DE102013212537A1

DE102013212537A1 - Anlage und Verfahren für das Aufbereiten von Gasen

Info

Publication number: DE102013212537A1
Application number: DE102013212537.2A
Authority: DE
Inventors: Axel Widenhorn; Thilo Kissel; Roland Stoll; Daniel Barunovic
Original assignee: Duerr Systems AG
Current assignee: Duerr Systems AG
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2014-12-31
Also published as: CN205774371U; WO2014206949A1

Abstract

In einer Anlage (10) für das Aufbereiten von brennbaren Gasen gibt es eine Separiereinrichtung (24) für das Separieren der brennbaren Gase in wenigstens zwei Bestandteile, die eine unterschiedliche Brennqualität haben. Erfindungsgemäß enthält die Anlage (10) eine Turbinenstufe (14), die einen mit brennbarem Gas aus der Separiereinrichtung (24) gespeisten Brenner aufweist. In der Turbinenstufe (14) gibt es eine mit Heißgas aus dem Brenner beaufschlagbare Gasturbine. Mit der Gasturbine wird elektrische oder mechanische Energie erzeugt. Die erzeugte elektrische und/oder mechanische Energie wird der Separiereinrichtung (24) zugeführt, um die brennbaren Gase damit in wenigstens zwei gasförmige Bestandteile aufzutrennen, die eine unterschiedliche Brennqualität haben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage und Verfahren für das Aufbereiten von brennbaren Gasen mit einer Separiereinrichtung für das Separieren von brennbaren Gasen in wenigstens zwei gasförmige Bestandteile, die eine unterschiedliche Brennqualität haben.
Unter einem brennbaren Gas ist dabei hier nicht nur ein Gas oder Gasgemisch zu verstehen, das brennbar ist, d. h. das bei Vermischen mit einem Oxidationsmittel exotherm reagieren kann, sondern auch ein Gas oder Gasgemisch, das brennbare Bestandteile enthält, sodass in einer Redoxreaktion mit Sauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel Wärmeenergie freigesetzt wird.
Anlagen der eingangs genannten Art sind bekannt (z. B. DE 100 47 264 A1 ). Mit diesen Anlagen kann beispielsweise der Methangehalt von Rohgas, insbesondere Biorohgas, aus Mülldeponien, Vergärungs- oder Kläranlagen oder von mit Kohlenwasserstoffen beaufschlagtem Gas in Form von Grubengas, Deponiegas, Klärgas oder auch Faulgas, in dem es Methanbestandteile gibt, erhöht werden, damit dieses Gas als Brenngas für das Betreiben von Gasmotoren eingesetzt werden kann. In den Anlagen gibt es hierzu eine Separiereinrichtung mit einer semipermeablen Membran, der mit Druck beaufschlagtes Rohgas zugeführt wird. Die Membran ist für bestimmte, nichtbrennbare Bestandteile in dem zugeführten Rohgas, wie z. B. CO₂ durchlässig. Methan und Stickstoff werden dagegen von der semipermeablen Membran zurückgehalten. Die Separiereinrichtung mit der semipermeablen Membran trennt damit das Rohgas in Starkgas und Schwachgas. Der Betrieb einer solchen Separiereinrichtung ist allerdings sehr energieintensiv.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage für das Aufbereiten von brennbaren Gasen mit einer Separiereinrichtung für brennbare Gase bereitzustellen, die ohne oder mit lediglich geringer Zufuhr von elektrischer oder thermischer Energie von außen betrieben werden kann, und ein Verfahren zu schaffen, das ohne oder mit lediglich geringer Energiezufuhr von außen das Separieren von brennbaren Gasen in wenigstens zwei gasförmige Bestandteile mit einer unterschiedlichen Brennqualität ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Anlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Anlage enthält eine Turbinenstufe mit einem mit brennbarem Gas aus der Separiereinrichtung gespeisten Brenner und eine mit Heißgas aus dem Brenner beaufschlagbare Gasturbine, die elektrische oder mechanische Energie erzeugt, die der Separiereinrichtung zugeführt wird, um brennbares Gas in wenigstens zwei gasförmige Bestandteile aufzutrennen, die eine unterschiedliche Brennqualität haben.
Das Separieren von brennbaren Gasen in gasförmige Bestandteile mit einer unterschiedlichen Brennqualität ermöglicht es, die in brennbaren Gasen gespeicherte chemische Energie bei einem Verbrennungsprozess in Wärme umzusetzen.
Eine Idee der Erfindung ist es insbesondere, brennbare Gase mit einer Separiereinrichtung in Starkgas und Schwachgas aufzutrennen. Das Schwachgas wird dem Brenner in der Turbinenstufe für das Erzeugen von Heißgas zugeführt. In dem Brenner wird dieses Schwachgas dann zusammen mit einem Primärbrennstoff umgesetzt, wobei der Primärbrennstoff vorzugsweise eine Teilmenge des in der Separiereinrichtung gewonnenen Starkgases umfasst, besonders bevorzugt aus einer Teilmenge dieses Starkgases besteht.
Unter Starkgas wird dabei brennbares Gas oder Gasgemisch verstanden, dessen Heizwert H_o oberhalb von 4.2 kWh/m 3 / N liegt. Als Schwachgas wird vorliegend ein brennbares Gas oder Gasgemisch bezeichnet, dessen Heizwert H_u gegenüber dem Heizwert von Starkgas erheblich reduziert ist und für den gilt: H_u ≤ 2.4 kWh/m 3 / N .
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Energieerzeugung aus Biomasse insbesondere dann zu einer Verbesserung der CO₂-Bilanz beitragen kann, wenn unterschiedliche Prozessschritte, die für die Energieerzeugung erforderlich sind, derart kombiniert werden, dass Wärmeenergie, mechanische Energie oder chemische Energie, die in einem einzelnen Prozessschritt aus verfahrenstechnischen Gründen freigesetzt werden muss, in eine Energieform gewandelt wird, die einem anderen Prozessschritt zugeführt wird. Ein Grundgedanke der Erfindung ist es deshalb, Abwärme, die in unterschiedlichen Prozessschritten bei der Energieerzeugung aus Biomasse freigesetzt wird, in den Energieerzeugungsprozess zurückzuführen.
Eine Idee der Erfindung ist es auch, mit einer solchen Anlage aus Rohbiogas sogenanntes Bioerdgas zu gewinnen und die Energiemenge zu reduzieren, die für das Erzeugen von Bioerdgas aus organischer Biomasse eingesetzt werden muss.
Unter Bioerdgas wird dabei ein mit Methan angereichertes Gas verstanden, das aus sogenanntem Rohbiogas gewonnen ist und das Erdgasqualität aufweist, sodass es durch Transportleitungen für Erdgas geführt und als Austauschgas für Erdgas eingesetzt werden kann, indem es den vom Deutschen Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW) formulierten Anforderungen an die Gaszusammensetzung entspricht.
Rohbiogas kann insbesondere durch anaerobe Fermentation organischer Biomasse erzeugt werden. Unter organischer Biomasse werden z. B. Haushalts- und Industrieabfälle, pflanzliche und tierische Rückstände, organische Rückstände von Kläranlagen sowie nachwachsende Rohstoffe verstanden. Rohbiogas enthält zu einem großen Anteil Methan (CH₄) sowie Kohlendioxid (CO₂).
Um aus Biomasse Rohbiogas zu erzeugen, wird die Biomasse für die anaerobe Fermentation zunächst mittels Zerkleinern und/oder Sieden und/oder Sortieren und/oder mit Wasser Verdünnen für den Fermentationsprozess konditioniert und dann als Gärsubstrat einem Fermentationsbehälter zugeführt. In dem Fermentationsbehälter wird die Biomasse dann bei Temperaturen T mit vorzugsweise 30 °C ≤ T ≤ 40 °C unter Luftausschluss bakteriell zersetzt, wobei das Rohbiogas entsteht.

Das mittels Vergären erzeugte Rohbiogas hat üblicherweise die folgende Zusammensetzung:

Bestandteil:	Anteil:
CH₄	40–70 Vol.-%
CO₂	30–60 Vol.-%
N₂	0–7 Vol.-%
O₂	0–3 Vol.-%
H₂S	0–3.000 mg/Nm³
Mercaptane	0–100 mg/Nm³
BTX	0–500 vpm
Höhere Kohlenwasserstoffe	0–500 vpm
Halogenierte Kohlenwasserstoffe	0–500 vpm
Ammoniak	0–100 mg/Nm³
Wasser	gesättigt
Brennwert	4–8 kWh/Nm³

Der Brennwert H_R von mittels Vergären von Biomasse erzeugtem Rohbiogas liegt in der Regel in dem Bereich 4 kWh/Nm³ ≤ H_R ≤ 8 kWh/Nm³.
Rohbiogas kann grundsätzlich mit den Verfahren der Druckwasserwäsche, der Druckwechseladsorption und/oder der chemisch/physikalischen Wäsche für das Absorbieren von Kohlendioxid aufbereitet werden. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass hier entweder das klimaschädliche Gas Methan an die Umwelt freigesetzt wird und/oder dass große Mengen Energie von außen zugeführt werden müssen.
Eine Idee der Erfindung besteht auch darin, die in brennbaren Gasen, insbesondere in Biorohgas befindlichen Verunreinigungen thermisch umzusetzen und somit unschädlich zu machen und Methan vollständig zu Kohlendioxid und Wasser zu verbrennen, sodass nur geringe Spuren an Kohlenmonoxid und an Stickoxiden anfallen. Damit können die betreffenden Verbrennungs-Produkte über den Kesselabgasstrom an die Atmosphäre freigesetzt werden. Eine erfindungsgemäße Anlage kann deshalb arbeiten, ohne dass wesentliche Mengen von Methan und/oder Kohlenmonoxid und Stickoxide an die Umwelt gelangen.
Um das bei der Aufbereitung der brennbaren Gase anfallende Schwachgas zu verwerten, weist der Brenner in der Turbinenstufe erfindungsgemäß einen mit Starkgas gespeisten Pilotbrennraum auf, der mit einem mit Schwachgas beaufschlagten Hauptbrennraum kommuniziert.
Die Erfindung schlägt deshalb insbesondere vor, das Aufbereiten von Rohbiogas so durchzuführen, dass aufbereitetes Rohbiogas einen Methangehalt aufweist, der auf einen der Aufbereitungsstufe nachgeschalteten Verwertungsprozess abgestimmt ist. Das heißt, bei einem Separieren von Rohbiogas in Starkgas und Schwachgas wird in Kauf genommen, dass die Konzentration von Methan in dem Schwachgas gering ist, z. B. ≤ 20 Vol.-%. Mittels Kraft-/Wärmekopplung kann jedoch die in dem Schwachgas enthaltene chemische Energie erfindungsgemäß für das Bereitstellen von mechanischer Energie, von Strom und von Nutzwärme eingesetzt werden, um für das Bereitstellen von Energie, die bei der Erzeugung von Rohbiogas aus Biomasse oder dem Separieren von Rohbiogas in Starkgas und Schwachgas an sich von außen zugeführt werden muss.
Die Heizleistung des Brenners der Turbinenstufe kann durch das Einstellen eines Brennstoffdrucks des zugeführten Primärbrennstoffs und/oder Schwachgases vorteilhaft beeinflusst werden. Beispielsweise kann dem Brenner wenigstens ein Starkgasverdichter und/oder ein Schwachgasverdichter vorgeschaltet sein. Bei bestimmten Separiereinrichtungen, insbesondere bei Separiereinrichtungen mit einer semipermeablen Membran kann es alternativ oder ergänzend vorteilhaft sein, wenn dem Brenner ein Starkgas-Druckminderer und/oder Schwachgas-Druckminderer vorgeschaltet ist. Ein für den Betrieb der Brenners günstiger Brennstoffdruck liegt dabei vorzugsweise zwischen 4 bis 8 bar, insbesondere zwischen 5 bis 7 bar, besonders bevorzugt zwischen 5.5 bis 6.5 bar, idealerweise bei ca. 6 bar.
Von Vorteil ist es, wenn die Turbinenstufe auch einen mit der Gasturbine gekoppelten, Umgebungsluft ansaugenden Verdichter enthält, der die angesaugte Luft verdichtet. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die der Gasturbine zugeführte Umgebungsluft unter vorteilhafter Nutzung der Abwärme des Abgases mit einem mit Abgas aus der Gasturbine beaufschlagten Wärmetauscher in Form eines Rekuperators vorgeheizt wird.
Günstig ist es auch, wenn die Gasturbine einen Abgasstrom erzeugt, der für das Übertragen von Wärme durch eine mit einem Wärmeverbraucher thermisch gekoppelten Wärmetauscher geführt ist. Dieser Wärmeverbraucher kann z. B. ein Dampfkolben-Expansionsmotorsystem und/oder ein ORC-System und/oder ein EIFER-Dreiecksprozess-System und/oder eine Biomasse-Konditioniereinrichtung und/oder eine Sorptionskältemaschine sein.
Eine geeignete Sorptionskältemaschine ist z. B. in der EP 0 443 468 A2 beschrieben, auf die hiermit vollumfänglich Bezug genommen und deren Offenbarung in diese Anmeldung mit eingeschlossen wird. Geeignete Sorptionskältemaschinen können dabei grundsätzlich als sogenannte Adsorptionskältemaschinen oder als sogenannte Absorptionskältemaschinen aufgebaut sein.
Eine Absorptionskältemaschine hat einen Fluidkreislauf, in dem mittels einer Fluidpumpe durch einen Austreiber, einen Kondensator, einen Verdampfer und einen Absorber ein Arbeitsfluid bewegt wird. In dem Austreiber gibt es eine aus zwei Substanzen bestehende, in der Regel flüssige Lösung, die ein sogenanntes Arbeitspaar bildet, z. B. eine konzentrierte Lithiumbromid-Lösung, die Wasser absorbiert, oder Wasser, das Ammoniak absorbiert. Das absorbierte Fluid hat die Funktion eines Kältemittels, während das andere Fluid als Lösungsmittel für das Kältemittel wirkt. Wird dem Austreiber Wärme zugeführt, so verdampft ein Teil des Kältemittels wegen der geringeren Verdampfungstemperatur. Über einen Flüssigkeitsabscheider, der das Kältemittel von Lösungsresten befreit, gelangt es in den Kondensator. In dem Kondensator gibt das Kältemittel Wärme ab und wird dadurch wieder verflüssigt.
Das Kältemittel gelangt dann in den Verdampfer. Dort herrscht ein Unterdruck, aufgrund dessen das zugeführte Kältemittel verdampft. Das Kältemittel entzieht dabei einem Wärmeträger Wärme, wodurch eine Kühlwirkung entsteht. Nach der Trennung von dem Kältemittel wird das Lösungsmittel auf einen Absorberdruck entspannt, abgekühlt und dem Absorber zugeführt. Es ist dadurch in der Lage, den Kältemitteldampf im Absorber unter Abgabe von Absorptionswärme aufzunehmen. Eine Lösungsmittelpumpe fördert die mit dem Kältemittel angereicherte Lösung wieder in den Austreiber zurück. Der Kreislauf für das Lösungsmittel ist damit geschlossen. Der Lösungsmittelkreislauf in einer Adsorptionskältemaschine arbeitet so als eine Art thermischer Verdichter, der die technische Funktion des Verdichters in einer konventionellen Kompressionskältemaschine hat.
In einer Adsorptionskältemaschine wird demgegenüber ein Kältemittel von einem Desorber über einen Kondensator und einen Verdampfer in einen Adsorber geführt.
In dem Desorber ist das Kältemittel, z. B. Wasser, in einem Sorbat, z. B. Silicatgel aufgenommen und wird dort bei Wärmezufuhr gelöst. Es gelangt dann aus dem Desorber in den Kondensator. In dem Kondensator wird das Kältemittel durch thermischen Kontakt mit einem Wärmeträger abgekühlt und dabei verflüssigt. Über ein Verbindungsrohr wird das Kältemittel anschließend in den Verdampfer geleitet, wo es durch Aufnahme der Wärme eines Wärmeträgers verdampft. Es wird dann in den Adsorber bewegt und adsorbiert dort wieder in einem Sorbat. Wenn sich der Desorber von Kältemittel geleert und der Adsorber mit Kältemittel angefüllt hat, wird die Adsorptionskältemaschine umgeschaltet, um den ursprünglichen Absorber als Desorber und den ursprünglichen Desorber als Absorber zu betreiben usw..
Der Wärmeverbraucher kann auch in das elektrische Leitungsnetz eingespeiste elektrische Energie bereitstellen oder Restwärme zur Verfügung stellen, die dann einer Biomasse-Konditioniereinrichtung und/oder einer Einrichtung für das Erzeugen von Rohbiogas, etwa einem Fermenter zugeführt wird.
In der Separiereinrichtung werden der Separiereinrichtung zugeführte brennbare Gase in wenigstens zwei gasförmige Bestandteile aufgetrennt, die eine unterschiedliche Brennqualität haben. Die Separiereinrichtung enthält hierzu bevorzugt eine sogenannte Membrananlage, deren Prinzip z. B. in der DE 100 47 264 A1 beschrieben ist, auf die hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird und deren Beschreibungstext, Ansprüche und Figuren in die Offenbarung dieser Anmeldung vollumfänglich mit eingeschlossen werden.
Ein solches Auftrennen von brennbaren Gasen in wenigstens zwei gasförmige Bestandteile mit einer unterschiedlichen Brennqualität ist in einer entsprechenden Separiereinrichtung aber auch mittels Filtration, Kondensation, Absorption, Adsorption und/oder Chemiesorption möglich, aber auch mittels Verfahren wie die Druckwasserwäsche der Gase, die Druckwechseladsorption, auch PSA, d.h. „pressure swing adsorption“ genannt, oder auch die Wäsche der Gase mittels spezieller Absorptionsmittel für Kohlendioxid, wie z.B. Monoethanolamin.
Bei der sogenannten Druckwasserwäsche werden die in gasförmige Bestandteile mit einer unterschiedlichen Brennqualität aufzutrennenden Gase verdichtet in eine Waschkolonne in einem Gegenstrom zu Wasser eingebracht. Das Wasser absorbiert hier das in den aufzutrennenden Gasen enthaltende Kohlendioxid. Dabei wird ausgenützt, dass Kohlendioxid und Methan eine unterschiedliche Löslichkeit in Wasser haben. Kohlendioxid, das unter Drucksteht, löst sich in Wasser stärker als mit Druck beaufschlagtes Methan. Wird der Druck auf einer Wassersäule, in der Kohlendioxid gelöst ist, verringert, so wird Kohlendioxid freigesetzt. In der Waschkolonne wird deshalb das Kohlendioxid in den brennbaren Gasen bei Betriebsdrücken von 5 bis 15 bar und einer Absorptionstemperatur von etwa 20°C in Wasser absorbiert. Weil die Löslichkeit des Methans bei diesen Bedingungen geringer ist als diejenige von Kohlendioxid, wird der Methangehalt in den brennbaren Gasen auf diese Weise erhöht. Die brennbaren Gase mit erhöhter Methankonzentration können dann an einem Kopf einer Waschkolonne abgeführt werden. Das mit Kohlendioxid angereicherte Wasser wird dann in einer Kolonne, die der Waschkolonne nachgeschaltet ist, auf Atmosphärendruck entspannt. Das in dem Wasser gelöste Kohlendioxid wird hierdurch wieder freigesetzt. Das Gemisch aus Wasser und Kohlendioxid wird dann zu einem sogenannten Stripper geführt, in dem in das Wasser Luft eingeblasen wird, um damit ein Luft-Kohlendioxid-Gemisch zu erzeugen, das aus dem Wasser ausgetragen wird. Diese Maßnahme ermöglicht, dass das Wasser dann wieder der Waschkolonne zugeführt werden kann, um aus Gasen, die aufgetrennt werden sollen, wieder das Kohlendioxid aufzunehmen.
Für das Auftrennen von Gasen mit dem Verfahren der Druckwechseladsorption in gasförmige Bestandteile, die eine unterschiedliche Brennqualität haben, wird, wie es z.B. in der CH 692653 A5 beschrieben ist und auf die hierzu vollumfänglich Bezug genommen wird, bei hohem Druck das Kohlendioxid in brennbare Bestandteile enthaltenden Gasen und in sogenannten polaren Begleitgasen an einer Aktivkohle- oder Molekularsieboberfläche gebunden. Weil das Methangas an einer Aktivkohle- oder Molekularsieboberfläche deutlich schlechter adsorbiert wird als das Kohlendioxid und die Begleitgase, bewirkt diese Maßnahme eine Erhöhung der Methankonzentration in den brennbaren Gasen und den Begleitgasen. Nachdem die Aktivkohle- oder Molekularsieboberfläche mit Kohlendioxid und Begleitgasen beladen ist, wird der auf der entsprechenden Oberfläche lastende Druck dann abgesenkt, so dass die darin aufgenommenen Gase desorbieren, wodurch sich sogenanntes Schwachgas bildet. Das Verfahren der Druckwechseladsorption für das Auftreten von brennbaren Gasen arbeitet somit nicht kontinuierlich. Es lässt sich aber quasi – kontinuierlich durchführen, indem eine Vielzahl von parallel verschalteten Behälterkolonnen betrieben werden, in denen die Druckwechseladsorption stattfindet.
Eine Separiereinrichtung für das Auftrennen von Gasen, die eine unterschiedliche Brennqualität haben, kann allerdings auch, wie in der DE 44 19 766 A1 , der DE 103 46 471 A1 und in der DE 10 2005 010 865 A1 beschrieben, als ein photosynthetisches System ausgebildet sein, in dem unter Zufuhr von Lichtenergie Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff aus brennbaren Gasen in Biomasse aufgenommen und gespeichert werden. In einer solchen Separiereinrichtung kann es alternativ hierzu oder auch zusätzlich vorgesehen sein, Kohlendioxid mit einer das Enzym Carboanhydrase enthaltenden Lösung aus brennbare Bestandteile enthaltenden Gasen herauszuwaschen, wie dies etwa in der US 2003/0143719 A1 erläutert ist, auf die hierfür vollumfänglich Bezug genommen wird. Diese Maßnahme beschleunigt das Einstellen des Kohlensäuregleichgewichts, was bei der Absorption und Desabsorption von Kohlendioxid in Wasser Hystereseeffekte verringert.
Mit einer nach einem der vorstehenden Prinzipien arbeitenden Separiereinrichtung ist es insbesondere möglich, Rohbiogas in einen Starkgasbestandteil aufzutrennen, der eine hohe Methankonzentration von 95–99 Vol.-% hat, und in einen Schwachgasbestandteil, in dem die Methankonzentration vergleichsweise gering ist.
Die Anlage kann erfindungsgemäß auch eine Rohbiogas-Reinigungsstufe mit einem Kondensatabscheider enthalten, der mit der Turbinenstufe verbunden ist, um auf diese Weise die verdichtete Prozessluft für den Brenner mit Kondensat zu beaufschlagen. Von Vorteil ist es auch, wenn die Anlage einen mit der Einrichtung für das Separieren von brennbaren Gasen kommunizierenden Fermenter aufweist und (auch) eine Rohbiogas-Bypassleitung hat, durch die dem Brenner in der Turbinenstufe Rohbiogas aus dem Fermenter unter Umgehung der Einrichtung für das Separieren zugeführt werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Anlage für das Erzeugen von Bioerdgas aus Biomasse mit einer Separiereinrichtung;
2 ein Gasturbinensystem in der Anlage;
3 einen Brenner in dem Gasturbinensystem;
4 ein weiteres, alternativ aufgebautes Gasturbinensystem für den Einsatz in der Anlage mit einer Einrichtung für das Beaufschlagen von Brenner-Ansaugluft mit Kondensat;
5 einen Abschnitt einer weiteren Anlage für das Erzeugen von Bioerdgas aus Biomasse mit einer Rohbiogas-Bypassleitung; und
6 ein Gasturbinensystem mit einer Sorptions-Kältemaschine für den Einsatz in einer Anlage für das Erzeugen von Bioerdgas aus Biomasse.
Die in der 1 gezeigte Anlage 10 für das Erzeugen von Bioerdgas aus Biomasse enthält eine Biogasstufe 12, in der durch Vergären von organischer Biomasse Bioerdgas erzeugt wird, die mit einer Turbinenstufe 14 verbunden ist. In der Turbinenstufe 14 gibt es ein Gasturbinensystem 15 mit einer Gasturbine, das mit brennbaren Gasen betrieben wird, die in der Biogasstufe 12 gewonnen werden können. Das Gasturbinensystem 15 ist bevorzugt als sogenannte Mikrogasturbinenanlage ausgebildet, z.B. als eine Mikrogasturbinenanlage, wie sie in der WO 03/093665 A1 beschrieben ist. Eine solche Mikrogasturbinenanlage enthält eine schnelllaufende Gasturbine, die mit vergleichsweise niedrigen Brennkammerdrücken und Temperaturen am Austritt der Brennkammer bei einer Drehzahl von etwa 40.000 U/min bis 100.000 U/min, insbesondere 65.000 U/min bis 80.000 U/min, besonders bevorzugt 70.000 U/min arbeitet. Die Anlage 10 umfasst eine Verwertungsstufe 16, in der die Abwärme der Turbinenstufe 14 verwertet wird, um damit elektrische Energie zu erzeugen und vorzugsweise gleichzeitig die dabei verbleibende Restwärme der Biogasstufe 12 zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus enthält die Anlage 10 eine Konditionierstufe 18, die für das thermische Vorkonditionieren von Biomasse dient, die der Biogasstufe 12 zugeführt wird. Die Konditionierstufe 18 kann mit der in der Turbinenstufe 14 und der Verwertungsstufe 16 anfallenden Abwärme betrieben werden. Grundsätzlich kann eine erfindungsgemäße Anlage 10 allerdings auch ohne eine Konditionierstufe 18 ausgeführt sein.
Die Biogasstufe 12 enthält eine vorzugsweise als Fermenter 20 ausgebildete Einrichtung für das Erzeugen von Rohbiogas. Der Fermenter ist mit Biomasse beaufschlagbar, die diesem mit einer Fördereinrichtung (nicht gezeigt) aus einem Biomassereservoir (nicht gezeigt) in der Richtung des Pfeils 22 entlang einer Förderstrecke zugeführt werden kann, bevorzugt, zugeführt wird. In dem Fermenter 20 wird mittels des Verfahrens der anaeroben Fermentation aus der zugeführten Biomasse Rohbiogas erzeugt. Der Fermenter 20 ist mit einer Separiereinrichtung 24 für das Separieren von Rohbiogas in Starkgas und Schwachgas verbunden. Das Rohbiogas erhält die Separiereinrichtung 24 vorzugsweise über eine Fluidleitung 26 aus dem Fermenter 20. Die Separiereinrichtung 24 umfasst eine Membrananlage. In der Separiereinrichtung 24 wird das Rohbiogas z.B. gegen eine semipermeable Membran der Membrananlage mit Druck beaufschlagt, indem es durch einen Verdichter geführt wird. Die semipermeable Membran trennt das Rohbiogas in stark methanhaltiges Starkgas und in Schwachgas, das einen deutlich geringeren Methananteil und einen hohen CO₂-Anteil hat.
Durch eine Fluidleitung 28 wird das Starkgas aus der Separiereinrichtung 24 für das Separieren zu einer Gasnetz-Einspeisung 30 geleitet, die eine Reinigungsstufe enthält. Aus der Gasnetz-Einspeisung 30 wird das erzeugte Starkgas als Bioerdgas in ein Gasnetz (nicht gezeigt) eingespeist. Das Schwachgas aus der Separiereinrichtung 24 kann über eine Fluidleitung 34 auch einer Gasfackel 36 zugeleitet werden. Die Turbinenstufe 14 ist über Fluidleitungen 34, 38, 40 für Starkgas und für Schwachgas mit Starkgas und Schwachgas aus der Separiereinrichtung 24 gespeist. In der Turbinenstufe 14 gibt es einen Brenner für das Erzeugen von Heißgas, der das Starkgas und Schwachgas verbrennt. Mit dem Heißgas des Brenners wird dann die Gasturbine betrieben. Die Gasturbine kann dabei einen elektrischen Generator antreiben. Die mittels des elektrischen Generators erzeugte elektrische Energie wird dann in ein elektrisches Leitungsnetz 46 eingespeist, das elektrische Verbraucher in dem Fermenter 20, in der Separiereinrichtung 24 und in der Gasnetz-Einspeisung 30 mit elektrischer Energie versorgt. Die elektrische Energie kann auch ins Netz eingespeist werden.
In der Anlage 10 kann ein als Wärmeverbraucher wirkendes Dampfkolben-Expansionsmotorsystem 80 vorgesehen sein, das mit der Abwärme des Gasturbinensystems 15 betrieben wird. Das Dampfkolben-Expansionsmotorsystem 80 enthält einen Dampfkolben-Expansionsmotor, der vorzugsweise mit einem elektrischen Generator für das Erzeugen von elektrischer Energie bewegungsgekoppelt oder bewegungskoppelbar sein kann. Die erzeugte elektrische Energie wird dann vorzugsweise in das elektrische Leitungsnetz 46 eingespeist. Die Abwärme des Dampfkolben-Expansionsmotorsystems 80 wird bevorzugt über ein Leitungssystem 82 für das Transportieren von Wärme dem Fermenter 20 zugeführt, um damit die darin aufgenommene Biomasse zu temperieren. Darüber hinaus kann die Abwärme des Dampfkolben-Expansionsmotorsystems 80 auch in einer Konditioniereinrichtung 90 für das Temperieren von Biomasse zugeführt werden, die in der Konditionierstufe 18 der Anlage 10 angeordnet ist. Die Konditioniereinrichtung 90 ermöglicht das thermische Vorkonditionieren von Biomasse in der Anlage 10, bevor diese in den Fermenter 20 eingespeist wird.
Für das Verwerten der Abwärme des Gasturbinensystems 15 enthält die Anlage 10 in der Verwertungsstufe 16 außerdem bevorzugt ein ORC-System (Organic Rankine Cycle) 82 als Wärmetauscher, das einen elektrischen Generator umfasst. Weiters kann ein weiterer, als weiteres thermodynamisches Kreisprozesssystem, z. B. als EIFER-(European Institute for Energy Research) Dreiecksprozess-System ausgebildeter Wärmeverbraucher 84 vorgesehen sein, in dem mit dem EIFER-Dreiecksprozess Wärme in mechanische Energie verwandelt wird, um damit ebenfalls einen elektrischen Generator zu betreiben. Die Abwärme des ORC-Systems 82 und des Systems 84 wird dabei ebenso wie die Abwärme des Dampfkolben-Expansionsmotorsystems 80 dem Fermenter 20 in der Anlage 10 zugeführt und in die Konditioniereinrichtung 90 für das thermische Vorkonditionieren von Biomasse eingespeist. Die in dem ORC-System 82 und dem System 84 erzeugte Energie wird dann in das elektrische Leitungsnetz 46 eingeleitet.
Es sei bemerkt, dass in einer modifizierten Ausführungsform der Anlage 10 die Verwertungsstufe 16 auch nur ein ORC-System mit einem elektrischen Generator und/oder nur ein EIFER-Dreiecksprozess-System und/oder nur ein Dampfkolben-Expansionsmotorsystem oder ein anderes thermodynamisches Kreisprozesssystem aufweisen kann. Darüber hinaus ist es weiter alternativ hierzu auch möglich, in der Verwertungsstufe 16 eine Kombination von einem Dampfkolben-Expansionsmotorsystem mit einem ORC-System oder einem anderen thermodynamischen Kreisprozesssystem oder nur ein Dampfkolben-Expansionsmotorsystem, ein EIFER-Dreiecksprozess-System oder ein ORC-System vorzusehen.
Die 2 zeigt das Gasturbinensystem 15 in der Anlage 10. Das Gasturbinensystem 15 enthält eine als Mikrogasturbine ausgebildete Gasturbine 48, die mittels einer Welle 50 mit einem Verdichter 52 mechanisch drehgekoppelt ist. Die Turbinenstufe 14 umfasst einen Brenner 54. In dem Brenner 54 der Turbinenstufe 14 wird das Starkgas und das mit der Luft verdichtete Schwachgas verbrannt, die durch den Verdichter 52 angesaugt und durch einen Rekuperator 56 zu dem Brenner 54 geführt werden. In dem Rekuperator 56 werden das angesaugte, verdichtete Schwachgas und die angesaugte, verdichtete Luft mit der Abwärme von dem Rauchgas erwärmt, das an der Austrittsseite der Gasturbine 48 freigesetzt wird. Die Strömungsenergie des in dem Brenner erzeugten Heißgases wird in der Gasturbine 48 in mechanische Energie gewandelt, die auf einen elektrischen Generator 62 übertragen wird, der elektrische Energie erzeugt. Das an dem Austritt der Gasturbine 48 freigesetzte Rauchgas wird dann beispielsweise über den Rekuperator 54 an die Umwelt freigesetzt. Die thermische Energie kann auch in einem nachgeschalteten Wärmetauscher genutzt werden.
Die 3 zeigt den Brenner 54 in dem Gasturbinensystem 15. Der Brenner 54 ist als sogenannter Mehrstufenbrenner ausgebildet. Er enthält eine Pilotstufe 58 mit einem Pilotbrennraum, in dem das Starkgas verbrannt wird. Der Brenner 54 hat eine Hauptstufe 60 mit einem Hauptbrennraum, der mit dem Pilotbrennraum kommuniziert und in dem das Schwachgas und die in der Richtung der Strömungspfeile 63 zugeführte, verdichtete Ansaugluft zu einem Heißgasstrahl verbrannt wird, der in der Richtung der Strömungspfeile 64 aus dem Brenner 54 austritt und mittels dessen die Gasturbine 48 beaufschlagt wird.
Die 4 zeigt ein mit einer Rohbiogas-Reinigungsstufe 217 für den Einsatz in einer für das Erzeugen von Bioerdgas aus Biomasse, wie sie vorstehend erläutert ist. Baugruppen in dem Gasturbinensystem 215, die den Baugruppen in dem vorstehend anhand der 2 beschriebenen Gasturbinensystem 15 entsprechen, sind in der 6 mit in Bezug auf die 2 um die Zahl 100 erhöhten Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht. Die Rohbiogas-Reinigungsstufe 217 erhält Rohbiogas in der Richtung des Pfeils 223 durch eine Gasleitung und gibt in der Richtung des Pfeils 225 gereinigtes und getrocknetes Rohbiogas über eine Leitung ab. Das Gasturbinensystem 215 hat eine Kondensat-Einspeise-Einrichtung 219, die mittels eines Verdichters 252 verdichtete, durch einen Rekuperator 256 einem Brenner 254 zugeführte Ansaugluft mit Kondensat aus einer Kondensatleitung 221 versetzt, das in der Rohbiogas-Reinigungsstufe 217 abgeschieden wird. Diese Maßnahme steigert das Leistungsvermögen der Gasturbine 248 in dem Gasturbinensystem 215. Der Brenner 254 verbrennt dabei Starkgas und Schwachgas, das ihm in der Richtung der Pfeile 227, 229 zugeführt wird.
In der 5 ist ein Abschnitt einer weiteren Anlage 310 für das Erzeugen von Erdgas aus Biomasse gezeigt. Die weitere Anlage hat einen Aufbau, der grundsätzlich dem Aufbau der vorstehend beschriebenen Anlage 10 für das Erzeugen von Bioerdgas aus Biomasse entspricht. Funktional gleiche Baugruppen sind deshalb in der 7 mit in Bezug auf die 1 um die Zahl 300 erhöhten Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht. In der Anlage 310 gibt es eine Bypassleitung 311, durch die dem Brenner in dem Gasturbinensystem 315 der Turbinenstufe Rohbiogas zugeführt werden kann, das direkt aus einem Fermenter 320 geführt ist, ohne dass es einen Seperationsprozess durchlaufen hat. Auf diese Weise ist es möglich, in Betriebszuständen der Anlage 310, in denen so viel Rohbiogas anfällt, dass es nicht vollständig in einer Separiereinrichtung 324 in Starkgas und Schwachgas aufgetrennt werden kann, auch das Erzeugen von Bioerdgas energetisch zu verwerten.
Die 6 zeigt ein weiteres Gasturbinensystem 415 mit einem Sorptions-Kältemaschinensystem 417 als Wärmeverbraucher für den Einsatz in einer Anlage 10 für das Erzeugen von Bioerdgas aus Biomasse. Das Sorptions-Kältemaschinensystem 417 enthält eine Sorptions-Kältemaschine, die mit der Abwärme des Gasturbinensystems 415 betrieben wird, das dem Sorptions-Kältemaschinensystem 417, wie mit dem Pfeil 419 angedeutet, aus dem Gasturbinensystem 415 über einen Wärmetauscher (nicht gezeigt) zugeführt wird. Die an Anschlüssen 421, 423 des Kältemaschinensystems 417 bereitgestellte Hochtemperatur wird zum Konditionieren von Biomasse in dem Fermenter der Anlage 10 eingesetzt. An einem Anschluss 425 stellt das Sorptions-Kältemaschinensystem 417 Prozesskälte bereit, die idealerweise für das Abscheiden von Feuchtigkeit in Form von Kondensat aus Rohbiogas eingesetzt wird, das in dem Fermenter der Anlage erzeugt wird.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform einer Anlage für das Aufbereiten von brennbaren Gasen ist vorgesehen, das mit der Prozesskälte der als Wärmeverbraucher wirkenden Sorptions-Kältemaschine aus dem Rohbiogas eines Fermenters abgeschiedene Kondensat der Ansaugluft eines Brenners in einem Gasturbinensystem zuzuführen, um damit die Leistung einer Gasturbine in diesem System zu steigern.
Zusammenfassend sind insbesondere folgende bevorzugten Merkmale der Erfindung festzuhalten: In einer Anlage 10 für das Aufbereiten von brennbaren Gasen gibt es eine Separiereinrichtung 24 für das Separieren von brennbaren Gasen in wenigstens zwei gasförmige Bestandteile, die eine unterschiedliche Brennqualität haben. Die Anlage 10 enthält eine Turbinenstufe 14, die einen mit brennbarem Gas aus der Separiereinrichtung 24 gespeisten Brenner 54 aufweist und eine mit Heißgas aus dem Brenner 54 beaufschlagbare Gasturbine 48 umfasst. Die Gasturbine 48 erzeugt elektrische oder mechanische Energie, die beispielsweise der Separiereinrichtung 24 zugeführt wird, um damit brennbare Gase in wenigstens zwei gasförmige Bestandteile aufzuteilen, die eine unterschiedliche Brennqualität haben.
Bezugszeichenliste

10: Anlage
12: Biogasstufe
14: Turbinenstufe
15: Gasturbinensystem
16: Verwertungsstufe
18: Konditionierstufe
20: Fermenter
22: Pfeil
24: Separiereinrichtung
26, 28: Fluidleitungen
30: Gasnetz-Einspeisung
34: Fluidleitung
36: Gasfackel
38, 40: Fluidleitungen
46: elektronisches Leitungsnetz
48: Gasturbine
50: Welle
52: Verdichter
54: Brenner
56: Rekuperator
58: Pilotstufe
60: Hauptstufe
62: Generator
63, 64: Strömungspfeile
80: Dampfkolben-Expansionsmotorsystem
82: ORC-System
84: Wärmeverbraucher (EIFER-Dreiecksprozess-System)
90: Konditioniereinrichtung
124: Separiereinrichtung
130: Gasnetzeinspeisung
166: Verdichter
215: Gasturbinensystem
217: Rohbiogas-Reinigungsstufe
219: Kondensat-Einspeise-Einrichtung
221: Kondensatleitung
223, 225: Pfeile
227, 229: Pfeile
252: Verdichter
248: Gasturbine
254: Brenner
256: Rekuperator
262: Generator
310: Anlage
311: Bypassleitung
314: Turbinenstufe
320: Fermenter
324: Separiereinrichtung
415: Gasturbinensystem
417: Sorptions-Kältemaschinensystem
419: Pfeil
421, 423: Anschlüsse
425: Anschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10047264 A1 [0003, 0030]
EP 0443468 A2 [0024]
CH 692653 A5 [0033]
DE 4419766 A1 [0034]
DE 10346471 A1 [0034]
DE 102005010865 A1 [0034]
US 2003/0143719 A1 [0034]
WO 03/093665 A1 [0045]

Claims

Anlage (10) für das Aufbereiten von brennbaren Gasen, mit einer Separiereinrichtung für das Separieren von brennbaren Gasen in wenigstens zwei gasförmige Bestandteile, die eine unterschiedliche Brennqualität haben, gekennzeichnet durch eine Turbinenstufe (14), die einen mit brennbarem Gas aus der Separiereinrichtung gespeisten Brenner (54) enthält und eine mit Heißgas aus dem Brenner (54) beaufschlagbare Gasturbine (48) umfasst, mit der der Separiereinrichtung (24) zugeführte elektrische und/oder mechanische Energie erzeugbar ist, um die brennbaren Gase in der Separiereinrichtung (24) in die wenigstens zwei gasförmigen Bestandteile aufzutrennen.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Separiereinrichtung (24) für das Separieren von brennbaren Gasen in Starkgas und in Schwachgaus ausgelegt ist, das dem Brenner (54) in der Turbinenstufe für das Erzeugen von Heißgas zugeführt wird.
Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (54) einen mit Starkgas gespeisten Pilotbrennraum aufweist, der mit einem mit Schwachgas beaufschlagten Hauptbrennraum kommuniziert.
Anlage nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch wenigstens einen dem Brenner (54) vorgeschalteten Starkgasverdichter und/oder wenigstens einen dem Brenner (54) vorgeschalteten Schwachgasverdichter.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenstufe (14) einen mit der Gasturbine (48) gekoppelten, Umgebungsluft ansaugenden Verdichter (52) enthält, der die angesaugte Luft verdichtet mit Abgas aus der Gasturbine (48) beaufschlagten Rekuperator (56) der Gasturbine (48) zuführt.
Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (52) die angesaugte Luft einem mit Abgas aus der Gasturbine (48) beaufschlagten Rekuperator (56) der Gasturbine (48) zuführt.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (48) einen Abgasstrom erzeugt, der für das Übertragen von Wärme auf einen oder mehrere Wärmeverbraucher (80, 82, 84, 90) durch einen mit einem Wärmeverbraucher thermisch gekoppelten Wärmetauscher geführt ist.
Anlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen als Biomasse-Konditioniereinrichtung (90) ausgebildeten Wärmeverbraucher.
Anlage nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen als Sorptions-Kältemaschinensystem (417) ausgebildeten Wärmeverbraucher.
Anlage nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Rohbiogas-Reinigungsstufe (217) mit einem Kondensatabscheider, der von der Sorptions-Kältemaschine (417) Prozesskälte erhält und der mit der Turbinenstufe verbunden ist, um die Ansaugluft für den Brenner (254) mit Kondensat zu beaufschlagen.
Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch einen als thermodynamisches Kreisprozesssystem, insbesondere als Dampfkolben-Expansionsmotorsystem (80) und/oder als ORC-System (82) ausgebildeten Wärmeverbraucher (80, 82, 84), der in ein elektrisches Leitungsnetz (46) eingespeiste elektrische Energie bereitstellt.
Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeverbraucher (80, 82, 84) Restwärme bereitstellt, die einer Biomasse-Konditioniereinrichtung (90) und/oder einer Einrichtung (20) für das Erzeugen von Rohbiogas zugeführt wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen mit der Separiereinrichtung (324) für das Separieren von brennbaren Gasen kommunizierenden Fermenter (320) und eine Rohbiogas-Bypassleitung (311), durch die dem Brenner in der Turbinenstufe Rohbiogas aus dem Fermenter (320) unter Umgehung der Separiereinrichtung (324) zuführbar ist.
Verfahren für das Erzeugen von Bioerdgas mit einer Anlage (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das Bioerdgas in Starkgas und Schwachgas aufgetrennt wird und die für das Auftrennen von Bioerdgas in Starkgas und in Schwachgas erforderliche Energie wenigstens teilweise in einer Turbinenstufe (24) erzeugt wird, die ein Gasturbinensystem (15) mit einem Brenner (54) enthält, der das aufgetrennte Starkgas und Schwachgas zu Heißgas verbrennt, mit dem eine Gasturbine (48) betrieben wird.