Wytwarzany w biogazowniach rolniczych biogaz, najczęściej wykorzystywany jest w silnikach kogeneracyjnych. Urządzenia te umożliwiają równoczesną produkcję energii elektrycznej i ciepła. Należy jednak pamiętać, że przed jego przetworzeniem w energię, konieczne jest odpowiednie oczyszczenie podawanego do silnika gazu. Wynika to z faktu iż biogaz nasycony jest parą wodną i może zawierać śladowe ilości siarkowodoru (H2S). Połączenie tych dwóch gazów ze sobą powoduje powstawanie kwasu siarkowego, który wpływa negatywnie nie tylko na silniki, ale również na pozostałe elementy instalacji np. na instalacje doprowadzającą biogaz i elementy odprowadzające spaliny itp. W związku z tym konieczne jest odsiarczenie i wysuszenie wytworzonego w trakcie procesu fermentacji metanowej biogazu. Należy również pamiętać, że gaz podawany na silnik kogeneracyjny musi spełniać odpowiednie parametry (tabela 1).
Parametr | Wartość |
Zawartość metanu | 40-70% |
Zawartość siarkowodoru | < 200 ppm |
Wilgotność względna | < 80 rH%/°C |
Temperatura gazu | 10-30 °C |
Zawartość tlenu | <2% |
Zawartość siarki | <200 mg/m3 |
Zawartość amoniaku | < 30 mg/m3 CH4 |
Podstawowe parametry biogazu wykorzystywanego w kogeneratorach firmy Horus [Piechota G. Jakość biogazu a wymogi kogeneracji w instalacji CHP…, 2017]
Odpowiednie przygotowanie biogazu do spalenia, pozwala uniknąć większej częstotliwości konserwacji lub nawet całkowitego uszkodzenia silnika. Przekłada się to na zmniejszenie kosztów serwisowych wykorzystywanego w biogazowni urządzenia.
Odsiarczanie biogazu
Aktualnie wyróżnia się kilka metod odsiarczania, które wykorzystywane są w instalacjach biogazowych w całej Europie. Wyróżnia się między innymi metody biologiczne i chemiczne. Dodatkowo mogą one być stosowane bezpośrednio w zbiorniku fermentacyjnym lub poza nim. Należy również zwrócić uwagę, że oprócz składu wytworzonego biogazu na przebieg procesu odsiarczania ma wpływ także jego przepływ przez instalację. Po dodaniu świeżego substratu i przy intensywnym systemie mieszania obserwuję się dynamiczną produkcję biogazu, a co za tym idzie także wzrost przepływu w całym układzie. W związku z tym konieczne jest odpowiedni dobór technologii oczyszczania.
Odsiarczanie biologiczne w zbiorniku fermentacyjnym
Jednym z najpopularniejszych sposobów odsiarczania w biogazowniach jest wykorzystanie metod biologicznych bezpośrednio w zbiornikach fermentacyjnych. Polega na wykorzystaniu bakterii Sulfobacter oxydans, które pozwalają przekształcić wytwarzany siarkowodór w proste związki siarki. W tym celu konieczne jest doprowadzenie minimalnych ilości tlenu do wnętrza fermentora. Odbywa się to poprzez zastosowanie dodatkowego systemu wdmuchiwania powietrza do zbiornika biogazu przy wykorzystaniu kompresora. Do zastosowania tego systemu nadają się wszystkie fermentory posiadające odpowiednią przestrzeń pozwalającą na gromadzenie się biogazu. Zaletą tego systemu usuwania siarkowodoru jest korzystna cena oraz fakt, iż technologia ta nie wymaga częstych konserwacji. Jednakże, w celu prawidłowego namnożenia mikroflory bakteryjnej konieczne jest stworzenie dodatkowych powierzchni narostowych. Nadają się do tego przede wszystkim konstrukcje drewniane np. stropy belkowe ale również specjalne kraty zainstalowane na stropach. Należy również pamiętać, że na rozwój bakterii siarkowych mogą wpływać negatywnie wahania temperatury, zależne od pory roku. Ponadto dla tego systemu odsiarczania nie istnieje możliwość precyzyjnej optymalizacji procesu rozkładu siarki oraz obserwowana jest silna korozja elementów konstrukcji zbiorników fermentacyjnych znajdujących się w przestrzeni przeznaczonej do magazynowania gazu.
Odsiarczanie biologiczne poza fermentorem

poza zbiornikiem fermentacyjnym
[Źródło: www.aat-biogas.at]
Inną metodą biologicznego odsiarczania biogazu, pozwalającą niwelować wady omówionego wcześniej sposobu, jest zastosowanie procesów oczyszczania poza zbiornikiem fermentacyjnym. Systemy oferowane przez firmy pozwalają na dokładniejszą kontrolę parametrów i warunków odpowiednich do rozwoju bakterii np. ilość dopływającego powietrza, temperatura itp. Wydajność oczyszczania biogazu z siarkowodoru, w omawianych systemach, sięga ponad 99%. Dodatkową zaletą wykorzystania metody biologicznej poza fermentorem jest minimalizacja ryzyka związanego z doprowadzeniem tlenu do procesu fermentacyjnego oraz ograniczenie korozji elementów konstrukcji zbiorników, znajdujących się w przestrzeni magazynującej biogaz. Należy również pamiętać, że możliwe jest również wykorzystanie powstałej siarki w celach nawozowych poprzez ponowne doprowadzenie jej do pulpy pofermentacyjnej. Do wad omawianego systemu należy jednak zaliczyć koszty związane z wykonaniem dodatkowej instalacji odsiarczającej oraz koszty jej konserwacji.
Odsiarczanie chemiczne w zbiorniku fermentacyjnym
Obok metod biologicznych w technikach odsiarczania biogazu, zastosowanie znajdują również metody chemiczne. Polegają one do podawaniu, najczęściej razem z substratami, substancji, które wiążą się chemicznie z siarką i ograniczają powstawanie siarkowodoru. W tym celu zastosowanie znajdują m. in. sole żelaza (np. chlorek żelaza III, chlorek żelaza II) i wodorotlenek żelaza. Zaletą tego rozwiązania jest brak konieczności stosowania dodatkowych zewnętrznych elementów instalacji. Ponadto, podobnie jak w przypadku zewnętrznego oczyszczania biologicznego nie występuje zagrożenie utlenienia metanu w zbiorniku fermentacyjnym oraz minimalizowane jest zagrożenie silnej korozji elementów konstrukcyjnych. Bardzo często wewnętrzne odsiarczanie chemiczne stosowane jest równolegle z biologicznym odsiarczaniem wewnątrz fermentora. Dodatkowo, powstający w wyniku reakcji chemicznych siarczek żelaza, przy zastosowaniu pulpy pofermentacyjnej w celach nawozowych, może zwiększyć stężenie żelaza w glebie. Wadą omawianego systemu jest natomiast podwyższenie kosztów związanych z ciągłym stosowaniem środków chemicznych.
Odsiarczanie chemiczne poza zbiornikiem fermentacyjnym
Ostatnim sposobem oczyszczenia biogazu z siarkowodoru jest wykorzystanie zewnętrznych metod chemicznych. Technologie te wykorzystują najczęściej ług sodowy lub wodorotlenek sodu i pozwalają na odsiarczenie biogazu do poziomu powyżej 95%. Innymi powszechnie stosowanymi złożami adsorpcyjnymi są ruda darniowa, ruda żelazowa oraz węgiel aktywowany. Obecnie, inwestorzy coraz chętniej poszukują materiałów odnawialnych, pozwalających na regenerację i ponowne wykorzystanie w instalacji. Systemy stosowane w chemicznym oczyszczaniu zewnętrznym pozwalają na przepływ gazu w zakresie od 10 do nawet 1200 m3/h. Wadą tego rodzaju oczyszczania jest wysoki koszt budowy i utrzymania całego systemu (co wynika z konieczności przeprowadzania dodatkowych konserwacji układu).
Wybór optymalnej metody w zależności od składu substratów i efektywności spalania”
Wybór odpowiedniego systemu oczyszczania biogazu z siarkowodoru jest jednym z kluczowych zadań na etapie projektowania instalacji biogazowej. Nieodpowiednie przygotowanie gazu przed podaniem go spalaniu, może skutkować utratą gwarancji producenta kogeneratora, a w najgorszym przypadku nawet jego awarią. Należy jednak pamiętać, że dobór właściwej metody odsiarczania zależy od substratów wykorzystywanych w procesie fermentacji. W przypadku wysokiej zawartości H2S w biogazie najbardziej uzasadnione ekonomiczne są metody mikrobiologiczne, natomiast w średnich i mały zakresach najkorzystniejsze jest zastosowanie metod chemicznych, które dodatkowo są znacznie mniej wrażliwe na zmienność składu czy przepływu gazu oraz nie generują odcieków procesowych. W niektórych przypadkach konieczne jest zastosowanie wielostopniowych i mieszanych systemów oczyszczania (kombinacji metod chemicznych i mikrobiologicznych), które pozwalają na niemal całkowitą redukcję H2S w gazie podawanym do silnika kogeneracyjnego.