DE10330375A1

DE10330375A1 - Verfahren zur Herstellung von Methan in einem Reaktor

Info

Publication number: DE10330375A1
Application number: DE2003130375
Authority: DE
Inventors: Wilfried Schraufstetter
Original assignee: ACTUM AG
Current assignee: ACTUM AG
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2004-12-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Methan in einem Reaktor (R). Dabei durchströmt CO¶2¶-haltiges Gas in dem Reaktor (R) eine mit Mikroben versetzte Nährlösung (13) und ein poröses Material (12).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Methan in einem Reaktor sowie einen Reaktor zur Durchführung des Verfahrens.
Bei herkömmlichen Verfahren wird Methan in Kläranlagen, in den Faultürmen durch anaerobe Fermentation hergestellt. Dabei müssen häufig Trägerstoffe, wie beispielsweise Wasserstoffe, Kohlenmonoxide oder Kohlendioxide zur Methanherstellung zugeführt werden, was aufwendig und teuer ist.
Auch bei der Methanogenese, bei welcher durch anaerobe Bedingungen durch bestimmte anaerobe Bakterien Methan gewonnen werden kann, sind jedoch hohe Biomassen erforderlich, um Methan herzustellen. Die meisten anaeroben Bakterien können aus Kohlendioxid unter Zufuhr von Wasserstoff Methan unter Abspaltung von Wasser bilden. Auch hier ist nachteilig, dass das entstehende Methan nicht in Erdgasqualität, d.h., nicht 80 %-ig bis 95 %-ig entsteht.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen Reaktor zum Durchführen des Verfahrens zu schaffen, welche die genannten Nachteile beseitigen und mit welchen auf einfache und kostengünstige Weise Methan in Erdgasqualität hergestellt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Merkmale des Patentanspruches 1 sowie die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche.
Bei der vorliegenden Erfindung wird in einem Reaktor vorzugsweise Koks, insbesondere Braunkohle-Industriekoks mit großer Oberfläche eingebracht, und der Behälter wird nahezu mit einer Nährlösung aus Wasser, Stärke und Glukose befüllt. Der Nährlösung werden Mikroben zugegeben, die aus Methanosarcinastamm und einem Bakterium Thermoautotrophicum zusammengesetzt sind. Der Koks bildet eine sehr große Oberfläche, d.h., ein Gramm bildet in etwa eine Oberfläche von etwa 220 m². Das Gemisch aus Koks, Nährlösung und Mikroben wird im Reaktor auf etwa 55 °C erhitzt. Dann wird dem Reaktor Kohlendioxid als reines Gas oder in Form von Abgas zugeführt, wobei durch die Zuführung von Kohlendioxid im Reaktor über die Mikroben das Abgas in Methan umgewandelt wird. Dieses schlägt sich im Gasdom nieder und kann dort entweder erneut dem Reaktor zugeführt werden, wenn der Methangehalt beispielsweise unter 80 % liegt.
Ist der Methangehalt bei etwa 80 % bis 90 %, so wird das gebildete Methan in Erdgasqualität zur weiteren Verarbeitung weitertransportiert, abgefüllt oder einer weiteren Verwendung, beispielsweise in einem Kraftwerk, einem Holzvergaser oder Großmotoren als Brennstoff zugeleitet.
Bei dem vorliegenden Verfahren ist es auch möglich, beispielsweise das in Kläranlagen herkömmlich gewonnene Methan von niedrigem Methangehalt zuzuführen, um dessen Methangasgehalt zu erhöhen. Dabei kann auch zusätzlich Kohlendioxid sowie ein Gasgemisch aus Abgasen dem Reaktor zugeführt werden. Nach dem Erhitzen des Reaktors auf 55 °C lässt sich dieser zur Hochtemperatur-Methanogenese auf etwa 75 °C bis 78 °C in langsamen Temperaturschritten von beispielsweise 5 °C je Tag erhöhen.
Dabei werden vorzugsweise permanent während der Herstellung von Methan eine Temperaturkontrolle sowie eine permanente Messung zur Bestimmung des Kohlendioxid-, Kohlenmonoxid- sowie auch Methangasgehaltes des vorzugsweise im Gasdom anfallenden Methans durchgeführt. Ebenso wird der pH-Wert zur Steuerung des optimalen Prozesses kontrolliert, wobei bei höheren Kohlendioxidanteilen das Gas aus dem Gasdom zirkulär dem Reaktor wieder zugeführt werden kann, bis der gewünschte Methangasgehalt, beispielsweise über 90 % erreicht ist.
Hierdurch lassen sich viele Einsatzmöglichkeiten eines derartigen Reaktors realisieren, um beispielsweise unerwünschte Kohlendioxidgase, beispielsweise aus Tiefgaragen, beispielsweise als Abfallprodukt eines Verbrennungsmotors, diesen nachzuschalten, oder um den Kohlendioxidgehalt der Luft zu reduzieren und hierdurch Methan zu gewinnen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
1 eine schematisch dargestellte Seitenansicht auf einen erfindungsgemäßen Reaktor zur Herstellung von Methan;
2 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf den Reaktor gemäß 1; und
3 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf ein Ablaufschema zum Betreiben des Reaktors gemäß 1.
Gemäß 1 weist ein erfindungsgemäßer Reaktor R zur Erzeugung von Methan einen Behälter 1 auf, der im wesentlichen aus einer Zylinderwand 2, einem Behälterboden 3 und einem Kopf 4 gebildet ist. Der Kopf 4 ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel lösbar vom Behälter 1 ausgebildet. Bevorzugt ist der Kopf 4 vollständig von der Zylinderwand 2 entnehmbar, so dass nach dem Entnehmen des Kopfes 4 der Behälter 1 von oben befüllt werden kann. Entsprechende Flansche 5.1, 5.2 bilden die Verbindungsstelle zwischen Kopf 4 und Zylinderwand 2.
Im Bereich des Behälterbodens 3 ist ein Einlass 6 und im Bereich des Kopfes 4, vorzugsweise mittig, ein Auslass 7 vorgesehen.
Ferner ist in einem unteren Bereich des Behälters 1, vorzugsweise radial in diesem verlaufend, ein spezieller Gitterrost 8 vorgesehen. Vorzugsweise weist der Gitterrost 8 feine Poren zur effizienten Gasverteilung auf. Innerhalb des Behälters 1 ist zusätzlich eine hier nur gestrichelt angedeutete und nicht vollständig dargestellte Heizeinrichtung 9 eingesetzt, die beispielsweise im Gleich- oder Gegenstromverfahren über entsprechende Zu- und Abläufe 10, 11 mit erhitzter Flüssigkeit, Wasserdampf oder dergleichen betrieben wird. Bei dem als poröses Material verwendeten Koks handelt es sich zweckmäßigerweise um Braunkohle-Industriekoks mit einer großen Oberfläche. Der Koks 12 wird vorzugsweise in etwa bis zur Hälfte oder bis 2/3 des Behälters 1 aufgefüllt und liegt auf dem Gitterrost 8 auf.
Der Behälter ist bis nahe zum Kopf 4, in etwa bis 2/3 des Behälters 1 mit einer Nährlösung 13 befüllt, so dass oberhalb der Nährlösung 13, auch im Bereich des Kopfes 4, ein Gasdom 14 gebildet ist. Bevorzugt steht der Behälter 1 senkrecht auf einem Untergrund 15, abgestützt über Fußelemente 16.
An den Kopf 4 schließt eine hier nur schematisch dargestellte Entnahmeeinrichtung 17 an, die eine Sonde 18 aufweist, wobei die Entnahmeeinrichtung 17 über eine Verbindungsleitung 19 mit dem Einlass 6 verbunden ist. In die Verbindungsleitung 19 ist eine Pumpe 20 eingesetzt. Die Pumpe 20 ist vorzugsweise eine Kombinationspumpe zur Förderung von Gas und/oder Flüssigkeit.
Über die Entnahmeeinrichtung 17, die in dargestellter Doppelpfeilrichtung X im Behälter 1 bewegbar angeordnet ist, läßt sich wahlweise über die Sonde 18 ein Gemisch aus Methan und Kohlendioxid aus dem Gasdom 14 über die Verbindungsleitung 19 mit Hilfe der Pumpe 20 dem Einlass 6 zuführen, so dass das Gemisch aus Methan und Kohlendioxid über den Einlass 6 dem Behälterboden 3 zugeführt werden kann. Das Gasgemisch durchrieselt dann vollständig die Nährlösung 13 sowie den Gitterrost 8 und den in den Behälter 1 eingesetzten Koks 12.
Ferner sind im Kopf 4 eine Mehrzahl von Messeinrichtungen 21 (siehe auch 1) vorgesehen bzw. angeschlossen, um im Gasdom 14 die Methan- und/oder Kohlendioxidgehalte zu bestimmen und laufend zu überwachen. Gleichzeitig dienen die Messeinrichtungen 21 der Bestimmung des pH-Wertes und der Temperatur im Gasdom 14 sowie in der Nährlösung 13. Dabei können die entsprechenden Messeinrichtungen 21 als Temperatursensoren, Sonden, etc., ausgebildet sein. Hierauf sei die vorliegende Erfindung nicht beschränkt.
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:
Der Behälter 1 wird nach Öffnen des Kopfes 4 in einem ersten Verfahrensschritt 22 (siehe 3) mit Koks 4 beschickt, wobei der Koks 4 auf dem Gitterrost 8 aufliegt und zumindest die Hälfte des Behältervolumens einnimmt. Anschließend wird der Behälter 1 mittels des Kopfes 4 verschlossen. Nach dem Verschließen des Behälters 1 wird die Nährlösung 13 auf etwa 2/3 des Behältervolumens über den Einlass 6 oder Auslass 7, hierauf sei die Erfindung nicht beschränkt, in den Behälter 1 eingebracht. Die Nährlösung 13 besteht im wesentlichen aus Wasser, angereichert mit Stärke und Glukoseverbindungen. Der Koks 12 ist vorzugsweise als Braunkohle-Industriekoks mit einer großen Oberfläche in den Behälter 1 eingefüllt. Oberhalb der Nährlösung 13 ist auch im Bereich des Kopfes 4 der Gasdom 14 gebildet.
In einem zweiten Verfahrensschritt 23 wird der Behälter 1, insbesondere die Nährlösung 13, auf eine Temperatur von 55 °C mittels der Heizeinrichtung 9 temperiert und vor, während oder nach dem Temperieren der Nährlösung 13 werden dieser Mikroben, vorzugsweise als mikrobielle Beschickung durch einen Methanosarcinastamm und einem Bakterium Thermoautotrophicum, zugeführt. Gegebenenfalls kann in einem dazwischen geschalteten weiteren Verfahrensschritt 24 eine Vermischung der Mikroben mit der Nährlösung 13 durch Entnehmen der Nährlösung 13 mit Mikroben über die entsprechend bewegte Entnahmeeinrichtung 17 und erneute Zuführung über den Einlass 6 über die Pumpe 20 und Verbindungsleitung 19 in den Behälter 1 erfolgen. Hierdurch wird auch gleichzeitig eine gleichmäßige Temperierung der Nährlösung 13 im Behälter 1 gewährleistet. Hierdurch taucht die Sonde 18 durch Bewegen dieser bzw. der Entnahmeeinrichtung 17 in die Nährlösung 13 ein und lässt durch Umwälzen mittels der Pumpe 20 eine Vermischung bzw. Vergleichmäßigung der Mikroben innerhalb der Nährlösung 13 zu.
In einem nächsten Verfahrensschritt 25 wird dem Reaktor R bzw. Behälter 1 über den Einlass 6 Kohlendioxid, beispielsweise aus einem Vorratsbehälter, einer Kohlendioxidflasche, und/oder kohlendioxidhaltiges Abgas zugeführt, welches von unten nach oben vollständig den Behälter 1, insbesondere die mit Mikroben angereicherte Nährlösung 13 und den Koks 12 durchrieselt. Hierdurch wird das Kohlendioxid in Methan umgewandelt. Das Methan schlägt sich im Gasdom nieder.
Im Gasdom 14 kann dann über die entsprechende Messeinrichtung 21 der Methangasgehalt gemessen werden. Liegt beispielsweise der Methangehalt unter 80 % bis 95 %, so kann in einem letzten Verfahrensschritt 26 über die Entnahmeeinrichtung 17, über die Verbindungsleitung 19 das Gasgemisch aus Kohlendioxid und Methan über die Pumpe 20 erneut dem im Behälterboden 3 liegenden Einlass 6 wieder zugeführt werden, so dass das Gemisch aus Kohlendioxid und Methan erneut die Nährlösung 13 und den Koks 12 durchrieselt, wobei wiederum der Anteil an Kohlendioxid im Reaktor R in Methan umgewandelt wird. Dieser Vorgang kann so oft wiederholt werden, bis ein Methangehalt von 80 % bis 95 % in Erdgasqualität entsteht, welches dann über den Auslass 7 einer weiteren Verwendung, beispielsweise zur Abfüllung in Flaschen, zur Befeuerung von Öfen, etc., weitergeführt wird. Auf diese Weise lässt sich im erfindungsgemäßen Reaktor ein Biogas mit einer Erdgasqualität mit einem Methangasgehalt von 80 % bis 95 % erzeugen, wobei hierzu insbesondere Kohlendioxid als Hauptenergieträger zugeführt wird. Dabei hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, dass beispielsweise Kohlendioxid als Abfallprodukt von Verbrennungsmotoren zur Methangasgewinnung verwendet werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass anstelle des genannten Kokses auch ein anderes, für das erläuterte Verfahren geeignetes poröses Material, beispielsweise Lavagestein, verwendet werden kann.
Positionszahlenliste

Claims

Verfahren zur Herstellung von Methan in einem Reaktor (1), dadurch gekennzeichnet, dass CO₂ oder CO₂-haltiges Gas in dem Reaktor (R) durch eine mit Mikroben versetzte Nährlösung (13) ein poröses Material (12) durchströmt.
Verfahren zur Herstellung von Methan in einem Reaktor (R), dadurch gekennzeichnet, dass in den Reaktor (R) das poröse Material (12) eingegeben wird und dass der Reaktor (R) zumindest teilweise mit einer Nährlösung (13), vorzugsweise aus Wasser, Stärke und Glukoseverbindungen, befüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem zumindest teilweisen Befüllen des Reaktors (R) mit der Nährlösung (13) die Nährlösung (13) erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nährlösung auf eine Temperatur von etwa 55 °C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach oder während des Erhitzens der Nährlösung (13) dieser Mikroben zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikroben ein Methanosacinastamm und/oder ein Bakterium Thermoautotrophicum verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Zuführen der Mikroben eine Umwälzung von Gas- und/oder Flüssigkeit im Reaktor (R) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Zuführen der Mikroben in die Nährlösung (13) dem Reaktor (R) zur Methanogenese Kohlendioxid oder kohlendioxidhaltige Abgase zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass während oder nach dem Zuführen von CO₂ oder von CO₂-haltigen Gasen in den Reaktor (R) die Temperatur im Reaktor (R), insbesondere in der Nährlösung (13), auf etwa 75° C bis 78 °C erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhung im Reaktor (R) von 55 C auf etwa 75° C bis 78° C in einzelnen Schritten in mehreren Tagen langsam erfolgt, vorzugsweise in 5° C-Schritten je Tag.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch aus CO₂ und Methangas einem Gasdom (14) des Reaktors (R) entnommen und diesem zur zirkulierenden Durchrieselung der mit Mikroben angereicherten Nährlösung (13) und des Materials (12) zur Erhöhung des Methangasgehaltes zugeführt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasdom (14) die Tempe ratur des Gasdomes (14) und/oder der Nährlösung (13) und/oder der pH-Wert gemessen wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasdom (14) die Konzentration an Kohlendioxid und an Methan bzw. der Methangasgehalt im Gasdom (14) ermittelt wird und bei einem Methangasgehalt von etwa unter 80 % bis 95 % das Gemisch aus Kohlendioxid und Methangas zur Durchrieselung der mit Mikroben versetzten Nährlösung (13) regelbar dem Reaktor (R) wieder zugeführt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus Nährlösung (13) und Mikroben zur Verteilung und/oder zur Umwälzung beim Erwärmen zur Vergleichmäßigung der Temperatur im Reaktor (R) aus diesem entnommen und über einen Einlass (6) zur Umwälzung und Vermischung wieder zugeführt wird, wobei vorzugsweise eine Umwälzpumpe (20) den Umwälzprozess durchführt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als poröses Material Koks, vorzugsweise Braunkohle-Industriekoks mit einer großen Oberfläche, oder Lavagestein verwendet wird.
Reaktor zur Herstellung von Methan, insbesondere nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, mit einem Behälter (1), welchem zumindest ein Einlass (6) und zumindest ein Auslass (7) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Behälter (1) ein poröses Material (12) sowie eine mit Mikroben versetzte Nährlösung (13) eingebracht ist.
Reaktor zur Herstellung von Methan, insbesondere nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, mit einem Behälter (1), welchem zumindest ein Einlass (6) und zumindest ein Auslass (7) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kopf (4) des Behälters (1) von einer Zylinderwand (2) lösbar ist.
Reaktor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Behälter (1) in einem unteren Bereich ein Gitterrost (8) eingesetzt ist.
Reaktor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Gitterrost (8) das poröse Material (12), bis in etwa zur Hälfte bis 2/3 des Behälters (1) eingefüllt ist.
Reaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behälter (1) eine Heizeinrichtung (9) angeordnet ist.
Reaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) in etwa auf bis zu 2/3 seines Volumens mit einer Nährlösung (13), versetzt mit Mikroben, befüllt ist.
Reaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich eines Behälterbodens (3) der Einlass (6) und im Bereich des Kopfes (4) der Auslass (7) vorgesehen sind, wobei der Kopfbereich des Behälters (1) als Gasdom (14) ausgebildet ist.
Reaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entnahmeeinrichtung (17) im Kopf (4) des Behälters (1) vorgesehen ist und über eine Verbindungsleitung (19) mit dem Einlass (6) in Verbindung steht, wobei in der Verbindungsleitung (19) eine Pumpe (20) angeordnet ist.
Reaktor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeeinrichtung (17) als Sonde (18) ausgebildet ist, die ein Gasgemisch aus Methan und Kohlendioxid aus dem Bereich des Kopfes (4) bzw. des Gasdomes (14) entnimmt und zur erneuten Durchrieselung des Behälters (1) dem Einlass (6) zuführt oder durch Eintauchen der Sonde (18) in die Nährlösung (13) eine Entnahme der Nährlösung (13) und Umwälzung, insbesondere Zuführung über die Verbindungsleitung (19) über den Einlass (6) auch zur Durchmischung ermöglicht.
Reaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass dem Behälter (1), vorzugsweise dem Kopf (4) des Behälters (1), Messeinrichtungen (21) zur Bestimmung des Kohlendioxid- und/oder Methangehaltes, des pH-Wertes und der Temperatur zugeordnet sind.
Reaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material Koks, vorzugsweise Braunkohle-Industriekoks mit einer großen Oberfläche, oder Lavagestein ist.