.

Das Schema zeigt den Versuchsaufbau der 100-Nm3/h-Anlage an der Deponie Vereinigte Ville.
© Fraunhofer UMSICHT

Die Siliziumdioxid-Ablagerungen auf dem Zylinderkopf eines Gasmotors nach über 3.500 Betriebsstunden sind durch die Verbrennung der siliziumorganischen Spurenverbindungen im Motorraum entstanden.
© Fraunhofer UMSICHT

Das Forschungsteam erprobte sowohl die katalytische Abscheidung an aktiviertem Aluminiumoxid (Kat-Ox-Verfahren) als auch die adsorptive Reinigung durch Aktivkohle mit anschließender Regeneration (Aktivkohle-Verfahren).
© Fraunhofer UMSICHT

Die beiden Materialien Aluminiumoxid und Aktivkohle untersuchte das Forschungsteam jeweils in einem isolierten Festbettreaktor mit Deponiegas.
© Fraunhofer UMSICHT
2 / 3

Versuchsanlage an der Deponie

Die Forscher entwickelten eine Versuchsanlage, in der zwei Verfahrensansätze untersucht werden können: Die katalytische Abscheidung von siliziumorganischen Spurenverbindungen an aktiviertem Aluminiumoxid (Kat-Ox-Verfahren) und die adsorptive Reinigung durch Aktivkohle mit anschließender Regeneration (Aktivkohle-Verfahren).

Das Forschungsteam arbeitete mit einem kleinen 0,6-Nm³/h-Teststand und einer großen 100-Nm³/h-Versuchsanlage. Diese beiden waren miteinander gekoppelt und wurden durch einen Teilstrom der Deponiegashauptleitung mit Rohgas versorgt. Die Versuchsanlage stand auf der Deponie Vereinigte Ville. Den kleinen Teststand nutzten die Forscher, um mit geringen Mengen an Adsorbens mehrere Testzyklen hintereinander durchzuführen.

Im 100-Nm³/h-Kreislauf wurden jeweils Aktivkohle und aktiviertes Aluminiumoxid in einem isolierten Festbettreaktor untersucht. So wurden das Adsorptionsverhalten und die Umsetzung der siliziumorganischen Spurenstoffe unter praxisnahen Bedingungen betrachtet.

Katalytische Abscheidung

Die Idee des Kat-Ox-Verfahrens ist die Abscheidung von siliziumorganischen Verbindungen bei Temperaturen von 250 bis 350 °C an aktiviertem Aluminiumoxid. An der Oberfläche dieses Materials reagieren die siliziumorganischen Verbindungen zu Siliziumdioxid. Dieses feste Reaktionsprodukt lagert sich allerdings in den Poren des Materials ab. Dadurch wird das Aluminiumoxid deaktiviert. Das Team am Fraunhofer UMSICHT testete im Vorfeld unter Laborbedingungen auch andere mögliche Materialien zur katalytischen Abscheidung. Allerdings erwies sich Aluminiumoxid als am besten geeignet. Calciumoxid (CaO) und Magnesiumoxid (MgO) scheiden aus, da das im Deponiegas enthaltene Kohlendioxid zu einer Carbonat-Schicht auf den Materialien reagierte, welche die Reaktivität reduzierte. Titandioxid und Vanadiumpentoxid zeigten zwar eine gute Reaktivität über längere Zeiträume, sind jedoch zehn- bis zwanzigmal so teuer wie Aluminiumoxid.

In der großen Versuchsanlage wird das Deponiegas mittels eines Thermalölerhitzers zunächst auf maximal 350 °C aufgeheizt. Dann wird es in den mit aktiviertem Aluminiumoxid gefüllten Reaktor geleitet. Durch eine reaktive Adsorption werden die siliziumorganischen Verbindungen am Aluminiumoxid zu Siliziumdioxid umgesetzt. Das gereinigte Deponiegas wird im Wärmetauscher auf circa 50 °C abgekühlt und wieder in die Hauptgasleitung der Deponie abgegeben.

Die Tests zeigen, dass sich das Verfahren grundsätzlich zur Abtrennung von siliziumorganischen Verbindungen eignet. Auf Basis der bisherigen Ergebnisse kommen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die Betriebskosten sich etwa auf dem gleichen Niveau bewegen wie beim adsorptiven Aktivkohleverfahren mit Vor-Ort-Regenerierung. Vor einem Einsatz in der Praxis sind jedoch noch weitere technische Fragen zu klären. Dazu gehört zum Beispiel, wie ein effektiver Wärmeeintrag in den Reaktor realisiert sowie Staubablagerung in den Anlagenteilen hinter dem Reaktor vermieden werden können.

Adsorptive Reinigung mit anschließender Regeneration

Bei der Betriebsweise des Aktivkohleverfahrens in der großen Versuchsanlage wird das Deponiegas zunächst verdichtet und auf maximal 70 °C erhitzt. Anschließend wird es durch den mit Aktivkohle gefüllten Adsorber geleitet. An der Aktivkohle adsorbieren die im Gas enthaltenen siliziumorganischen Spurenstoffe. Das gereinigte Gas wird abgekühlt, bevor es wieder in die Hauptleitung der Deponie zurückgeführt wird. Die Desorption der Aktivkohle erfolgt durch eine Kombination aus thermischer Regeneration und Vakuumdesorption. Dabei wird ein Teilstrom des Gases auf maximal 160 °C erwärmt und in den Adsorber geleitet. Eine Vakuumpumpe am Austritt des Adsorbers sorgt für einen Unterdruck von 700 mbar. Das mit Desorbat beladene Gas wird in einem Wärmetauscher auf circa 80 °C abgekühlt und durch einen Polizeifilter, einen mit Aktivkohle gefüllten Adsorber, geleitet. Anschließend wird es wieder der Aktivkohle-Adsorption zugeführt.

Die Feldversuche haben ergeben, dass eine Vor-Ort-Regenerierung der Aktivkohle mit dem Verfahren teilweise erreicht und eine konstante Restbeladung erzielt wird. Allerdings wurden erwartungsgemäß polare organische Verbindungen, wie Trimethylsilanol, kaum von der Aktivkohle zurückgehalten, so dass für diese eine zusätzliche Reinigung für die technische Anwendung berücksichtigt werden muss. Der Anteil von Trimethylsilanol an der Gesamtbelastung durch siliziumorganische Verbindungen kann im Deponiegas bis zu 50 Prozent betragen. Als Lösung empfiehlt das Forschungsteam eine Vorreinigung mit einer Sickerwasserwäsche. Eine solche Anlage wurde vom Industriepartner Siloxa bereits in Ihlenberg in Mecklenburg-Vorpommern realisiert und scheidet nahezu das gesamte enthaltene Trimethylsilanol sowie andere polare siliziumorganische Verbindungen ab.

Empfehlungen für eine Gasreinigungsanlage

Die Forschungsgruppe entwickelte ein theoretisches Verfahrenskonzept für eine Gasreinigungsanlage mit einem Durchsatz von 1.000 Nm³/h: Als Vorreinigung ist eine Sickerwasserwäsche vorgesehen. Dabei wird das Deponiegas auf 4 °C gekühlt, um die Absorptionsleistung zu verbessern.

Hat das Deponiegas eine Temperatur von 41 °C, eine Feuchtigkeitssättigung von 100 %, einen Druck von 1.013 mbar und herrscht eine Lufttemperatur von 35 °C, beträgt der Energiebedarf bei 1.000 m³/h Durchsatz circa 18 kWhel. Nachgeschaltet werden für Adsorption und Desorption zwei wechselseitig betriebene Adsorber. Das Desorbat wird abschließend über eine Hochtemperaturfackel entsorgt.

Mit Vorschaltung einer solchen Gasreinigung können moderne Gasmotoren bei der Verstromung des Deponiegases einen Wirkungsgrad von circa 43 Prozent erreichen. Für dieses Verfahrenskonzept erstellte das Forschungsteam auch eine Betriebskostenanalyse für eine durchschnittliche Siliziumbelastung des Deponiegases. Auf dieser Basis schätzten sie die spezifischen Betriebskosten auf 1,06 Cent pro kWhel. Dies sei eine signifikante Einsparung gegenüber einer konventionellen Adsorptionsanlage mit einem Austausch der Aktivkohle, deren spezifische Betriebskosten nach Angaben des Forschungsteams bei 1,65 Cent pro kWhel liegen. Um die Kombination aus Aktivkohle-Verfahren und Sickerwasserwäsche zur Marktreife zu bringen, müssen weitere Tests unter anwendungsnahen Randbedingungen durchgeführt werden.

Projektinfo 11/2014:
2 / 3

Merkzettel

BINE-Abo

Publikation abonnieren

Adressen

Projektleitung, Planung, Ausbau und Inbetriebnahme mobile Versuchsanlage
Siloxa Engineering AG

Wissenschaftliche Betreuung der Gasanalytik und des Anlagenbetriebes
Fraunhofer UMSICHT

Links

Förderprogramm Energetische Biomassenutzung
Website des Förderprogramms des BMWi

Infotipps

Ländliches Stromnetz smart geregelt
BINE-Projektinfo 12/2012

Biogas
BINE-basisEnergie Nr. 16

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.