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WO2016019984A1 - Kombiniertes verfahren zur nutzung von roh-biogas enthaltend kohlendioxid und ein nutzgas - Google Patents

Kombiniertes verfahren zur nutzung von roh-biogas enthaltend kohlendioxid und ein nutzgas Download PDF

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WO2016019984A1
WO2016019984A1 PCT/EP2014/066860 EP2014066860W WO2016019984A1 WO 2016019984 A1 WO2016019984 A1 WO 2016019984A1 EP 2014066860 W EP2014066860 W EP 2014066860W WO 2016019984 A1 WO2016019984 A1 WO 2016019984A1
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WO
WIPO (PCT)
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alkali
alkali metal
carbon dioxide
carbonate
reaction
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2014/066860
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English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Menhorn
Karl Weinberger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dennert Poraver GmbH
Original Assignee
Dennert Poraver GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dennert Poraver GmbH filed Critical Dennert Poraver GmbH
Priority to PCT/EP2014/066860 priority Critical patent/WO2016019984A1/de
Publication of WO2016019984A1 publication Critical patent/WO2016019984A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G OR C10K; LIQUIFIED PETROLEUM GAS; USE OF ADDITIVES TO FUELS OR FIRES; FIRE-LIGHTERS
    • C10L3/00—Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06—Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C10L3/10—Working-up natural gas or synthetic natural gas
    • C10L3/101—Removal of contaminants
    • C10L3/102—Removal of contaminants of acid contaminants
    • C10L3/104—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2251/00—Reactants
    • B01D2251/30—Alkali metal compounds
    • B01D2251/304—Alkali metal compounds of sodium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2251/00—Reactants
    • B01D2251/30—Alkali metal compounds
    • B01D2251/306—Alkali metal compounds of potassium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/62—Carbon oxides
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Definitions

  • the invention relates to a combined process for the use of raw biogas containing carbon dioxide and a useful gas, in particular methane.
  • biogas production is being strongly promoted.
  • a problem with biogas is that it has a relatively high carbon dioxide content of about 50%, so that it can not be fed directly into a gas network, in particular natural gas network, for energy supply.
  • the raw biogas Prior to this step, the raw biogas must be appropriately purified by significantly reducing the carbon dioxide content.
  • Another disadvantage of conventional biogas production is the fact that existing biogas plants have no optimized heat utilization concept, so that the overall efficiency of such plants is still in need of improvement.
  • Electricity generation could be considered on and off biogas plants with a correspondingly large gas storage. Disadvantage of this is the fact that would be necessary for efficient use uneconomically large gas storage. Also, the existing power grid in the connection of such biogas plants is usually not expanded accordingly. In addition, the efficiency is reduced even in this variant.
  • the invention has the object, a method for the use of Indicate raw biogas, which works with high efficiency and flexible to external conditions, such as energy demand peaks is customizable.
  • the use of biogas upgrading means that energy demand peaks in the power grid can be buffered.
  • the resulting in the type of use of Nutzgas holehorn alkaline bicarbonate is regenerated again to alkali carbonate, which is used in the latter type of use for the removal of carbon dioxide.
  • This can be produced with minimal use of resources from the raw biogas useful gas, such as biomethane, and fed into the gas network.
  • This also provides chemical energy in the sense of a buffering of electrical energy demand peaks, even without burdening the power grid, which can be emitted elsewhere in the case of energy demand peaks, for example by gas turbines.
  • the method steps la) to lc) of the first mode of use and the method steps 2a) to 2c) of the second mode of use can be carried out alternately in two cyclically coupled, time-separated sequence processes. This means that over a certain period, the raw biogas is utilized in the first mode of use and then over a certain period in the second mode of use, the cyclicity on the combination of both types of use by the regeneration of the alkali metal bicarbonate to alkali carbonate in the second use and its reuse in the first use is given.
  • a synchronous utilization of the raw biogas in both types of use is also conceivable.
  • the two processes are decoupled plant technology and the cyclicity is ensured by transferring the resulting in a plant for carrying out the first use type alkali metal bicarbonate in a plant to carry out the second mode of use, where then at the same time the regeneration of the alkali metal bicarbonate to alkali carbonate takes place. The latter is then continuously returned to the plant for the first use.
  • the alkali metal sodium can be used as the alkali metal sodium.
  • potassium is preferred so that potassium carbonate and potassium bicarbonate are used in one cycle.
  • the efficiency of the process can be optimized if, during the regeneration of the alkali bicarbonate, a concentrated alkali carbonate solution is prepared and provided for carbon dioxide removal.
  • the waste heat produced during the power generation of the raw biogas is sufficient to produce the corresponding temperatures for the regeneration of the alkali metal bicarbonate to alkali carbonate, that is about 200 ° C for potassium or 300 ° C for sodium as the alkali metal.
  • the inventive method for alternating use of oh biogas even act as a carbon dioxide sink.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the sub-process for the supply of useful gas from a raw biogas
  • Fig. 2 is a block diagram of the sub-process for the conversion of
  • FIG. 3 shows a block diagram of a method composed of the two partial methods according to FIGS. 1 and 2 for the synchronous use of raw biogas
  • FIGS. 4 and 5 show a schematic representation of a rotary kiln in the different types of use
  • FIGS. 8 and 9 a schematic representation of a reaction vessel with conveyor and heat exchanger in different uses.
  • a conventional biogas reactor 1 via a biogas discharge line 2 on the one hand with a carbon dioxide (CO 2 -) absorber 3 connected, in which from the biogas reactor 1 provided raw biogas high proportion of carbon dioxide is to be removed.
  • CO 2 - carbon dioxide
  • potassium carbonate K 2 CO 3 is provided in the CO 2 absorber 3.
  • the carbon dioxide is then separated from the crude biogas from the raw biogas, essentially a mixture of CO 2 and CH 4 , according to the reaction equation K 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O -> 2 KHCO 3 so that the useful gas CH 4 is used for feeding into a schematically indicated with 4 gas network.
  • the chemical energy inherent in the useful gas is thus temporally and locally independently retrievable as energy for power generation by means of a gas turbine.
  • the biogas reactor 1 is connected to the other via a derivative 5 with a heat engine, for example in the form of a gas engine 6 or a gas turbine, which gas engine 6 is coupled to a generator 7 for power generation on site.
  • a heat engine for example in the form of a gas engine 6 or a gas turbine, which gas engine 6 is coupled to a generator 7 for power generation on site.
  • the waste heat Q occurring during operation of the gas engine 6 is used to generate the waste heat in the CO 2 absorber 3. to regenerate potassium hydrogencarbonate according to the following reaction relationship:
  • Waste heat for example, also supplied in the form of the exhaust gas of the gas engine 6, so that in the rotary kiln 9, the regeneration of Kaliumhydrogencar- carbonate to potassium carbonate - as described with reference to FIG. 2 - takes place with release of carbon dioxide.
  • FIG. 6 An alternative to the rotary kiln 9 is shown in Figs. 6 and 7.
  • a fluidized bed reactor 10 is used, in which - as shown in FIG. 6 - in the individual fluidized bed 1 1 of the fluidized bed reactor 10 potassium carbonate is layered and raw biogas is blown from below.
  • the reaction relationship explained with reference to FIG. 1 again takes place with the formation of potassium hydrogencarbonate, and useful gas CH 4 is released.
  • the waste heat Q of the gas engine 6 for example in the form of its exhaust gases, is blown from below into the fluidized-bed reactor 10 in order to regenerate the potassium bicarbonate formed in the fluidized-bed reactor 10.
  • the reaction for the regeneration of potassium bicarbonate to potassium carbonate takes place again with the separation of water and carbon dioxide.
  • FIGS. 8 and 9 show a further plant-technical alternative for carrying out the method according to the invention.
  • a reaction vessel with a potassium carbonate solution 13 use in the back of the raw biogas is introduced.
  • carbon dioxide is removed from the crude biogas, and the potassium hydrogencarbonate which forms is precipitated on account of its lower solubility.
  • the sediment 14 thus formed in the reaction vessel 12 is conveyed via a screw conveyor 15 docked thereto to a heat exchanger 16, in which the regeneration of the potassium bicarbonate taking place with the aid of "power generation" can take place with reference to Fig. 2.

Landscapes

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Abstract

Ein zyklisches Verfahren zur alternierenden Nutzung von Roh-Biogas umfasst zwei Nutzungsarten, nämlich einer Nutzgasbereitstellung und einer Verstromung mit folgenden Verfahrensschritten: -in einer ersten Nutzungsart der Nutzgasbereitstellung: =1a) Bereitstellen von Alkali-Carbonat, =1b) Entfernen von Kohlendioxid aus dem Roh-Biogas durch Reaktion des Kohlendioxids mit dem Alkali-Carbonat zu AlkaliHydrogencarbonat gemäß der Reaktionsbeziehung Nutzgas + Alkali2CO3 + H2O + CO2 Nutzgas + Alkali HCO3 sowie =1c) Abtrennen des Alkali-Hydrogencarbonats und Bereitstellen des Nutzgases; sowie -in einer zweiten Nutzungsart der Verstromung: =2a) Verbrennen des Roh-Biogases in einer Wärmekraftmaschine (6) unter Erzeugung von elektrischer Energie und von Abwärme, =2b) Nutzung der Abwärme zur Regeneration des Alkali- Hydrogencarbonats zu Alkali-Carbonat gemäß der Reaktionsbeziehung 2 AlkaliH2CO3 Alkali2CO3 + H2O + CO2 und =2c) Wiederverwendung des dabei entstehenden Alkali-Carbonats im Verfahrensschritt 1a).

Description

Kombiniertes Verfahren zur Nutzung von Roh-Biogas enthaltend Kohlendioxid und ein Nutzgas
Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Verfahren zur Nutzung von Roh- Biogas enthaltend Kohlendioxid und ein Nutzgas, insbesondere Methan.
Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass hier mehrere, teilweise zuwiderlaufende Problemstellungen zugrunde liegen. So wird in Zusammenhang mit der vermehrten Nutzung regenerativer Energien die Bio- gas-Herstellung stark forciert. Ein Problem bei Biogas liegt darin, dass es einen relativ hohen Kohlendioxid- Anteil von circa 50 % aufweist, sodass es nicht direkt in ein Gasnetz, insbesondere Erdgasnetz, zur Energieversorgung eingespeist werden kann. Vor diesem Schritt ist das Roh-Biogas entsprechend aufzureinigen, indem der Kohlendioxid- Anteil deutlich herabge- setzt wird.
Ein weiterer Nachteil bei der herkömmlichen Biogas-Herstellung ist die Tatsache, dass vorhandene Biogasanlagen über kein optimiertes Wärmenutzungskonzept verfügen, sodass der Gesamt- Wirkungsgrad solcher An- lagen nach wie vor verbesserungsbedürftig ist.
Ein immer dringenderes Problem ist in Hinblick auf den zunehmenden Anteil regenerativer Energien, wie Solar- und Windenergie, an der Energieversorgung die Tatsache, dass diese Energiegewinnungsarten keine ausrei- chende Regelreserve zur Abdeckung von Energiebedarfspitzen aufweisen und damit nicht zur Netzstabilität der regionalen und überregionalen Übertragungsnetze beitragen können. Aus dem Stand der Technik sind Lösungsansätze für die einzelnen Problemstellungen bekannt, die kurz wie folgt umrissen werden können. So werden für die Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz Kohlenstoff- Molekularfilter verwendet, um den Kohlendioxid- Anteil zu reduzieren. Nachteil dieser Filtertechnik ist ein hoher Eigenstrombedarf und ein relativ geringer Wirkungsgrad.
Bei Betrieb einer Biogasanlage unter einem Druck von mindestens 7 bar würde das bei den Reaktionen im Fermenter entstehende Kohlendioxid dort bzw. im Gärrest verbleiben. Nachteil dieser Lösung ist der höhere Aufwand für solche Anlagen, da diese entsprechende Druckbehälter mit den nötigen Sicherheitsreserven benötigen.
Im Zusammenhang mit dem Problem von Energiebedarfspitzen wurde vor- geschlagen, auf der Basis von kontinuierlich anfallendem Biogas durch Verstromung eine elektrische Grundlastleistung bereitzustellen. Schwankungen im Energiebedarf und der Leistung anderer regenerativer Energien können mittels Wasserstoff-Elektrolyse oder Methanisierung abgepuffert werden. Auch hier ist jedoch ein vergleichsweise geringer Wirkungsgrad in Verbindung mit einem hohen technischen Aufwand das Problem.
Im Zusammenhang mit der Biogas-Aufreinigung ist zum Stand der Technik auch das sogenannte GHERL-Projekt
- siehe http://www.gherl.it/gherl/scientific-area/experimental-results - zu nennen, bei dem Deponiegas ähnlicher Zusammensetzung wie Biogas mittels Kaliumhydroxid-Lösung zu Kaliumcarbonat unter Absorption von Kohlendioxid umgewandelt wird. Nachteil dabei ist, dass Kaliumhydroxid unter Energieeinsatz hergestellt wird. Das bei der Gasreinigung entstehen- de Kaliumcarbonat soll als industrieller Rohstoff weiterverwendet werden. Eine andere Wiederverwendung ist nicht vorgesehen.
Aus der U-Boot-Technik oder für das regenerative Tauchen ist die Ver- wendung von Kaliumhyperoxidpatronen bekannt, die aus der sich verbrauchenden Atemluft Kohlendioxid absorbieren und Sauerstoff abspalten. Damit wäre an sich eine Aufreinigungstechnik zur Absorption von Kohlendioxid aus Biogas eröffnet, jedoch stellt der dabei entstehende Sauerstoff ein Problem dar, da dieser in Erdgasleitungssystemen unerwünscht ist.
Zur Biogasreinigung wäre schließlich auch eine Aminwäsche einsetzbar, die vor der Gaseinspeisung kontinuierlich ablaufen würde. Diese Variante ist allerdings ebenfalls mit einem hohen technischen Aufwand verbunden. Im Hinblick auf eine Flexibilisierung der Gas- und daraus abgeleiteten
Stromerzeugung könnten an- und abschaltbare Biogasanlagen mit entsprechend großem Gasspeicher angedacht werden. Nachteil davon ist die Tatsache, dass für einen effizienten Einsatz unwirtschaftlich große Gasspeicher nötig wären. Auch ist das vorhandene Stromnetz in der Anbindung solcher Biogasanlagen in der Regel nicht entsprechend ausgebaut. Zudem wird auch bei dieser Variante der Wirkungsgrad verringert.
Schließlich bleibt der Hinweis, dass bei Biogasanlagen gemäß dem Stand der Technik in der Regel kein Effizienz verbesserndes Wärmenutzungskonzept vorhanden ist.
Ausgehend von den geschilderten Problemkreisen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Nutzung von Roh-Biogas anzugeben, das mit hohem Wirkungsgrad arbeitet und flexibel an externe Bedingungen, wie Energiebedarfsspitzen anpassbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein kombiniertes Verfahren zur Nutzung von Roh-Biogas enthaltend Kohlendioxid und ein Nutzgas, insbesondere Methan gelöst, wobei zwei Nutzungsarten, nämlich eine Nutzgasbereitstellung und eine Verstromung des Roh-Biogases mit aufeinander abgestimmten Verfahrensschritten wie folgt eingesetzt werden:
- in einer ersten Nutzungsart der Nutzgasbereitstellung:
= la) Bereitstellen von Alkali-Carbonat,
= lb) Entfernen von Kohlendioxid aus dem Roh-Biogas durch Reaktion des Kohlendioxids mit dem Alkali-Carbonat unter Anwesenheit von Wasser zu Alkali-Hydrogencarbonat gemäß der Reaktionsbeziehung
Nutzgas + Alkali2CO3 + H2O + CO2 -> Nutzgas + AlkaliHCO3 sowie
= lc) Abtrennen des Alkali-Hydrogencarbonats und Bereitstellen des Nutzgases; sowie
- in einer zweiten Nutzungsart der Verstromung:
= 2a) Verbrennen des Roh-Biogases in einer Wärmekraftmaschine unter Erzeugung von elektrischer Energie in einem von der Wärmekraftmaschine angetriebenen Generator und von Abwärme,
= 2b) Nutzung der Abwärme zur Regeneration des Alkali- Hydrogencarbonats zu Alkali-Carbonat gemäß der Reaktionsbeziehung
2 AlkaliHCO3 -> Alkali2CO3 + H2O + CO2 und = 2c) Wiederverwendung des dabei entstehenden Alkali-Carbonats im Verfahrensschritt la).
Durch die beiden aufeinander abgestimmten Nutzungsarten mit einer zykli- sehen Verflechtung der Kohlendioxid-Entfernung aus dem oh-Biogas mittels Alkali-Carbonat und die Regeneration des dabei entstehenden Alka- li-Hydrogencarbonats mit der bei der zweiten Nutzungsart der Verstro- mung entstehenden Abwärme können an sich sich widersprechende Problemkreise gelöst werden. So können durch die Nutzungsart der Verstro- mung des Biogases Energiebedarfspitzen im Stromnetz abgepuffert werden. Gleichzeitig wird bei dieser Nutzungsart das bei der Nutzungsart der Nutzgasbereitstellung entstehende Alkali-Hydrogencarbonat wieder zu Alkali-Carbonat regeneriert, das bei der letztgenannten Nutzungsart für die Entfernung des Kohlendioxids eingesetzt wird. Damit kann mit minimalem Ressourceneinsatz aus dem Roh-Biogas Nutzgas, wie beispielsweise Biomethan, hergestellt und in das Gasnetz eingespeist werden. Damit wird ebenfalls im Sinne einer Abpufferung elektrischer Energiebedarfspitzen, auch ohne das Stromnetz zu belasten, chemische Energie bereitgestellt, die an anderer Stelle bei Energiebedarfspitzen beispielsweise durch Gasturbi- nen verströmt werden kann.
Insgesamt kann durch eine entsprechende Verteilung von Biogas-Anlagen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden, ein Ausgleich unterschiedlichen Energieangebots und -bedarfs in unterschiedlichen Regionen stattfinden. So würde dies beispielsweise helfen, die Kapazitätsanforderungen an überregionale Netze zur Leitung von in Norddeutschland erzeugten Stromes aus Windenergieanlagen nach Süddeutschland zu verringern und damit dieses Problem abzumildern. Die abhängigen Ansprüche kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
So können die Verfahrensschritte la) bis lc) der ersten Nutzungsart und die Verfahrensschritte 2a) bis 2c) der zweiten Nutzungsart alternierend in zwei zyklisch gekoppelten, zeitlich getrennten Ablaufprozessen durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass über eine bestimmte Periode das Roh- Biogas in der ersten Nutzungsart und anschließend über eine bestimmte Periode in der zweiten Nutzungsart verwertet wird, wobei die Zyklizität über die Verknüpfung beider Nutzungsarten durch die Regeneration des Alkali-Hydrogencarbonats zu Alkali-Carbonat bei der zweiten Nutzungsart und dessen Wiederverwendung in der ersten Nutzungsart gegeben ist.
Auch eine synchrone Verwertung des Roh-Biogases in beiden Nutzungsar- ten ist denkbar. Dazu sind die beiden Prozessabläufe anlagentechnisch entkoppelt und die Zyklizität wird durch eine Überführung des in einer Anlage zur Durchführung der ersten Nutzungsart anfallenden Alkali- Hydrogencarbonats in eine Anlage zur Durchführung der zweiten Nutzungsart gewährleistet, wo dann zeitgleich die Regeneration des Alkali- Hydrogencarbonats zu Alkali-Carbonat stattfindet. Letzteres wird dann kontinuierlich wieder in die Anlage für die erste Nutzungsart zurückgeführt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausprägung der Erfindung kann als Alkalimetall Natrium verwendet werden. Bevorzugt ist allerdings Kalium, sodass Kaliumcarbonat und Kalium-Hydrogencarbonat in einem Kreislauf verwendet werden. Die Effizienz des Verfahrens kann optimiert werden, wenn bei der Regeneration des Alkali-Hydrogencarbonats eine konzentrierte Alkali- Carbonatlösung hergestellt und für die Kohlendioxid-Entfernung bereitgestellt wird.
Die bei der Verstromung des Roh-Biogases entstehende Abwärme genügt, zur Regeneration des Alkali-Hydrogencarbonats zu Alkali-Carbonat die entsprechenden Temperaturen zu erzeugen, das heißt circa 200°C bei Kalium oder 300°C bei Natrium als Alkalimetall.
In anlagentechnischer Umsetzung bevorzugter Verfahrensschritte kann vorgesehen sein, die entsprechenden Verfahrensschritte beider Nutzungsarten in einem Drehrohrofen oder Mischer, wie beispielsweise einem Pflugscharmischer durchzuführen. Auch der Einsatz eines Wirbelschichtreaktors ist von Vorteil für das erfindungsgemäße Verfahren.
Eine weitere Alternative für die Durchführung der verschiedenen Verfah- rungsschritte beider Nutzungsarten unter Einsatz einer Alkali-Carbonat und -Hydrogen-Carbonatlösung ist der Ablauf in einem Reaktionsgefäß. Dabei kann das durch die Entfernung von Kohlendioxid aus dem Roh-Biogas entstehende und ausgefällte Alkali-Hydrogencarbonat durch eine Fördereinrichtung, wie beispielsweise eine Förderschnecke aus dem Reaktionsgefäß ausgetragen, einem Wärmetauscher zu seiner Regeneration zu Alkali- Carbonat zugeführt und dieses wiederum in regenerierter Form über die Fördereinrichtung dem Reaktionsgefäß zugeführt werden.
Schließlich ist von Vorteil, das bei der Regeneration des Alkali- Hydrogencarbonats entstehende Kohlendioxid zu speichern oder einer Weiterverwendung, vorzugsweise zur gesonderten Erzeugung von Me- thangas oder als Pflanzen-, insbesondere Algen-Nährstoff bei der Mikroal- genzucht zuzuführen. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren zur alternierenden Nutzung von oh-Biogas sogar als Kohlendioxid- Senke fungieren.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockdiagramm des Teilverfahrens zur Nutzgasbereitstellung aus einem Roh-Biogas,
Fig. 2 ein Blockdiagramm des Teilverfahrens zur Verstromung von
Roh-Biogas,
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines aus den beiden Teilverfahren gemäß Fig. 1 und 2 zusammengesetzten Verfahrens zur synchronen Nutzung von Roh-Biogas, Fig. 4 und 5 eine Schemadarstellung eines Drehrohrofens in den unterschiedlichen Nutzungsarten,
Fig. 6 und 7 eine Schemadarstellung eines Wirbelschichtreaktors in den unterschiedlichen Nutzungsarten, und
Fig. 8 und 9 eine Schemadarstellung eines Reaktionsgefäßes mit Fördereinrichtung und Wärmetauscher in den unterschiedlichen Nutzungsarten. Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, ist ein üblicher Biogasreaktor 1 über eine Biogas-Ableitung 2 zum einen mit einem Kohlendioxid-(CO2-)Absor- ber 3 verbunden, in dem aus dem vom Biogasreaktor 1 bereitgestellten Roh-Biogas ein hoher Anteil von Kohlendioxid entfernt werden soll. Dazu wird in dem CO2-Absorber 3 Kaliumkarbonat K2CO3 bereitgestellt. Unter Anwesenheit von Wasser wird dann aus dem Roh-Biogas, im Wesentlichen eine Mischung aus CO2 und CH4, das Kohlendioxid nach der Reaktionsgleichung K2CO3 + CO2 + H2O -> 2 KHCO3 aus dem Roh-Biogas abgetrennt, sodass das Nutzgas CH4 zur Einspeisung in ein schematisch mit 4 angedeutetes Gasnetz verwendet wird. Die dem Nutzgas innewohnende chemische Energie ist damit zeitlich und örtlich unabhängig als Energie zur Stromerzeugung mittels einer Gasturbine abrufbar.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist der Biogasreaktor 1 zum anderen über eine Ableitung 5 mit einer Wärmekraftmaschine beispielsweise in Form eines Gasmotors 6 oder auch einer Gasturbine verbunden, welcher Gasmotor 6 mit einem Generator 7 zur Stromerzeugung vor Ort gekoppelt ist. In der Nutzungsart der Verstromung des aus Kohlendioxid und Nutzgas Methan bestehenden Roh-Biogases wird also der Gasmotor 6 betrieben und der vom Generator 7 damit erzeugte Strom entweder in ein als Ganzes mit 8 bezeichnetes Stromnetz eingespeist oder für den Bedarf der Biogasanlage selbst benutzt.
Wie aus Fig. 2 ferner hervorgeht, wird die beim Betrieb des Gasmotors 6 anfallende Abwärme Q dazu eingesetzt, das im CO2-Absorber 3 entstände- ne Kaliumhydrogencarbonat gemäß der folgenden Reaktionsbeziehung zu regenerieren:
2 KHCO3 -> CO2 + H2O + K2CO3
Bei dieser Regenerierung des Kaliumhydrogencarbonats KHCO3 wird ein Temperaturniveau von 200° Celsius mit Hilfe der Abwärme Q am CO2- Absorber 3 eingestellt. Das entstehende Kaliumcarbonat K2CO3 steht damit wieder für den in Fig. 1 dargestellten Nutzungsfall der Nutzgasbereitstellung zur Verfügung. Insgesamt ergibt sich also durch die alternierende Nutzung des Roh-Biogases aus dem Biogasreaktor 1 in zwei unterschiedlichen Nutzungsarten der Nutzgasbereitstellung und Verstromung ein zyklisches Verfahren, bei dem die einzelnen Nutzungsarten flexibel und bedarfsgerecht eingesetzt werden können.
Bei der getrennten, zeitlich aufeinanderfolgenden Durchführung der Prozesse gemäß Fig. 1 und 2 findet also eine alternierende Nutzung des Roh- Biogases statt. Abweichend davon können beide Nutzungsarten auch synchron und zyklisch gekoppelt ablaufen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Dabei wird das aus dem Biogasreaktor 1 stammende Roh-Biogas zu einer Nutzung entsprechend Fig. 1, zum anderen über eine Verzweigung 17 zu einer Nutzung entsprechend Fig. 2 geführt. Die jeweils stattfindenden Ab- läufe entsprechen den oben jeweils zu Fig. 1 und Fig. 2 erläuterten Prozessen, so dass eine nochmalige Erklärung nicht notwendig ist. Das bei der Nutzgasbereitstellung anfallende Kaliumhydrogencarbonat wird über eine Transportleitung 18 in den parallelen, gemäß Fig. 2 ablaufenden Prozess übergeführt, wo es - wie beschrieben - bei der Verstromung des Roh- Biogases zu Kaliumcarbonat regeneriert wird. Dieses kann wiederum über die Rückführungsleitung 19 in den ersten Prozess der Nutzgasbereitstellung eingebracht werden. Wie aus Fig. 4 und 5 deutlich wird, können die anhand von Fig. 1 und 2 dargestellten Nutzungsarten in einem Drehrohrofen 9 stattfinden. So wird für die Nutzgasbereitstellung gemäß Fig. 4 Kaliumcarbonat beispielsweise in Pulverform im Drehrohrofen eingesetzt und das Roh-Biogas und ggf. Wasser eingebracht. Es findet die oben anhand von Fig. 1 beschriebene Abtrennung von Kohlendioxid unter Bildung von Kaliumhydrogencarbonat im Drehrohrofen 9 statt. Ausgangsseitig steht am Drehrohrofen 9 dann das Nutzgas CH4 zur Verfügung.
Zur Regeneration des im Drehrohrofen 9 befindlichen Kaliumhydrogen- carbonats wird - wie in Fig. 5 angedeutet ist - dem Drehrohrofen 9 die
Abwärme beispielsweise in Form auch des Abgases des Gasmotors 6 zugeführt, sodass im Drehrohrofen 9 die Regeneration des Kaliumhydrogencar- bonats zu Kaliumcarbonat - wie anhand von Fig. 2 beschrieben - unter Abgabe des Kohlendioxids stattfindet.
Eine Alternative zu dem Drehrohrofen 9 ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Hier findet als Reaktionsort ein Wirbelschichtreaktor 10 Anwendung, bei dem wiederum - wie Fig. 6 zeigt - in den einzelnen Wirbelschichtbetten 1 1 des Wirbelschichtreaktors 10 Kaliumcarbonat geschichtet ist und Roh- Biogas von unten eingeblasen wird. Unter Zugabe von Wasser findet wiederum die anhand von Fig. 1 erläuterte Reaktionsbeziehung unter Bildung von Kaliumhydrogencarbonat statt und Nutzgas CH4 wird abgegeben. Analog Fig. 5 wird zur Regeneration des im Wirbelschichtreaktors 10 gebildeten Kaliumhydrogencarbonats im Verstromungsfall die Abwärme Q des Gasmotors 6 beispielsweise in Form dessen Abgase von unten in den Wirbelschichtreaktor 10 eingeblasen. Es findet wieder die anhand von Fig. 2 dargelegte Reaktion zur Regeneration von Kaliumhydrogencarbonat zu Kaliumcarbonat unter Abscheidung von Wasser und Kohlendioxid statt.
In den Fig. 8 und 9 schließlich ist eine weitere anlagentechnische Alternative für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Hier findet ein Reaktionsgefäß mit einer Kaliumcarbonat-Lösung 13 Verwendung, in die wieder das Roh-Biogas eingeleitet wird. Durch die anhand von Fig. 1 erläuterte Reaktion wird Kohlendioxid aus dem Roh-Biogas entfernt, das sich bildende Kaliumhydrogencarbonat wird aufgrund dessen geringerer Löslichkeit ausgefällt. Der dadurch im Reaktionsgefäß 12 gebildete Bodensatz 14 wird über eine daran angedockte Förderschnecke 15 zu einem Wärmetauscher 16 befördert, in dem die anhand von Fig. 2 in der Nutzungsart„Verstromung" stattfindende Regeneration des Kaliumhydrogencarbonats erfolgen kann. Dies ist in Fig. 9 schematisch angedeutet. Das vom Gasmotor 6 durch den Wärmetauscher 16 geleitete Abgas mit seiner Abwärme Q führt zu der anhand von Fig. 2 dargelegten Regenerationsreaktion von Kaliumhydrogencarbonat zu Kaliumcarbonat, das wieder über die Förderschnecke 15 zurück in das Reaktionsgefäß 12 geleitet wird. Damit steht dort wieder die für die Abtrennung des Kohlendioxids benötigte Kaliumcarbonat-Lösung bereit, die vorteilhafterweise konzentriert ist.

Claims

Patentansprüche
1. Kombiniertes Verfahren zur Nutzung von Roh-Biogas enthaltend Kohlendioxid und ein Nutzgas, insbesondere Methan, mit zwei Nutzungsar- ten, nämlich einer Nutzgasbereitstellung und einer Verstromung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- in einer ersten Nutzungsart der Nutzgasbereitstellung:
= la) Bereitstellen von Alkali-Carbonat,
= lb) Entfernen von Kohlendioxid aus dem Roh-Biogas durch Re- aktion des Kohlendioxids mit dem Alkali-Carbonat unter Anwesenheit von Wasser zu Alkali-Hydrogencarbonat gemäß der Reaktionsbeziehung
Nutzgas + Alkali2CO3 + H2O + CO2 -> Nutzgas + AlkaliHCO3 sowie
= lc) Abtrennen des Alkali-Hydrogencarbonats und Bereitstellen des Nutzgases; sowie
- in einer zweiten Nutzungsart der Verstromung:
= 2a) Verbrennen des Roh-Biogases in einer Wärmekraftmaschine (6) unter Erzeugung von elektrischer Energie in einem von der Wärmekraftmaschine (6) angetriebenen Generator (7) und von
Abwärme,
= 2b) Nutzung der Abwärme zur Regeneration des Alkali- Hydrogencarbonats zu Alkali-Carbonat gemäß der Reaktionsbeziehung
2 AlkaliHCO3 -> Alkali2CO3 + H2O + CO2 und
= 2c) Wiederverwendung des dabei entstehenden Alkali-Carbonats im Verfahrensschritt la).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte la) bis lc) der ersten Nutzungsart und die Verfahrensschritte 2a) bis 2c) der zweiten Nutzungsart alternierend in zwei zyklisch gekoppelten, zeitlich getrennten Ablaufprozessen durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte la) bis lc) der ersten Nutzungsart und die Verfahrensschritte 2a) bis 2c) der zweiten Nutzungsart synchron in zwei zyklisch gekoppelten, parallelen Ablaufprozessen durchgeführt werden.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Alkalimetall Natrium oder vorzugsweise Kalium verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Reaktionsschritt 2b) konzentrierte Alkali- Carbonatlösung hergestellt und im Reaktionsschritt la) eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regeneration des Alkali-Hydrogencarbonats zu Al- kali-Carbonat gemäß der Reaktionsbeziehung 2b) eine Temperatur von 200°C bei Kalium oder von 300°C bei Natrium als Alkalimetall von der Abwärme bereitgestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte la) bis lc) und 2a) bis 2c) beider Nutzungsarten in einem Drehrohrofen (9) oder Mischer, vorzugsweise einem Pflugscharmischer durchgeführt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte la) bis lc) und 2a) bis 2c) beider Nut- zungsarten in einem Wirbelschichtreaktor (10) durchgeführt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte la) bis lc) und 2a) bis 2c) beider Nutzungsarten unter Einsatz einer Alkali-Carbonat- und -Hydrogen- carbonatlösung in einem Reaktionsgefäß (12) durchgeführt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt lc) ausgefälltes Alkali-Hydrogencarbonat durch eine Fördereinrichtung, insbesondere eine Förderschnecke (15) aus dem Re- aktionsgefäß (12) ausgetragen, einem Wärmetauscher (16) zur Durchführung des Verfahrensschrittes 2b) zugeführt und als regeneriertes Alkali-Carbonat über die Fördereinrichtung (15) wieder dem Reaktionsgefäß (12) zugeführt wird.
1 1. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Reaktionsschritt 2b) entstehende Kohlendioxid gespeichert wird.
12. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das entstehende oder gespeicherte Kohlendioxid einer Weiterverwendung, vorzugsweise zur gesonderten Erzeugung von Methangas oder als Pflanzen-, insbesondere Algen-Nährstoff bei der Mik- roalgenzucht, zugeführt wird.
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