WO2009115250A1 - Verfahren und vorrichtung zur aufbereitung von klärgas zu brenngas - Google Patents

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Lothar Günther
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Dge Dr.-Ing. Günther Engineering Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for the treatment of sewage gas, the z. B. incurred in the digester a sewage treatment plant, to fuel gas and a device suitable for carrying out the method.
  • the sewage gases produced in the digester of a sewage treatment plant contain the following main constituents, based on the dry gas state: Methane 60 to 70% by volume
  • the water content results from the dew point at the respective working temperature of the digester at 50 to 60 0 C and is thus at 5 to 8 vol .-%.
  • Water contained in the sewage gas can be separated from the sewage gas by condensation and other process steps.
  • sewage gas contains other impurities as minor constituents, such as: alkanes 10 to 200 ppm
  • Sewage gases differ in their composition from fermentation of organic materials produced biogas and have for a further energy recovery a relatively low calorific value.
  • these gases contain higher molecular weight non-polar silicon compounds (silane and siloxane compounds), siloxanes forming during the combustion process, mineral silicon compounds.
  • a purification of the sewage gas prior to its energetic use is essential.
  • various cleaning methods for removing the siloxanes are already known, reference being made in particular to DE 101 58 804 C1.
  • the siloxanes contained in the digester gas are catalytically converted into low molecular weight silicon compounds.
  • the crude gas obtained after the catalytic conversion is then subjected to gas scrubbing with a polar solvent to wash out the polar silicon compounds.
  • the purified digester or sewage gas still has an unchanged low calorific value. To increase this, the CO 2 contained in the raw gas must be separated in a subsequent procedure.
  • the invention has for its object to provide a method for the treatment of sewage gas to fuel gas, which is characterized by an energetically favorable operation and in which in a continuous process impurities such as silicon compounds, and CO 2 are separated from the sewage gas. Furthermore, a device suitable for carrying out the method is to be provided.
  • the sewage gas present as raw gas is divided into two streams of different sizes, with at least the smaller part stream is placed under vacuum.
  • a dryer used for dehumidifying the purified raw gas water is sucked to its regeneration and enriched the smaller partial flow with water.
  • the two partial streams or at least the larger partial stream are fed to a first washing stage in which solids present in the raw gas by means of water, such as polar silane and siloxane compounds, ammonia and other compounds, are precipitated.
  • CO 2 , H 2 S non-polar siloxanes and other impurities are separated from the prepurified crude gas by means of a heated to 80 0 C amine-containing wash solution.
  • the purified Raw gas dehumidifies to a dew point of below -10 0 C and still existing higher molecular weight hydrocarbons are adsorbed.
  • a fuel gas having a high calorific value can be obtained in a particularly economical manner from sewage gas, without appreciable losses of methane.
  • the term "clarifying gas” includes all process gases that contain methane, CO 2 and silicon compounds, such as biogas or landfill gas.
  • the distribution of the raw gas into the two partial flows takes place in a ratio of greater partial flow: smaller partial flow (T1: T2) of 5: 1 to 100: 1.
  • the smaller part of the stream is compressed while a vacuum of 0.1 to 500 mbar, preferably to 300 mbar, generated.
  • the two partial streams can be brought together again before the introduction into the first washing stage into a stream. If only the larger partial flow of the first wash column is supplied, it is expedient to supply the smaller partial flow of a combustion for heat generation. However, the resulting losses of methane are relatively low.
  • the wash water of the first washing stage is circulated and cooled by heat exchange to the extent that a pre-purified raw gas at a temperature of 10 to 30 0 C, preferably 25 ° C, is obtained. Without cooling the wash water, it is necessary to cool the raw gas prior to introduction into the wash column.
  • the supplied washing liquid is sprayed in the wash column to fine droplets, which wash the gas fractions by intensive mass transfer. As a result, during the washing process very good cleaning effects to remove the solids present in the raw gas, such as polar silane and siloxane compounds, ammonia and other compounds obtained.
  • the control parameters electrical conductivity and pH of the water are monitored and adjusted via the pump pressure and the temperature of the circulating wash water. The loaded wash solution is removed at certain intervals and sent to a clarifier.
  • the amine-containing wash solution used in the second wash step should have an amine content of at least 10%.
  • the prepurified raw gas flows through in countercurrent to the amine-containing washing solution a packed bed with a surface area of 200 to 1200 m 2 / m 3 .
  • the room load factor is 5 to 80 Nm s / m s h. Under these conditions, an almost complete separation of CO 2 contained in the raw gas and sulfur compounds and the other impurities is achieved. CO 2 , sulfur compounds and non-polar siloxanes are chemically bound in the wash solution.
  • the drying unit consists of at least two alternately switchable dryers, the dryer not connected in the operating state for regeneration via a line connected to the vacuum, the smaller raw gas partial flow line leading line is connected. As a result, this dryer is regenerated during the treatment process without additional aids, which is advantageous for the economy of the entire process.
  • the purified raw gas is discharged as fuel gas via the line connected to the respective dryer.
  • the fuel gas has a high calorific value and can either be used for combustion processes or fed into a natural gas grid.
  • the device is characterized by a comparatively low production and installation effort.
  • the absorption column consists of a cylindrical container with a ratio of length: diameter of 4 to 20.
  • This contains, for example, as absorbent a packed bed with a surface area of 200 to 1200 m a / m s and has a space load factor of 5 to 80 Nm ' / M'H.
  • the packing of the Med Economics- spill have a mean diameter of 5 to 15 mm.
  • the dryers are with a layer of molecular sieve equipped, which is suitable to adsorb not only water but also higher molecular weight hydrocarbons. In the smaller partial flow line leading to a container is involved before the first compressor, which is in communication with the water discharged from the dryer line.
  • a regeneration unit for the regeneration of the contaminated wash solution can be connected to the second wash column.
  • the invention will be explained below by way of example.
  • NMVH sewage gas are formed at a temperature of 52 0 C.
  • the sewage treatment plant has the following composition, where the values are average values: methane 65 vol .-%
  • the sewage gas is loaded with the following substances depending on the sewage sludge to be processed:
  • the regeneration unit R consists of a housing with an adsorption filter based on activated carbon or molecular sieves.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Klärgas, das z. B. im Faulturm einer Kläranlage anfällt, zu Brenngas sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung. Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik soll ein Verfahren geschaffen werden, das sich durch eine energetisch günstige Betriebsweise auszeichnet und bei dem in einem kontinuierlichen Verfahrensprozess Verunreinigungen, wie Siliziumverbindungen, und CO2 aus dem Klärgas abgetrennt werden. Hierzu wird als Lösung vorgeschlagen, dass das Klärgas (Rohgas) in zwei Teilströme (T1, T2) unterschiedlich großer Mengen aufgeteilt wird, wobei mindestens der kleinere Teilstrom (T2) unter Vakuum gesetzt wird. Aus einem zur Entfeuchtung des gereinigten Rohgases eingesetzten Trockner (A1 oder A2) wird Wasser angesaugt und dabei der kleinere Teilstrom (T2) mit Wasser angereichert. Die beiden Teilströme (T1, T2) oder mindestens der größere Teilstrom (T1) werden einer ersten Waschstufe (K1) zugeführt, in der mittels Wasser im Rohgas befindliche Feststoffe, wie polare Silan- und Siloxanverbindungen, Ammoniak und andere Verbindungen, abgeschieden werden. In einer nachfolgenden zweiten Waschstufe (K2) werden aus dem vorgereinigten Rohgas mittels einer bis auf 80 °C erwärmten aminhaltigen Waschlösung CO2, H2S, unpolare Siloxane sowie weitere Verunreinigungen abgetrennt. In einer abschließenden Trocknungsstufe (A) wird das gereinigte Rohgas bis auf einen Taupunkt von unter -10 °C entfeuchtet und noch vorhandene höhermolekulare Kohlenwasserstoffe werden adsorbiert. Mittels der vorgeschlagenen Verfahrensweise kann in besonders wirtschaftlicher Weise aus Klärgas ein Brenngas mit einem hohen Brennwert erhalten werden, ohne nennenswerte Verluste an Methan.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von Klärgas zu Brenngas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Klärgas, das z. B. im Faulturm einer Kläranlage anfällt, zu Brenngas sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Bei der Abwasserbehandlung in Kläranlagen wird anfallender Klärschlamm im Faulturm einem anaeroben Abbauprozess unterworfen, wobei sich im Klär- bzw. Faulschlamm Gase lösen, die entweder abgefackelt oder energetisch, z. B. in Blockheizkraftwerken, verwertet werden.
Die im Faulturm einer Kläranlage anfallenden Klärgase enthalten, bezogen auf den trockenen Gaszustand, folgende Hauptbestandteile: Methan 60 bis 70 Vol.-%
Wasserstoff bis 0,01 Vol.-% CO2 25 bis 35 Vol.-%
Stickstoff bis 1 Vol.-% Sauerstoff bis 0,5 Vol.-%.
Der Wasseranteil ergibt sich aus dem Taupunkt bei der jeweiligen Arbeitstemperatur des Faulturmes bei 50 bis 60 0C und liegt damit bei 5 bis 8 Vol.-%.
Im Klärgas enthaltenes Wasser kann durch Kondensation und andere Verfahrensschritte aus dem Klärgas abgeschieden werden.
Außer den vorgenannten Hauptbestandteilen enthält Klärgas noch weitere Verunreinigungen als Nebenbestandteile, wie: Alkane 10 bis 200 ppm
BTX 1 bis 10 ppm
Silan- und Siloxanverbindungen 10 bis 200 mg/Nm3 Schwefelwasserstoff 1 bis 80 ppm.
(BTX = Benzol-, Toluol- und Xylol-Konzentration)
Klärgase unterscheiden sich in ihrer Zusammensetzung von durch Vergärung organischer Materialien erzeugter Biogase und besitzen für eine weitere energetische Verwertung einen relativ schlechten Heizwert. Außerdem enthalten diese Gase höhermolekulare unpolare Siliziumverbindungen (Silan- und Siloxanverbindungen), wobei Siloxane während des Verbrennungsprozesses mineralische Siliziumverbindungen bilden.
Daher ist eine Reinigung des Klärgases vor dessen energetischer Nutzung unbedingt erforderlich. Hierzu sind bereits verschiedene Reinigungsverfahren zur Entfernung der Siloxane bekannt, wobei insbesondere auf die DE 101 58 804 C1 verwiesen wird. Gemäß dieser Druckschrift werden die im Faulgas enthaltenen Siloxane katalytisch in niedermolekulare Siliziumverbindungen umgewandelt. Das nach der katalytischen Umwandlung erhaltene Rohgas wird anschließend einer Gaswäsche mit einem polaren Lösungsmittel unterzogen, um die polaren Siliziumverbindungen auszuwaschen. Das gereinigte Faul- bzw. Klärgas besitzt jedoch noch einen unverändert niedrigen Heizwert. Um diesen zu erhöhen, muss in einer nachfolgenden Verfahrensweise das im Rohgas enthaltene CO2 abgetrennt werden. Hierzu können Verfahren angewendet werden, die zur Entfernung von CO2 aus Biogas bekannt sind (DE 10 2005 051 952 B3, DE 203 00 663 U1). Die Anwendung separater Verfahren zur Entfernung von Siliziumverbindungen und CO2 sind jedoch mit einem hohen wirtschaftlichen Aufwand verbunden. Aus der DE 101 07 712 B4 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur energetischen Nutzung von Faulschlammvergasungsgas bekannt. Das bei der Faulschlammvergasung entstehende Gas wird in den Faulturm eingeleitet und mit Faulgas vermischt. Im Faulturm sollen im Vergasungsgas enthaltene gasförmige Substanzen, wie CO2, CO und H2, noch zusätzlich in Methan umgewandelt werden. Das am Faulturm abgezogene Mischgas besitzt einen höheren Methangehalt und damit verbesserten Heizwert. Noch im Mischgas vorhandenes CO2 muss nachträglich ausgewaschen werden. Zusätzlich ist noch eine Entfernung der im Mischgas enthaltenen Verunreinigungen, insbesondere der Siliziumverbindungen, erforderlich.
Diese Verfahrensweise ist unwirtschaftlich, insbesondere in energetischer Hinsicht. Der Faulschlamm muss zur Vergasung auf Temperaturen bis zu 1200 0C erhitzt werden. Zur Abtrennung der Siliziumverbindungen ist eine Abkühlung des Mischgases bis auf - 40 0C erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aufbereitung von Klärgas zu Brenngas zu schaffen, das sich durch eine energetisch günstige Betriebsweise auszeichnet und bei dem in einem kontinuierlichen Verfahrensprozess Verunreinigungen, wie Siliziumverbindungen, und CO2 aus dem Klärgas abgetrennt werden. Ferner soll eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung geschaffen werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Verfahrensweise sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 10. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist in Anspruch 11 angegeben. Die Ansprüche 12 bis 17 beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung.
Das als Rohgas vorliegende Klärgas wird in zwei Teilströme unterschiedlich großer Mengen aufgeteilt, wobei mindestens der kleinere Teilstrom unter Vakuum gesetzt wird. Aus einem zur Entfeuchtung des gereinigten Rohgases eingesetzten Trockner wird zu dessen Regenerierung Wasser angesaugt und der kleinere Teilstrom mit Wasser angereichert. Die beiden Teilströme oder mindestens der größere Teilstrom werden einer ersten Waschstufe zugeführt, in der mittels Wasser im Rohgas befindliche Feststoffe, wie polare Silan- und Siloxan- verbindungen, Ammoniak und andere Verbindungen, abgeschieden werden. In einer nachfolgenden zweiten Waschstufe werden aus dem vorgereinigten Rohgas mittels einer bis auf 80 0C erwärmten aminhaltigen Waschlösung CO2, H2S, unpolare Siloxane sowie weitere Verunreinigungen abgetrennt. In einer abschließenden Trocknungsstufe wird das gereinigte Rohgas bis auf einen Taupunkt von unter -10 0C entfeuchtet und noch vorhandene höhermolekulare Kohlenwasserstoffe werden adsorbiert.
Mittels der vorgeschlagenen Verfahrensweise kann in besonders wirtschaftlicher Weise aus Klärgas ein Brenngas mit einem hohen Brennwert erhalten werden, ohne nennenswerte Verluste an Methan. Als Klärgas sind alle Prozessgase zu verstehen, die Methan, CO2 und Siliziumverbindungen enthalten, wie z.B. Faulgas oder Deponiegas. Die Aufteilung des Rohgases in die beiden Teilströme erfolgt in einem Verhältnis größerer Teilstrom : kleinerem Teilstrom (T1:T2) von 5:1 bis 100:1. Der kleinere Teilstrom wird verdichtet und dabei ein Vakuum von 0,1 bis 500 mbar, vorzugsweise bis 300 mbar, erzeugt. Die beiden Teilströme können vor der Einleitung in die erste Waschstufe wieder zu einem Strom zusammengeführt werden. Wird nur der größere Teilstrom der ersten Waschkolonne zugeführt, so ist es zweckmäßig, den kleineren Teilstrom einer Verbrennung zur Wärmeerzeugung zuzuführen. Die dadurch eintretenden Verluste an Methan sind jedoch relativ gering.
Das Waschwasser der ersten Waschstufe wird im Kreislauf gefahren und durch Wärmetausch soweit abgekühlt, dass ein vorgereinigtes Rohgas mit einer Temperatur von 10 bis 30 0C, vorzugsweise 25 °C, anfällt. Ohne Kühlung des Waschwassers ist es erforderlich, das Rohgas vor der Einleitung in die Waschkolonne zu kühlen. Vorzugsweise wird die zugeführte Waschflüssigkeit in der Waschkolonne zu feinen Tropfen verdüst, die die Gasanteile durch intensiven Stoffaustausch waschen. Dadurch werden während des Wasch prozesses sehr gute Reinigungseffekte zur Entfernung der im Rohgas befindlichen Feststoffe, wie polare Silan- und Siloxanverbindungen, Ammoniak und andere Verbindungen, erzielt. In der ersten Waschstufe werden über den Pumpendruck und die Temperatur des im Kreislauf gefahrenen Waschwassers die Regelparameter elektrische Leitfähigkeit und pH-Wert des Wassers überwacht und eingestellt. Die beladene Waschlösung wird in bestimmten Zeitabständen ausgekreist und einem Klärbecken zugeführt.
Die in der zweiten Waschstufe eingesetzte aminhaltige Waschlösung sollte einen Aminge- halt von mindestens 10 % aufweisen. In dieser Waschstufe durchströmt das vorgereinigte Rohgas im Gegenstrom zu der aminhaltigen Waschlösung eine Füllkörperschüttung mit einer Oberfläche von 200 bis 1200 m2/m3. Der Raumbelastungsfaktor beträgt 5 bis 80 Nms/msh. Unter diesen Bedingungen wird eine nahezu vollständige Abtrennung von im Rohgas enthaltenem CO2 und Schwefelverbindungen sowie der weiteren Verunreinigungen erreicht. CO2, Schwefelverbindungen und unpolare Siloxane werden in der Waschlösung chemisch gebunden.
Die Reinigung kann auch in einer anders ausgelegten Waschkolonne erfolgen. Wesentlich für eine wirtschaftliche Abtrennung dieser Verbindungen ist der Einsatz einer erwärmten aminhaltigen Waschlösung mit einer Temperatur von vorzugsweise 30 bis 60 0C. Die während des Wasch prozesses entstehende Reaktionswärme wird nicht abgeführt, sondern als Heizmedium eingesetzt. Dadurch erhöht sich die Temperatur der Waschlösung auf ca. 45 bis 75 0C. Unter diesen Temperaturbedingungen wird eine deutlich verbesserte Löslichkeit der Silan- und Siloxanverbindungen in der Waschlösung erreicht.
Vorteilhafterweise wird die verunreinigte aminhaltige Waschlösung regenerativ aufgearbeitet, wobei diese bei erhöhten Temperaturen von 115 bis 160 °C ein Adsorptionsfiltermedium durchströmt, und wieder in den Waschkreislauf zurückgeführt. Überschüssige Abwärme, die während des gesamten Verfahrens zur Aufbereitung von Klärgas anfällt, wird abgeführt und für andere Zwecke wirtschaftlich genutzt. Gegebenenfalls kann diese innerhalb einer Kläranlage für Heizzwecke eingesetzt werden. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung besteht aus den Baugruppen: erste Waschkolonne, zweite Waschkolonne und Trocknungseinheit. Die Zuführungsleitung für das zu reinigende Rohgas ist in zwei Leitungen für unterschiedlich große Teilstrommengen aufgeteilt. In die für die kleinere Teilstrommenge bestimmte Leitung ist ein erster Verdichter eingebunden. Mindestens die für die größere Teilstrommenge bestimmte Leitung ist mit der ersten Waschkolonne verbunden. Diese ist als Gaswäscher, vorzugsweise als Ven- turi- oder Strahlgaswäscher, ausgeführt, der vorzugsweise mit einer Waschwasser führenden Kreislaufleitung ausgerüstet ist, in die eine Pumpe und ein erster Wärmetauscher zur Kühlung des Waschwassers und Absenkung der Temperatur des Rohgases eingebunden sind. Am Kopf der ersten Waschkolonne wird das vorgereinigte Rohgas über eine Leitung abgeführt, die mit der zweiten Waschkolonne in Verbindung steht, die als Absorptionskolonne ausgebildet ist. Diese ist mit einer Leitung zur Zuführung einer aminhaltigen Waschlösung und einer Leitung zur Abführung verunreinigter Waschlösung sowie einer Leitung zur Abführung von gereinigtem Rohgas verbunden. Die Leitung zur Abführung des gereinigten Rohgases ist mit der Trocknungseinheit verbunden, wobei in diese Leitung ein zweiter Wärmetauscher zur Kühlung des gereinigten Rohgases und ein zweiter Verdichter eingebunden sind. Die Trocknungseinheit besteht aus mindestens zwei abwechselnd zuschaltbaren Trocknern, wobei der im Betriebszustand nicht angeschlossene Trockner zur Regeneration über eine Leitung mit der unter Vakuum stehenden, die kleinere Rohgas-Teilstrommenge führenden, Leitung verbunden ist. Dadurch wird dieser Trockner während des Aufbereitungsverfahrens ohne zusätzliche Hilfsmittel regeneriert, was für die Wirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens von Vorteil ist. Das gereinigte Rohgas wird als Brenngas über die an den jeweiligen Trockner angeschlossene Leitung abgeführt. Das Brenngas besitzt einen hohen Heizwert und kann entweder für Verbrennungsprozesse genutzt oder in ein Erdgasnetz eingespeist werden.
Die Vorrichtung zeichnet sich durch einen vergleichsweise geringen Herstellungs- und Installationsaufwand aus.
Vorzugsweise besteht die Absorptionskolonne aus einem zylindrischer Behälter mit einem Verhältnis von Länge : Durchmesser von 4 bis 20. Diese enthält beispielweise als Absorptionsmittel eine Füllkörperschüttung mit einer Oberfläche von 200 bis zu 1.200 ma/ms und besitzt einen Raumbelastungsfaktor von 5 bis 80 Nm'/m'h. Die Füllkörper der Füllkörper- schüttung weisen einen mittleren Durchmesser von 5 bis 15 mm auf. Die Trockner sind mit einer Schicht aus Molekularsieb ausgerüstet, die geeignet ist, außer Wasser auch höhermolekulare Kohlenwasserstoffe zu adsorbieren. In die die kleinere Teilstrommenge führende Leitung ist vor dem ersten Verdichter ein Behälter eingebunden, der mit der aus dem Trockner Wasser abführenden Leitung in Verbindung steht.
An die zweite Waschkolonne kann eine Regenerationseinheit zur Regenerierung der verunreinigten Waschlösung angeschlossen werden. Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel erläutert.
Im Faulturm eines kommunalen Klärwerkes zur Behandlung von Abwässern entstehen 100 NmVh Klärgas mit einer Temperatur von 52 0C. Das Klärgas besitzt folgende Zusammensetzung, wobei die angegebenen Werte Durchschnittswerte sind: Methan 65 Vol.-%
Wasserstoff 0,01 Vol.-%
CO2 29,08 Vol.-%
Wasser 5,5 Vol.-%
Stickstoff 0,3 Vol.-%
Sauerstoff 0,1 Vol.-%
Zusätzlich ist das Klärgas mit folgenden Stoffen je nach zu verarbeitenden Klärschlamm beladen:
Alkanβ 150 ppm
BTX 8 ppm
Silan- und Siloxanverbindungen 110 mg/Nm3 Schwefelwasserstoff 6 ppm
Im Klärgas sind noch weitere Verunreinigungen, wie Ammoniak und saure Komponenten, im Bereich von bis zu 1 ppm enthalten.
Das im Faulturm einer Kläranlage entstehende Klärgas wir über eine Sammelleitung S abgezogen und einer in unmittelbarer Nähe zum Faulturm errichteten Aufbereitungsanlage zugeführt.
Die Aufbereitungsanlage besteht aus den Hauptbaugruppen erste Waschkolonne K1, zweite Waschkolonne K2, Waschmittelregenerationseinheit R und Trocknungseinheit A. Das über die Sammelleitung S zugeführte Klärgas bzw. Rohgas wird in zwei Teilströme T1 und T2 aufgeteilt. Die Aufteilung der Teilströme T1 und T2 erfolgt im Verhältnis T1 :T2 von 5:1 bis 100:1, wobei die beiden Teilströme T1 und T2 vor der Einleitung in die Waschkolonne K1 wieder zusammengeführt werden. Im vorliegenden Beispiel wird eine Aufteilung der beiden Teilströme T1:T2 im Verhältnis von 20:1 vorgenommen. Dabei werden 95 NmVh als Teilstrom T1 mit einem Unterdruck von 1 bis 5 mbar angesaugt und als Teilstrom T2 5 NmVh. Die Teilströme T1 und T2 werden über die zugehörigen Leitungen 1 und 2 angesaugt.
In die Leitung 2 ist erst ein Behälter B eingebunden und nachfolgend ein Verdichter V1. Dieser sorgt für den erforderlichen Saugdruck zum Ansaugen der Teilströme T1 und T2 aus dem Faulturm. Der Behälter B steht über die Leitung 10 mit der Trocknungseinheit A in Verbindung. In der Leitung 2 kann mittels des Verdichters V1 ein Unterdruck von bis zu 300 mbar erzeugt werden. Im vorliegenden Beispiel liegt in der Leitung 2 und dem Behälter B ein Unterdruck von 50 mbar an. Durch öffnen eines Ventils in der Leitung 10 wird zwischen der Leitung 2 und dem Trockner, A1 oder A2, der nach Erreichen der maximalen Standzeit außer Betrieb genommen wurde, eine Verbindung hergestellt, um diesen zu regenerieren. Aufgrund des in der Leitung 2 anliegenden Unterdruckes wird aus dem jeweils abgeschalteten Trockner, A1 oder A2, abgeschiedenes Wasser angesaugt und im Behälter B mit dem zugeführten Rohgas-Teilstrom T2 vermischt. Dieser Vorgang erfolgt so lange, bis der jeweilige Trockner A1 oder A2 wieder vollständig regeneriert ist. Die Aufteilung in die beiden Teilströme T1 und T2 wird ausschließlich aus Gründen einer effizienten Regenerierung der Trockner für das gereinigte Klärgas vorgenommen.
Im Behälter B vermischt sich das aus dem Trockner angesaugte Wasser mit dem Rohgas- Teilstrom T2. Die Wasserbeladung des Teilstromes T2 ist somit mindestens immer doppelt so hoch, wie die des Teilstromes T1.
Als Waschkolonne K1 wird ein Hochleistungswasserwäscher in einer Ausführung als Ven- turi- oder Strahlgaswäscher eingesetzt. Die Teilströme T1 und T2 werden unmittelbar vor der Einleitung in den Wäscher K1 wieder zusammengefasst und in diesen eingetragen, wobei das feuchte Rohgas mit der Waschflüssigkeit (Wasser) turbulent vermischt wird und sich anschließend wieder davon trennt. Dabei wird die zugeführte Waschflüssigkeit zu feinen Tropfen verdüst, die die Gasanteile durch Intensiven Stoffaustausch waschen. Während des Waschprozesses werden mittels des Waschwassers im Rohgas befindliche Feststoffe, wie polare Silan- und Siloxanverbindungen, Ammoniak und andere Verbindungen, aus diesem entfernt. Das Waschwasser wird am Boden des Wäschers K1 über die Leitung 3 mittels der Pumpe P abgezogen und im Kreislauf gefahren. Dabei wird es durch einen in die Kreislaufleitung 3 eingebundenen Wärmetauscher W1 geleitet und in diesem auf eine Temperatur von ca. 22 °C abgekühlt. Als Kühlwasser wird vorteilhafterweise in der Kläranlage vorhandenes Klärwasser mit einer Temperatur von ca. 20 0C eingesetzt oder ein externer Kühlkreislauf für den Sommerbetrieb verwendet. Über die Pumpe P und den Wärmetauscher W1 werden die Regelparameter elektrische Leitfähigkeit und pH-Wert des Wassers überwacht und eingestellt.
Über die im Wärmetauscher W1 gekühlte Waschflüssigkeit wird somit die im Wäscher K1 entstehende Reaktionswärme abgeführt und der Taupunkt des am Kopf der Wäschers K1 austretenden vorgereinigten Rohgases auf eine Temperatur von ca. 25 °C eingestellt. Über eine in die Kreislaufleitung 3 eingebundene Leitung 4 wird im Wäscher K1 abgeschiedenes kondensiertes, verunreinigtes Wasser abgeführt (ca. 18 l/h). Dieses wird als Abwasser dem Klärwerk zugeführt. Im kondensierten Wasser sind über 80 % der im Klärgas enthaltenen Anteile an Silan- und Siloxanverbindungen sowie physikalisch gelöstes Ammoniak und Schwefelwasserstoff enthalten. Das vorgereinigte Rohgas wird über die Leitung 5 am Kopf des Wäschers K1 abgezogen und der zweiten Waschkolonne K2 zugeführt, um aus dem vorgereinigten Rohgas das in diesem enthaltene CO2 und H2S sowie die übrigen Verunreinigungen, insbesondere unpolare Siloxane, abzutrennen. Die eingesetzte Absorptions- bzw. Waschkolonne K2 besitzt eine Länge (Höhe) von 14 m und einen Durchmesser von 1,0 m und ist mit einer Füllkörperschüt- tung als Einbauten ausgerüstet. Die aus Kunststoff, vorzugsweise Polypropylen oder PoIy- ethylen, verwendeten Füllkörper haben einen mittleren Durchmesser von 5 bis 8 mm und eine spezifische Oberfläche von 800 m2/m3. Die oberhalb des Sumpfes angeordnete Füllkör- perschüttung weist eine Kolonnenschütthöhe von 10 m auf. Das Kolonnenvolumen der Füllkörperschüttung beträgt somit 7,85 m3. Ausgehend von der Auslegung der Kolonne mit einem L/D-Verhältnis von 10 stellt sich bei einer Zuführung von 100 NmVh (N=Normzustand) an vorgereinigtem Rohgas am Kolonneneintritt eine Strömungsgeschwindigkeit des zu reinigenden Klärgases, bezogen auf den freien Kolonnenquerschnitt, von 0,036 m/s ein. Unter vorgenannten Bedingungen ergibt sich ein Raumbelastungsfaktor von 12,7 Nm3/m3h. Ein Raumbelastungsfaktor von 12,7 Nm'/m'h bedeutet, dass für eine der Absorptionskolonne zugeführte Menge von 12,7 NmVh an Gas mindestens 1 m3 Reaktionsvolumen notwendig ist, das durch die eingesetzten Füllkörper bestimmt wird.
Unterhalb des Bodens der Kolonne werden in diese über die Leitung 5 100 NmVh Rohgas mit einer Temperatur von 25 0C und einem Druck von 1015 mbar eingetragen. Am Kopf der Waschkolonne K2 wird über die Leitung 6 als Waschmedium eine aminhaltige Waschlösung in einer Menge von 2 m3/h, bestehend aus Wasser und Diethanolamin, mit einer Konzentration von 38 Gew.-%, und einer Temperatur von 35 0C verteilt. Aufgrund der erhöhten Temperatur der Waschlösung wird eine deutlich verbesserte Löslichkeit der im Rohgas noch enthaltenen Silan- und Siloxanverbindungen in der Waschlösung erreicht.
Überraschenderweise zeigte sich, dass sich mittels der aminhaltigen Waschlösung unter diesen Bedingungen auch unpolare Siloxane vollständig aus dem Rohgas abtrennen lassen.
Das drucklos zugeführte Rohgas durchströmt die Füllkörperschüttung im Gegenstromver- fahren und gelangt dabei mit der Waschlösung in Kontakt. Die Kontaktzeit zur nahezu vollständigen Abtrennung von im Rohgas enthaltenem CO2 und Schwefelverbindungen sowie der weiteren Verunreinigungen beträgt 282 s, bezogen auf das Rohklärgas. Dabei werden CO2, Schwefelverbindungen und unpolare Siloxane in der Waschlösung chemisch gebunden.
Der CO2-Gehalt im zugeführten Klär- bzw. Rohgas wird von 29 Vol.-% bis auf einen Wert von 1 Vol.-% reduziert. Über die zugeführte Menge an Waschlösung kann der Reinigungseffekt des Rohgases in begrenztem Umfang beeinflusst werden.
Die verunreinigte Waschlösung mit einer Temperatur von ca. 48 0C wird am Boden der Waschkolonne K2 über die Leitung 7 abgezogen und in der Regenerationseinheit R für eine Wiederverwendung aufbereitet. Das gereinigte Roh- bzw. Klärgas wird am Kopf der Waschkolonne K2 über die Leitung 8 abgezogen und besitzt folgende Zusammensetzung:
Methan 94,97 Vol.-%
Wasserstoff 0,02 Vol.-%
CO2 0,91 Vol.-%
Wasser 3,5 Vol.-%
Stickstoff 0,45 Vol.-%
Sauerstoff 0,15 Vol. -%
In einem nachgeschalteten Wärmetauscher W2 wird dieses mit Kaltwasser auf eine Temperatur von 5 0C gekühlt. Das anfallende Kondenswasser wird im nachfolgenden Wasserabscheider F abgeschieden und über die Leitung 9 abgeleitet. Nach erfolgter Wasserabschei- dung besitzt das gereinigte Klär- bzw. Rohgas folgende Zusammensetzung:
Methan Vol.-% 97,88
Wasserstoff Vol.-% 0,02
CO2 Vol.-% 0,95
Wasser VoL-% 0,52
Stickstoff Vol.-% 0,47
Sauerstoff Vol.-% 0,16.
In die Leitung 8 ist nach dem Wasserabscheider F ein zweiter Verdichter V2 eingebunden. Das gereinigte Klärgas wird auf einen Druck von 100 mbar komprimiert und der Trocknungseinheit A zugeführt, die aus zwei separaten Trocknern A1 und A2 besteht, die wahlweise zuschaltbar sind. Die Standzeit eines Trockners A1, A2 beträgt ca. 10 Stunden. Danach erfolgt die Umschaltung auf den zwischenzeitlich regenerierten Trockner. Die Regeneration des beladenen Trockner A1 oder A2 erfolgt durch Zuschalten an die unter Vakuum stehende Leitung 2, das über den Verdichter V1 erzeugt wird.
Durch den in Betrieb befindlichen Trockner A1 oder A2 wird das gereinigte Klärgas bis auf einen Taupunkt von unter -10 °C entfeuchtet. Das am Kopf des Trockner A1 oder A2 über die Leitung 11 austretende Klärgas hat folgende Zusammensetzung:
Methan 98,28 Vol.-%
Wasserstoff 0,02 Vol.-%
CO2 0,95 Vol.-%
Wasser 0,12 Vol.-%
Stickstoff 0,47 Vol.-%
Sauerstoff 0,16 Vol.-%
Das vollständig gereinigte Klärgas besitzt Erdgasqualität und kann nach anschließender Odorierung in ein Erdgasnetz mit einem Erdgasdruck von 100 mbar und einem Taupunkt von -8 0C eingeleitet werden. Es besitzt einen Brennwert von 10,87 kWh/Nm3 und einen Wobbe-Index von 14,26 kWh/Nm3. Mittels des vorgeschlagenen Aufbereitungsverfahrens lässt sich Klärgas ohne nennenswerte Methanverluste auf eine besonders wirtschaftliche Art und Weise in Brenngas umwandeln.
Nachfolgend wird noch kurz die Regenerierung der verunreinigten aminhaltigen Waschlösung erläutert.
Die Regenerationseinheit R besteht aus einem Gehäuse mit einem Adsorptionsfilter auf Basis von Aktivkohle oder Molekularsieben.
Die über die Leitung 7 aus der Waschkolonne K2 abgeführte, mit CO2 und H2S sowie Verunreinigungen beladene, Waschlösung besitzt eine Temperatur von 48 °C. Diese gelangt in die Regenerationseinheit R, die mit einer Kreislaufleitung 12 für die Zu- und Abführung eines Heizmediums in Verbindung steht. In der Regenerationseinheit R durchströmt die verunreinigte Waschlösung unter Zuführung von Wärme unterschiedliche Wärmetauscher und Abscheiderstufen, wobei in diesen bei Temperaturen von 115 bis 160 °C Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff sowie die übrigen Verunreinigungen entfernt werden. Das abgeschiedene Kohlendioxid und die geringen Mengen an H2S werden über die Leitung 13 ausgetragen und einer weiteren Aufbereitung zugeführt. Die Wärmezuführung wird so gesteuert, dass in der letzten Abtrennstufe Temperaturen von bis zu 160 °C realisiert werden. Dabei stellen sich Wandtemperaturen an den Wärmetauscher von 170 bis 200 0C ein. Unter diesen Bedingungen verdampfen unpolare Siloxanverbindungen aus der Waschlösung und werden gemeinsam mit dem Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff aus der Waschlösung abgeschieden. Damit wird die überwiegende Menge an unpolaren Siloxanverbindungen aus der Waschlösung abgetrennt.
In der so regenerierten Waschlösung sind noch 10 bis 25 g/l Kohlendioxid und 0,2 bis 2 g/l H2S enthalten. Der Anteil an nicht entfernten unpolaren Silanverbindungen beträgt 0,1 g/l. Mittels indirektem Wärmetausch wird die gereinigte Waschlösung jetzt mit der beladenen Waschiösung in einem Wärmetauscher von 160 0C auf etwa 60 0C gekühlt und einem Regenerationsfilter auf Basis von Aktivkohle oder Molekularsieben zugeführt. Die in der Waschlösung enthaltenen weiteren Verunreinigungen, insbesondere Silan- und Siloxanverbindungen, werden an den Adsorbentien gebunden. Da die Beladekapazität der Silan- und Siloxanverbindungen gegenüber der waschmittelaktiven Substanz, der Aminver- bindung, um den Faktor 10 höher ist, und die Aminverbindungen keine Verdrängung der adsorbierten Silan- und Siloxanverbindungen bewirken können, ist eine wirksame Entfernung der Silan- und Siloxanverbindungen aus der Waschlösung problemlos möglich. Der installierte Adsorptionsfilter bindet die Silan- und Siloxanverbindungen und besitzt eine Standzeit von ca. einem Jahr.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Aufbereitung von Klärgas zu Brenngas durch Abtrennung von CO2 und Siliziumverbindungen sowie sonstiger Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Klärgas (Rohgas) in zwei Teilströme (T1, T2) unterschiedlich großer Mengen aufgeteilt wird, wobei mindestens der kleinere Teilstrom (T2) unter Vakuum gesetzt wird und aus einem zur Entfeuchtung des gereinigten Rohgases eingesetzten Trockner (A1 oder A2) Wasser angesaugt und dabei der kleinere Teilstrom (T2) mit Wasser angereichert wird, die beiden Teilströme (T1, T2) oder mindestens der größere Teilstrom (T1) einer ersten Waschstufe (K1) zugeführt werden, in der mittels Wasser im Rohgas befindliche Feststoffe, wie polare Silan- und Siloxanverbindungen, Ammoniak und andere Verbindungen, abgeschieden werden, in einer nachfolgenden zweiten Waschstufe (K2) aus dem vorgereinigten Rohgas mittels einer bis auf 80 0C erwärmten aminhalti- gen Waschlösung CO2, H2S, unpolare Siloxane sowie weitere Verunreinigungen abgetrennt werden und in einer abschließenden Trocknungsstufe (A) das gereinigte Rohgas bis auf einen Taupunkt von unter -10 0C entfeuchtet wird und noch vorhandene höhermolekulare Kohlenwasserstoffe adsorbiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Teilströme (T1, T2) in einem Verhältnis T1:T2 von 5:1 bis 100:1 erfolgt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinere Teilstrom (T2) verdichtet und ein Vakuum von 0,1 bis 500 mbar erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Tellströme (T1, T2) vor der Einleitung in die erste Waschstufe (K1) wieder zusammengeführt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Waschwasser der ersten Waschstufe (K1) im Kreislauf gefahren und durch Wärmetausch soweit abgekühlt wird, dass das vorgereinigte Rohgas mit einer Temperatur von 10 bis 30 °C austritt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Waschstufe über den Pumpendruck und die Temperatur des im Kreislauf gefahrenen Waschwassers die Regelparameter elektrische Leitfähigkeit und pH-Wert des Wassers überwacht und eingestellt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die amln- haltige Waschlösung einen Amingehalt von mindestens 10 % besitzt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die amin- haltige Waschlösung mit einer erhöhten Temperatur von mindestens 30 0C zugeführt und durch die während des Waschprozesses anfallende Reaktionswärme weiter erwärmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgereinigte Rohgas in der zweiten Waschkolonne (K2) im Gegenstrom zu der aminhaltigen Waschlösung eine Füllkörperschüttung mit einer Oberfläche von 200 bis 1200 m2/m3 durchströmt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die verunreinigte aminhaltige Waschlösung regenerativ aufgearbeitet wird, wobei diese bei erhöhten Temperaturen von 115 bis 160 °C ein Adsorptionsfiltermedium durchströmt.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus den Baugruppen erste Waschkolonne (K1), zweite Waschkolonne (K2) und Trocknungseinheit (A) besteht, wobei die Zuführungsleitung (S) für das zu reinigende Rohgas in zwei Leitungen (1, 2) für unterschiedlich große Teilstrommengen (T1, T2) aufgeteilt ist und in der Leitung (2) für die kleinere Teilstrommenge (T2) ein erster Verdichter (V1) zur Erzeugung eines Vakuums eingebunden ist, und mindestens die für die größere Teilstrommenge (T1) bestimmte Leitung (1) mit der ersten Waschkolonne (K1) in Verbindung steht, die erste Waschkolonne (K1) als Gaswäscher ausgeführt ist, wobei am Kopf der Waschkolonne (K1) eine das vorgereinigte Rohgas abführende Leitung (3) angeordnet ist, die mit der zweiten Waschkolonne (K2) verbunden ist, die als Absorptionskolonne ausgebildet ist und mit einer Leitung (6) zur Zuführung einer aminhaltigen Waschlösung und einer Leitung (7) zur Abführung verunreinigter Waschlösung sowie einer Leitung (8) zur Abführung von gereinigtem Rohgas und dessen Weiterleitung an die Trocknungseinheit (A) verbunden ist, und die Trocknungseinheit (A) aus mindestens zwei abwechselnd zuschaltbaren Trocknern (A1, A2) besteht, wobei der im Betriebszustand nicht angeschlossene Trockner (A1 oder A2) zur Regeneration über eine Leitung (10) mit der unter Vakuum stehenden, die kleinere Rohgas-Teilstrommenge (T1) führenden Leitung (2) verbunden ist, und das gereinigte Rohgas als Brenngas über die an den Trockner (A1, A2) angeschlossene Leitung (11) abführbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Waschkolonne (K1) mit einer Waschwasser führenden Kreislaufleitung (3) ausgerüstet ist, in die eine Pumpe (P) und ein erster Wärmetauscher (W1) zur Kühlung des Waschwassers eingebunden sind,
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskolonne (K2) als zylindrischer Behälter mit einem Verhältnis von Länge : Durchmesser von 4 bis 20 ausgebildet ist, eine Füllkörperschüttung mit einer Oberfläche von 200 bis 1.200 m2/ms enthält und einen Raumbelastungsfaktor von 5 bis 40 Nm'/m'h aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllkörper der Füllkörperschüttung einen mittleren Durchmesser von 5 bis 15 mm besitzen.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in die Leitung (8) zur Abführung von gereinigtem Rohgas und dessen Weiterleitung an die Trocknungseinheit (A) ein zweiter Wärmetauscher (W2) zur Kühlung des gereinigten Rohgases und ein zweiter Verdichter (V2) eingebunden sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Trockner (A1, A2) eine Schicht aus Molekularsieb enthalten, die geeignet ist, außer Wasser auch höhermolekulare Kohlenwasserstoffe zu adsorbieren.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass an die Waschkolonne (K2) eine Regenerationseinheit (R) zur Regenerierung der verunreinigten Waschlösung angeschlossen ist.
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