Standzeit

Was Aktivkohle-Kosten treibt oder senkt

28. August 2018 by Michael Wentzke

Jede Aktivkohle sieht schwarz aus, für den Nutzer einer Biogasanlage sind Unterschiede der Qualität der Aktivkohle nicht augenfällig. Sie werden erst spürbar, wenn die Nutzungsdauer nicht den Erwartungen entspricht und somit die Aktivkohle-Kosten steigen. Bei genauerer Betrachtung wird dann auch klar, dass die gewünschte Reinigung des Biogases von mehreren Faktoren abhängt. Hier ist die richtige Auswahl der Aktivkohle und die Optimierung der Betriebsbedingungen entscheidend.

Aktivkohle leistet im Betrieb Schwerstarbeit

Aktivkohle wird hauptsächlich zur Filterung des im Biogasmotor und im Katalysator unerwünschten Schwefelwasserstoffes (H₂S) aus dem Biogas eingesetzt. Dazu wird eine möglichst große innere Oberfläche und auch ein ausgeprägtes, passendes Porensystem in der Aktivkohle benötigt (feine Poren), damit sich unerwünschte Schadstoffe anlagern können (Adsorption). Dies reicht im Falle des Schadstoffes H₂S jedoch nicht aus. Es muss noch eine chemische Reaktion erfolgen, die H₂S in elementaren Schwefel umwandelt und bindet.

Die Aktivkohle muss mit einem Katalysator „imprägniert“ oder „dotiert“ werden, damit diese chemische Reaktion beim Durchströmen des Biogases auch angestoßen wird. Die so behandelte Aktivkohle führt dann zu diesen gewünschten Reaktionen und Endprodukten:

Aufspaltung von H₂S zu Schwefel und Wasserstoff (in der Form von H₂O)
Oxidation des Wasserstoffes zu Wasser unter Nutzung des im Biogas enthaltenen Sauerstoffes.

Aktivkohle wird gezielt zur Filterung von H₂S in ihren Merkmalen eingestellt, die bei anderen Schadstoffen ganz anders aussehen können. Damit dieser Prozess mit einer hohen Konvertierungsleistung (aus H₂S wird Schwefel und Wasser) und damit einer hohen Beladungsleistung der Aktivkohle gelingt, wird ein enger Betriebs-Bereich für die relative Gasfeuchte (ca. 50%) und die Gastemperatur (ca.23°C) benötigt.

Um diesen chemischen Prozess vollständig ablaufen zu lassen, benötigt das Biogas eine Mindest-Verweilzeit im Aktivkohlebehälter. Das Biogas sollte innerhalb von 4-6 Sekunden die poröse Aktivkohleschüttung durchströmen. Bei einem großen Volumenstrom und einem zu kleinen Aktivkohlefilterbehälter würde die Verweilzeit zu gering werden: mangelnde Umwandlung des Schadstoffes H₂S und geringere Beladungsleistung wären die Folge.

Es gibt keine „Vielzweck“-Aktivkohle, sie muss nach den jeweiligen Anforderungen genau ausgelegt sein. Schon im normalen Grundlastbetrieb stellen die Schwankungen des Schwefelwasserstoffgehaltes des Biogases, seiner Temperatur und relativen Feuchte die Aktivkohle vor hohe Anforderungen. Dies gilt erst Recht im Flex-Betrieb eines BHKWs mit den häufigeren Temperatur- und Feuchtewechseln.

Was die Wirkung der Aktivkohle begrenzt

Ohne Sauerstoff als Reaktionspartner für Schwefelwasserstoff kann keine Entschwefelung stattfinden (Sauerstoffgehalt im Biogas von < 0,4 % ist i.d.R. zu gering!).
Eine zu geringe relative Feuchte verkürzt die Standzeit der Aktivkohle stark und sorgt für frühe H₂S-Durchbrüche. Daher ist eine zu starke Abkühlung (<5°C) und Trocknung auf weniger als 30 % relative Feuchte teuer (Stromverbrauch des Kühlaggregates) und kontraproduktiv.
Eine zu hohe relative Gasfeuchte (>80%) macht die Entschwefelungsreaktion langsam und sorgt für frühzeitige, kleine H₂S-Durchbrüche
Kondensat im Aktivkohlefiltergehäuse führt zur Ablagerung des Schwefels an der Außenseite der Aktivkohlepellets und blockiert die Wirkung der inneren Oberflächen. Die Standzeit der Aktivkohle sinkt dramatisch. Zudem besteht die Gefahr des Verklumpens, was auch den Wechsel der Aktivkohle erschwert.

Wann sich Aktivkohle im Einsatz wohlfühlt

Die Filterung unterschiedlicher Schadstoffe wie z.B. Siloxane oder Schwefelwasserstoff erfordert unterschiedlich Aktivkohleeigenschaften und unterschiedliche Gasbedingungen.

Siloxane benötigen (klassische Adsorption) eine möglichst geringe relative Gasfeuchte (< 30 %) bei möglichst geringer Temperatur (< 25°C).
Die Entschwefelung funktioniert optimal bei einer relativen Feuchte von 50% und Temperaturen größer als 15°C

Die nachfolgende Übersicht zeigt die unterschiedlichen Gasparameter und Aktivkohleeigenschaften. Leider schließen sich manche Anforderungen diametral aus, so dass unverträgliche Störstoffe in mehreren Reinigungsstufen ausgeschieden werden müssen. Dies begründet auch, warum Mehrzweck-Aktivkohle nicht funktionieren kann und es diese auch nicht geben kann.

Grundlagen der Schadstoffentfernung aus biogenen Gasen

Welche Faktoren die Standzeit der Aktivkohle erhöhen und die Aktivkohle-Kosten senken

Ein ausreichend groß dimensionierter Aktivkohlefilterbehälter (Verweildauer 4-6 Sekunden beim Durchströmen des Behälters mit der Schüttung) ,
Einstellung der geforderten Gasfeuchte durch Kühlung (auf ca. 10-12 °C) und nachfolgende Erwärmung um ca. 10-12 Kelvin,
Sauerstoffgehalt im Biogas, der zur H₂S-Konzentration und zur relativen Feuchte passt (> 0,4 %),
Abscheidung von weiteren Störstoffen (wie z.B. Terpene) in einer vorgelagerten Reinigungsstufe.

Beladungsleitung als Funktion der Gas-Feuchte und des Sauerstoff-Gehaltes

Auf welche Qualitätsmerkmale der Aktivkohle Betreiber achten sollten

Neben der Klärung, welche Schadstoffe neben dem Schwefelwasserstoff im Biogas behandelt werden müssen – davon hängen die Auswahl der richtigen Aktivkohle, die notwendigen Reinigungsstufen und die Gaskonditionierung (Temperatur und Feuchte) ganz wesentlich ab – sind diese drei Qualitätskriterien bedeutsam:

Eine große innere Oberfläche (viele, kleine Poren), die rasch das Gas aufnehmen kann und viel Raum zur Anlagerung von Schwefel bietet.
Eine chemisch so modifizierte Aktivkohle, dass eine möglichst vollständige Umwandlung des Schwefelwasserstoffes zu Schwefel ermöglicht wird.
Eine gleichmäßige Pelletstruktur mit hoher Abriebfestigkeit stellt einen geringen Druckverlust und wenig Abrieb beim Umfüllen sicher.

Bei den im Biogasanlagen-Betrieb immer wieder geäußerten Klagen nach hohen Aktivkohle-Kosten und geringen Standzeiten ist ein kritischer Blick nur auf die Aktivkohle nicht hilfreich, da die Einflussfaktoren auch stark von der Anlagenausstattung im Bereich der Biogasaufbereitung sowie von den Parametern der Gaskonditionierung abhängen. Eine Fachberatung kann hier dauerhaft Probleme mit Schadstoffen des Biogases lösen, Betriebskosten sparen und Schäden am Biogasmotor vermeiden.

Kontaktdaten zur NECATEC AG : Dipl.-Ing. Toralf Goetze und Dr.-Ing. Silvana Rossow, Bredeneyer Straße 2B, 45133 Essen, Telefon (Zentrale) 0201 / 61 20 43 97

Notkühler bringen jetzt volle Leistung

7. August 2017 by Michael Wentzke

Wartungsmaßnahmen am Notkühler für wirksame Gemisch- und Motorkühlung — Sommerliche Belastung für Notkühler (Quelle: Unsplash)

Auch wenn wir noch kein Wüstenklima haben, die Temperaturen waren und sind derzeit durchaus hochsommerlich. Für die Notkühler von Biogas-BHKWs sind jetzt Hochleistungen gefordert.

Dies betrifft sowohl den Gemischkühl-Kreislauf als auch den Motorkühlkreislauf. Wenn Wärmekunden im Sommer keinen Bedarf haben, muss eben die Motorabwärme über die Notkühler abgeführt werden.

Bauteilbelastung steigt mit den Betriebstemperaturen an

Wenn die Kühlleistung der Notkühler unzureichend ist, steigen die Kühlwassertemperaturen an. Die ohnehin der Verbrennung ausgesetzten Bauteile wie Zündkerzen und Zylinderköpfe werden noch heißer und quittieren dies mit geringeren Standzeiten. Diese Bauteile gehen buchstäblich vor der Hitze in die Knie.

Verschärft wird die Lage für den Biogasmotor, wenn auch das Biogas-Luft-Gemisch eine zu hohe Temperatur vor Eintritt in den Brennraum hat. Dann besteht die Gefahr des Motorklopfens durch zu hohe Temperaturen und Drücke im Brennraum. Dies gefährdet die Lager und führt im Extremfall zu starken Schäden an Kolben, Laufbüchsen und Zylinderköpfen bis zum Kolbenfresser. Nicht jeder Biogasmotor verfügt über eine Klopferkennung mit einer schützenden Leistungsreduktion des Motors, die gravierende Motorschäden vermeidet.

Funktionsfähige Notkühler schützen vor drohenden Hitzekollaps

Dies sollten Betreiber beachten, um ihren Biogasmotor vor Hitzeschäden zu schützen:

Kontrollieren Sie die Temperaturen vom Motor- und Gemischkühlkreislauf. Die Gemischtemperatur nach Gemischkühler sollte kleiner als 50° C sein. Maximalwerte sind am frühen Nachmittag zu erwarten.
Notkühler neigen dazu, sich an der Unterseite einen „Bioteppich“ anzusaugen, der regelmäßig vorsichtig abgeharkt werden muss, um die Kühlleistung zu erhalten. Ein kräftiger Wasserstrahl (kein Hochdruck..) hilft beim Säubern.
Ausreichender Kühlmitteldruck und Kühlmittel in gutem Zustand sind weitere Voraussetzungen für ausreichende Kühlleistungen der Notkühler.

Diese drei Maßnahmen sind die ersten Punkte, die ein Betreiber auch mit Blick auf die zurückliegenden Wartungen (Reinigung Wärmetauscher, Austausch Kühlmittel?) vornehmen kann. Im Fachsymposium Biogasmotoren am 5.9.2017 gehen wir mit mehreren Fachvorträgen auch auf diese Thematik ein.

Ursachenbündel für thermische Probleme von Biogasmotoren

Die Ursachen für thermische Probleme von Biogasmotoren in Biogas-BHKWs finden sich nicht nur im Betrieb, sondern auch in der Planung und Auslegung des BHKWs. Wenn Pumpen, Wärmetauscher, Rohrleitungen oder Notkühlern zu knapp ausgelegt wurden, kommen bei hochsommerlichen Temperaturen die oben beschriebenen Probleme. Zum Teil mangelt es auch an der richtigen Einstellung der Regelventile, die die volle Kühlleistung von Notkühlern verhindern.

Im Biogasmotoren Technik-Seminar II geht es um die richtigen Betriebstemperaturen des Biogasmotors. Seminarteilnehmer erhalten neben vielen Praxis-Tipps auch Checklisten zur Schadensprävention. Diese sollten gemeinsam mit dem Servicepartner für einen störungsfreien Betrieb abgearbeitet werden. Wir werden Sie zeitnah über unsere Biogasmotoren Technik-Seminare für Herbst und Winter 2017/2018 informieren.

Warum Aktivkohle es im Winter schwer hat

19. Februar 2017 by Michael Wentzke

Im Winter ist der Schwefelwasserstoff-gehalt des Rohbiogases um bis zu 30% höher als im Sommer. Die Aufnahme-fähigkeit der Aktivkohle hängt unter anderem davon ab, wie groß die relative Feuchte des Biogases und seine Temperatur ist. Durch die Gaskühlung wird das Rohbiogas entwässert.Danach tritt es wieder erwärmt in den Aktivkohlefilter ein. Die unvermeidliche Restfeuchte und die Temperatur des Rohbiogases im Aktivkohlefiltergehäuse bestimmen nun die Beladungsleistung der Aktivkohle. Es darf nicht zu „trocken“ und nicht zu „nass“ sein. Die Herausforderung für die Anlagentechnik besteht darin, bei wechselnden Außentemperaturen gerade den optimalen Bereich zutreffen, in dem die Aktivkohle viel Schwefelwasserstoff aufnimmt. Ziel ist es, den Biogasmotor vor Schwefelwasserstoff im Biogas-Luft-Gemisch zu schützen, die innermotorisch das Schmieröl versauert und Bauteile im Abgasstrang korrodiert.

Fütterung und Rohentschwefelung können die Biogasaufbereitung belasten

Wird Hühnertrockenkot oder Geflügelmist in nenenswerten Anteilen gefüttert, entstehen Natriumfrachten und es wird Ammoniak gebildet. In Verbindung mit Eisenchlorid, das gern zur Rohentschwefelung eingesetzt wird, kann sich Salz bilden, das mit dem Biogas in den Brennraum gelangt und dort zur Salzäurebildung führt. Diese hat eine stark korrosive Wirkung in allen abgasführenden Bauteilen. Aktivkohle, die auf die Bindung von Schwefelwasserstoff ausgelegt ist, kann nicht in gleichem Maße auch Ammoniak herausfiltern. Hier ist eine zweite Filterstufe notwendig – oder die Fütterung verzichtet auf Geflügel-Substrate. Auch zu Eisenchlorid als Rohentschwefelung gibt es Alternativen, um die Salzsäurebildung zu verhindern.

Warmhaltung der Aktivkohle im Flex-Betrieb

Im Flexbetrieb werden Zeitscheiben gefahren, die von unterschiedlich langen Stillstandszeiten des Blockheizkraftwerkes abgelöst werden. Diese können je nach Grad der Überbauung werktags 6 bis 8 Stunden zwischen der Betriebsphase betragen, am Wochenende auch schon einmal 18 bis 24 Stunden. Da Fahrpläne für das Biogas-Blockheizkraftwerk rollierend gemäß Wetter – und Börsenpreisprognose erstellt werden können, lassen sich die Zeitpunkte für eine Vorwärmung oder dauerhafte Warmhaltung des Aktivkohle-Filtergehäueses bestimmen.

Es wäre gerade im Winter verschleißfördernd, wenn nach einer Stillstandsphase des Biogasmotors dieser bei Anlauf erst einmal wegen einer „kalten“ und möglicherweise zu „nassen“ Aktivkohle viel Schwefelwasserstoff schluckt. Die Biogasnacherwärmung muss mit Blick auf das Filtergehäuse und die nachfolgende Biogasleitung zur Gasregelstrecke erweitert werden und vor Start des Biogasmotors ausreichend Wärme – elektrisch erzeugt oder aus einem Warmwasserspeicher – bereitstellen.

Für Anlagenbauer ergeben sich hier konkrete Aufgaben der Anlagenoptimierung mit Blick auf den Flex-Betrieb, die von der Expertise derjenigen Unternehmen begleitet werden sollten, die sich intensiv mit den Einflussfaktoren auf eine optimale Ausnutzung der Aktivkohle beschäftigt haben. Erst individuell angepasste Lösungskonzepte führen zum gewünschten Ergebnis: keine Belastung des Biogasmotors und wirtschaftlicher Einsatz der Aktivkohle. Handlungsbedarf gibt es häufig schon beim klassischen Volllastbetrieb der Biogas-Blockheizkraftwerke.