Technologie zur Dekarbonisierung und Reinigung von Biogas mit hohem Ertrag und niedrigen Kosten – Sichuan Honghu Technology Group

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Technologie zur Dekarbonisierung und Reinigung von Biogas mit hohem Ertrag und niedrigen Kosten – Wang Bin, Huang Jiahu (Sichuan Honghu Technology Group Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610036) Zusammenfassung: Es wird der aktuelle Stand der Technologien zur Reinigung von Biogas dargestellt. Durch Analyse und Vergleich wird gezeigt, dass die Verwendung einer Adsorptionsmethode mit hohem Rückgewinnungsgrad (99 %) dazu beitragen kann, die Kosten für die Reinigung von Biogas erheblich zu senken, die Produktivität sowie die Gewinnmargen zu steigern und gleichzeitig die Emissionen von Treibhausgasen zu verringern. Dies macht diese Methode zu einer sinnvollen Wahl für die umfassende Nutzung von Biogas auf höchstem Niveau. Schlüsselwörter: Biogas, Reinigung, Dekarbonisierung, Pressorbsorption, hohe Rückgewinnungsrate, niedrige Kosten 1. Einleitung Energie ist eine wichtige materielle Grundlage für die wirtschaftliche und soziale Entwicklung. Neben Wasserkraft ist Biomasseenergie die am weitesten verbreitete erneuerbare Energiequelle, wobei Biogas ein Schwerpunkt der Entwicklung darstellt. Es wird erwartet, dass bis zum Jahr 2020 die jährliche Nutzung von Biogas in China 44 Milliarden Kubikmeter erreichen wird. Aufgrund von wirtschaftlichen und technischen Faktoren macht derzeit im Inland der kleine Maßstab bei der Biogasproduktion sowie deren Nutzung für einfache Zwecke einen großen Anteil aus. Doch eine Umwandlung der Biogasproduktion – also eine Erhöhung des Produktionsmaßstabs sowie eine Nutzung für anspruchsvollere Zwecke – ist ein unvermeidlicher Trend in der Industrieentwicklung. Die Zusammensetzung von Biogas ist komplex: Je nach verwendetem Rohstoff sowie je nach Fermentationsverfahren unterscheidet sich die Zusammensetzung des Gases. Der Hauptbestandteil ist CH4 – es macht etwa 50% bis 70% des Gesamtvolumens aus. CO2 macht etwa 25% bis 40% aus. Die übrigen Gase wie N2, O2, H2S, H2O, CO, H2, NH3, Halogenkohlenwasserstoffe und Siloxane machen zusammen etwa 5% aus【1】. Die darin enthaltenen Verunreinigungs-gase können im Prozess der Nutzung von Biogas mehr oder weniger negative Auswirkungen haben. Deshalb ist es ohne Reinigung schwierig, Biogas für hochwertige Anwendungen zu nutzen. Da CO2 den größten Teil der Verunreinigungsgase ausmacht, bestimmen die Kosten für die Entkarbonisierung in hohem Maße die Kosten für die Reinigung von Biogas. Im Folgenden wird insbesondere auf die Technologien zur Entkarbonisierung von Biogas eingegangen. 2. Einführung in die Technologien zur Entfernung von Verunreinigungen aus Biogas mit geringem Anteil 2.1 Das in dem entwässerten Biogas enthaltene gesättigte Wasserdampf kann durch Kondensation, Adsorption oder mithilfe von saugfähigen Stoffen entfernt werden【2】. 2.2 Die Sulfide im entschwefelten Biogas sind besonders gefährlich. H2S ist giftig und kann in Kombination mit H2O Ausrüstungen zerstören. Beim Verbrennen entstehen SOX, die die Atmosphäre verschmutzen. Die Technologien zur Entschwefelung von Biogas lassen sich in zwei Kategorien einteilen: In-situ-Entschwefelung und Entschwefelung des Biogases. Bei hohem Biogasvolumen oder hohem Schwefelgehalt ist eine feuchte Grobentschwefelung erforderlich. Dieses Verfahren ist kompliziert und die Betriebskosten sind hoch; in der Regel kann es keinen organischen Schwefel entfernen [2]. Die Trockenverfahren eignen sich für Fälle, in denen die Menge an Biogas gering ist oder der Schwefelgehalt niedrig ist. Sie sind einfach in der Bedienung, erfordern geringe Investitionen in Ausrüstung und ermöglichen es, mehrere Arten von organischem Schwefel bis auf das Niveau von ppm zu entfernen. Außerdem gibt es neue Entschwefelungsmethoden wie Membrangetrennung, pressure swing adsorption und biologische Entschwefelung. 2.3 Entfernung anderer Verunreinigungen: Der Gehalt an anderen Verunreinigungen ist gering; sie können in der Regel in den vorhandenen Reinigungs- oder Aufbereitungsanlagen entfernt werden【2】. Wenn bestimmte Branchen besondere Anforderungen haben – beispielsweise bei der Verwendung in Gasturbinen – können die Siloxane dort durch eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen aufgenommen werden. Halogenkohlenwasserstoffe hingegen können mithilfe spezieller Aktivkohlen zur temperaturabhängigen Adsorption entfernt werden [3]. 3. Einführung in die CO2-Entfernungstechnologien: Die Technologien zur Dekarbonisierung von Biogas stammen größtenteils aus der Chemieindustrie und umfassen physikalische Absorption, chemische Absorption, pressure swing adsorption sowie Membrangetrennung. Da die Menge an Biogas, die verarbeitet werden muss, gering ist, sollte man besonders auf Miniaturisierung und Energieeinsparung achten. Die physikalische Absorption nutzt die Eigenschaft, dass saure Gase in Lösung eine größere Löslichkeit aufweisen als CH4, um CO2 zu entfernen. Die Lösung wird durch Entdruckung, Flashverdampfung, Strömungsaufbereitung usw. regeneriert. Am häufigsten wird die Methode der Hochdruckreinigung angewandt [2,3]. Die chemische Absorption nutzt das Prinzip umkehrbarer Reaktionen mit chemischen Stoffen und sauren Gasen in einer Lösung, um CO2 zu entfernen. Absorption der Lösung bei niedrigen Temperaturen und Regeneration bei hohen Temperaturen – ein typisches Beispiel hierfür ist die Alkoholamin-Methode [1,2]. Im Prozess der Biogasherstellung entsteht kein Dampf als Nebenprodukt; stattdessen wird Dampf speziell zur Regeneration der Lösung erzeugt. Dies ist aufwändig und verbraucht außerdem Biogas, wodurch die Ausbeute sinkt. Die Membrantrennung nutzt die Tatsache, dass die verschiedenen Gaskomponenten unterschiedliche Geschwindigkeiten bei der Auflösung und Diffusion in Polymermaterialien aufweisen. Unter dem Einfluss des Druckunterschieds auf beiden Seiten der Membran erfolgt eine unterschiedliche Durchdringungsrate dieser Komponenten durch die Membranwand – dadurch werden sie voneinander getrennt [2]. Es gibt zwei Arten der Membrangetrennungsverfahren: die Trennung unter hohem Druck in gasförmiger Phase sowie die Trennung unter niedrigem Druck durch gas- und flüssigkeitsphasebasierte Absorptionsmembranen. Die Transformationsadsorption nutzt das Prinzip der unterschiedlichen Adsorptionsfähigkeit der Oberfläche des Adsorbens für die einzelnen Bestandteile von Biogas, um CO2 zu entfernen. Dieses Verfahren weist einen hohen Grad an Automatisierung auf, ist stabil in der Funktionsweise, hat eine lange Lebensdauer der Anlagen und erfordert geringe Kosten für die Reinigung [1,2,4]. Aber bei herkömmlichen TSA-Anlagen ist der CH4-Verlust groß. Bei einer CH4-Konzentration von 90 % bis 95 % beträgt die Rückgewinnungsrate maximal 90 %【8,10,11】; bei niedrigeren Konzentrationen liegt sie unter 60 %【9】. Dieser Nachteil beschränkt die Anwendung der Trockenadsorption im Bereich der Biogasreinigung. Der Schlüssel zur Steigerung der CH4-Rückgewinnungsrate liegt in effizienten Adsorbenten, mit dem Ziel, den Trennfaktor des CH4/CO2-Gemisches zu erhöhen und die Adsorptionskapazität für CO2 zu vergrößern. Durch die Nutzung der neuesten Technologien aus dem In- und Ausland [6,7] hat Honghu Technology einen speziellen Adsorptionsstoff zur Reinigung von Biogas entwickelt. Mit diesem Adsorptionsstoff lässt sich ein CH4-Rückgewinnungsgrad von 99 % erreichen; der CH4-Gehalt in den Abgasen liegt unter 1 %. Die Reinheit des erzeugten Gases beträgt 97 % bis 99 % – und kann außerdem angepasst werden. Dieser Adsorptionsmittel weist eine hohe Adsorptionskapazität sowie einen hohen Trennkoefizienten auf, wodurch die Größe der Anlage effektiv verringert wird, die Gesamtkosten gesenkt werden und die Betriebskosten geringer ausfallen. 4. Vergleich der Dekarbonisierungs- und Reinigungstechnologien für Biogas 4.1 Parameter des Ausgangsgases Als Ausgangsgas für den Vergleich der verschiedenen Technologien wird das in Tabelle 1 aufgeführte Biogas verwendet. Tabelle 1: Parameter des Rohgases
Parameter | Durchfluss (Nm3/d) | Druck (kPaG) | Temperatur (℃) | CH4 (V%) | CO2 (V%) | Andere Bestandteile (V%) | Werte
--------|-------------------|--------------|----------------|---------|----------|--------------------------|------
20000 | 5 | 40 | 57 | 41 | 2 | 4,2 |

Investitionskosten: Die Investitionskosten für die Methanentkarbonisierungs- und Reinigungsanlagen von Honghu Technology sind niedriger als bei der herkömmlichen Pressure Swing Adsorption-Methode. Sie sind außerdem niedriger als bei der MDEA- sowie Membrangetrennungsverfahren. Gleichzeitig sind sie etwas höher als bei der Hochdruckwaschmethode [1,2,3,4,5,8,9]. 4.3 Methanrückgewinnungsrate: Die Methanrückgewinnungsrate der Gaskarbonisierungs- und Reinigungsanlagen von Honghu Technology beträgt 99 %. Dieser Wert ist höher als bei anderen Reinigungsanlagen [1,2,3,4,5,8,9]. 4.4 Betriebskosten file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.png Hinweis: Der Auslassdruck des Produktgases beträgt einheitlich 0,8 MPa. Die Betriebskosten der Methangas-Entkarbonisierungs- und Reinigungsanlagen von Honghu Technology sind deutlich niedriger als bei anderen Technologien【1】. 5. Fazit: Die von der Sichuan Honghu Technology Group Co., Ltd. entwickelte Technologie zur Dekarbonisierung und Reinigung von Biogas durch Trockenadsorption weist neben einem hohen Grad an Automatisierung, einfacher Bedienung sowie Sicherheit und Umweltverträglichkeit auch erhebliche Vorteile auf – nämlich geringe Investitionskosten, niedrige Betriebskosten sowie eine CH4-Rückgewinnungsrate von 99%, die über den internationalen und nationalen Durchschnitt hinausgeht. Referenzen: Hao Wei. Prozesstechnologien und Wirtschaftlichkeit der Umwandlung von Biogas in Erdgas (CNG). Jiang Hao et al. Technologien zur Reinigung und Aufreinigung von Biogas zur Herstellung von Biomethan sowie deren Anwendungen. China Biogas, 2012, 30(2): 6–11. Song Canhui et al. Der aktuelle Stand der Biogas-Reinigungstechnologien. China Biogas, 2007, 25(4): 23–27. Zhen Feng et al. Hochwertige Nutzung von Biogas sowie Technologien zur Reinigung und Aufreinigung. Environmental Science and Technology, 2012, 11: 103–108. Li Dong et al. Der aktuelle Stand der Biogas-Ressourcen in China sowie deren Anwendungsmöglichkeiten. Modern Chemical Industry, 2009, 4: 1–5. Yu Xinjiang et al. Herstellung porösen Kohlenstoffs mittels Template-Methode sowie Adsorptions- und Trennverfahren für CH4/N2/CO2. Petrochemical Engineering, 2016, 2: 221–226. Li Tong et al. Modifizierung von Aktivkohle sowie Untersuchungen zu deren Adsorptionsfähigkeit für CO2/CH4. Journal of Coal Science, 2011, 12: 2012–2017. Chen Xiang et al. Der aktuelle Stand der Technologien zur Reinigung und Aufreinigung von Biogas zur Herstellung von Biomethan. Agricultural Engineering, 2012, 7: 30–34. Li Sheng et al. Fortschritte bei der Herstellung hochreinen Biomethans aus gereinigtem Biogas. Modern Chemical Industry, 2014, 11: 19–23. Sichuan Yalian Technology Co., Ltd. Eine Methode zur Extraktion von Methan aus Biogas. Chinesisches Patent: CN200910060286, 1.9.2010. Sichuan Yalian High-Tech Co., Ltd. Eine Methode zur Gewinnung von Methan aus Deponiegas. Chinesisches Patent: CN200810045223, 16.7.2008.