Hauggas (biogas) verður til við loftfirrta gerjun á lífrænu efni. Auk metans (CH4) sem myndað er af metanbakteríum þá losna ýmis önnur efni úr gerjunarmassanum sem gas. Mikilvægust þessara efna eru koldíoxíð og vatn. Koldíoxíðið (CO2) verður til sem niðurbrotsefni en vatnið losnar við uppgufun úr gerjunarmassanum. Algengur styrkur metans í hauggasi er um 60% en mestur hluti þess sem eftir stendur er koldíoxíð og vatn. Til að auka styrk metans í gasinu er þessi efni því fjarlægð úr því. Ýmsar aðferðir eru til að fjarlægja koldíoxíð úr hauggasinu og er þeim helstu lýst hér á síðunni. Vatn er einnig hægt að fjarlægja með nokkrum aðferðum. Með því að fjarlægja vatn úr hauggasinu eykst styrkur metans, en auk þess getur vatn með öðrum efnum svo sem brennisteinsvetni (H2S) valdið tæringu í búnaði. Fyrir utan koldíoxíð og vatn geta verið ýmis aukaefni sem nauðsynlegt er að fjarlægja. Hvaða efni eru til staðar ræðst að mestu af því hráefni sem notað er til gerjunarinnar. Hreinsiþörfin er einnig breytileg eftir notkun gassins (sjá töflu).

Með hreinsun nást fram jafnari gæði á gasinu sem gerir það að áreiðanlegri orkugjafa.

Hreinsun á biogasi – fjarlæging aukaefna
Brennisteinsvetni
Brennisteinsvetni (H2S) myndast þegar efni sem innihalda brennistein gerjast. Brennisteinsvetnið er fjarlægt vegna þess að það veldur tæringu á flestum málmum. Tæringin eykst við aukinn raka og því eru þessi efni oftast fjarlægð áður en gasið fer um vélbúnað. Aukning á þrýstingi og hitastigi veldur einnig meiri tæringu. Hreinsunina er hægt að samtvinna við hreinsun á koldíoxíði en yfirleitt er brennisteinsvetnið fjarlægt sérstaklega. Hægt er að fjarlægja brennisteinsvetnið úr gerjunartanki eða úr biogasinu og eru nokkrar aðferðir nefndar hér.

Járnklóríð
Járnklóríði er bætt út í gerjunartank og járnsúlfíð myndast. Járnsúlfíðið er síðan fjarlægt í lok gerjunar. Á þennan hátt má minnka magn brennisteinsvetnis úr 2000 ppm í um 100 ppm. Ókostir aðferðarinnar er sú að erfitt er að segja til um magn járnklóríðs sem þarf og því oft notað talsvert umframmagn til að tryggja lágmarksmagn brennisteinsvetnis. Kostirnir eru hinsvegar þeir að biogasframleiðsla verður meiri þar sem brennisteinsvetni hægir á gerjunarferlinu.

Oxað járn
Þessi aðferð hreinsar brennisteinsvetnið úr hauggasinu eftir að gerjun hefur átt sér stað. Hauggasið er leitt í gegnum rými með ryðguðu járni. Hægt er að nota keðjur eða annað sem fellur til og er ryðgað. Brennisteinsvetnið sest utan á járnið og myndar lag.Til að efnahvarfið geti gengið þarf vatn og því er nauðsynlegt að það hafi ekki verið fjarlægt úr gasinu áður. Efnahvarfið er lítillega innvermið og er því krafist lágmarkshita 12°C til að nægileg orka sé til staðar. Kjörskilyrði efnahvarfs er á milli 25 og 50°C [2]. Eftir því sem tíminn líður er minna brennisteinsvetni tekið upp og skipta þarf á járni. Hægt er að endurnýta járnið með því að láta loft flæða um það. Mikill hiti getur losnað við endurhæfinguna og því ákveðin hætta á sjálfíkveikju.

Upptaka með kolum
Í þessari aðferð er brennisteinsvetni tekið upp af kolum í sérstökum tanki. Notuð eru svokölluð virk kol sem eru sérstaklega gljúp og því mótækilegri fyrir upptöku efna. Kolin eru oft vætt með kalíum joðíði eða brennisteinssýru til að upptakan verði hraðari. Til að efnahvarf geti gengið þarf súrefni og er því hleypt inn í tankinn í hæfilegu magni. Mest upptaka á brennisteinsvetni verður við þrýsting sem nemur 7-8 bör og 50-70°C. Að lokinni upptöku má annað hvort skipta út nýjum kolum eða hreinsa kolin með köfnunarefni eða gufu og endurnota [3].

Súrefnisskömmtun
Lofti er hleypt inn í tank á gerjunarstigi. Brennisteinsvetni verður þá að brennisteini og myndar lag á gerjunarmassanum. Styrkleiki brennisteinsvetnis ræður því hversu miklu lofti er dælt inn en almennt er það um 2-6 % af biogas-innihaldi. Hafa ber í huga að biogas er eldfimt þegar súrefnismagn er um 6-12% (ræðst af metanmagni) og því skal allrar varúðar gætt. Aðferðin er einföld og skilvirk og getur magn brennisteinsvetnis minnkað um 95% og orðið minni en 50 ppm.

Natríum hýdroxíð
Í þessari er aðferð er brennisteinsvetni fjarlægt með því að láta biogas bobbla í gegnum natríum hýdroxíð lausn. Natríum hýdroxíðið tekur þá upp brennisteinsvetnið þangað til það er orðið mettað. Þá þarf að skipta um lausn. Natríum hýdroxíð tekur einnig upp koldíoxíð og þarf því að skipta um lausn fyrr en ella vegna þess magns af koldíoxíði sem er í biogasi. Orkugildi biogassins eykst við fjarlægingu koldíoxíðs.

Vatn
Biogasið er í upphafi mettað af vatni. Vatnsinnihaldið er breytilegt eftir þrýstingi, hitastigi og því hráefni notað var við gerjunina. Við 35°C er vatnsinnihald í gasinu um 5% [3]. Ef vatnsmagn er lítið í gasinu veldur það venjulega ekki vandamálum en skemmdir geta orðið á búnaði ef vatnsmagnið fer hækkandi. Einkum verða skemmdir á búnaði vegna þess að vatn myndar sýru með brennisteini eða koldíoxíði. Þessi sýra veldur tæringu á vélbúnaði og af þessum sökum er vatn í flestum tilfellum fjarlægt. Ýmsar aðferðir má nota til að fjarlægja vatn og eru nokkrar þeirra nefndar hér.

Kæling
Magn vatns í biogasi er háð þrýstingi og hitastigi. Gasið er mettað af vatni við þær aðstæður sem það er í ef jafnvægi hefur verið náð. Til að fjarlægja vatn úr biogasi er hægt að auka þrýsting og lækka hitastigið. Við þetta þéttist vatnið og skilst frá á fljótandi formi. Til að nýta orkuna eru varmaskiptar stundum notaðir en kælingu má einnig ná fram með útfærslu á lögnum.

Viðloðun
Vatn er tekið upp af efnum á borð við kísilgeli, áloxíði eða magnesíum oxíði. Sérstakir tankar eru þá fylltir með viðloðunarefninu og er upptakan oft framkvæmd undir þrýstingi. Að lokinni upptöku á vatni þarf að fjarlægja vatnið úr viðloðunarefninu með þrýstingslækkun og/eða loftflæði. Ef upptakan á sér stað við andrúmsloftsþrýsting þá þarf vakúm pumpu til að endurheimta viðloðunarefnið.

Upptaka
Hægt er að þurrka biogas með mismunandi gerðum af glýkoli eða með gleypum söltum. Þurrkunartankar eru þá yfirleitt fylltir með saltkornum. Biogasinu er dælt inn í tankinn að neðan og saltið leysist upp þegar það tekur upp vatnið. Saltlausnin er svo töppuð af tankinum að neðan og þarf að skipta um salt ef frekari þurrkunar er krafist.

Önnur efni
Ýmis önnur efni eru til staðar í biogasi en eru yfirleitt í litlu magni. Hreinsun á þeim fylgir oft öðrum hreinsiaðferðum og er því sérstakrar hreinsunar ekki alltaf krafist. Nokkur af þessum efnum eru talin upp hér.

Rykagnir
Biogas inniheldur agnir sem eru fjarlægðar með síum úr pappír eða taui. Við þjöppun bætist stundum olía við gasið og er einnig hægt að fjarlægja hana með síum. Möskvastærð á síum er þá valin eftir þeim kröfum sem gerðar eru til gassins hverju sinni.

Ammónía
Ammónía myndast við niðurbrot á próteinum og er yfirleitt í litlu magni í biogasi og hreinsun því oftast ekki nauðsynleg. Ammónía leysist í vatni og fellur því frá að einhverju leyti þegar vatn er aðskilið með þéttingu.

Halógenuð kolvetni
Halógenuð kolvetni geta valdið tæringu og eru aðallega til staðar í biogasi sem tekið er úr landfyllingu. Hægt er að fjarlægja efnin með upptöku á virkjuðum kolum. Kolin taka þá upp stórar sameindir kolvetnanna og eru kolin endurheimt með hitun upp í 200°C.

Súrefni
Súrefni er hreinsað burt í sumum aðferðum sem fjarlægja koldíoxíð t.a.m. himnuaðferð og PSA-aðferð. Súrefni er oftast til staðar í gasi frá landfyllingu en myndast þó ekki í gasinu sjálfu. Magn súrefnis í biogasinu getur því verið merki um leka í kerfinu.

Lífræn kísilsambönd
Lífræn kísilsambönd (siloxane) geta undir vissum kringumstæðum verið til staðar í hauggasi. Þessi efni eru í vörum eins og snyrtivörum, hreinsivökvum, prentbleki og ýmsum byggingarvörum. Þau geta þannig borist í frárennsli frá heimilum og iðnaði. Við háan hita breytast þessi efni í kísilsýru (kvarts-sandur) sem bæði getur stíflað lagnir og rispað yfirborðsfleti í vélbúnaði. Ef skólp er hluti af hráefnum sem notuð eru í metangerjunina gæti verið þörf á að hreinsa þessi sambönd úr gasinu.

Uppfærsla á biogasi – fjarlæging koldíoxíðs
Vatnsþvottur undir þrýstingi
Þessi aðferð byggist á því að koldíoxíð leysist mun betur en metan í vatni. Með því að dæla biogasinu gegn vatnsflæði má hreinsa burt stærstan hluta af koldíoxíðinu og þannig auka orkuinnihald biogassins. Aðferðin er skilvirk og getur hlutfall metans í hreinsuðu gasi orðið meira en 95% [4]. Til eru tvær útfærslur af þessari aðferð; vatnsþvottur með og án endurnýtingu vatns. Kostir endurnýtingar eru minni vatnsnotkun, minna metan tapast og orkunýting virkjunar verður því betri. Fyrir hreinsun er æskilegt að fjarlægja brennisteinsvetni.

Nánari lýsingu á aðferð ásamt tæknilegum upplýsingum um búnað, útfærslur og hönnunarstærðir má finna hér

Hreinsun með lífrænum ísogsvökvum
Í stað þess að nota vatn sem ísogsvökva er hægt að nota lífrænar efnablöndur svo sem polyethylene glycol til að hreinsa burt koldíoxíð. Selexol® er vökvi af þessu tagi sem hefur reynst vel og er hvað þekktastur á alþjóðavísu [3]. Selexol hefur þann kost umfram vatn að leysa betur upp koldíoxíð og því þarf minna magn vökva til að anna sama gasflæði. Á móti þessu kemur að talsverða orku þarf til að endurhæfa vökvann að lokinni upptöku.

Nánari lýsingu á aðferð hreinsun með Selexoli ásamt tæknilegum upplýsingum um búnað, útfærslur og hönnunarstærðir má finna hér

Aðrir lífrænir ísogsvökvar eru alkanól amín á borð við monoethanol amín (MEA) eða dimethyl ethanol amín (DMEA). Vegna þess að þessir vökvar hvarfast við koldíoxíð þá þarf talsverða orku til að hægt sé að endurnýta þá líkt og gert er með vatn og Se

lexol. Kostirnir eru hinsvegar þeir að vökvarnir fjarlægja koldíoxíð sérhæft, ásamt því sem nánast ekkert metan er tekið upp. Hreinsun með þessum hætti skilar því mjög orkuríku gasi með metaninnihald allt að 99%. Brennisteinsvetni leysist mjög vel í Selexoli, MEA og DMEA og þarf mikla aukaorku til að ná því burt aftur og því æskilegt að fjarlægja það fyrir hreinsun.

Nánari lýsingu á hreinsun með MEA/DMEA má sjá hér

Kolasíur – viðloðun með þrýstingsbreytingum (PSA)
Gas undir þrýstingi hefur tilhneigingu til að loða við föst efni. Þegar létt er á þrýstingnum losnar gasið frá viðloðunarefninu og er því hægt að endurnýta það. Þessi hreinsiaðferð byggir á þessum eiginleikum og er viðloðunarefnið annaðhvort virkjuð kol eða zeolít. Oftast eru notaðir fjórir tankar í þessari hreinsiaðferð en til eru ýmsar aðrar útfærslur. Hver tankur fer í gegnum þrjú stig í hreinsuninni. Þessi stig eru viðloðunarstig, afgösunarstig og þrýstimögnun. Hreinsun með þessari aðferð fer fram við lágan þrýsting (um 6 bör) og getur skilað mjög orkuríku gasi með meira en 97% metaninnihaldi [5].

Nánari lýsingu á aðferð ásamt tæknilegum upplýsingum um búnað, útfærslur og hönnunarstærðir má finna hér

Hreinsun með himnum
Þessi aðferð byggist á því að sameindir af mismunandi stærð sleppa misvel í gegnum þunnar himnur. Himnurnar virka eins og sigti þar sem koldíoxíð og aðrar smáar sameindir eru skildar frá stærri sameindum á borð við metan. Hreinsunin er annað hvort þurr- eða vothreinsun. Þurrhreinsunin fer yfirleitt fram við mikinn þrýsting, en vothreinsunina er unnt að framkvæma við andrúmsloftsþrýsting. Himnuaðferðin skilar almennt hreinsuðu gasi með um 90% metaninnihaldi en hærri prósentu má ná fram með öðrum útfærslum. Brennisteinsvetni og vatn er fjarlægt fyrir hreinsun.

Nánari lýsingu á aðferð ásamt tæknilegum upplýsingum um búnað, útfærslur og hönnunarstærðir má finna hér

Hreinsun með kælingu 
Við andrúmsloftsþrýsting þéttist metan við -160°C á meðan koldíoxíð þéttist við -78°C. Við aukinn þrýsting verður þéttingin við hærra hitastig og koldíoxíð þéttist og er skilið frá biogasinu á fljótandi formi. Metanið situr þá eftir og er stundum kælt niður fyrir daggarmark til að ná því á fljótandi form. Þétting og kæling á sér stað í nokkrum skrefum og getur ferlið verið talsvert flókið. Þrýstingurinn er á bilinu 40-80 bör og hitastigið í kringum -50°C. Til að koma í veg fyrir frostskemmdir er vatn fjarlægt úr gasinu áður, brennisteinsvetni er líka fjarlægt.

_________________________________________________________________________________

Heimildir:

[1] Persson, M.; Jönsson, O.; Wellinger, A. (2006). Biogas Upgrading to Vehicle Fuel Standards and Grid Injection (sk. maí ’09).

[2] IEA Bioenergy. Biogas upgrading and utilisation (sk. maí ’09).

[3] Persson, M. (2003). Evaluation of upgrading techniques for biogas (sk. jún ’09).

[4] Deublein, D.;Steinhauser, A. (2008). Biogas from Waste and Renewable Resources.Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

[5] de Hullu, J. ; Maassen, J.I.W. ; van Meel, P.A. ; Shazad, S ; Vaessen, J.M.P. (2008). Comparing different biogas upgrading techniques (sk. jún ’09).