DE10340074A1

DE10340074A1 - Schwachgasentsorgungsanlage

Info

Publication number: DE10340074A1
Application number: DE2003140074
Authority: DE
Inventors: Achim Wörsdörfer
Original assignee: PRO2 ANLAGENTECHNIK GmbH
Current assignee: PRO2 ANLAGENTECHNIK GmbH
Priority date: 2003-08-30
Filing date: 2003-08-30
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-08-31
Also published as: DE10340074B4

Abstract

Schwachgasentsorgungsanlage DOLLAR A Schwach methanhaltige Gase (Klär-, Bio-, Deponie- und Grubengas) werden bei unter 25% Methangehalt weder genutzt noch in das unschädlichere CO¶2¶ umgewandelt, sondern über geeignete Schutzmaßnahmen in die Atmosphäre entlassen. Ziel ist es, diese Gase in weniger schädlicheres CO¶2¶ umzuwandeln und die Explosionsgefahr abzuwenden. DOLLAR A Das schwachmethanhaltige Gas wird in natürlicher Strömungsrichtung über den Prozesswärmeträger geleitet und durch die Prozesswärme wird die Verbrennung des Gases eingeleitet. Die Starttemperatur von ca. 800 DEG C für den Prozess wird durch Zufuhr von Fremdenergie erreicht, anschließend läuft die Verbrennung selbstständig ab. Das Gas wird vor der Verbrennung über einen Abgaswärmetauscher geführt und die Abgaswärme an das Gas übertragen. Die Steuerung des Verbrennungsprozesses erfolgt über die gesteuerte Zufuhr von Frischluft, Lambda geregelt, siehe Abbildung 1. DOLLAR A Angewendet werden kann die Schwachgasentsorgungsanlage zur Entsorgung von Deponie-, Klär-, Bio- und Grubengasen mit Methangehalten unter 25%.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur sicheren Entsorgung von schwach methanhaltigen Gasen (Klär-, Bio-, Deponie- und Grubengas), die durch einen Methangehalt von weniger als 25% gekennzeichnet sind.
Der Treibhauseffekt wird durch klimarelevante Gase wie z.B. Kohlendioxid (CO₂) und Methan (CH₄) verstärkt, sodass es zu einer unerwünschten Erhöhung der Durchschnittstemperatur auf der Erde kommt. Methan hat einen 23 mal höheres Klimaschädigungspotential als CO₂.
Die Verbrennung von Deponie-, Klärgas, etc. und damit die Umwandlung von Methan in H₂O und CO₂ ist somit ein Beitrag zum Klimaschutz.
Natürliches Methan stellt neben der Klimagefährdung auch ein Sicherheitsrisiko aufgrund der Explosionsgefahr dar. Es wird im Steinkohlebergbau als methanhaltiges Grubengas frei, in Mülldeponien kommt es beim Abbau organischer Abfälle zur Bildung von Deponiegas, bei der Vergärung von organischen Reststoffen und Biomasse entsteht Biogas und in der Abwasserbehandlung entsteht es als Klärgas.
Schwachgas ist allein nicht brennbar. Die fachgerechte Entsorgung im Rahmen geltender Gesetzte und Verordnungen wird dadurch sehr kostenintensiv.
Die Brenngase werden aufgrund ihrer Brennwerte in verschiedene Klassen Eingeteilt. Diese reichen von Schwachgas bis Reichgas. Ein Deponiegas mit einem unter 25%igem Methangehalt wird als Schwachgas bezeichnet Bei Methangehalten von über 40% ist die energetische Nutzung des Gases in Gasmotoren zur Energieerzeugung möglich. Unter 40% bis ca. 25% wird das Methan zu Gefahrenabwehr in Fackelanlagen verbrannt. Ein sicherer und kontrollierter Betrieb einer Fackel ist jedoch nur bis 25% CH₄-Gehalt gegeben.

Stand der Technik ist es bei geringeren Methangehalten das Gas über geeignete Schutzeinrichtungen in die Atmosphäre zu entlassen.

Zur sicheren und klimaverträglichen Entsorgung sowie der Vermeidung von Geruchsbelästigungen von schwachmethanhaltigen Deponie-, Klär-, Bio- und Grubengasen ist eine neue alternative Entsorgungsanlagenlösung zu finden.

Als Alternativen zum freien Ablassen in die Atomsphäre der schwachmethanhaltigen Gase sind zur Zeit in der Praxis Biofilter für die Entsorgung weit verbreitet. Der Einsatz von Biofiltern ist zwar bekannt aber Ihre Effizienz zum Methanabbau ist nicht nachgewiesen.

Weiterhin stehen Verfahren zur Verfügung, bei denen das schwachmethanhaltige Gas mit Brenngas (Erdgas) angereichert wird und in Fackelanlagen verbrannt werden kann. Diese Verfahren sind ökonomisch und ökologisch nicht sinnvoll.

Zusätzlich sind Anlagen bekannt, die mit den Verfahren der nichtkatalytischen Oxidation betrieben werden. Das angewendet Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es nur mit geringen Konzentrationen (maximal 1,5 %) an brennbaren Kohlenwasserstoffen beladene Gas im Reaktor umgesetzt wird.

Die Gase müssen durch apparative Umsteuerungen über den Reaktor geführt werden, können nicht in natürlicher Strömungsrichtung fließen.

Weiterhin ist ein 2. Reaktor erforderlich, um den Prozess kontinuierlich ablaufen zu lassen. Wenn die Verbrennungstemperatur im Reaktor 1 bestimmte Grenzen über- bzw. unterschreitet wird der Gasstrom über den Reaktor 2 geleitet, bis hier die Grenzwerte über- bzw. unterschritten werden und auf Reaktor 1 zurückgeschaltet werden muss. Dies alles bedeutet eine hohen konstruktiven Aufwand.

Bei höheren Methangehalten müssen die Schwachgase stark verdünnt werden, damit der Oxidationsprozess ablaufen kann, z.B. um ein Deponiegas mit 17% CH₄ entsorgen zu können, wird eine Verdünnung auf 0,75% CH₄ herbeigeführt, wodurch das Volumen um ca. den Faktor 23 ansteigt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, unter Verwendung der natürlichen Strömungsrichtung auch Schwachgase mit weniger als 25 % CH₄-Gehalt ohne zusätzliche Luftverdünnung zu verbrennen.

Gelöst wurde diese Aufgabe durch den Einsatz einer bekannten Fackel/Verdichteranlage die wie folgt modifiziert wurde.

Das Schwachgas wird über den Verdichter der Schwachgasfackel zugeführt und strömt über eine Verteilungseinrichtung senkrecht, in natürlicher Richtung über den Prozesswärmeträger. Im Prozesswärmeträger werden die brennbaren Kohlenwasserstoffe, somit auch das Methan verbrannt. Der Prozesswärmeträger ist ein zylindrischer oder rechteckiger Behälter, der mit keramischen Bruchstücken (1-3cm Größe) gefüllt ist. Diese Keramikbruchstücke werden zu Beginn des Prozesse durch Fremdenergiezufuhr, z.B. durch eine Gasbrenner oder eine elektrische Widerstandsheizung, auf ca. 800°C erwärmt, bevor das Schwachgas von unten eingeleitet wird.

Ab etwa 800°C läuft die Verbrennung des Schwachgases autotherm ab. Die Steuerung der Verbrennungstemperatur und die Temperaturverteilung im Prozesswärmeträger erfolgt durch eine zusätzliche Frischlufteinblasung. Gesteuert wird die Frischlufteinblasung über den im Abgas gemessenen Restsauerstoffgehalt (Lambda-Wert).

Bevor das Schwachgas in den Prozesswärmeträger geleitet wird, fließt es über einen Abgaswärmetauscher, in dem die Abgaswärme an das Schwachgas (Prozessgas) übertragen wird.

Die Erfindung wird an Hand der Betriebsfunktion und der 1 erläutert:
Die Anlage wird als transportable und betriebsfertige Containereinheit ausgeliefert und beinhaltet das Ansauggebläse/Verdichter, das Gasanalysesystem, den Prozesswärmeträger sowie die elektronische Steuerung. Die Anlage wird beispielsweise an eine Deponie-Sammelleitung angeschlossen und wird automatisch betrieben.
Betriebsfunktion:
Die Startphase/Aufheizphase läuft wie folgt ab: Das Schnellschussventil in der Schwachgasleitung ist geschlossen. Das Luftgebläse wird gestartet, die Luftregulierklappe ist geöffnet. Nach einer Spülzeit von 20 sec. wird das Luftgebläse abgestellt und die Luftregulierklappe geschlossen. Danach öffnet das Magnetventil in der Zündgasleitung und der Propangasgebläsebrenner wird gestartet. Die Zündung und Überwachung erfolgt mit einem im Propangasgebläsebrenner integriertem System.
Die Umschaltung auf Schwachgasbetrieb erfolgt nach Erreichen der erforderlichen Prozesstemperatur (T1 = 800 °C) im Prozesswärmeträger. Das Magnetventil in der Zündgasleitung schließt und gleichzeitig startet der Schwachgasverdichter mit einer voreingestellten Drehzahl und die Schnellschussklappen in der Schwachgasleitung werden geöffnet.
Das Luftgebläse wird mit geschlossener Luftregulierklappe gestartet und die Lambda-Regelung wird aktiviert.
Als Regelgröße für den Verbrennungsprozess ist der Restsauerstoffgehalt im Abgas in der Höhe von ca. 4 – 5 % festgelegt. Die Regelung erfolgt über die Luftzufuhr, die über die Luftklappe gesteuert wird.
Bei Überschreitung der Grenztemperatur (T3 = 1200 °C) wird die Luftregulierklappe voll geöffnet, so dass der Prozesswärmeträger mit Luft durchströmt wird. Nach erfolgter Abkühlung wird die Lambda-Regelung mit einer entsprechenden Hysterese wieder freigegeben.
Die Betriebsüberwachung des Prozesswärmeträger erfolgt über die Temperatur im Inneren des Prozesswärmeträger. Bei Überschreitung der Grenztemperatur am Messpunkt 2 und bei Unterschreitung der Abgasgrenztemperatur erfolgt die automatische Abschaltung der Anlage mit einer frei einstellbaren Zeitverzögerung. Bei einer Abstellung der Anlage wird zunächst die Schnellschussklappe in der Schwachgasleitung geschlossen und der Schwachgasverdichter ausgeschaltet, so dass nur noch Luft durch den Prozesswärmeträger strömt. Nach einer Spülzeit von 20 sec. wird auch die Luftzufuhr abgestellt und der Rest der Anlage abgeschaltet. Somit ist sichergestellt, dass bei einem erneuten Start kein brennbares Gas in dem System vorhanden ist.
Der Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass bekannte Komponenten von Fackelanlage wie Verdichter, Containeranlage, etc. zur Realisierung der Schwachgasentsorgungsanlage benutzt werden können. Weiterhin, dass der erfindungsgemäß aufgebaute Prozesswärmeträger erfindungsgemäß senkrecht in natürlicher Richtung vom unverdünnten Schwachgas durchströmt wird. Das System kommt erfindungsgemäß mit nur einem Prozesswärmeträger aus, eine Umschaltung der Gaszuführung zur Durchströmung eines zweiten Wärmeträgers ist nicht erforderlich.

Claims

Anlage zur Verbrennung von schwach methanhaltigen Gasen (Deponie-, Klär-, Bio- und Grubengas), dadurch gekennzeichnet, dass ein schwach methanhaltiges Gas in natürlicher Strömungsrichtung über einen Prozesswärmeträger (Oxidationskörper) strömt und die Verbrennung aufgrund der Prozesswärme eingeleitet wird.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schwach methanhaltigen Gase auf der Abgasseite der Fackelanlage über einen Abgaswärmetauscher geführt werden und die Abgaswärme an das Gas (Prozessgas) übertragen wird und anschließend das Gas dem Prozess zugeführt wird.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Verbrennungsprozesses über die gesteuerte Luftzufuhr erfolgt, geregelt durch die Restsauerstoffgehaltsmessung im Abgas. (Lambda geregelt). Die im Abgas gemessene Restsauerstoffmenge stellt die Regelgröße für die Frischluftzufuhr dar.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anfänglich der Wärmeträger durch Zufuhr von Fremdenergie auf Prozess- bzw. Reaktionstemperatur aufgeheizt wird. Nach Erreichung der Prozesstemperatur läuft die Verbrennung selbstständig weiter, gesteuert über eine kontrollierte Frischluftzufuhr.