Ein Inline-Messgerät zur Erfassung der zentralen Messgrößen zur Steuerung einer Gaswäsche

Waschlösungen im richtigen Zustand

von Dr. Stefan Peil, Dr.–Ing Michael Licht, Andreas Baar, Dr. Ralf Boback

Grundlegende Voraussetzung zur Nutzung von Biogas als Erdgas­substitut ist die Abtrennung von CO2. Dazu können Gaswäschen mit aminhaltigen Waschlösungen eingesetzt werden. Der Beladungsgrad der Waschflüssigkeit mit CO2 ist für den Betrieb einer Gaswasch­anlage gemeinsam mit anderen Parametern entscheidend.

Biogas besteht aus den Hauptkompo­nenten Methan (CH₄), Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O). Zur Aufbereitung des Biogases in ein einspeisefähiges Erdgassubstitut ist neben der Trocknung des Gases die Abtrennung von CO₂ wesentlich. Dazu bieten sich Gaswäschen an, die mit wässrigen aminhaltigen Waschmitteln arbeiten. Diese binden saure Gaskomponenten, somit auch Kohlendioxid (CO₂), aus dem Biogas durch eine exotherme chemische Reaktion, die Absorption. Dabei geht das Gas in die Flüssigphase über, wobei sich in der ­Flüssig­phase abhängig vom Partialdruck des Gases ein Gleichgewicht einstellt. Wenn die zunächst nur physikalisch gelösten Gaskomponenten mit Bestandteilen der Flüssigphase chemisch reagieren, wird die Aufnahme­kapazität des Waschmittels erhöht. Dieser Prozess wird als chemische Absorption bezeichnet und besitzt in der Regel eine hohe Selektivität für einzelne Gasbestandteile. Chemisorptive Verfahren zeichnen sich durch Spitzenwerte in der erzielbaren Produktqualität aus und bei der Biogasaufbereitung zusätzlich durch sehr gute Werte beim Methanschlupf. Sie bieten sich insbesondere dann an, wenn vorhandene Wärmequellen zur Regeneration des Waschmittels, d.h. zur Desorption des CO₂, genutzt werden können, die durch ­eine Erwärmung und Strippung mit Wasserdampf erfolgt.

Inline-Messgerät

Für den Betrieb einer Gaswaschanlage ist der Beladungsgrad der Waschflüssigkeit mit z.B. CO₂ eine der zentralen Mess­größen, die für die Steuerung des Ab- und Desorptionsprozesses ausschlaggebend ist. Des Weiteren sind Veränderungen der Waschmittelzusammensetzung (Amin- zu Wassergehalt) und ­Alterungsprozesse des Waschmittels entscheidende Faktoren.

Die Aufgabe, zur Erfassung dieser Mess­größen ein Inline-Messgerät zu entwickeln, es zu testen und als marktfähiges System zu präsentieren, wurde und wird im Rahmen eines Forschungs­vorhabens von IUTA e.V., der Dr. Licht GmbH, IGM – Industrie Generatoren Maschinenbau GmbH und dem UFZ gelöst (Abb.1).

Das Forschungsvorhaben wird im Rahmen des Programms „Zentrales Innovations­programm Mittelstand“ des Bundesminis­teriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) – Fördermodul Kooperationsprojekte – vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines ­Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Beladung des Aminwaschmittels mit CO₂

Das in wässrigen Aminlösungen ab- bzw. chemisorbierte CO₂ wird durch die Zugabe einer Mineralsäure freigesetzt. In einem geschlossenen Gefäß kann somit ein Druck­anstieg verzeichnet werden, der proportional zum CO₂-Gehalt ist. Der Nachweis erfolgt quantitativ und kann durch die folgende einfache Reaktionsgleichung beschrieben werden.

CO₃^2- + 2 H₃O+ –> CO₂ + 3 H₂O

Für das Inline-Messgerät wurde die Zugabe der Mineralsäure in kleinen Schritten gewählt, sodass die aus der Messung resultierende Kurve einer Titrationskurve gleicht (Abb.2).

Aus dem relativen Druckanstieg unter Berücksichtigung von Temperatureffekten (exo­therme Reaktion) und Wassergehalt des Aminwaschmittels wird der CO₂-Gehalt berechnet und auf der Bedieneroberfläche des im Messgerät integrierten Rechners angezeigt.

Wassergehalt

Neben dem CO₂-Gehalt ist die Zusammen­setzung der wässrigen Aminlösung, d.h. der genaue Wasser- und der Amingehalt, zu erfassen. Basierend auf diesen Informationen wird Wasser oder frische Aminlösung ergänzt. Da sich die betrachteten Waschmittellösungen nur aus Wasser und Aminen zusammensetzen, ist es ausreichend, den Wasser- oder den Amingehalt zu erfassen.

Dazu ist es möglich, spektroskopische Methoden einzusetzen. Abbildung 3 zeigt UV/VIS/NIR-Spektren verschiedener Aminlösun­gen. Die Absorption im Wellenlängenbereich um 980nm ist durch Obertöne von Molekülschwingungen (hier OH-Molekül­schwingung) gekennzeichnet, die vom Was­sermolekül ausgehen. Damit kann aus der Absorption bei 980?nm der Wassergehalt der Waschmittel­lösung bestimmt werden.

Auf der Basis dieser Voruntersuchungen ist in das Inline-Messgerät eine spektroskopische Messzelle (UV/VIS/NIR) eingebaut worden, durch die eine Probe des Aminwaschmittels geführt wird. So ist es möglich, in kurzer Zeit mit geringem Aufwand den Wasser- und den CO₂-Gehalt sowie indirekt auch den Amingehalt einer Waschmittellösung zu erfassen. Ausreißerberei­nigt wird der Wassergehalt auf der Basis separat erstellter Kalibrierungen berechnet und neben dem CO₂-Gehalt auf dem Bildschirm des eingebauten Industriecom­puters sowohl als Zahlenwert ausgegeben als auch in 3-D-Graphiken für einen frei wählbaren Untersuchungszeitraum dargestellt (vgl. Abb.4).

Der Prototyp des Messgeräts wurde im IUTA e.V. als Laborversion mit verschiedenen Aminwaschmitteln (MEA-Monoethyl­amin, DGA-Diglykolamin und einem Gemisch aus MDEA-Methyldiethanolamin und Piperazin) erfolg­reich getestet.

Eine Überführung der Laborversion in ein Inline-Messgerät wird von IGM – Industrie Generatoren Maschinenbau GmbH bis zum Projektabschluss (Dezember 2014) angestrebt.

Bild: © istockphoto.com|BARBA