DE10260968B4 - Verfahren zur Entfernung von Schwefelwasserstoff aus Biogas - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur biologischen Reinigung von Biogasen, die aus Biomasse in einem anaeroben Gärbehälter gewonnen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Biomasse Natriumalginat zugesetzt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entfernung von Schwefelwasserstoff aus Biogas.
  • Biogas als regenerative Energiequelle stellt einen umweltfreundlichen Beitrag zur Deckung des Energiebedarfs dar. Sein brennbarer Anteil Methan entsteht bei jedem anaeroben Fäulnisprozess in Sümpfen, Reisfeldern, Deponien, Faultürmen und in Viehhaltungsbetrieben. Als Ausgangsstoffe für die Biogasgewinnung in Biogasanlagen kann neben Fäkalien und Abwässern nach entsprechender Vorbehandlung jegliche Form von Biomüll verwendet werden. Entsprechende kommunale Biomüll-Sammelkonzepte sind schon verwirklicht.
  • Das Biogas oder Faulgas entsteht auch außerhalb von Biogasanlagen, wo seine Nichtnutzung eine Verschwendung von Energieressourcen darstellt. Das dabei entweichende Methan reagiert im Laufe der Zeit an der Luft zwar zu Kohlendioxid und Wasser, Methan selbst stellt allerdings vor seiner natürlichen Oxidation in der Atmosphäre ein so genanntes Treibhausgas dar. Seine technische Nutzung als aus Biogasanlagen gewonnener Brennstoff verursacht also im Gegensatz zu fossilen Energieträgern in der Gesamtenergiebilanz keine zusätzliche CO2-Belastung der Atmosphäre und somit keinen zusätzlichen Treibhauseffekt. Auch die Verwertung von Faulschlammabfällen aus den Biogasanlagen als Naturdünger ist ein wichtiger Beitrag zur Schließung der ökologischen Kreisläufe zwischen Mensch, Landwirtschaft und Umwelt.
  • Der heutige Schwerpunkt der Biogasgewinnung liegt bei landwirtschaftlichen Betrieben und bei kommunalen Deponien und Kläranlagen. Die Nutzung gelingt jedoch bedauerlicher Weise noch sehr eingeschränkt. Insbesondere bei Deponien und Kläranlagen wird das gewonnene Biogas oft einfach nur abgefackelt oder dient allenfalls zum Heizen. Eine andere und bessere Nutzung des Biogases kann erst nach dessen Reinigung erfolgen, weil im Biogas Verunreinigungen, etwa. in Form von giftigem und übel riechendem Schwefelwasserstoff und anderem enthalten sind. Schwefelwasserstoff ist ein farbloses Gas, das sowohl bei Mensch und Umwelt als auch beim Betrieb von Biogasanlagen zu negativen Auswirkungen führt. Auf den Menschen wirkt H2S stark toxisch. Es greift die Schleimhäute der Augen und der Atemwege an und ist bei höherer Konzentration in kürzester Zeit tödlich. Beidem Betrieb von Biogasanlagen wirkt sich vor allem seine stark korrosive Wirkung negativ aus.
  • Der Schwefelwasserstoff verhindert beispielsweise den Einsatz in geschlossenen Räumen als auch in herkömmlichen Verbrennungsmotoren, wo Biogas prinzipiell zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme dient. Beim Einsatz in derartigen Verbrennungsmotoren oxidiert er zu giftigem SO2 und korrosiv wirkender Schwefelsäure. Betroffen sind hiervon alle Teile der Biogasanlage, die mit dem H2S in Berührung kommen. In besonderem Maße gilt das auch bei Blockheizkraftwerken (BHKW), in denen das Biogas verbrannt und dadurch Strom und Wärme erzeugt wird. Bei der Verbrennung entsteht auch hier 502, welches zu einer Versäuerung der Motorenöle und damit zu einer drastischen Verkürzung der Ölwechselintervalle führt. Aber auch andere Armaturen im BHKW, die mit dem Biogas in Berührung kommen, sind betroffen. Die Folge ist oftmals eine erhebliche Verkürzung der Anlagenstandzeiten, womit deren Lebensdauer gemeint ist. Zudem wird der Brennwert durch den natürlichen CO2-Gehalt erniedrigt, der je nach Anlage zwischen 20 und 40 Vol.-% liegt.
  • Zur Reduzierung von Schwefelwasserstoff aus Biogas sind eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen bekannt.
  • Physikalisch-chemische Verfahren wie Absorption, Adsorption und andere Sonderverfahren sind zur Entfernung von Schwefelwasserstoff aus Biogas geeignet und technisch bereits vielfach erprobt. Mit derartigen Verfahren können Schwefelwasser stoffkonzentrationen im Reingas von weniger als 20 ppm erreicht werden. Allerdings ist ein wirtschaftlicher Einsatz dieser oft aufwendigen oder betriebskostenintensiven Verfahren gerade in kleineren Biogasanlagen nicht gegeben.
  • Biologische Verfahren zur Reduktion der Schwefelwasserstoffkonzentrationen in Biogas sind dagegen sehr wirtschaftlich und werden deshalb beim Betrieb von Biogasanlagen am häufigsten eingesetzt. Langzeitstabil können gesicherte Schwefelwasserstoffkonzentrationen von weniger als 20 ppm im Reingas mit biologischen Verfahren allein jedoch nicht erreicht werden.
  • Als wirtschaftliche und technisch sinnvolle Alternativen wurden daher Verfahrenskombinationen kreiert, bei denen durch eine stabile biologische Grobreinigung möglichst niedrige Schwefelwasserstoffkonzentrationen eingestellt wurden und in einer nachfolgenden Feinreinigung in kleinen kompakten Ad- bzw. Absorbern mit geringen Betriebskosten die gewünschten Endkonzentrationen erreicht werden konnten.
  • Als eine gängige Methode zur biologischen Entschwefelung ist die direkt im Fermenter stattfindende biologische Entschwefelung mittels Mikroorganismen bekannt. Die für den biologischen Abbau von Schwefelwasserstoff zu Schwefel bzw. Schwefelsäure verantwortlichen Mikroorganismen sind bereits im Gärsubstrat vorhanden. Der dafür benötigte Sauerstoff muss dosiert zugeführt werden. Entscheidend für die Effizienz der Entschwefelung direkt im Gasraum ist eine ausreichend große Oberfläche für die Immobilisierung der Bakterien. Unter optimalen Bedingungen kann eine Entschwefelungsrate von 95% erreicht werden (Schulz H.: Biogas-Praxis-Grundlagen, Planung, Anlagenbau, Beispiele. Ökobuch Staufen bei Freiburg, 1996).
  • Um einen höheren Reinigungsgrad zu erzielen wurde bereits vorgeschlagen, der biologischen Entschwefelung einen Biowäscher bzw. Filter nach zu schalten. Dabei findet die Entschwefelung nicht im Gärbehälter statt, sondern in einem se paraten Reaktor, der z.B. zwischen Gärbehälter und Gasspeicher geschaltet ist (Köberle, E.: Maßnahmen zur Verbesserung der Biogasqualität in landwirtschaftlichen Biogasanlagen; Berichte zur B. Biogastagung, Fachverband Biogas (1999), s.277 bis 288).
  • In der De 197 21 243 C2 ist ein Verfahren und eine Anlage zur Entschwefelung von Biogas beschrieben. Dort wird vorgeschlagen, einem Gärbehälter einen so genannten Algenreaktor nach zu schalten. Der apparative Aufwand einer derartig mehrstufigen Entschwefelung ist hoch und das Ergebnis noch keinesfalls zufrieden stellend.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Reduzierung von Schwefelwasserstoff in Biogas anzugeben, bei dem der Aufwand zur Entschwefelung gering und dessen Effizienz hoch ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen in der einfachen Reinigung des Biogases und der hohen Effizienz bei geringst möglichen Aufwand. Es ist kein zusätzlicher apparativer Aufwand erforderlich und die erzielte Reingaskonzentration liegt erheblich über den durch die bekannten biologischen Entschwefelungsverfahren bekannten Grenzwerten. Es ist sowohl für kleine wie auch für mittlere und große Biogasanlagen geeignet und schädliche Nebenwirkungen treten nicht auf. Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Biogas ist für den Betrieb von Blockheizkraftwerken (BHKW) und Verbrennungsmotoren bestens geeignet und auch die Verwendung von langzeitstabilen Oxidationskatalysatoren bei der Verbrennung ist möglich.
  • Der Biomasse wird dazu die stöchiometrisch benötigte Menge Natriumalginat in einer Verdünnung von 1:10 000 zugesetzt. Natriumalginat wird durch spezielle Extraktionsmethoden aus Meeresalgen gewonnen und ist als Produkt im Bereich der Futtermittelzusätze bekannt und eingeführt. Daher ist seine Verwendung in Biogasanlagen unproblematisch, weil es als Zusatzstoff im Futter- und Trinkwasser von Tieren zugelassen ist.
  • Natriumalginat wird zur Reinigung von Biogas gemäß der Erfindung in einer Dosierung von 1:10 000 eingesetzt. D.h. für einen Gärbehälter mit 650 m3 Inhalt genügt eine Grundimpfung mit 65 kg Natriumalginat. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn flüssiges Natriumalginat in einer Verdünnung von 1:200 mit Wasser zur Impfung der Biomasse verwendet wird. Diese hohe Verdünnung beansprucht zwar ca. 2,2% des Volumens des Gärbehälters, so dass weniger Biomasse eingebracht werden kann, aber die höhere biologische Aktivität des mit Natriumalginat geimpften Inhalts des Gärbehälters kompensiert diese Verringerung des Biomassevolumens durch eine höhere Gesamtgasausbeute bei weitem.
  • Die erzielbaren Vorteile für den Betreiber einer Biogasanlage liegen demgemäß darin, dass im Gärbehälter die biologischen Vorgänge aktiviert werden und dass Schwefelwasserstoff nur noch in Konzentrationen geringer als 20 ppm im Gas vorhanden ist. Ferner ist der Ammoniakanteil im Gas stark reduziert. Das Einblasen von Luft oder Sauerstoff kann entfallen und die Rührwerkskosten können erheblich reduziert werden. Die im Substrat anfallenden Bestandteile von Schwefel und Stickstoff sind pflanzenverfügbar. Bei der Verbrennung des gereinigten Biogases in Verbrennungsmotoren werden bessere Abgaswerte erreicht und aufgrund des reduzierten H2S-Gehalts im Biogas können langzeitstabile Oxidationskatalysatoren eingesetzt werden. Die Ölwechselintervalle der Verbrennungsmotoren verlängern sich erheblich und die Standzeiten der Anlage erhöhen sich deutlich.

Claims (4)

  1. Verfahren zur biologischen Reinigung von Biogasen, die aus Biomasse in einem anaeroben Gärbehälter gewonnen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Biomasse Natriumalginat zugesetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Natriumalginat der Biomasse im Verhältnis 1:10 000 zugesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Natriumalginat mit Wasser in einer Verdünnung von 1 200 zugesetzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Natriumalginat in flüssiger Form zur Anwendung kommt.
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