Waterwassing bij de opwerking van biogas: werkingsprincipe en waterbalans

Waterwassing (water scrubbing) is een fysische absorptie van CO₂ in water, uitgevoerd in een kolom onder een druk van 5–10 bar. De oplosbaarheid van CO₂ in water is meerdere malen hoger dan die van methaan (bij kamertemperatuur ongeveer 25 keer), waardoor water voornamelijk CO₂ opneemt en methaan de kolom als biomethaan verlaat. Vervolgens wordt het water geregenereerd in een desorptiekolom en keert het terug in het circuit. De methode is conceptueel eenvoudig, bestand tegen verontreinigingen en wordt veel toegepast in grotere installaties.

Schema van de installatie

1. Compressie – biogas wordt gecomprimeerd tot enkele tot tientallen bar en gekoeld.
2. Absorptiekolom – biogas stroomt van onderaf, water van bovenaf, in tegenstroom. Het vulmateriaal vergroot het contactoppervlak. Aan de bovenkant wordt biomethaan, verzadigd met vocht, opgevangen.
3. Flash-tank – water verzadigd met CO₂ gaat naar een tank met verlaagde druk. Er komt gas vrij dat rijk is aan opgelost methaan, dat voor de compressor wordt teruggevoerd om verliezen te beperken.
4. Desorptiekolom (stripping) – water komt in tegenstroom met lucht. De lucht spoelt CO₂ (en een deel H₂S) uit, en het gereinigde water keert terug naar de absorptie, meestal na afkoeling.
5. Drogen van biomethaan – het gas na de wassing is vochtig en vereist daarom droging voordat het in het net wordt ingevoed.

Water- en temperatuurbalans

Water circuleert in een gesloten circuit, maar een deel gaat verloren door verdamping en ontmenging, dus moet het worden aangevuld. De behoefte aan suppletiewater is gering in vergelijking met het circuit, maar is wel van belang in gebieden met beperkte waterbeschikbaarheid. De temperatuur is belangrijk: hoe kouder het water, hoe beter de oplosbaarheid van CO₂, dus koeling beïnvloedt de efficiëntie en het energieverbruik.

Waterstofsulfide en verontreinigingen

Waterwassing verwijdert gedeeltelijk H₂S, dat ook in water oplost, maar bij het strippen wordt het naar het off-gas geblazen. Dit veroorzaakt corrosie en geurhinder, dus in de praktijk wordt voorontzwaveling toegepast. Het water in het circuit bevordert de groei van micro-organismen, wat kan leiden tot vervuiling van het vulmateriaal, verminderde efficiëntie en de noodzaak van spoelen of het doseren van biociden.

Methaanverliezen en off-gas

Methaanverliezen in moderne wassers liggen doorgaans in het bereik van 0,5–1,5%. Het off-gas uit de stripper bestaat uit lucht met CO₂, sporen van CH₄ en H₂S, dat moet worden gereinigd of verbrand als het aan emissie- en geureisen moet voldoen. Een te agressieve beperking van methaanverliezen verhoogt het energieverbruik (grotere recirculaties, intensievere flash).

Energie

De behoefte aan elektrische energie is vergelijkbaar met membranen en PSA – in de orde van 0,2–0,3 kWh/m³ biogas. De belangrijkste verbruikers zijn de compressor, circulatiepompen en de stripventilator. Proceswarmte is niet nodig.

Voordelen en beperkingen

Voordelen: geen chemicaliën, hoge tolerantie voor wisselende samenstelling van biogas, mogelijkheid tot gedeeltelijke verwijdering van H₂S, stabiele werking bij een breed scala aan belastingen, lage eisen aan de zuiverheid van het ingangsgas.

Beperkingen: grote afmetingen van de kolommen, behoefte aan water en koeling, iets hogere methaanverliezen dan bij aminewassing, biologie in het circuit, emissies uit off-gas, minder rendabel bij kleine schaal.

Illustratief voorbeeld

Aannames: 800 m³/h biogas, 53% CH₄ (424 m³/h CH₄), 8000 h/jaar. Bij een verlies van 1,0% gaat 424 × 0,01 × 8000 ≈ 33.900 m³/jaar verloren (ca. 340 MWh). Als een betere terugvoer het verlies tot 0,3% zou verlagen, daalt het verlies tot ongeveer 10.000 m³/jaar. De waarde van het vermeden verlies bij een aangenomen prijs van 200 zł/MWh bedraagt circa 47.000 zł per jaar – dit vormt de basis voor het onderhandelen over garanties.

Wanneer waterwassing zinvol is

• Bij grote schaal (enkele honderden tot enkele duizenden m³/h biogas).
• Als het biogas een wisselende samenstelling heeft of H₂S bevat, waardoor een tolerante technologie nodig is.
• Als water en ruimte voor kolommen beschikbaar zijn, maar er geen goedkope warmte voor aminewassing is.

Exploitatie van het watercircuit

De meest voorkomende operationele problemen zijn biofilm en afzettingen in het vulmateriaal van de kolommen, schuimvorming en kalkaanslag bij hard suppletiewater. Preventie bestaat uit waterbehandeling, periodiek spoelen en controle van de kwaliteit van het circuit (pH, geleidbaarheid, zwevende stoffen). Het is ook belangrijk om te controleren of de koeling van het circuit is voorzien voor de zomer, omdat een temperatuurstijging van enkele graden de oplosbaarheid van CO₂ verslechtert en het energieverbruik verhoogt. In de winter is er risico op bevriezing van hulpleidingen. Afvalwater uit ontmenging wordt meestal afgevoerd volgens de watervergunning, dus de hoeveelheid en samenstelling ervan moeten in de ontwerpfase worden afgestemd, niet na ingebruikname.

Samenvatting

Waterwassing is een ongecompliceerde, robuuste technologie waarbij het belangrijkste aandachtspunt het beheer van water en off-gas is. Bij het ontwerp is het raadzaam om vanaf het begin verbranding of terugwinning van methaan uit off-gas te plannen.