BIOGÁZBÓL BIOMETÁN. Technológiai Áttekintés. With the support of

HU

BIOGÁZBÓL BIOMETÁN

Technológiai Áttekintés

With the support of

Biogázból biometán ‐ technológiai áttekintés Készítette:

Bécsi Műszaki Egyetem (Ausztria), Vegyészmérnöki Intézet Hőtechnológiai és Szimulációs Kutatási Részleg

Biometán technológiák fejlesztése a piaci elterjedés ösztönzése, helyi és regionális partnerséggel A projekt az Intelligent Energy – Europe program keretein belül valósult meg

Szerződés szám: IEE/10/130 Feladat szám: 3.1.1 Készült: 2012 május

The sole responsibility for the content of this report lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the European Union. Neither the EACI nor the European Commission are responsible for any use that may be made of the information contained therein.

Biogázból biometán technológiai áttekintés

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés ............................................................................................................................................ 3 2. Biogázhoz alkalmazható kéntelenítési technológiák .......................................................................... 4 2.1. Helyi kéntelenítés: Szulfid eltávolítás .......................................................................................... 5 2.2. Biológiai kéntelenítés: Biológiai mosás........................................................................................ 5 2.3. Kémiai‐oxidatív mosás ................................................................................................................. 7 2.4. Fémoxidos vagy aktív szenes adszorpció ..................................................................................... 8 3. Biogáz tisztítási és biometán előállítási technológiák......................................................................... 8 3.1. Abszorpció.................................................................................................................................... 8 3.1.1. Fizikai adszorpció: Nagynyomású vizes mosás ..................................................................... 9 3.1.2. Szerves fizikai abszorpció.................................................................................................... 10 3.1.3. Kémiai abszorpció: Aminos mosás...................................................................................... 10 3.2. Adszorpció: Nyomásváltásos adszorpció (PSA).......................................................................... 11 3.3. Membrán technológia: Gázpermeáció (áteresztő képesség) .................................................... 13 3.4. Biogáz tisztítási technológiák összehasonlítása ......................................................................... 14 3.5. Mellékösszetevők eltávolítása: víz, ammónia, sziloxánok, finom részecskék............................ 16 4. A gáz metántartalmának kinyerése a hulladékgázból ...................................................................... 17 5. Felhasznált források .......................................................................................................................... 18

Feladat 3.1.1 TUV

2012 május 2. oldal


1. Bevezetés A biogáz tisztításával előállított biometán napjainkra már általánosan elfogadott eljárássá vált. Számos műszakilag és gazdaságilag hatékony technológia elérhető, amelyek segítségével előállítható a gépjármű üzemanyagként, vagy éppen a földgázhálózati betáplálára is alkalmas gázminőség. Mindezek mellett jelenleg is számos kutatás‐fejlesztési program irányul ezen technológiákra. Minden gáztisztítási eljárásnak megvannak a sajátos előnyei és hátrányai, ami miatt nem jelenthető ki egyikről sem, hogy az jelenti minden üzem számára az optimális választást. A technológiák közti, gazdaságilag optimális választást nagyban befolyásolhatja: a tisztítatlan biogáz mennyisége, ill. minősége, az előállított biometán elvárt minősége, ill. tervezett felhasználási módja, a biogázüzem típusa és a rendelkezésre álló alapanyag. Ezen dokumentum elkészítésének legfőbb célja, hogy segítő kezet nyújtson a technológiák közti eligazodásban. A biogáz tisztítás végeredményeképpen kapható a túlnyomórészt metánból (CH4) álló biometán és a szén‐dioxiddal telített hulladékgáz (lefúvatott). A szeparáció során – a nyers (tisztítatlan) biogáz összetevőitől függően – leválasztásra kerül a szén‐dioxid (CO2) (ezáltal nő a hőérték és a Wobbe‐ szám) és az egyéb mellékösszetevők: oxigén (O2), nitrogén (N2), kén‐hidrogén (H2S), ammónia (NH3), sziloxánok stb. Következő lépésben a gáz szárítása és a felhasználásnak megfelelő nyomásszintre komprimálása történik meg. Ezeken túl lényeges a gáz szagosítása (amennyiben a hasznosítás helyben, illetve a helyi kis‐ vagy középnyomású földgázvezetékbe való betáplálással történik) Szükség esetén a gáz minőségjavítása kereskedelmi propán hozzáadásával oldható meg. Az 1. ábra szemlélteti, a biogáz tisztítás folyamatát.

Biometán

Nyers biogáz

Gáztisztító egység

Hulladékgáz

1. ábra: A nyers biogáz tisztításának folyamata Feladat 3.1.1 TUV


Biogázból biometán technológiai áttekintés Tökéletes leválasztási technológia nem létezik, ugyanis a hulladékgáz is tartalmaz minden esetben kis mennyiségű metánt, az alkalmazott eljárás függvényében. A metántartalomtól függően két esetet lehet meglülönböztetni: a gáz a légkörbe további előkezelés nélkül kijuttatható, vagy további kezelés szükséges. A következőkben bemutatásra kerülnek az elérhető technológiák a biogáz tisztítás egyes lépéseihez (kéntelenítés, szén‐dioxid leválasztás, szárítás), a különböző mellékösszetevők eltávolításának módszerei, végezetül pedig bővebben kitérünk a leválasztott gáz kezelésének lehetőségeire is. A következő táblázat tartalmazza a gázösszetevőket biogáz (beleértve a mezőgazdasági‐, állattartási‐, és szennyvíztelepi biogázokat), és depóniagáz esetén, amely értékek összehasonlításra kerülnek a dán és egy orosz földgáz jellemzőivel. Az összehasonlításhoz felhasznált földgáz paraméterek, megfelelő módon reprezentálják az Európában jellemző adatokat. Paraméter

Biogáz

Depónia gáz

Földgáz (Dán)

Földgáz (orosz)

60‐70

35‐65

89

97,9

Egyéb szénhidrogének [vol%]

0

0

9,4

1,2

Hidrogén [vol%]

0

0‐3

0

0

30‐40

15‐50

0,67

0,1

1‐ig

5‐40

0,28

0,8

Oxigén [vol%]

0,5‐ig

0‐5

0

0

Kén‐hidrogén [ppmv]

0‐4000

0‐100

2,9

1,5

Ammónia [ppmv]

100‐ig

5‐ig

0

0

6,5 23,4

4,4 15,8

11,0 39,6

9,5 34,2

Metán [vol%]

Szén‐dioxid [vol%] Nitrogén [vol%]

Alsó hőérték [kWh/m³(STP)] [MJ/m3]

2. Biogázhoz alkalmazható kéntelenítési technológiák A biometán előállítás során, habár a szén‐dioxid jelentős szennyezőtartalomnak tekintendő, a kén‐ hidrogén eltávolítása még ennél is lényegesebb, figyelembe véve a technológiai és gazdasági tényezőket. Az eljárás erősen függ az alkalmazott szubsztrátum kéntartalmától és az adott fermentációs folyamat jellemzőitől. A kén‐hidrogén veszélyes, korróziót előidéző gáz, aminek a leválasztása minden esetben indokolt, legyen az gázhálózatba történő betáplálás vagy üzemanyagként való felhasználás. Figyelembe véve a biogázüzem és a biogáz tisztító egység jellemzőit egy, esetleg több technológiai együttes alkalmazására van szükség ahhoz, hogy megtaláljuk a technológiailag stabil és gazdaságos megoldást.

Feladat 3.1.1 TUV



2.1. Helyi kéntelenítés: Szulfid eltávolítás A különböző fémsók (vas‐klorid és vas‐szulfát) beadagolása a fermentorba vagy a szubsztrát előkeverő tartályba előnyös lehet, ugyanis a kén‐hidrogénnel való reakciót követően oldhatatlan vas‐ szulfid sót eredményez. A vas‐szulfid eltávolítása a fermentációs folyamatból a kierjedt fermentlével együtt történik. Ezen technológia alkalmazásával a kén‐hidrogénen túl az esetleges ammónia is eltávolításra kerül. Megfigyelések bizonyítják, hogy a folyamatban szerepet játszó mikroorganizmusok számára szükséges nedves környezet biztosításával elérhető a toxikus anyagok csökkentése, ami magasabb metánhozamot eredményez. A kéntelenítésnek ez a módja, egy viszonylag olcsó eljárás, külön beruházási költséggel nem jár. A már működő üzemek is könnyen alkalmazhatják a napi üzemműködésben komolyabb fennakadás nélkül. Másrészről azonban, a kéntelenítés hatékonysága kevésbé kontrollálható. A hatékonyság és az elérhető biogáz minőség a kén‐hidrogén tartalom vonatkozásában egyértelműen korlátozott. A módszer hatékonyan alkalmazható magas kén‐hidrogén koncentrációjú fermentoroknál, ill. olyan esetekben, ahol a magas kén‐hidrogén szint megengedett a biogázban.

2.2. Biológiai kéntelenítés: Biológiai mosás Az eljárásban a kén‐hidrogén eltávolítása oxidációval történik Thiobacillus vagy Sulfolobus fajú chemoautotropic mikroorganizmusok révén. Az oxidációhoz oxigénre van szükség, amelyet kis mennyiségű levegővel tudunk biztosítani (tiszta oxigént szükséges alkalmazni, ha a nitrogén szint minimalizálása a cél). Alternatív megoldásként felmerülhet egy külső berendezés, amelyen a biogáz áteresztése megtörténik, miután elhagyta a fermentort. Ez az egyetlen alternatíva arra az esetre, ha a biogáz tisztítás célja a földgáz rendszerbe történő betáplálás. A külső berendezés egyfajta szűrőágyként viselkedik, ami tartalmazza a biológiai iszapban immobilizált mikroorganizmusokat. A biogáz összekeveredik a hozzáadagolt oxidálószerrel és ellenáramban halad át a szűrőágyon. Ezek a mikroorganizmusok oxidálják a kénhidrogént és átalakítják a felesleges gázkeveréket vízzé és elemi kénné (vagy kénessavvá), aminek eltávolítása együtt történik meg a tisztítótorony mosószennyvízével együtt. Az eljárás beruházási költsége mérsékeltnek mondható, üzemeltetési ráfordítása pedig alacsony.

Feladat 3.1.1 TUV



Kéntelenített biogáz

Mosótorony Nyers biogáz

Friss víz Levegő/ tiszta oxigén

Elfolyó víz

2. ábra: Biológiai tisztítási technológiája; Bruck/Leitha, Ausztria; 800 m³/óra nyers biogáz kapacitás (forrás: Bécsi Műszaki Egyetem; Biogas Bruck GmbH)

Jelentős számú biogázüzem alkalmazza ezt az egyszerű, stabil, vegyszermentes technológiát. Azonban az eddigi üzemi tapasztalatok megmutatták, hogy ez a technológia nem igazán alkamas olyan földgázhálózati betáplálások esetében, mikor állandó minőségű és mennyiségű biometán a követelmény. A rendszer alkalmas nagy mennyiségű kén‐hidrogén eltávolításra a biogázból, de alkalmazkodó képessége a nyers biogáz gyorsan változó kén‐hidrogén tartalmához nem megfelelő. Összefoglalásként kijelenthető, ezen technológia nem az optimális megoldást jelenti, amennyiben magas kén‐hidrogén tartalom vagy annak gyors ingadozása figyelhető meg az üzemben. A technológia alkalmazása előnyös lehet biometán előállításhoz, ha 

a kén‐hidrogén koncentráció aránya a nyers biogázban alacsony vagy közepes



a nyers biogáz kén‐hidrogén koncentrációjának időbeni változása nem jelentős



a felhasznált alapanyag a biogáz előállításához nem változik rendszeresen



a tiszta oxigén könnyen biztosítható a levegő helyett a folyamatokhoz



a biológiai tisztító már rendelkezésre áll az üzemben és csak a tiszta oxigén bejuttatását kell megoldani

Feladat 3.1.1 TUV



2.3. Kémiai‐oxidatív mosás A kén‐hidrogén abszorpciója maró hatású oldószerben az egyik legrégebbi megoldás a gáz kéntelenítésére. Napjainkban jellemzően a nátrium‐hidroxidot alkalmazzák oldószerként és a pH érték megfelelő beállításához. A cél a maximális kén‐hidrogén és a minimális szén‐dioxid abszorpció, ezáltal elérhető a minimális vegyszer felhasználás. A kén‐hidrogén szelektivitás szemben a szén‐ dioxidéval tovább növelhető oxidálószer alkalmazásával. A legtöbb esetben a hidrogén‐peroxidot alkalmazzák oxidálószerként a biogáz tisztításhoz. Az eljárás megfelelő kezelhetőséget és stabil üzemeltetést biztosít, még a nyers biogáz nagy mértékű mennyiségi és minőségi ingadozása esetén is.. Az eljárás során legfeljebb 5 ppm‐es kénhidrogén koncentráció is elérhető, köszönhetően a stabil üzemmenetnek. Általában a gazdaságos üzemeltetés a tisztított gáz 50ppm‐es koncentrációja esetén érhető el, a fennmaradó kén‐hidrogén pedig fémoxidokkal történő adszorpcióval távolítható el. A technológia összetett folyamatirányítási rendszert igényel, valamint a kémiai reagensek alkalmazásával is megfelelően tisztában kell lenni. Több gyakorlati példa bizonyítja, hogy ezen technológia fajlagos költségei nagyban versenyképesek az egyéb kéntelenítési eljárásokkal. Ezt az eljárást abban az esetben érdemes alkalmazni, ha a kén‐hidrogén mennyisége magas, vagy folyamatosan változó a biometán termelő egységben. Kéntelenített biogáz Maró hatású Oxidálóoldószer szer Mosótorony Nyers biogáz

Friss víz Elfolyó víz

3. ábra: Kémiai‐oxidatív eljárás terchnológiája; Bruck/Leitha, Ausztria; 300 m³/óra nyers biogáz kapacitás (Forrás: Bécsi Műszaki Egyetem, Biogas Bruck GmbH) A technológia alkalmazása előnyös biometán előállításhoz, ha: 

a nyers biogáz kén‐hidrogén tartalma közepes vagy magas



a nyers biogáz kén‐hidrogén tartalmának változása közepes vagy magas



a biogáz előállításhoz felhasznált alapanyag gyakran változik



minden további oxigén, ill. nitrogén hozzáadása a nyers biogázhoz káros a későbbi tisztítási művelet szempontjából

Feladat 3.1.1 TUV


Biogázból biometán technológiai áttekintés 

magas fokú automatizálás és megbízható működés az elvárás, alacsony munkaráfordítás mellett



a kémiai reagensek alkalmazására, a kezelő személyzet megfelelően felkészült

2.4. Fémoxidos vagy aktív szenes adszorpció A kén‐hidrogén eltávolítása a nyers biogázból adszorpcióval történhet, amihez valamilyen fémoxidot (vasoxidot, cinkoxidot, rézoxidot) vagy aktív szenet használnak, mint adszorbenst. A fémoxidos adszorpció során, a kén kötött fémszulfid formába kerül és közben vízgőz is felszabadul. Amint az adszorpció végbemegy, az adszorbens telítődik, majd eltávolításra, ill. cserére kerül. A kén‐hidrogén aktív szénen történő adszorpciója mindig egy kis mennyiségű oxigén hozzáadásával valósul meg annak érdekében, hogy a kén‐hidrogén katalitikus úton elemi kénné alakulhasson, és erősebben kötődjön meg a felszínen. Amennyiben nem alkalmazható oxigén, különleges impregnált aktív szenet lehet alkalmazni. Ez a kéntelenítési eljárás rendkívül hatékony 1 ppm‐nél kisebb előírt koncentráció esetén. A folyamat beruházási költsége viszonylag alacsony, azonban az összesített fajlagos költség meglehetősen magas, mivel a módszert jellemzően befejező kéntelenítéshez alkalmazzák (jellemzően a nyers biogáz legfeljebb 150ppm kén‐hidrogén tartalomáig). A technológia alkalmazása előnyös biometán előállításhoz, ha: 

a kén‐hidrogén koncentráció a nyers biogázban alacsony



a technológia csak az utolsó kéntelenítési fázisban kerül alkalmazásra

3. Biogáz tisztítási és biometán előállítási technológiák Napjainkban már számos piacon elérhető technológia áll rendelkezésre a biogáz tiszítás egyes lépcsőihez: szárítás, szén‐dioxid eltávolítás (hőérték növelés) stb. A következő fejezetben ezek részletes ismertetésre kerülnek az egyéb mellékösszetevők eltávolítási eljárásaival együtt.

3.1. Abszorpció Az abszorció alapelve a különböző gázok folyadékban történő eltérő oldhatóságán alapszik. Abszorciós technológiát alkalmazó üzemekben a nyers biogáz intenzív kapcsolatban áll valamilyen folyékony közeggel a mosótornyon belül, amit előzőleg műanyag töltettel töltöttek fel. Ennek oka, hogy meg tudják növelni az érintkezési felületet, az egyes fázisok közt. Az összetevők, amik eltávolításra kerülnek a biogázból (legtöbbször a szén‐dioxid) jellemzően sokkal jobban oldódnak az alkalmazott mosófolyadékban mint a metán. Ennek köszönhetően a megmaradó gázáram metánnal dúsított és a mosótoronyból kikerülő szennyezett víz szén‐dioxiddal telített. Az abszorpciós teljesítmény megőrzése érdekében a folyadékfázist időről‐időre cserélni kell, vagy a regenerálását egy külön lépésben (deszorpció vagy regenerációs lépés) kell megoldani. Jelenleg 3 féle abszorpciós gáztiszítási technológia terjedt el szélesebb körben. Feladat 3.1.1 TUV


Biogázból biometán technológiai áttekintés 3.1.1. Fizikai abszorpció: Nagynyomású vizes mosás A komprimált biogázt egy ellenáramú vízoszlopon engedik át. Az abszorbeált gázkomponensek fizikailag megkötődnek a mosófolyadékban, ami itt a vizet jelenti. A szén‐dioxid nagyobb oldhatósági tulajdonsággal rendelkezik víz esetén mint a metán, így az nagyobb mértékben oldódik. Különösen igaz ez alacsony hőmérsékleten és magasabb nyomáson. A szén‐dioxidon túl a kén‐hidrogén és az ammónia szintje szintén csökkenthető vizes mosással. A mosótornyot a szennyezett mosóvíz, szén‐ dioxiddal telített formában hagyja el, mely ez után egy tároló tartályba kerül. A folyadék regenerálása gyors nyomáscsökkentéssel történik, mely következtében a feloldott gáz jelentős része eltávozik a vízből. A gáz legfőképpen szén‐dioxidból áll, de tartalmaz metánt is kis részben (a metán szintén oldható a vízben, de sokkal kisebb mértékben). Amennyiben a mosóvíz visszavezetésre kerül az adszorpciós oszlopba, szükséges előtte a regenerációt elvégezni egy deszorpciós toronyba való bevezetéssel. Itt a víz ellenáramban folyik a levegővel, mely kiűzi a szén‐dioxidot a vízből. Ezt követően a regenerált vizet visszatáplálják az abszorpciós oszlopba, és mint friss mosófolyadékot hasznosítják újra. Az eljárás egyik hátránya, hogy a levegő oxigén és nitrogén tartalma is oldódik a víz regenerációja során, így bekerülhet a biometánba. Mindezek okán, ezzel az eljárással előállított biometán mindig tartalmaz oxigént és nitrogént is. Az eljárás során a biometán telítődik vízzel, az utolsó fázis tehát jellemzően a gáz szárítása, ami történhet például glikolos mosó alkalmazásával.

Biometán Szárítás Hulladékgáz Deszorpciós oszlop

Abszorpciós oszlop Nyers biogáz

Levegővel történő sztrippelés

Kompresszor

4. ábra: Nagynyomású vizes mosás technológiája; Könnern Németország; 1250m³/h nyers biogáz kapacitás (Forrás: Malmberg) A technológia alkalmazása előnyös biometán előállításhoz, ha: 

az oxigén és nitrogén tartalom miatti alacsonyabb hőérték még megfelelő a biometánhoz



a tervezett üzemméret közepes vagy nagy



a keletkező biometán közvetlenül felhasználható a tisztítóból kilépő nyomáson, azaz további nyomásfokozás nem szükséges



a biogáz üzem hőigénye (részben) fedezhető a hulladékgáz eltüzelésével

Feladat 3.1.1 TUV


Biogázból biometán technológiai áttekintés 3.1.2. Szerves‐fizikai abszorpció Az eljárás hasonló a vizes mosás technológiájához, csak itt szerves oldószert (pl. polietilén‐glikol) alkalmaznak víz helyett. A szén‐dioxid (és a kén‐hidrogén) nagyobb fokú oldódást mutat ebben az anyagban, mint a vízben. A jobb oldhatóság eredményeként kevesebb a folyamat oldószer szükséglete, és kisebb az alkalmazandó berendezés méret igénye ugyanakkora nyers biogáz mennyiség mellett. Számos kereskedelmi forgalomban kapható szerves‐fizikai biogáz tisztítási technológia létezik, különböző (fizikai) mosókkal: Genosorb, Selexol, Sepasolv, Rektisol és a Purisol. 3.1.3. Kémiai abszorpció: aminos mosás A kémiai abszorpció a gázhalmazállapotú összetevők fizikai abszorpciójával jellemezhető, ami mosófolyadékban zajlik le. Ezt követi a mosófolyadék, ill. az abszorbeált gáz összetevői között lezajló kémiai reakció a folyékony fázison belül. Ennek eredményeként a felesleges gázkomponensek kötése a mosófolyadékhoz sokkal erősebbnek bizonyul, valamint a telítési kapacitása is többszöröse a mosófolyadéknak. A mosótorony tetején vezetik be az aminoldatot, ami ellenáramban találkozik a biogázzal. A kémiai reakció erősen szelektív és a metán mennyisége szintén abszorbeálódik a folyadékban. Köszönhetően a közeli kémiai rokonságnak, az alkalmazott oldószer és a szén‐dioxid között (főleg vizes oldatok: a monoetanol‐amin MEA, dietanol‐amin DEA és a metil‐dietanol‐amin MDEA), az aminos mosók üzemeltetési nyomása alacsonyabb szinten tartható, mint az ugyanolyan teljesítményű nagynyomású vizes mosóké. Az aminos mosót alkalmazó üzemek jellemzően egy kissé emelt nyomásszinten üzemelnek a nyers biogáz előállítás során, így további kompresszióra már nincs szükség Az aminos oldószer nagy felvevő képességgel és szelektivitással rendelkezik, ami előnyt jelent az abszorpció során, azonban ez hátránnyá válik a mosófolyadék regenerációjakor. A kémiai mosófolyadékok lényegesen több energiát igényelnek a regeneráció során, aminek biztosítása a folyamat során keletkező hővel megoldható. A felhasznált aminos oldatot 160OC‐ra melegítik, ahol a szén‐dioxid nagy része eltávozik a regenerációs toronyból. A mosófolyadék kis része kipárolog a folyamat alatt, amit alkalmanként pótolni szükséges. A kén‐hidrogén is abszorbeálható kémiai eljárással a nyers biogázból, de ehhez magasabb hőmérséklet szükséges a regeneráció alatt. Ebből adódóan javasolt ennek az összetevőnek az eltávolítását elvégezni, még az aminos mosás előtt.

Feladat 3.1.1 TUV oldal

2012 május 10.


Biometán Deszorpciós oszlop

Abszorpciós oszlop

Hulladékgáz

Nyers biogáz

5. ábra: Aminos mosás technológiája; Göteborg, Svédország; 1600m³/h nyers biogáz kapacitás (Forrás: Cirmac) A technológia előnyös lehet biometán előállításhoz, ha: 

magas metántartalmú gáz az elvárás



a tervezett üzemméret közepes vagy nagy



a biometán felhasználható vagy szállítható további nyomásfokozás nélkül

3.2. Adszorpció: Nyomásváltásos adszorpció (PSA) Az adszorpciós eljárásoknál különböző gázösszetevők szilárd felületen történő megkötődését használják ki magas nyomásszint mellett. Az eljárásnál leggyakrabban alkalmazott adszorbensek a különböző aktív szenek és molekuláris szűrők (zeolitok). Ezen anyagok szelektív adszorpcióval képesek a szén‐dioxidot kivonni a nyers biogázból, ami által fokozzák a metántartalmat. A magas nyomású adszorpciót követően a felhasznált abszorbens anyag fokozatos nyomáscsökkentéssel regenerálásra kerül, majd átöblítik nyers biogázon vagy biometánon. Ezalatt a hulladékgáz elhagyja az adszorbert, majd a nyomás ismét növelhető nyers biogázzal vagy biometánnal, és ezután az adszorber készen áll az újbóli hasznosításra. Nagyobb méretű ipari tisztítóüzemek esetén négy, hat, ill. kilenc adszorber tartályt alkalmaznak párhuzamosan, különböző fázisban (adszorpciós vagy regenerációs) egy műveletsorozaton belül, hogy biztosíthassák a folyamatos üzemmenetet. A regenerációs fázis dekompressziós része alatt a gáz összetétele megváltozik, ahogy az adszorbeálódott metán eltávozott korábban (magasabb nyomáson), és a szén‐dioxid nagyobb része Feladat 3.1.1 TUV oldal

2012 május 11.

Biogázból biometán technológiai áttekintés előnyösen deszorbeálódott (alacsonyabb nyomáson). A dekompresszió első lépéseiben keletkező gáz visszavezetésre kerül ‐ a nyers biogáz bemenethez ‐ hogy ezáltal is csökkenthető legyen a metán veszteség. A regeneráció későbbi lépéseiben a gáz továbbvezethető az adszorpció második lépcsőjébe, vagy kijuttatható a légkörbe. Mivel a gáz víz és kén‐hidrogén tartalma visszafordítatlan károsodást okoz az adszorbens anyagban, ezért ezen összetevők eltávolítását már az adszorpciós oszlopba való bekerülés előtt el kell végezni.

Biom etán

Nyers biogáz Kompresszor Hulladékgáz

6. ábra: Nyomásváltásos adszorpció folyamatábrája; Mühlacker, Németország; 1000m³/h nyers biogáz kapacitás (Forrás: Schmack CARBOTECH) A technológia alkalmazása előnyös lehet biometán előállításra, ha 

a biometán metántartalma 95‐99 vol % között kívánatos a további hasznosításhoz



a tervezett üzemkapacitás alacsony vagy közepes



a biometán közvetlenül felhasználható, további nyomásfokozásra nincs szükség



az üzem hőigénye részlegesen a hulladékgáz hasznosításából valósul meg


2012 május 12.


3.3. Membrán technológia: Gázpermeáció (áteresztó képesség) A biogáz tisztításához felhasznált membránok olyan anyagok lehetnek, melyek áteresztik a szén‐ dioxidot, a vizet és az ammóniát. Míg a kén‐hidrogén, az oxigén és a nitrogén csak meghatározott mértékben képes áthatolni a membránon, addig a metán csak egy igen kis mennyiségben. Jellemzően az alkalmazott membránok különböző polimer anyagokból: poliszulfonból, polimidből vagy polidimetilsziloxánból állnak. Ezek az anyagok kedvező metán/széndioxid szétválasztási tulajdonsággal rendelkeznek. A megfelelő membránfelület érdekében, a membránok üreges‐szálas formában kerülnek alkalmazásra, a párhuzamos kialakítású membrán modulokban. A nyomásfokozást követően a nyers biogáz lehűtésre kerül a szárításhoz és az ammónia eltávolításához. A kompresszor hulladék hőjével történő visszamelegítés után, a maradék kén‐ hidrogén eltávolítása vas‐, ill. cink‐oxiddal történő adszorpcióval valósul meg. A folyamat végén a gáz, egy vagy többlépcsős gázpermeációs egységbe kerül. Az alkalmazott membránok száma, ill. azok összekapcsolódásai nem meghatározóak a biometán minőség vonatkozásában, azonban mindenképpen figyelembe kell venni azokat az elvárt metán kinyerési arány és a fajlagos kompressziós energia igény tekintetében. Napjainkban már a korszerű biogázüzemek magas metán‐ kinyerési tulajdonsággal és viszonylag alacsony energiaigénnyel bírnak. Ezeken túlmutatóan már megjelentek a többfokozatú kompresszorok, melyek gazdaságosságukat számos esetben bizonyították. A megfelelő minőségű és mennyiségű biometán előállítása érdekében az üzemi nyomást és a kompresszor fordulatszámát is szabályozni szükséges. Kompresszor

Nyers biogáz

Nyomás visszatartó szelep

Záró kéntelenítés

Biometán

Egy-, vagy többfokozatú gázpermeációs egység Hulladékgáz

7. ábra: Gázpermeációs membrán technológia folyamatábrája; Kisslegg, Németország, 500m³/h nyers biogáz kapacitás (Forrás: AXIOM Angewandte Prozesstechnik) Feladat 3.1.1 TUV oldal

2012 május 13.

Biogázból biometán technológiai áttekintés A technológia alkalmazása előnyős biometán előállításhoz, ha 

az elvárt metán arány mértéke 95‐99 vol % a további felhasználáshoz



a tervezett üzem kapacitás alacsony, ill. közepes



a biometán közvetlenül felhasználható üzemi nyomáson, további nyomásfokozásra nincs szükség



különböző vegyi anyagok alkalmazása kerülendő



a hideg készenléti üzemből, a gyors indítás és a start/stop üzemeltetés elvárás

3.4. Biogáz tisztítási technológiák összehasonlítása Nehéz egy egységes, minden esetben ugyanolyan hatékonysággal működő technológiát ajánlani, mivel lényeges eltérések mutatkozhatnak az egyes üzemek helyi / környezeti sajátosságaiban. Az eltérő technológiák alkalmazhatóságának lehetősége (pl. figyelembe véve az elérendő biometán minőséget), sok esetben nem felel meg a gazdaságossági kritériumoknak. Általánosságban elmondható, hogy folyamatos technológiai fejlesztések a legtöbb eljárásnál szükségesek annak érdekében, hogy valamennyi üzemeltetési igényt ki tudjanak elégíteni. A beruházások megkezdése előtt fontos felmérni részletesen a biometán előállítás különböző szakaszainak költségeit. A legjobb technológia megtalálásában kíván segítséget nyújtani a „Biometán Kalkulátor”, ami a Biometán Régiók Projekt keretein belül került elkészítésre, és az elkövetkező években az aktualizált piaci adatokkal folyamatosan frissítésre kerül. Az eszköz tartalmazza az összes releváns gáztisztítási technológiát, és reményeink szerint képes lesz egy megfelelő előrejelzést nyújtani a fajlagos biometán előállítási költségek vonatkozásában. A következő táblázat az egyes biogáz tisztítási technológiák jellemző legfontosabb paramétereit foglalja össze tipikus nyeres biogáz összetételre vonatkozóan. A kalkulátorhoz felhasznált adatok üzemeltetési tapasztalatokból, ill. nemzetközi szakirodalmi adatokból származnak. A kalkulátorban lévő adatok a 2012. márciusi állapotot tükrözik. A membrán technológia széles körű alkalmazhatóságot tesz lehetővé az üzemek helyi sajátosságaihoz igazodva, különböző membrán kialakításokat, többszörös membrán lépcsőket és kompresszor variációkat is lehetővé téve. Ez az oka annak, hogy sok esetben érték tartomány került megadásra, ahol az első érték mindig egyszerűbb (olcsóbb) üzem tervezést, alacsonyabb metán kinyerést, míg a második hatékonyabb (költségesebb) metánkinyerési technológiát jelöl.


2012 május 14.


Vizes mosás

Szerves fizikai mosás

Aminos mosás

Nyomás‐ váltásos adszorpció (PSA)

Membrán szeparáció

95,0‐99,0

95,0‐99,0

>99,0

95,0‐99,0

95,0‐99,0

metán kinyerés [%]

98,0

96,0

99,96

98

80‐99,5

metán veszteség [%]

2,0

4,0

0,04

2,0

20‐0,5

jellemző nyomás [bar(túl)]

4‐8

4‐8

0

4‐7

4‐7

villamos energia igény [kWhel/m³ biometán]

0,46

0,49‐0,67

0,27

0,46

0,25‐0,43

fűtési igény és hőmérséklet

‐

közepes 70‐80°C

magas 120‐160°C

‐

‐

kéntelenítés szükségessége

eljárástól függ

igen

igen

igen

igen

Lerakodás‐ gátló adalék, szárítóa‐ nyag

szerves oldószer (nem veszélyes)

aminos oldószer (veszélyes, korrozív)

aktív szén (nem veszélyes)

szabályozhatóság [%]

50‐100

50‐100

50‐100

85‐115

50‐105

referenciaüzemek száma

magas

alacsony

közepes

magas

alacsony

jellemző beruházási költség [€/(m³/óra) biometán]

100m³/óra biometánhoz

10.100

9.500

9.500

10.400

7.300‐7.600


5.500

5.000

5.000

5.400

4.700‐4.900


3.500

3.500

3.500

3.700

3.500‐3.700


14,0

13,8

14,4

12,8

10,8‐15,8


10,3

10,2

12,0

10,1

7,7‐11,6


9,1

9,0

11,2

9,2

6,5‐10,1

Paraméter

jellemző üzemméret tartomány [m³/óra biometán] jellemző metán tartalom a biometánban [vol%]

fogyóeszköz igény

jellemző üzemeltetési költségek [ct/m³ biometán]


2012 május 15.


3.5. Mellékösszetevők eltávolítása: víz, ammónia, sziloxánok, finom részecskék A biogáz vízgőzzel telítve hagyja el a fermentort. A víz a berendezésekben és a csővezetékekben kondenzálódhat, mely a kén‐oxidokkal együtt korróziót idézhet elő. A nyomás fokozásával és a hőmérséklet csökkenésével a víz kikondenzálódik a biogázból, és ezáltal eltávolítható. A hűtés egyaránt megvalósítható a környezeti hőmérséklettel (levegő, talaj) vagy elektromos hűtéssel (mélyhűtéssel). A víz eltávolítására alkalmazható még glikolos mosás, szilikátos adszorpció, aktív szén vagy molekuláris szűrő (zeolit). Az ammónia, a biogáz hűtéses szárítása során többnyire kiválik, mivel az oldhatósága a vízben magas. Ugyanakkor a legtöbb szén‐dioxid eltávolítási technológia az ammónia leválasztását is elvégzi egyidejűleg, ezért különálló tisztítási lépcsőre nincs szükség. A hulladéklerakó‐ és szennyvíztelepeken keletkező biogázokban előfordulhatnak sziloxánok, amelyek az egyes tisztálkodási szerekből (dezodorokból és samponokból) kerülhetnek bele az alapanyagba. A sziloxánok jelenléte komoly problémát okozhat, a gázmotorokban és a tüzelőberendezésekben. Eltávolításuk történhet gázhűtéssel, aktív szenes adszorpcióval, aktív alumínium‐ vagy szilikagéles abszorpció révén, vagy folyékony szénhidrogének keveréke segítségével. A biogázban és a depóniagázban is megtalálható részecskék, szemcsés anyagok számos mechanikai probléma okozói lehetnek a gázmotorokban, turbinákban és csővezetékekben. A makro részecskék szeparálására mechanikus finomszűrőket (0,01µm – 1µm) alkalmaznak. Feladat 3.1.1 TUV oldal

2012 május 16.


4. A gáz metántartalmának kinyerése a hulladékgázból Ahogy már korábban említésre került, a rendszerből kikerülő gáz az alkalmazott technológia teljesítményétől függően tartalmazhat még bizonyos mennyiségű metánt. Mivel a metán üvegházhatást okozó gáz, ezért fontos kérdés a levegőbe jutó mennyiség minél kisebb szintre való mérséklése. A legtöbb országban korlátozva van a biogáz erőművekből kijuttatható metán mennyisége. A távozó gáz nagyarányú metántartalma kedvezőtlen hatással lehet az üzem gazdaságosságára a növekvő fajlagos költségek okán. Kompromisszumot kell találni tehát a beruházásnál – az egyéni speciális sajátosságainak figyelembe vétele mellett – mivel a metán kinyerés fokozása mindig megnöveli a beruházási és üzemeltetési költségeket. Nagy általánosságban kijelenthető, hogy optimálisnak az tekinthető, ha csak kis mennyiségű metán marad a gázban és a légkörbe történő kiengedés előtt valamilyen előkezelésen megy át. A gáz metántartalmának eltávolítására a legszélesebb körben alkalmazott technológia az oxidáció és a hőfejlesztés. A termelődött hőmennyiség felhasználható a biogáz erőműben, betáplálható a távhő rendszerbe (ha ez lokálisan rendelkezésre áll) vagy hűtésre használható. A hasznosításra alternatívát jelenthet a hulladékgáz és a nyers biogáz összekeverése, és gázmotorban történő eltüzelése. Fontos figyelembe venni az üzemek tervezésekor, hogy a modern biogáz tisztító egységeknél a maradék gáz önmagában ritkán tartalmazza az elégséges metán mennyiséget a közvetlen felhasználhatósághoz, aminek okán szükséges további földgáz vagy nyers biogáz hozzáadását is elvégezni. Szintén megoldást jelenthet a gázban lévő maradék metán alacsony hőérték igényű‐, vagy katalitikus elvű tüzelőberendezésben történő hasznosítása. A piacon, már számos gyártó kínálatában elérhetők ezek a technológiák. A rendszer stabil elégetést tesz lehetővé, még a metán levegő keverék 3%‐os metán tartalma mellett is. Még lényegesebb kérdés a gáztisztító egységnek a biogáz előállító folyamatba történő integrálása és az egész üzem megfelelő felépítése. Nagyon kevés olyan gáztisztítási technológia létezik, amelynél olyan magas a metánkinyerési arány, hogy a keletkező maradék gáz bármilyen előkezelés nélkül a légkörbe kijuttatható lenne. Feladat 3.1.1 TUV oldal

2012 május 17.


5. Felhasznált források "Abschlussbericht Verbundprojekt Biogaseinspeisung, Band 4" Fraunhofer‐Institut fuer Umwelt‐, Sicherheits‐ und Energietechnik UMSICHT Urban, Lohmann, Girod; Germany, 2009 www.umsicht.fraunhofer.de "Biogas upgrading technologies ‐ developments and innovations" IEA Bioenergy Task 37 ‐ Energy from biogas and landfill gas Peterson, Wellinger; Sweden & Switzerland, 2009 www.iea‐biogas.net "Biogas upgrading to vehicle fuel standards and grid injection" IEA Bioenergy Task 37 ‐ Energy from biogas and landfill gas Persson, Jönsson, Wellinger; Sweden & Switzerland, 2006 www.iea‐biogas.net "Biogas upgrading and utilisation" IEA Bioenergy Task 24 ‐ Energy from biological conversion of organic waste Lindberg, Wellinger; Sweden & Switzerland, 2006 www.iea‐biogas.net "Techniques for transformation of biogas to biomethane" Biomass and Bioenergy 35 (2011) 1633‐1645 Ryckebosch, Drouillon, Vervaeren; 2011 www.journals.elsevier.com/biomass‐and‐bioenergy "Membrane biogas upgrading processes for the production of natural gas substitute" Separation and Purification Technology 74 (2010) 83–92 Makaruk, Miltner, Harasek; 2010 www.journals.elsevier.com/separation‐and‐purification‐technology "Chemical‐oxidative scrubbing for the removal of hydrogen sulphide from raw biogas: potentials and economics" Water Science and Technology (2012) to be published Miltner, Makaruk, Krischan, Harasek; 2012 www.iwaponline.com/wst/default.htm


2012 május 18.

The sole responsibility for the content of this publication lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the European Union.

The sole responsibility for the content of this publication lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the European Union.

BIOGÁZBÓL BIOMETÁN. Technológiai Áttekintés. With the support of

Recommend Documents