Biogas composition and upgrading to biomethane

Abstract

Saija Rasin tutkimus osoittaa, että jätteistä tai energiakasveista tuotettua biokaasua voidaan hyödyntää sähkön ja lämmön tuotantoon. Biokaasua voidaan käyttää jalostettuna myös korkealaatuista polttoainetta vaativissa kohteissa, kuten ajoneuvoissa ja polttokennoissa. Fossiilisten polttoaineiden korvaaminen uusiutuvilla polttoaineilla, esimerkiksi biokaasulla, vähentää merkittävästi kasvihuone- ja muita haitallisia päästöjä. Biokaasun pääkomponentit ovat metaani ja hiilidioksidi, ja lisäksi se voi sisältää pieniä pitoisuuksia energiakäyttöä haittaavia yhdisteitä, joiden määrä ja laatu vaihtelevat. Nämä yhdisteet voivat esimerkiksi estää koko teknologian käytön tai lyhentää laitteistojen huoltoväliä.Rasi tutki biokaasun koostumusta erilaisissa biokaasun tuotantokohteissa kuten kaatopaikoilla, maatiloilla, jätevedenpuhdistamoilla sekä teollisuuden ja yhdyskuntien jätteitä käsittelevillä biokaasulaitoksilla.- Työn tarkoituksena oli selvittää mahdollisten energiakäytölle haitallisten yhdisteiden pitoisuudet ja pitoisuuksien vaihtelut eri kohteissa. Tutkin kenttäkohteessa myös sitä, miten kaksi kaasunpuhdistusmenetelmää pystyy tuottamaan metaanirikasta kaasua kaatopaikkakaasusta, Rasi kertoo.Kenttämittaukset osoittivat eroja eri kohteissa. Teollisuuden ja yhdyskuntien jätteitä käsittelevillä laitoksilla metaanipitoisuus nousi jopa 70 %:iin, kun taas kaatopaikkakaasussa metaanipitoisuus oli paikoin alhaisempi kuin muissa tutkituissa kohteissa. Tämä johtui siitä, että kaatopaikkakaasussa oli typpeä, jota ei esiintynyt muualla. Kaikissa kohteissa biokaasun metaanipitoisuus oli tarpeeksi korkea esimerkiksi lämmön- ja sähköntuotantoon.Erilaisten haittaa aiheuttavien yhdisteiden pitoisuudet vaihtelivat tutkittavissa kohteissa.Rikkivetyä havaittiin jätevedenpuhdistamoiden biokaasussa hyvin alhaisia määriä, mikä helpottaa kaasun energiakäyttöä. Rikkiyhdisteet aiheuttavat kosteuden kanssa korroosiota ja lyhentävät laitteistojen huoltoväliä ja käyttöikää.Ympäristölle haitallisia ja kosteuden kanssa korroosiota aiheuttavia halogeeniyhdisteitä havaittiin kaatopaikka- ja jätevedenpuhdistamon kaasuissa, mutta pitoisuudet olivat pienempiä kuin esimerkiksi moottorivalmistajien asettamat raja-arvot. Maatilakokoluokan biokaasulaitoksen kaasussa halogeeniyhdisteitä ei havaittu. Myös orgaanisia, moottoreita vahingoittavia silyyliyhdisteitä havaittiin selvästi vähemmän biokaasulaitoksilla, joissa materiaaleina käytettiin lantaa ja energiakasveja, kuin jätevedenpuhdistamoilla tai kaatopaikoilla. Eri biokaasun käyttökohteisiin onkin silyyliyhdisteille asetettu erilaisia raja-arvoja. Useiden kaasumoottorivalmistajien asettamat raja-arvot alittuivat kuitenkin kaikissa mitatuissa kaasuissa.Jyväskylän Mustankorkean jätteenkäsittelylaitoksella tehdyissä kenttäkokeissa osoitettiin, että tutkituilla kahdella eri puhdistusmenetelmällä voitiin kaatopaikkakaasu puhdistaa yli 90 % metaanipitoisuuteen, mikä mahdollistaa liikennekäytön. Moottoreille haitalliset yhdisteet, kuten rikki- ja halogeeniyhdisteet poistuivat lähes täysin käytetyillä puhdistusmenetelmillä. Tuotekaasuun jää metaanin lisäksi typpeä, jota pääsee vaihtelevia määriä kaatopaikkakaasuun keräysjärjestelmien kautta. Typpi laskee tuotekaasun energia-arvoa, mutta ei haittaa energiakäyttöä.- Tutkimuksen perusteella kaatopaikkakaasu on ainakin lähivuosikymmenet käyttökelpoinen lisäpotentiaali biokaasuntuotantoon niin Suomessa kuin erityisesti maissa, joissa kaatopaikat ovat toistaiseksi merkittävin biohajoavien jätteiden sijoituspaikka, Rasi toteaa.

The feasibility of biogas in energy production was evaluated in this thesis by determining the composition of biogas from different sites and evaluating the effectiveness of water absorption for landfill gas upgrading. Methane, carbon dioxide, oxygen, nitrogen, volatile organic compounds (VOCs), including organic silicon compounds, halogenated compounds and sulphur compounds, were measured in biogas samples from landfills, waste water treatment plants (WWTP) sludge digesters and biogas plants processing different material. Methane content in the studied landfills, WWTPs and biogas plants ranged from 47 % to 70 %, carbon dioxide from 32 % to 43 % and nitrogen from < 1 % to 17 %. Oxygen content in all the measured gases was < 1 %.The highest methane content was found in the gas from one of the biogas plants while the lowest methane and highest nitrogen contents were found in the gases from landfills. Hydrogen sulphide and other sulphur compounds were found in higher amounts in the gases from landfills and biogas plants than in the WWTPs. The total amount of organic silicon compounds was highest (up to 10 mg/m3) in one of the studied WWTP, and lowest (24 µg/m3) in the biogas plant processing grass and maize. Organic silicon compounds were also detected in all the biogases produced in the batch assays from energy crops, with higher yields in the grass (from 21.8 to 37.6 µg/kg-volatile solids (VS)) than grass silage or maize assays (from 14.7 to 20.4 and from 7.4 to 12.1 µg/kgVS, respectively). A counter-current absorption process upgraded the landfill gas near to or above 90 % methane content. The carbon dioxide content of the product gas ranged from 3.2 to 4.8 %.With a high pressure water absorption system product gas with methane content ranging from 83 to 92 % was achieved. The carbon dioxide content of the product gas ranged from 4 to 6 %. Hydrogen sulphide was removed from the raw landfill gas with over 99 % efficiency with both upgrading systems, and halogenated compounds with 96 % efficiency with the counter-current process and from 83 to 91 % efficiency with the high pressure process. The silica gel gas drying unit, used in the high pressure process, removed about 66 % of volatile organic compounds from the gas. The results of this study show the feasibility of biogas upgrading for energy production. However, depending on the gas utilization application, the occurrence of trace compounds should be taken into account when planning an upgrading unit for biogas.