsmittelbehälters vermieden, die Abmessungen der Anlage verringert, deren Herstellungs- und Montagekosten sowie laufende Aufwendungen für die elektrische Energie und für die Wartung der Anlage herabgesetzt werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Anlage gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Dabei ist die Einrichtung zum Gaswaschen mit dem Absorptionsmittel zusätzlich mit mindestens einer Kolonne zum Gaswaschen mit dem Absorptionsmittel versehen ist, der untere Teil der Gaswaschkolonne ist innerhalb des Absorptionsmittelbehälters angeordnet, der Endbereich der Gaswaschkolonne ist senkrecht nach oben gebogen und unter den Luftverteiler geführt, die Flüssigkeitsstrahl-Injektionspumpe ist mit der Kolonne verbunden und sich die Verbindungsstelle außerhalb und oberhalb des Gehäuses des Absorptionsmittelbehälters befindet, die Absorptionsmittel-Regenerierungseinrichtung im Absorptionsmittelbehälter angeordnet und vom Luftverteiler und zwei Trennwänden gebildet ist, von denen die eine mit dem Oberteil des Gehäuses des Absorptionsmittelbehälters starr verbunden und die andere mit einem Spalt in Bezug auf den Oberteil des Gehäuses des Absorptionsmittelbehälters ausgebildet ist. Ebenso sind, in der mindestens einen Waschkolonne in deren Höhe in einem Winkel von 90° zueinander in Reihen 4N (mit N = 1, 2, 3 ...) Sprühdosen für das Absorptionsmittel angeordnet, wobei die in der gleichen Höhe in einem Winkel von 180° (entgegengesetzt) zueinander befindlichen Sprühdosen über Leitungen paarweise verbunden sind und die Leitung jedes Paares mit einem gesonderten mit einer Steuereinrichtung verbundenen Ventil versehen ist. Ferner sind die Ableitungen der Waschkolonnen mit Sensoren zur Messung der Schwefelwasserstoff-Konzentration versehen, die über die Steuereinrichtung mit den Ventilen der Leitungen der Sprühdosen und mit der Zirkulationspumpe für das Absorptionsmittel verbunden sind. Darüber hinaus ist der Absorptionsmittelbehälter mit einem Sensor zur Messung des Redoxpotentials versehen, wobei der Sensor über die Steuereinrichtung mit dem Luftverdichter verbunden ist.
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Es zeigen:
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1 eine prinzipielle Darstellung einer Anlage zur Reinigung eines Gases von Schwefelwasserstoff mit zwei Flüssigkeitsstrahl-Injektionspumpen und zwei Kolonnen zum Gaswaschen mit dem Absorptionsmittel,
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2 einen Querschnitt durch die Kolonne zum Gaswaschen mit dem Absorptionsmittel im Bereich der Anordnung von Sprühdüsen,
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3 zur Veranschaulichung einen Schnitt eines Absorptionsmittelbehälters.
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In 1 besitzt die Anlage einen Absorptionsmittelbehälter 1, der durch ein hermetisches Gehäuse mit einem Auslaufstutzen 2 für die Abluft begrenzt ist und eine von einem Luftverteiler 3' und zwei Trennwänden 4, 5 gebildete Einrichtung 3 zur Regenerierung des Absorptionsmittels umfasst, eine Einrichtung zum Gaswaschen mit dem Absorptionsmittel, umfassend zwei Flüssigkeitsstrahl-Injektionspumpen 6, zwei mit Sprühdüsen 8 versehene Kolonnen 7 zum Gaswaschen des Gases mit dem Absorptionsmittel, Zirkulationspumpen 9, 10 für das Absorptionsmittel, einen Luftverdichter 11, eine Schwefelausscheidungseinrichtung 12, Zu- und Ableitungen 13 für Gas und Absorptionsmittel, insbesondere einen Auslaufstutzen 13' für das Absorptionsmittel, und eine Steuereinrichtung 14. Es sind auch Sensoren 15, 16 zur Messung der Konzentration des Schwefelwasserstoffs im Gas, ein Sensor 17 zur Messung des Redoxpotentials des Absorptionsmittels sowie Tropfenprallkörper 18 vorgesehen. Zur Vergrößerung des Weges des Absorptionsmittelstromes und daher zum besseren Absetzen und Abscheiden von Schwefel kann eine Aufnahmerinne 19 angeordnet sein. Es sind auch Regelventile 20, 21 vorgesehen (2).
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Die Anlage funktioniert folgenderweise. Das Absorptionsmittel wird aus dem Behälter 1 (1) über den Auslaufstutzen 13' durch die Pumpen 9, 10 unter Druck den Flüssigkeitsstrahl-Injektionspumpen 6 bzw. den Sprühdüsen 8 zugeführt. Das mit Schwefelwasserstoff beladene Gas wird durch die Flüssigkeitsstrahl-Injektionspumpen 6 mitgenommen und den Gaswaschkolonnen 7 zugeführt. Die Flüssigkeitsstrahl-Injektionspumpen sind mit den Kolonnen verbunden, wobei sich die Verbindungsstelle außerhalb und oberhalb des Gehäuses des Absorptionsmittelbehälters befindet. Die Anzahl der Gaswaschkolonnen und der Injektionspumpen hängt vom erforderlichen Grad der Reinigung des Gases von Schwefelwasserstoff ab. Der Hauptanteil des Schwefelwasserstoffs wird durch das Absorptionsmittel beim Kontakt der Gas- und Flüssigphase in den Injektionspumpen 6 absorbiert. Die Absorption des Schwefelwasserstoffs durch das Absorptionsmittel geht mit der Bildung von elementarem Schwefel in Form einer Suspension im Absorptionsmittel einher. Die Nachreinigung des Gases erfolgt in den Gaswaschkolonnen 7 bei dessen Kontakt mit durch die Sprühdüsen 8 feinzerkleinerten Absorptionsmitteltröpfchen. Zum Auffangen der durch den Gasstrom mitgetragenen Absorptionsmitteltröpfchen sind unter dem Auslaufstutzen für das gereinigte Gas der Waschkolonnen 7 die Tropfenprallkörper 18 angeordnet. Nach dem Kontakt mit dem verunreinigten Gas gelangt das verbrauchte Absorptionsmittel in den unteren Teil der Waschkolonnen 7.
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Am Auslauf des Gases aus den Waschkolonnen 7 sind Sensoren 15, 16 zur Messung der Schwefelwasserstoff-Konzentration angeordnet. Aus der Anzeige der Sensoren erzeugt die Steuereinrichtung 14 Signale zur Steuerung der Antriebe der Pumpen 9, 10. Bei einer niedrigen Schwefelwasserstoff-Konzentration wird zunächst die Pumpe 10 abgeschaltet und anschließend die Belastung der Pumpe 9 verringert. Aber vor der Betätigung der Steuerung der Pumpen erzeugt die Steuereinrichtung 14 Signale zur Steuerung der Ventile 20, 21 (2), welche für die Zuführung des Absorptionsmittels den Sprühdüsen 8 sorgen. Die Sprühdüsen 8 sind in der Höhe der Kolonne in Reihen in einem Winkel von 90° zueinander mit einer Anzahl von 4N (mit N = 1, 2, 3 ...) angeordnet. Die in der gleichen Höhe gegenüberliegend in einem Winkel von 180° zueinander (entgegengesetzt) angeordneten Sprühdüsen a–c und b–d sind über Leitungen paarweise verbunden und an das Ventil 21 bzw. 20 angeschlossen.
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Das verbrauchte Absorptionsmittel gelangt aus den senkrecht nach oben gebogenen und unter den Luftverteiler geführten Endbereichen der Gaswaschkolonnen 7 (1) in die Absorptionsmittel-Regenerierungseinrichtung. Das erlaubt es, die Regenerierung des Absorptionsmittels qualitativ durchzuführen. Die Regenerierungseinrichtung ist vom Luftverteiler und von zwei Trennwänden 4, 5 gebildet und befindet sich im Absorptionsmittelbehälter. Die Regenerierung des Absorptionsmittels erfolgt durch Zuführen der Luft vom Verdichter 11 unter die Absorptionsmittelschicht über den Luftverteiler 3'. Dabei geht das zur Zusammensetzung des Komplexes gehörende Metall im Absorptionsmittel wegen der Oxidation mit Luftsauerstoff in einen höheren Oxidationsgrad über, insbesondere geht Eisen aus der zweiwertigen Form in die dreiwertige Form über. Die eine Trennwand ist mit dem Oberteil des Behältergehäuses starr verbunden und die andere ist mit einem Spalt in Bezug auf den Oberteil des Behältergehäuses ausgebildet, der zur gerichteten Zirkulation des Absorptionsmittels ausreicht. Dabei gelangt zum Auslaufstutzen 13' durch Organisierung des Stromes durch die Konstruktion der Trennwände 4, 5 das regenerierte und von der Schwefelsuspension ausreichend getrennte Absorptionsmittel.
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Die Abluft strömt aus dem oberen Bereich des Behälters 1 über den Stutzen 2 in die Atmosphäre aus. Bei niedrigen Konzentrationen des Schwefelwasserstoffs im Gas kann eine regelbare Verringerung der Zuführung der Luft zur Regenerierung erfolgen. Dazu erzeugt die Steuereinrichtung 14 Signale zur Steuerung der Arbeit des Verdichters 11 (in 1 nicht dargestellt) aus der Anzeige des Sensors 17 zur Messung des Redoxpotentials des Absorptionsmittels, welcher im Bereich des regenerierten Absorptionsmittels (im Absorptionsmittelbehälter) angeordnet ist.
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Die sich unten im Behälter 1 ansammelnde verdickte Schwefelsuspension wird auf die Schwefelausscheidungseinrichtung 12 periodisch abgeworfen, wonach Schwefel entsorgt wird.
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Der Unterteil der Gaswaschkolonne ist innerhalb des Absorptionsmittelbehälters angeordnet. Aufgrund dessen ist das Gas in den Waschkolonnen 7 von unten durch die Absorptionsmittelschicht abgeschlossen und kann in den Bereich der Regenerierung des Absorptionsmittels nicht gelangen sowie sich dort mit der Luft nicht vermischen. Auf ähnliche Weise kann die Luft in den Bereich der Absorption des Schwefelwasserstoffs nicht gelangen und sich dort mit dem Brenngas nicht vermischen. Daher sind der Absorptions- und der Regenerierungsbereich gasphasenmäßig voneinander isoliert.
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Die vorgeschlagene Anlage ermöglicht eine wirkungsvolle Reinigung eines unter einem dem Atmosphärendruck nahen Druck stehenden Gases, was in erster Linie für die Reinigung von Gasen aus einer Ausrüstung nach Art von Behältern aktuell ist, in denen der Grenzüberdruck durch einen Wert von etwa 2000 Pa begrenzt ist. Die Konstruktion der Anlage ermöglicht die Erhöhung der Effektivität der Reinigung des Gases von Schwefelwasserstoff. Die Organisierung des Absorptionsmittelstromes erlaubt es, unerwünschte Stauzonen im Apparat zu vermeiden. Die Gesamtanordnung der Gaswasch- und der Absorptionsmittelregenerierungseinrichtung in einem Aggregat erlaubt es, die Abmessungen der Anlage zu verringern und den Materialaufwand sowie Herstellungs- und Montagekosten herabzusetzen. Die Kontrolle der Konzentration des Schwefelwasserstoffs im gereinigten Gas und die automatische Regelung des Absorptionsmittelverbrauchs bei der veränderlichen Konzentration des Schwefelwasserstoffs in dem zu reinigenden Gas sowie die Regelung des Luftverbrauchs gemäß der Änderung des Redoxpotentials des Absorptionsmittels erlauben es, die Qualität und die Lebensdauer der Arbeit der Anlage durch Optimieren der Arbeit der Pumpen- und Verdichterausrüstung und durch Herabsetzen der Aufwendungen für die elektrische Energie und für die Wartung der Anlage zu erhöhen.
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In einer gemäß dem vorgeschlagenen Aufbau unter Verwendung einer Flüssigkeitsstrahl-Injektionspumpe und einer Gaswaschkolonne hergestellten Pilotanlage wurde die Reinigung des Kohlenwasserstoffgases von Schwefelwasserstoff unter Verwendung einer wässrigen Eisenchelat-Lösung als Absorptionsmittel durchgeführt. Die Eisenkonzentration im Absorptionsmittel in der Zusammensetzung des Chelatkomplexes mit der Äthylendiamintetraessigsäure entsprach 5 g pro 1 dm3 der Lösung. Der Verbrauch des Absorptionsmittels und des der Reinigung zuführbaren Gases betrug 0,3 m3/h bzw. 1,5 m3/h. Beim Ausgangsvolumenanteil des Schwefelwasserstoffs im Kohlenwasserstoffgas von 0,29% (bzw. 4100 mg/m3) wurde die Reinigung des Gases bis zur Schwefelwasserstoff-Konzentration von 16 mg/m3 durchgeführt, was dem Reinigungsgrad von 99,6% entspricht. Der durch die Injektionspumpe realisierbare Anstieg des Gasdrucks betrug 450 Pa bei einem Druck des zu reinigenden Gases am Einlauf der Anlage auf dem Niveau des Atmosphärendrucks. Die in der Pilotanlage erzielten Ergebnisse bestätigen die hohe Effektivität der Reinigung eines Gases von Schwefelwasserstoff. Dabei ist ein erhöhter Druck des zu reinigenden Gases nicht notwendig.
