Gasaufbereitung

Die Biogastechnik hat den riesigen Vorteil, dass das entstehende Biogas den gleichen Hauptenergieträger wie Erdgas, nämlich das Methan (CH4), enthält. Neben Methan und Kohlendioxid beinhaltet das Rohbiogas auch geringe Mengen an Stoffwechselprodukten aus dem anaeroben Umbauprozess und ist zudem mit Wasserdampf gesättigt.

Tab.: Komponenten von Biogas und ihre Wirkungen [nach Weiland, 2003]

 Komponenten   Anteil                    Wirkungen
  CH4  50-75 Vol-%  brennbare Gaskomponente
  CO2  20-50 Vol-%  vermindert Brennwert und Zündverhalten, erhöht Methanzahl
und Klopffestigkeit von Motoren, fördert Korrosion falls das Gas
feucht ist, schädlich für alkalische Brennstoffzellen (AFC)
  H2S  0-5.000 ppm  Korrosion in Aggregaten und Rohrleitungen, SO2-Emissionen
nach Verbrennung, Katalysatorgift
  NH3  0-500 ppm  Vermindert Brennwert und Zündverhalten, schädlich für Brennstoffzellen,
NOx-Emissionen nach Verbrennung
  H2O – Dampf  1-5 Vol-%  Korrosion in Aggregaten und Rohrleitungen, Kondensat beschädigt
Instrumente und Aggregate, bei Frost Vereisung von Rohrleitungen und Düsen
  N2  0-5 Vol-%  vermindert Brennwert und Zündverhalten
  Siloxane  0-50 mg/m³  nur bei der Verwertung von Abwässern, bilden Schleifmittel (Quarz) und schädigen Motoren

Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Wasserstoff fördern die Korrosion in Rohrleitungen und Nutzungsaggregaten. Die abweichenden Inhaltsstoffe von Biogas gegenüber Erdgas machen eine Aufbereitung des Biogases entsprechend dem gewählten Verwertungsverfahren notwendig. Die verschiedenen Verwertungsverfahren stellen unterschiedliche Ansprüche an die Gasqualität.

Wird Biogas in einem BHKW oder Gasbrenner energetisch genutzt, so besteht die Gasaufbereitung üblicherweise nur aus der Entschwefelung, teilweisen Trocknung und wenn notwendig der Entfernung von Siloxanen.

I Entschwefelung

Die Entschwefelung von H2S kann durch mehrere Verfahren erfolgen – siehe Tabelle.

Tab.: Verfahren zur Entschwefelung von Biogas

 Verfahren   Trenneffekt
 Biologische Entschwefelung durch
Eintrag von Luft in den Fermenter
 Biologische Oxidation von H2S im Gasraum des Fermenters
durch Bakterien unter Bildung von S, SO32-, SO42- 
 Externe Entschwefelung in einer
Tropfkörperanlage
 H2S Absorption und mikrobiologische Oxidation finden
am gleichen Ort statt.
 Biowäscher  H2S Absorption und mikrobiologische Oxidation finden
nicht am gleichen Ort statt.
 Fällung  Eisenchlorid fürht zur Ausfällung von H2S als Fe2S3
 Membrantrennung  Membrandurchlässigkeit von H2S ist höher als die
für CH4 und CO2

Biologische Entschwefelung
Die biologische H2S-Eliminierung beruht auf der Absorption von Schwefelwasserstoff in Wasser und einer anschließenden biologischen Oxidation des in Wasser gelösten Schwefelwasserstoffs durch suspendierte bzw. immobilisierte Schwefelbakterien mit Luftsauerstoff zu Schwefel. Schwefelbakterien (Thiobacillus und Sulfolobus), die in der Vergärungsmasse enthalten sind, wandeln das im Vergärungsprozess gebildete H2S zu elementarem Schwefel (S)und weiter zu Sulfat (H2SO4) um.
Neben Schwefelwasserstoff benötigen die Bakterien auch Kohlenstoff, anorganische Salze (N, P, K) sowie Spurenelemente (Fe, Co, Ni). Diese Substanzen liegen im Fermenter in ausreichendem Maße vor. Sauerstoff dagegen, der aufgrund der anaeroben Bedingungen im Reaktor nicht vorhanden ist, muss eigens in den Gasraum eingeblasen werden.
H2S + O2 → 2S + 2H2O
2 S + 2 H2O + O2 → 2 H2SO4

Auch die direkte Oxidation von Schwefelwasserstoff zu Sulfat ist möglich:
H2S + 2O→ H2SO

Abhängig von der Temperatur, der Reaktionszeit, der spezifischen Oberfläche sowie auch Ort und Menge der zugeführten Luft können Entschwefelungsraten bis zu 99% mit diesem Verfahren erreicht werden. Positiv auf diesen Prozess wirken sich Temperaturen über 20°C und feuchte Bedingungen aus. Die biologische Entschwefelung kann extern als Biowäscher oder auch als Tropfkörperanlage sowie innerhalb des Fermenters ausgeführt werden.
a) Entschwefelung im Fermenter
Eine in den Fermenter integrierte biologische Entschwefelung wird durch das Einblasen von Luft (i.d.R. 8-12Vol.-%. des Biogasvolumens) in den Gasraum des Fermenters erreicht. Dieses Verfahren ist technisch sehr einfach auszuführen und Stand der Technik vor allem bei kleinen Biogasanlagen. Nachteilhaft an diesem Verfahren ist die sehr grobe Luftzudosierung, die besonders bei schwankenden H2S-Gehalten im Biogas nur eine teilweise und unzuverlässige Entschwefelung ermöglicht bzw. bedingt durch die ungenaue Steuerung des Luftgebläses einen sehr hohen Inertgasanteil (Luft) im Biogas zur Folge haben kann. Der erhebliche Inertgas- bzw. Sauerstoffeintrag beeinträchtigt auch die Biogasqualität und verschlechtert die Voraussetzungen für weitere Aufbereitungsprozesse, da eine Nachreinigung und Entfernung von Ound Nerforderlich ist. Daher setzen vor allem Biogasaufbereitungsanlagen reines O2 für die Entschwefelung ein. Ein Vorteil der biologischen Entschwefelung im Fermenter ist die Tatsache, dass der Schwefel über den Austrag der Gülle wieder in den natürlichen Stoffkreislauf zurückgeführt wird [HOFMANN, at. al. 2005].

schwefelablagerung-im-deckenbereich-rechts

Abb.: Innenansicht eines Fermenters

 

 

 

 

 

 

 

innenansicht-eines-fermenters-links

Abb.: Schwefelablagerung im Deckenbereich

 

 

 

 

 

 

 

b) Entschwefelung in einer Tropfkörperanlage
Im Gegensatz zur Entschwefelung im Fermenter findet bei diesem Verfahren die mikrobiologische Reaktion in einer externen Tropfkörperanlage statt. Die für den biologischen Abbau von Schwefelwasserstoff benötigten Bakterien (Thiobacillen) sind in der umlaufenden Nährlösung suspendiert als auch auf den im Reaktor befindlichen Tropfkörpern immobilisiert. Bei dieser Methode wird dem Biogas die Luft zudosiert bevor es in den Reaktor (=Biowäscher) geführt wird. Die im Reaktor angesiedelten Bakterien werden ständig mit Nährstofflösung berieselt. Die H2S-Absorption an die Flüssigkeit und mikrobiologische Oxidation finden am gleichen Ort statt. Bei diesem Verfahren wird ebenso wie bei dem der Entschwefelung im Fermenter 4 bis 6% Luft dem Biogasvolumenstrom zudosiert. Durch die Größe des Reaktors und die Tropfkörper werden sehr große Flächen und damit sehr lange Kontaktzeiten ermöglicht. Aus diesen Gründen können auch schwer lösbare Schadstoffe aus dem Gas entfernt und sehr hohe Abbauraten bis 99% erreicht werden. Die Oxidationsprodukte Schwefel und Sulfat werden mit der Nährlösung ausgeschleust. Die im Kreislauf geführte Nährlösung muss somit teilweise ausgetauscht werden. Die optimale Temperatur der Waschlösung sollte zw. 28 und 32°C liegen, damit die Mikroorganismen optimal arbeiten können. Die zudosierung von Luft ist bei dieser Ausführung gut steuerbar, wodurch sich der Inertgaseintrag begrenzen lässt.