DE10359959A1

DE10359959A1 - Entfeuchtung von Biogas

Info

Publication number: DE10359959A1
Application number: DE2003159959
Authority: DE
Inventors: Raimund Dr. Brotsack; Robert Dr. Nusko
Original assignee: Schmack Biogas GmbH
Current assignee: Schmack Biogas GmbH
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: DE10359959B9; DE10359959B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren und Anlagen zur Entfeuchtung von Biogas zur Verfügung, wobei das feuchte Biogas mittels eines hygroskopischen Trockenmittels getrocknet und das feuchte Trockenmittel anschließend regeneriert wird. Zur Regeneration des feuchten Trockenmittels wird erfindungsgemäß ungetrocknetes, feuchtes Biogas verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zur Entfeuchtung von Biogas
Biogasanlagen erzeugen durch einen mikrobiellen Abbauprozess von organischen Substanzen Biogas, das zu einem großen Teil aus Methan besteht. Das Biogas entsteht dabei in einem mehrstufigen Prozess, nämlich der Vergärung oder Faulung von Biomasse durch die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen, d. h. unter Ausschluss von Luft. Dieser mikrobielle Abbau organischer Stoffe wird in gegen die Umgebungsluft abgeschlossenen Behältnissen, den so genannten Fermentern, durchgeführt. Die Fermentation erfolgt in wässriger Umgebung. Die Art der Stämme der Mikroorganismen wird im Wesentlichen durch die spezifischen Prozessparameter wie Temperatur, Substrat, pH-Wert, etc. determiniert. Dadurch wird eine Anpassung der Mikroorganismen auf das jeweilige Substrat erreicht, wodurch es gelingt, eine Vielzahl organischer Materialien durch Fermentation abzubauen.
Organisches Material besitzt aus chemischer Sicht einen hochmolekularen Aufbau, der in den einzelnen Verfahrensschritten einer Biogasanlage durch Stoffwechseltätigkeit der Mikroorganismen zu niedermolekularen Bausteinen abgebaut wird. Neben Biogas verbleibt in der Prozesskette als Fermentationsrückstand eine Mischung aus Wasser, nicht abgebautem organischen Material und anorganischen Bestandteilen. Nicht abgebaut werden in der Regel stark ligninhaltige, holzige Materialien und cellulosereiche Stoffe. Anorganische Bestandteile sind Minerale in Form von Sand und Steinen, aber auch kristallisierte Salze.
Das bei der Fermentation entstehende Biogas besteht im Wesentlichen aus Methan und Kohlendioxid. Als Neben- bzw. Spurenbestandteile enthält es eine vom fermentierten Substrat und den Fermentationsbedingungen abhängige komplexe Mischung zahlreicher Substanzen. Beispiele für häufig im Biogas vorliegende Substanzen sind: Ammoniak, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefelwasserstoff, höhere Mercaptane, Kohlenstoffoxidsulfid, kurzkettige Carbonsäuren und siliziumorganische Verbindungen. Aufgrund der Genese des Gases im wässrigen Milieu liegt Biogas im Fermenter mit Wasserdampf gesättigt vor. Der absolute Wassergehalt des Gases hängt deshalb stark von der Temperatur im Fermenter ab.

Biogas kann auf verschiedene Arten verwertet werden. In der überwiegenden Zahl der derzeit verwendeten Biogasanlagen wird das Gas in Motoren verbrannt und die so gewonnene thermische Energie mittels Generatoren in elektrische Energie umgewandelt. Neben elektrischer Energie fällt bei dieser Art der Biogasnutzung thermische Energie in Form von Kühlflüssigkeit mit einer Temperatur von etwa 70 °C bis 90 °C sowie in Form von Abwärme an.

Alternativ zur Kombination Motor/Generator können Gasturbinen oder Brennstoffzellen zur Gewinnung elektrischer und thermischer Energie aus Biogas eingesetzt werden.

Weitere Möglichkeiten der Biogasnutzung ergeben sich nach der Gasreinigung und Kompression des Gases. Die wirtschaftlich bedeutendsten Verwendungsmöglichkeiten von komprimiertem und an Kohlendioxid abgereichertem Biogas sind die Einspeisung in das Erdgasnetz sowie der Betrieb von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.

Allen Biogasnutzungen ist gemeinsam, dass das Gas mit Metallteilen in Berührung kommt. Metallteile werden von einigen der typischerweise im Biogas vorhandenen Substanzen wie z. B. Ammoniak, Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid angegriffen. Besonders korrosionsgefährdet sind Metalle, wenn das Biogas mit Luftsauerstoff vermischt wird. In diesem Fall werden Kupfer und kupferhaltige Legierungen wie z. B. Messing, niedrig legierte Stähle und verzinkte Stahlteile stark angegriffen. Aber auch hoch legierte Stähle und Aluminium können einer Bio gas/Luft-Mischung nicht dauerhaft widerstehen. Die Korrosion ist umso ausgeprägter, je höher der Wassergehalt des Gases ist. Um Korrosion an den Anlagenbestandteilen zu verhindern bzw. um die Korrosion zumindest zu verlangsamen, ist es daher sinnvoll, den Wassergehalt von Biogas zu verringern. Der Korrosionsschutz stellt einen wesentlichen Grund für die Entfeuchtung von Biogas dar.

Ein weiterer Grund, der für eine Entfeuchtung von Biogas spricht, ist die Kondensation des Wassers an kühlen Stellen der Gasleitung. Das Kondensat kann unter ungünstigen Umständen einen Pfropfen in der Biogasleitung bilden, der den Gasfluss des mit nur sehr geringem Vordruck (typischerweise < 3 mbar) vorliegenden Gases unterbindet. Problematisch ist diese Kondensation vor allem in den anlagennahen Teilen der Gasleitung, die typischerweise geringe Durchmesser aufweisen und die üblicherweise nicht mit Kondensatfallen versehen sind.

Für die Entfeuchtung von Biogas spricht daneben auch die mit der Entfernung von Wasser einhergehende Abreicherung an polaren Gasbestandteilen. Stoffe, die gut wasserlöslich sind, wie z. B. Ammoniak, werden nämlich bei einer Entfeuchtung zumindest teilweise mit dem ausgetragenen Wasser entfernt.

Darüber hinaus ist die Absenkung der nativen Biogasfeuchte Grundvoraussetzung für die Anwendbarkeit der meisten Gasaufbereitungstechniken. Insbesondere gilt dies für die Verwendung trockener Adsorber wie z. B. Aktivkohle oder Molekularsiebe. Damit ist die Entfeuchtung ein wichtiger Schritt vor jeder aufwändigen Gasaufbereitung.

Die Biogasnutzung im Blockheizkraftwerk (BHKW) profitiert gleich mehrfach von der Entfeuchtung des Gases. Neben reduzierter Anlagenkorrosion verbessert die Entfeuchtung des Biogases das Zündverhalten des Gas/Luft-Gemisches positiv. Selbstzündende Motoren benötigen geringere Mengen an Zündöl, während Ottomotoren einen ruhigeren Motorlauf zeigen. Durch die Entfernung des Inertgases Wasser und der mitentfernten polaren Gasbestandteile wie z. B. Ammoniak steigt der Brenngasanteil im Gemisch. Zugleich muss in die Erwärmung des Inertgases weniger Energie gesteckt werden und der Wirkungsgrad der Biogasnutzung steigt.

Die Zusammensetzung von Biogas ähnelt der Zusammensetzung nativen Erdgases. Dementsprechend sind bei der Aufbereitung von Erdgas ähnliche Verfahrensschritte wie bei der Aufbereitung von Biogas nötig. Der für die Erdgasaufbereitung bekannte Stand der Technik ist allerdings nur bedingt auf die Aufbereitung von Biogas zu übertragen, da in Biogasanlagen deutlich geringere Gasmengen erzeugt werden. Die großen, in erdgasaufbereitenden Anlagen umgesetzten Gasmengen rechtfertigen im Gegensatz zu Biogasanlagen einen hohen Investitionsaufwand in aufbereitende Technik.

Ferner wird Erdgas zur Kohlendioxid-Entfernung und zum Transport in Pipelines komprimiert. Damit das Gas ohne Auskondensation von Wasser auf die erforderlichen Drucke komprimiert werden kann, muss die Entfeuchtung besonders effektiv sein. Erdgas wird typischerweise auf Taupunkte zwischen –50 °C und –20 °C entfeuchtet.

Die wesentlichen Unterschiede zwischen der Entfeuchtung im Rahmen der Erdgasaufbereitung und der Biogasaufbereitung liegen also in dem geringeren Durchsatz bei der Biogasaufbereitung, dem damit einhergehenden geringeren Investitionsaufwand in Anlagen und den geringeren technischen Anforderungen an die Entfeuchtung von Biogas.

In Biogasanlagen wird das im Fermenter mit Wasserdampf gesättigte Biogas durch Gasleitungen zur Biogasverwertung befördert. Der Gärprozess im Fermenter läuft bei relativ konstanter Temperatur ab, welche vom Anlagentyp abhängt. Im Allgemeinen kann man davon ausgehen, dass die Temperatur im Fermenter deutlich über der Umgebungstemperatur liegt. Die Gasleitungen sind meist nicht beheizt und besitzen daher Umgebungstemperatur bzw. die Temperatur des Bodens, in dem sie verlegt sind. Das im Fermenter mit Wasserdampf gesättigte Biogas kühlt sich beim Transport durch die Gasleitungen ab, wodurch Wasser in den Gasleitungen kondensiert. Dieses Kondensat muss über Kondensatfallen aus den Gasleitungen entfernt werden, da es sonst als Pfropf für das mit nur sehr geringem Vordruck (meist kleiner 3 mbar) vorliegende Biogas wirkt. Der beschriebene Kondensationseffekt wird in zahlreichen Biogasanlagen zur rudimentären Entfeuchtung des Gases genutzt.

Bei hohen Umgebungstemperaturen funktioniert diese Art der Biogasentfeuchtung nicht mehr bzw. nur noch sehr eingeschränkt. Hinzu kommt, dass der Gasraum über dem Fermenter durch Sonnenbestrahlung auf sehr hohe Temperaturen um die 60 °C aufgeheizt werden kann. Das Biogas transportiert dann eine noch größere Wasserdampfmenge und heizt zudem die Gasleitungen auf. Unter sommerlichen Bedingungen arbeitet eine typische Entfeuchtung über Gasleitungskondensation nicht mehr ausreichend. Taupunkte zwischen 25 °C und 35 °C sind dann üblich.

Zur Reduzierung dieser anlagenschädlichen, hohen Wassergehalte werden vor allem in größeren Biogasanlagen Biogaskühlungen installiert. Bei diesen Kühlungen handelt es sich meist um handelsübliche Klimatechnik. Dabei wird die komplette Kühlleistung durch elektrische Energie bereitgestellt. Derartige Aggregate sind relativ teuer in der Anschaffung und im Betrieb. Zudem geht der Verbrauch elektrischer Energie aber zu Lasten des Gesamtwirkungsgrades der Biogasanlage. Außerdem handelt es sich bei den eingesetzten Kühlmitteln um chemische Stoffe, die sachgerecht entsorgt werden müssen. Zur Illustration des Standes der Technik soll auf die Schrift DE 41 43 229 A1 verwiesen werden. Dort werden Ausführung und Vorzüge der Biogaskühlung mittels eines Kühlaggregates dargestellt.

Auch zur Entfeuchtung von Erdgas sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Verfahren bekannt. Einen Überblick über die verwendeten Technologien gibt z. B. „Gas Purification" (fifth ed. von Arthur Kohl und Richard Nielsen, 1997, Houston, Texas). Eine einfache und seit langer Zeit bekannte und breit genutzte Möglichkeit zur Entfeuchtung von Gasströmen ist die Wäsche mit Glykolen. Diese in „Gas Purification" ausführlich beschriebene Technik kann wie folgt zusammengefasst werden:

• Glykole werden häufig zur Entfeuchtung von Brenngasströmen eingesetzt.
• Zur Entfeuchtung eingesetztes, trockenes Glykol besitzt typischerweise Wassergehalte zwischen 0,5 % und 2 %.
• Nach der Entfeuchtung des Gases hat das nunmehr feuchte Glykol typischerweise Wassergehalte zwischen 3 % und 7 %.
• Das Glykol wird mit Hilfe eines Reboilers bei Temperaturen über 100 °C regeneriert (getrocknet).
• Der Standardprozess umfasst die Verfahrensschritte: Gastrocknen in einer Kolonne mit trockenem Glykol, Vorheizen des feuchten Glykols, Abscheiden der im feuchten Glykol gelösten Brenngase durch Anlegen von Unterdruck, Heizen des Glykols, Filtrieren des Glykols, Heizen des Glykols auf Temperaturen über 100 °C, Abscheiden des austretenden Wasserdampfes, im Kreislauf erhitzen und Wasserdampf abscheiden (Reboiler), Kühlen des getrockneten Glykols und Wiederverwendung zum Entfeuchten des Rohgases.
• Beschriebene Verbesserungen des Standardprozesses sind im Wesentlichen der Zusatz von Azeotropbildnern zum Glykol zur Erzeugung einer Strippgaswirkung, Wasserdampfstrippen durch Vakuum, Kondensation von Wasserdampf über einen so genannten „cold finger" und Einsatz eines Inertgases als Strippgas.

Beim Strippen von Waschflüssigkeiten werden Stoffe, die in der Waschflüssigkeit gelöst sind, mittels eines Gasstromes desorbiert. Üblicherweise wird zum Strippen ein Inertgas durch die Waschlösung geleitet. Alternativ kann das Inertgas in einer Kolonne über die Waschlösung geführt werden. Dieses zur Desorption gelöster Stoffe verwendete Gas wird Strippgas genannt.

In dem in „Gas Purification" dargestellten Stand der Technik zur Glykoldehydratisierung wird das im Glykol enthaltene Wasser in Dampfform abgetrennt. Dementsprechend muss das Glykol zur Trocknung auf über 100 °C erhitzt werden bzw. durch Anlegen von Unterdruck entfeuchtet werden. Ein derartiges Vorgehen erfordert eine der Glykoltrocknung vorgeschaltete Abtrennung der nach der Gaswäsche im feuchten Glykol gelösten Brenngaskomponenten. Andernfalls würden Brenngaskomponenten mit dem bei der Glykoltrocknung abgetrennten Wasser-dampf in die Umgebung entweichen, was wirtschaftlich und ökologisch unerwünscht ist. In dem in „Gas Purification" dargestellten Standardverfahren wird diese Vorabtrennung von Brenngaskomponenten durch Anlegen von Unterdruck an gelinde vorgeheiztes, feuchtes Glykol erreicht.

Der zur Erdgasaufbereitung bekannte Stand der Technik ist im Allgemeinen anlagentechnisch und energetisch zu aufwändig ausgelegt, um im Bereich der Biogasaufbereitung eingesetzt zu werden.

Es besteht daher weiterhin ein Bedürfnis an kostengünstigen und effizienten Verfahren zur Entfeuchtung von Brenngasen. Insbesondere für die Entfeuchtung von Biogas stehen derzeit keine wirkungsvollen Techniken zur Verfügung.

Darstellung der Erfindung

Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Anlagen zur Entfeuchtung von Biogas bereitzustellen, die eine kostengünstige und trotzdem effiziente Verminderung des Wassergehalts des Biogases erlauben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Entfeuchtung von Biogas gemäß Anspruch 1 und durch die Anlage zur Entfeuchtung von Biogas gemäß Anspruch 14 gelöst. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, den Beispielen und den Figuren.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Entfeuchtung von feuchtem Biogas zur Verfügung, wobei das feuchte Biogas mittels eines hygroskopischen Trockenmittels getrocknet und das, aufgrund der Aufnahme der Feuchtigkeit aus dem Biogas, feuchte Trockenmittel anschließend regeneriert wird. Zur Regeneration des feuchten Trockenmittels wird erfindungsgemäß ungetrocknetes, feuchtes Biogas verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Entfeuchtung von Biogas ist kostengünstig in Anschaffung und Betrieb und daneben besonders betriebssicher und umweltverträglich. Aufgrund der Verwendung von ungetrocknetem, feuchtem Biogas zur Regeneration des Trockenmittels wird der Einsatz eines zusätzlichen Strippgases vermieden.

So ist z. B. Luft als Strippgas aus mehreren Gründen nicht geeignet: Oxidation und Alterung des Trockenmittels, Oxidation und Ausfällung gelöster Gasinhaltsstoffe, Austrag klimaverändernder Brenngasanteile in die Umgebung, Explosionsschutz, Geruchsbelästigung, etc. Der Einsatz eines speziell bereit gestellten Inertgases zum Strippen des Trockenmittels ist verhältnismäßig teuer und aufwändig. Die Verwendung des an den meisten Anlagen kostenlos vorhandenen BHKW-Abgases zum Trocknen des Trockenmittels ist aufgrund des Stoffaustrages in die Umgebung (Brenngasverlust, Klimagasaustrag, Geruchsbelästigung), des Eintrages von Ruß und saurer Gase in das Trockenmittel (und damit in das Biogas) und der zu treffenden Explosionsschutzvorkehrungen ebenfalls ungünstig. Der Einsatz von Biogas zum Strippen des feuchten Trockenmittels vermeidet die genannten Nachteile.

Die Verwendung von ungetrocknetem, feuchtem Biogas zur Regeneration des Trockenmittels ist darüber hinaus vorteilhaft, da das Biogas im Gegensatz zu den üblichen Regenerationsmitteln weiter in der Entfeuchtungsanlage verbleibt und so nicht wie üblich ein Stoffaustrag mit dem Regenerationsmittel in die Umgebung erfolgt. Ferner kommt mit dem als Regenerationsmittel verwendeten Biogas kein zusätzlicher Stoff in die Anlage, der zur weiteren Alterung oder Vermischung des Trockenmittels bzw. zur nachteiligen Veränderung des zu reinigenden Biogases führt. Das Rohbiogas nimmt bei der Regeneration des Trockenmittels vorübergehend zusätzlich das Wasser auf, das dem Biogas letzten Endes entzogen wird.

Besonders hervorzuheben ist außerdem, dass das erfindungsgemäße Verfahren ohne Kompression des Biogases auf Drucke größer 0,3 bar auskommt. Damit entfällt die Verwendung sicherheitsrelevanter Druckbehälter bei einem gleichzeitig verringerten Aufwand an elektrischer Energie. Durch die sehr effiziente Verminderung des Wassergehalts in dem gemäß der vorliegenden Erfindung entfeuchteten Biogas werden außerdem die Korrosion feuchteempfindlicher Gasaufbereitungskomponenten und die Korrosion von Anlagen, in denen Biogas benutzt wird, verringert.

Zum Erzielen der geschilderten, wünschenswerten Effekte ist eine Entfeuchtung des Biogases auf Taupunkte um 10 °C völlig ausreichend. Unter dem so genannten Taupunkt wird die Temperatur verstanden, bei der der Dampfgehalt eines Gas-Dampf-Gemisches (z. B. Luft mit Wasserdampf) bei fortschreitender Abkühlung maximal wird (Sättigungstemperatur), das heißt, eine relative Feuchtigkeit von 100% herrscht. Wird die Luft unter den Taupunkt abgekühlt, so treten Übersättigung und Kondensation ein (Tau).

Zum störungsfreien Betrieb von Biogasanlagen mit direkter Umwandlung von Biogas in Strom und Wärme (BHKW, Brennstoffzelle, Gasturbine, usw.) ist eine Reduzierung der Gasfeuchte auf einen Taupunkt zwischen 0 °C und 10 °C sinnvoll. Solche Biogasanlagen können daher in vorteilhafter Weise betrieben werden, wenn konstant und unabhängig von den klimatischen Bedingungen ein auf Taupunkte unter 10 °C getrocknetes Biogas zur Verfügung gestellt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das feuchte Biogas daher auf Taupunkte unter 10 °C, besonders bevorzugt auf Taupunkte unter 0 °C, entfeuchtet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die zur Regeneration des feuchten Trockenmittels bei Temperaturen von wenigstens 60 °C erforderliche Erwärmung des Trockenmittels durch thermische Energie, die bei der Biogasverwertung gewonnen wird. Dadurch kann der Verbrauch von elektrischer Energie minimiert werden, was zu einer besonderen Umweltverträglichkeit des Verfahrens beiträgt.

Zur Erzielung einer besonders effektiven Trocknung des feuchten Biogases erfolgt die Trocknung bevorzugt bei Temperaturen kleiner 40 °C und besonders bevorzugt in einem Gegenstromverfahren, wobei sich das feuchte Biogas und das Trockenmittel in entgegengesetzten Richtungen bewegen.

Die Regeneration des feuchten Trockenmittels erfolgt besonders effektiv und schnell bei einer Temperatur von mindestens 60 °C, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 60 °C und 95 °C.

Das in dem Biogas nach der Regeneration des feuchten Trockenmittels enthaltene Wasser und Teile des bereits ursprünglich in dem Biogas enthaltenen Wassers können in besonders hoher Ausbeute und raschem Umsatz durch Abkühlung des feuchten Biogases auf Temperaturen kleiner 40 °C aus dem Biogas entfernt werden.

Restliches, in dem Biogas enthaltenes Wasser, wird unter Verwendung des regenerierten Trockenmittels aus dem Biogas entfernt. Das regenerierte, abgekühlte Trockenmittel wird also zur Entfeuchtung des nach der Regeneration abgekühlten und vom Kondensat befreiten Biogases verwendet, wobei das regenerierte Trockenmittel zuvor auf Temperaturen kleiner 40 °C abgekühlt wird.

Grundsätzlich wird das zur Trocknung des Biogases verwendete Trockenmittel gemäß der vorliegenden Erfindung zyklisch getrocknet und dadurch regeneriert. Bei längerem Gebrauch altert aber das Trockenmittel und seine Fähigkeit Wasser aufzunehmen nimmt ab. Gründe dafür sind z. B. chemische Veränderungen durch thermische Belastung, Oxidation durch Spuren von Sauerstoff im Biogas sowie Anreicherung von Feststoffen und im Trockenmittel gut löslichen Gasinhaltsstoffen. Durch Filtration des Trockenmittels können Feststoffe und Ausfällungen abgetrennt werden. Die Integration einer entsprechenden Einrichtung kann die Nutzungsdauer einer Trockenmittelfüllung erhöhen und die Betriebssicherheit einer Biogasanlage steigern. Trotz dieser Vorkehrungen fällt aber verbrauchtes und nicht mehr regenerierbares Trockenmittel an.

Von besonderem Vorteil wäre es, wenn nicht mehr regenerierbares Trockenmittel in einer Biogasanlage entsorgt werden könnte. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher als hygroskopisches Trockenmittel eine Verbindung aus der Gruppe der Glykole verwendet. Besonders bevorzugt wird als hygroskopisches Trockenmittel Triethylenglykol verwendet. Glykole können nämlich unter anaeroben Bedingungen mikrobiell abgebaut werden. Das verbrauchte Trockenmittel wird also aus der Entfeuchtungsanlage entnommen und anschließend in einer Biogasanlage bakteriell abgebaut. Dadurch wird die Entsorgung gealterter Trockenmittel in Biogasanlagen ermöglicht.

Die vorliegende Erfindung stellt außerdem eine Anlage zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren zur Entfeuchtung von Biogas zur Verfügung. Eine erfindungsgemäße Anlage umfasst wenigstens ein Mittel zum Bereitstellen von feuchtem, ungetrocknetem Biogas, wenigstens eine Entfeuchtungseinrichtung, in der das feuchte Biogas mittels eines hygroskopischen Trockenmittels entfeuchtet wird und wenigstens eine Entfeuchtungseinrichtung, in der das feuchte Trockenmittel mittels des ungetrockneten, feuchten Biogases regeneriert wird. Eine solche Anlage weist den besonderen Vorteil auf, dass sie einfach und kostengünstig an bestehenden Biogasanlagen nachgerüstet werden kann.

Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird als Entfeuchtungseinrichtung, in der das feuchte Biogas mittels eines hygroskopischen Trockenmittels entfeuchtet wird, eine Trocknungskolonne verwendet, während es sich bei der Entfeuchtungseinrichtung, in der das feuchte Trockenmittel mittels des ungetrockneten, feuchten Biogases regeneriert wird, um eine Regenerationskolonne handelt. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Trocknungskolonne und bei der Regenerationskolonne um baugleiche Kolonnen.

Bevorzugt umfasst die Anlage zusätzlich wenigstens einen Wärmetauscher, durch den das feuchte Trockenmittel auf eine Temperatur von wenigstens 60 °C erwärmt wird. Daneben kann die Anlage zusätzlich wenigstens einen Wärmetauscher umfassen, durch den das regenerierte Trockenmittel auf Temperaturen kleiner 40 °C abgekühlt wird. Die Anlage kann auch noch wenigstens einen weiteren Wärmetauscher umfassen, durch den der zur Regeneration des feuchten Trockenmittels verwendete ungetrocknete, feuchte Biogasstrom nach der Regeneration des feuchten Trockenmittels auf Temperaturen kleiner 40 °C abgekühlt wird.

Besonders bevorzugt wird eine Anlage, die zusätzlich wenigstens einen Kondensatabscheider umfasst, durch den das sich durch die Abkühlung des Biogasstroms bildende Kondensat aus dem gekühlten Biogasstrom abgeschieden wird.

Mit diesen, für eine Anlage zum Entfeuchten von Biogas gemäß der vorliegenden Erfindung beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind die gleichen Vorteile verbunden, wie sie im Zusammenhang mit den Verfahren zum Entfeuchten von Biogas gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt wurden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zur Illustration der Erfindung und zur Verdeutlichung ihrer Vorzüge werden nachfolgend Ausführungsbeispiele beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sollen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es versteht sich von selbst, dass diese Angaben die Erfindung nicht beschränken sollen. Es zeigen
1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anlage in schematischer Darstellung;
2 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung;
3 die Ergebnisse eines Gärversuchs zur Abbaubarkeit von Triethylenglykol.

1: Biogasleitung für die Zufuhr von feuchtem Biogas
2: Regenerationskolonne zur Entfeuchtung von feuchtem Trockenmittel
3: Wärmetauscher zur Erwärmung des feuchten Trockenmittels
4: Wärmetauscher zur Abkühlung des feuchten Biogases
5: Kondensatabscheider
6: Trocknungskolonne zur Trocknung des Biogases
7: Wärmetauscher zur Abkühlung des getrockneten Trockenmittels
8: Kondensatablass
9: Biogasleitung zur Ableitung des trockenen Biogases
10: Gebläse zur Förderung des Biogases durch die Anlage
11: Temperaturgesteuerte Pumpe zur Förderung der Kühlflüssigkeit des BHKW
: durch den Wärmetauscher 3
12: automatischer Kondensatabscheider
13: Wärmetauscher mit Gebläse zum Kühlen des feuchten Biogases
14: Wärmetauscher mit Gebläse zum Kühlen des getrockneten Trockenmittels
15: Zwischenspeicher für feuchtes Trockenmittel mit Füllstandsmessung zur An
: steuerung der Förderpumpe 16
16: Förderpumpe für feuchtes Trockenmittel
17: Zwischenspeicher für trockenes Trockenmittel mit Füllstandsmessung zur An
: steuerung der Förderpumpe 18
18: Förderpumpe für trockenes Trockenmittel

Wege zur Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt in schematischer Darstellung den prinzipiellen Aufbau einer Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung. Das feuchte Rohbiogas wird erfindungsgemäß zur Entfeuchtung des feuchten Trockenmittels eingesetzt. Dazu wird das in einem Wärmetauscher 3 auf Temperaturen zwischen 60 °C und 95 °C erwärmte, feuchte Trockenmittel in einer Kolonne 2 mit rohem, feuchtem Biogas gestrippt. Das Strippen erfolgt bevorzugt im Gegenstrom. Der Einsatz des Biogases zur Trocknung des feuchten Trockenmittels ermöglicht die effektive Regeneration bei Temperaturen kleiner 100 °C.
Das zusätzlich angefeuchtete Biogas wird in einem Wärmetauscher 4 auf Temperaturen kleiner 40 °C abgekühlt. Die auskondensierende Feuchte wird in einem Kondensatabscheider 5 abgetrennt und in flüssiger Form am Kondensatablass 8 aus der Anlage entnommen. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen Verfahren wird die Feuchte bei Temperaturen deutlich kleiner 100 °C als Wasser und nicht als Dampf aus dem Kreislauf abgetrennt. Das auf unter 40 °C gekühlte und vom Kondensat befreite Biogas wird in einer Kolonne 6 mit trockenem und in einem Wärmetauscher 4 auf unter 40 °C gekühltem Trockenmittel entfeuchtet. Die Kolonne 6 wird bevorzugt im Gegenstrom betrieben. Das auf einen Taupunkt unter 10 °C getrocknete Biogas verlässt an der Gasableitung 9 die Entfeuchtungsanlage.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung. Um die folgende Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels kurz und übersichtlich zu gestalten, werden nur die wesentlichen technischen Einrichtungen beschrieben. Dem Fachmann ist bei der Lektüre der Beschreibung klar, dass zahlreiche, für die Funktion und für den praktischen Betrieb der Anlage erforderliche bzw. sinnvolle Details nicht aufgeführt sind. Dabei handelt es sich insbesondere um Ventile, Sicherheitseinrichtungen, Rohrdimensionen und -materialien, Isolierungen und dergleichen mehr.
Die Entfeuchtungsanlage des Ausführungsbeispiels ist auf einen Biogasfluss von etwa 150 m³/h ausgelegt. Als Trockenmittel wird Triethylenglykol verwendet. Das Biogas strömt, abhängig von der Umgebungstemperatur und den örtlichen Gegebenheiten, mit einer Temperatur zwischen 5 °C und 35 °C und entsprechenden Taupunkten zwischen 0 °C und 35 °C aus der Gasleitung 1 in die Entfeuchtungsanlage. Mittels eines Seitenkanalverdichters 10, der zur Überwindung des Gegendrucks der Entfeuchtungsanlage das Biogas auf einen Vordruck von etwa 0,05 bar bis 0,10 bar verdichtet, wird das Gas durch die Anlage gefördert. Das feuchte Rohgas strömt von unten nach oben durch eine Füllkörperkolonne mit 35 cm Durchmesser und einer Packungshöhe von 190 cm. Die Packung besteht aus 25 mm Raschig-Ringen. Die Temperatur in der Kolonne 2 liegt zwischen 75 °C und 80 °C. Die erforderliche Wärme wird durch Heizen des oben in die Kolonne geförderten, feuchten Triethylenglykols in einem Wärmetauscher 3 eingetragen. Der Wärmetauscher 3 besitzt eine thermische Leistung von 22 kW. Er bezieht die Wärme aus dem Kühlmittel des zur Biogasverwertung eingesetzten Blockheizkraftwerks (BHKW).
Die zur Förderung des Kühlmittels des BHKWs eingesetzte Pumpe 11 ist temperaturgesteuert. Das Biogas verlässt die Regenerationskolonne 2 mit einer Temperatur von etwa 75 °C bis 80 °C. Im Wärmetauscher 13, der eine thermische Leistung von 4 kW und ein Gebläse zum Durchsatz der Umgebungsluft besitzt, wird es auf annähernd Umgebungstemperatur abgekühlt. In diesen Wärmetauscher 13 ist eine Kondensatabscheidung 12 integriert, die nach dem Siphon-Prinzip wartungsfrei arbeitet. Das Kondensat wird abgetrennt und das gekühlte Biogas von unten in die Trocknungskolonne 6 eingebracht. Die Trocknungskolonne 6 ist baugleich mit der Regenerationskolonne 2. Oben verlässt das getrocknete Biogas die Trocknungskolonne mit etwa Umgebungstemperatur, um an der Gasableitung 9 aus der Trocknungsanlage zu entweichen. Das getrocknete Biogas besitzt ganzjährig einen Taupunkt kleiner 10 °C. Bei kühlen Umgebungstemperaturen sind Taupunkte deutlich unter 0 °C zu erreichen.
Das aus der Regenerationskolonne 2 unten entweichende, getrocknete Trockenmittel wird in einem füllstandsüberwachten Zwischenspeicher 17 gesammelt. Bevorzugt ist der Zwischenspeicher 17 in das Gehäuse der Kolonne 2 integriert. Das getrocknete Trockenmittel wird aus dem Zwischenspeicher 17 mit der Förderpumpe 18 durch den Wärmetauscher 14 von oben in die Trocknungskolonne 6 gefördert. Die Pumpe 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf eine Förderleistung von 600 l/h ausgelegt. Sie wird über den Füllstand im Zwischenspeicher 17 gesteuert. Der Wärmetauscher 14 besitzt eine thermische Leistung von 22 kW und verfügt über ein Gebläse zur Kühlung des getrockneten Trockenmittels mittels Umgebungsluft auf Temperaturen kleiner 40 °C. Das Trockenmittel nimmt in der Trocknungskolonne 6 Feuchtigkeit aus dem Biogas auf. Nach der Trocknungskolonne 6 wird das feuchte Trockenmittel in einem füllstandsüberwachten Zwischenspeicher 15 gesammelt. Bevorzugt ist der Zwischenspeicher 15 in das Gehäuse der Kolonne 6 integriert. Das getrocknete Trockenmittel wird aus dem Zwischenspeicher 15 mit der Förderpumpe 16 durch den Wärmetauscher 3 von oben in die Regenerationskolonne 2 gefördert. Die Pumpe 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf eine Förderleistung von 600 l/h ausgelegt. Sie wird über den Füllstand im Zwischenspeicher 15 gesteuert.
Die Verwendung von Triethylenglykol als Trockenmittel ermöglicht die Entsorgung von gealtertem Trockenmittel in Biogasanlagen. In Gärversuchen wurde die Abbaubarkeit von Triethylenglykol untersucht. In 3 ist das Ergebnis eines Gärversuches wiedergegeben, der in Anlehnung an DIN 38414-S8 durchgeführt wurde. Das Triethylenglykol wurde ohne weitere Vorbehandlung zum Impfschlamm zugegeben. Die bestimmte Gasausbeute wurde auf die eingesetzte Menge Triethylenglykol bezogen. In 3 ist der Verlauf der Gasausbeute in Relation zu einem Vergleichsschlamm aufgetragen. Die Zugabe von Glykol zum Impfschlamm im Gärversuch zeigt in den ersten 15 Tagen eine deutliche Hemmung der Biogasproduktion. Dann steigt jedoch die Biogasproduktion rasch und kontinuierlich an. Ab dem 20. Versuchstag kann eine positive Biogasproduktion gemessen werden. Nach der Anfangshemmung erfolgt die Gasproduktion zügig. Sie ist dann innerhalb von 10 bis 15 Tagen abgeschlossen.

Claims

Verfahren zur Entfeuchtung von feuchtem Biogas, wobei das feuchte Biogas mittels eines hygroskopischen Trockenmittels getrocknet und das feuchte Trockenmittel anschließend regeneriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regeneration des feuchten Trockenmittels ungetrocknetes, feuchtes Biogas verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das feuchte Biogas auf Taupunkte unter 10 °C, insbesondere auf Taupunkte unter 0 °C, entfeuchtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als hygroskopisches Trockenmittel eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe der Glykole verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei als hygroskopisches Trockenmittel Triethylenglykol verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trocknung des feuchten Biogases bei Temperaturen kleiner 40 °C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Trocknung des feuchten Biogases durch das Trockenmittel im Gegenstromverfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regeneration des feuchten Trockenmittels bei einer Temperatur von mindestens 60 °C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Regeneration des feuchten Trockenmittels bei einer Temperatur zwischen 60 °C und 95 °C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zur Regeneration des feuchten Trockenmittels verwendete Biogas nach der Regeneration des feuchten Trockenmittels auf Temperaturen kleiner 40 °C abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das sich durch die Abkühlung des Biogases bildende Kondensat aus dem gekühlten Biogasstrom abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das regenerierte Trockenmittel auf Temperaturen kleiner 40 °C abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das regenerierte, abgekühlte Trockenmittel zur Entfeuchtung des nach der Regeneration abgekühlten und vom Kondensat befreiten Biogases verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die zur Regeneration des feuchten Trockenmittels bei Temperaturen von wenigstens 60 °C erforderliche Erwärmung des Trockenmittels durch thermische Energie erfolgt, welche bei der Biogasverwertung gewonnen wird.
Anlage zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend – wenigstens ein Mittel (1) zum Bereitstellen von feuchtem, ungetrocknetem Biogas, – wenigstens eine Entfeuchtungseinrichtung (6), in der das feuchte Biogas mittels eines hygroskopischen Trockenmittels entfeuchtet wird und – wenigstens eine Entfeuchtungseinrichtung (2), in der das feuchte Trockenmittel mittels des feuchten, ungetrockneten Biogases regeneriert wird.
Anlage nach Anspruch 14, wobei es sich bei der Entfeuchtungseinrichtung (6), in der das feuchte Biogas mittels eines hygroskopischen Trockenmittels entfeuchtet wird, um eine Trocknungskolonne (6) handelt.
Anlage nach Anspruch 14 oder 15, wobei es sich bei der Entfeuchtungseinrichtung (2), in der das feuchte Trockenmittel mittels des feuchten, ungetrockneten Biogases regeneriert wird, um eine Regenerationskolonne (2) handelt.
Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei es sich bei der Trocknungskolonne (6) und bei der Regenerationskolonne (2) um baugleiche Kolonnen handelt.
Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Anlage zusätzlich wenigstens einen Wärmetauscher (3) umfasst, durch den das feuchte Trockenmittel auf eine Temperatur von wenigstens 60 °C erwärmt wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die Anlage zusätzlich wenigstens einen Wärmetauscher (7) umfasst, durch den das regenerierte Trockenmittel auf Temperaturen kleiner 40 °C abgekühlt wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei die Anlage zusätzlich wenigstens einen Wärmetauscher (4) umfasst, durch den der zur Regeneration des feuchten Trockenmittels verwendete ungetrocknete, feuchte Biogasstrom nach der Regeneration des feuchten Trockenmittels auf Temperaturen kleiner 40 °C abgekühlt wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei die Anlage zusätzlich wenigstens einen Kondensatabscheider (5) umfasst, durch den das sich durch die Abkühlung des Biogasstroms bildende Kondensat aus dem gekühlten Biogasstrom abgeschieden wird.