Biokaasun jalostus biometaaniksi

Biokaasureaktorista saatava raakabiokaasu on palava kaasu (keskimäärin 50-65 % metaania ja 35-50 % hiilidioksidia ja pieniä määriä muita kaasumaisia yhdisteitä) ja sitä voidaan sellaisenaan (rikin poiston jälkeen) käyttää lämmittämiseen ja/tai sähköntuotantoon (generaattoria pyörittävän kaasutoimisen moottorin polttoaineena). Mikäli biokaasua halutaan käyttää liikennepolttoaineena, tulee se jalostaa maakaasun kaltaiseksi lähes puhtaaksi biometaaniksi. Jos jakelu tapahtuu (maa)kaasuverkon avulla, tulee biometaanin täyttää kaasuverkon hallinnoijan asettamat tiukat vaatimukset. Biokaasun jalostus voidaan toteuttaa useilla eri menetelmillä ja alla on yleisimpien tekniikoiden lyhyt esittely. Menetelmien englanninkieliset nimet on lisätty, jotta lisätietojen hankinta verkosta helpottuisi. Jalostuksesta puhuttaessa käytetään yleensä termiä ”Biogas upgrading”.

Fysikaalinen adsorptio aktiivihiileen (Pressure Swing Adsorption PSA)
Aktiivihiilimenetelmä perustuu siihen, että kaasumolekyylien adsoptio vaihtelee huomattavasti ympäröivän paineen mukaan. Tämä tekniikka hyödyntää sitä, että hiilidioksidi ja pienet määrät muita kaasuja adsorboituvat aktiivihiileen korkeassa paineessa (4-10 bar). Kaasut vapautuvat aktiivihiilestä kun painetta lasketaan. Rikkidioksidi ja vesi on poistettava tarkoin ennen aktiivihiilikäsittelyä, sillä ne heikentävät aktiivihiilen adsorbointikykyä huomattavasti.
Fysikaalinen absorptio vesipesulla (Pressurized water scrubbing PWS)
Vesipesumenetelmän toiminta perustuu siihen, että kaasujen liukoisuus nesteisiin vaihtelee paljon lämpötilan ja paineen mukaan. Vesipesutekniikka erottelee biokaasun metaaniksi ja hiilidioksidiksi vesisäiliöissä, joissa paine on noin 7-8 baaria, sillä CO2 ja H2S absorboituvat veteen. Veteen sitoutunut hiilidioksidi vapautuu kun paine lasketaan, joten sama vesimassa voidaan pitää jatkuvassa kierrossa. Biometaani pitää kuivata vesipesuprosessin jälkeen. Vesipesutekniikka on käytössä kaikissa kolmessa suomalaisessa jalostuslaitoksessa, jotka tuottavat liikennebiokaasua julkisille tankkausasemille. Alla on kuva Suomenojan biokaasujalostamosta, jonka toiminta perustuu vesipesutekniikkaan.


Fysikaalinen absorptio kemikaalipesulla (Genosorb)
Tämänkin menetelmän toiminta perustuu siihen, että kaasujen liukoisuus nesteisiin vaihtelee paljon lämpötilan ja paineen mukaan. Veden sijaan tässä käytetään kemikaalia, joka tehokkaasti absorboi hiilidioksidia ja rikkivetyä. Pesuliuos luovuttaa sitomansa yhdisteet kun liuosta lämmitetään 80 °C:een.
Kemiallinen absorptio amiinipesulla (Amine washing)
Biokaaasun jalostus amiinipesulla perustuu hiilidioksidin ja amiiniliuoksen (esim. monoetanoliamiini) väliseen reaktioon. Prosessi toimii lähes normaalissa ilmapaineessa, mutta pesuliuoksen palauttaminen toimintakuntoon edellyttää sen kuumentamista 100-180 °C:een.
Membraanijalostus (Membrane separation)
Membraanimenetelmä perustuu puoliläpäisevien kalvojen hyödyntämiseen. Kalvon eri puolilla olevalla paine-erolla saadaan metaani ja hiilidioksidi eroteltua. Tarvittava paine on noin 6-10 baaria. Ennen kalvokäsittelyä tulee rikkidioksidi, vesi ja muut epäpuhtaudet poistaa raakakaasusta, sillä ne heikentävät kalvojen toimintaa. Usein kalvokäsittely tehdään kahdessa vaiheessa.

Kryojalostus (Cryogenic separation)

Raaka biokaasu voidaan puhdistaa ja erottaa hiilidioksidista kryotekniikan avulla. Tekniikka perustuu siihen, että metaanin kiehumispiste on normaalissa ilmanpaineessa -160 °C , kun taas hiilidioksidi kiehuu jo -78 °C:ssa. Kryojalostuksen lopputuotteiksi tulee nestemäistä biokaasua ja nestemäistä hiilidioksidia. Kryojalostus sopii hyvin kaatopaikkakaasun jalostamiseen, sillä se on ainut jalostusmenetelmä, jolla typpi ja happi saadaan erotettua raakakaasusta.

Kryojalostusprosessi jaetaan neljään vaiheeseen.
1. Raaka biokaasu (reaktorikaasu tai kaatopaikkakaasu) jäähdytetään ja siitä poistetaan vesi ja epäpuhtaudet.
2. Raakaa biokaasua jäähdytetään edelleen ja suodatetaan katalysaattorissa, joka absorboi rikkivedyn, siloksaanit ja muut epäpuhtaudet.
3. Puhdistetusta biokaasusta erotetaan hiilidioksidi nestemäiseen muotoon (LCO2).
4. Biokaasu muuttuu nestemäiseen muotoon (LBG) kun taas muut kaasut kuten happi ja typpi erotetaan kaasumuodossa.