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Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Methan
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von hochprozentigem
Methan aus Methan/Luft-Gemischen, insbesondere aus Grubengasen sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Methan ist der Hauptbestandteil des Erdgases und ist außerdem stets
der Luft der Kohlenbergwerke beigemengt. Das letztere Vorkommen ist auf das Gas
zurückzuführen, das in der Steinkohle eingeschlossen ist, ca. 80 bis 90 0b Methan
enthält und aus dem organischen Bestandteil der Steinkohle durch eine Art von trockenem
Destillationsprozeß gebildet wird. Um die Steinkohle schon vor dem Abbau wenigstens
teilweise zu entgasen, wird dieses Gas durch Bohrlöcher im Bereich des abzubauenden
Flözes abgesaugt und aus dem Grubenbau abgeleitet. Bei diesem Absaugen mischt sich
auch Luft aus den Gängen dem Methan bei, so daß in Grubengasen Methankonzentrationen
je nach Dichtheit des Absaugloches zwischen 20 und 90 t schwanken können. Die Absauggase
mit
einer Methankonzentration von über 25 t können im Bereich der Zeche als Energielieferant
für Antriebe und Heizungen genutzt werden. Im allgemeinen geschieht dies nur zum
Teil; der ungenutzte Rest wird offen abgebrannt.
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Es ist bekannt, daß bei einer Konzentration von mehr als 70 % Methan
Grubengase auch außerhalb der Zelle bei Fremdabnehmern als Energielieferant dienen
können (Grubengasabsaugung, Handbuch für Steinkohlenbergbau, Verlag Glückauf, 1980,
S. 256, 411 ff.). Hinzu kommt, daß hochprozentiges Methan, insbesondere das aus
Kohlegruben, au(-h in der c-hemischen Industrie bzw. im irìl Metallllüttenwscll
als Itohstofl- Verwendung findet. Methoden zur Gewinnung von hochprozentigem Methan
aus Grubengasen mit schwankenden Methankonzentrationen sind bisher nicht beschrieben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches
Verfahren zu entwickeln, mit dem die Anreicherung des Methans insbesondere aus Absauggasen
über Tage oder auch vor Ort möglich ist.
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Ferner ist das Arbeiten in tiefgelegenen Kohlenflözen durch die hohen
Umgebungstemperaturen erschwert. Deshalb ist eine ständige Kühlung erforderlich.
Gleichzeitig müssen die Flöze mit Frischluft beschickt, d.h. bewettert werden. Durch
diese Bewetterung kann auch die Kühlung erzielt werden. In großen Tiefen ist eine
solche Luftzu- bzw.-abfuhr wegen der großen Wege und wegen des hohen Wärme anfalls
beim Abbau der heißen Kohle problematisch. Für Gruben in Teufen von ca. 1000 m und
mehr werden elektrisch betriebene Luftkühler eingesetzt.
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Daher sollte das erfindungsgemäße Verfahren zweckmäßigerweise auch
eine gleichzeitige Bewetterung bzw. Kühlung ermöglichen.
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Es hat sich nun gezeigt, daß sich das Hauptziel der Erfindung erreichen
läßt, wenn das von Wasser und Staub befreite Methan/Luft-Gemisch durch ein Filter
geleitet wird, das mit einem für Methan selektiven Molekularsieb gefüllt ist und
das absorbierte Methan bei der Regeneration des Molekularsiebs durch Abpumpen gewonnen
wird. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in
den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben.
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Erfindungsgemäß kann das Filter bei Temperaturen von weniger als 20
OC betrieben und das Verfahren auch unter Tage durchgeführt werden. In diesem Fall
wird die gekühlte, von Methan befreite Luft anschließend in die Grube zurückgeführt
und somit die Kühlung des Grubenwetters erzielt.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der Zuleitung für das
Methan/Luft-Gemisch Einrichtungen zur Abscheidung von Wasser, z.B. Kühlfalle, und
von Staub, z.B. Staubfilter, vorgesehen, denen mindestens ein mit dem für Methan
selektiven Molekularsieb gefülltes Filter nachgeschaltet ist, an dessen Ausgangsseite
eine Methanmeßsonde angeordnet ist, welche den Sättigungszustand des Filters anzeigt,
sowie Einrichtungen zum Abpumpen vorgesehen sind.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind
in den Unteransprüchen 9 und 10 beschrieben.
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Als methanselektives Molekularsieb ist insbesondere entsprechend behandelte
Aktivkohle geeignet. Auch Zeolithe können eingesetzt werden. Die Desorption des
Methans findet normalerweise bei der Adsorptionstemperatur, nämlich bei Umgebungstemperaturen,
statt. Bei erhöhten Filtertemperaturen
wird die Desorption verstärkt;
das Molekularsieb kann hierzu z.B. von einer Filtertemperatur von ca. -10 OC auf
eine Temperatur von ca. +30 OC erhitzt werden.
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Das Absaugen des Filters erfolgt mit Unterdruck. Das Filter muß allerdings
während des Absaugens aus dem Luft-Methan-Pumpstrom ausgeschaltet sein. Die Gesamtanlage
sollte daher vorzugsweise mit mindestens zwei oder mit einem ganzen Satz alternierend
einsetzbarer Filterbehälter arbeiten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vor allem für Grubengase
mit Konzentrationen von mehr als 20 Oo zur Anreicherung des Methans einsetzen und
vorzugsweise im oberen Grubenbetrieb. Ebenso könnte das Verfahren bei Gasausbrüchen
im Streb sowie bei Anreicherungen in schwer bewetterbaren Ecken der Grube oder im
Untertrumm großer Maschinen angewandt werden, wo es Sicherheit mit Energiegewinnung
verbindet. Die durch die Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin
zu sehen, daß mit der Anreicherung des Methans die energiereichen und großenteils
nutzlos abgefackelten Grubenabsauggase zu einem dem Erdgas vergleichbaren, in öffentliche
Gasnetze einspeisbaren Nutzgas umgewandelt werden können. Andererseits kann das
Verfahren in der Grube durchgeführt werden und ermöglicht eine gleichzeitige Reinigung
und Kühlung der Luft, also eine Entlastung des Wetterstroms sowohl hinsichtlich
des Methangehalts als auch hinsichtlich des Wärmeanfalls.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg
darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen in schematischer Vereinfachung figur 1 Prinzipbild einer
Methan-Filteranlage mit nur einem Filterzweig und Figur 2 Prinzipschaltbild einer
Drei-Filter-Kombination für den kontinuierlichen Ansaugbetrieb mittels zyklischer
Vertauschung der Filter.
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Nach der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform wird das Methan/Luft-Gemisch
mittels eines Ansaugmotors 1 zunächst durch ein Grobstaubfilter 2 gesaugt. Das von
groben Staubpartikeln befreite Ceniisch wird anschließend durch ein Staub filter
3 und Wasserabscheider 4 geleitet. Der Wasserabscheider 4 kann im einfachsten Fall
eine Kühlfalle sein, wobei die durchgeleitete methanhaltige Luft vor Abtrennung
des Methans gekühlt wird. Auch Molekularsiebe, die Wasserdampf stark, Methan aber
nur schwach aufnehmen, sind geeignet. Die Kühl falle 4 ist mit Leitungen 5 und 6
zur Kühl- und Heizmitteil zufuhr und für Ahìcitllng des Wassers versehen. nas somit
von Staub und Wasser befreite Methall/LuLt-Gemiscll wird bei offenem Ventil 7 durch
das mit Molekularsieb gefüllte Filter 8 geleitet. Das Filter 8 ist mit Einrichtungen
9 zur Kühlmittel- oder Heizmittelzufuhr versehen. Die von Methan befreite Luft wird
anschließend bei offenem Ventil 10 abgeleitet und kann in gekühlter Form in die
Grube zurückgeführt werden, insbesondere wenn das Verfahren unter Tage durchgeführt
wird. Vorzugsweise sollte in der Rückführungsleitung ein Wasselazerstäuber 1 1 vorhanden
scin, um die notwendige Feuchtigkeit wieder herzustellen. Der Betriebszustand des
Filters 8 wird durch eine Methan-Meßsonde 12, die sich an der Ausgangsseite des
Filters 8 befindet, festgestellt. Wenn
das Filter 8 mit Methan
gesättigt ist, werden die Ventile 7 und 10 geschlossen und das adsorbierte Methan
über Ventil 13 und Leitung 14 abgesaugt. Durch die Entleerung wird das Molekularsieb
regeneriert. Für eine kontinuierliche Durchführung des Verfahrens sollten daher
mehrere Methanfilter vorgesehen sein, deren zyklische Vertauschung vorzugsweise
automatisch gesteuert wird.
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In der Prinzipdarstellung gemäß Figur 1 sind wegen der Übersichtlichkeit
die Funktionsteil.e ohne die notwendigen Steuer- und Versorgungsverbindungen gezeigt.
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Aus der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform zur kontinuierlichen
Durchführung des Verfahrens werden drei Filter 8a, 8b, 8c vorgesehen, deren Ausgänge
mit verschließbaren 3-Wegehähnen 15a, 15b, 15c versehen sind. In der Zeichnung 2
ist der 3-Wegehahn 15c geschlossen, das Filter 8c befindet sich nicht in Betrieb
und wird zur Gewinnung des Methans abgesaugt, während das Filter 8a als Hauptfilter
und das Filter 8b als Nachfilter dienen. 1)as durch die Leitung 16 angesaugte Methan/Luft-Gemisch
wird zunächst durch das Hauptfilter 8a geleitet und nach Passieren dieses Filters
wird es weiter dem Filter 8b zugeführt. Dieser Vorgang dauert so lange, bis das
Hauptfilter 8a gesättigt ist, so daß es zum Zwecke der Methangewinnung und der Regenerierung
abgesaugt werden muß. In dieser Phase dient das Nachfilter 8b als i-lauptfilter
und das entleerte liter Xc wird als Nachfilter in Betrieb genommen. Sollten die
I:iltcrbct.riel,stemperaturen weniger als ca. O °C betragen, so ist es vorteilhaft,
die gefilterte kalte Luft mit dem angesaugten warmen Methan/Luft-Gemisch im Gegenstromprinzip
zum Wärme aus tausch zu bringen. Dies geschieht durch den Wärmetauscher 17,
an
dessen Ausgang sich der Absaugmotor befindet. Der Motor kann aber auch eine Druckpumpe
am Eingang des Systems oder zwischen Staub filter und Hauptfilter antreiben. Das
Vorfilter zur Ausscheidung von Staub und Wasser, der Ansaugmotor und Einrichtungen
zur Methanabsaugung werden von allen drei Filtern gemeinsam benutzt. Sie sind in
Figur 2 nicht eingezeichnet, ebenso nicht die übrigen zusätzlichen Funktionselemente,
die in Figur 1 schematisch dargestellt sind.
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Erfindungsgemäß können auch mehr als drei Filter vorgesehen werden
oder bei entsprechender Dimensionierung der Steuerelemente und Filter auch nur zwei.
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