Welches Verfahren eignet sich am besten zur Biogasentschwefelung?

Biogas ist eine erneuerbare Energiequelle, die angesichts der aktuellen Energieknappheit zunehmend Aufmerksamkeit erregt. Normalerweise besteht die Gaszusammensetzung von Biogas aus Methan (60 % bis 70 %) und Kohlendioxid (30 % bis 40 %) und enthält außerdem eine geringe Menge Schwefelwasserstoff und andere Gase. Schwefelwasserstoff ist ein hochgiftiges und gesundheitsschädliches Gas, das stark korrosiv auf Rohrleitungen, Brenner und Instrumente wirkt. ； Nach der Verbrennung entsteht aus Schwefelwasserstoff Schwefeldioxid, das die Umwelt belastet und die Gesundheit der Menschen beeinträchtigt. Die Umweltschutzstandards meines Landes sind streng vorgeschrieben: Bei der Nutzung von Biogasenergie darf der Schwefelwasserstoffgehalt im Biogas 20 mg/m3 nicht überschreiten. Die Massenkonzentration von Schwefelwasserstoff in Biogas beträgt im Allgemeinen 1-12 g/m3, was viel höher ist als die Anforderungen der Umweltschutzstandards meines Landes. Daher ist die Entfernung von Schwefelwasserstoff zu einem wesentlichen Bestandteil der Biogasnutzung geworden. 　　1 Traditionelle Entschwefelungsmethode 1.1 Nassentschwefelung Bei der Nassentschwefelung wird ein bestimmtes Lösungsmittel verwendet, um das Gas im Gegenstrom zu kontaktieren, um Schwefelwasserstoff zu entfernen. Das Lösungsmittel wird nach der Regeneration wieder absorbiert. Entsprechend den verschiedenen Absorptionsmechanismen wird es in chemische Absorptionsmethoden, physikalische Absorptionsmethoden, physikalisch-chemische Absorptionsmethoden und Nassoxidationsmethoden unterteilt. Der Nassentschwefelungsprozess ist komplex und erfordert große Investitionen und eignet sich für Situationen mit großen Gasverarbeitungsvolumina und hohem Schwefelwasserstoffgehalt. Zu den üblicherweise zur Biogasentschwefelung verwendeten Methoden gehören die Naphthochinon-Absorptionsmethode und die Ammoniakwassermethode. 　　1.1.1 Naphthochinon-Absorptionsmethode Die Absorptionsflüssigkeit ist alkalisch und kann saure Gase absorbieren. Darüber hinaus ändert sich der pH-Wert aufgrund der Pufferwirkung schwacher Säure bei der Aufnahme saurer Gase nicht schnell, wodurch die Stabilität des Systembetriebs gewährleistet wird. Darüber hinaus absorbiert Natriumcarbonatlösung H2S schneller als CO2. Da diese beiden sauren Gase gleichzeitig im Biogas vorkommen, kann H2S teilweise selektiv absorbiert werden. Diese Methode wurde erfolgreich zur Entfernung großer Mengen CO2 aus Gasen eingesetzt und kann auch zur Entfernung saurer Gase aus Erdgas und Biogas, die CO2 und Schwefelwasserstoff enthalten, eingesetzt werden. 　　Die chemische Reaktionsgleichung für die Absorption von H2S durch diese Lösung lautet Na2CO3+H2S=NaHCO3+NaHS. Xu Ning, Zhu Yanmei und andere führten verbesserte Untersuchungen zur Naphthochinon-Absorptionsflüssigkeit auf der Grundlage der Zusammensetzung von Biogas durch und ermittelten die geeignete Formel für die Schwefelwasserstoff-Absorptionsflüssigkeit in Biogas, wodurch eine Entschwefelungsrate von 99 % bis 99,5 % erreicht wurde. 　　Der Hauptvorteil dieser Methode besteht darin, dass die Ausrüstung einfach und wirtschaftlich ist ； Der Hauptnachteil besteht darin, dass ein Teil des Natriumcarbonats in Natriumbicarbonat umgewandelt wird, was die Absorptionseffizienz verringert, und ein Teil davon in Sulfat umgewandelt und verbraucht wird. 　　1.1.2 Ammoniakwasser-Methode Schwefelwasserstoff ist ein saures Gas. Wenn alkalisches Ammoniakwasser zur Absorption von Schwefelwasserstoff verwendet wird, kommt es zu einer Neutralisationsreaktion, d. h. H2S+NH4OH=NH4HS+H2O. Der erste Schritt ist ein physikalischer Auflösungsprozess. Der Schwefelwasserstoff im Gas wird in Ammoniakwasser gelöst. ； Der zweite Schritt ist der chemische Absorptionsprozess, bei dem gelöster Schwefelwasserstoff und Ammoniumhydroxid eine Neutralisationsreaktion durchlaufen. Bei der Regenerationsmethode wird Luft in die Ammoniumhydrogensulfid enthaltende Lösung geblasen, um den umgekehrten Prozess der Absorptionsreaktion herbeizuführen und das Schwefelwasserstoffgas zu desorbieren. Die aufgelöste Ammoniumhydroxidlösung wird nach Ergänzung mit frischem Ammoniakwasser weiterhin zur Absorption verwendet. ； Der bei der Regeneration entstehende Schwefelwasserstoff muss zur Vermeidung von Umweltbelastungen doppelt aufbereitet werden. Beispielsweise wird eine katalytische Ammoniak-Flüssigphasen-Entschwefelung verwendet, und der Schwefelwasserstoff wird zu elementarem Schwefel oxidiert und durch die Oxidation von Hydrochinon in der Lösung abgetrennt, und die Lösung wird gleichzeitig regeneriert. Die erzeugten Schwefelpartikel sind relativ fein und schwer zu filtern und zurückzugewinnen. Sie haften stark an der Packung und an der Wand und können leicht zu Schwefelblockaden im Turm führen, die die Produktion beeinträchtigen. 　　Bei der Ammoniakmethode wird Ammoniakwasser als Absorptionsmittel verwendet, was zu einer stärkeren Korrosion der Geräte und einer Verschmutzung der Umwelt führt. Bei der Aufbereitung von Koksofengas bietet es jedoch einen wirtschaftlichen Vorteil, da es die von der Kokerei erzeugte Alkaliquelle nutzen kann. Das Chengdu Biogas Science Research Institute des Landwirtschaftsministeriums untersucht die Technologie der Verwendung von Ammoniakwasser zur Entfernung von CO2 und H2S aus Biogas. Die durchschnittliche H2S-Entfernungsrate hat 99,9 % erreicht. 　　1.2 Trockenentschwefelung Die Trockenentschwefelung wird häufig zur Behandlung schwefelarmer Gase eingesetzt. Zu den häufig verwendeten Methoden gehören die Membrantrennung, die Molekularsiebmethode, die Druckwechseladsorptionsmethode (PSA), die nicht erneuerbare Festbettadsorptionsmethode und die Niedertemperatur-Trennmethode. Für die Biogasentschwefelung werden üblicherweise nicht erneuerbare Festbettadsorptionsverfahren eingesetzt. Es gibt viele nicht erneuerbare Festbettadsorptionsmethoden. Sie lassen sich hinsichtlich der Materialsysteme grob in Eisen-basierte, Zink-basierte, Aktivkohle, aktivierte Tonerde und Kieselgel einteilen. Sie werden häufig bei der Feinentfernung schwefelarmer Gase eingesetzt. 　　Eisenoxid ist ein altes Entschwefelungsmittel, oft Eisenschwamm genannt. Sein Entschwefelungsmechanismus besteht darin, zunächst mit H2S zu Eisensulfid zu reagieren und das Eisensulfid dann zu Eisenoxid zu oxidieren. Es kann 10-6 H2S-Werte im Gas entfernen und es gibt viele verbesserte Methoden, die in der Industrie angewendet werden. 　　Das Trockenverfahren hat Nachteile wie einen diskontinuierlichen Betrieb, einen hohen Arbeitsaufwand beim Ersetzen des Entschwefelungsmittels und einen großen Platzbedarf für die Ausrüstung. Zu diesem Zweck fügten Niu Kesheng und Sun Yansheng während der Entschwefelung kontinuierlich und mengenmäßig Luft über ein automatisches Kontrollsystem hinzu und erreichten so eine kontinuierliche Reduzierung und Regeneration des Entschwefelungsmittels. 　　Gegenwärtig ist die inländische Entschwefelungstechnologie relativ ausgereift, und es gibt viele Entschwefelungsmethoden und -prozesse, die jedoch alle die folgenden Mängel aufweisen:: Die Effizienz der Trockenentschwefelung ist nicht hoch, die Regenerierung des Entschwefelungsmittels ist schwierig und die Schwefelkapazität ist relativ gering. Es ist hauptsächlich zur Feinentschwefelung geeignet. ； Die Nassentschwefelung verfügt über eine große Verarbeitungskapazität, eine hohe Entschwefelungseffizienz und kann kontinuierlich betrieben werden, allerdings sind auch die Investitions- und Betriebskosten hoch, was sie für normale Nutzer der Biogasnutzung unerschwinglich macht. Da die Umweltschutzvorschriften immer strenger werden, ist die Entwicklung hocheffizienter, investitionsarmer, ressourcenbasierter und nicht sekundärer Umweltverschmutzungstechnologien zum Hauptthema der Entwicklung von Entschwefelungstechnologien geworden. Einige neue Entschwefelungsmethoden (wie mikrobielle Zersetzung, Ozonoxidation, Schwefeldioxid, elektrochemische und Mikrowellenmethoden) ziehen zunehmend die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich. Unter anderem zeichnet sich die biologische Entschwefelung durch geringere Umweltverschmutzung, geringen Energieverbrauch und hohe Effizienz aus und ist zu einem heißen Forschungsthema geworden. 　　2 Biologische Entschwefelung Die biologische Entschwefelung nutzt den Stoffwechsel von Mikroorganismen, um Sulfid im Biogas in elementaren Schwefel oder Sulfat umzuwandeln. Der Prozess kann in 3 Phasen unterteilt werden: Einer davon ist der Auflösungsprozess von H2S-Gas, also der Übergang von der Gasphase in die flüssige Phase ； Zweitens wird das gelöste H2S von Mikroorganismen aufgenommen und in den Körper der Mikroorganismen übertragen. ； Drittens wird das H2S, das in menschliche Mikrobenzellen gelangt, zersetzt, umgewandelt und von Mikroorganismen als Nährstoffe genutzt, wodurch der Zweck der Entfernung von H2S erreicht wird. 　　Je nach Aktivitätstyp der Mikroorganismen gibt es drei Arten von Mikroorganismen, die Sulfid umwandeln können, nämlich photosynthetische Bakterien, denitrifizierende Bakterien und farblose Schwefelbakterien. Unter ihnen benötigen denitrifizierende Bakterien Nitrat bei der Oxidation von Sulfid, sodass die Anwendung dieser Technologie bestimmten Einschränkungen unterliegt. 　　2.1 Photosynthetische Bakterien Photosynthetische Bakterien, auch schwefeloxidierende Bakterien genannt, sind phototrophe Bakterien, die Lichtenergie zum Wachstum nutzen können und in der natürlichen Umwelt weit verbreitet sind. Sie spielen eine wichtige Rolle im Kreislauf von Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel und anderen Elementen in der Natur und können aus Licht Energie gewinnen. Photosynthetische Bakterien nutzen Bakteriochlorophyll zur Fixierung von Lichtenergie und nutzen molekularen Wasserstoff, indem sie Sulfid oder organische Stoffe als exogene Elektronendonoren reduzieren, anstelle von Wassermolekülen als exogenen Elektronendonoren. Daher unterscheidet sich die Photosynthese von Bakterien von der von Pflanzen und Algen dadurch, dass sie ein anaerober Prozess ist und keinen Sauerstoff produziert. Während der Photosynthese nutzen verschiedene photosynthetische Bakterien unterschiedliche Schwefelverbindungen (wie Sulfid, elementarer Schwefel, Sulfit und Thiosulfid) als Elektronendonoren, um CO2 zu assimilieren. Einige photosynthetische Bakterien können auch Thiole nutzen. Wenn photosynthetische Bakterien Sulfid nutzen, oxidieren sie zunächst das Sulfid zu elementarem Schwefel, der sich innerhalb der Zelle (z. B. violette Schwefelbakterien) oder außerhalb der Zelle (z. B. violette Ectoschwefelbakterien, grüne Schwefelbakterien und einige Arten violetter Nichtschwefelbakterien) ablagert. Wenn das Sulfid erschöpft ist, oxidieren die photosynthetischen Bakterien den innerhalb und außerhalb der Zelle abgelagerten elementaren Schwefel weiter zu Sulfat. 　　Es gibt viele Arten von photosynthetischen Bakterien, aber nur einige Arten, wie z. B. violette Schwefelbakterien und grüne Schwefelbakterien, können Sulfid verstoffwechseln. Nur wenige violette Nichtschwefelbakterien können höhere Sulfidkonzentrationen tolerieren und nutzen. 　　Unter anaeroben Lichtbedingungen nutzen photosynthetische Bakterien H2S als Wasserstoffspender, um CO2 zu reduzieren und Bakterienzellen zu synthetisieren, und H2S wird zu SO oxidiert oder weiter zu Schwefelsäure oxidiert. Die Entschwefelungsreaktion photosynthetischer Bakterien kann folgendermaßen ausgedrückt werden: In grünen Schwefel- und violetten Schwefelbakterien wird Sulfid zunächst zu S0 oxidiert, und die Oxidationsreaktion S2-→S0 ist eine nichtenzymatische Reaktion und läuft sehr einfach ab. Während violette Schwefelbakterien die H2S→S0-Reaktion durchführen, führen sie auch die S0→SO42-Reaktion durch. Letztere Reaktion ist sehr langsam und die bei der Reaktion entstehenden Schwefelpartikel sammeln sich in den Zellen an, während grüne Schwefelbakterien die H2S→S0-Reaktion nur in Gegenwart von H2S durchführen können. Die erzeugten Schwefelpartikel haften an der Außenseite der Zellen, wodurch das Abwasser trübe wird und die Lichtdurchlässigkeit des Wassers verringert wird, wodurch die Entschwefelungseffizienz beeinträchtigt wird. Darüber hinaus ist die Verarbeitungslast der photosynthetischen Bakterien gering, die hydraulische Verweilzeit lang und es sind raue Bedingungen wie Licht und anaerobe Bedingungen erforderlich. Der Forschungsfortschritt war nicht groß und befindet sich noch im Erkundungsstadium von Batch-Experimenten oder kleinen Labortests. Die Hauptarbeit in der Zukunft sollte die Entwicklung von Reaktoren für die photosynthetische Entschwefelung sein, die Verbesserung der Effizienz der photosynthetischen Entschwefelung, die Steuerung der Lichtintensität und die Lösung von Problemen wie der Abtrennung von elementarem Schwefel. 　　2.2 Farblose Schwefelbakterien Zu den farblosen Schwefelbakterien zählen streng chemoautotrophe Bakterien und chemoheterotrophe Bakterien, außerdem gibt es einige Übergangstypen. Diese Art von Bakterien ist nur ein physiologischer Oberbegriff, kein taxonomischer Begriff, einschließlich Thiobacillus burnetii und Thiobacillus-Arten. Sie sind in der Lage, Schwefelwasserstoff, elementaren Schwefel, Thiosulfat, Tetrasulfat usw. zu Schwefelsäure zu oxidieren und dabei Energie zu gewinnen. 　　In meinem Land gibt es viele Studien zu farblosen Schwefelbakterien. Fang Shi et al. führte Untersuchungen zur Entfernung von H2S in Biogas durch externe Belüftung in einem biologischen Turm durch und erzielte die höchste Entschwefelungsrate von 98,6 %. Wang Aijie et al. verwendeten Thiobacillus denitrificans, um gleichzeitig Stickstoff und Schwefel aus dem Abwasser zu entfernen. Sie wiesen darauf hin, dass das Schwefel-Stickstoff-Verhältnis und die Sulfidkonzentration die Hauptfaktoren bei der gleichzeitigen Denitrifikations- und Entschwefelungstechnologie sind. Durch die Kontrolle der beiden Werte auf 5:3 bzw. unter 300 mg/L können bessere Entschwefelungs- und Denitrifikationseffekte erzielt werden, und die Umwandlungsrate von elementarem Schwefel kann bis zu 94 % erreichen. ； Li Yaxin et al. verwendeten farblose Schwefelbakterien, um einen Test zur Entfernung von Schwefelwasserstoff durchzuführen und den nach der Entschwefelung erzeugten elementaren Schwefel zurückzugewinnen. Es zeigte sich, dass der Wert des gelösten Sauerstoffs im Reaktor linear mit der Volumenbelastung des einströmenden Wassersulfids zusammenhängt und der pH-Wert des Abwassers sowie der Anstieg des pH-Werts des Abwassers linear mit der Schwefelrückgewinnungsrate zusammenhängen. Unter den mikrobiellen Gruppen der farblosen Schwefelbakterien können nicht alle Schwefelbakterien zur Sulfidoxidation verwendet werden. Da einige Schwefelbakterien den in den Zellen erzeugten Schwefel ansammeln, führt das Wachstum verschiedener Bakterien auch dazu, dass sich der Schlamm im Reaktor ausdehnt, was zu Problemen bei der Abtrennung von elementarem Schwefel führt. Wenn es nicht rechtzeitig abgetrennt werden kann, besteht das Problem einer weiteren Oxidation, die die Entschwefelungseffizienz beeinträchtigt. Daher müssen während des Betriebs der Entschwefelungsanlage die Reaktionsbedingungen streng kontrolliert werden, um das dominante Wachstum dieser Art von Mikroorganismen zu kontrollieren. 　　3 Fazit und Ausblick Traditionelle Methoden zur Entschwefelung von Biogas haben ihre Mängel. Die mikrobielle Entschwefelung erfordert milde Bedingungen, einen geringen Energieverbrauch, geringe Investitionen und geringe Abfallemissionen. Es eignet sich besonders für die Verarbeitung von Biogas mit mittlerem und niedrigem Schwefelgehalt und hat sich daher nach und nach zu einem neuen Hotspot im Bereich der Entschwefelung entwickelt. 　　Aus Sicht der Entschwefelungsanlagen und -prozesse befindet sich die biologische Entschwefelung derzeit größtenteils im Laborforschungsstadium. Um eine großtechnische Anwendung zu erreichen, müssen Anstrengungen bei Entschwefelungsstämmen, Bioreaktoren und Entschwefelungsprozessen unternommen werden. Führen Sie detaillierte physiologische und biochemische Studien zu den bisher entdeckten sulfidoxidierenden Bakterien durch und screenen Sie effiziente Bakterienstämme, die für die biologische Entfernung von H2S verwendet werden können. ； Nutzen Sie moderne biotechnologische Werkzeuge, um Gene oder funktionelle Gene im Zusammenhang mit der Schwefeloxidation zu isolieren und zu identifizieren und neue hocheffiziente Bakterienstämme zu konstruieren ； Kombination von Biotechnologie und Chemietechnik zur Entwicklung effizienter, kontinuierlicher und stabiler Entschwefelungsbioreaktoren und zur Optimierung des Prozesses, um technische Unterstützung für die weitere Industrialisierung bereitzustellen.