Biogasreinigung, -anreicherung und -nutzung

Was ist Biogas?

Biogas ist ein Brennstoff, der entsteht, wenn organisches Material zersetzt wird

Es ist sehr häufig, dass es auf Deponien entsteht, wo Tonnen von festen Abfällen zu Biogas abgebaut werden.

Fast alle Formen von organischem Material können zur Biogasproduktion verwendet werden. Abwasser, Gülle, Energiepflanzen und organische Industrieabfälle sind jedoch die häufigsten Ausgangsstoffe.

Dieses Biogas enthält einen hohen Methangehalt, ein sehr brennbares Gas, dessen Emission die Atmosphäre schädigen würde. Daher muss es sicher gesammelt werden.

Die wichtigsten Managementmethoden im Zusammenhang mit Biogas:

• Biogas-Entsorgung: Verwendung von Fackelbrennern zur Entsorgung der Gase. Die im Gas enthaltene Energie kann auch auf viele verschiedene Arten genutzt werden.
• Biogas-Aufreicherung: Umwandlung des Biogases in erneuerbaren Strom und nutzbare Wärme durch Kraft-Wärme-Kopplung / KWK.

Biogas-Aufreicherung

Biogas, das sowohl in Anlagen zur Behandlung fester und flüssiger Abfälle (Biomethanisierungsanlagen) als auch in Kläranlagen erzeugt wird, ist ein Gemisch aus:

• Methan: 50-70%
• Kohlendioxid: 30-45%
• Schwefelwasserstoff
• Wasser
• Siloxane
• anderen Verunreinigungen

Dieses Gemisch mit diesem Methangehalt darf aufgrund seines hohen Schadstoffpotenzials (es ist eines der wichtigsten Treibhausgase) nicht in die Atmosphäre entlassen werden. Sein hoher Heizwert ermöglicht jedoch die Nutzung zur Stromerzeugung (Kraft-Wärme-Kopplung).

Daher ermöglicht die Produktion und Wiederverwendung von Biogas, dass diese Art von Anlagen immer energieautarker wird. Die Biogas-Aufreicherung kann vor Ort oder in Verbindung mit dem Erdgasnetz wiederverwendet werden.

Dennoch ist eines der Haupthemmnisse für die Nutzung von Biogas zur Stromerzeugung die Art der Verunreinigungen, die das Biogas begleiten. Diese Verunreinigungen umfassen: H2S und Siloxane. CO2 und H2O sind keine echten Verunreinigungen, müssen aber zur Optimierung der Ergebnisse entfernt werden.

Auf dieser Grundlage versuchen wir, die wichtigsten Technologien für jede Verunreinigung zusammenzufassen:

A. Schwefelwasserstoff (H2S): ist eine der Substanzen, die Biogas am häufigsten und in den größten Mengen verunreinigen.

Es ist eine korrosive Verbindung, die sowohl die Bauwerke der Anlagen, in denen es produziert wird, als auch die für die Stromerzeugung zuständigen Geräte angreift.

Die Konzentration im Biogas kann zwischen 1.000 und 20.000 ppm (Teile pro Million im Volumen) variieren, aber für die Nutzung in KWK-Systemen muss die H2S-Konzentration unter 400 oder 500 ppm liegen.

Technologien:

• Rückspülung mit Druckwasser: Diese Technologie trennt Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff in einem einzigen Schritt durch einen vollständig automatisierten Prozess höchster Effizienz.
• Chemische Oxidation: Die Oxidation von Schwefelwasserstoff erfolgt in Waschwäschen, die in Reihe geschaltet sind. Im ersten Schritt wird er mit einer sauren Lösung (H2SO4) neutralisiert, im zweiten Schritt wird eine alkalische Lösung aus NaClO und NaOH zur chemischen Oxidation verwendet.

  Diese Option erfordert einen hohen Verbrauch an Reagenzien und bringt technische Schwierigkeiten aufgrund der Anwesenheit anderer chemischer Spezies (Karbonatisierung des CO2) mit sich.

• Biologische Oxidation: Diese Option nutzt Tropffilter, bei denen die Oberfläche des Filterfüllmaterials einen Biofilm aus sulfide-oxidierenden Bakterien bildet.

  Diese Bioreaktoren ermöglichen die Entfernung von H2S zu extrem niedrigen Betriebskosten, ohne den Einsatz chemischer Reagenzien (was einen wirtschaftlichen, sicherheitstechnischen und ökologischen Vorteil darstellt) und bieten eine konstant hohe Entsorgungseffizienz.

  Obwohl der Prozess biologisch ist, haben sich diese Systeme als sehr stabil erwiesen, arbeiten über lange Zeiträume und passen sich an die Variabilität der abzubauenden Schadstoffbelastung an.

  Die Investitionskosten eines biologischen Entschwefelungsprozesses sind etwas niedriger als die eines chemischen Systems. Der Unterschied zeigt sich jedoch deutlich bei den Betriebskosten, da keine chemischen Reagenzien verwendet werden und kaum Abfall anfällt.

  Dieser Faktor macht es wirtschaftlich sinnvoll, traditionelle chemische Systeme auf biologische umzurüsten.

B. Kohlendioxid (CO2): Dieses Produkt ist keine echte Verunreinigung. Es muss jedoch getrennt werden, wenn ein höher konzentriertes Methangas benötigt wird.

Technologien:

• Rückspülung mit Druckwasser: Diese Technologie trennt Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff in einem einzigen Schritt durch einen vollständig automatisierten Prozess höchster Effizienz.
• Zur vollständigen Fällung von CO2 und H2S kann Ca(OH)2 zugesetzt werden, wodurch CaCO3 und CaS entstehen.

C. Wasser (H2O): Am Ausgang des Fermenters ist das Biogas mit Wasser gesättigt und es kann notwendig sein, es zu trocknen. Dazu kann die Rohrleitung gekühlt und das Wasser gesammelt werden.

Technologien:

• Kühlung: Um das gesamte Wasser zu entfernen, ist der Einsatz eines Trocknungsmittels wie Al2O3 oder Silicagel erforderlich.

D. Siloxane: Sie sind eine Familie von Siliziumverbindungen, die im Biogas vorkommen. Ihr Kristallisationsprozess verursacht erhebliche Abriebprobleme an Geräten.

Technologien:

• Aktivkohleadsorption: Mit dieser Technologie können Siloxane auf ppb(v)-Niveau reduziert werden.

Biogas-Reinigung

Rückspülung mit Druckwasser

Die Aufreicherung von Biogas auf Erdgasqualität durch Rückspülung mit Druckwasser ist die flexibelste verfügbare Technologie zur Biogasbehandlung, unabhängig von Qualität und Menge.

Diese Technologie wird verwendet, um Biogas aufzureichern und Kohlendioxid sowie Schwefelwasserstoff in einem einzigen Schritt durch einen vollständig automatisierten Prozess höchster Effizienz zu trennen.

Vorteile der Biogas-Aufreicherung mit Rückspülung mit Druckwasser:

• Anlagen werden in Standardmodulen mit unterschiedlichen Kapazitäten gefertigt und sind einfach zu implementieren
• CO wird durch Waschwäschen-Technologie mit Druckwasser aus dem Biogas entfernt
• Es werden keine chemischen Produkte verbraucht
• Keine vorherige Entschwefelung erforderlich
• Kein Wärmebedarf
• 99 % Methanrückgewinnungseffizienz
• Hohe Flexibilität trotz Schwankungen des CH4-Gehalts

Das Biogas wird auf bis zu 7 bar komprimiert und dann in einem Gegenstrom-Wasserwäscher gewaschen. Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff sind wesentlich wasserlöslicher als Methan und lösen sich im Wasser.

Während dieses Prozesses wird das für die Biogasreinigung verwendete Wasser in eine Desorptionssäule geleitet, wo es durch Trennung von Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff regeneriert wird.

Nach diesem Prozess werden drei Ergebnisse erzielt:

• Das Waschwasser wird auf eine niedrige Temperatur gekühlt, sodass es im Wäscher wiederverwendet werden kann.
• Das nun gereinigte Biogas wird getrocknet (zuerst in einem Koaleszenzfilter und anschließend in zwei parallel geschalteten Adsorptionssäulen mit niedrigen Taupunkten) und kann nun wiederverwendet werden.
• Die Luft aus der Adsorptionssäule, die mit Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Methanrückständen belastet ist, muss vor der Emission behandelt werden, um die geltenden Vorschriften einzuhalten. Regenerative Thermische Oxidation (RTO) ist die beste Technologie, um Emissionswerte zu erreichen, die den Vorschriften jedes Landes entsprechen.

Regenerative Thermische Oxidationssysteme (RTO) sind durch Geräte gekennzeichnet, die als Regeneratoren bezeichnet werden und die Wärme aus den gereinigten Gasen zurückgewinnen. Diese Regeneratoren enthalten keramische Elemente, die die Wärme der Gase aus der Oxidationskammer speichern.

Durch ein Ventilsystem werden aufeinanderfolgende Betriebszyklen eingestellt, bei denen die gereinigten Gase bei erhöhter Temperatur (ca. 800 °C) ihre Wärme an keramische Massen abgeben, sodass die kalten kontaminierten Gase, die in die Anlage eintreten, diese Wärme im nächsten Zyklus aufnehmen können.

Somit wirkt das inerte Bett als Vorwärmer und Regenerator mit der Fähigkeit, je nach Luftdurchsatz bis zu 95 % der bei der Oxidationsreaktion erzeugten Wärme zurückzugewinnen.

Es gibt verschiedene Arten von RTO-Anlagen:

• Zwei-Kammer-Systeme (mit oder ohne Reinigung).
• Drei-Kammer-Systeme.

Die Hauptmerkmale dieser Anlagen sind:

• Minimaler Brennstoffverbrauch, der eine hocheffiziente Wärmerückgewinnung ermöglicht.
• Niedrige Betriebs- und Wartungskosten
• Hohe Reinigungseffizienz
• Längere Lebensdauer der Anlagen
• Zuverlässige Anlagen mit bewährten Ergebnissen

Verwendung von Biogas

Die Mehrheit der Biogasanlagen ist mit Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen ausgestattet, die Strom und Wärme erzeugen. Manchmal kann nicht die gesamte überschüssige Wärme genutzt werden, weshalb Biogasanlagen nicht ihr volles Potenzial ausschöpfen.

In diesen Fällen ist die Alternative die Produktion von Biomethan, die interessante wirtschaftliche Variablen bietet.

Durch den Einsatz von Biogas-Aufreicherungstechnologien wird CO sehr effizient aus dem Biogas entfernt und Biomethan mit einer Qualität erzeugt, die der von Erdgas entspricht (CH4 97-99 %).

Zusätzlich ist Biomethan ein hochwertiges erneuerbares Gas, das direkt in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden kann. Einige Verwendungen sind:

• Verbrennung in Anlagen, die weit vom Produktionsort entfernt sind (GuD-Anlagen)
• Biogas für den direkten Verbrauch in Haushalten oder der Industrie
• Biosprit für Fahrzeuge
• Grüne Energie