Projekt 14726/01

Entwicklung und Erprobung eines neuartigen regenerativen Kälteverfahrens zur Faulgasreinigung

Projektträger

Siloxa Engineering AG
Katernberger Str. 107
45327 Essen
Telefon: 0201/3020-450

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Eine zunehmende Belastung von Klär-, Deponie- und Biogasen mit Siloxanen (Silikonen) ist in ganz Europa zu beobachten. Es muss davon ausgegangen werden, dass dieser Trend ungebrochen bleibt, da die Produktion von Silikonprodukten weltweit kontinuierlich zunimmt und diese Stoffe entsprechend vermehrt im Abfall- bzw. Abwasserpfad auftreten werden. Die Belastung mit Siloxanen führt bei der Verwertung der Gase in Gasmotoren zu erhöhtem Verschleiß, insbesondere bei Kolben, Zylindern, Ventilen und Turboladern. Eine wirtschaftliche Verwertung ist dann oftmals nicht mehr gegeben. Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Klärgasreinigungsanlage bis zur Marktreife. In diesem industriellen Forschungsprojekt werden die wissenschaftlichen Grundlagen zur Entwicklung dieses Verfahrens erarbeitet.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Forschungsvorhaben wurde ein Energie sparendes Kälteverfahren zur Siloxanentfernung aus Faulgasen entwickelt und in der Praxis untersucht. Grundprinzip des Verfahrens ist die weitgehende Entfeuchtung des Gases und die Verminderung der unerwünschten siliziumorganischen Verbindungen durch Kondensation. Hierzu wurde eine Anlage für die Kältetrocknung des Gases gebaut und mit einer Kälterückgewinnung sowie einem Aktivkohlefilter ausgestattet. Als Anlagenstandort wurde eine Kläranlage mit einer Faulgasproduktion von ca. 30 m³/h und sehr hohen Siloxangehalten (überwiegend > 100 mg bis teilweise über 1.000 mg/m³) ausgesucht. Im wissenschaftlich begleiteten Versuchsbetrieb wurden die technisch/ wirtschaftlichen Parameter ermittelt und optimiert. Schwerpunkte des Forschungsvorhabens waren daher die Auslegung und Realisierung einer Anlage zur Abkühlung des Faulgases bis auf Tau-punkttemperaturen von unter -40°C. Zur Reduzierung der erforderlichen Kälteleistung wurde eine Kälterückgewinnung integriert, die das austretende kalte Reingas zur Vorkühlung des eintretenden warmen Rohgases nutzt. Zum Schutz des Wärmetauschers gegen Einfrieren wurde auf der Kaltgasseite eine Gasrückführung vorgesehen. Leider gelang es nicht, auf dem Markt eine geeignete, mit natürlichen Kältemitteln arbeitende Kältemaschine zu beschaffen, weshalb ein Standardprozess mit einem konventionellen Kältemittel eingesetzt werden musste. Für die Überwachung der Betriebsdaten wurden die maßge-benden Messwerte erfasst und ausgewertet. Die Reinigungsleistung des Kälteverfahrens (im Bereich um - 40°C) und der Aktivkohle wurden anhand von regelmäßigen Gasanalysen untersucht. Mit zwei zusätzlich angefertigten Versuchsadsorbern wurde der Einfluss der Temperatur auf die Abscheideleistung der Kühl- und der Aktivkohlestufe untersucht. Um relevante natürliche Schwankungen der Rohgaszusammensetzung (Schadstoffbelastung) auszugleichen wurden die vergleichenden Messungen parallel mit mehreren Versuchslinien vorgenommen.


Ergebnisse und Diskussion

Die Ergebnisse des Versuchsbetriebs zeigten eine einwandfreie Wirkung der Kälterückgewinnung, die etwa 50% der Entfeuchtungsleistung und 70% der Kälteleistung erbrachte. Der einfache, aus der Klimatechnik stammende Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher, erwies sich dabei als effektives und zuverlässiges Bauteil. Werkstoff- oder Verschmutzungsprobleme wurden nicht beobachtet. Als zuverlässiger Schutz gegen Einfrieren erwies sich die Gasrückführung mittels eines Umwälzgebläses, durch die die Wandtemperaturen des Wärmetauschers die meiste Zeit oberhalb von 0°C gehalten werden konnten. Lediglich bei geringen Rohgastemperaturen im Winterbetrieb musste die Kälterückgewinnung planmäßig durch einen Bypass umfahren werden. Für die Kältestufe ergab sich eine Reduzierung der Siloxane mit einer Bandbreite von 30-90 %, je nach Siloxanverbindung. Die nachgeschalteten Aktivkohlefilter sorgten zu jeder Zeit für eine vollständige Reinigung des Faulgases bis unter die Nachweisgrenze. Der mit dem gereinigten Gas betriebene Gasmotor zeigte keine Hinweise auf eine Belastung durch Siliziumverbindungen. Durch die parallelen Versuchsreihen konnte festgestellt werden, dass mit gekühltem Gas die Beladungskapazität der Aktivkohle verdoppelt werden kann. Eine Abschätzung der ökonomischen Parameter der Kälteverfahren für Siloxanbelastungen, wie sie häufig auf Kläranlagen anzutreffen sind, zeigt wirtschaftliche Vorteile für die weniger aufwändigen Kühlverfahren mit Taupunkten >0°C mit nachgeschalteter Aktivkohleadsorption. Bei hohen Siloxangehalten jedoch zeigt das Tiefkühlverfahren (Taupunkt bis - 40°C) trotz höherer Investitionskosten auf Grund des geringeren Betriebsmittelbedarfs (Aktivkohle) deutliche wirtschaftliche Vorteile.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Keine


Fazit

Mit der im Forschungsvorhaben entwickelten Gasreinigungstechnologie konnte nachgewiesen werden, dass Klärgas selbst bei extrem hohen Belastungen - mit bis zu 1.000 mg/m³ Siloxane - vollständig gereinigt werden kann. Die Verwertung des Gases im nachgeschalteten Gasmotor war ohne Nachteile mög-lich. Die gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass bei hohen Siloxangehalten im Klärgas die entwickelte Tiefkühltechnik in Kombination mit einer Aktivkohleadsorption ein wirtschaftliches Verfahren zur Gasreinigung darstellt.