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Combined hydrogen sulfide and carbon dioxide removal process for upgrading biogas

Rajavelu, Keren

Biogas upgrading is an efficient method to increase biogas energy value and to offset world energy demand. However, most of the technologies developed today suffer a setback due to high cost, high energy requirement and greenhouse gas emissions due to methane losses. The combined hydrogen sulfide and carbon dioxide removal process, which integrates both biological aerobic desulphurization and bottom ash CO2 capture method, is a promising alternative for such problems. In the present study, the combined removal process was proved to be technically feasible as well as environmentally safe and economically profitable. Lab scale and pilot test study of the combined removal process proved to enrich methane content of the biogas stream by efficiently removing H2S using sulfideoxidizing bacteria. CO2 was captured and stored mineralogical by bottom ash. Individual biotrickling filter designed for H2S removal showed removal efficiency of 99 % when the loading rate of H2S was 14.2 g S-H2S m-3h-1. Removal efficiency increased for increasing loading rate until the critical loading point. The FISH analysis confirmed the diverse population of sulfide-oxidizing bacteria in the biotrickling filter. Bottom ash with moisture content was able to absorb CO2 gas and efficiently converting it into mineral carbonates. The sorption capacity of bottom ash was found to be 14.5 g CO2.kg-1. The combined removal performance of both process where executed both in lab scale and in the pilot test study. Experimental trials with real biogas proved that the method is technically viable while achieving methane content of 91.1 vol % at the outlet. Life cycle analysis of the combined removal process showed that the global warming potential in terms of kg CO2-Eq is least as compared to Pressure swing adsorption method. Furthermore, a techno-economic analysis was performed to study the economic feasibility and to analyze the hotspots and bottleneck in implementing this technology as compared to that of combined heat and power (CHP) and Pressure swing adsorption (PSA) method.

Die Biogasaufbereitung ist eine effiziente Methode, die Energie von Biogas zu erhöhen und die weltweite Energienachfrage zu verbessern. Allerdings sind die meisten der entwickelten Technologien heute problematisch, aufgrund der hohen Kosten, des hohen Energiebedarfes und der Treibhausgasemissionen aufgrund von Methanverlusten. Die Kombination aus Schwefelwasserstoff- und Kohlendioxidentfernung durch aerobe biologische Entschwefelung in Verbindung mit Kesselasche-CO2-Abscheidung, liefert eine vielversprechende Alternative für genannte Probleme. In der vorliegenden Studie konnte gezeigt werden, das die Kombination im Prinzip machbar ist und ökologische sowie ökonomische Vorteile hat. Im Labor- und Pilotmaßstab konnte der Methangehalt angereichert werden. Der Biogasstrom wurde mit Hilfe Schwefelwasserstoffoxidierender Bakterien effizient von H2S gereinigt und CO2 wurde durch Kesselasche fixiert. Der Biofilmfilter zeigte eine Effizienz von 99 %, wenn die Beaufschlagung mit H2S bei 14,2 g S-H2S m-3h-1lag. Die kritische Beladungsrate wurde bestimmt. Die FISH-Analyse bestätigte den Besatz der Rost- und Kesselasche mit Sulfid-oxidierenden Bakterien. Rost- und Kesselasche mit relativ hohem Feuchtigkeitsgehalt war in der Lage, CO2 zu absorbieren und Karbonate umzuwandeln. Die Menge hierbei lag bei 14,5 g CO2 kg-1. Die Kombination der beiden Prozesse, sowohl im Labormaßstab als auch in der Pilotstudie wurde getestet. Studien mit echtem Biogas bewiesen, dass die Methode funktioniert und einen Methangehalt von ca. 90 Vol.% generiert. Bei der Analyse des LCA zeigten sich Vorteile im Vergleich zur Pressure Swing Adsorption Methode. Darüber hinaus ist eine technisch-wirtschaftliche Analyse durchgeführt worden, um die wirtschaftliche Machbarkeit der Methode abzuschätzen.

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Rajavelu, Keren: Combined hydrogen sulfide and carbon dioxide removal process for upgrading biogas. 2018.

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