Siloxane im Biogas: Herkunft, Wirkung und Behandlung

Abschnitte

• Biogasquellen und -typen
• Ursprung der Siloxane
• Wirkung der Siloxane
• Behandlung von Siloxanen
• CLEAN-BGAS® MP DRY Lösung

BIOGASQUELLEN UND -TYPEN

Der Energiesektor ist heute einer der wichtigsten und am weitesten entwickelten Bereiche. Seit dem 20. Jahrhundert hat die Welt erkannt, dass sie ihre Energiequellen erneuern und erweitern muss, um den wachsenden Bedürfnissen der Gesellschaft gerecht zu werden und gleichzeitig die Umwelt zu schonen.

Biogas aus Deponien, Methanisierungsanlagen und Kläranlagen (WWTP) ist ein wertvolles Material für die Energieerzeugung, Biokraftstoffe und die Herstellung von Chemikalien wie Wasserstoff und Methanol. Als erneuerbare Energiequelle ist es unerschöpflich, sauber und seine Nutzung planbar. Es führt zu weniger Umweltverschmutzung und ist eine praktikable Alternative zur deutlichen Erschöpfung fossiler Brennstoffe wie Erdgas und Öl, bei denen bereits Preissteigerungen zu beobachten sind.

Der Energiesektor ist einer der wichtigsten und aktuellsten Entwicklungsbereiche. Die Welt hat seit dem zwanzigsten Jahrhundert verstanden, dass sie ihre Energiequellen erneuern und erweitern muss, um den wachsenden Bedürfnissen der Gesellschaft gerecht zu werden und dabei die Umwelt zu schonen.

Das Biogas aus Deponien, Methanisierungsanlagen und Kläranlagen (WWTP) ist ein wertvolles Material für die Energieerzeugung, Biokraftstoffe und die Herstellung von Chemikalien wie Wasserstoff und Methanol.

Als erneuerbare Energiequelle ist es unerschöpflich, sauber und kann planmäßig genutzt werden. Seine Nutzung verursacht weniger Verschmutzung und stellt eine praktikable Alternative zur bereits spürbaren Erschöpfung fossiler Brennstoffe wie Erdgas und Öl dar, deren Preise bereits gestiegen sind.

Aus technischer Sicht ist BIOGAS ein mehrkomponentiges Gasgemisch, sowohl in seiner Grundzusammensetzung (z. B. CH4, CO2, H2, O2, N2 und Wasserdampf) als auch in seinen schädlichen Bestandteilen (z. B. NH3, Siloxane, halogenierte Kohlenwasserstoffe, BTEX, VOCs und H2S). Seine Zusammensetzung hängt eng mit der Art des Materials zusammen, das dem anaeroben Vergärungsprozess unterzogen wird, und bis zu einem gewissen Grad von der für seine Produktion verwendeten Technologie.

Daher gibt es im Allgemeinen 2 Arten von Biogas:

• Unkontrollierte Systeme. Z. B. von Deponien oder Moorgebieten.
• Kontrollierte Systeme. Z. B. kommunale Kläranlagen (WWTP) und anaerobe Vergärungsanlagen (hohe organische Belastung).

Im Allgemeinen zeichnen sich letztere durch eine hohe Konzentration von H2S, ihrem Hauptkontaminanten, und im Fall von WWTP durch Siloxane aus; während erstere für Siloxane und Kohlenwasserstoffe mit hohem Molekulargewicht bekannt sind.

Siloxane stammen von den in Materialien wie Shampoo, Seifen, Tensiden, Ölen und pharmazeutischen Produkten enthaltenen Silikonen, die anaeroben Vergärungsprozessen unterliegen.

Aus prozesstechnischer Sicht kann gesagt werden, dass Biogas das Gas aus der anaeroben Vergärung der organischen Fraktion verschiedener Materialtypen ist und sich durch eine hohe Methankonzentration (CH4) auszeichnet. Dies ermöglicht seine Nutzung als Biokraftstoff, wobei es in Konzentrationen von 40-80 % v/v des in diesem Prozess erzeugten Gases vorliegt.

Jede Biogasnutzungs-/Rückgewinnungsanlage besteht aus 3 grundlegenden Stufen: Biogasproduktion (AD-System), Sammlung, Reinigung und Rückgewinnungssystem (Strom, Dampf, Biokraftstoffe oder als Rohstoff für die Herstellung anderer Produkte).

Alle diese Stufen sind aufeinanderfolgend, das heißt, sie arbeiten linear, jeweils mit einer spezifischen Funktion. Die Reinigung/Konditionierung des Biogases und deren Technologien spielen eine grundlegende Rolle, da sie garantieren: ^{1 2 3}

Optimale Funktion der Geräte und Maschinen (z. B. Motoren, Turbinen, Kessel und Brennstoffzellen), die bei der Nutzung als Brennstoff beteiligt sind.

Verlängerte Lebensdauer der für Transport, Förderung und Kompression eingesetzten Maschinen (z. B. Gebläse und Kompressoren).

Verbesserung der Abgasemissionen der an der Energieerzeugung beteiligten Maschinen, da viele der problemverursachenden Komponenten vor dem Eintritt in den Prozess entfernt werden.

Reduzierung der Wartungskosten (Reparaturen und Ölwechsel) der in dieser Art von Anlagen eingesetzten Maschinen.

URSPRUNG DER SILOXANE

Zu den Komponenten mit dem größten Einfluss auf die energetische Nutzung des in Kläranlagen und Deponien erzeugten Biogases gehören Siloxane. Diese verschleißen die inneren Teile der eingesetzten Maschinen, beschädigen sie und verkürzen deren Lebensdauer, was zu erhöhten Betriebskosten durch häufige Ölwechsel und Ersatz von Innenbauteilen führt.

Siloxane sind eine Familie organischer Verbindungen, die aus linearen oder zyklischen Ketten von Silizium-, Sauerstoff- und Methylgruppen bestehen. Sie werden in verschiedenen Typen hergestellt, darunter hoch- und niedrigviskose Flüssigkeiten, Gummis, Elastomere und Harze. Sie kommen in bedeutenden Mengen in einer breiten und vielfältigen Palette von Haushaltsprodukten vor, wie Reinigungsmitteln, Shampoos, Deodorants, Zahnpasten und Kosmetika.

Die meisten verdampfen schnell in die Atmosphäre und bauen sich im Laufe der Zeit zu Kohlendioxid, Siliziumdioxid und Wasser ab. Einige gelangen jedoch in Abwässer und kommunale feste Abfälle und sammeln sich unvermeidlich in Deponien und Kläranlagen an, wo sie als eine der schwierigsten Schadstoffgruppen gelten.

Dies sind organische Verbindungen, die aus Silikonen, Sauerstoff und Methylgruppen bestehen, mit der Struktureinheit -(CH3)2SiO und einem Molekulargewicht typischerweise im Bereich von 150-600. Ihre Wasserlöslichkeit nimmt mit zunehmendem Molekulargewicht ab, und sie können flüchtig oder nicht flüchtig sein. Abbildung 1 zeigt die Struktureinheit verschiedener Siloxantypen.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen einige verschiedene Typen und grundlegende Eigenschaften von Siloxanen, die in Biogas aus Deponien und Kläranlagen vorkommen.

WIRKUNG DER SILOXANE

Im Gegensatz zu Sulfiden reagieren Silikone nicht mit Wasser zur Bildung von Säuren. Während der Verbrennung werden jedoch die Siloxanmoleküle aufgespalten und setzen Sauerstoff und Silizium frei.

Letzteres verbindet sich mit anderen Elementen und bildet Silikate, Siliziumdioxid und andere kristalline Verbindungen, die sich in der Brennkammer (hauptsächlich im oberen Bereich der Mantelwand), in Zylinderköpfen und an den Ventilflächen ablagern. Diese Ablagerungen führen zu Abrieb und Verschleiß verschiedener innerer Motorteile.

Abbildung 2 zeigt Ablagerungen, die durch Siloxane in verschiedenen Maschinentypen verursacht werden.

Zulässige Silikonwerte für den ordnungsgemäßen Betrieb der Produktionsmotoren sollten im Allgemeinen < 5 mg/Nm3 betragen, obwohl jeder Maschinenhersteller eigene Grenzwerte festlegt. Ein höherer Gehalt kann zu Problemen mit Siliziumdioxidablagerungen und zum Durchbrennen von Auslassventilen führen. Da Biogasturbinen mit sehr hohen Drehzahlen von über 10.000 U/min arbeiten, benötigen sie sowohl eine sehr genaue statische als auch dynamische Auswuchtung ihrer beweglichen Teile. Diese Siliziumdioxidablagerungen können zu schweren Unwuchten führen, die ernsthafte Schäden verursachen.

BEHANDLUNG VON SILOXANEN

Aktuelle Systeme zur Entfernung dieser Verbindungen verwenden Techniken, die in der Regel ein oder zwei Stufen umfassen. Dazu gehören Unterkühlung, Adsorption auf Aktivkohle/Silikagel, Graphitfilter, bestimmte Harztypen und Waschverfahren mit bestimmten Reagenzien (z. B. Methanol, Schwefelsäure und Kohlenwasserstoffgemische).

Die am häufigsten angewandten Techniken sind jedoch die folgenden:

Kühlung (Abbildung 3)

• auf 4 °C.
• Unterkühlung (auf -25 °C)

Adsorption

• Aktivkohle
• Thermische Regeneration
• Silikagel

Waschen mit bestimmten Reagenzien
Kombination von Techniken

• CLEAN-BGAS® MP DRY

Abbildung 3 zeigt das Verhalten der Siloxanentfernung in Abhängigkeit von der Temperatur.

CLEAN-BGAS® MP DRY

CLEAN-BGAS® MP DRY ist eine multifunktionale Reinigungs- und Konditionierungstechnologie, die auf der Kombination von Operationen wie Kühlung, Kondensation, Waschen, Trocknung und Adsorption auf Aktivkohle basiert und sowohl den Energie- als auch den Aktivkohleverbrauch minimiert.

Die Technologie umfasst zwei Grundstufen: eine zur groben Entfernung von Verunreinigungen, einschließlich Siloxanen des Typs D, Kohlenwasserstoffen und zur Biogaskonditionierung für die Zufuhr in Aktivkohlefilter über eine thermische Stufe, und eine weitere zur Feinreinigung (Entfernung von Siloxanen der Typen L und D) durch Adsorption auf Aktivkohle. Ein wichtiger Bestandteil dieser Technologie ist die Rückspülung, die die Konditionierung des Biogases in jeglicher Hinsicht gewährleistet.

Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist, dass sie sowohl schwere Kohlenwasserstoffe als auch solche mit Chlor- oder Fluoranteilen entfernt, die wiederum die ordnungsgemäße Funktion des Motors sowie die Einhaltung der Emissionsvorschriften des Stromerzeugungssystems beeinträchtigen.

Diese CLEAN-BGAS® MP DRY-Technologie ist das Ergebnis von F&E-Arbeiten der Abteilung Energy & Waste innerhalb der Condorchem Group, die seit über 15 Jahren an der Reinigung und Konditionierung verschiedener Gasarten, insbesondere Biogas, arbeitet (Abbildungen 4 bis 6).

Quellen.

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