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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Entfeuchtung
von Biogas.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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Biogas
kann auf verschiedene Arten verwertet werden. In der überwiegenden
Zahl der derzeit verwendeten Biogasanlagen wird das Gas in Moto ren
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.
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Alternativ
zur Kombination Motor/Generator können Gasturbinen oder Brennstoffzellen
zur Gewinnung elektrischer und thermischer Energie aus Biogas eingesetzt
werden.
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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.
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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 Biogas/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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Tem peratur
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
zur Erdgasaufbereitung bekannte Stand der Technik ist im Allgemeinen
anlagentechnisch und energetisch zu aufwändig ausgelegt, um im Bereich der
Biogasaufbereitung eingesetzt zu werden.
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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.
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Darstellung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
ge alterter Trockenmittel in Biogasanlagen ermöglicht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Zur
Illustration der Erfindung und zur Ver deutlichung 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
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1 den
prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anlage in schematischer
Darstellung;
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2 ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung;
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3 die
Ergebnisse eines Gärversuchs
zur Abbaubarkeit von Triethylenglykol.
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- 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 Ansteuerung der Förderpumpe 16
- 16
- Förderpumpe
für feuchtes
Trockenmittel
- 17
- Zwischenspeicher
für trockenes
Trockenmittel mit Füllstandsmessung
zur Ansteuerung der Förderpumpe 18
- 18
- Förderpumpe
für trockenes
Trockenmittel
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Die 1 zeigt
in schematischer Darstellung den prinzipiellen Aufbau einer Anlage
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das feuchte Rohbiogas wird erfindungsgemäß zur Entfeuchtung
des feuchten Tro ckenmittels 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.
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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 7 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.
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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.
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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 ein getragen.
Der Wärmetauscher 3 besitzt
eine thermische Leistung von 22 kW. Er bezieht die Wärme aus dem
Kühlmittel
des zur Biogasverwertung eingesetzten Blockheizkraftwerks (BHKW).
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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.
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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.
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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 Gärversu ches
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.