-
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.