DE10224349A1

DE10224349A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von Verunreinigungen

Info

Publication number: DE10224349A1
Application number: DE2002124349
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Doczyck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: DE10224349B4

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von Verunreinigungen, wie siliciumhaltigen Verbindungen, insbesondere Siloxanen, aus einem Gas, vorzugsweise Faulglas, wie Klär-, Deponie- oder Biogas, vorgeschlagen, wobei das Gas zur Abscheidung der Verunreinigungen ein Adsorbens über- oder durchströmt. Eine einfache kostengünstige Lösung wird dadurch erreicht, dass das Gas nacheinander zwei Sektionen des Adsorbens über- bzw. durchströmt und dass die erste Sektion des Adsorbens durch die zweite Sektion des Adsorbens ersetzt wird, wenn die Adsorptionsleistung der ersten Sektion erschöpft ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Abscheiden von Verunreinigungen, wie siliciumhaltigen Verbindungen, insbesondere Siloxanen, aus einem Gas, insbesondere einem Faulgas, also insbesondere zum Abtrennen organischer Siliciumverbindungen (Siloxane) aus Klärgas, Deponiegas und Biogas, sowie eine diesbezügliche Vorrichtung.
Aufgrund seines hohen Heizwertes kann Faulgas zum Betrieb von Gasmotoren in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen eingesetzt werden. Die Gewinnung hochwertiger elektrischer Energie und Wärme stellt heute bereits einen wesentlichen Faktor in der Kostenrechnung des Betreibers bzw. Eigentümers dar. Je nach Umfang der nutzbaren, standortspezifischen Gasproduktion lassen sich durch Einsparung von Fremdenergiebezug oder Verkauf überschüssiger elektrischer oder thermischer Leistung erhebliche Gutschriften bzw. Einnahmen erzielen. Bei Biogasanlagen ist davon auszugehen, dass Produktion und Verkauf elektrischer Energie das eigentliche Unternehmensziel darstellen.
Seit den späten 80er Jahren treten zunehmend im Faulgas enthaltene organische Siliziumverbindungen in Erscheinung. Diese üblicherweise als „Siloxane" bezeichnete Stoffklasse führt bei Verbrennung oder thermischer Zersetzung zur Bildung von Siliziumoxid (Sand/Quarz) und damit zu starkem Verschleiß, Schäden oder hohem Wartungsaufwand an den Gasmotoren. Der wirtschaftliche Nutzen von Gasmotorenanlagen wird stark herabgesetzt oder sogar gefährdet. Für den Fortbestand der zur regenerativen Energieerzeugung zählenden Faulgasnutzung ist es daher von großer Bedeutung, die Verunreinigungen wie Siloxane aus Faulgasen entfernen zu können. Vor diesem Hintergrund werden seit einigen Jahren bereits verschiedene Faulgasreinigungsverfahren eingesetzt.
Siloxane lassen sich an verschiedenen Adsorbentien, beispielsweise Aktivkohle, Molekularsiebe oder Silicagel, adsorbieren und so nahezu vollständig aus dem Gas entfernen. Die Aktivkohleadsorbtion stellt derzeit das am häufigsten eingesetzte Gasreinigungsverfahren dar. In den nachfolgenden Erläuterungen wird daher primär Aktivkohle als technisch wichtigstes Adsorbens genannt, entsprechendes gilt jedoch auch für sonstige Adsorbentien.
Die Aktivkohle muss, wenn die Aufnahmekapazität erschöpft ist und es zu einem Durchbruch bzw. Austreten der Verunreinigungen aus der Aktivkohleschüttung kommt, ausgetauscht oder regeneriert werden. Eine Regeneration ist jedoch in den für den Biogasbereich üblichen geringen Gasmengen mit sehr hohen spezifischen Kosten verbunden. Der Austausch der Aktivkohle wird daher in der Regel vorgezogen.
Die Betriebskosten für die Faulgasreinigung mit Aktivkohle ist im wesentlichen von dem Verbrauch an Aktivkohle und den mit dem Austausch verbundenen Aufwendungen bestimmt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die den Verbrauch an Adsorbentien sowie den zeitlichen und baulichen Aufwand für den Austausch verringern.
Die obige Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Durch die Ausgestaltung nach dem Anspruch 1 wird das Gas durch mindestens zwei getrennte Sektionen geleitet. Dabei übernimmt die erste Sektion die Funktion eines Arbeitsfilters und die nachfolgende zweite Sektion die Funktion eines Sicherheitsfilters.
Der Adsorbtionsverlauf in einem durchströmten Aktivkohlebett ist dadurch gekennzeichnet, dass bereits ein Durchbruch von Verunreinigungen erfolgt, bevor die gesamte Beladungskapazität der Aktivkohle erreicht ist. Die gesamte Beladungskapazität ist erst dann erschöpft, wenn eine Gleichgewichtsbeladung – also gleiche Konzentration der Verunreinigungen im Gaseintritt und im Gasaustritt des Aktivkohlebettes – erreicht ist.
Wird der Adsorbtionsvorgang in nur einem Aktivkohlebett bzw. in nur einer Sektion durchgeführt, kann nicht die gesamte Beladungskapazität ausgenutzt und gleichzeitig eine vollständige Abtrennung der Verunreinigungen erreicht werden. Das heißt, dass bei einem Wechsel des Aktivkohlebetts bei einem Durchbruch nicht die Beladungskapazität ausgenutzt wurde.
Durch die vorschlagsgemäße Lösung ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass das Adsorbens in der ersten Sektion – dem Arbeitsfilter – immer bis zur Gleichgewichtsbeladung, dass bedeutet unter Ausnutzung der gesamten vollständigen Sättigung, mit Schadstoffen beladen werden kann, weil die zweite Sektion durchgebrochene Verunreinigungen aufnimmt und sauberes Gas gewährleistet.
Insbesondere werden zwischen den Sektionen (periodisch) Gasproben gezogen, die vor Ort oder im Labor auf Verunreinigungen untersucht werden. Zeigen diese einen Durchbruch von Schadstoffen aus der ersten Sektion an, kann ein Austausch des dann vollständig verbrauchten Adsorbens – insbesondere also der ersten Sektion – eingeleitet werden.
Insbesondere erfolgt der Austausch des Adsorbens durch einfaches Öffnen einer Auslassöffnung. Über einen Schütttrichter rutscht das Adsorbens aus dem Behälter selbstständig heraus und kann z. B. direkt in ein Transportgefäß abgefüllt werden. Aufwendige Vorrichtungen zum Entladen des Adsorbens können daher entfallen.
Weiter ist vorzugsweise vorgesehen, dass, sobald die erste Sektion geleert ist, eine der zweiten Sektion zugeordnete Verschlusseinrichtung geöffnet werden kann, so dass das Adsorbens der zweiten Sektion selbstständig in die erste Sektion rutscht. Über eine Einfüllöffnung, beispielsweise im Deckel des Behälters, kann dann anschließend die zweite Sektion wieder aufgefüllt werden.
Die Überführung bzw. Verwendung des Adsorbens von der zweiten Sektion in die erste bzw. der ersten Sektion ist insbesondere von Vorteil, da nach dem Durchbruch von Verunreinigungen in der ersten Sektion das Adsorbens der zweiten Sektion bereits anteilig mit Verunreinigungen (Schadstoffen) belastet ist. Der Sicherheitsfilter bzw. die zweite Sektion ist somit immer mit frischem, unbelastetem Adsorbens befüllt und bietet so das größte Sicherheitspotential. Gleichzeitig ist dadurch gewährleistet, dass das Adsorbens immer bis zur max. Beladungskapazität genutzt und damit Betriebskosten verringert werden können.
Insbesondere ist es möglich, mehrere Sektionen in einem Behälter anzuordnen und die dargestellten Vorteile ohne externe Verrohrung oder sonstige Hilfsmittel zu erreichen. Dadurch entstehen signifikante Kostenvorteile im Vergleich zu herkömmlichen Systemen.
Durch einen horizontal getrennten Zwei- oder Mehrkammer-Adsorber werden insbesondere folgende Vorteile erzielt:

– Sichere Abtrennung der Verunreinigung in jedem Betriebszustand
– Maximale Ausnutzung der Beladungskapazität der Adsorbentien
– Keine Durchmischung beladener und nicht beladener Adsorbentien beim Wechselvorgang
– Maximale Sicherheitsreserven des Systems
– Verringerung der Kosten für den Wechsel der Adsorbentien, da dieser schnell, einfach und ohne zusätzliche Geräte erfolgen kann.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine vorschlagsgemäße Vorrichtung in Form eines horizontal geteilten Zweikammer-Adsorbens.
Das Gas strömt im Gaseintritt (F2) über eine Öffnung, die mit einem gasdurchlässigen Sieb verschlossen ist, in das Adsorbens der Sektion/Kammer 1 (F1) des Behälters. Das Gas durchströmt das Adsorbens in Richtung Gasaustritt (F5). Dabei werden die Verunreinigungen vom Adsorbens adsorbiert und so aus dem Gas abgetrennt. Die Sektion/Kammer F1 stellt somit den Arbeitsfilter dar.
Nachdem das Gas die Sektion/Kammer 1 (F1) durchströmt hat, gelangt es in die zweite Sektion/Kammer (F8) des Adsorbens. Der Boden der zweiten Sektion/Kammer ist als gasdurchlässiges Sieb ausgestaltet (F7). Die Sektion/Kammer F8 stellt den Sicherheitsfilter dar.
Über der als Stutzen ausgeführten Öffnung können Stichproben der Gasqualität nach der ersten Sektion/Kammer des Adsorbers entnommen oder entsprechende Online-Analysatoren angeschlossen werden. Werden hier im Gas Verunreinigungen festgestellt, kann gewartet werden, bis die Gleichgewichtsbeladung des Adsorbens und damit die max. Beladungskapazität erreicht ist.
Ist das Adsorbens in Sektion/Kammer (F1) erschöpft, wird der Verschluss F3 geöffnet und durch die Gravitationskraft rutscht das Adsorben selbstständig aus der Sektion/Kammer (F1) über den Auslauf F4 in die Transportbehälter. Der Behälter wird vorzugsweise auf Standfüße (F11) gestellt, so dass die Transportgefäße unter den Auslauf (F4) gestellt werden können.
Nachdem die erste Kammer geleert ist, wird der Verschluss F3 geschlossen, der Verschluss F6 geöffnet und durch die Gravitationskraft rutscht das Adsorben selbstständig aus der Sektion/Kammer (F8) in die Sektion/Kammer (F1). Dadurch wir aus dem Adsorbens, das zuvor den Sicherheitsfilter dargestellt hat, nun der Arbeitsfilter. Das bereits mit Verunreinigungen aus dem Durchbruch belastete Adsorbens kann jetzt vollständig bis zur Gleichgewichtsbeladung genutzt werden.
Nachdem die Sektion/Kammer F8 geleert ist, wird der Verschluss F6 geschlossen und über die Öffnung F10 neues Adsorbens in die Sektion/Kammer F8 eingefüllt.

F1: Kammer/Sektion 1 (mit Adsorbens gefüllt)
F2: Gaseintrittsleitung mit Sieb als Endstück zum Gasaustritt
F3: Absperrschieber
F4: Auslauf Kammer/Sektion 1
F5: Gasaustritt
F6: Verschluss Kammer/Sektion 2
F7: Trennkegel als gasdurchlässigen Siebboden ausgeführt
F8: Sektion/Kammer 2 (mit Adsorbens gefüllt)
F9: Betätigungseinrichtung für F6
F10: Einfüllöffnung F8
F11: Standfüße
F12: Stutzen zur Entnahme von Gasproben

Claims

Verfahren zum Abscheiden von Verunreinigungen, wie siliciumhaltigen Verbindungen, insbesondere Siloxanen, aus einem Gas, vorzugsweise Faulgas, wie Klär-, Deponie- oder Biogas, wobei das Gas zur Abscheidung der Verunreinigungen ein Adsorbens über- oder durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas nacheinander zwei Sektionen des Adsorbens über- bzw. durchströmt und dass die erste Sektion des Adsorbens durch die zweite Sektion des Adsorbens ersetzt wird, wenn die Adsorptionsleistung der ersten Sektion abgenommen hat oder erschöpft ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sektion des Adsorbens durch die zweite Sektion des Adsorbens ersetzt wird, wenn die Adsorptionsleistung der ersten Sektion und/oder die Adsorptionsleistung der ersten und zweiten Sektion einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Adsorbens ein Schüttgut, vorzugsweise Aktivkohle, verwendet wird und/oder dass nur ein einziger gemeinsamer Behälter zur Aufnahme der beiden Sektionen verwendet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ersatz der ersten Sektion das Absorbens der zweiten Sektion in die erste Sektion, insbesondere ausschließlich durch Schwerkraft, überführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Adsorbenssektionen in einem geschlossenen, insbesondere gasdichten Behälter, insbesondere vertikal übereinander, angeordnet werden und vorzugsweise vertikal, insbesondere von unten nach oben, durchströmt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der ersten und/oder zweiten, insbesondere jeder Sektion der Beladungszustand durch Gasanalysen, insbesondere durch Entnahme von Gasproben, überwacht wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Austausch des Adsorbens aus der jeweils in Strömungsrichtung ersten Sektion unabhängig von den weiteren Sektionen erfolgen kann.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens aus der in Strömungsrichtung jeweils ersten Sektion über eine verschließbare Auslassöffnung, vorzugsweise mit einem Trichter, durch die Gravitationskraft ohne Hilfsenergie austreten bzw. entnommen werden kann.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nachdem das Adsorbens aus der ersten Sektion vollständig entnommen wurde, das Adsorbens aus der in Strömungsrichtung nachgeschalteten Sektion in die erste, jetzt leere Sektion, ohne Hilfsenergie, vorzugsweise durch Gravitationskraft, nachrutschen kann.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllung bzw. Nachfüllung des Adsorbens über eine Öffnung im Deckel des Behälters in die jeweils in Strömungsrichtung letzte Sektion erfolgt.
Vorrichtung mit einem insbesondere gasdichten Behälter zur Aufnahme eines Adsorbens zum Abscheiden von Verunreinigungen, wie siliciumhaltigen Verbindungen, insbesondere Siloxanen, aus einem Gas, vorzugsweise Faulgas, wie Klär-, Deponie- oder Biogas, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter mindestens zwei nacheinander durchströmbare, voneinander getrennte Sektionen für das Adsorbens aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sektionen vertikal übereinander angeordnet sind und insbesondere von unten nach oben durchströmbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine gasdurchlässige, insbesondere trichterartige Trenneinrichtung zwischen den Sektionen zur Trennung des Adsorbens ausweist, insbesondere wobei die Trenneinrichtung derart öffenbar oder betätigbar ist, dass das Adsorbens durch Gravitationskraft ohne Hilfsenergie in die unter der Trenneinrichtung liegende Sektion rutschen kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine verschließbare Auslassöffnung, vorzugsweise mit einem Trichter, aufweist, so dass das Adsorbens durch Gravitationskraft ohne Hilfsenergie aus dem Gesamtbehälter austreten bzw. entnommen werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einfüllöffnung in der in Strömungsrichtung letzten Sektion aufweist, über die Adsorbens nachfüllbar ist.