DÍLČÍ ZPRÁVA Aktivita -Feasibility study for gas membrane separation focused on biogas upgrading(dv003)

DÍLČÍ ZPRÁVA Aktivita -Feasibility study for gas membrane separation focused on biogas upgrading(DV003) Název projektu:

Smart Regions - Buildings and Settlements Information Modelling, Technology and Infrastructure for Sustainable Development

Ev. č. projektu:

TE02000077

Za období:

01/2014 – 12/2014

Stráž pod Ralskem, 12. prosinec 2014

………………… ……………… Ing. Pavel Brož, Ing. Marek Bobák, Ph.D.

MemBrain s.r.o., Pod Vinicí 87, 471 27 Stráž pod Ralskem, Česká republika www.membrain.cz, e-mail: [email protected]

Obsah 1

2

3

4

5 6

7 8

ÚVOD……………………………………………………………………………………... ZADÁNÍ………………………………………………………………………………….. 3 2.1. Specifikace primárních produktů…………………………………………………….. 3 2.2. Specifikace primárních surovin……………………………………………………….4 2.3 Informace o lokalitě ...................................................................................................... 4 2.3.1 Pilotní regiony Bio Plynových Stanic…………………………………………………4 2.3.2 Technické údaje BPS Pustějov ..................................................................................... 4 2.4 Specifikace ostatních médií a produktů……………………………………………….5 EXISTUJÍCÍ ŘEŠENÍ ......................................................................................................... 5 3.1 Současné komerční technologie ................................................................................... 5 3.1.1 Adsorpce PSA…………………………………………………………………………5 3.1.2 Absorpce………………………………………………………………………………7 3.1.3 Chemisorpce…………………………………………………………………………..7 3.1.4 Nízkotlaká absorpce…………………………………………………………………..8 3.1.5 Membránová separace………………………………………………………………...8 3.1.6 Nízkoteplotní rektifikace………………………………………………………………8 3.2 Konkrétní finanční analýza konkurenční technologie………………………………..10 3.2.1 DMT ........................................................................................................................... 10 3.2.2 Haase…………………………………………………………………………………10 3.3 Technologie ve stadiu R&D…………………………………………………………..10 3.4 Akademická řešení ..................................................................................................... 10 3.5 Patentová rešerše ........................................................................................................ 11 NÁVRH JEDNOTLIVÝCH VARIANT MEMBRÁNOVÉ SEPARACE ....................... 12 4.1 Varianta procesu 1 ...................................................................................................... 12 4.1.1 Process flow diagram .......................................................................................... 13 4.1.2 Materiálové a energetické bilance ....................................................................... 14 4.2 Varianta procesu 2…………………………………………………………………..15 4.2.1 PFD………………………………………………………………………………15 4.2.2 Materiálová bilance………………………………………………………………15 4.3. Varianta procesu 3………………………………………………………………….15 4.3.1 PFD………………………………………………………………………………15 4.3.2. Materiálová bilance………………………………………………………………16 IDENTIFIKACE NEJVĚTŠÍCH RIZIK APLIKACE ...................................................... 16 POSOUZENÍ VARIANT PROCESU............................................................................... 16 6.1 Technické porovnání .................................................................................................. 17 6.2 Ekonomické porovnání ............................................................................................... 17 ZÁVĚR.............................................................................................................................. 17 PŘÍLOHY…………………………………………………………………………………18 8.1 Reference…………………………………………………………………………….18

2

1

ÚVOD Cílem je studie proveditelnosti hodnotící několik možných způsobů aplikace membránového čištění bioplynu. Cílovým produktem je biometan splňující příslušné technické standardy pro použití jako palivo ve spalovacích motorech vozidel. Studie uvádí koncept technologického řešení s hodnocením technických a ekonomických parametrů včetně splnění požadavků na kvalitu produktů.

2

ZADÁNÍ Aby byla studie proveditelnosti dostatečně vypovídající, zvolili jsme konkrétní případ bioplynové stanice v Pustějově. Cílem je tedy navrhnout konkrétní řešení technologie pro výrobu maximálního možného množství biometanu z bioplynu, který je na BPS k dispozici.

2.1

Specifikace primárních produktů Biometan – bioplyn upravený na kvalitu a čistotu potrubního zemního plynu =˃95% CH4 BioCNG – Biometan stlačený na tlak =˃230 bar, produkt pro případ BPS Pustějov Tab.č.1. Požadavky na kvalitu biometanu v ČR Parametr Hodnota Obsah metanu Min.95 mol.% Obsah vody Max -10°C Obsah kyslíku Max. 0,5 mol% Obsah kysličníku uhličitého Max. 5 mol% Obsah dusíku Max. 2 mol% Obsah vodíku Max. 0,2 mol% Celkový obsah síry (bez odorantů) Max.30 mg/m3 Obsah merkaptanové síry (bez odorantů) Max.5 mg/m3 Obsah sulfanu (bez odorantů) Max.7 mg/m3 Obsah amoniaku 0 Halogenové sloučeniny Max.1,5 mg(Cl+F) /m3 Organické sloučeniny křemíku Max.6 mg(Si) /m3 Mlha, prach, kondenzáty 0 Tab.č.2. Porovnání parametrů biometanu v ČR a okolních zemích

3

2.2

Specifikace primárních surovin Primární surovina je jedna – bioplyn. Jako základ pro studii byla převzata data analyzovaná na VŠCHT Praha. Následující tabulka shrnuje vlastnosti produkovaného bioplynu: Název proudu Teplota Tlak Mol. Tok Hm. Tok Mol. Zlomek CH4 H2O CO2 N2 O2 H2S Rosný bod

2.3

Bioplyn C BAR SCMH KG/HR

26,0 1,05 270 312,2942

C

0,6186682 0,0227245 0,3463741 0,0116125 1,20E-04 5,01E-04 25,04514

Informace o lokalitě Bioplynová stanice Pustějov je v Severomoravském regionu, blízko Studénky. Jedná se o technologické zařízení pro zpracování materiálů a surovin zemědělské výroby, rostlinné hmoty, kukuřičné siláže, hovězí kejdy, cukrovarských řízků a obilovin. Produktem procesu anaerobní fermentace je bioplyn vhodný pro spalování v kogenerační jednotce. Výstupem z kogenerační jednotky je elektrická energie a teplo, jehož část se spotřebuje pro ohřev fermentoru a hygienizaci, zbytek se využije v areálu zemědělské farmy a k vytápění objektů v obci Pustějov. Elektřina je vyvedena a prodána rozvodnému závodu. Vyřešena je rovněž možnost využití kogenerace jako záložního zdroje energie pro areál farmy v případě výpadku veřejné sítě.

2.3.1 Pilotní regiony Bio Plynových Stanic Pilotními regiony řešenými v projektu TE2000077 v ČR jsou: Třeboň, Boskovice, Uničov, Hostětín, Teplice nad Bečvou, Brno – Nový Lískovec

2.3.2 Technické údaje bioplynové stanice Pustějov Uvedení do provozu: Vstupní suroviny:

květen 2007 hovězí a vepřová kejda, travní a kukuřičná siláž, cukrovarské řízky, obiloviny 600 736 6 528

El. výkon (kW): Tep. výkon (kW): Produkce bioplynu (m3/den): Parametry kogeneračních 4 x Tedom Cento 160 SP jednotek: Spotřeba BP (m3/hod): 261,2 Vyrobená elektřina (kWhel/den): 14 400 4

Vyrobená tepelná (kWhth/den):

2.4

3

energie

17 664

Specifikace ostatních médií a odpadů Ostatní média: Permeát z 1. modulu s obsahem cca 20 obj.% CH4 určený ke spálení v kogeneraci Chladicí směs do chladičů plynu: 20%-ní glykol + voda Dusík na proplach technologie: čistota 99,99% Kompresorový olej pro mazání středotlakého a vysokotlakého kompresoru Kalibrační plyny analyzátorů Odpady: Vodní kondenzát odstraněný z bioplynu z minimálním obsahem oleje (jednotky mg/kg) Desulfurizační adsorbent: aktivní uhlí s obsahem adsorbované síry Vyjetý kompresorový olej

EXISTUJÍCÍ ŘEŠENÍ V současné době není v ČR průmyslová aplikace separace biometanu z bioplynu.

3.1

Současné komerční technologie Komerční technologie se rozdělují do několika skupin: -

Adsorpce (PSA – Pressure swing adsorption) Absorpce (Tlaková vodní vypírka) Chemická vypírka (Chemical scrubbing) Nízkotlaká absorpce Membránová separace Nízkoteplotní rektifikace – vymražování CO2 (Cryogenic upgrading)

3.1.1. Adsorpce (PSA – Pressure swing adsorption)

5

Výhody: vyzkoušená technologie, žádná odpadní voda Nevýhody: nutné odsíření, vysoká spotřeba el.energie, kyslík a dusík nejsou odstraněné Obr.č.1 Schéma adsorpčního procesu

6

3.1.2. Absorpce (Tlaková vodní vypírka)

Výhody: vyzkoušená technologie, odsíření není nutné, CO2 i H2S jsou odstraněné Nevýhody: vysoká spotřeba vody a el. energie, kyslík a dusík nejsou odstraněné

Obr.č.2 Tlaková vodní vypírka

3.1.3. Chemická vypírka

7

Obr.č.3 Schéma chemické vypírky

3.1.4. Nízkotlaká absorpce

Výhody: Méně energeticky náročná metoda jak tlaková vodní vypírka Nevýhody: Kyslík a dusík nejsou odstraněné 3.1.5. Membránová separace

8

Výhody: Méně energeticky náročná, malý zastavěný prostor, bezobslužná technologie, odstranění kyslíku a CO2 Nevýhody: nutnost odstranit vodu, H2S, popř. NH3 aby nedošlo ke ztrátě selektivity membránových modulů, moduly se musí po cca 3-5 letech vyměnit 3.1.6. Nízkoteplotní rektifikace (vymrazování CO2)

Výhody: velké zpracovávané objemy bioplynu Nevýhody: vysoká energetická náročnost

9

Tab.č.3 Základní parametry jednotlivých technologií

Tab.č.4 Porovnání technologií v investičních a provozních nákladech

Investiční a provozní náklady 1 000 000

náklady [€]

800 000 600 000 400 000 200 000 0 Chemická absorpce

HPWS

PSA

investiční náklady [€]

10

Kryogenní separace

provozní náklady [€]

Membránová separace

3.2

Konkrétní finanční analýza konkurenční technologie

3.2.1. DMT V současnosti začala na českém trhu působit holandská společnost Dirkse – Milieutechniek (DMT) nabízející dvě varianty Biogas upgrading, a to tlakovou vodní vypírku a membránovou separaci, čímž se stává naším hlavním konkurentem. Pokud jde o membránovou separaci, taktéž využívají modulů dutých vláken rozdělených do kategorií dle zpracovávaného množství surového bioplynu. V případě průtoku 50 Nm3/h stanovují náklady na 1 Nm3/h biomethanu na 0,43 € a v případě 200 Nm3/h je cena 0,21 €. Z toho lze usoudit, že s rostoucím množstvím zpracovaného bioplynu se dostávají na nižší náklady na produkci 1 Nm3/h biomethanu. 3.2.2. Haase Německá společnost Haase nabízí technologii Biogas upgrading na principu fyzikální sorpce do organických rozpouštědel. Kompletní technologii na zpracování 250 Nm3/h surového bioplynu s produkcí 135 Nm3/h biomethanu o čistotě cca 97% v závislosti na složení vstupního bioplynu nabízí za 1 040 000 € bez nákladů na transport. Dále je uvedená komplexní nákladová bilance. Nutno podotknout, že je velmi obtížně zjistitelné, co všechno obsahuje nákladová položka na např. na výrobu 1 Nm3/h biomethan – obecně se každá společnost snaží uvést co nejnižší cenu, aby obstála na konkurenčním trhu, proto občas dochází k uvádění pouze teoretických nákladů a až posléze jsou stanoveny konkrétní podmínky za jakých se tyto náklady stávají reálnou hodnotou. 3.3

Technologie ve stádiu R&D Nejsou k dispozici žádné bližší informace.

3.4

Akademická řešení KARA, Jaroslav: Ověřeni funkčniho modelu zařizeni pro upravu bioplynu na kvalitu zemniho plynu. Biom.cz [online]. 2013-01-07 [cit. 2014-06-12]. ISSN: 1801-2655. http://biom.cz/czt-bioplyn/odborne-clanky/overeni-funkcniho-modelu-zarizeni-proupravubioplynu-na-kvalitu-zemniho-plynu Projekt FR-TI1/245 Čištěni bioplynu z čističek odpadnich vod pomoci iontovych zakotvenych membran http://www.isvav.cz/projectDetail.do?rowId=FR-TI1%2F245 Čištění bioplynu pomocí metody PSA https://dspace.vutbr.cz/bitstream/.../2014_DP_Navratil_Petr_107447.pdf..

3.5

Patentová rešerše Nebyla vyžádána.

11

4

NÁVRH JEDNOTLIVÝCH VARIANT MEMBRÁNOVÉ SEPARACE Membránová separace biometanu z bioplynu má několik variant řešení, ve kterých se zohledňuje: -

4.1

1) Spalitelnost odpadního permeátového proudu vzhledem k max. konverzi procesu 2) Max. konverze procesu bez ohledu na spalitelnost odpadního proudu 3) Použití vhodných modulů bez zařazení jednotky předúpravy bioplynu (odstranění sulfanu)

Varianta procesu 1 Proces membránové separace je vedený s ohledem na obsah metanu v odpadním proudu 20 - 25 obj.% pro dobré dopálení v kogeneraci, kde se smíchá tento odpadní proud se surovým bioplynem. Zároveň se vyžaduje max. účinnost procesu na biometan. Tento případ se týká řešení BioCNG v Pustějově.

4.1.1 Process flow diagram

12

SPALINY

GENEROVANÁ ENERGIE

BIOPLYN

BIOPLYN DO KOGENERACE

ZPĚTNÁ KLAPKA

SMĚS DO KOGENERACE

MOTOR

ODP. TEPLO DO VZDUCHU ZE SUŠ. 1

Z ODSÍŘENÍ

VYUŽ. TEPLO Z KJ ODP. TEPLO ZE SUŚ. 2

NA SUŠENÍ 1

VYUŽ. TEPLO Z KOMP. 1

ODP. TEPLO DO VZDUCHU Z KOMP. 1

BIOPLYNOVÁ STANICE VČETNÉ STÁVAJÍCÍ PŘEDÚPRAVY

GENERÁTOR

ODPADNÍ TEPLO DO VZDUCHU CELKEM VYUŽITELNÉ TEPLO CELKEM

PERMEÁT 1. STUPNĚ DO 1. STUPNĚ BATERIE MODULŮ 1. STUPNĚ

RETENTÁT DO 2. STUPNĚ SUŠIČKA 1

NA ODSÍŘENÍ

ODSIŘOVACÍ KOLONA

DO KOMP. 1

KOMPRESOR 1

NA SUŠENÍ 2

SUŠIČKA 2

BIOMETHAN BATERIE MODULŮ 2. STUPNĚ

471 27, Stráž pod Ralskem POHON SUŠIČKY 2

RECYKL

KONDENZÁT ZE SUŠIČKY 2

POHON KOMPRESORU 1

ODKALENÍ KOMPRESORU 1

TOPENÍ ODSÍŘENÍ

NASYCENÝ SORBENT

POHON SUŠIČKY 1

KONDENZÁT ZE SUŠIČKY 1

Pod Vinicí 87

Czech Republic project manager

checked by

version: 01.00 date: 21.09.2012

place: KONDENZÁT

investor:

PEVNÝ ODPAD

project:

EL. ENERGIE


main engineer Marek Bobák

EL. ENERGIE

drawing: BioCNG pro Pustějov

scale

number

4.1.2

Materiálové a energetické bilance Bioplyn

Název proudu Teplota C Tlak BAR Mol. Tok KMOL/HR Mol. Tok SCMH Hm. Tok KG/HR Obj. tok CUM/HR Podíl plynné fáze Mol. Zlomek CH4 H2O CO2 N2 O2 H2S

Bioplyn do Na kogenerace sušení 1

Na odsíření

Do Z Na kompresoru odsíření sušení 2 1

Do 1. stupně

Retentát Permeát do 2. 1. stupně stupně

26 1,05 12,04625 270 312,2942 480,4541 1

26 1,05 4,8185 108 124,9177 192,1817 1

26 1,05 7,227751 162 187,3765 288,2725 1

20 1,05 7,147094 160,1922 185,9234 250,5745 1

20 1,05 7,143567 160,1131 185,8032 250,4932 1

23,20412 1,05 8,608776 192,9538 224,4271 271,9513 1

50 12 8,608776 192,9538 224,4271 36,14789 0,999651

45 12 8,530051 191,1893 223,0084 19,69504 1

45 12 5,471485 122,6357 105,3542 11,88051 1

0,618668 0,022725 0,346374 0,011613 1,20E-04 5,01E-04

0,618668 0,022725 0,346374 0,011613 1,20E-04 5,01E-04

0,618668 0,022725 0,346374 0,011613 1,20E-04 5,01E-04

0,62565 0,011696 0,350283 0,011744 1,21E-04 5,06E-04

0,625959 0,011702 0,350456 0,011749 1,22E-04 1,27E-05

0,6251306 0,00972 0,3523237 0,0126536 1,52E-04 1,60E-05

0,625131 9,72E-03 0,352324 0,012654 1,52E-04 1,60E-05

0,6309 5,87E-04 0,355573 0,01277 1,53E-04 1,62E-05

0,875381 2,29E-05 0,107542 0,016923 1,19E-04 1,26E-05

45 12 3,058566 68,5535 117,6542 7,799087 1 0,42317 0,193547 1,60E-03 0,799278 5,34E-03 2,13E-04 2,26E-05

Recykl

Biometan

45 12 1,465209 32,84063 38,62391 3,181306 1

45 12 4,006276 89,79512 66,73031 8,697251 1 0,554290864 0,9683811 7,81E-07 0,0146872 0,0168717 5,38E-05 5,34E-06

0,621092 8,33E-05 0,361431 0,017062 2,99E-04 3,25E-05

Energetická bilance Název proudu Směr Výkon Typ energie

kW

Generovaná energie na KJ z vratného Příkon elektrických permeátu zařízení celkem Vstup Výstup 73,93 44,3 Elektřina

Elektřina


Zbytkové nevyužité teplo - zima

Zbytkové nevyužité teplo - léto

Výstup 141,63

Výstup 316,11

Teplo - voda

Teplo - voda

Měrná spotřeba el. energie na jednotku produktu kWh/Nm3

0,823330831

4.2.

Varianta procesu 2 V některých případech nemusí být požadavek na dopálení odpadního proudu v kogeneraci, ale pouze na „fléře“ spojenou popř. s rekuperačním výměníkem. Obsah metanu v odpadním proudu je přibližně 3 - 18 obj.% Tento proces se může využít i tam, kde je dostatek surového bioplynu ke smíchání s „chudým“ odpadním proudem biometanu k dopálení v kogeneraci.

4.2.1. Process Flow diagram

4.1.2 Materiálová bilance Tab.č.4 Koncentrace metanu a CO2 v jednotlivých proudech Pozice 1 2 3 4 5 Feed Vstup Odpadní Vstup Vstup 1. modul plyn 2.modul 2.modul Mol.% CH4 52 44,37 4,57 57,91 57,91 Mol.% CO2 44 53,19 93,2 39,57 39,57 Konverze CH4 ------

6 7 Recykl Produkt 34,39 62,67 --

97,12 1,07 95,9

4.3. Varianta procesu 3 V případě, že je nižší obsah H2S v bioplynu, je možné použít membránové moduly tolerantní k vyššímu obsahu H2S bez použití předúpravy bioplynu k odstranění sulfanu. 4.3.1. Process Flow diagram


4.3.2. Materiálová bilance Tab.č.5 Koncentrace metanu a CO2 v jednotlivých proudech Pozice 1 2 3 4 5 Feed Vstup Odpadní Vstup Vstup 1. modul plyn 2.modul 2.modul Mol.% CH4 62,5 60,58 10,14 74,98 74,98 Mol.% CO2 35 36,99 85,8 23,06 23,06 H2S ppmv 417 573 934 470 470 Konverze CH4 ------

5

6 7 Recykl Produkt 58,18 39,49 768 --

97,36 1,17 72 93,5

IDENTIFIKACE NEJVĚTŠÍCH RIZIK APLIKACE

5.1. Varianta procesu 1 Nejlépe rozpracovaná studie proveditelnosti se zaměřením na konkrétní aplikaci na BPS Pustějov. Poskytuje dobře spalitelný odpadní permeátový proud z 1. modulu a výstupní plyn s dostatečnou koncentrací biometanu srovnatelnou s kvalitou zemního plynu. 5.2. Varianta procesu 2 Vysoká konverze na metan má za následek koncentrovaný proud CO2 za prvním membránovým, stupněm, který bude obtížné zpracovat dopálením na kogeneraci – při smíchání se surovým bioplynem, nebo dopálením na katalytickém hořáku. 5.3. Varianta procesu 3 Varianta snižuje investiční náklady tím, že vynechá jednotku na odstranění sulfanu. Při použití membránových modulů tolerantních k vysokému obsahu H2S se následně kladou vysoké nároky na materiálové provedení středotlakého a vysokotlakého kompresoru při dokonalém odstranění vlhkosti obsažené v surovém bioplynu. Zároveň je nutné konzultovat vysoký obsah sulfanu v odpadním plynu na kogeneraci s dodavatelem zařízení.

6

POSOUZENÍ VARIANT PROCESU Varianta 1 je optimální, ostatní Varianty 2,3 poskytly hlavně odpovědi na koncentrační profily základních složek v bioplynu v průběhu procesu a s tím dále spojená rizika jak procesní ve vedení technologie dopálení odpadního biometanu, tak v materiálovém provedení aparátů.

16

6.1

Technické porovnání Tab.č.6 Porovnání Varianty 1 s ostatními metodami čištění bioplynu Parametr Varianta 1 PSA Vodní Membránová separace vypírka Spotřeba el. energie (kWh/m3) Koncentrace CH4 v produktu (obj.%) Provozní tlak (MPa) Provozní teplota (°C) Odstranění H2S Odstranění vodní páry Odstranění N2 Odstranění O2

6.2

7

Chemická vypírka

0,82

0,23

0,3-0,6

0,67

96,8

97-99

98,5

99

0,12

0,4-0,7

0,4-0,7

atmosférický

20-40

25-90

5-25

10-100

ano ano

ne ano

možné ne

ano ano

částečné ano

částečné částečné

ne ne

ne ne

Ekonomické porovnání Ekonomické srovnání Membránové separace (Varianta 1) s ostatními komerčními technologie nebylo možné, protože k těmto technologiím neexistují dostupné relevantní údaje. Provozní náklady Varianty 1, které se skládají z provozu sušičky, odsíření, kompresorů, membrán a ostatních zařízení jsou na úrovni 5,70 Kč/Nm3.

ZÁVĚR

Ve studii byly předloženy tři varianty řešení membránové separace bioplynu, ze kterých se vybrala Varianta 1 jako proces s nejmenšími riziky v oblasti použitých materiálů kompresorů, nebo v procesu dopálení odpadního permeátového proudu v kogenerační jednotce. Při srovnání s konkurenční membránovou separací firmy DMT, u které se uvádí provozní náklady 0,21 Euro/Nm3, tj. 5,78 Kč/Nm3 při zpracování 200 Nm3/hod surového bioplynu jsou provozní náklady naší membránové separace srovnatelné, tj. 5,70 Kč/ Nm3 s tím, že zpracováváme pouze 160 Nm3/hod a při zpracování 200 Nm3/hod provozní náklady ještě poklesnou v porovnání s konkurencí. V porovnání s ostatními konkurenčními technologiemi je z diagramů patrné, že pouze technologie Vodní vypírky dosahuje nižších investičních a provozních nákladů. Na druhé straně tato technologie neodstraňuje dusík a kyslík, případně H2S z bioplynu. Menší nevýhodou membránová separace oproti adsorpčním a absorpčním procesům je, že se řadí mezi středně objemové procesy se vstupem cca 50 – 1500 Nm3/hod, zatímco adsorpční a absorpční procesy mohou zpracovávat i větší množství surového bioplynu.

17

8

PŘÍLOHY 8.1. Reference

[1] Gas s.r.o. – Biometan, str.32 [2] V3081 – Zpráva Vítkovice k BioCNG [3] Zpráva proveditelnosti Biogas upgrading 1.0

18



DÍLČÍ ZPRÁVA Aktivita -Feasibility study for gas membrane separation focused on biogas upgrading(dv003)

Recommend Documents