DE4230644A1 - Verfahren zur Umwandlung organischer Reststoffe im Rauchgas durch bakterielle Vergärung zu Methan, als Endstufe der Rauchgasreinigung in Kraftwerken - Google Patents

Description

1. Bezeichnung

Verfahren zur Umwandlung organischer Reststoffe im Rauchgas durch bakterielle Vergärung zu Methan, als Endstufe der Rauchgasreinigung in Kohlekraftwerken.

2. Darstellung 2. 1 Abgrenzung zum Stand der Technik

Das vorgeschlagene Verfahren steht nicht im Wettbewerb zu vorhandenen Verfahren der Reinigung der Rauchgase von anorganischen Inhaltstoffen. Es handelt sich hierbei vielmehr um die Ergänzung, der in modernen Kohlekraftwerken entwickelten und praktizierten Rauchgasbehandlung. Der Verfasser stellt ein biologisches Verfahren vor, daß sich den organischen Inhaltstoffen zuwendet. Das Abgas durchläuft eine abschließende biochemische Reinigungsstufe, dabei entsteht Methan.

Bei stationären Anlagen der Großverbraucher von Kohle fallen enorme Mengen Kohlendioxyd an, die emittieren. Kohlendioxyd droht in seiner athmosphärischen Balance gestört zu werden, ist jedoch als Rohstoff zu sehen und nach der Verbrennung im Kraftwerk zurück zu gewinnen (Rauchgasrecycling). Dafür gibt es industrieerprobte Verfahren, die hier nicht beschrieben zu werden brauchen. Es liegen Erfahrungen vor, in chemo- und thermotechnischen Verfahren Kohlendioxyd einer Methansynthese zu unterziehen. Dabei ist jedoch ein sehr großer Energieaufwand erforderlich. Als Rauchgasreinigungsverfahren kommt dieses wegen Unwirtschaftlichkeit und negativer Energiebilanz nicht zur Anwendung.

Ein praktisches Ergebnis einer Methansynthese wurde an der Hebräischen Universität in Jerusalem erzielt. Unter dem Einfluß von Licht und Katalyse wurde atmosphärisches Kohlendioxyd im Wasser zu Methan umgebaut. Als Katalysator dient hierbei kolloidales Ruthenium, ein dem Platin verwandtes Metall. Die Reaktion findet in einem wäßrigen Milieu statt. Es ist jedoch nicht zu erwarten, daß dieses Verfahren großindustriell zur Rauchgasreinigung angewendet werden kann.

2.2 Beschreibung der Neuerung

Gegenstand dieses Antrages ist ein hydrobiologisches Verfahren, die anaerobe Vergärung des Kohlendioxyds mit dem Endprodukt Methan, als Endstufe der Rauchgasreinigung in Kohlekraftwerken.

Das in bekannten Verfahren gereinigte Rauchgas enthält überwiegend Kohlendioxyd neben geringeren Anteilen anderer Verbrennungsrückstände, wie Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffe. Außerdem enthält es Reste von Stickoxyden und Schwefel, Aerosolen und Stäuben und mehr. Sie müssen sich für dieses Verfahren nach der Rauchgasreinigung in bestimmten Grenzen halten, um den Gärverlauf zu fördern und nicht durch toxische Wirkungen zu stören.

Das gereinigte Abgas ist der Vergärung zuzuführen. Zunächst wird es unter mäßigem Druck in etwa den gleichen Gewichtseinheiten mit Wasser vermischt, beziehungsweise in Wasser gelöst. Es wird ein gärfähiges Hydrosubstrat aufbereitet mit niedrigstem organischen Trockensubstanzgehalt. Allenfalls wäre zur Unterstützung der bakteriellen Besiedlung ein feinkörniges Material, mit großer Oberfläche, in geringster Dosierung beizumischen. Dieses müßte in feinster Dispersion lange im Schwebezustand verbleiben können. Es könnte dafür Strohmehl verwendet werden, allerdings darf sich dadurch im Reaktor keine Schwimmdecke bilden.

Die Vermischung mit Wasser, beziehungsweise die Lösung des Gases im Wasser, beginnt im Eingangsbereich des Rohrsystemes am Ende der Rauchgasreinigung. Dabei kommt es zu ersten Reaktionen zwischen Kohlendioxyd und Wasser. Gleichzeitig findet die Impfung mit dem auf Wasserstoff- und Methanbildung spezialisiertem Bakterium statt. In diesem Stadium, auf dem Weg zum Behälter, wird das Substrat hinsichtlich Temperatur, pH-Wert, Gasverdichtung, Wassergehalt und ergänzender Nährstoff- und Vitaminversorgung optimiert, ein Medium geschaffen, in dem sich die methanogenen Bakterienstämme rasch entwickeln. Auch die Zugabe von Wuchsstoffen ist einzubeziehen. Ausreichend konzentriert und erwärmt ist dieses Gemisch in den Pumpen und Wirbelkammern noch weiter zu homogenisieren. Das dabei entstehende milchige Substrat gelangt dann in den Reaktor zur Ausgärung. Durch Restwärme des Rauchgases und des Kühlsystems des Kraftwerkes, in Ergänzung der Prozeßwärme aus dem Gärvorgang, ist die optimale Gärtemperatur herzustellen und konstant zu halten. Die nötige Wärme kann gegebenenfalls in Form von Niederdruckdampf übertragen werden und bei der Einleitung in den Gärbehälter zur Aufwirbelung des Gärsubstrates beitragen.

Ein Gemisch bestimmter, auf Methanbildung spezialisierter Bakterienstämme ist durch züchterische Auslese auf seine größtmögliche Leistungsfähigkeit zu optimieren. Bei einer relativ hohen Temperatur von 50 bis 60 Grad Celsius und einem pH-Wert von 6,8 bis 7,4 findet ein schnelles Wachstum statt. Stoffwechsel und Assimilation sind stark angeregt. In ihrem sich ergänzenden Zusammenwirken entsteht Methan.

Zur Erläuterung der hier angesprochenen Hydrokultur wird auf die Hydroponik im Pflanzenbau verwiesen. Alternativ zu herkömmlichen Kulturen in Bodenkrume, beziehen bei der Hydroponik die Pflanzen die gelösten Nährstoffe aus einem flüssigen Substrat. Analog dazu, entfällt hier im beschriebenem Verfahren die zeitraubende Mineralisierungsstufe, die Zerlegung organischen Materials in gelöste Substanz, wie sie bei der Schlammvergärung erforderlich ist. Die mikrobielle Vergärung hat daher in der Form der Hydrokultur eine wesentlich bessere zeitliche Vorgabe als die Schlammvergärung. Für die hydraulische Verweildauer wird ein Stundenbereich angenommen, mit dem Ziel weiterer Zeitverkürzung.

Der Gärvorgang beginnt also bereits maßgeblich in den groß dimensionierten Zuleitungen, die, zumindest teilweise, als Rohrreaktoren auszubilden sind. In einem Rücklaufsystem wird ständig in Gärung befindliche Flüssigkeit, in Wachstum und Vermehrung befindliches Bakterium, aus den Reaktoren entnommen und im Zulaufrohr zur Impfung mit neu hinzu tretendem Kohlendioxyd und Wasser vermischt. Damit wird der Bedarf an Impfkulturen teilweise respektive wahlweise gedeckt. Alternativ und in Ergänzung stehen aus dem Brutreaktor Hochzucht- und Reinzuchtkulturen von Hybridstämmen zur Verfügung.

Der Betrieb erfolgt kontinuierlich. Die Erfahrungen mit verschiedenen Reaktortypen wie Schlammbett- und Wirbelbettreaktoren und des Anaerobfilters sind zu nutzen. Einem ständigen Zulauf an Gärsubstrat im unteren Bereich des Reaktors steht oben die Gasabführung durch ein Überdruckventil gegenüber. Der Methangehalt des Gases wird über 60 Prozent liegen, anzustreben sind 85 Prozent. Aus der Reaktorsohle werden fortlaufend die Sinkstoffe, wird der Gärschlamm abgeführt. Die Feststoffe werden mittels einer Zentrifuge vom Faulwasser getrennt. Das Wasser soll dem Gärvorgang wieder zugeführt werden.

Zur Herstellung einer Starterkultur ist ein spezieller Brutreaktor vorzuschalten. Die bakterielle Besiedlung ist ggf. durch Anbringung von Festkörpern im Behälter zu unterstützen, oder es ist ein stark zerkleinertes Material mit großer Oberfläche in geringster Dosierung in das Substrat einzumischen (siehe oben). Nach Erfüllung der Starterfunktion soll in diesem Brutreaktor die ständige züchterische Erneuerung erfolgen. Wichtigstes Ziel ist dabei, eine hohe Reinheit, das heißt, die größtmögliche Freiheit von unerwünschten Bakterienstämmen, zu erreichen. Aber auch die Selektion, Anzucht und Vermehrung besonders bewährter methanogener Bakterienstämme findet hier unter Einbeziehung von Hybridstämmen statt. Diese Kulturen stehen dann zur Impfung des frischen Gärsubstrates wahlweise, ganz oder teilweise zur Verfügung.

Zusätzliche Maßnahmen wie Lichteinstrahlung und metallische Katalyse, Eisen etc., könnten den Prozeß unterstützen und beschleunigen. Auch die Zugabe von freiem Wasserstoff, sofern billig beschaffbar, aus der Abwärme des Werkes, beziehungsweise den Schwankungsüberschüssen zwischen Stromerzeugung und Verbrauch, ist zu prüfen.

Die Verkürzung der hydraulischen Verweildauer ist vorzugsweise zu beeinflussen durch eine kontrollierte und ausgewogene Versorgung des Gärsubstrates mit allen lebensnotwendigen Aufbau- und Wirkstoffen. Dabei ist auf die Erfahrungen mit der Hydroponik zurückzugreifen, um sie analog anzuwenden. Eine Reihe erforderlicher und nützlicher Stoffe gelangt bereits mit dem Wasser ins Substrat. Die jeweiligen Herkünfte wie Quell-, Regen-, Flußwasser, oder gar Wasser aus der Abfallbeseitigung, weisen unterschiedliche Konzentrationen auf und sind entsprechend zu dosieren. Gleichfalls kommen Rest- und Spurenstoffe im Rauchgas vor, die zu analysieren und einzurechnen sind. Es kommt also darauf an, bereits im Abgas, aber auch in der frühen Reaktorstufe, die Bildung erwünschter molekularer Verbindungen zu fördern und zu dosieren, um also auch toxische Wirkungen auszuschließen. Ergänzend erfolgt die Komplettierung durch leichtlösliche Verbindungen. Es ist auf eine vollständige, aber nur schwache Konzentration im Substrat im unteren Promillebereich zu achten, um die Bedingungen der Osmose günstig zu gestalten.

2.3 Ergänzende Erläuterungen

Ein modernes Kohlekraftwerk, z. B. vom Typ GUD, mit Kohlevergasung und einer angenommenen Leistung von 700 MW verbraucht etwa 225 Tonnen Kohle je Stunde. Bei einem Kohlenstoffgehalt der Kohle von angenommen 75 Prozent kommen also rd. 170 Tonnen Kohlenstoff zur Oxydation. Auf Grund der Atomgewichte von Kohlenstoff 12 und Sauerstoff 16, kommt es zu einem Kohlendioxydausstoß von rd. 625 Tonnen stündlich.

Für die Einmischung/Lösung des Kohlendioxyds ist unter Beachtung stöchometrisch ausgewogener Bedingungen entsprechend Wasser zuzuführen. Die Menge richtet sich nach dem tatsächlichen Verbrauch im methanbildenden Prozeß. Durch Rückflußleitungen besteht eine Kreislaufverbindung im gesamten System, so daß eine optimale Regelmöglichkeit gegeben ist. Das Wasser/CO2 Mischungsverhältnis hat wesentlichen Einfluß auf den pH-Wert des Substrates und auf die Wachstumsbedingungen des Bakteriums allgemein und ist nach den gewonnenen Erkenntnissen zu steuern.

Der großräumige Behälterbau für die Reaktoren steht in einer noch günstigen Kosten : Nutzen Relation. Es handelt sich zwar um ein beachtliches Projekt, aber es ist vorstellbar. Die zu verbauende Stahlmenge liegt bei einer solchen verbrauchsnahen Produktionsstätte erheblich niedriger als die auf eine vergleichbare Erdgasmenge entfallende Pipeline einer entfernt liegenden Förderstätte. Je nach tatsächlicher Gärverweildauer und anderer Zweckmäßigkeiten, wäre eine solche Anlage in gut gegliederten Einheiten mehrerer Behälter zu errichten.

Aus dem anfallenden Gas sind die unerwünschten Bestandteile, wie u. a. Kohlendioxyd, abzuscheiden, so daß ein hochwertiges, hochprozentiges Methangas anfällt, vergleichbar dem Erdgas. Dieses so gewonnene Gas, mit seinem hohen Wasserstoffanteil im Molekül CH4, ist ein umweltfreundlicher Energieträger und wäre in die Stadtgasversorgung einzuspeisen oder als umweltfreundlicher Treibstoff für Stadtbusse und Lastkraftwagen im Nahverkehr einzusetzen. Hohe Bedeutung käme dem Methan auch als Lieferant von Wasserstoff oder als Industrierohstoff für verschiedene Produktgruppen zu. Die eigene Methanproduktion könnte ein Kraftwerk nun auch zur Abdeckung des Spitzenbedarfes an Strom selbst durch spezielle Gasturbinen nutzen. Die Grundlast wäre durch die Kohle zu decken. In dieser Kombination ließe sich der Wirkungsgrad eines Kraftwerkes verbessern.

Die Atmosphäre kann bei weltweit steigendem Energiebedarf, der auf lange Sicht durch Kohle gedeckt wird, nur durch drastische Einschränkung der Kohlendioxydemission mittels Verbesserung des Wirkungsgrades der Energiegewinnung aus Kohle, sowie Einsparung und eben Einführung neuer Verfahren entlastet werden. Daher sollte Kohlenstoff, ein bedeutendes Reaktions- und Bindeelement für Wasserstoff, möglichst in einem Kreislauf verbleiben oder zumindest in einer mehrmaligen Verwendung. So könnte ganz oder teilweise Kohlendioxyd als atmosphärische Belastung minimiert oder vermieden werden. Dafür bietet sich vorzugsweise die Methansynthese mittels anaerober Vergärung an. Bedeutend ist die parallel stattfindende Gewinnung von Wasserstoff, ein vorher nicht vorhandenes Energiepotential, durch das die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens maßgeblich verbessert wird. Es kommt mit Methan zu einer äußerst vorteilhaften Verbindung, einem C-H Verhältnis von 1 : 4. Der Siedepunkt von Methan liegt bei 164 Grad Celsius unter dem Gefrierpunkt des Wassers und damit deutlich höher als der des reinen Wasserstoffes. Mit seinem Siedepunkt von minus 252 Grad Celsius ist reiner Wasserstoff viel schwieriger zu handhaben.

Im Rauchgas kommt Kohlendioxyd in einer hohen Konzentration vor, die eine Rückgewinnung rechtfertigt, ja gebietet. Die Ableitung des Kohlendioxydes in die Atmosphäre durch die Schornsteine stellt einen irreversiblen Vorgang dar, der schädlich, ja bedrohlich ist. Das Kohlendioxyd stellt aber einen Wert dar und ist jedoch bei einer Konzentration von 0,035 Prozent Anteilen in trockener Luft praktisch nicht mehr wirtschaftlich bearbeitbar durch den Menschen.

Erfahrungen mit einer totalen Rauchgasreinigung, abschließend durch eine biologische Endstufe, könnten für die immer dringender werdende Müllverbrennung von großer Bedeutung sein. Die Argumente der Müllverbrennungsgegner würden dadurch entfallen. Es ist ein Anliegen des Verfassers, Abfallstoffe wie Müll und Klärwasser, in den Prozeß der Energiegewinnung verstärkt einzubeziehen.

Es wird ganz speziell eine Möglichkeit für weniger hoch entwickelte Länder gesehen, mit Hilfe derartiger Anlagen die Energielücke bei ihnen zu schließen. Außerdem könnten solche Anlagen mit den dortigen technischen Fähigkeiten und Möglichkeiten gebaut werden und die Beschäftigungslage in diesen Ländern verbessern.

Claims (3)

1. Verfahren zur Gewinnung des Kohlendioxyds in Kohlekraftwerken und anschließende hydrobiologische Umwandlung in Methan, durch anaerobe Vergärung. Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch ein geschlossenes System. Es endet nicht mit dem Schornstein, sondern mit den Gärreaktoren.

2. Der Entschwefelung und Entstickung schließt sich kennzeichnend für dieses Verfahren die Verflüssigung des Rauchgases/Kohlendioxyds an, mit erheblicher Volumenreduzierung durch Abkühlung und Überdruck. Nach Einmischung von Wasser und Impfung des Gärsubstrates, beginnt die anaerobe Vergärung.

3. Kennzeichnend ist ein völlig gelöstes Angebot an Nähr,-Wuchs,-und Wirkstoffen im Gärsubstrat - siehe Hydroponik -. Dieses führt bei Optimierung von pH-Wert, Temperatur und Katalyse zu einer schnellen Reaktion und rascher Produktion von Methan.