Beitrag zur Technischen Umsetzung der Einspeisung von Biogas in öffentliche Erdgasnetze:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
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2010
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BEITRAG ZUR TECHNISCHEN UMSETZUNG DER EINSPEISUNG VON BIOGAS IN
OEFFENTLICHE ERDGASNETZE
INHALTSVERZEICHNIS
1 MOTIVATION 1
2 STAND DER WISSENSCHAFT UND TECHNIK SOWIE GESETZLICHE GRUNDLAGEN _3
2.1 METHANANREICHERUNG - ABTRENNUNG VON C0 2 3
2.1.1 ADSORPTION AN FESTSTOFFEN 3
2.1.1.1 ADSORPTIONSKINETIK 3
2.1.1.2 DRUCKWECHSELADSORPTION (PSA) 5
2.1.2 ABSORPTION AN FLUESSIGKEITEN 7
2.1.2.1 ABSORPTIONSKINETIK 7
2.1.2.2 PHYSIKALISCHE WAESCHE MIT WASSER ODER ANDEREN FLUESSIGKEITEN 8
2.1.2.3 CHEMISCHE WAESCHE MIT AMIN ODER ANDEREN FLUESSIGKEITEN 10
2.1.2.4 VERGLEICH DER WASCHMITTEL 12
2.1.3 MEMBRANTRENNVERFAHREN 13
2.1.4 TIEFTEMPERATURREKTIFIKATION 15
2.1.5 METHANSCHLUPF 17
2.1.5.1 DEFINITION DES METHANSCHLUPFES 17
2.1.5.2 ANLAGENOPTIMIERUNG IN RICHTUNG EINER HOHEN METHANAUSBEUTE 17
2.1.5.3 ANLAGENOPTIMIERUNG IN RICHTUNG EINES GERINGEN METHANSCHLUPFES 17
2.1.5.4 TECHNISCHE EINSATZGRENZEN 18
2.1.5.5 RECHTLICHE EINSATZGRENZEN 19
2.1.6 ZUSAMMENFASSUNG DER GASAUFBEREITUNGSTECHNOLOGIEN 20
2.2 GESETZLICHE RAHMENBEDINGUNGEN 22
2.2.1 ANFORDERUNGEN AN DIE BIOMETHANQUALITAET 22
2.2.1.1 DVGW-ARBEITSBLATT G260 23
2.2.1.2 DVGW-ARBEITSBLATT G262 23
2.2.1.3 GEGENUEBERSTELLUNG DER QUALITAETSANFORDERUNGEN 25
2.2.2 VERGUETUNG VON STROM AUS BIOMASSE 26
2.2.2.1 VERGUETUNGSLAGE 2005 BIS 2008 26
2.2.2.2 AKTUELLE VERGUETUNGSLAGE 2009 BIS 2011 27
2.2.3 GASNZV 29
2.3 PATENTE 31
2.4 ABZULEITENDE ANFORDERUNGEN AN DIE AUFBEREITUNGSTECHNIK 32
3 AUFGABENSTELLUNG 33
4 TECHNISCHE GRUNDLAGEN 36
4.1 ERZEUGUNG VON ROHGAS 36
4.2 GASZUSAMMENSETZUNG ROHGAS 37
4.2.1 METHAN 37
4.2.2 KOHLENDIOXID 38
4.2.3 SAUERSTOFF,-STICKSTOFF UND SCHWEFELKOMPONENTEN 38
4.2.4 AMMONIAK 40
4.2.5 WASSERSTOFF 40
4.2.6 BENZOL, TOLUOL, ETHYLBENZOL, XYLOL 40
4.2.7 KOHLENWASSERSTOFFE 41
4.2.8 GESAMT-SILIZIUM 41
4.2.9 GESAMT-CHLOR UND -FLUOR 41
4.2.10 ALKOHOLE UND CARBONSAEUREN 42
4.2.11 LANGZEITMESSUNG ROHGAS 42
4.2.12 ZUSAMMENFASSUNG DER ROHGAS-MESSERGEBNISSE 42
4.3 ANFORDERUNGEN DES OEFFENTLICHEN GASNETZES 43
4.4 ABSORPTIONSKINETIK 44
4.4.1 STRUKTUR DER AMINE 44
I
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IMAGE 2
BEITRAG ZUR TECHNISCHEN UMSETZUNG DER EINSPEISUNG VON BIOGAS IN
OEFFENTLICHE ERDGASNETZE
4.4.2 PHYSIKALISCHE UND CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN DER AMINE 46
4.4.2.1 MONOETHANOLAMIN (MEA) 46
4.4.2.2 DIETHANOLAMIN (DEA) _47
4.4.2.3 N-METHYLDIETHANOLAMIN (MDEA) 49
4.4.2.4 PIPERAZIN 49
4.4.2.5 MORPHOLIN 50
4.4.2.6 DIETHYLENTRIAMIN .51
4.4.2.7 DIMETHYLAMINOETHANOL 52
4.4.2.8 TRIETHANOLAMIN 53
4.4.2.9 HEXAMETHYLENDIAMIN 53
4.4.2.10 DIMETHYLAMINOPROPANOL 54
4.4.2.11 DIMETHYLAMINOETHOXYETHANOL 54
4.4.2.12 CYCLOOCTYLAMIN 55
4.4.2.13 DIBUTYLAMIN 55
4.4.2.14 DICYCLOHEXYLAMIN 56
4.4.2.15 ZUSAMMENSTELLUNG 56
4.4.3 KINETIK DER C0 2 -ABSORPTION AUS ROHGAS IN WAESSRIGE AMINLOESUNGEN
57 4.4.3.1 ABSORPTIONSPROZESS 57
4.4.3.2 RUEHRKESSELVERSUCH 58
4.4.3.3 BESTIMMUNG DER BELADUNG DES WASCHMITTELS MIT C 0 2 60
4.4.3.4 ERGEBNISSE 60
4.4.3.5 AUSWERTUNG DER ERGEBNISSE 62
4.4.4 BESTIMMUNG DER KONZENTRATION VON AMIN 68
4.4.4.1 BESTIMMUNG TOC 68
4.4.4.2 BESTIMMUNG STICKSTOFF .68
4.4.4.3 GASCHROMATOGRAPHIE 69
4.4.4.4 TITRATION 70
4.4.5 UNTERSUCHUNGSERGEBNISSE ZUM DESORPTIONSVERHALTEN VERSCHIEDENER
WASCHFLUESSIGKEITEN 71
4.4.5.1 UNTERSUCHUNGSMETHODE .71
4.4.5.2 UNTERSUCHUNGSERGEBNISSE MIT VERSCHIEDENEN AMINEN 72
4.4.5.3 BETRACHTUNG VON ABSORPTION UND DESORPTION IM KREISPROZESS 72
4.4.5.4 GRUNDLEGENDE BETRACHTUNGEN ZUM MINDESTENERGIEBEDARF UND
MINDESTMETHANVERLUST BEI DER ROHGASAUFBEREITUNG 74
5 ENTWICKLUNG UND ERRICHTUNG EINER TECHNIKUMSANLAGE 79
5.1 EXPERIMENTELLER AUFBAU WASCHSTUFE 79
5.1.1 ERGEBNISSE 80
5.1.2 VARIATION DER WASCHMITTELMENGE ; 87
5.1.3 EINFLUSS DER TEMPERATUR AUF DIE GASWAESCHE 88
5.1.4 BETRACHTUNG DER NUTZUNG VON REGENERIERTEN WASCHFLUESSIGKEITEN 89
5.1.5 UEBERTRAGBARKEIT DER VERHAELTNISSE TESTGEMISCH/ REAL-ROHGAS 90
5.1.6 UNTERSUCHUNGEN MIT UNTERSCHIEDLICHEN FUELLKOERPERN 91
5.2 WASCHMITTELREGENERATION 92
5.2.1 BESCHREIBUNG DER REGENERATIONSEINHEIT 92
5.2.2 UNTERSUCHUNGSERGEBNISSE VON WASCHMITTELREGENERATIONEN 93
5.2.2.1 REAKTIONSKINETIK .93
5.2.2.2 EINFLUSS DER WASSERQUALITAET 94
6 ENTWICKLUNG UND ERRICHTUNG EINER PROTOTYPENANLAGE 96
6.1 KENNDATEN DES ANLAGENSTANDORTES 96
6.2 ZUR VERFUEGUNG STEHENDE ROHGASQUALITAET 96
6.3 DIMENSIONIERUNG EINER PROTOTYPENANLAGE FUER EINE LEISTUNG VON V N =10
M 3 /H ROHGAS 96
6.3.1 DIMENSIONIERUNG DER WASCHSTUFE (ABSORPTION) 97
6.3.2 DIMENSIONIERUNG DER WASCHMITTELREGENERATION (DESORPTION) 99
6.3.3 BESCHREIBUNG DER EINZELNEN VERFAHRENSSTUFEN 102
II
IMAGE 3
BEITRAG ZUR TECHNISCHEN UMSETZUNG DER EINSPEISUNG VON BIOGAS IN
OEFFENTLICHE ERDGASNETZE
6.3.4 ROHGASAUFBEREITUNG (ROHGASENTSCHWEFELUNG, KUEHLUNG DES ROHGASES)
102
6.3.5 ABSORPTION MITTELS WASCHKOLONNE, KUEHLUNG DES BIOMETHANS UND
VERDICHTUNG DES BIOMETHANS 103
6.3.6 REGENERATIONSEINHEIT FUER BELADENEN WASCHLOESUNG 103
6.3.7 PROZESSWAERMEERZEUGUNG 104
6.4 ERGEBNISSE 104
6.4.1 ABSORPTION MITTELS WASCHKOLONNE, KUEHLUNG DES BIOMETHANS UND
VERDICHTUNG DES BIOMETHANS 105
6.4.2 REGENERATIONSEINHEIT FUER BELADENEN WASCHLOESUNG 105
6.4.3 UNTERSUCHUNGEN MIT MEHRSTUFIGER WASCHMITTELREGENERATION 105
6.4.4 UNTERSUCHUNGEN ZUR ERREICHBAREN C02-QUALITAET 106
7 ERRICHTUNG EINER PROTOTYPENANLAGE AM STANDORT GODENSTEDT 107
7.1 KENNDATEN DES ANLAGENSTANDORTES 107
7.2 ZUR VERFUEGUNG STEHENDE ROHGASQUALITAET 108
7.3 DIMENSIONIERUNG EINER PROTOTYPENANLAGE FUER EINE LEISTUNG V N VON 600
M 3 /H ROHGAS 108
7.3.1 BESCHREIBUNG DER EINZELNEN VERFAHRENSSTUFEN 108
7.3.2 ROHGASENTSCHWEFELUNG 108
7.3.3 KUEHLUNG DES ROHGASES 109
7.3.4 ABSORPTION MITTELS WASCHKOLONNE 109
7.3.5 KUEHLUNG DES BIOMETHAN 109
7.3.6 VERDICHTUNG DES BIOMETHAN 110
7.3.7 REGENERATIONSEINHEIT FUER BELADENE WASCHLOESUNGEN (DESORPTION) 110
7.3.8 MESSWERTERFASSUNG 111
7.3.9 PROZESSWAERMEERZEUGUNG 113
7.4 ERGEBNISSE 113
7.4.1 ENTSCHWEFELUNG 114
7.4.2 DIMENSIONIERUNG DER WASCHSTUFE (ABSORPTION) 115
7.4.3 VERDICHTUNG DES BIOMETHANS 120
7.4.4 REGENERATIONSEINHEIT FUER BELADENE WASCHLOESUNGEN (DESORPTION) 121
7.4.4.1 UNTERSUCHUNGEN MIT EINSTUFIGER WASCHMITTELREGENERATION 121
7.4.4.2 UNTERSUCHUNGEN MIT ZWEISTUFIGER WASCHMITTELREGENERATION 122
7.4.4.3 UNTERSUCHUNGEN ZU EINER ALTERNATIVEN
WAERMEUEBERTRAGERKONFIGURATION 122 7.4.5 UNTERSUCHUNGEN ZUM METHANVERLUST
124
7.4.6 UNTERSUCHUNGEN ZUR WAERMEAUSKOPPLUNG 125
7.4.7 MESSWERTERFASSUNG 126
7.4.8 PROZESSWAERMEVERSORGUNG 126
7.4.9 DAUERBESTAENDIGKEIT DER EINGESETZTEN WERKSTOFFE 127
7.5 ZUSAMMENSTELLUNG DER BETRIEBSERGEBNISSE IM ENDAUSBAU 128
8 ERRICHTUNG EINER AUFBEREITUNGSANLAGE AM STANDORT HARDEGSEN 129
8.1 KENNDATEN DES ANLAGENSTANDORTES 129
8.2 ZUR VERFUEGUNG STEHENDE ROHGASQUALITAET 129
8.3 DIMENSIONIERUNG EINER AUFBEREITUNGSANLAGE FUER EINE LEISTUNG V N VON
1.250 M 3 /H ROHGAS 129
8.3.1 BESCHREIBUNG DER EINZELNEN VERFAHRENSSTUFEN 130
8.3.2 EINGANGSWEICHE ROHGAS 131
8.3.3 ROHGASENTSCHWEFELUNG 131
8.3.4 KUEHLUNG DES ROHGASES 132
8.3.5 VERDICHTUNG DES ROHGASES 133
8.3.6 ABSORPTION MITTELS WASCHKOLONNE 134
8.3.7 KUEHLUNG DES BIOMETHANS 134
8.3.8 VERDICHTUNG DES BIOMETHANS 135
8.3.9 REGENERATIONSEINHEIT FUER BELADENE WASCHLOESUNGEN (DESORPTION) 135
III
IMAGE 4
BEITRAG ZUR TECHNISCHEN UMSETZUNG DER EINSPEISUNG VON BIOGAS IN
OEFFENTLICHE ERDGASNETZE
8.3.10 KUEHLWASSERVERSORGUNG 136
8.3.11 FRISCHWASSER / ABWASSER 136
8.3.12 ABGAS 136
8.3.13 MESSWERTERFASSUNG 137
8.3.14 PROZESSWAERMEVERSORGUNG 137
8.3.15 WAERMEAUSKOPPLUNG 138
8.3.16 ANLAGENSTEUERUNG 138
8.3.16.1 ROHGASAUFBEREITUNGSANLAGE 139
8.3.16.2 ROHGASANLAGE MIT FACKEL 140
8.3.16.3 WAERMEVERSORGUNGSANLAGE 140
8.3.16.4 STEUERLUFT 140
8.4 ERGEBNISSE 140
8.4.1 EINGANGSWEICHE ROHGAS 141
8.4.2 ROHGASENTSCHWEFELUNG 141
8.4.3 KUEHLUNG DES ROHGASES 141
8.4.4 VERDICHTUNG DES ROHGASES 142
8.4.5 ABSORPTION MITTELS WASCHKOLONNE 142
8.4.6 REGENERATIONSEINHEIT FUER BELADENE WASCHLOESUNGEN 142
8.4.7 QUALITAETSMESSUNG 143
8.4.8 PROZESSWAERMEVERSORGUNG 144
8.4.9 FACKELANLAGE 144
8.4.10 ANLAGENSTEUERUNG 144
8.4.11 STEUERLUFT 144
8.5 ZUSAMMESTELLUNG DER ERGEBNISSE IM ENDAUSBAU 145
9 ERRICHTUNG EINER AUFBEREITUNGSANLAGE AM STANDORT EINBECK 146
9.1 KENNDATEN DES ANLAGENSTANDORTES 146
9.2 ZUR VERFUEGUNG STEHENDE ROHGASQUALITAET 146
9.3 DIMENSIONIERUNG EINER AUFBEREITUNGSANLAGE FUER EINE LEISTUNG V N VON
1.000 M 3 /H ROHGAS 146
9.3.1 BESCHREIBUNG DER EINZELNEN VERFAHRENSSTUFEN 147
9.3.2 EINGANGSWEICHE ROHGAS 147
9.3.3 ROHGASENTSCHWEFELUNG ; 148
9.3.4 KUEHLUNG DES ROHGASES 148
9.3.5 VERDICHTUNG DES ROHGAS 148
9.3.6 ABSORPTION MITTELS WASCHKOLONNE 148
9.3.7 KUEHLUNG DES BIOMETHANS 148
9.3.8 VERDICHTUNG DES BIOMETHANS 149
9.3.9 REGENERATIONSEINHEIT FUER BELADENE WASCHLOESUNGEN (DESORPTION) 149
9.3.10 KUEHLWASSERVERSORGUNG 153
9.3.11 MESSWERTERFASSUNG 153
9.3.12 PROZESSWAERMEVERSORGUNG UND WAERMEAUSKOPPLUNG 153
9.3.13 ANLAGENSTEUERUNG 154
9.4 ERGEBNISSE 155
9.4.1 EINGANGSWEICHE ROHGAS 155
9.4.2 KUEHLUNG DES ROHGASES 155
9.4.3 VERDICHTUNG DES ROHGASES 156
9.4.4 ABSORPTION MITTELS WASCHKOLONNE 156
9.4.5 KUEHLUNG DES BIOMETHANS 156
9.4.6 REGENERATIONSEINHEIT FUER BELADENE WASCHLOESUNGEN 156
9.4.7 QUALITAETSMESSUNG ; 157
9.4.8 PROZESSWAERMEVERSORGUNG 157
9.4.9 FACKELANLAGE 157
9.4.10 ANLAGENSTEUERUNG 157
9.4.11 STEUERLUFT 157
9.5 ZUSAMMENSTELLUNG DER BETRIEBSERGEBNISSE IM ENDAUSBAU 158
IV
IMAGE 5
BEITRAG ZUR TECHNISCHEN UMSETZUNG DER EINSPEISUNG VON BIOGAS IN
OEFFENTLICHE ERDGASNETZE
10 ERRICHTUNG EINER AUFBEREITUNGSANLAGE AM STANDORT ZEVEN-ASPE 160
10.1 KENNDATEN DES ANLAGENSTANDORTES 160
10.2 ZUR VERFUEGUNG STEHENDE ROHGASQUALITAET 160
10.3 DIMENSIONIERUNG EINER AUFBEREITUNGSANLAGE FUER EINE LEISTUNG V N VON
250 M 3 /H ROHGAS 161
10.3.1 BESCHREIBUNG DER EINZELNEN VERFAHRENSSTUFEN 161
10.3.2 KUEHLUNG ROHGAS 163
10.3.3 VERDICHTUNG ROHGAS 163
10.3.4 ERHITZUNG ROHGAS 163
10.3.5 ROHGASENTSCHWEFELUNG 164
10.3.6 ABSORPTION MITTELS WASCHKOLONNE 165
10.3.7 NEUES WASCHMITTEL 166
10.3.8 REGENERATIONSEINHEIT FUER BELADENE WASCHLOESUNGEN (DESORPTION) 168
10.3.9 ABGAS 169
10.3.10 KUEHLUNG UND TROCKNUNG DES BIOMETHAN 169
10.3.11 FUNKTIONSBESCHREIBUNG EINES WARMREGENERIERENDEN
ADSORPTIONSTROCKNERS MIT EXTERNER WAERMEZUFUHR MIT GESCHLOSSENEM
KREISLAUF 170
10.3.12 VERDICHTUNG DES BIOMETHAN 172
10.3.13 MESSWERTERFASSUNG 172
10.3.14 PROZESSWAERMEVERSORGUNG 172
10.3.15 FACKELANLAGE ; 173
10.3.16 DRUCKLUFTVERSORGUNG 173
10.3.17 OSMOSEWASSERANLAGE 173
10.3.18 ANLAGENSTEUERUNG 173
10.4 ERGEBNISSE 173
10.4.1 ABSORPTION MITTELS WASCHKOLONNE 174
10.4.1.1 AUSWERTUNG DER PROZESSDATEN 174
10.4.1.2 BILANZIERUNG 175
10.4.1.3 VERLAUF DER BILANZGERADE 178
10.4.1.4 AUSWERTUNG DER LABORPROBEN 180
10.4.1.5 VERGLEICH DER C0 2 -BILANZ MIT DEN LABORMESSUNGEN 181
10.4.1.6 WAERMELEISTUNGSDIFFERENZ 182
10.4.1.7 FAZIT 184
10.4.2 NEUES WASCHMITTEL 185
10.4.3 MESSWERTERFASSUNG 185
10.4.4 PROZESSWAERMEVERSORGUNG 185
10.4.5 ROHGASENTSCHWEFELUNG 185
10.4.6 ADSORPTIONSTROCKNUNG 186
10.4.7 OSMOSEWASSERANLAGE 186
10.5 ZUSAMMENSTELLUNG DER BETRIEBSERGEBNISSE IM ENDAUSBAU 186
11 STANDARD-ANLAGE 2011 188
11.1 GENERELL UNTERSTELLTE KENNDATEN DER ANLAGENSTANDORTE 189
11.2 GENERELL UNTERSTELLTE ROHGASQUALITAET 190
11.3 DIMENSIONIERUNG DER STANDARD-ANLAGE 2011 190
11.3.1 BESCHREIBUNG DER EINZELNEN VERFAHRENSSTUFEN 190
11.3.2 KUEHLUNG UND VERDICHTUNG DES ROHGASES 190
11.3.3 ROHGASENTSCHWEFELUNG : 191
11.3.4 EINGANGSWEICHE ROHGAS : 191
11.3.5 ABSORPTION MITTELS WASCHKOLONNE 191
11.3.6 KUEHLUNG DES BIOMETHAN 192
11.3.7 VERDICHTUNG DES BIOMETHANS 192
11.3.8 FEINSTTROCKNUNG 192
11.3.9 REGENERATIONSEINHEIT FUER BELADENE WASCHLOESUNGEN (DESORPTION) 193
11.3.10 KUEHLWASSERVERSORGUNG 194
V
IMAGE 6
BEITRAG ZUR TECHNISCHEN UMSETZUNG DER EINSPEISUNG VON BIOGAS IN
OEFFENTLICHE ERDGASNETZE
11.3.11 MESSWERTERFASSUNG 194
11.3.12 PROZESSWAERMEVERSORGUNG UND WAERMEAUSKOPPLUNG 195
11.3.12.1 AUSLEGUNGSGRUNDLAGEN GRUNDKONZEPTE 195
11.3.12.2 WAERMEBILANZ IM BLACK-BOX-VERFAHREN 195
11.3.12.3 BETRACHTUNG DER WAERMEAUSKOPPLUNG 198
11.3.13 ANLAGENSTEUERUNG 199
12 KUENFTIGE AUFGABEN 200
12.1 ALTERUNG DER AMINWASCHLOESUNG 200
12.1.1 FLUECHTIGKEIT DES AKTIVATORS 200
12.1.2 KORROSIVE PROZESSE 200
12.1.3 BILDUNG VON HSS 200
12.2 REINIGUNG DER WASCHLOESUNG 202
12.3 VEREINFACHUNG DER AMINREGENERATION 202
12.4 ERHOEHUNG DER ANLAGENVERFUEGBARKEIT 202
LITERATURVERZEICHNIS 204
ABBILDUNGSVERZEICHNIS 209
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ANHANG 218
VI
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