DE102010006649A1

DE102010006649A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung und Aufbereitung von methanhaltigen Gasgemischen

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Publication number: DE102010006649A1
Application number: DE102010006649A
Authority: DE
Original assignee: Messer Group GmbH; Messer Iberica de Gases SA
Current assignee: Messer Group GmbH; Messer Iberica de Gases SA
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2011-08-04

Abstract

In bekannten Biogasanlagen wird mittels anaerober Fermentation ein Biogas hergestellt, das reich an Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) ist. Dieses Gasgemisch wird anschließend in einer Membran- oder PSA-Anlage in CO2- und CH4-Fraktionen aufgespalten, die anschließend einer wirtschaftlichen Verwertung zugeführt werden können. Die starke Verunreinigung üblichen Biogases führt jedoch zu einem raschen Verschleiß der Trenneinrichtungen, die häufige Wartungspausen notwendig machen. Um den Aufwand bei der Erzeugung von Methan aus einem methanreichen Gasgemisch wie Biogas, Deponiegas, Klärgas, Grubengas, etc. zu reduzieren wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, das Gasgemisch mit Hilfe einer Stufe zur dynamischen Gastrennung die Bestandteile des Gases in Abhängigkeit von ihren unterschiedlichen Teilchenmassen zu trennen. Als Stufe zur dynamischen Gastrennung kommt insbesondere eine Gaszentrifuge zum Einsatz. Ein solches Trennverfahren ist sehr einfach im Aufbau und reduziert als zusätzliche Trennstufe den Aufwand bei einer nachfolgenden Gastrennung in einer Membran- oder PSA-Anlage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von methanhaltigen Gasgemischen, bei dem ein Methan, Kohlendioxid und gegebenenfalls weitere Bestandteile enthaltendes Gasgemisch erzeugt und das Gasgemisch einer Gastrennung zur möglichst reinen Darstellung des Methans und/oder des Kohlendioxids unterzogen wird. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung.
Als methanhaltige Gasgemische werden im Folgenden Gasgemische verstanden, die als eine wesentliche Komponente, d. h. eine Komponente mit einem Volumenanteil von wenigstens 25 Vol.-%, bevorzugt von mehr als 50 Vol.-% Methan enthalten. Insbesondere umfasst dieser Begriff methanhaltige Gasgemische aus natürlichen oder künstlichen Quellen, insbesondere Biogas, Stadtgas, Klärgas oder Deponiegas. Derartige Gasgemische enthalten üblicherweise aufgrund mikrobiologischer Abbauprozesse die Hauptbestandteile Methan und Kohlendioxid. Weitere Bestandteile, wie beispielsweise Wasserdampf oder Schwefelwasserstoff können im Rahmen von an sich bekannten Verfahren zur Aufbereitung des methanhaitigen Gasgemisches zumindest weitgehend abgetrennt werden; im Rahmen der Erfindung umfasst der Begriff des methanhaitigen Gasgemisches jedoch sowohl aufbereitete wie auch nicht aufbereitete Gasgemische.
Bekannt sind Biogasanlagen, bei denen Biogas in sogenannten Fermentern aus Biomasse gewonnen wird. Als hierzu eingesetzte Biomasse kommt insbesondere Gülle, Pflanzensilage, Grünschnitt, Speisereste und sonstige biologisch abbaubare Abfälle in Betracht. Die Biomasse wird in den Fermentern durch Mikroorganismen anaerob abgebaut. Durch den anaeroben Vergärungsprozess entsteht ein Biogas, das in der Regel aus 45 Vol.-% bis 70 Vol.-% Methan besteht, mit einem Rest bestehend aus im wesentlichen Kohlendioxid sowie geringen Mengen weiterer Stoffe, wie beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff, Schwefelwasserstoff, Ammoniak und/oder C₂-O₅-Kohlenwasserstoffverbindungen.
Zur energetischen Nutzung der methanhaltigen Gasgemische ist es bekannt, das Gasgemisch in Blockheizkraftwerken zu verbrennen und zur Nutzung von Wärmeenergie oder zur Erzeugung von Elektrizität zu verwenden. Auf diese Weise kann auch die für die Bereitstellung oder Aufbereitung des Gasgemisches benötigte Elektrizität selbst erzeugt werden. Die nicht brennbaren Bestandteile des Gasgemisches werden als Abluft in die Atmosphäre abgegeben. Der hohe Anteil an nicht brennbaren Stoffen in vielen natürlichen oder künstlich hergestellten methanhaltigen Gasgemischen führt jedoch dazu, dass ein großer Teil der im Blockheizkraftwerk erzeugten Wärmeenergie ungenutzt mit der Abluft verloren geht und der Wirkungsgrad der Energieumwandlung nicht sehr hoch ist. Übliche Wirkungsgrade von Biogasanlagen mit 500 kW liegen beispielsweise bei ca. 38%.
Um die Wirtschaftlichkeit bei der Verwertung von methanreichen Gasgemischen zu verbessern wurde bereits vorgeschlagen, den im Gasgemisch enthaltenen Wertstoff Methan von den übrigen Bestandteilen abzutrennen und anschließend in das Erdgasnetz einzuspeisen oder direkt zu verwerten. So ist aus der DE 199 47 339 A1 ein Verfahren zur Erzeugung und Aufbereitung von Biogas bekannt, bei dem ein in fermentativem anaerobem Abbau mittels Mikroorganismen erzeugtes Biogas zu einem erdgasähnlichen Biomethan sowie zu Kohlendioxid aufbereitet wird. Hierzu wird das Biogas einer Gastrenneinrichtung zugeführt, in der das Biogas zunächst entschwefelt wird und das verbleibende, überwiegend aus Methan und Kohlendioxid bestehende Gasgemisch anschließend eine oder mehrere Trennstufen durchläuft, in denen Methan und Kohlendioxid voneinander getrennt werden. Zur Gastrennung kommen dabei Membrananlagen oder Druckwechseladsorptionsanlagen (PSA-Anlagen) zum Einsatz. Das dabei entstehende Kohlendioxid hat eine Reinheit von über 95%, mit einem Methangehalt von maximal 1 Vol.-%, und kann in dieser hohen Reinheit einer anderweitigen wirtschaftlichen Verwertung oder einer Sequestrierung zugeführt werden. Das zugleich entstehende Biomethan weist eine Reinheit von gleichfalls ca. 95% auf. Die bei der Abtrennung des Kohlendioxids entstehende methanreiche Fraktion kann als hochwertiges Heizgas in Blockheizkraftwerken zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder Wärmeenergie eingesetzt oder in ein Erdgasnetz eingespeist werden. Problematisch bei diesem Gegenstand ist jedoch, dass die zur Gastrennung eingesetzten Membrananlagen mit hohen Wartungskosten verbunden sind, da sich Beimischungen im Biogas, wie Schmutzreste oder Schwefelwasserstoff, in den Membranen festsetzen und auf Dauer deren Funktionsfähigkeit beeinträchtigen. PSA-Anlagen sind wiederum mit hohen Betriebskosten verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Wertstoff Methan aus einem methanhaltigen Gasgemisch mit möglichst geringem Aufwand in hoher Qualität und Reinheit bereitzustellen und ihn damit für höherwertige Anwendungen, wie beispielsweise als Treibstoff für den Betrieb von Kraftfahrzeugen, oder zur Einleitung in ein Gasversorgungsnetz zugänglich zu machen.
Gelöst ist diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung dadurch, dass die Gastrennung eine Stufe zur dynamischen Gastrennung umfasst, in der in Abhängigkeit von den differierenden Teilchenmassen der Gaskomponenten eine Auftrennung in eine methanreiche Reingasphase und eine methanarme Schwachgasphase erfolgt.
Als „dynamische Gastrennung” wird im Rahmen der Erfindung jede Methode verstanden, bei der unter der Wirkung einer äußeren mechanischen Kraft eine Trennung der Bestandteile eines Gasgemisches nach Fraktionen unterschiedlicher Teilchenmassen erfolgt, wobei der Begriff „Teilchenmasse” hier insbesondere Atom-Molekular- oder Partikelmasse der jeweiligen Fraktion umfassen soll.
Bei einer bevorzugten Methode zur dynamischen Gastrennung wird das Gasgemisch in eine Rotationsbewegung versetzt, wobei die Komponenten des Gasgemisches unter der Wirkung der Zentripetalkraft in Fraktionen unterschiedlicher Teilchenmasse getrennt werden. Eine solche Technik ist beispielsweise in Gaszentrifugen oder Wirbelrohren verwirklicht. Aufgrund der hohen Unterschiede in den Molekularmassen der Bestandteile des Biogases – so beträgt etwa das Massenverhältnis der Molekularmassen beiden Hauptkomponenten Methan und Kohlendioxid M(CH₄):M(CO₂) = 1:2,74 – ist eine effektive Gastrennung von Biogas, insbesondere beim Einsatz von Gaszentrifugen, leicht zu bewerkstelligen und führt zu sehr reinen Methan- bzw. Kohledioxidfraktionen. Gaszentrifugen oder Wirbelrohre sind zudem Konstruktionen, die – im Vergleich zu der zuvor genannten Membran- oder Druckwechseladsorptionstechnologie – einfach im Aufbau und sehr wartungsarm im Betrieb sind und somit nur geringe Kosten bei Invest und Betrieb verursachen.
Vorteilhaft findet bei der dynamischen Gastrennung zugleich auch eine Abtrennung von Verunreinigungen, wie Schmutzpartikel und/oder Gasen mit höherem Molekulargewicht als Methan, wie beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff oder H₂S statt. Eine gesonderte Trenneinrichtung zur Ausfilterung dieser Bestandteile erübrigt sich somit oder kann geringer dimensioniert werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht eine zweistufige Gastrennung mit unterschiedlichen Methoden vor. Dabei wird das Gasgemisch zunächst einer Stufe zur dynamischen Gastrennung und anschließend einer Stufe zur pneumatischen Gastrennung zugeführt. Unter „pneumatischer Gastrennung” wird im Rahmen der Erfindung eine Methode verstanden, bei der eine Gastrennung mittels Membrantechnologie oder mittels Druckadsorption, insbesondere Druckwechseladsorption (PSA) oder Vakuum-Druckwechseladsorption (VPSA), erfolgt. In dieser Ausgestaltung der Erfindung werden also beide Trennverfahren kombiniert, wobei bevorzugt die wartungsarme und robuste Technologie der dynamischen Gastrennung als erste Trennstufe zum Einsatz kommt, während die pneumatische Gastrennung die zweite Trennstufe übernimmt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass Schmutzpartikel oder schwerere Gaskomponenten, wie H₂S, die die Lebensdauer oder den Wirkungsgrad der Membranen oder Adsorber beeinträchtigen könnten, bereits in der ersten, dynamischen, Stufe eliminiert werden und nicht mehr in die zweite Stufe gelangen. Eine zweite, pneumatische Trennstufe kann jeweils für beide in der ersten Trennstufe entstehende Rohgaskomponenten vorgesehen sein, also sowohl für das Rohmethan als auch für das Rohkohlendioxid. Dass bei der dynamischen Gastrennung entstehende Rohgas weist einen so hohen Methan- bzw. Kohlendioxidgehalt auf, dass in der nachfolgenden pneumatischen Gastrennung auf eine mehrstufige Ausführung verzichtet werden kann, wenngleich nicht muss. Mit der Kombination beider Gastrenntechnologien lassen sich Reinheitsstufen des dargestellten Methangases von 99,5% und mehr erzielen. Mit einer solchen Reinheit kann das Gas anschließend in Spezialgaseanwendungen, wie beispielsweise in Zusammenhang mit PVD oder CVD – Beschichtungsverfahren eingesetzt werden.
In einer abermals vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Stufe zur dynamischen Gastrennung und/oder die Stufe zur pneumatischen Gastrennung mehrere nacheinander geschaltete Teilstufen. In jeder Teilstufe wird eine Reingasfraktion mit einem höheren Anteil von Methan gewonnen, die wiederum als Rohgas für die folgende Teilstufe eingesetzt wird. Auf diese Weise werden besonders hohe Reinheitsstufen erreicht.
Zweckmäßigerweise erfolgt vor und/oder während der Stufe zur dynamischen Gastrennung eine Abtrennung von Verunreinigungen, wie Schmutzpartikel und/oder Gasen mit höherem Molekulargewicht als Methan. Zur Abtrennung der Verunreinigungen kommen beispielsweise mechanische Filter, Entschwefelungs- oder Trockungsanlagen zum Einsatz. Weiterhin kann auch eine Stufe der dynamischen Gastrennung dazu eingesetzt werden, Gaskomponenten, deren Molekularmasse von Methan bzw. Kohlendioxid abweicht, abzutrennen und auf diese Weise die Reinheit des dargestellten Methans bzw. Kohlendioxids zu vergrößern.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das bei der Gastrennung erhaltene, methanarme Schwachgas in einer Brennkammer mit einem Oxidationsmittel unter Erzeugung von Energie verbrannt und die dabei erzeugte Energie zumindest teilweise zum Antrieb der Stufe zur dynamischen Gastrennung eingesetzt wird. Das Schwachgas, das beispielsweise einen Methananteil von 10 Vol.-% bis 30 Vol.-% aufweist, wird dazu einer Brennkammer zugeführt und dort, gegebenenfalls unter Beimischung eines Brennstoffes mit höherem Brennwert, wie beispielsweise einem Teil des Rohgases, verbrannt, wobei als Oxidationsmittel Luft, Sauerstoff oder ein Gasgemisch, dessen Sauerstoffgehalt größer als der von Luft ist zum Einsatz kommen kann. Die bei der Verbrennung erzeugte Energie wird in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt und zum Betrieb der dynamischen Gastrennung eingesetzt, beispielsweise zur Drehung des Rotors einer Gaszentrifuge oder zur Kompression eines einem Wirbelrohr zuzuführenden Gasstroms.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung zur Aufbereitung von methanhaltigen Gasgemischen mit einer Einrichtung zur Auftrennung des Gasgemisches in eine methanreiche Reingasphase und eine methanarme Schwachgasphase gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Einrichtung Auftrennung des Gasgemisches eine Einrichtung zur dynamischen Gastrennung umfasst, in der eine Auftrennung von Komponenten des Gasgemisches aufgrund ihrer differierenden Teilchenmassen erfolgt.
Die Gastrennung erfolgt also ganz oder teilweise in einer Einrichtung zur dynamischen Gastrennung entsprechend der obigen Definition, also insbesondere in einer Gaszentrifuge und/oder einem Wirbelrohr. Diese Konstruktionen sind einfach und preisgünstig im Aufbau und weisen einen nur geringen Wartungsaufwand auf. Insbesondere Gaszentrifugen haben sich vielfach bewährt. So werden sie beispielsweise zur Herstellung eines sauerstoffangereicherten Gases aus Luft eingesetzt, wobei die verhältnismäßig geringen Masseunterschiede der Moleküle von Stickstoff und Sauerstoff (M(O₂):M(N₂) = 1,14:1) bereits eine effiziente Auftrennung in Fraktionen ermöglichen. Die im Vergleich dazu deutlich höheren Masseunterschiede der Gaskomponenten im Biogas (M(CO₂):M(CH₄) = 2,74:1) oder anderen methanhaltigen Gasgemischen führen in einer Gaszentrifuge bereits bei mittleren Drehzahlen zu einer besonders effektiven und schnellen Entmischung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung zur Gastrennung zweistufig ausgebildet, wobei eine erste Stufe eine Einrichtung zur dynamischen Gastrennung und eine zweite Stufe eine Einrichtung zur pneumatischen Gastrennung umfasst. In der ersten Stufe wird das im Biogasgemisch enthaltene Methangas aufkonzentriert und schwere Gaskomponenten, wie H₂S, O₂, N₂ oder C₂-O₅-Kohlenwasserstoffe fast vollständig entfernt. Das entstehende Rohgas besteht fast vollständig aus Methan und Kohlendioxid, wobei der Methananteil bereits zwischen 70 und 90% oder sogar mehr betragen kann. Das Rohgas wird anschließend der zweiten, pneumatischen Trennstufe zugeführt. Der hohe Methananteil im Rohgas steigert die Effizienz der pneumatischen Gastrennung und führt zu Reinheiten von 99,5% und mehr im nach der pneumatischen Gastrennung erhaltenen Reingas. Bevorzugt handelt es sich bei der pneumatischen Gastrennung um eine Membrananlage oder einer Druckwechseladsorptionsanlage, die ihrerseits einstufig oder auch mehrstufig ausgebildet sein kann.
Zweckmäßigerweise umfasst die Einrichtung zur dynamischen Gastrennung und/oder die Einrichtung zur pneumatischen Gastrennung mehrere in Reihe geschaltete Trenneinrichtungen, also beispielsweise mehrere in Reihe geschaltete Gaszentrifugen und/oder Membrananlagen, wobei das aus einer Trennstufe gewonnene methanreiche Reingas als Rohgas für die jeweils folgende Trennstufe eingesetzt wird.
Eine abermals vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Einrichtung zur dynamischen Gastrennung und/oder der Einrichtung zur pneumatischen Gastrennung eine Energieerzeugungseinrichtung zugeordnet ist, welche die Einrichtung zur dynamischen Gastrennung und/oder die Einrichtung zur pneumatischen Gastrennung mit elektrischer oder mechanischer Energie versorgt, wobei die Energieerzeugungseinrichtung mit einer Brennkammer zur Verbrennung eines Brenngases mit einem Oxidationsmittel ausgerüstet ist, die mit einer Oxidationsmittelzuleitung und mit einer Ableitung für das in der Einrichtung zur dynamischen Gastrennung und/oder in der Einrichtung zur pneumatischen Gastrennung erzeugte Schwachgas strömungsverbunden ist. Bei dieser Ausgestaltung wird die mechanische oder elektrische Energie, die bei der Verbrennung des Schwachgases gewonnen wird, ganz oder teilweise zum Betrieb der Einrichtung(en) zur dynamischen und/oder pneumatischen Gastrennung eingesetzt.
Umfasst die Einrichtung zur dynamischen Gastrennung eine Gaszentrifuge mit einer Antriebswelle und enthält die Energieerzeugungseinrichtung einen Generator mit einem drehbar auf einer Welle gelagerten Rotor, ist die Welle des Rotors vorteilhafterweise mit der Antriebswelle der Gaszentrifuge zur Übertragung der Drehbewegung wirkverbunden. Die Übertragung der Drehbewegung erfolgt dabei über ein entsprechend geeignetes mechanisches Getriebe, beispielsweise über Zahnräder.
Anhand der Zeichnung sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. In schematischer Ansicht zeigen:
1: den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Erzeugung und Aufbereitung von Biogas in einem Ablaufdiagramm,
2: den Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung in einem Blockschaltbild.
Gemäß dem in 1 veranschaulichten Verfahren werden biogene Rohstoffe (Biomasse), wie beispielsweise nachwachsende Rohstoffe (NaWaRo), wie beispielsweise Naturfasern, Pflanzenöle, Getreide oder biogene Abfallprodukte wie Grünschnitt, Gülle, Speisereste, etc., gesammelt und nach einer Vorbehandlung 1, beispielsweise einer Silierung und/oder einer Kompaktierung, einer Fermentation 2 zugeführt, die in einem Biogasreaktor erfolgt. Der Aufbau eines typischen Biogasreaktors wird beispielsweise in der DE 199 47 339 A1 beschrieben. Bei der Fermentation 2 erfolgt ein anaerober Abbauprozess der biogenen Rohstoffe, bei dem als Produkt ein Gasgemisch entsteht, dessen Hauptbestandteile Methan und Kohlendioxid sind. Je nach eingesetzten biogenen Rohstoffen kann der Methananteil im Gasgemisch zwischen 45 Vol.-% und 70 Vol.-% betragen. Das im Verlauf der Fermentation 2 entstehende Gasgemisch wird einer ein- oder mehrstufigen Entschwefelung 3 zugeführt, in welcher dem Gasgemisch schwefelhaltige Bestandteile wie H₂S bis auf einen Restanteil von beispielsweise weniger als 500 ppm entzogen wird. Anschließend kann das Gasgemisch weiteren, hier nicht gezeigten Schritten zur Aufbereitung zugeführt werden, wie beispielsweise einer Trocknungsstufe.
Das entschwefelte Gasgemisch wird anschließend einer dynamischen Trennstufe 4 zugeführt, in der eine Auftrennung des Gasgemisches in Fraktionen unterschiedlicher Molekular- bzw. Partikelmasse erfolgt. Eine dynamische Gastrennung im Sinne der Erfindung erfolgt beispielsweise dadurch, dass das Gasgemisch in schnelle Rotation gebracht wird. Dabei werden schwerere Komponenten aufgrund ihrer höheren trägen Masse radial nach außen gedrängt, während leichtere Komponenten sich näher zur Drehachse hin anreichern. Auf diese Weise wird das Gasgemisch in Fraktionen eines methanreichen Reingases und eines kohlendioxidreichen Schwachgases getrennt. Das Schwachgas besteht beispielsweise aus ca. 70–90 Vol.-% Kohlendioxid und 10–30 Vol.-% Methan während das Reingas umgekehrt 70–90 Vol.-% Methan und 10–30 Vol.-% Kohlendioxid aufweist. Sofern das Gasgemisch weitere Verunreinigungen enthält, kann die dynamische Trennstufe auch dazu genutzt werden, eine weitere Fraktion aus Gaskomponenten mit höherem Molekulargewicht als Kohlendioxid, also beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff, längerkettige Kohlenwasserstoffe oder Schwefelwasserstoff, abzutrennen. Wird die dynamische Trennstufe 4 auch zur Abtrennung von schwefelhaltigen Komponenten eingesetzt, kann in diesem Fall die Entschwefelungsanlage 3 auch entfallen.
Das methanreiche Gas (Rohgas) wird anschließend einer pneumatischen Trennstufe 5 zugeführt. Bei der pneumatischen Trennstufe 5 handelt es sich beispielsweise um eine Membrananlage, in der eine Zerlegung des Rohgases in seine Komponenten im Wege der Permeation durch eine Membran aus beispielsweise Celluloseacetat, Polysulfonen, Silikonen oder Polycarbonaten oder durch ein Molekularsieb erfolgt. Alternativ oder ergänzend dazu kann die pneumatischen Trennstufe 5 auch eine PSA- oder VPSA-Anlage umfassen, bei dem die unterschiedliche Adsorption von CH₄ und CO₂ bei erhöhtem Druck an einem Kohlenstoffmolekularsieb ausgenutzt wird. Dadurch, dass der pneumatischen Trennstufe 5 das Reingas bereits mit einem hohen Methananteil von 70 bis 90 Vol.-% zugeführt wird, genügt in der Regel bereits eine einstufige Membran- oder Druckwechseladsorptionsanlage um einen Reinheitsgrad des erhaltenen Methangases von 99,5 Vol.-% oder mehr zu erhalten. Zugleich wird wiederum ein kohlendioxidreiches Schwachgas erzeugt.
Das in der pneumatischen Trennstufe 5 und/oder der dynamischen Trennstufe 4 abgetrennte Schwachgas, das einen Methananteil von 10–30 Vol.-% aufweist, kann mit einem Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff mit einer Reinheit von > 90 Vol.-% verbrannt und zur Erzeugung von mechanischer, elektrischer oder thermischer Energie genutzt werden, die wiederum ganz oder teilweise für den Betrieb der dynamischen Trennstufe 4 nutzbar gemacht werden kann. Das dabei entstehende hochreine Kohlendioxidgas eignet sich für verschiedene industrielle Prozesse, kann jedoch auch einer Sequestrierung 8 zugeführt und in einer Lagerstätte dauerhaft eingelagert werden.
Eine bevorzugte Verwendung des bei der Gastrennung erhaltenen Methangases liegt in der thermischen Verwertung zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder Wärme, beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk, das zudem zugleich den Energiebedarf der Biogasanlage decken kann. Das in der pneumatischen und dynamischen Gastrennung erhaltene Kohlendioxid, das ebenfalls einen hohen Reinheitsgrad besitzt, kann vortelihaft einer industriellen Verwertung oder einer Sequestrierung zugeführt wird.
In 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung 10 gezeigt. Die Einrichtung 10 umfasst einen Fermenter 11, der über eine Rohstoffzuführung 12 mit einem fermentationsfähigen Rohstoff, beispielsweise biogene Abfälle, beladen wird. Das bei der Fermentation entstehende methanhaltige Gasgemisch steigt in den Gasraum des Fermenters 11 auf. Über eine Oxidationsmittelzuleitung 13 wird ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder Sauerstoff dem Gasraum des Fermenters 11 zugeführt, um eine grobe Entschwefelung herbeizuführen: Das bei der Fermentation entstandene H₂S wird von Bakterien, die auf Oberflächen im Gasraum des Fermenters 11 wachsen, mit dem über die Oxidationsmittelzuleitung 13 zugegebenen Sauerstoff zu elementarem Schwefel und Wasser umgesetzt. Der Schwefel lagert sich ab und wird von Zeit zu Zeit abgeführt. Das sich bei der Fermentation bildende, überwiegend aus Methan und Kohlendioxid bestehende Rohgas wird über eine Rohgasleitung 14 abgeführt und durchläuft eine weitere Entschwefelungsanlage 16 zur Feinentschwefelung und gegebenenfalls weitere, hier nicht gezeigter Einrichtungen zur Aufbereitung des Gasgemisches. Anschließend wird das aufbereitete Gasgemisch einem Verfahren zur Gastrennung unterzogen, um aus dem Rohgas Methan und Kohlendioxid mit jeweils hoher Reinheit gewinnen zu können.
Hierzu wird das Rohgas in einem Verdichter 16 verdichtet und einer Gaszentrifuge 17 zugeführt, in der es in ein methanreiches Reingas und eine kohlendioxidreiche und methanarme Phase (Schwachgas) getrennt wird. In der Gaszentrifuge 17 wird das Rohgas mittels eines Rotors bei einer Drehzahl von bis zu 100000 Umdrehungen pro Minute in eine rotierende Bewegung versetzt. Gaszentrifugen sind einfach und stabil aufgebaute Konstruktionen; Beispiele für Gaszentrifugen werden in der DE 100 15 546 A1 , der DE 103 56 624 A1 oder der WO 2000 025 014 A1 beschrieben. Das Reingas wird über eine Reingasleitung 19 einer Einrichtung 20 zur pneumatischen Gastrennung, beispielsweise einer VPSA-, PSA oder Membrananlage zugeführt, in der wiederum ein methanarmes Schwachgas abgetrennt wird. Dabei wird Methangas hoher Reinheit erzeugt, das über eine Methangasleitung 21 einer weiteren Verwendung als Treibstoff oder Spezialgas zugeführt oder in ein Erdgasnetz eingespeist wird.
Das in der Gaszentrifuge 19 und/oder in der Einrichtung 20 zur pneumatischen Gastrennung entstehende Schwachgas wird über Schwachgasleitungen 23, 24 abgeleitet und einer Energieerzeugungseinrichtung 26, beispielsweise einem Blockheizkraftwerk zugeführt. Das Blockheizkraftwerk weist eine Brennkammer auf, in der das Schwachgas mit einem über eine Oxidationsmittelleitung 25 herangeführtes Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, verbrannt. Um die Verbrennung zu begünstigen, wird gegebenenfalls ein kleiner Teil des Rohgases, das einen höheren Brennwert aufweist als das Schwachgas, aus der Rohgasleitung 14 abgezweigt und über eine Leitung 22 ebenfalls der Brennkammer der Energieerzeugungseinrichtung zugeführt. Das entstehende, zumindest überwiegend aus Kohlendioxid bestehende Abgas wird über eine Abgasleitung 27 abgeführt und wird einer weiteren Verwertung zugeführt, sequestriert oder in die Atmosphäre abgegeben. Die bei der Verbrennung freiwerdende chemische Energie wird in üblicher Weise, beispielsweise über eine Turbine oder einen Kolben in mechanische Energie umgesetzt, um beispielsweise eine Welle 28 zu betreiben, die wiederum zum Antrieb eines Generators 29 und damit zur Erzeugung elektrischen Stroms eingesetzt wird. Der erzeugte Strom wird über eine Stromleitung 30 in das elektrische Netz eingespeist und/oder zum Betreib der Gaszentrifuge 17 oder der Einrichtung 20 zur pneumatischen Gastrennung eingesetzt. Es ist im Rahmen der Erfindung auch vorstellbar, wie in 2 gezeigt, die mechanische Energie der sich drehenden Welle 28 über ein Getriebe 32 direkt zum Antrieben einer Antriebswelle 33 der Gaszentrifuge einzusetzen, um Verluste bei der Energieumwandlung zu vermeiden.
Beispiel:
Im Fermenter 11 wird ein Rohgas erzeugt, das einen Anteil von ca. 55 Vol.-% Methan und ca. 45 Vol.-% Kohlendioxid, sowie ggf. Spuren von Verunreinigungen aufweist. In der Gaszentrifuge 17 wird das Rohgas aufgetrennt in ein Reingas bestehend aus ca. 80 Vol.-% Methan und 20 Vol.-% Kohlendioxid sowie ein Schwachgas bestehend aus ca. 20 Vol.-% Methan und 80 Vol.-% Kohlendioxid. Das Reingas wird in der anschließenden Trennstufe in der Einrichtung 20 weiter getrennt in ein fast reines Methangas mit einer Reinheit von ca. 99,5 Vol.-% sowie in ein Schwachgas, das wiederum aus ca. 20 Vol.-% Methan und ca. 80 Vol.-% Kohlendoxid besteht. Das Schwachgas wird in der Energieerzeugungseinrichtung 26 mit Sauerstoff unter Erzeugung von Strom und mechanischer Energie verbrannt.
Bezugszeichenliste

1: Vorbehandlung
2: Fermentation
3: Entschwefelung
4: dynamische Tennstufe
5: pneumatische Trennstufe
6
7: Verbrennung
8: Sequestrierung
9
10: Einrichtung
11: Fermenter
12: Rohstoffzuführung
13: Oxidationsmittelzuleitung
14: Rohgasleitung
15: Entschwefelungsanlage
16: Verdichter
17: Gaszentrifuge
18
19: Reingasleitung
20: Einrichtung zur pneumatischen Gastrennung
21: Methangasleitung
22: Leitung
23: Schwachgasleitung
24: Schwachgasleitung
25: Oxidationsmittelleitung
26: Energieerzeugungseinrichtung
27: Abgasleitung
28: Welle
29: Generator
30: Stromleitung
31
32: Getriebe
33: Antriebswelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19947339 A1 [0005, 0024]
DE 10015546 A1 [0030]
DE 10356624 A1 [0030]
WO 2000025014 A1 [0030]

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von methanhaltigen Gagemischen, bei dem ein Methan, Kohlendioxid und gegebenenfalls weitere Bestandteile enthaltendes Gasgemisch erzeugt und das Gasgemisch einer Gastrennung (4,5) zur möglichst reinen Darstellung des Methans und/oder des Kohlendioxids unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastrennung eine Stufe (4) zur dynamischen Gastrennung umfasst, in der in Abhängigkeit von den differierenden Teilchenmassen der Gaskomponenten eine Auftrennung in eine methanreiche Reingasphase und eine methanarme Schwachgasphase erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stufe (4) zur dynamischen Gastrennung eine Gaszentrifuge oder ein Wirbelrohr zum Einsatz kommt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufe zur dynamischen Gastrennung eine Stufe (5) zur pneumatischen Gastrennung mittels Druckadsorption oder Membrantechnik vor- oder nachgeschatet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe (4) zur dynamischen Gastrennung und/oder die Stufe (5) zur pneumatischen Gastrennung mehrere nacheinander geschaltete Teilstufen umfasst/umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder in der Stufe (4) zur dynamischen Gastrennung eine Abtrennung von Verunreinigungen, wie Schmutzpartikel und/oder Gasen mit höherem Molekulargewicht als Methan erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass das bei der Gastrennung erhaltene, methanarme Schwachgas in einer Energieerzeugungseinrichtung (26) mit einem Oxidationsmittel unter Erzeugung von Energie verbrannt und die dabei erzeugte Energie zumindest teilweise zum Antrieb der Stufe (4) zur dynamischen Gastrennung eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Aufbereitung von methanhaltigen Gasgemischen, mit einer Einrichtung (17, 20) zur Auftrennung des Gasgemisches in eine methanreiche Reingasphase und eine methanarme Schwachgasphase, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (17, 20) Auftrennung des Gasgemisches eine Einrichtung (17) zur dynamischen Gastrennung umfasst, in der eine Auftrennung von Komponenten des Gasgemisches aufgrund ihrer differierenden Teilchenmassen erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur dynamischen Gastrennung eine Gaszentrifuge (17) und/oder ein Wirbelrohr umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (17, 20) zur Gastrennung zweistufig ausgebildet ist, wobei eine erste Stufe eine Einrichtung (17) zur dynamischen Gastrennung und eine zweite Stufe eine Einrichtung (20) zur pneumatischen Gastrennung, etwa eine Druckwechseladsorptionsanlage oder eine Membrananlage, umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (17) zur dynamischen Gastrennung und/oder die Einrichtung (20) zur pneumatischen Gastrennung mehrere in Reihe geschaltete Trenneinrichtungen umfasst/umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung (17) zur dynamischen Gastrennung und/oder der Einrichtung (20) zur pneumatischen Gastrennung eine Energieerzeugungseinrichtung (26) zugeordnet ist, welche die Einrichtung (17) zur dynamischen Gastrennung und/oder die Einrichtung (20) zur pneumatischen Gastrennung mit elektrischer oder mechanischer Energie versorgt, wobei die Energieerzeugungseinrichtung mit einer Brennkammer zur Verbrennung eines Brenngases mit einem Oxidationsmittel ausgerüstet ist, die mit einer Oxidationsmittelzuleitung (25) und mit einer Ableitung (23, 24) für das in der Einrichtung (17) zur dynamischen Gastrennung und/oder in der Einrichtung (20) zur pneumatischen Gastrennung erzeugte Schwachgas strömungsverbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungseinrichtung (26) einen Generator (29) mit einem drehbar auf einer Welle (28) gelagerten Rotor umfasst und die Welle (28) mit einer Antriebswelle (33) der Gaszentrifuge (17) zur Übertragung der Drehbewegung wirkverbunden ist.