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DE102008004077A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von Erdgas zur Nutzung in einem Gasmotor - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von Erdgas zur Nutzung in einem Gasmotor Download PDF

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DE102008004077A1
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Abstract

Zur Aufbereitung von Erdgas zur Nutzung in einem Gasmotor werden aus einem ankommenden Erdgasgemisch (10) höhere Kohlenwasserstoffe (14) abgeschieden und das verbleibende Erdgasgemisch (16), dessen Methanzahl durch das Entfernen der höheren Kohlenwasserstoffe (14) erhöht ist, wird einem Gasmotor als Brennstoff (18) zur Verfügung gestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Erdgas zur Nutzung in einem Gasmotor sowie ein entsprechend aufbereitetes Erdgas sowie dessen Verwendung.
  • Gasmotoren, wie Diesel-Gasmotoren und Gas-Ottomotoren, gewinnen zunehmend Bedeutung beispielsweise als Antriebsaggregate für stationäre Anlagen und in Erdgasfahrzeugen. Aufbau und Funktionsweise eines Diesel-Gasmotors sind zum Beispiel in der DE 197 54 354 C1 und der DE 10 2005 050 435 A1 ausführlich beschrieben, auf welche Druckschriften daher in diesem Zusammenhang vollinhaltlich Bezug genommen wird.
  • Für die Funktionsweise eines Gasmotors, insbesondere seinen Verbrennungsprozess ist die Gasbeschaffenheit des verwendeten Erdgases von entscheidender Bedeutung. Die wesentlichen Bestandteile von Erdgas sind die Kohlenwasserstoffe Methan (CH4), Ethan (C2H6), Propan (C3H8) und Butan (C4H10) sowie die Gase Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N2) und evt. Schwefelwasserstoff (H2S). Die Methanzahlen der in Europa zur Verfügung stehenden Erdgase liegen je nach Herkunft üblicherweise im Bereich zwischen 70 und 98. Im Allgemeinen nimmt die Klopfneigung während des Verbrennungsprozesses mit geringer werdender Methanzahl zu, wobei reines Methan eine Methanzahl von 100 besitzt und reiner Wasserstoff eine Methanzahl von 0 besitzt. Während im Erdgas vorhandene Anteile an Propan und Butan die Klopffestigkeit herabsetzen, kann es durch die inerten Gasbestandteile Stickstoff und Kohlendioxid zu einer Erhöhung der Klopffestigkeit kommen, so dass sogar Methanzahlen von über 100 für ein Erdgasgemisch möglich sind.
  • Aufgrund zunehmend schlechterer Brenngasqualität mit Methanzahlen auch unter 70 und eingeschränkter Betriebsbereiche moderner Gasmotoren besteht Bedarf an einer Möglichkeit zur Verbesserung der Brenngasqualität, insbesondere zur Erhöhung der Methanzahl des Brenngases.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Aufbereitung von Erdgas zur Nutzung in einem Gasmotor zu schaffen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Aufbereitung von Erdgas mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Das Verfahren zur Aufbereitung von Erdgas zur Nutzung in einem Gasmotor ist dadurch gekennzeichnet, dass aus einem vorhandenen oder ankommenden Erdgasgemisch höhere Kohlenwasserstoffe abgeschieden werden und das verbleibende Erdgasgemisch einem Gasmotor als Brennstoff zur Verfügung gestellt wird.
  • Durch das Abscheiden der höheren Kohlenwasserstoffe aus einem Erdgasgemisch wird die Methanzahl des verbleibenden Erdgasgemisches erhöht, was zu einer Verbesserung der Brennstoffqualität aufgrund seiner höheren Klopffestigkeit führt. Mit Hilfe dieses Verfahrens können vorteilhaft auch Erdgasgemische mit niedrigeren Methanzahlen für moderne Gasmotoren mit eingeschränkten Betriebsbereichen genutzt werden. Die Methanzahl kann beispielsweise gemäß E DIN 51624: 2007-01 berechnet werden.
  • Das Verfahren ist zur Aufbereitung von Erdgas zur Nutzung in Gasmotoren wie Diesel-Gasmotoren und Gas-Ottomotoren, jeweils mit oder ohne Vorkammerzündung, jeweils mit oder ohne Aufladung, gleichermaßen geeignet. Dabei können die Gasmotoren beispielsweise für stationäre Anlagen oder in Erdgasfahrzeugen eingesetzt werden.
  • Ferner ist das Verfahren grundsätzliche für beliebige Erdgasgemische anwendbar, auch wenn es bei Erdgasgemischen mit geringerer Methanzahl von besonderem Vorteil ist. Zu den abzuscheidenden höheren Kohlenwasserstoffen zählen dabei insbesondere alle Kohlenwasserstoffe mit mindestens zwei Kohlenstoffatomen, d. h. Ethan, Propan, Butan, usw. Je nach Ausführungsform des Abscheidungsverfahrens zählen zu den höheren Kohlenwasserstoffen insbesondere alle Kohlenwasserstoff mit mindestens drei oder mehr Kohlenstoffatomen. Höhere Kohlen wasserstoffe weisen im Allgemeinen höhere Siedetemperaturen auf. Bevorzugt werden daher aus dem aufzubereitenden Erdgas höher siedende Kohlenwasserstoffe abgeschieden und das verbleibende Erdgasgemisch einem Gasmotor als Brennstoff zur Verfügung gestellt.
  • Die höheren Kohlenwasserstoffe können aus einem ankommenden Erdgasgemisch beispielsweise mittels eines Membrantrennverfahrens und/oder eines Druckkondensationsverfahrens abgeschieden werden, ohne dass die vorliegende Erfindung auf diese beiden Abscheidungsprozesse beschränkt sein soll. In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die höheren Kohlenwasserstoffe aus dem ankommenden Erdgasgemisch mittels eines mehrstufigen Prozesses entfernt, wodurch die Effizienz des Abscheidungsvorgangs erhöht wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die abgeschiedenen höheren Kohlenwasserstoffe verflüssigt und dann einem Gasmotor als Zündmedium zur Verfügung gestellt. Da die höheren Kohlenwasserstoffe allgemein auch höhere Siedepunkte haben, können sie leicht verflüssigt werden und sind dann wesentlicher zündwilliger als beispielsweise das gasförmige Methan, wodurch zum Beispiel die Glühstifttemperatur einer Zündeinrichtung reduziert werden kann.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Erdgas mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
  • Die Vorrichtung zur Aufbereitung von Erdgas zur Nutzung in einem Gasmotor ist erfindungsgemäß mit einer Trenneinrichtung zum Abscheiden höherer Kohlenwasserstoffe aus einem ankommenden Erdgasgemisch und einer Einrichtung zum Aufnehmen des verbleibenden Erdgasgemisches als Brennstoff für einen Gasmotor versehen.
  • Mit dieser Vorrichtung werden die gleichen Vorteile wie mit dem oben beschriebenen Verfahren erzielt, weshalb auf eine nochmalige Erläuterung verzichtet wird.
  • Die Trenneinrichtung ist zum Beispiel zum Abscheiden der höheren Kohlenwasserstoffe aus dem ankommenden Erdgasgemisch mittels eines Membrantrennverfahrens und/oder eines Druckkondensationsverfahrens ausgebildet.
  • Vorzugsweise weist die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Verflüssigen der abgeschiedenen höheren Kohlenwasserstoffe und besonders bevorzugt eine Einrichtung zum Aufnehmen der verflüssigten höheren Kohlenwasserstoffe als Zündmedium für einen Gasmotor auf.
  • Obige sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigt die einzige Figur ein schematisches Prozessablaufdiagramm zum Erläutern der vorliegenden Erfindung.
  • Die 1 zeigt teilweise schematisiert einen Prozess gemäß der Erfindung zum Aufbereiten von Erdgas zur Nutzung in einem Gasmotor. Die Aufbereitung eines Erdgasgemisches kann vor und/oder nach den in der Figur gezeigten Schritten selbstverständlich weitere Prozesse und Einrichtungen (z. B. Filter, Sensoren, usw.) enthalten, die zur Aufbereitung eines Erdgasgemisches als Brennstoff für einen Gasmotor benötigt werden und dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt sind.
  • Ein ankommendes Erdgasgemisch 10 enthält üblicherweise die Bestandteile Methan (CH4), Ethan (C2H6), Propan (C3H3) und Butan (C4H10) sowie Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N2) und evt. Schwefelwasserstoff (H2S). Die Methanzahl des ankommenden Erdgasgemisches 10 liegt in Europa typischerweise in einem Bereich zwischen 70 und 98, zunehmend jedoch auch unterhalb von 70. Das ankommende Erdgasgemisch 10 wird einer Trenneinrichtung 12 zum Abscheiden von höheren Kohlenwasserstoffen 14, d. h. Kohlenwasserstoffen mit mindestens zwei Kohlenstoffatomen, mit anderen Worten Ethan, Propan, Butan, usw., zugeführt. Alternativ können auch nur höhere Kohlenwasserstoffe 14 mit mindestens drei oder mehr Kohlenstoffatomen abgeschieden werden.
  • Das Abscheiden der höheren Kohlenwasserstoffe 14 erfolgt dabei zum Beispiel mittels eines Membrantrennverfahrens oder eines Druckkondensationsverfahrens. Um die Effizienz dieses Abscheidungsvorgangs zu erhöhen, werden die höheren Kohlenwasserstoffe 14 aus dem ankommenden Erdgasgemisch 10 vorzugsweise in einem mehrstufigen Prozess entfernt.
  • Das nach dem Abscheiden verbleibende Erdgasgemisch 16 enthält als Hauptbestandteil Methan und besitzt somit eine höhere Methanzahl als das ankommende Erdgasgemisch 10. Das verbleibende Erdgasgemisch 16 hat aufgrund der höheren Methanzahl eine erhöhte Klopffestigkeit und damit eine verbesserte Qualität und Leistungsausbeute als Brennstoff 18 für einen Gasmotor. Das Verfahren der Erfindung ist somit insbesondere zur Aufbereitung von ankommenden Erdgasgemischen 10 mit niedrigen Methanzahlen von beispielsweise kleiner als 70 von Vorteil, kann aber grundsätzlich auch bei Erdgasgemischen 10 mit höheren Methanzahlen angewendet werden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die abgeschiedenen höheren Kohlenwasserstoffe 14 einer weiteren Einrichtung 20 zum Verflüssigen dieser Kohlenwasserstoffe zugeführt. Nach dem Verflüssigen können die höheren Kohlenwasserstoffe 14 dann einem Gasmotor als Zündmedium 22 zur Verfügung gestellt werden. Die verflüssigten höheren Kohlenwasserstoffe können in dem Gasmotor mit Hilfe vorhandener oder modifizierter Einspritztechnologie verwendet werden.
  • Höhere Kohlenwasserstoffe haben im Vergleich zu Methan auch einen höheren Siedepunkt (Methan: –162°C, Ethan: –88,6°C, Propan: –42°C, Butan: –0,5°C). Aus diesem Grund lassen sich die höheren Kohlenwasserstoffe einfach abscheiden, die abgeschiedenen höheren Kohlenwasserstoffe 14 leicht und mit geringerem Energieaufwand verflüssigen und dem Gasmotor als flüssiges Zündmedium 22 zur Verfügung stellen. Ein solches flüssige Zündmedium 22 ist wesentlich zündwilliger als zum Beispiel das gasförmige Methan, so dass die Glühstifttemperatur einer Zündeinrichtung des Gasmotors und der Energieaufwand für die Hochdruckverdichtung im Gasmotor reduziert werden können. Analysen von Erdgasgemischen haben gezeigt, dass bei minderwertigen Erdgasgemischen mit niedriger Methanzahl eine als Zündmedium nutzbare Flüssiggasmenge von 2 bis 4% vorhanden ist.
  • Das auf diese Weise erzeugte Zündmedium 22 und der auf diese Weise erzeugte Brennstoff 18 werden zunächst jeweils in einer geeigneten Einrichtung zum Aufnehmen dieser Stoffe (z. B. Sammeltank) gesammelt, bevor sie einem Gasmotor zugeführt werden.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung stellen somit sowohl einen Brennstoff mit verbesserter Qualität (höhere Methanzahl, geringere Klopfneigung, höhere Leistungsausbeute) als auch ein Zündmedium mit verbesserter Qualität (höhere Zündwilligkeit, Hochdruckverdichtung mit weniger Energie) für einen Gasmotor zur Verfügung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19754354 C1 [0002]
    • - DE 102005050435 A1 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - E DIN 51624 [0008]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Aufbereitung von Erdgas zur Nutzung in einem Gasmotor, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Erdgasgemisch (10) höhere Kohlenwasserstoffe (14) wenigstens teilweise abgeschieden werden und das verbleibende Erdgasgemisch (16) einem Gasmotor als Brennstoff (18) zur Verfügung gestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass höhere Kohlenwasserstoffe (14) aus dem ankommenden Erdgasgemisch (10) wenigstens teilweise mittels eines Membrantrennverfahrens (12) abgeschieden werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass höhere Kohlenwasserstoffe (14) aus dem ankommenden Erdgasgemisch (10) wenigstens teilweise mittels eines Druckkondensationsverfahrens (12) abgeschieden werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass höhere Kohlenwasserstoffe (14) aus dem ankommenden Erdgasgemisch (10) mittels eines mehrstufigen Prozesses entfernt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschiedenen höheren Kohlenwasserstoffe (14) verflüssigt werden (20), um einem Gasmotor als Zündmedium (22) zur Verfügung gestellt zu werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Methanzahl des aufzubereitenden Erdgasgemisches, insbesondere gemäß E DIN 51624, höchstens 90, insbesondere höchstens 80, bevorzugt höchstens 70 beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass aus dem aufzubereitenden Erdgasgemisch höher siedende Kohlenwasserstoffe, insbesondere Propan, Butan und/oder Pentan, abgeschieden werden.
  8. Vorrichtung zur Aufbereitung von Erdgas zur Nutzung in einem Gasmotor, gekennzeichnet durch eine Trenneinrichtung (12) zum Abscheiden höherer Kohlenwasserstoffe (14) aus einem Erdgasgemisch (10) und eine Einrichtung zum Aufnehmen des verbleibenden Erdgasgemisches (16) als Brennstoff (18) für einen Gasmotor, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (12) zum Abscheiden der höheren Kohlenwasserstoffe (14) aus dem ankommenden Erdgasgemisch (10) mittels eines Membrantrennverfahrens (12) ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (12) zum Abscheiden der höheren Kohlenwasserstoffe (14) aus dem ankommenden Erdgasgemisch (10) mittels eines Druckkondensationsverfahrens (12) ausgebildet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine Einrichtung (20) zum Verflüssigen der abgeschiedenen höheren Kohlenwasserstoffe (14) und eine Einrichtung zum Aufnehmen der verflüssigten höheren Kohlenwasserstoffe als Zündmedium (20) für einen Gasmotor aufweist.
  12. Erdgas zur Nutzung in einem Gasmotor, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufbereitet worden ist.
  13. Verwendung eines nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufbereiteten Erdgases als Treibstoff für einen Gasmotor.
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