Übersicht über etablierte Biogasentschwefelungsverfahren

I Einführung

Derzeit werden in Deutschland weit mehr als 5000 Biogasanlagen betrieben, wobei eine starke Differenzierung hinsichtlich der Größe und Art der Inputströme zu erkennen ist. Ein Großteil der Anlagen wird mit landwirtschaftlichen Reststoffen und nachwachsenden Rohstoffen (NawaRO) beschickt. Etwa 100 Biogasanlagen (> 5.000 Mg Input/a) vergären kommunal getrennt erfasste Bioabfälle sowie, zusätzlich zum Abfallrecht dem Veterinärrecht unterliegende, Speise- und Lebensmittelabfälle¹. Schwefelwasserstoff (H2S) wird neben Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) im Verlauf der Methanbildungsphase durch sulfatreduzierende Bakterien gebildet:

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X - weitere Spurenstoffe

In Abhängigkeit vom eingesetzten Substrat bzw. der Proteinladung des Aufgabegutes, unterliegt der Schwefelgehalt im Rohbiogas großen Schwankungen. Biogas aus land- wirtschaftlichen Anlagen kann einen Schwefelwasserstoffgehalt von 100 - 3000 ppm aufweisen ². Je nach Verwendung des Faulgases, erfolgt eine Aufbereitung mit dem Ziel die wirtschaftlichen und ökologischen Eigenschaften der Anlage zu verbessern. Auch rechtliche Regelungen und Industrienormen (DIN, DVGW) haben Einfluss auf die Biogasaufbereitung. So wird in der 1. BImSchV ein Volumengehalt an Schwefelver- bindungen von weniger als 1000 ppm für Biogas als Brennstoff in Feuerungsanlagen gefordert¹. Soll das Biogas im Anschluss in vorhandene Erdgasnetze eingespeist wer- den, bedingt es weiterer Reduktionen (< 5 mg/Nm³ )². Nachfolgend wird ein Überblick über verschiedene am Markt verfügbare Biogasentschwefelungsverfahren (BEV) mit den entsprechenden verfahrenstechnischen Eigenheiten erarbeitet.

II Verfahrensübersicht

Die am Markt verfügbaren BEV lassen sich je nach Betrachtungsweise in verschiedene Kategorien einteilen. In Abb.1 erfolgte eine Charakterisierung anhand der den unterschiedlichen BEV zugrundeliegenden Verfahrensprinzipien.

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Abb. 1: Verfahrensklassen

Grundlegend lassen sich die BEV wie folgt einteilen und charakterisieren:

- chemisch adsorptive Trockenentschwefelung
- biologische Oxidation
- chemisch/physikalische Adsorption
- chemische Fällung

Eine Entschwefelung kann sowohl im Biogasreaktor selbst (intern), als auch in separaten Entschwefelungseinheiten (extern) durchgeführt werden. Ferner ist eine Einteilung in gerichtete und ungerichtete Verfahren möglich.

a) Chemisch adsorptive Trockenentschwefelung

Die chemisch adsorptive Trockenentschwefelung ist ein seit Jahrzehnten bekanntes BEV. Der Schwefel wird hierbei chemisch durch den Einsatz von Raseneisenerz gebunden und so dem Gastrom entzogen. Durch die Reaktion von Schwefelwasserstoff mit Raseneisenerz entstehen Pyrit und Wasser:

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Die Raseneisenerzschüttung befindet sich in einem externen Entschwefelungsturm und wird von unten durchströmt. Durch die chemische Umsetzung wird das eingesetzte Ra- seneisenerz “verbraucht“ und muss durch Oxidation mit Sauerstoff regeneriert werden:

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Bei der chemisch adsorptiven Trockenentschwefelung handelt es sich um ein sehr effizientes Verfahren mit dem, je nach Menge des eingesetzten Raseneisenerz, H2S-Kon- zentrationen von 1 ppm erzielt werden können ³.

b) Biologische Oxidation

Durch eine geregelte Zufuhr von Sauerstoff können reduzierte Schwefelverbindungen durch spezielle Mikroorganismen (z.B. Thiomicrospira sp. und Thiobacillus sp.) oxidiert werden⁴. Dies kann sowohl im Fermenter, als auch außerhalb in Entschwefelungskolonnen erfolgen (s. Abb. 2).

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Abb. 2: Biologische Biogasentschwefelung

Bei der internen Biogasentschwefelung wird die mikrobielle Oxidation durch Einleitung von Sauerstoff in den Fermenter initialisiert. Folgende Reaktionspfade sind relevant:

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¹ 1. BImSchV (idF v. 26.01.2010) §3 Abs. 11

² DVGW G260