Seitenkanalverdichter dosieren Prozessluft für die biologische Entschwefelung

SKVTechnik informiert:

Rohbiogas enthält neben Methan und Kohlendioxid häufig Schwefelwasserstoff. Die Konzentration hängt unter anderem von den eingesetzten Substraten, der biologischen Prozessführung und den Betriebsbedingungen im Fermenter ab.

Schwefelwasserstoff ist toxisch, korrosiv und kann nachgeschaltete Anlagenkomponenten belasten. Bei der Verbrennung können schwefelhaltige Verbindungen entstehen, die Motoren, Abgaswege und weitere Komponenten eines Blockheizkraftwerks angreifen. Eine ausreichende Entschwefelung gehört deshalb zu den wichtigen Schritten der Biogasaufbereitung.

Bei der biologischen Entschwefelung wird dem Prozess eine kontrollierte Menge Luft oder Sauerstoff zugeführt. Schwefeloxidierende Mikroorganismen nutzen den darin enthaltenen Sauerstoff und wandeln Schwefelwasserstoff in elementaren Schwefel beziehungsweise – abhängig von den Prozessbedingungen – in weitere oxidierte Schwefelverbindungen um.

Ein Seitenkanalverdichter kann die benötigte Prozessluft bereitstellen und über Rohrleitungen zu den vorgesehenen Einblasstellen fördern.

Prozessluft kontrolliert in das System einbringen

Für die biologische Entschwefelung wird nicht das Biogas durch den Seitenkanalverdichter gefördert. Die Maschine saugt Umgebungsluft an und stellt diese mit dem erforderlichen Volumenstrom und Überdruck zur Verfügung.

Die Luft wird über eine geeignete Dosiereinrichtung in den Gasraum des Fermenters, einen Gasspeicher oder einen separaten biologischen Entschwefelungsreaktor eingebracht. Die genaue Einblasstelle richtet sich nach der verfahrenstechnischen Ausführung der Anlage.

Damit die Mikroorganismen Schwefelwasserstoff oxidieren können, benötigen sie neben Sauerstoff geeignete Oberflächen beziehungsweise Besiedlungsbereiche und passende Umgebungsbedingungen. Dazu gehören unter anderem Feuchtigkeit, Temperatur und eine ausreichende Kontaktzeit.

Der Seitenkanalverdichter übernimmt dabei ausschließlich die Bereitstellung des Luftstroms. Die eigentliche Entschwefelung erfolgt durch den biologischen Prozess.

Luftmenge bedarfsgerecht dosieren

Die Luftzufuhr darf nicht pauschal festgelegt werden. Die benötigte Menge hängt insbesondere von der Schwefelwasserstoffkonzentration, dem Biogasvolumenstrom und dem Aufbau des Entschwefelungssystems ab.

Zu wenig Sauerstoff kann die biologische Umsetzung begrenzen. Eine zu hohe Luftzufuhr ist ebenfalls zu vermeiden, da dadurch unnötig viel Sauerstoff und Stickstoff in das Biogas gelangen können.

Besonders wichtig ist, dass durch die Luftzugabe keine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre entsteht. Die zulässige Luftmenge muss deshalb durch den Anlagenplaner beziehungsweise Betreiber auf Grundlage des Prozess- und Explosionsschutzkonzeptes festgelegt werden.

Eine geeignete Regelung kann den Luftvolumenstrom beispielsweise anhand folgender Mess- und Betriebsgrößen anpassen:

– aktueller Biogasvolumenstrom,
– Schwefelwasserstoffkonzentration vor der Entschwefelung,
– Schwefelwasserstoffkonzentration nach der Entschwefelung,
– Sauerstoffgehalt im Biogas,
– Methangehalt,
– Betriebszustand des Fermenters,
– Temperatur und Feuchtigkeit sowie
– Druckverhältnisse an der Einblasstelle.

Der Seitenkanalverdichter sollte nicht allein nach einem theoretischen Maximalwert ausgewählt werden. Maßgeblich ist der tatsächlich benötigte und regelbare Arbeitsbereich.

Volumenstrom und Überdruck gemeinsam auslegen

Der Seitenkanalverdichter muss den benötigten Luftvolumenstrom gegen den Widerstand des gesamten Leitungssystems fördern.

Zum erforderlichen Überdruck gehören unter anderem:

– Druck im Fermenter oder Entschwefelungsreaktor,
– Druckverluste in Rohrleitungen,
– Filter und Schalldämpfer,
– Rückschlagarmaturen,
– Regel- und Dosierventile,
– Durchflussmessgeräte sowie
– Einblasdüsen oder andere Einblaseinrichtungen.

Der maximale Volumenstrom und der maximale Überdruck einer Maschine stehen nicht gleichzeitig zur Verfügung. Die Auswahl muss deshalb anhand der Kennlinie des Seitenkanalverdichters am vorgesehenen Betriebspunkt erfolgen.

Für eine bedarfsgerechte Regelung kann – abhängig von Maschine und Anlagenkonzept – der Einsatz eines Frequenzumrichters geprüft werden. Alternativ können geeignete Regelarmaturen oder andere Dosiereinrichtungen verwendet werden.

Eine Regelung darf den Seitenkanalverdichter jedoch nicht in einen unzulässigen Betriebsbereich bringen. Mindestvolumenstrom, Motorbelastung, Temperaturentwicklung und zulässiger Differenzdruck müssen berücksichtigt werden.

Rückströmung von Biogas verhindern

Da die Luftleitung mit einem biogasführenden Anlagenbereich verbunden ist, muss verhindert werden, dass Biogas bei Stillstand, Druckschwankungen oder Störungen in Richtung des Seitenkanalverdichters zurückströmt.

Je nach Anlagenkonzept können dafür beispielsweise folgende Komponenten und Maßnahmen erforderlich sein:

– geeignete Rückschlagarmaturen,
– automatische Absperrventile,
– überwachte Dosierventile,
– Drucküberwachung,
– Gaswarntechnik,
– sichere Abschaltfunktionen sowie
– eine auf den Prozess abgestimmte Leitungsführung.

Die konkrete Ausführung richtet sich nach der Gefährdungsbeurteilung, dem Explosionsschutzdokument und den verfahrenstechnischen Anforderungen der Anlage.

Ein einfaches Rückschlagventil darf nicht automatisch als alleinige Schutzmaßnahme betrachtet werden. Die erforderliche Absicherung muss für den jeweiligen Anwendungsfall festgelegt werden.

ATEX-Anforderungen anhand des Aufstellortes prüfen

Auch wenn der Seitenkanalverdichter im bestimmungsgemäßen Betrieb Umgebungsluft fördert, kann sein Aufstellort explosionsschutztechnisch relevant sein.

Befindet sich die Maschine in einem explosionsgefährdeten Bereich, muss geprüft werden, welche ATEX-Kategorie und Gerätekonfiguration erforderlich sind. Dabei sind sowohl die äußere Atmosphäre als auch mögliche Rückströmungen aus dem Prozess zu berücksichtigen.

Für bestimmte Biogasanwendungen bietet SKVTechnik Seitenkanalverdichter in ATEX-II-3GD-Ausführung an. Ob diese Ausführung für den konkreten Aufstellort und die festgelegte Zone geeignet ist, muss projektbezogen geprüft werden.

ATEX-Ausführung und Korrosionsschutz sind dabei getrennte technische Themen. Der Explosionsschutz berücksichtigt mögliche Zündgefahren. Der Korrosionsschutz betrifft die Beständigkeit der Maschine gegenüber Feuchtigkeit, Kondensat und aggressiven Bestandteilen.

Feuchtigkeit und Korrosion berücksichtigen

Die angesaugte Umgebungsluft kann Feuchtigkeit enthalten. Darüber hinaus besteht bei einer Verbindung mit dem Biogassystem das Risiko, dass feuchtes Gas oder Kondensat in Richtung der Luftversorgung gelangt.

Schwefelwasserstoff und schwefelhaltiges Kondensat können korrosiv wirken. Bei Seitenkanalverdichtern sind enge Spaltmaße für Druckaufbau und Volumenstrom entscheidend. Korrosion an Innenflächen, Laufrädern, Schrauben oder weiteren Bauteilen kann deshalb die langfristige Funktionsfähigkeit beeinträchtigen.

Abhängig von Aufstellort, Feuchtigkeit und möglicher Medienbelastung können zusätzliche Schutzmaßnahmen geprüft werden. Dazu gehören beispielsweise:

– behandelte oder versiegelte Oberflächen,
– Anodisierung geeigneter Bauteile,
– korrosionsbeständige Verbindungselemente,
– abgedichtete Ausführungen,
– Maßnahmen gegen Kondensatbildung,
– Antikondensationsheizung sowie
– eine angepasste Schutzart des Motors.

Welche Maßnahmen sinnvoll und für die jeweilige Baugröße verfügbar sind, muss anhand der konkreten Betriebsbedingungen geprüft werden.

Messung und Überwachung gehören zum Prozess

Die biologische Entschwefelung ist kein statischer Prozess. Biogasproduktion und Schwefelwasserstoffkonzentration können sich mit Substratzusammensetzung, Temperatur, Belastung und biologischer Aktivität verändern.

Eine konstante, einmal eingestellte Luftmenge ist deshalb nicht unter allen Betriebsbedingungen ausreichend. Für einen stabilen und sicheren Betrieb sollten die maßgeblichen Gaswerte überwacht und die Luftzufuhr bei Bedarf angepasst werden.

Besonders relevant sind die Messung des Schwefelwasserstoffgehalts und die Überwachung des Sauerstoffanteils. Messstellen müssen so angeordnet und gewartet werden, dass sie den Prozesszustand möglichst zuverlässig abbilden.

Auch Luftvolumenstrom und Druck der eingeblasenen Prozessluft sollten kontrollierbar sein. Ein verschmutzter Ansaugfilter, veränderte Leitungswiderstände oder eine beeinträchtigte Einblasstelle können den tatsächlichen Luftstrom verändern.

Biologische Entschwefelung ersetzt keine Gesamtbetrachtung

Die biologische Entschwefelung kann die Schwefelwasserstoffbelastung des Biogases deutlich reduzieren. Der tatsächlich erreichbare Abscheidegrad hängt jedoch von der Ausgangskonzentration, der Dosierung, der Kontaktzeit, den biologischen Bedingungen und dem Aufbau der Anlage ab.

Je nach geforderter Gasqualität kann eine zusätzliche Feinentschwefelung erforderlich sein. Das gilt beispielsweise, wenn nachgeschaltete Motoren, Gasaufbereitungsanlagen oder andere Verbraucher besonders niedrige Schwefelwasserstoffwerte benötigen.

Eine belastbare Auslegung berücksichtigt daher den gesamten Weg des Biogases – vom Fermenter über die Entschwefelung und Gasförderung bis zum jeweiligen Verbraucher.

Das FAZ-Advertorial über ATEX-Seitenkanalverdichter für Biogasanlagen greift diese Gesamtbetrachtung auf und erläutert, warum Explosionsschutz, Korrosionsschutz und der konkrete Betriebspunkt gemeinsam bewertet werden müssen:

https://cmk.faz.net/cms/articles/20633/anzeige/unn/atex-seitenkanalverdichter-fuer-biogasanlagen-mit-korrosionsschutz

Technische Vorauswahl durch SKVTechnik

SKVTechnik unterstützt Betreiber, Anlagenplaner und Anlagenbauer bei der Vorauswahl geeigneter Seitenkanalverdichter für die Luftversorgung biologischer Entschwefelungsprozesse.

Für eine technische Vorauswahl sind insbesondere folgende Angaben hilfreich:

– Ausführung des Entschwefelungsprozesses,
– Ort der Lufteinblasung,
– Biogasvolumenstrom,
– Schwefelwasserstoffkonzentration vor der Behandlung,
– gewünschter Wert nach der Behandlung,
– erforderlicher Luftvolumenstrom,
– benötigter Überdruck an der Einblasstelle,
– vorhandener Gasdruck,
– Leitungslänge und Rohrdurchmesser,
– eingesetzte Regel- und Sicherheitsarmaturen,
– gewünschte Regelbarkeit,
– Feuchtigkeit und Temperatur,
– Aufstellort des Seitenkanalverdichters,
– ATEX-Zoneneinteilung sowie
– gewünschte Korrosionsschutzmaßnahmen.

Auf Grundlage dieser Angaben kann ein geeigneter Betriebspunkt bestimmt und die erforderliche Ausführung des Seitenkanalverdichters geprüft werden.

Weitere Informationen zu ATEX-Seitenkanalverdichtern für Biogasanlagen:

https://www.skvtechnik.de/biogas-seitenkanalverdichter/