Voorreiniging van biogas: H₂S, siloxanen, water en VOC vóór de opwerking

Voorreiniging van biogas bestaat uit het verwijderen, vóór de eigenlijke CO₂-scheiding, van die componenten die apparatuur vernietigen of het proces verstoren: waterstofsulfide (H₂S), water, siloxanen, vluchtige organische verbindingen (VOC), ammoniak en vaste deeltjes. Het is een fase die de beschikbaarheid van de installatie bepaalt en in budgetten vaak wordt onderschat. Een typische reeks is ontzwaveling in de vergister (biologisch of chemisch), drogen door afkoelen, filtratie en nabewerking op actieve kool.

Waterstofsulfide (H₂S)

De H₂S-concentratie in biogas uit drijfmest en kuilvoer is vaak van de orde van honderden ppm, en uit eiwitrijke en afvalsubstraten zelfs enkele duizenden ppm. H₂S veroorzaakt corrosie, vergiftigt sorbentia en vormt na verbranding zwavelzuren. Methoden:

1. Biologische ontzwaveling in de vergister – het inbrengen van een kleine hoeveelheid lucht (doorgaans tot enkele procenten van het biogasvolume) zorgt ervoor dat bacteriën H₂S oxideren tot elementaire zwavel. Het is eenvoudig en goedkoop, maar verhoogt het gehalte aan stikstof en zuurstof in het biogas, wat voor biomethaan van belang is, omdat het de mogelijkheid beperkt N₂ en O₂ in latere fasen te verwijderen.
2. Chemische ontzwaveling – dosering van ijzerzouten aan het substraat of de vergister bindt zwavel in de vorm van sulfiden.
3. Biologische en chemische wassers – afzonderlijke kolommen waarin H₂S wordt geoxideerd of geabsorbeerd.
4. Adsorptie op actieve kool of ijzeroxiden – nabewerking tot een niveau van enkele ppm.

In de praktijk wordt een combinatie toegepast: grove ontzwaveling in de vergister of kolom en eindbewerking op een bed.

Water

Biogas verlaat de vergister verzadigd met waterdamp. Drogen gebeurt door afkoelen tot enkele graden Celsius (het condensaat wordt afgevoerd) en vervolgens opwarmen om de relatieve vochtigheid te verlagen. Verder drogen wordt soms adsorptief uitgevoerd (silicagel, moleculaire zeven), vooral vóór cryogeniek. Het condensaat bevat opgelost H₂S en andere verbindingen, dus het moet overeenkomstig de regelgeving worden verwerkt.

Siloxanen en VOC

Siloxanen komen voor in cosmetica, wasmiddelen en verzorgingsproducten, dus ze komen in biogas terecht voornamelijk uit gemeentelijk afval, rioolslib en stortgas; in agrarisch biogas zijn ze aanzienlijk zeldzamer. Bij verbranding in een motor vormen ze silica-afzettingen, en bij opwerking verontreinigen ze membranen en sorbentia. Ze worden verwijderd met actieve kool of speciale adsorbentia, en het bed wordt na uitputting vervangen. VOC (aromatische koolwaterstoffen, terpenen, gehalogeneerde verbindingen) adsorberen eveneens op actieve kool. Hun concentratie hangt af van het substraat – bijv. afval van de verwerking van fruit of kuilvoer kan terpenen bevatten.

Ammoniak en deeltjes

Ammoniak in biogas wordt doorgaans verwijderd tijdens afkoeling en condensatie en in de wasser. Coalescentiefilters houden aerosolen (olie, druppels) tegen die membranen of sorbens zouden kunnen blokkeren.

Volgorde van apparatuur

Typische volgorde: vergister (biologische ontzwaveling) → afkoeling en condensatie → voorcompressor → verdere koeling en scheiding van condensaat → coalescentiefilter → bed van actieve kool (H₂S, VOC, siloxanen) → opwerking. Belangrijk is dat de actieve kool werkt in gas met een lage relatieve vochtigheid, want vocht verlaagt het sorptievermogen.

Voorbeeld: vervanging van het koolbed

Aannames: 800 m³/h biogas, nabewerking van H₂S van 100 ppm tot onder 2 ppm. Te verwijderen massa H₂S: 100 ppm × 800 m³/h = 0,08 m³/h H₂S ≈ 0,08 × 1,54 kg/m³ ≈ 0,12 kg/h, oftewel ca. 990 kg per jaar bij 8000 h. Als de kool een werkcapaciteit heeft van ca. 15% van de massa H₂S (illustratieve aanname – de waarde hangt af van product en omstandigheden), is ca. 6,6 t kool per jaar nodig. Deze massa wijst erop dat hoge H₂S-concentraties het beste met goedkopere methoden vóór de kool kunnen worden verlaagd, en dat de nabewerking voor het einde moet worden bewaard.

Ontwerpfouten

• Het negeren van de variabiliteit van de biogassamenstelling (nieuwe substraten verhogen H₂S).
• Gebrek aan redundantie – één bed betekent stilstand bij vervanging.
• Onderschatting van de invloed van lucht uit biologische ontzwaveling op het O₂- en N₂-gehalte.
• Te geringe koeling, die condensatie in de compressor veroorzaakt.
• Gebrek aan H₂S-metingen vóór en na het bed, wat het plannen van vervangingen onmogelijk maakt.

Controle en documentatie

Laat vóór het bestellen van de installatie een biogasanalyse uitvoeren van ten minste enkele weken bedrijf, rekening houdend met verschillende mengsels van substraten, en stel op die basis de ontwerpconcentraties voor H₂S, siloxanen en VOC met een marge vast. Houd na de ingebruikname een logboek bij van bedvervangingen en meetresultaten, want dat zijn gegevens die nodig zijn zowel voor de planning van het onderhoud als voor garantiegesprekken met de leverancier van membranen of sorbens. Fabrikanten maken de garantie doorgaans afhankelijk van het binnen bepaalde grenzen houden van het ingangsgas, dus het ontbreken van documentatie van de voorreiniging kan verlies van de garantie betekenen.

Samenvatting

Goed ontworpen voorreiniging is de goedkoopste manier om dure opwerkingsmodules te beschermen. Het is raadzaam metingen en een voorraad verbruiksmaterialen van het begin af aan te plannen.