Biogáz tisztítás
A biogáz metán (60-65% CH4) és széndioxid (30-35% CO2) keverékéből álló gáz, mely kommunális szennyvíziszap, állati trágyák és mezőgazdasági maradékok fermentációja során termelődik
Fogalmak Biogáz: Szénhidrát-, illetve cellulóz- tartalmú, valamint fehérjéket és zsírokat tartalmazó szerves hulladékok anaerob szervezetek hatására végbemenő bomlásának gáznemű, rendszerint éghető terméke, amely ammónia, kén-hidrogén, szénmonoxid és széndioxid mellett legnagyobbrészt metánból áll; Biometán vagy bioföldgáz: Földgáz minőségűre tisztított biogáz. Bio-CNG (Bio-Compressed Natural Gas): a biogáz tisztításával és komprimálásával előállított, üzemanyag minőségű éghető gáz .
Biogáz felhasználási lehetőségei
Biogázok jellemzői • • • •
• • • •
Decentralizált energiaforrások; A földgáznál jelentősen kisebb az energiatartalmuk; Összetételük nem felel meg a közszolgáltatású földgázokénak; Jelentős mennyiségben tartalmazhatnak inert komponenseket (N2, CO2); A depóniagázokban kis mennyiségben oxigén is előfordulhat (kockázati faktor); Kis mennyiségben tartalmaznak egyéb, általában nem kívánatos komponenseket (H2S, NH3, halogén vegyületek, sziloxánok, stb.) Összetételük és a képződés mennyisége időben változó lehet; Atmoszférikushoz közeli, kis nyomáson képződnek.
Különböző forrásból származó földgázok és biogázok jellemzői
Előírt értékek biogázok gépjármű üzemanyagként történő felhasználásához Franciaország
Harmatpont Víztartalom max.
Svédország
5°-kal alacsonyabb, mint a legalacsonyabb környezeti hőmérséklet
°C mg/nm3
Svájc
100
5
32
96
97
Metán min.
térf %
Szén-dioxid max.
térf %
Oxigén max.
térf %
3,5
0,5
1
CO2+O2+N2 max.
térf %
3
3
3
Hidrogén max.
térf %
Kén-hidrogén max
mg/nm3
Összes kén
mg/nm3
Halogénezett szénhidrogének
mg/m3
3
0,5 7
5 14,3
1
0
23
A biogáz előnyei • • • • •
Megújuló energia termelhető belőle; Tárolható; Sokféle alapanyagból előállítható; Akár földgáz minőségűre tisztítható; Törvényi kötelezettség vonatkozik a megfelelő minőségű biogázok földgázhálózati betáplálásának engedélyezésére; • A vezetékek, szerelvények és tüzelőberendezések helyes anyag-megválasztásával a káros hatások kiküszöbölhetők; • Bizonyos minőség mellett földgázra beszabályozott berendezésekben is eltüzelhető.
A biogáz szennyezőinek veszélyei Szennyezőanyag
Veszély
CO2
csökkenti az égéshőt, rontja a gyulladási paramétereket, elősegíti a korróziót, vízzel szénsavat képez
N2
csökkenti az égéshőt, rontja a gyulladási paramétereket
H2
lángterjedési sebessége miatt kockázat a tüzelőberendezésekben
O2
nedves környezetben korrozív
H2 S
korróziót okoz, elégetéskor SO2 emisszió, az égéstermék víztartalmával kénessavat alkot
NH3
rontja a gyulladási paramétereket; NOx emisszió eltüzeléskor, az égéstermék víztartalmával ammóniumiont és hidroxidiont képez
A biogáz szennyezőinek veszélyei CO
erős vérméreg, erős redukáló hatású
Halogénelemek (Cl¯ és F¯)
fémekkel sószerű vegyületekké egyesülnek, az égéstermék víztartalmával savat képeznek
BTX (aromás szénhidrogének, erős korrózió műanyag vezetékekben és berendezésekben mint a benzol, toluol és a xilol)
Sziloxánok
elősegítik a gázmotorok és gázturbinák intenzív kopását
H2 O
elősegíti a korróziót, fagyveszélyes
Por
eltömíti a fúvókákat
Szerves mikroorganizmusok
biokorróziót okozhatnak
PAHs (poliaromás szénhidrogének)
mérgező, rákkeltő anyagok, károsítják a PE vezetékeket, elégetésükkor korom képződik
Tisztítási igény A biogáz tisztítási igénye a következő felhasználási sorrend szerint fokozódik: • eltüzelés kazánban (H2S leválasztása, vízmentesítés), • eltüzelés gázmotorban vagy mikroturbinában (H2S és sziloxánok leválasztása, vízmentesítés), • felhasználás tüzelőanyag-cellában (H2S, halogének, sziloxánok és CO2 leválasztása, vízmentesítés), • betáplálás a földgázhálózatba (H2S, halogének, sziloxánok, CO2 és NH3 leválasztása, vízmentesítés), vagy • gépjármű üzemanyagként történő felhasználás.
A biogáz tisztítás lehetséges eljárásai • • • • • •
Biológiai gáztisztítás Adszorpció Abszorpció Kondenzáció Membrán szeparáció Kémiai-oxidatív mosás
Biológiai gáztisztítás • az1920-as években kezdték el kifejleszteni • fő módszerek: • bioszűrő (biofilter) • bioreaktor (csepegtetőtest) • biomosó • membrános bioreaktor
• bioszűrő – szerves töltőanyag biztosítja a mikroorganizmusok tápanyagellátását, – nincs mozgó folyékony fázis
• bioreaktor és a biomosó – mozgó folyékony fázis: • a mikroorganizmusok tápanyagellátását szolgálja • a szennyező anyagok átviteli fázisa a gázból a mikroorganizmusokra
Biológiai gáztisztítás Technológia
Mozgó fázis
Töltőanyag
Aktív biomassza
Bioszűrő
gáz
szerves
fix (rögzített)
Bioreaktor
folyadék és gáz
szintetikus
fix (rögzített)
Biomosó
folyadék és gáz
diszperz
Bioszűrő 1. • tisztítandó gáz keresztülhalad egy szerves anyagból álló szűrőágyon – alapjaként gyakran komposztot, tőzeget, korhadt fát, fakérget, faforgácsot és ezek kombinációit alkalmazzák
• nincs mozgó folyékony fázis ↓ megfelelő a vízben rosszul oldódó- és az alacsony diffúziójú szennyező anyagok kezeléséhez
Bioszűrő 2. • Hátránya: a szűrőágy komplex szerves töltőanyaga → gátló reakciótermékek → szűrő folyamatos cserére szorul • a szerves szűrőágy tápanyag-utánpótlásként és az aktív biomassza hordozóanyagaként is szolgál – Szűrőanyagként komposztot, talajt, rőzsét, szénát, tőzeget, fakérget, fanyesedéket, gyökérnyesedéket, kukoricacsutkát, szőlőmagot, fűrészport, szárított szennyvíziszapot, stb. alkalmaznak
Bioszűrő 3. • Fontos paraméterek: • nedvességtartalom • hőmérséklet • nyomás
• a szűrőágy nedvességtartalma: – nem lehet túl alacsony, mivel a mikroorganizmusok élettevékenységéhez a víz nélkülözhetetlen – nem lehet túl magas sem, mert komoly problémákat okozhat – a megfelelő nedvességtartalom 20 és 80% között van
Bioszűrő 4. • A szűrőágy hőmérséklete – az optimális hőmérséklet megfelel a mezofil hőmérsékletének, ami kb. 30°C
• A nyomáscsökkenés – a szűrőn áthaladó gázfázis okozza → költségek; – függ a szűrőágy nedvességtartamától; – függ a szűrőágy jellegétől: • legnagyobb nyomás: a talaj • komposzt, • tőzeg, • fakéreg
Bioszűrő 5.
Bioreaktor 1. • szintetikus töltőanyag ezen rögzülnek a mikroorganizmusok és biofilm nő • felülről lefelé áramlik a víz, a szerves szennyezést tartalmazó gáz pedig általában ezzel ellenáramban • a szennyeződések a folyékony fázisba, majd a biofilm felületére kerülnek és ott biológiailag oxidálódnak.
Bioreaktor 2. • ugyanolyan előnyökkel és hátrányokkal rendelkezik, mint a biomosó • hátránya még, hogy a biofilm a szintetikus töltőanyag felületén fejlődik, és ez a mikrobák növekedését fokozatosan csökkenti → csökken az üres térfogat → nagyobb nyomásesés → a szűrő teljes eltömődése.
Permetezett bioreaktor
Biomosó 1. • a nedves gáztisztítás és biológiai lebontás olyan kombinációja, ahol a mosófolyadék a káros gázkomponenst oxidáló mikrobakultúrát tartalmaz, így alkalmazhatóságának feltételei: • az eltávolítandó gázkomponens kimosható legyen • a kimosott komponens aerob úton bomoljon le.
• a szennyeződött gázt feloldják a folyékony fázisban • Akkor alkalmazható, ha a szennyező gázokat vízben oldani lehet • hátránya: – kétlépéses eljárás – szükség van a gázszennyezők feloldására a vizes fázisban, de a legtöbb szennyező gáz nem oldható vízben
Biomosó 2.
Biomosó 3.
Biomosó 4. a.) abszorber b.) eleveniszap keringetés c.) eleveniszapos levegőztető tartály
Biomosó 5.
Membrán bioreaktor
Kén-hidrogén (H2S) leválasztása biogázból • Helyi kéntelenítés • Kéntelenítés biomosással • Kéntelenítés kémiai-oxidatív mosással • Kéntelenítés adszorpcióval
Helyi kéntelenítés: Szulfid eltávolítás • fémsók (vas‐klorid és vas‐szulfát) beadagolása a fermentorba vagy a szubsztrát előkeverő tartályba • ammónia is eltávolításra kerül • olcsó eljárás, külön beruházási költséggel nem jár • kéntelenítés hatékonysága kevésbé kontrollálható
Kéntelenítés biológiai mosással
• oxigénre van szükség • kén‐hidrogén eltávolítása oxidációval mikroorganizmusok révén • a vízzé és elemi kénné (vagy kénessavvá) átalakított gáz összetevők a torony mosószennyvízével együtt távoznak • kis beruházási költség • kis üzemeltetési költség • magas vagy ingadozó kén‐hidrogén tartalom esetén nem jó
H2S leválasztása biomosóban
Kéntelenítés kémiai‐oxidatív mosás • kén‐hidrogén abszorpció maró hatású oldószerben (NaOH) • Oxidálószerrel növelhető a H2S szelektivitás a CO2-vel szemben • Oxidálószer pl: H2O2 • magas vagy ingadozó kén‐hidrogén tartalom esetén is alkalmazható
Kéntelenítés fémoxidos vagy aktív szenes adszorpcióval • fémoxid (vasoxid, cinkoxid, rézoxid) adszorbens esetén a kén kötött fémszulfid formába kerül és közben vízgőz is felszabadul; • aktív szénen történő adszorpció esetén kis mennyiségű oxigén hozzáadására van szükség, hogy a kén‐hidrogén katalitikus úton elemi kénné alakulhasson, és erősebben kötődjön meg a felszínen
H2S leválasztása adszorberben
Szén-dioxid (CO2) leválasztása biogázból • • • •
Fizikai abszorpció (vizes, szerves oldószeres) Kémiai abszorpció: aminos mosás Nyomásváltásos adszorpció Membrán technológia
Fizikai abszorpció: Nagynyomású vizes mosás
• szén‐dioxid vízben jobban oldódik, mint a metán, különösen alacsony hőmérsékleten és nagy nyomáson • regenerálás gyors nyomáscsökkentéssel (deszorpció)
Szerves‐fizikai abszorpció • Víz helyett szerves oldószert (pl. polietilén‐glikolt) alkalmaznak • jobb szén-dioxid oldhatóság, kisebb oldószer szükséglet, és kisebb berendezés méret
Kémiai abszorpció: aminos mosás
• Abszorbens: MEA, DEA, MDEA • üzemeltetési nyomása alacsonyabb, mint a nagynyomású vizes mosóké • A felhasznált aminos oldatot 160°C‐ra melegítik, ahol a szén‐dioxid nagy része eltávozik a regenerációs toronyból • A melegítés a folyamat során keletkező hővel megoldható.
Nyomásváltásos adszorpció (PSA)
• Adszorbens: aktív szén, zeolit • magas nyomású adszorpció • Regenerálás fokozatos nyomáscsökkentéssel • Folyamatos üzem több párhuzamosan kapcsolt adszorberrel
Membrán technológia: Gázpermeáció • Az alkalmazott membránok áteresztik a szén‐ dioxidot, a vizet és az ammóniát; • A kén‐hidrogén, az oxigén és a nitrogén csak kis mértékben képes áthatolni a membránon; • a metán csak igen kis mennyiségben; • alkalmazott membránok: különböző polimer anyagok (poliszulfon, poliamid, polidimetilsziloxán; • üreges‐szálas membrán modulok.
Membrán technológia: Gázpermeáció
Biogáz víztelenítés • Kondenzáció • Abszorpció (glikolos) • Adszorpció
Villamos energia kihozatali példa Dél-pesti szennyvíztisztító telep Bővítés előtt : 4db mezofil reaktor üzemel 16t/d szerves anyag betáplálás: ~ 6400 Nm3/d biogáz termelődés 1db gázmotor (500 kWel) üzemel ~ 13 600 kWh/d áram Bővítés: +1db 2000 m3-es termofil reaktor 28t/nap szerv. anyag betáplálás: ~13700 Nm3/d biogáz +1db gázmotor (803 kWel) ~ 30 000 kWh/d áram, illetve 10000 MWh/év elektromos áram termelés A biogáz átlagos fűtőértéke 22,5 MJ/m3, metán-tartalma 62-67 %.
