BR102017028032A2 - Sistema e processo para conversão de biogás em biometano - Google Patents

Abstract

sistema e processo para conversão de biogás em biometano a presente invenção trata-se de um sistema e processo para conversão de biogás em biometano, que provê a concentração de biometano (ch4) e concentração de dióxido de carbono (co2), permitindo um aumento na eficiência térmica e estrutural do processo. além da obtenção de um outro produto, o dióxido de carbono concentrado, outra vantagem da presente invenção, diz respeito a modificação do uso da corrente de gás do vaso flash como corrente de reciclo, permitindo uma redução na dimensão da etapa de compressão e separação dos componentes do biogás, resultando em um aumento na eficiência energética do processo.

Description

SISTEMA E PROCESSO PARA CONVERSÃO DE BIOGÁS EM BIOMETANO

CAMPO DA INVENÇÃO [001] A presente invenção trata de um processo de conversão de biogás em biometano com aplicação na área de processos de purificação de biogás visando proporcionar a geração de biometano (CH4) para ser utilizado como combustível em equipamentos de cogeração ou veicular, e geração de dióxido de carbono (CO2) concentrado para utilização na indústria de gaseificação de bebidas.

[002] Atualmente, as tecnologias que tratam dos processos de purificação e conversão de biogás em biometano, a partir de colunas de lavagem (absorção) com água pressurizada, utilizam a recirculação da corrente de vapor do vaso flash após as colunas de lavagem, reintroduzindo na corrente de alimentação de biogás a corrente de vapor com metano (CH4) residual, mas com alto teor de dióxido de carbono (CO2), gerando problema de superdimensionamento dos equipamentos necessários para o processo, e como também a alta quantidade de água pressurizada para o processo, como visto na US 2008/013475, que trata do processo de conversão de biogás para um grau de classificação adequado para disponibilizar em redes de gasoduto de gás natural. Por sua vez, a presente invenção busca resolver os problemas citados e explorar a geração de dois produtos de aplicação industrial a partir do biogás, sendo eles o biometano (CH4) e o dióxido de carbono (CO2) concentrado, a partir da modificação do processo convencional de purificação de biogás.

[003] O processo proposto na presente invenção, quando comparada a quantidade de energia utilizada na operação com as configurações

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2/9 disponíveis no estado da técnica, pode-se obter uma redução de 40 % na quantidade média de energia utilizadas.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [004] O Biogás é um dos produtos resultantes da biodigestão anaeróbica de diversos tipos de matéria orgânica. A biodigestão diz respeito a degradação anaeróbica biológica onde microrganismos degradam a matéria orgânica proveniente de resíduos urbano, industrial ou agrícola. Os principais componentes do biogás são: o metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), gás sulfídrico (H2S), gás hidrogênio (H2) e outros traços de componentes químicos.

[005] O principal componente que contribui para a carga energética do biogás é o metano (CH4), e devido a presença dos demais componentes, classificado por impurezas, o biogás apresenta baixo poder calorífero.

[006] Uma forma de aumentar a capacidade calorífera do biogás é convertê-lo em biometano, ou seja, em metano concentrado. Além disso, o biogás geralmente apresenta dois componentes em maior composição, o metano (CH4) e o dióxido de carbono (CO2), ambos apresentam valor industrial e comercial significativo. A presente invenção pode ser implantada praticamente em locais onde se tenha a geração de biogás a partir de biodigestores, sendo os dois produtos, o biometano (CH4) utilizado em sistemas de cogeração, ou armazenado por pressurização, para ser utilizado com combustível veicular, e o dióxido de carbono (CO2) disponibilizado para sistema de armazenamento pressurizado.

[007] A patente de invenção US 2008/013475 trata do processo de conversão de biogás para um grau de classificação adequado para disponibilizar em redes de gasoduto de gás natural, sendo a principal proposta adequar o biogás de acordo com a classificação de gás natural, utilizando duas colunas para lavagem do biogás com água pressurizada,

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3/9 como também a utilização do reciclo da corrente de saída do tanque flash na alimentação do biogás nas colunas. Tal configuração apresenta um custo operacional e quantidade de água elevados para o funcionamento do processo. Dessa forma, a presente invenção difere na configuração e produtos obtidos no processo.

[008] O pedido de patente US8007567B2, de Roe et al. (Method for Biogas Purification with Recicle) propõe um processo de purificação de biogás com a configuração semelhante a proposta na patente US2008/013475, apresentando a purificação do biogás por duas torres de purificação com água pressurizada, como também o reciclo da corrente da saída do vaso flash, implicando nos principais problemas apresentados. Por sua vez, observa-se diferenças significativas no processo.

[009] Já a patente de invenção US2009/0013868A1, de Darde et al. (Process and apparatus for the separation of a gaseous mixture), aborda a recuperação e a purificação do CO2 a partir de qualquer mistura gasosa. Na mesma não foi encontrado semelhança com a invenção proposta.

[010] Patente US00561184A, de Krauss et al., onde um único processo flash separa água na base e o produto de topo é encaminhado para o compressor. O processo não trabalha com purificação de CO2. Na mesma não foi encontrado semelhança com a invenção proposta.

[011] Com o intuito de solucionar tais problemas desenvolveu-se a presente invenção, sendo um sistema e processo de purificação de biogás para geração de biometano (CH4) e dióxido de carbono (CO2) comerciais, possibilitando um dimensionamento adequado para os equipamentos e baixo consumo de água para o processo, utilizando um único ciclo de purificação do biogás em coluna de lavagem pressurizada e geração de dois produtos comerciais.

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SUMÁRIO [012] De um modo geral, a presente invenção diz respeito a um sistema e processo de purificação de biogás para geração de biometano (CH4) e dióxido de carbono (CO2) comerciais, com a produção de biometano a partir da lavagem em água pressurizada e dióxido de carbono (CO2) na etapa de separação despressurizada. A principal característica do processo proposto é a purificação dos componentes em um único ciclo do processo, diferenciando das tecnologias clássicas propostas.

[013] De forma adicional, a presente invenção diz respeito a um processo para purificação de biogás para produção de biometano (CH4), e dióxido de carbono concentrado (CO2), a partir das etapas:

[014] i) remoção de gás sulfídrico igual ou superior a 99%, a baixa pressão, por tanques de leitos de remoção de gás sulfídrico.

[015] ii) lavagem do biogás por água pressurizada, concentrando metano (CH4) igual ou superior a 98 %, por torre de absorção.

[016] iii) seguido pela geração de dióxido de carbono (CO2) com concentração igual superior a 98 % a partir do processo de despressurização.

[017] É característica da invenção do processo a remoção de gás sulfídrico (H2S) por lavagem em leito por solução redutora de enxofre, podendo ser substituída por composto contendo íons de ferro (Fe), carbonato (CO3^-2), ou por membranas de remoção de gás sulfídrico (H2S). [018] De forma adicional, a presente invenção diz respeito a um sistema e processo de purificação de biogás para a produção de biometano e dióxido de carbono para fins industriais utilizando uma etapa de contanto da corrente de gás e de água em ciclo fechado, sendo o tamanho da torre necessária para o processo da presente invenção menor do que os processos já propostos.

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5/9 [019] É característica da invenção um processo de concentração de metano e de dióxido de carbono a partir de um processo eliminando a necessidade de reciclo da corrente de vapor de flash para a etapa de separação de metano/dióxido de carbono por lavagem do biogás em água pressurizada, gerando dois principais produtos, o biometano (CH4) e o dióxido de carbono (CO2) concentrado.

[020] É característica da invenção um sistema de concentração de metano e de dióxido de carbono a partir de um processo de purificação de biogás por lavagem da corrente de gás em uma única torre pressurizada. O mesmo pode ser utilizado em unidade de produção de biogás em quantidades necessárias para obtenção de biometano para uso como combustível, também como a produção de dióxido de carbono para destino industrial.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [021] A invenção poderá ser melhor compreendida através da seguinte descrição detalhada, em consonância com as figuras em anexo, onde: [022] A Figura 1 apresenta um diagrama esquemático do sistema e processo para conversão de biogás em biometano.

DESCRITIVO DETALHADO DA INVENÇÃO [023] Com referência a esta figura, pode-se observar que o sistema e processo para conversão de biogás em biometano, objeto da presente invenção, provê um circuito para conversão de biogás em biometano e dióxido de carbono (CO2) concentrado, compreende de uma unidade de remoção de gás sulfídrico (10) de uma corrente de entrada de biogás (11), seguida por uma unidade conversão de biogás em biometano (20) com o objetivo de separar o metano (CH4) do dióxido de carbono (CO2) e outras impurezas utilizando água pressurizada, gerando duas correntes, uma

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6/9 com metano (CH4) concentrado, e outra corrente de água rica em dióxido de carbono. As duas correntes geradas na unidade (20) são encaminhadas para a unidade concentradora de dióxido de carbono (CO2) (30) e a unidade de secagem do biometano (40). Por sua vez, a unidade concentradora de dióxido de carbono, tem uma das correntes para o sistema de resfriamento da água (50), enquanto a outra é a corrente concentrada com dióxido de carbono (CO2) (33). A água resfriada na unidade de resfriamento (50) é encaminhada para a recirculação na a unidade de conversão de biogás e biometano (20).

[024] A unidade de remoção de gás sulfídrico, dita unidade (10), dotada de uma tubulação de entrada de biogás (11), que é ventilada por um compressor (12), encaminhado para o tanque de parede interna (13), que compreende de duas seções semelhantes (13.a e 13.b), dotados de leitos sólidos ou líquidos com de aspersores para distribuição do biogás e um redutor de humidade nas saídas das seções do tanque de remoção de gás sulfídrico (H2S).

[025] A unidade de conversão de biogás em biometano, dita unidade (20), inclui um compressor (21) para elevar a pressão da corrente de biogás a pressão de operação da coluna de recheio (22), e uma bomba centrífuga (23) que fornece água pressurizada para o processo com o objetivo de separar o dióxido de carbono (CO2) do biogás, gerando duas correntes, sendo a de topo uma corrente com concentração de metano (CH4) superior a 98 %, e uma corrente de base com remoção superior a 95 % de dióxido de carbono. Após a separação, as correntes são encaminhadas para as unidades concentradora de dióxido de carbono (CO2) (30) e de secagem do biometano (40).

[026] A unidade de secagem do biometano (40), inclui um secador (41) com parede interna, contendo duas seções (41.a e 41.b) com leito de remoção de umidade da corrente de entra de biometano. As duas seções

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7/9 permitem a troca do leito de remoção de umidade. Na mesma unidade inclui um compressor (43) que disponibiliza biometano por uma tubulação (44) para armazenamento.

[027] A unidade concentradora de dióxido de carbono (CO2), dita unidade (30), inclui um tanque flash (31), promovendo a separação do dióxido de carbono (CO2) e a água a baixas pressões, gerando uma corrente de gás concentrado de CO2 e uma corrente de água com concentração reduzida de CO2. Após a separação, a corrente de gás concentrada com CO2 é encaminhada para o compressor (32), que disponibiliza para armazenamento a via tubulação (33).

[028] A unidade de resfriamento primário, dita unidade (50), compreende de uma torre de resfriamento (51), que recebe via tubulação da unidade de separação de CO2 (30) a água bombeada por (33), onde tal corrente entre em contato com o ar (52) ventilado pela unidade de resfriamento (51). Na mesma unidade (51) inclui um sistema de reposição de água (53) e a recirculação e complemento de água. A água resfriada na torre (51) é encaminhada para o sistema (60) para adequação da temperatura de fornecimento para a unidade de separação (20).

[029] A unidade de resfriamento secundário (60) para ajuste de temperatura da água que saída da unidade de resfriamento primário (50), promove o resfriamento adequado da água a fim de promover a máxima separação de metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2) na torre de separação (22). A unidade de resfriamento secundário (60) inclui um trocador de calor (61) com um sistema de recirculação de refrigerante (63) e um sistema (64) de condicionamento do refrigerante (64), com reposição do refrigerante (62).

[030] O processo para conversão de biogás em biometano e produção de dióxido de carbono concentrado compreende as etapas de:

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a) o biogás entra por uma tubulação (11) na unidade (10) para remoção de gás sulfídrico a partir do compressor (12), com saída de baixa pressão, fazendo fluir o biogás no leito (13), constituído por dois sub-leitos (13.a) e (13.b) para remoção do gás sulfídrico (H2S), encaminhando para a unidade de separação do metano e dióxido de carbono.

b) na unidade (20) de lavagem do biogás enviado da unidade (10) é encaminhando por um compressor (21), de alta pressão de saída, inserida da base da torre de lavagem pressurizada (22), que também recebe água pressurizada a partir da bomba de alta pressão (23) pelo topo.

c) a unidade de secagem (40) do biometano recebe a corrente de saída de topo da torre de lavagem (22), constituída de metano concentrado, onde a corrente é encaminhada para o vaso de leito (41), onde:

c.1) os vasos de leito de secagem (41 .a e 41.b) recebem o metano concentrado reduzindo o teor de umidade.

c. 2) o compressor (43) recebe a corrente de saída dos leitos de secagem (41.a e 41.b), enviando para a corrente (44) para um sistema externo de armazenamento pressurizado.

d) a unidade de flash (30) recebe a corrente de saída de base da torre de lavagem (22), constituída de água com dióxido de carbono, sendo a corrente é encaminhada para o vaso flash (31), que faz a separação do dióxido, gerando duas correntes de processos, onde:

d. 1) a corrente de topo do flash (31), segue para um compressor que encaminha para um sistema externo de armazenamento pressurizado.

d.2) a corrente de topo do flash (31), segue para uma bomba que encaminha para a unidade de resfriamento de água (50) de lavagem.

e) a unidade de resfriamento de água (50), recebe da unidade flash (30) encaminhada para a torre de resfriamento (51), onde a corrente de água tem a temperatura reduzida por troca térmica com corrente de ar

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9/9 (54), que por sua vez os gases residuais existentes na água de lavagem são liberados na corrente (55). A torre de resfriamento contém um sistema de complemento de água (52, 53) que equaliza a água no circuito de água no sistema.

f) A unidade de troca térmica (60), contendo um trocador (61) e um circuito de refrigeração constituído por um sistema de bombeamento (63, 64), para correção de temperatura da água de lavagem para a torre de lavagem (22), recebe a água resfriada e adequar a temperatura correta para a coluna de lavagem, fechando o ciclo de purificação do biogás.

Claims (4)

REIVINDICAÇÕES

1. SISTEMA PARA CONVERSÃO DE BIOGÁS EM BIOMETANO compreende de um sistema de obtenção de biometano (CH4) e dióxido de carbono (CO2) concentrado, caracterizado por unidade de remoção de gás sulfídrico (H2S), dita unidade (10) dotada de uma tubulação de entrada de biogás (11) e um compressor de ventilação do biogás pelos leitos (13.a, 13.b) do tanque de parede interna (13), uma unidade de separação de metano e dióxido de carbono (20), dotada de um compressor (21), uma coluna de absorção (22) para lavagem pressurizada, uma bomba centrífuga (23), para a corrente de água pressurizada, unidade de uma unidade separação de água e dióxido de carbono (CO2) (30) por um vaso flash (31) a pressões baixas e um compressor (32) para fornecimento de dióxido de carbono pressurizado (33), um sistema de secagem (40) do biometano gerado, que inclui um tanque (41) com de leitos duplos (41.a e 41.b), um compressor (43) para fornecer biometano comprimido (44), uma unidade de resfriamento primário (50), que inclui uma torre de resfriamento (51) da água recebida por ar ventilado (54, 55), um sistema de reposição de água (53) e uma bomba centrífuga de recirculação (52), e uma unidade de resfriamento secundário (60), dotado de um trocador de calor (61), com sistema de recirculação de refrigerante por bomba/compressor (63, 64) e reposição do refrigerante (62).

2/4 (H2S), cada leito contém válvulas na entrada e saída, permitindo a troca e manutenção dos leitos sem parada do sistema.

2. SISTEMA PARA CONVERSÃO DE BIOGÁS EM BIOMETANO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um sistema remoção de gás sulfídrico, dita unidade (10), dotada de leitos (13.a) e (13.b) sólidos ou líquidos com aspersores para distribuição do biogás e um redutor de umidade nas saídas das seções do tanque de remoção de gás sulfídrico

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3/4 de um trocador de calor (61) e bomba (63) e reservatório de recirculação (64) formando o sistema de refrigeração da água de lavagem.

8. PROCESSO PARA CONVERSÃO DE BIOGÁS EM BIOMETANO caracterizado por compreender as etapas em que: o biogás entra por uma tubulação (11) na unidade de remoção de gás sulfídrico (H2S) e converte em sulfeto metálico nos leitos (13.a e 13.b), reduzindo o teor de gás sulfídrico na corrente de biogás, encaminhado para a unidade de lavagem do biogás, onde:

a. o biogás tratado é encaminhado ao compressor (12) com pressão de descarga entre 9 a 11 bar, adequada a pressão da coluna de lavagem (22);

b. a água de lavagem é adicionada na coluna de lavagem (22) por uma bomba (23) com pressão de descarga entre 9 a 11 bar, sendo a razão de alimentação de taxa volumétrica de biogás por água de 2 a 3;

c. a torre de lavagem (22) opera em uma faixa de pressão de 9 a 11 bar, onde a razão de biogás por água permite concentrar o metano (CH4) gerando a corrente de gás no topo da torre de uma corrente rica em dióxido de carbono (CO2) na base, sendo cada corrente encaminhada a unidade de secagem (40) e de flash (30);

d. na unidade de secagem (40) inclui um tanque de leitos redutores de umidade (41.a e 41.b), contendo material redutor de umidade, sendo que cada leito contém válvulas na entrada e saída, permitindo a troca e manutenção dos leitos sem parada do sistema, e um compressor que fornece o biometano pressurizado para armazenamento;

e. na unidade de flash (30) inclui um tanque um vaso flash (31) para separação de gases da corrente de líquido, sendo a corrente de vapor encaminhado para o compressor (32), para pressurização

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3. SISTEMA PARA CONVERSÃO DE BIOGÁS EM BIOMETANO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender de um sistema de lavagem pressurizada de biogás, dita unidade 20, dotada de torre de absorção pressurizada (22), com aspersores de água para distribuição de água gerando um leito remoção de CO2.

4. SISTEMA PARA CONVERSÃO DE BIOGÁS EM BIOMETANO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender de um sistema de secagem de biometano, dita unidade (40), dotada de leitos redutores de umidade (41.a e 41.b), cada leito contém válvulas na entrada e saída, permitindo a troca e manutenção dos leitos sem parada do sistema. Após as válvulas de saída do leito (41), uma válvula de três vias (42) para reciclo da corrente de biometano, no comissionamento do sistema.

5. SISTEMA PARA CONVERSÃO DE BIOGÁS EM BIOMETANO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender de um sistema de flash, dita unidade (30), dotada de um vaso flash (31) para separação de gases da corrente de líquido, com um compressor (32) e uma bomba (33).

6. SISTEMA PARA CONVERSÃO DE BIOGÁS EM BIOMETANO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender de um sistema de resfriamento de da água, dita unidade (50), dotada de uma torre de resfriamento (31) para separação de gases residuais e préresfriamento da corrente de água.

7. SISTEMA PARA CONVERSÃO DE BIOGÁS EM BIOMETANO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender de um sistema de resfriamento da água de lavagem, dita unidade (60), dotada

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4/4 do dióxido de carbono (CO2) e uma bomba (33) na corrente líquida encaminha para a unidade de resfriamento (50) e (60) para adequação da temperatura em torno de 20 a 25 °C da alimentação da água de lavagem.