Vorreinigung von Biogas: H₂S, Siloxane, Wasser und VOC vor der Aufbereitung

Die Vorreinigung von Biogas besteht darin, vor der eigentlichen CO₂-Abtrennung diejenigen Bestandteile zu entfernen, die Geräte zerstören oder den Prozess stören: Schwefelwasserstoff (H₂S), Wasser, Siloxane, flüchtige organische Verbindungen (VOC), Ammoniak und Feststoffpartikel. Es ist die Stufe, die über die Verfügbarkeit der Anlage entscheidet und in Budgets mitunter unterschätzt wird. Eine typische Strecke ist die Entschwefelung im Fermenter (biologisch oder chemisch), die Trocknung durch Abkühlen, die Filtration und die Feinreinigung an Aktivkohle.

Schwefelwasserstoff (H₂S)

Die H₂S-Konzentration im Biogas aus Gülle und Silagen liegt mitunter in der Größenordnung von Hunderten ppm, aus eiweißhaltigen Substraten und Abfallsubstraten sogar bei einigen tausend ppm. H₂S verursacht Korrosion, vergiftet Sorbentien und bildet nach der Verbrennung schwefelhaltige Säuren. Methoden:

1. Biologische Entschwefelung im Fermenter – das Einblasen einer geringen Luftmenge (in der Regel bis zu einigen Prozent des Biogasvolumens) führt dazu, dass Bakterien H₂S zu elementarem Schwefel oxidieren. Sie ist einfach und kostengünstig, erhöht aber den Stickstoff- und Sauerstoffgehalt im Biogas, was für Biomethan von Bedeutung ist, weil es die Möglichkeit einschränkt, N₂ und O₂ in den nachfolgenden Stufen zu entfernen.
2. Chemische Entschwefelung – die Dosierung von Eisensalzen in das Substrat oder in den Fermenter bindet Schwefel in Form von Sulfiden.
3. Biologische und chemische Wäscher – separate Kolonnen, in denen H₂S oxidiert oder absorbiert wird.
4. Adsorption an Aktivkohle oder Eisenoxiden – Feinreinigung bis auf ein Niveau einzelner ppm.

In der Praxis wird eine Kombination eingesetzt: Grobentschwefelung im Fermenter oder in einer Kolonne und abschließende Feinreinigung am Bett.

Wasser

Das Biogas verlässt den Fermenter wasserdampfgesättigt. Die Trocknung erfolgt durch Abkühlen auf einige Grad Celsius (das Kondensat wird abgeleitet) und anschließendes Wiedererwärmen, um die relative Feuchte zu senken. Eine weitergehende Trocknung erfolgt mitunter adsorptiv (Kieselgel, Molekularsiebe), insbesondere vor der Kryotechnik. Das Kondensat enthält gelöstes H₂S und andere Verbindungen und muss daher vorschriftsgemäß entsorgt werden.

Siloxane und VOC

Siloxane kommen in Kosmetika, Waschmitteln und Pflegemitteln vor und gelangen daher vor allem aus Siedlungsabfällen, Klärschlamm und Deponiegas ins Biogas; in landwirtschaftlichem Biogas sind sie deutlich seltener. Bei der Verbrennung im Motor bilden sie Silikatablagerungen, bei der Aufbereitung verunreinigen sie Membranen und Sorbentien. Sie werden mit Aktivkohle oder speziellen Adsorbentien entfernt, und das Bett wird nach Erschöpfung ausgetauscht. VOC (aromatische Kohlenwasserstoffe, Terpene, Halogenverbindungen) adsorbieren ebenfalls an Aktivkohle. Ihre Konzentration hängt vom Substrat ab – z. B. können Abfälle aus der Obstverarbeitung oder Silagen Terpene enthalten.

Ammoniak und Partikel

Ammoniak im Biogas wird in der Regel beim Abkühlen und bei der Kondensation sowie im Wäscher entfernt. Koaleszenzfilter halten Aerosole (Öl, Tröpfchen) zurück, die Membranen oder Sorbens blockieren könnten.

Reihenfolge der Geräte

Typische Reihenfolge: Fermenter (biologische Entschwefelung) → Abkühlung und Kondensation → Vorverdichter → erneute Kühlung und Kondensatabscheidung → Koaleszenzfilter → Aktivkohlebett (H₂S, VOC, Siloxane) → Aufbereitung. Wichtig ist, dass die Aktivkohle in Gas mit niedriger relativer Feuchte arbeitet, denn Feuchtigkeit verringert ihre Sorptionskapazität.

Beispiel: Austausch des Kohlebetts

Annahmen: 800 m³/h Biogas, Feinreinigung von H₂S von 100 ppm auf unter 2 ppm. Zu entfernende H₂S-Masse: 100 ppm × 800 m³/h = 0,08 m³/h H₂S ≈ 0,08 × 1,54 kg/m³ ≈ 0,12 kg/h, also ca. 990 kg pro Jahr bei 8000 h. Hat die Kohle eine Arbeitskapazität von ca. 15% der H₂S-Masse (illustrative Annahme – der Wert hängt von Produkt und Bedingungen ab), werden ca. 6,6 t Kohle pro Jahr benötigt. Diese Masse zeigt, dass hohe H₂S-Konzentrationen vor der Kohle besser mit günstigeren Methoden reduziert werden sollten und die Feinreinigung für das Ende bleibt.

Planungsfehler

• Vernachlässigung der Schwankung der Biogaszusammensetzung (neue Substrate erhöhen H₂S).
• Fehlende Redundanz – ein Bett bedeutet Stillstand beim Austausch.
• Unterschätzung des Einflusses der Luft aus der biologischen Entschwefelung auf den O₂- und N₂-Gehalt.
• Zu geringe Kühlung, die zu Kondensation im Verdichter führt.
• Fehlende H₂S-Messungen vor und hinter dem Bett, was die Planung von Austauschen unmöglich macht.

Kontrolle und Dokumentation

Beauftragen Sie vor der Bestellung der Anlage eine Biogasanalyse über mindestens einige Betriebswochen unter Berücksichtigung verschiedener Substratmischungen und legen Sie auf dieser Grundlage die Auslegungskonzentrationen für H₂S, Siloxane und VOC mit Reserve fest. Führen Sie nach der Inbetriebnahme ein Protokoll der Bettwechsel und der Messergebnisse, denn das sind die Daten, die sowohl für die Wartungsplanung als auch für Garantiegespräche mit dem Lieferanten von Membranen oder Sorbens benötigt werden. Hersteller machen die Garantie in der Regel davon abhängig, dass das Eingangsgas in bestimmten Grenzen gehalten wird, sodass fehlende Dokumentation der Vorreinigung den Verlust der Garantie bedeuten kann.

Zusammenfassung

Eine gut ausgelegte Vorreinigung ist der günstigste Weg, die teuren Aufbereitungsmodule zu schützen. Messungen und ein Vorrat an Verbrauchsmaterialien sollten von Anfang an eingeplant werden.