DE102022116801A1

DE102022116801A1 - Verfahren zum Aufbereiten von Biogas und/oder Erdgas zum Herstellen von verflüssigtem Methan und Aufbereitungsanlage

Info

Publication number: DE102022116801A1
Application number: DE102022116801.8A
Authority: DE
Inventors: Lothar Günther
Original assignee: DGE Dr Ing Guenther Engineering GmbH
Current assignee: DGE Dr Ing Guenther Engineering GmbH
Priority date: 2022-07-06
Filing date: 2022-07-06
Publication date: 2024-01-11
Also published as: WO2024008245A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbereiten von Biogas und/oder Erdgas in einer Aufbereitungsanlage mit einer Abtrennung von Kohlendioxid und Wasser zum Herstellen und/oder Nutzen von verflüssigtem Methan und weiteren brennbaren organischen Komponenten, mit folgenden Schritten:- Abtrennen von Kohlendioxid aus dem Biogas in einer ersten Stufe bei einem ersten Druck, sodass ein vorgereinigtes Biogas vorliegt, und/oder- Abtrennen von Kohlendioxid aus dem vorgereinigten Biogas nach der ersten Stufe und/oder aus dem Erdgas in einer zweiten Stufe bei einem zweiten Druck, wobei der erste Druck und der zweite Druck unterschiedlich sind, sodass Biogas und Erdgas bei den unterschiedlichen Drücken in der Aufbereitungsanlage gleichzeitig aufbereitbar sind, und- Einstellen eines Wassergehaltes des Biogases und/oder Erdgases mittels einer Trocknungsstufe beim dem zweiten Druck auf einen Wassergehalt von unter 0,1 ppm, sodass ein aufbereitetes Biogas und/oder Erdgas vorliegt, welches oder welche direkt einer nachschaltbaren Methanverflüssigung, einem Erdgasnetz oder einer Erdgastankstelle zuführbar ist oder sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Aufbereitungsanlage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbereiten von Biogas und/oder Erdgas in einer Aufbereitungsanlage mit einer Abtrennung von Kohlendioxid und Wasser zum Herstellen und/oder Nutzen von verflüssigtem Methan und weiteren brennbaren organischen Komponenten.
Derzeit besteht sowohl ein hoher Bedarf an alternativen Brennstoffen zu Erdöl, wie beispielsweise Flüssigerdgas (LNG, liquified natural gas), als auch an alternativen Kraftstoffen für Fahrzeuge, wie komprimiertem Erdgas (CNG, compressed natural gas). Für eine derartige Nutzung müssen Biogase und/oder Erdgase den jeweiligen Anforderungen entsprechend Aufbereitet werden.
Bekannte Biogase haben folgende Zusammensetzungen:

Komponente Vol. %

Methan 40-70

Wasserstoff 0-2

CO₂ 0-60

Stickstoff 0-5

Sauerstoff 0-2

H₂O 2-4

H₂S 0,01-0,6

Erdgase haben je nach Einstufung als L- oder H-Gas eine Zusammensetzung mit:

Komponente	L-Gas, Vol. %	H-Gas, Vol. %
Methan	83,16	97,79
Ethan	4, 04	0,88
Propan	0,81	0,29
n-Butan	0,23	0,1
n-Pentan	0,06	0,02
n-Hexan	0,05	0,01
CO₂	1,57	0,09
Stickstoff	10,08	0,82

Als typische Gaszusammensetzungen wird hier für L-Gas das Gas aus Holland und für H-Gas das Gas aus Russland angegeben. Andere Gas schwanken geringfügig in der Zusammensetzung.
Während Biogas allgemein drucklos oder nach neueren bei Verfahren bis zu 10 bar erzeugt wird, steht Erdgas im Leitungsnetz bei festgelegten Drücken von 50, 25, 10, 5 und 1 bar zur Verfügung. Der Druck in einem Hausanschluss beträgt allgemein 0,1 bar und darunter.
All diese Gase lassen sich nicht ohne weitere Aufbereitung für eine Verflüssigung zu LNG verwenden. Wesentliche Ursache dafür sind die enthaltenen hohen Anteile an Kohlendioxid (CO₂) und Wasser. Auch die enthaltenen Anteile an Stickstoff sind störend, da dieser unter den LNG-Verflüssigungsbedingungen nicht kondensiert und folglich Emissionen verursacht. Das in Erdgasleitungen vorhandene Erdgas besitzt bei der Druckstufe 10 bar häufig einen Wassergehalt von bis zu 300 ppm. Damit sind die Wasser- und CO₂-Gehalte in diesem Erdgas für eine Verflüssigung des enthaltenen Methans und Aufbereitung zu LNG deutlich zu hoch.
Aus der DD 217788 D1 ist ein Verfahren bekannt, welches Biogase zunächst auf einen Taupunkt von 10 bis 30°C, vorzugweise 20°C drucklos entwässert, und anschließend stufenweise auf 10 bis 320 bar komprimiert. Bei Erreichen eines Druckes von 20 bis 25 bar erfolgt eine Entfernung von CO₂ auf unter 5 Vol.% und von Schwefelwasserstoff (H₂S) um 85%. Das Wasser wird bei diesen Bedingungen auf einen Taupunkt von -10°C entfernt. Bei 25 bar und einem Taupunkt -10°C besitzt das Gas noch einen Wasseranteil von 105 ppm. Bei einem Druck von 25 bar kann Methan bei einer Temperatur unterhalb -90°C verflüssigt werden. Unter diesen Bedingungen bildet sich eine Eisschicht aus kondensiertem Wasser und CO₂ um die Rohre der Verflüssigungseinheit. Dies erlaubt keinen kontinuierlichen Betrieb der Verflüssigungsanlage. Weiter entweichen die nicht kondensierbaren Anteile an Stickstoff, mit mindestens 50 Vol.% Anteil an Methan.
In der AT 508249 B1 ist ein Verfahren zur Aufbereitung und Verflüssigung von Biogas beschrieben, bei dem das Biogas zunächst drucklos bis auf einen Taupunkt von -50° gekühlt wird. Unter diesen Bedingungen besitzt das Biogas einen Wasseranteil von 51 ppm. Dieses Verfahren setzt als Kühlmedium flüssigen Stickstoff ein, der bei Normaldruck bei -196°C verdampft. Auch diese Prozessführung erlaubt keinen kontinuierlichen Betrieb, da kondensierte Anteile an Wasser und CO₂ an den Rohren des Kondensators eine Eisschicht bilden. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist, dass auch die nicht kondensierten Anteile an Stickstoff und gegebenenfalls Sauerstoff unterschätzt werden, die mit einer hohen Gleichgewichtsbeladung an Methan aus der nachgeschalteten Verflüssigung austreten. Die gesamte Prozessführung ist darüber hinaus bei schwankenden Anteilen von CO₂ sehr kompliziert.
Aus der DE 10 2007 005494 A1 ist es bekannt, dass aus dem Biogas das CO₂ drucklos mit einer aminhaltigen Waschlösung entfernt, das behandelte Biogas getrocknet und anschließend auf mindestens 5 bar komprimiert wird, wobei die Verflüssigung von Methan erfolgt. Selbst, wenn CO₂ und Wasser ausreichend bei diesem Prozess entfernt werden, damit keine Eisbildung in der Verflüssigungseinrichtung erfolgt, eignet sich dieses Verfahren insbesondere nur für Biogase, die frei von Stickstoff und Sauerstoff sind.
Sind im Biogas oder Erdgas Stickstoff oder Sauerstoff enthalten, so treten diese Gase aus der Verflüssigungseinheit je nach Druck und Temperatur mit einem Anteil von deutlich über 50 Vol.% an Methan aus. Bei Biogasen mit hohem Anteil an Stickstoff und Sauerstoff oder L-Erdgas führt dies sehr schnell zu einem unwirtschaftlichen Betrieb, bei dem zu große Mengen an nicht kondensierbarem Methan entweichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Aufbereiten von Biogas und/oder Erdgas in einer Aufbereitungsanlage mit einer Abtrennung von Kohlendioxid und Wasser zum Herstellen und/oder Nutzen von verflüssigtem Methan und weiteren brennbaren organischen Komponenten gemäß den Merkmalen des Anspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sind den Unteransprüchen 2 bis 9 zu entnehmen. In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Aufbereitungsanlage mit den Merkmalen des Anspruches 10.
Somit wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem gleichzeitig Kohlendioxid aus Biogas und aus Erdgas mittels zweier Behandlungsstufen abtrennbar ist, wobei im Falle von Biogas in der ersten Stufe eine Grobabtrennung von Kohlendioxid und in der zweiten Stufe eine Feinabtrennung von Kohlendioxid durchgeführt wird. Das Erdgas wird erst der zweiten Stufe zur Abtrennung von Kohlendioxid zugeführt, wobei die unterschiedlichen Drücke der ersten Stufe und der zweiten Stufe derart verwendet werden, dass sowohl Biogas als auch Erdgas möglichst direkt der Aufbereitungsanlage zugeführt und mittel des Verfahrens aufbereitet werden. Folglich wird ein anpassbares Aufbereitungsverfahren und eine flexible nutzbare Aufbereitungsanlage bereitgestellt, bei dem und bei der je nach CO₂-Gehalt und Eingangsdruck des Biogases und/oder Erdgases die Abtrennung von Kohlendioxid in der ersten Stufe bei einem ersten Druckwert und/oder in der zweiten Stufe bei einem zweiten Druckwert erfolgt. Durch die weitgehende, stabile Entfernung von Wasser auf einen Wassergehalt von < 0,1 ppm und Kohlendioxid auf eine Konzentration von < 50 ppm wird eine Eisbildung an der Verflüssigungsanlage zum Herstellen von verflüssigtem Methan vermieden und diese kann kontinuierlich betrieben werden. Dadurch können mittels des Verfahrens und der Aufbereitungsanlage auch Biogas und/oder Erdgas mit Anteilen an Stickstoff und/oder Sauerstoff nach der Trocknung direkt einer Verflüssigung zugeführt werden, ohne dass dadurch relevante Emissionen entstehen. Folglich wird auch ein wirtschaftlicher Betrieb einer nachgeschalteten Verflüssigung zu LNG ermöglicht.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, ein flexibel ausgestaltbares Verfahren und eine modular zusammensetzbare Aufbereitungsanlage bereitzustellen, mit welchem und mit welcher simultan Biogas und Erdgas entsprechend ihrer Einsatzdrücke und/oder Kohlendioxid-Gehalte in einer zweistufigen CO₂-Abtrennung, insbesondere mittels einer zweistufigen Aminwäsche, verfahrenstechnisch optimal und stabil aufbereitet werden und aufgrund der nachgeschalteten Trocknungsstufe das so bevorzugt simultan aufbereitete Biogas und Erdgas direkt einer nachschaltbaren Methanverflüssigung, einem Erdgasnetz oder einer Erdgastankstelle zugeführt werden können.
Bevorzugt ist der erste Druck in der ersten Stufe < 500 mbar Überdruck und somit annähernd Normaldruck, wobei der Druck des zugeführten Biogases lediglich den Druckverlust in der ersten Stufe selbst kompensieren muss. Somit kann das Biogas direkt mit einem ausreichenden Eingangsdruck der ersten Stufe zugeführt werden oder es findet eine leichte Druckerhöhung vor der ersten Stufe statt. Dagegen weist die zweite Stufe bevorzugt einen Druck von > 5,0 bar auf, sodass Erdgas einer Druckstufe von 5 bar oder höher direkt der zweiten Stufe zugeführt werden kann.
Das Verfahren und die Aufbereitungsanlage sind vorteilhaft in einzelne Behandlungsschritte und Betriebseinheiten unterteilt. Im Falle des Biogases wird beispielsweise das anfallende Biogas in einer Entschwefelung entschwefelt und dabei vom enthaltenen Schwefelwasserstoff (H₂S) bis auf wenige ppm befreit. Durch die Entschwefelung mit Aktivkohle und/oder einem anderen Adsorptionsmittel erfolgt die Feinentschwefelung und optional eine Kompression des Biogases auf den erforderlichen Druck zur Überwindung des Druckverlustes in der nachgeschalteten ersten Stufe der CO₂-Abscheidung aus dem Biogas. Die Abscheidung von CO₂ wird beispielsweise mittels Aminwäsche mit einer Reduzierung des CO₂-Gehaltes von 30 - 45 Vol.-% bis auf 1 - 2 Vol.-% oder darunter durchgeführt. Dabei wird das entstehende Biomethan zeitgleich teilweise entfeuchtet. Bei der Verwendung einer Aminwäsche zur CO₂-Abtrennung wird mit einer Regeneration der beladenen, aminhaltigen Waschflüssigkeit das aus dem Biogas abgeschiedene CO₂ abgetrennt und in die Umgebung geleitet oder weiterverwendet. Bevorzugt weist die zweite Biomethanfeinreinigungsstufe zur CO₂-Abtrennung einen zweiten Druck in einem Bereich von 5 bar bis 25 bar, bevorzugt von 10 bar bis 20 bar, auf. Dementsprechend wird das vorgereinigte Biogas/Biomethan aus der ersten Stufe in einer nachgeschalteten Biomethanverdichtung auf einen Druck von > 5 - 20 bar, vorzugsweise 10 bar, komprimiert und in der nachfolgenden zweiten Stufe wird die Feinreinigung von CO₂ bis auf Anteile < 50 ppm durchgeführt. Das so behandelte Biomethan wird in der nachgeschalteten Trocknungsstufe vom enthaltenen Wasser bis auf einen Wassergehalt von < 0,1 ppm getrocknet. Dazu kann beispielsweise eine Adsorptionstrocknung eingesetzt werden. Das so aufbereitete Biomethan kann anschließend wahlweise für eine Einspeisung in ein Erdgasnetz, eine CNG-Tankstelle oder die weitere Verflüssigung zu LNG verwendet werden.
In den Betriebseinheiten der ersten Stufe der CO₂-Abscheidung, der zweiten Stufe der CO₂-Abscheidung (Biomethanfeinreinigung) und der Biomethantrocknung wird Energie benötigt. Diese wird in einer Wärmeversorgungseinheit erzeugt, wobei für die Wärmeerzeugung Biogas, Biomethan, Erdgas und/oder vorzugsweise in der Methanverflüssigungsstufe zur LNG-Produktion nicht kondensierbare brennbare Anteile verwendet werden. Hierbei erfolgt die Verbrennung in der Wärmeversorgung für die brennbaren Anteile vollständig. Zur Verbrennung kann auch ein Blockheizkraftwerk zur Erzeugung von Strom und Wärme verwendet werden. In einer Betriebseinheit der Wärmerückgewinnung für die externe Biogasanlage wird die enthaltene Wärme aus dem Verfahren und der Aufbereitungsanlage ausgekoppelt und zur Beheizung der Biogasanlage oder anderer Einrichtungen verwendet.
Für die erforderliche Kühlung des Gesamtprozesses, insbesondere der Entschwefelung, der ersten Stufe mit der CO₂-Abscheidung und der ersten Regeneration sowie der Biomethanverdichtung kann das Verfahren und die Aufbereitungsanlage entsprechende Kühlanlagen zum Bereitstellen von Kühl- und/oder Kaltwasser einsetzen.
Die Aufbereitungsanlage zum Aufbereiten von Biogas und/oder Erdgas ist insbesondere mit verschiedenen Betriebseinheiten derart eingerichtet, dass ein zuvor beschriebenes Verfahren durchführbar ist. Die gesamte Aufbereitungsanlage ist bevorzugt mobil in einem Container installiert und somit transportabel an verschiedenen Standorten nutzbar.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Aufbereitungsverfahrens und einer Aufbereitungsanlage zum Aufbereiten von Biogas, und
2 eine schematische Darstellung eines Aufbereitungsverfahrens und einer Aufbereitungsanlage zum alleinigen Aufbereiten von Erdgas oder zum kombinierten Aufbereiten von Biogas und Erdgas.

In einer nicht gezeigten Biogasanlage werden 150 Nm³/h Biogas erzeugt, welches bereits auf einen Anteil von 1 - 5 ppm vom H₂S befreit wurde. Dieses Biogas 103 wird bei einer Temperatur von 25 °C mit einem Taupunkt von 15 °C einer Entschwefelung 111 des Aufbereitungsverfahrens 101 und der Aufbereitungsanlage 102 zugeführt. In der Entschwefelung 111 wird das zugeführte Biogas 103 zunächst auf bis zu 100 mbar verdichtet und dann über einen Aktivkohlefilter der Entschwefelung 111 zur Feinentschwefelung geleitet. Am Austritt der Entschwefelung 111 weist das Biogas eine Zusammensetzung von 52,5 Vol.-% CH₄, 46,0 Vol.-% CO₂, 1,5 Vol.-% H₂O, 1,0 Vol.-% N₂ und 1 ppm H₂S auf. Ein Kondensat 151 aus der Entschwefelung 111 wird mit einem Mengenstrom von 5 kg/h der externen Biogasanlage zurückgeführt (siehe 1).
Das entschwefelte Biogas wird anschließend einer Biogasreinigung 113 einer ersten Stufe 107 zugeführt, wobei die erste Stufe 107 neben der Biogasreinigung 113 eine erste Regeneration 115 aufweist. In der Biogasreinigung 113 der ersten Stufe 107 wird mittels Aminwäsche in einer Waschkolonne CO₂ aus dem Biogas entfernt und dementsprechend die aminhaltige Waschlösung mit CO₂ beladen. Unter den gegebenen Bedingungen der drucklosen Aminwäsche in der Biogasreinigung 113 ist der CO₂-Gehalt von 46 Vol.-% sicher um 95 - 98 % reduzierbar, wobei sich Restgehalte von 1 - 2 Vol.-% CO₂ im Biogas einstellen. Folglich ist mit der Aminwäsche der Biogasreinigung 113 eine ständige und immer gleichbleibende Abtrennung von CO₂ auf Werte von < 50 ppm für eine nachgeschaltete Verflüssigung von Methan alleine nicht sicher erreichbar. Mittels der in der ersten Stufe 107 integrierten ersten Regeneration 115 wird das in der aminhaltigen Waschflüssigkeit gebundene CO₂ durch Temperaturzuführung wieder befreit. Die Temperaturzuführung zur ersten Regeneration 115 erfolgt mittels einer Wärmeversorgung 129 mit einem Thermalölkessel. Die erste Regeneration 115 der beladenen aminhaltigen Waschflüssigkeit mit einem Volumenstrom von 3,5 - 4 m³/h erfolgt bei Drücken von bis zu 2 bar und einer Temperatur von 115 °C bis auf CO₂-Gehalte von < 20 g/l. Die regenerierte Waschflüssigkeit wird mit der Waschkolonne der Aminwäsche der Biogasreinigung 113 im Kreislauf gefahren. Das aus der ersten Regeneration 115 austretende Methan wird anschließend auf eine Temperatur von 2 - 5 °C mittels einer Kühlanlage 133 gekühlt, wobei enthaltenes Wasser kondensiert und mit darin gelösten Anteilen von Aminen zur ersten Regeneration 115 zurückgeführt wird. Das ausgetretene, gekühlte Methan wird von der ersten Regeneration 115 mittels einer Methanrückführung 141 der Biogasreinigung 113 zugeführt.
Das derart vorgereinigte Biogas wird anschließend in einer Biomethanverdichtung 117 mittels eines Verdichters auf einen Druck von 10 bar komprimiert und auf eine Temperatur von 50 °C eingestellt und in eine nachgeschaltete Biomethanfeinreinigung 123 einer zweiten Stufe 109 geleitet. Die zweite Stufe 109 weist neben der Biomethanfeinreinigung 123 eine zweite Regeneration 125 auf. In der Biomethanfeinreinigung 123 wird ebenfalls mit einer Aminwäsche in einer Waschkolonne eine restliche Entfernung von CO₂ auf stabil < 50 ppm aus dem Biogas durchgeführt. In der Biomethanfeinreinigung 123 werden nur 0,1 - 0,3 m³/h aminhaltige Waschflüssigkeit eingesetzt, wobei mit der zweiten Regeneration 125 die CO₂-Gehalte auf unter 15 g/l reduziert werden. Durch die zweite Stufe 109 mit der Biomethanfeinreinigung 123 und der zweiten Regeneration 125 wird unter diesen Bedingungen eine stabile Entfernung von CO₂ auf < 50 ppm ständig erreicht. In dieser zweiten Stufe 109 werden circa 3 kg CO₂/h kontinuierlich aus dem Biogas abgetrennt und das Kohlendioxid 149 wird mit einem Volumenstrom von 70 m³/h aus der Aufbereitungsanlage 102, beispielsweise in die Umgebung, geleitet. Das derart abgetrennte Kohlendioxid kann bevorzugt einer technischen Verwendung zur Herstellung von Methanol oder Methan zugeführt werden.
Das aus der zweiten Regeneration 125 austretende Methan wird auf eine Temperatur von 2 - 5 °C gekühlt und dabei ebenfalls Wasser abgeschieden, in welchem sich Amine lösen. In diesem Kondensat lösen sich auch hohe Anteile von Methan bis zu 0,3 g/l. Dieses Kondensat wird zur Aminwäsche in der Waschkolonne der Biogasreinigung 113 der ersten Stufe 107 zurückgeführt. Das aus der zweiten Stufe 109 austretende Methan besitzt einen Wassergehalt von < 700 ppm und wird einer nachgeschalteten Biomethantrocknung 127 zugeführt. In der Biomethantrocknung 127 erfolgt eine mehrstufige Trocknung des Biomethans mittels von Adsorptionstrocknungsmitteln Silicagel und Molekularsieben auf einen Wassergehalt < 0,1 ppm. Das bei einer Regeneration der Trocknungsmittel in der Biomethantrocknung 127 anfallende Wasser wird ebenfalls der Biogasreinigung 113 zur Aminwäsche zugeführt. Folglich treten keine Verluste an Wasser und Methan im gesamten Verfahren auf. Für die Neuansetzung oder Nachregelung der aminhaltigen Waschflüssigkeit wird eine Chemikalienstation 137 unter Verwendung von Amin und Deionat verwendet, wobei die Chemikalienstation 137 auch eine Steuer- und Regeleinrichtung der gesamten Aufbereitungsanlage 102 aufweisen kann.
Für die Wärmeversorgung 129 zum Versorgen der ersten Regeneration 115, der Biomethanverdichtung 117 und der zweiten Regeneration 125 sind 12 Nm³/h Biomethan/Erdgas erforderlich. Hierbei können mindestens 2 Nm³/h an Methan aus dem nicht kondensierbaren Gleichgewichtsgasstrom verwendet werden, welcher sich über den im Biogas enthaltenen Stickstoff aus der Verflüssigung einer der Aufbereitungsanlage 102 nachgeschalteten LNG-Produktion 165 bei der Verflüssigung von Methan ergibt. Die gesamte Aufbereitungsanlage 102 mit den einzelnen Betriebseinheiten 111, 113, 115, 117, 123, 125, 127, 129, 133 und 135 ist modular in einem Container aufgebaut und flexibel anpassbar. Das aufbereitete Biomethan 144 mit einem Volumenstrom von 75 Nm³/h und einem CO₂-Gehalt von 30 ppm, einem Wassergehalt von 0,1 ppm und einem Druck von circa 10 bar ist neben der LNG-Produktion 165 auch direkt einer CNG-Tankstelle 163 und/oder einer Erdgaseinspeisung 161 zuführbar.
In einer weiteren in 2 gezeigten Ausgestaltungsform des Aufbereitungsverfahrens 101 und der Aufbereitungsanlage 102 erfolgt ein Aufbereiten von Erdgas 105 der Qualität H mit 400 Nm³/h mit einem bereits vorhandenen Druck von 10 bar. Dazu weist die Aufbereitungsanlage 102 zusätzlich eine zuführende Rohrleitung für das Zuführen des Erdgases 105 zwischen der Biomethanverdichtung 117 und der Biomethanfeinreinigung 123 auf. Ansonsten weist die Aufbereitungsanlage 102 den oben beschriebenen Aufbau auf. Das zugeführte Erdgas 105 hat die nachfolgende Zusammensetzung.

Komponente Vol. % ppm

Methan 97,79

Ethan 0,88

Propan 0,29

n-Butan 0,1

n-Pentan 0,02

n-Hexan 0,01

CO₂ 0,09

Stickstoff 0,82

H₂O 100

H₂S 1
Das in der zuführenden Erdgasleitung vorhandene Erdgas kann bei der Druckstufe 10 bar auch einen Wassergehalt von bis zu 300 ppm aufweisen. Diese Wassergehalte und der CO₂-Gehalt in diesem Erdgas 105 ist für eine direkte Verflüssigung des enthaltenen Methans und für eine Aufbereitung zu LNG deutlich zu hoch. Deshalb wird das Erdgas 105 direkt der Biomethanfeinreinigung 123 zugeführt, indem der CO₂-Anteil mittels der aminhaltigen Waschflüssigkeit in einer Waschkolonne von 900 ppm auf unter 50 ppm reduziert wird. Dabei werden über 0,72 kg/h an CO₂ aus dem Erdgas abgeschieden. Für die Abtrennung des CO₂ wird ein Volumenstrom von 0,2 - 1 m³/h der aminhaltigen Waschflüssigkeit verwendet, welche wie oben beschrieben mit der kontinuierlichen zweiten Regeneration 125 im Kreislauf gefahren wird. Das aus der Waschkolonne der Methanfeinreinigung 123 austretende Methan wird auf eine Temperatur von 2 - 5 °C gekühlt und das anfallende Kondensat wird in die Waschkolonne zurückgeführt. Der Wassergehalt des Erdgases am Austritt aus der Biomethanfeinreinigung 123 beträgt dann ebenfalls unter 700 ppm und wird der Biomethantrocknung 127 mit der mehrstufigen Adsorptionstrocknung zugeführt, wodurch der Wassergehalt im Erdgas auf unter 0,1 ppm reduziert wird. Das aufbereitete Erdgas/Methan 143 mit einem Volumenstrom von 471 Nm³/h und einem CO₂-Gehalt von 30 ppm, einem Wassergehalt von 0,1 ppm und einem Druck von circa 10 bar ist ebenfalls direkt in der LNG-Produktion 165, einer CNG-Tankstelle 163 und/oder einer Erdgaseinspeisung 161 weiter verwendbar. Für eine Wärmezuführung in die Betriebseinheit der Wärmeversorgung 129 sind nur 2 Nm³/h an Erdgas 145 erforderlich. Im Erdgas sind 3,28 Nm³/h an Stickstoff enthalten, welche nicht bei der Methanverflüssigung kondensieren und mit denen, je nach Temperatureinstellung, in der LNG-Produktion 165 mindestens 3 Nm³/h Methangas 147 entweichen, welches der Wärmeversorgung 129 zugeführt wird und dessen Wärmeinhalt für die erste Regeneration 115, die Biomethanverdichtung 117 und die zweite Regeneration 125 ausreicht.
In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens 101 wird die in der 2 gezeigte Aufbereitungsanlage 102 gleichzeitig zur Aufbereitung von Biogas 103 und Erdgas 105 betrieben. Hierbei wird der Betrieb und das Aufbereitungsverfahren 101 prinzipiell wie oben beschrieben durchgeführt. Dazu wird das Biogas 103 der Entschwefelung 111 zugeführt und, wie oben beschrieben, weiter aufbereitet, während das Erdgas 105 aus einem Erdgasnetz bei der Druckstufe 5 bar oder 10 bar direkt der Biomethanfeinreinigung 123 zugeleitet wird. Die Dimensionierung der einzelnen Betriebseinheiten ist hierbei von den gewählten Mengenverhältnissen zwischen Biogas und Erdgas abhängig. Bei diesem Aufbereitungsverfahren 101 können in der Aufbereitungsanlage 102 bezogen auf Erdgas und einem Volumenstrom in Nm³/h mindestens 20-30 % Biogas 103 über die Betriebseinheit Entschwefelung 111 beigemischt werden und somit eine Versorgungssicherheit erlangt werden.
Somit wird ein flexibles Aufbereitungsverfahren 101 und eine modulare Aufbereitungsanlage 102 zur gleichzeitigen Aufbereitung von Biogas 103 und Erdgas 105 bereitgestellt, wobei die Kohlendioxidabtrennung aus dem Biogas 103 und dem Erdgas 105 in zwei hintereinander geschalteten unterschiedlichen Druckstufen erfolgt. Somit sind Biogas 103 und Erdgas 105 gemeinsam und wirtschaftlich mittels des Aufbereitungsverfahrens 101 und der Aufbereitungsanlage 102 direkt zu verschiedenen Weiternutzungen aufbereitbar.
Bezugszeichenliste

101: Aufbereitungsverfahren
102: Aufbereitungsanlage
103: Biogas
105: Erdgas
107: erste Stufe
109: zweite Stufe
111: Entschwefelung
113: Biogasreinigung
115: erste Regeneration
117: Biomethanverdichtung
123: Biomethanfeinreinigung
125: zweite Regeneration
127: Biomethantrocknung
129: Wärmeversorgung
131: Wärmerückgewinnung
133: Kühlanlagen (Tischkühler)
135: Kühlanlagen (Kaltwasser)
137: Chemikalienstation
141: Methanrückführung
143: verflüssigtes Methan
144: Biomethan
145: Biomethan/Erdgas
147: Methangas
149: Kohlendioxid
151: Kondensat
161: Erdgaseinspeisung
163: CNG-Tankstelle
165: LNG-Produktion

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

AT 508249 B1 [0009]

Claims

Verfahren (101) zum Aufbereiten von Biogas (103) und/oder Erdgas (105) in einer Aufbereitungsanlage (102) mit einer Abtrennung von Kohlendioxid und Wasser zum Herstellen und/oder Nutzen von verflüssigtem Methan und weiteren brennbaren organischen Komponenten, mit folgenden Schritten: - Abtrennen (113) von Kohlendioxid aus dem Biogas (103) in einer ersten Stufe (107) bei einem ersten Druck, sodass ein vorgereinigtes Biogas vorliegt, und/oder - Abtrennen (123) von Kohlendioxid aus dem vorgereinigten Biogas nach der ersten Stufe (107) und/oder aus dem Erdgas in einer zweiten Stufe (109) bei einem zweiten Druck, wobei der erste Druck und der zweite Druck unterschiedlich sind, sodass Biogas und Erdgas bei den unterschiedlichen Drücken in der Aufbereitungsanlage (102) gleichzeitig aufbereitbar sind, und - Einstellen eines Wassergehaltes des Biogases und/oder Erdgases mittels einer Trocknungsstufe (127) beim dem zweiten Druck auf einen Wassergehalt von unter 0,1 ppm, sodass ein aufbereitetes Biogas und/oder Erdgas vorliegt, welches oder welche direkt einer nachschaltbaren Methanverflüssigung (165), einem Erdgasnetz (161) oder einer Erdgastankstelle (163) zuführbar ist oder sind.
Verfahren (101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druck größer als der erste Druck ist.
Verfahren (101) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtrennen (113, 123) des Kohlendioxids aus dem Biogas in der ersten Stufe (107) bei dem ersten Druck von kleiner 0,50 bar und aus dem vorgereinigten Biogas und/oder dem Erdgas in der zweiten Stufe (109) bei dem Druck von größer 5,0 bar durchgeführt wird.
Verfahren (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtrennen (113, 123) von Kohlendioxid mittels einer Waschkolonne mit einer aminhaltigen Waschflüssigkeit und/oder eine jeweilige Regeneration (115, 125) einer kohlendioxidhaltigen, beladenen Waschflüssigkeit in der ersten Stufe (107) und/oder der zweiten Stufe (109) durchgeführt wird.
Verfahren (101) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Regeneration (115, 125) auf einen unterschiedlichen Reinheitsgrad der KohlendioxidAbtrennung mit bis zu 20 g CO₂/l in der ersten Stufe (107) und mit bis zu unter 15 g CO₂/l in der zweiten Stufe (109) erfolgt.
Verfahren (101) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeversorgung (129) der Regeneration (115, 125) der kohlendioxidhaltigen, beladenen Waschflüssigkeit mindestens teilweise aus einem Abgas der nachgeschalteten Methanverflüssigung (165) erfolgt.
Verfahren (101) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abwärme aus der jeweiligen Regeneration (115, 125) der kohlendioxidhaltigen, beladenen Waschflüssigkeit für eine externe Beheizung verwendet wird.
Verfahren (101) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der jeweiligen Regeneration (115, 125) der kohlendioxidhaltigen, beladenen Waschflüssigkeit abgetrennte Kohlendioxid weiter technisch in einem Gewächshaus zum Pflanzenwachstum oder mit Wasserstoff zur Verarbeitung von Methanol und/oder Methan verwendet wird.
Verfahren (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgas der Methanverflüssigung (165) in einem Blockheizkraftwerk zur Erzeugung von Strom und Wärme genutzt wird.
Aufbereitungsanlage (102) zum Aufbereiten von Biogas (103) und/oder Erdgas (105) zum Herstellen von verflüssigtem Methan und weiteren brennbaren organischen Komponenten, wobei die Aufbereitungsanlage (102) in einer ersten Stufe (107) eine erste Waschkolonne mit einer aminhaltigen Waschflüssigkeit zum Abtrennen von Kohlendioxid und eine erste Regenerationseinrichtung (115) zum Regenerieren einer beladenen Waschflüssigkeit und in einer zweiten Stufe (109) eine zweite Waschkolonne mit einer aminhaltigen Waschflüssigkeit zum Abtrennen von Kohlendioxid und eine zweite Regenerationseinrichtung (125) zum Regenerieren einer beladenen Waschflüssigkeit und eine nachgeschaltete Trocknungseinrichtung (127) zum Einstellen eines Wassergehaltes aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe (107) und die zweite Stufe (109) einen unterschiedlichen Druck aufweisen, sodass Biogas (103) in der ersten Stufe (107) und zweiten Stufe (109) und/oder Erdgas (105) in der zweiten Stufe (109) gleichzeitig aufbereitbar und das aufbereitete Biogas und/oder Erdgas direkt einer nachschaltbaren Methanverflüssigung (165), einem Erdgasnetz (161) oder einer Erdgastankstelle (163) zuführbar ist oder sind.