Biokaasun esikäsittelyn suunnittelu ja testaus

Abstract

Suomen hallituksella on tavoitteena saavuttaa hiilineutraalius vuoteen 2035 mennessä. Yksi mahdollisuus vähentää kasvihuonekaasuja on panostaa hiilineutraaleihin energialähteisiin ja vihreän vedyn tuottamiseen. Vetyä voidaan jalostaa fossiilisten polttoaineiden sijaan uusiutuvista bioresursseista kuten biokaasusta. Biokaasun sisältämät epäpuhtaudet aiheuttavat haasteita jalostuksessa. Tässä diplomityössä tutkittiin biokaasun esikäsittelyä ja puhdistusta adsorption avulla.

Biokaasun esikäsittelyssä rikkivety halutaan poistaa biokaasusta, koska se on haitallista terveyden lisäksi biokaasua hyödyntäville laitteistoille ja ympäristölle. Työn teoreettisessa osassa kuvattiin biokaasun koostumus, valmistus ja käsittely sekä biokaasun puhdistusmenetelmät. Kokeellisessa osassa adsorptiota tutkittiin biokaasun puhdistuksessa hyödyntäen kaupallisesti saatavilla olevia aktiivihiilipohjaisia adsorbentteja. Puhdistusmenetelmän testausta varten laboratorioon rakennettiin koelaitteisto.

Työssä tutkittiin jauhemaisia ja raemaisia aktiivihiiliadsorbentteja. Puhdistettava synteettinen biokaasu sisälsi rikkivetyä 100 ppm tai 500 ppm. Työn tulosten perusteella raemainen aktiivihiilipohjainen adsorbentti on suositeltava valinta kaasujen puhdistuksessa jatkotutkimuksia ajatellen. Puhdistuksen jälkeisessä kaasuvirtauksessa saavutettiin rikkivedylle alle 10 ppm:n pitoisuus kokeissa, joissa rikkivedyn pitoisuus syötössä oli 100 ppm. Suurin adsorptiotehokkuus oli 97,5 %. Vaihtuman pienentäminen eli adsorptiopatjan tilavuuden kasvattaminen lisää adsorptiokolonnin toiminta-aikaa.

The Finnish government aims to achieve carbon neutrality by 2035. One possibility to reduce greenhouse gases is to invest in carbon-neutral energy sources and to the production of green hydrogen. Instead of using fossil fuels, hydrogen can be refined from renewable bioresources such as biogas. However, the impurities in biogas cause challenges in processing. In this thesis, the pretreatment and purification of biogas by means of adsorption was studied.

Hydrogen sulfide (H2S) needs to be removed from the biogas in the pretreatment phase due to its negative health effects. It also causes harm to the equipment used in the refining stage. The theoretical part of the thesis described the composition, production, and processing of biogas, as well as biogas purification methods. In the experimental part, adsorption was tested for biogas purification using commercially available activated carbon adsorbents. A specific environment for testing the adsorption efficiency was built in the laboratory.

Both granular and powdered activated carbon were studied in this thesis. The synthetic biogas mixture used for the experiments contained 100 ppm or 500 ppm hydrogen sulfide gas. H2S level of 10 ppm in output could be achieved in all the tests using granular activated carbon when the input H2S level was 100 ppm. Maximum adsorption efficiency was 97.5 %. Based on the results, the granular activated carbon is the recommended adsorbent for gas purification in further studies. A larger column in terms of length and volume compared to the laboratory size would increase the breakthrough time which will increase operational time of the adsorption column.