Verwertung niederprozentiger Methangemische. 1Michael Faber, Fachstelle für Explosionsschutz Bergbau-Versuchsstrecke, Bochum

Transkript

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2 Natürliche Methanquellen Quelle: UNECE-Sitzung Genf

3 Methanvorkommen Klär- oder Faulgas Deponiegas Biogas Grubengas 3

4 4 Wegen Regionaler Bedeutung für Ruhrgebiet und Saarland Ältester Tradition hinsichtlich der energetischen Nutzung Prinzipielle Darstellung der Methanverwertung am Beispiel Grubengas

5 Verwertung von Grubengas 5 Erzeugung von Dampf und Energie Erzeugung von Strom (z. B. in Verbindung mit einer Turbine)

6 Verwertung von Grubengas nicht nur wirtschaftlicher Nutzen sondern vor allem sicherheitstechnischer Aspekt 6

7 Methankonzentrationen früher und heute 7 # Früher teilweise Methankonzentration zu hoch für eine direkte Verwertung Luftbeimischung erforderlich # Heute sinkende Methankonzentrationen teilweise keine Verwertung möglich => Verfahrenstechnische Gründe => Sicherheitstechnische Gründe => Formale Gründe (Grenzwerte aus Vorschriften)

8 Grubengasanlagen 8 Im eigentlichen Sinn GasFÖRDERanlagen Aber hinsichtlich Verwendung unterschiedliche Begrifflichkeiten

9 Grubengasanlagen mit unterschiedlichem Ziel 9

10 Grubengas - Absaugung aus belegtem Grubenfeld Gefahrenabwehr unter Tage Personenschutz Stillsetzung unzulässig teilweise mit Gasverwertung 10

11 Grubengas - Gewinnung aus nicht belegtem Grubenfeld Sicherheitsaspekt tritt zurück wirtschaftliche Ziele / energetische Nutzung Stillsetzung unproblematisch 11

12 Grubengasabsaugung zur Gefahrenabwehr Starkgas-Absaugung Methankonzentration 22 Vol.-% Schwachgas-Absaugung Methankonzentration 3 Vol.-% Grenzwerte berücksichtigen Sicherheitsabstand zu den Explosionsgrenzen von Methan (UEG 4,2 Vol.-% 4,6 Vol.-%; OEG 16,3 Vol.-% 17,0 Vol.-%) 12

13 Grubengasgewinnung und -nutzung entweder Methankonzentration 25 Vol.-% bei beliebiger Sauerstoffkonzentration oder Sauerstoffkonzentration 6 Vol.-% bei beliebiger Methankonzentration 13

14 Unterschiedliches Sicherheitsniveau Grubengas-Absaugung redundante Sicherheitseinrichtungen Grubengas-Gewinnung und Nutzung nicht redundante Sicherheitseinrichtungen 14

15 Sinkende Methankonzentrationen < 25 Vol.-% FRAGE Welche Möglichkeiten der Nutzung niederprozentiger Grubengasgemische < 25 Vol.-% sind unter sicherheitstechnischen Aspekten möglich? 15

16 Methan-Verwertung Explosionstechnische Absicherung stellt sicher, dass die Gaszusammensetzung keinen Einfluss auf die Sicherheit der Anlagen hat. Das Sicherheitskonzept basiert auf dem sog. Explosionsdreieck. 16

17 17 Verwertung niederprozentiger Methangemische Explosionsdreieck Zündquelle Zündquelle Sauerstoff Sauerstoff Explosion Brennstoff M e t h a n

18 18 Verwertung niederprozentiger Methangemische Explosionsdreieck Zündquelle Sauerstoff Explosion Alle Bedingungen und deren Gleichzeitigkeit sind gegeben Explosionsereignis Zündquelle Sauerstoff Brennstoff M e t h a n Konstruktive Explosionsschutzmaßnahmen erforderlich!

19 19 Verwertung niederprozentiger Methangemische Explosionsdreieck Zündquelle Sauerstoff Explosion Eine Bedingung oder die Gleichzeitigkeit nicht gegeben Kein Explosionsereignis möglich Zündquelle Sauerstoff Brennstoff M e t h a n Vorbeugender Explosionsschutz!

20 Explosionstechnisches Konzept Für Methan-Verwertungsanlagen immer eine Kombination aus vorbeugendem und konstruktivem Explosionsschutz 20

21 Grubengasabsaugung und -verwertung Verbraucherleitung Druckerzeuger Ausblaseleitung Umgehungsleitung CH 4 < 25 Vol.-% autom. Brandlöscheinrichtung am Ende der Ausblaseleitung Explosionssperre (mech. Flammensperre oder Löschmittelsperre) 21

22 Sicherheitsniveau Überwiegender Anteil verwerteter Grubengasgemische aus nicht belegten Grubenbauen Geringeres Sicherheitsniveau hinsichtlich sicherheitstechnischer Redundanz ausreichend Nicht notwendiger Weise erforderlich: Vermeiden explosionsfähiger Atmosphäre und Vermeiden von Zündquellen Ausreichende Sicherheit durch Vermeiden explosionsfähiger Atmosphäre oder Vermeiden von Zündquellen Verwertung von Grubengasgemischen < 25 Vol.-% möglich! 22

23 Verwerter-Schnittstelle 23 Verwertung im Gasmotor unter Zumischung von Luft explosionsfähiges Gemisch Schnittstelle der Grubengasleitung am Mischer des Gasmotors muss mit einer Deflagrationssicherung gegen einen Flammenrückschlag abgesichert sein

24 24 Verwertung niederprozentiger Methangemische Verwertung von Methangemischen Bislang praktizierte Verwertung: Sauerstoffarme Gemische mit 6 Vol.-% Sauerstoff

25 25 Verwertung niederprozentiger Methangemische Verwertung sauerstoffarmer Grubengasgemische Zündquelle Sauerstoff Explosion Sauerstoff 6 Vol.-% Brennstoff M e t h a n Kein sicherheitstechnisches Problem bei einer Sauerstoffkonzentration von 6 Vol.-% bei beliebiger Methankonzentration

26 Verwertung von Methangemischen Bislang praktizierte Verwertung: Sauerstoffarme Gemische mit 6 Vol.-% Sauerstoff Gemische mit Methankonzentrationen 25 Vol.-% Gemische mit Methankonzentrationen 22 Vol.-% 26

27 Verwertung von Grubengasgemischen mit Methankonzentrationen 25 Vol.-% Bekanntes Verfahren der Starkgas-Absaugung und -Verwertung 27

28 Verwertung von Grubengasgemischen mit Methankonzentrationen 22 Vol.-% Bekanntes Verfahren der Starkgas-Absaugung und -Verwertung unter Gasbeimischung (z. B. Erdgas oder Propan) 28

29 Verwertung von Grubengasgemischen mit Methankonzentration 22 Vol.-% durch Gasbeimischung 29 Sauerstoff Explosion Zündquelle M e t Brennstoff h a n 22 Vol.-% Vergleichbare sicherheitstechnische Situation wie bei Methankonzentration von 25 Vol.-% + Gas Technisch realisiert auf dem Bergwerk West am Schacht Rossenray durch Erdgasbeimischung

30 Verwertung von Methangemischen Bislang praktizierte Verwertung: Sauerstoffarme Gemische mit 6 Vol.-% Sauerstoff Gemische mit Methankonzentrationen 25 Vol.-% Gemische mit Methankonzentrationen 22 Vol.-% Gemische mit Methankonzentrationen 3 Vol.-% 30

31 Verwertung von Grubengasgemischen mit Methankonzentrationen 3 Vol.-% Bekanntes Verfahren der Schwach-Absaugung und Verwertung durch Unterfeuerung oder Gasbeimischung 31

32 Verwertung von Grubengasgemischen mit Methankonzentrationen 3 Vol.-% durch Unterfeuerung Sauerstoff Explosion Zündquelle M e t Brennstoff h a n 3 Vol.-% Kein sicherheitstechnisches Problem bei einer Methankonzentration von 3 Vol.-% 32

33 Verwertung von Methangemischen mit Methankonzentrationen 3 Vol.-% durch Gasbeimischung 33 Sauerstoff Explosion Zündquelle M e Brennstoff t h a n + Gas Vergleichbare sicherheitstechnische Situation wie bei Methankonzentration von 22 Vol.-% Technisch realisiert bei Entgasung einer Altdeponie bei Hamburg durch Erdgasbeimischung

34 Verwertung von Methangemischen Bislang praktizierte Verwertung: Sauerstoffarme Gemische mit 6 Vol.-% Sauerstoff Gemische mit Methankonzentrationen 25 Vol.-% Gemische mit Methankonzentrationen 22 Vol.-% Gemische mit Methankonzentrationen 3 Vol.-% Mögliche zukünftige Verwertung: Gemische mit Methankonzentrationen < UEG 34

35 Verwertung von Methangemischen mit Methankonzentrationen < UEG Sauerstoff Explosion Zündquelle M e Brennstoff t h a n < UEG Kein sicherheitstechnisches Problem bei einer Methankonzentration von < UEG Achtung: Meßunsicherheit der Methanüberwachung berücksichtigen! 35

36 Verwertung von Methangemischen Bislang praktizierte Verwertung: Sauerstoffarme Gemische mit 6 Vol.-% Sauerstoff Gemische mit Methankonzentrationen 25 Vol.-% Gemische mit Methankonzentrationen 22 Vol.-% Gemische mit Methankonzentrationen 3 Vol.-% Mögliche zukünftige Verwertung: Gemische mit Methankonzentrationen < UEG Gemische mit Methankonzentrationen < 22 Vol.-% (>OEG) 36

37 Verwertung von Grubengasgemischen mit Methankonzentrationen < 22 Vol.-% Bekanntes Verfahren der Starkgas-Absaugung und -Verwertung unter Gasbeimischung (z. B. Erdgas oder Propan) 37

38 Verwertung von Methangemischen mit Konzentration < 22 Vol.-% durch Gasbeimischung Sauerstoff Explosion Zündquelle M e t Brennstoff h a n < 22 Vol.-% + Gas Vergleichbare sicherheitstechnische Situation wie bei Methankonzentration von 22 Vol.-% 38

39 Verwertung von Methangemischen mit Konzentration < 22 Vol.-% und > OEG ohne Gasbeimischung Sauerstoff Explosion Zündquelle M e t Brennstoff h a n < 22 Vol.-% und > OEG Vergleichbare sicherheitstechnische Situation wie bei Methankonzentration von < UEG Achtung: Meßunsicherheit der Methanüberwachung berücksichtigen! 39

40 Verwertung von Methangemischen Bislang praktizierte Verwertung: Sauerstoffarme Gemische mit 6 Vol.-% Sauerstoff Gemische mit Methankonzentrationen 25 Vol.-% Gemische mit Methankonzentrationen 22 Vol.-% Gemische mit Methankonzentrationen 3 Vol.-% Mögliche zukünftige Verwertung: Gemische mit Methankonzentrationen < UEG Gemische mit Methankonzentrationen < 22 Vol.-% (>OEG) Gemische mit Methankonzentrationen UEG + OEG 40

41 Verwertung explosionsfähiger Methangemische 41 Sauerstoff Explosion Zündquelle UEG Brennstoff M e t h a n OEG Sicherheitsprobleme mit Absaugung Verdichtung Förderung Verwertung UEG und OEG sind durch Teilinertisierungsmaßnahmen zu beeinflussen!

42 Verwertung explosionsfähiger Methangemische Sauerstoff Explosion Brennstoff M e t h a n Zündquelle Betriebsmittel der Kategorie 1G gemäß RL 94/9/EG Keine sicherheitstechnischen Probleme durch Vermeiden von Zündquellen 42

43 Zonendefinition 43 Zone 0 ist ein Bereich, in dem gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist. Zone 1 ist ein Bereich, in dem sich bei Normalbetrieb gelegentlich eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln bilden kann. Zone 2 ist ein Bereich, in dem bei Normalbetrieb eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auftritt.

44 Zoneneinteilung für Gasförderweg 22 Vol.-% Methankonzentration Zone 2 x Vol.-% Methankonzentration 22 Vol.-% Zone 1 Methankonzentration x Vol.-% Zone 0 (x Vol.-% : Methankonzentration, bei der der Sicherheitsabstand zur oberen Explosionsgrenze der Messunsicherheit der verwendeten Methanüberwachungseinrichtung entspricht; der Abstand betrug früher 5 Vol.-%) 44

45 Verwertung explosionsfähiger Methangemische 45 Betriebsmittel der Kategorie 1G gemäß RL 94/9/EG Sicherheitstechnische Probleme Keine Probleme Probleme mit mit elektrischen Verdichter Betriebsmitteln Verbraucher (Zündquelle)

46 Explosionstechnische Absicherung allgemeine Explosionsschutzkonzepte für den Methanförderweg ===> Gasverdichter mit nachgeschaltetem Gasmotor 46

47 47 Verwertung niederprozentiger Methangemische Gasförderanlage Verdichter Gasquelle Gasverwertung

48 48 Verwertung niederprozentiger Methangemische Zoneneinteilung Inneres der Rohrleitung: Zone 0, 1 oder 2

49 Schutzkonzepte für Gasverdichter Vorbeugender Explosionsschutz (GÜE redundant, t 90 -Strecke) Konstruktiver Explosionsschutz (DFS mit TÜ, PN6) 49

50 50 Verwertung niederprozentiger Methangemische Vorbeugender Explosionsschutz 2 x GÜ t 90 -Strecke GÜ: Gasüberwachung

51 51 Verwertung niederprozentiger Methangemische t 90 -Zeit / t 90 -Strecke

52 52 Verwertung niederprozentiger Methangemische Konstruktiver Explosionsschutz Deflagrationssicherungen

53 53 Verwertung niederprozentiger Methangemische Konstruktiver Explosionsschutz TÜ TÜ TÜ: Temperaturüberwachung

54 54 Verwertung niederprozentiger Methangemische Verdichterstation

55 55 Verwertung niederprozentiger Methangemische Konstruktiver Explosionsschutz Explosionsfall Flammenausbreitung

56 56 Verwertung niederprozentiger Methangemische Konstruktiver Explosionsschutz Explosionsfall Druckausbreitung

57 Explosionstechnische Absicherung aller Zündquellen auf dem Methanförderweg ===> Gasverdichter ===> Gasmotor in Abhängigkeit vom Gefahrengrad 57

58 Gasverdichter 58 Einstufung des Gasförderweges in Zone Vorhandene Eignung des Verdichters für Zone Explosionstechnische Entkopplung des Verdichters saug- und druckseitig jeweils durch Deflagrationssicherung Explosionsfeste Ausführung gemäß PN 6 für Verdichter, Rohrleitung und Betriebsmittel 0 0 entfällt entfällt 0 1 einfach ja 0 2 zweifach ja

59 Verdichter der Kategorie 1G Ausführung für Zone 0 (Kategorie 1G) z. B. durch Verwendung von Flüssigkeitsring- Gaspumpen unter Berücksichtigung gewisser Betriebsrandbedingungen (An- und Abfahren gegen geschlossene saug- und druckseitige Absperreinrichtungen) 59

60 60 Verwertung niederprozentiger Methangemische Flüssigkeitsring-Gaspumpe Einsatz unter Zone 0- Bedingungen am Schacht Niederberg 1

61 Gasverdichter 61 Einstufung des Gasförderweges in Zone Vorhandene Eignung des Verdichters für Zone Explosionstechnische Entkopplung des Verdichters saug- und druckseitig jeweils durch Deflagrationssicherung Explosionsfeste Ausführung gemäß PN 6 für Verdichter, Rohrleitung und Betriebsmittel 1 1 entfällt entfällt 1 2 einfach ja 1 entfällt zweifach ja

62 Gasverdichter Einstufung des Gasförderweges in Zone Vorhandene Eignung des Verdichters für Zone Explosionstechnische Entkopplung des Verdichters saug- und druckseitig jeweils durch Deflagrationssicherung Explosionsfeste Ausführung gemäß PN 6 für Verdichter, Rohrleitung und Betriebsmittel 2 2 entfällt entfällt 2 entfällt einfach ja 62

63 Gasmotor 63 Einstufung des Gasförderweges in Zone Explosionstechnische Entkopplung* des Motors durch Deflagrationssicherung Explosionsfeste Ausführung gemäß PN 6 für Rohrleitung und Betriebsmittel 2 einfach ja 1 einfach zzgl. dynamische Flammensperrenwirkung 0 zweifach zzgl. dynamische Flammensperrenwirkung * z. B. Rückschlagsicherung für Gas- und Luftleitung ja ja

64 Schnittstelle Gaszuführung Verwerter (Motor) Absicherung der Schnittstelle gegen Rückzündungen unter Zone 0-Bedingungen zwei Deflagrationssicherungen in Reihe + Einhaltung einer Mindestströmungsgeschwindigkeit (dynamische Flammensperre) 64

65 Dynamische Flammensperre 65 Funktion nicht gegeben beim An- und Abfahren! Anfahrvorgang z. B. unter Zuhilfenahme eines hochprozentigen Stützgases, dass bei Erreichen der Mindestströmungsgeschwindigkeit zurückgefahren und durch das explosionsfähige Methangemisch ersetzt werden kann Abfahrvorgang führt zum Flammenrückschlag bis zur ersten Deflagrationssicherung. Die Temperaturüberwachung der Deflagrationssicherung bewirkt automatisch SHUT-DOWN der Gaszuführung keine sicherheitstechnischen Probleme!

66 Zusammenfassung Realistische technische Explosionsschutzkonzepte zur Absicherung von Methanverwertungsanlagen bei der Verwertung niederprozentiger oder ggf. explosionsfähiger Methangemische zeigen einen Weg auf, in der Klimaschutzdiskussion auch solche Methangemische zu verwerten, deren Verwertung derzeit aufgrund von verfahrenstechnischen Regelungen und z. T. behördlichen Richtlinien versagt waren. 66

67 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontaktmöglichkeiten: Michael Faber Tel Fax Mob