DESOTEC Innovation: kostengünstige Beseitigung von Schwefelwasserstoff

Es ist eine bekannte Tatsache, dass jede Aktivkohle im gewissem Grad Schwefelwasserstoff aus Biogas entfernt. Schwefelwasserstoff wird auf der internen Kohlenstoffoberfläche adsorbiert und kann dort in Gegenwart von Sauerstoff zu Schwefel oxidiert werden. Aschebestandteile wie Eisenoxid können die Beseitigung von H₂S beschleunigen und verbessern. Die H₂S-Beseitigungskapazität einfacher Aktivkohle ist normalerweise gering und deshalb nicht attraktiv. Für die kostengünstige Beseitigung von Schwefelwasserstoff aus Biogas werden die Beseitigungskapazitäten und -raten gesteigert, indem man die Aktivkohle mit geeigneten Chemikalien imprägniert.

DESOTECs Forschungsteam aus Chemikern und Ingenieuren untersuchte verschiedene Basismaterialien, verschiedene Salze, Metalloxide oder Laugen und Imprägnierungsarten, um die Schwefelwasserstoffbeseitigungseigenschaften der bei der Biogasreinigung verwendeten Produkte zu verbessern.

Schwefelwasserstoffentfernungsprozess

Bei der Entfernung von Schwefelwasserstoff wird H₂S zunächst physikalisch in das adsorbierte Wasser absorbiert und durchläuft dabei folgende Dissoziationsreaktionen:

H₂S (g) + H₂O   ↔        H₂S (aq)

H₂S (aq)           ↔         H⁺ + HS^-

HS^-                  ↔         H⁺ + S^2-

Die Bildung von Schwefel und Wasser erfolgt durch Sulfidoxidation in Gegenwart von freiem Sauerstoff:

Hauptreaktionen:

2 H₂S + O₂ ↔ ¼ S₈ + 2 H₂O       (1)

2 H₂S + 3 O₂ ↔ 2 SO₂ + 2 H₂O  (2)

2 H₂S + SO₂ ↔ 3 S + 2 H₂O      (3)

Nebenreaktionen:

¼ S₈ + 2 O₂ → 2 SO₂

2 SO₂ + O₂ + 2 H₂O → 2 H₂SO₄

Bei niedrigen Temperaturen tritt am wahrscheinlichsten Reaktion (1) auf. Die Schwefelwasserstoffbeseitigungskapazität einer Aktivkohle hängt von den Bedingungen ab, unter denen das Produkt verwendet wird, wie:

• Relative Luftfeuchtigkeit;
• Stoffmengenverhältnis von H₂S zu O₂;
• Temperatur;
• Schwefelbeladung  der Aktivkohle (und damit Porenvolumen);
• Art der Imprägnierung;
• sowie andere Betriebsparameter.

DESOTECs Forschungs- und Entwicklungsteam führte zahlreiche Untersuchungen durch, um eine Aktivkohle mit ganz besonderen Eigenschaften hinsichtlich der Beseitigung von H₂S aus Biogas zu entwerfen, zu entwickeln und zu produzieren. Die Beseitigung von Schwefelwasserstoff aus Biogas kann am nassen Biogas erfolgen, das den Faulbehälter verlässt, oder am getrockneten Gas. Da der erste Schritt des Prozesses zur Beseitigung von H₂S die Absorption des H₂S ins adsorbierte Wasser ist, ist es wichtig, die Auswirkungen der relativen Luftfeuchtigkeit auf den Biogasreinigungsprozess zu verstehen.

Abbildung 1 Wasserdampfadsorption bei 20 °C	Wie viel Wasser von Aktivkohle adsorbiert wird, hängt von der relativen Luftfeuchtigkeit und der Temperatur des Gases ab. Das Wasserdampfadsorptionsgleichgewicht von Aktivkohle weist normalerweise eine Hysterese auf. Größe und Form des Hysteresekreislaufs, der den Adsorptions- und den Desorptionszweig trennt, sind stark von der Porengröße und vom Zusammenhang der Poren und damit vom Rohmaterial und vom Aktivierungsprozess bei der Herstellung des Produkts abhängig. Abbildung 1 zeigt das Wasserdampfadsorptionsgleichgewicht von AIRPEL 10-3 bei 20 °C.Verschiedene Aktivkohleprodukte wurden in dynamischen Pilottests hinsichtlich der H2S-Beseitigung bei unterschiedlichen Luftfeuchtigkeitswerten erprobt. Abbildung 10 zeigt typische H2S-Durchbruchskurven für eines der getesteten Entwicklungsprodukte, die bei verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten erzielt wurden. Die Ergebnisse lassen auf eine schnellere H2S-Beseitigungskinetik bei höherer Luftfeuchtigkeit schließen.Sobald der Schwefelwasserstoff im adsorbierten Wasser absorbiert ist, kann er zu Schwefel oxidiert werden. Die Bildung von Schwefel und Wasser erfolgt durch Sulfidoxidation in Gegenwart von freiem Sauerstoff.Aus den obigen Oxidationsreaktionen lässt sich schließen, dass sich das Stoffmengenverhältnis von H2S zu O2 auf die Gesamtbeseitigungskinetik auswirkt. Abbildung 3 zeigt die H2S-Durchbruchskurven eines der Entwicklungsprodukte. Durch Veränderung der Rezeptur des Produkts, das bei diesem ersten Test verwendet wurde, fand unser Forschungs- und Entwicklungsteam eine Möglichkeit, die Gesamtleistung unserer Produkte für die Anwendung zu verbessern. Die Ergebnisse der H2S-Durchbruchskurve unter ähnlichen Bedingungen werden in Abbildung 4 gezeigt. Auf der Grundlage unserer Forschung entwickelten wir schließlich AIRPEL® ULTRA DS, eine extrudierte imprägnierte Aktivkohle mit verbesserter Adsorptionskapazität für Schwefelverbindungen eigens für Luft- und Gasreinigungsanwendungen. Unter den richtigen Bedingungen können Beladungskapazitäten von über 100 Gewichts-% Schwefel erreicht werden.
Abbildung 2 Typische H2S-Durchbruchskurven
Abbildung 3 Typische H2S-Durchbruchskurven
Abbildung 4 Typische H2S-Durchbruchskurven

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In den DESOTEC-Standorten wird die gesamte verbrauchte Aktivkohle analysiert, damit die richtigen Maßnahmen zur Handhabung und Entfernung der gesättigten Aktivkohle aus den mobilen Filtern eingeleitet werden können. Alle Moleküle, die beim Kunden in der Aktivkohle adsorbiert wurden, werden in den Reaktivierungsöfen von DESOTEC desorbiert. Diese Verunreinigungen werden dann im Einklang mit den nationalen und europäischen Gesetzgebungen durch eine Nachverbrennungsanlage samt Abgasreinigung vollständig zerstört. Die Gesamtanlagen und ihre Emissionen werden kontinuierlich online überwacht, wodurch sichergestellt wird, dass nur harmloser Wasserdampf sichtbar aus den Kaminen entweicht.