BR102021001787A2

BR102021001787A2 - Planta e processo para a produção de biogás dessulfurado

Info

Publication number: BR102021001787A2
Application number: BR102021001787-2A
Authority: BR
Inventors: Aude BERTRANDIAS; Solene Valentin
Original assignee: L'air Liquide, Société Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2021-08-10
Also published as: FR3106762B1; US20210238520A1; CN113201444A; EP3858467A1; FR3106762A1

Abstract

planta e processo para a produção de biogás dessulfurado. dispositivo para a produção de biogás pelo menos parcialmente dessulfurado compreendendo: - um digestor; - um meio para a introdução contínua de biocarvão no digestor e; - uma unidade de separação por membrana colocada na corrente de biogás que sai do digestor e compreende, pelo menos, uma membrana que permite a permeação dos produtos contendo enxofre.

Description

PLANTA E PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE BIOGÁS DESSULFURADO

[001] A presente invenção se refere a uma planta e a um processo para a produção de biogás dessulfurado ou biogás com um teor reduzido de H2S.

[002] O biogás é o gás produzido durante a decomposição da matéria orgânica na ausência de oxigênio (fermentação anaeróbia), também conhecida como metanização. A decomposição pode ser natural, como ocorre em pântanos ou em lixões domésticos; entretanto, a produção de biogás também pode resultar da metanização de resíduos em um reator dedicado, cujas condições são controladas, conhecido como metanizador ou digestor, e depois em um pós-digestor, que é semelhante ao digestor e que faz possível que a reação de metanização seja levada em diante.

[003] Biomassa refere-se a qualquer grupo de matéria orgânica que pode ser convertida em energia através deste processo de metanização, por exemplo, lodo de estação de tratamento, estrume/estrume líquido, resíduos agrícolas, resíduos alimentares e semelhantes.

[004] O digestor, ou seja, o reator dedicado à metanização da biomassa, é um vaso fechado que é ou não aquecido (operação a uma temperatura definida, entre a temperatura ambiente e 55°C) e cujo conteúdo, constituído por biomassa, é agitado, continuamente ou sequencialmente. As condições no digestor são anaeróbicas e o biogás gerado encontra-se no espaço superior do digestor (espaço superior do gás), de onde é retirado. Os pós-digestores são semelhantes aos digestores.

[005] Devido aos seus principais constituintes (metano e dióxido de carbono), o biogás é um poderoso gás de efeito estufa; ao mesmo tempo, constitui também uma fonte de energia renovável, o que é apreciável no contexto da crescente escassez de combustíveis fósseis.

[006] O biogás contém predominantemente metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), em proporções que podem variar de acordo com a forma a qual o biogás é obtido e com o substrato, mas também pode conter, em proporções menores, água, nitrogênio, sulfeto de hidrogênio (H2S) ou oxigênio, e também outros compostos orgânicos, na forma de vestígios, dos quais H2S está entre 10 e 50.000 ppmv.

[007] Dependendo da matéria orgânica que se decompôs e das técnicas utilizadas, as proporções dos componentes diferem, mas, em média, o biogás compreende, em base de gás seco, de 30% a 75% de metano, de 15% a 60% de CO2, de 0% a 15% de nitrogênio, de 0% a 5% de oxigênio e compostos residuais.

[008] O biogás é aprimorado em valor de várias maneiras. Pode, após um tratamento suave, ser aprimorado em valor próximo ao local de produção para fornecer calor, eletricidade ou uma mistura de ambos (cogeração); o alto teor de dióxido de carbono reduz seu valor calorífico, aumenta os custos de compressão e de transporte e limita a vantagem econômica de aprimorá-lo em valor para esse uso próximo.

[009] A purificação mais intensiva do biogás permite que seja mais amplamente utilizado; em particular, a purificação intensiva do biogás permite obter um biogás que foi purificado segundo as especificações do gás natural e que pode ser substituído por este; o biogás assim purificado é conhecido como "biometano". O biometano, portanto, suplementa os recursos de gás natural com uma parte renovável produzida dentro dos territórios; ele pode ser usado exatamente para os mesmos usos que o gás natural de origem fóssil. Pode alimentar uma rede de gás natural ou posto de abastecimento de veículos; também pode ser liquefeito para ser armazenado na forma de gás natural liquefeito (bioLNG) e semelhantes.

[0010] Dependendo da composição da biomassa, o biogás produzido durante a digestão contém sulfeto de hidrogênio (H2S) em teores entre 50 e 50.000 ppm.

[0011] Qualquer que seja a destinação final para valorização do biogás, mostra-se fundamental a remoção do sulfeto de hidrogênio, que é uma impureza tóxica e corrosiva. Além disso, se o uso do biogás consiste em purificá-lo para injetar biometano na rede de gás natural, especificações rígidas limitam a quantidade de H2S autorizada.

[0012] Existem vários métodos para a remoção de H2S e são mais ou menos difundidos (camadas de carvão ativado, adição de compostos de ferro, absorção física ou química, operações de lavagem de água, biofiltros e semelhantes). A remoção é realizada principalmente por adsorção em um leito de carvão ativado, fora do digestor. Em um número crescente de digestores, a redução de H2S também é realizada em parte pela injeção de ar/ar enriquecido/O2 no espaço superior de gás do digestor, que constitui uma solução in situ. Com uma injeção no espaço superior de gás em uma dose baixa, enxofre sólido é formado a partir de H2S e O2 (eq. (1)), realizado por bactérias oxidantes de enxofre, por ex. Thiobacillus. Com uma alta dose de O2 injetado, a mistura é acidificada (eq. (2)). A reação (1) é, portanto, visada.
H₂S + 0,5O₂ → S + H₂O (1)
H₂S + 2O₂ → SO₄²⁻ + 2H⁺ (2)

[0013] As quantidades de injeção de O2 necessárias na prática são diferentes daquelas esperadas pela estequiometria da eq. (1): doses de 0,3% - 3% de O2 em relação ao biogás gerado são geralmente recomendadas, com doses de até 12% às vezes mencionadas.

[0014] Atualmente, a injeção in situ de ar/ar enriquecido/O2 não está otimizada, e os leitos de carvão ativado devem então ser mantidos para remover todo o H2S.

[0015] Tomando isso como ponto de partida, um problema que se coloca é o de fornecer uma planta melhorada que promova a remoção mais intensiva de H2S.

[0016] Uma solução da presente invenção é uma planta para a produção de biogás, pelo menos parcialmente dessulfurado, que compreende:

- um digestor;
- um meio para a introdução contínua de biocarvão (biochar) no digestor e;
- uma unidade de separação por membrana colocada na corrente de biogás que sai do digestor e compreende, pelo menos, uma membrana que permite a permeação dos produtos contendo enxofre.

[0017] Biocarvão é carvão ativado produzido por pirólise sob condições limitadas de oxigênio de uma biomassa vegetal de madeira, arroz, casca de coco e semelhantes.

[0018] O biocarvão é introduzido na fase líquida do digestor para adsorver o sulfeto de hidrogênio. A adsorção é eficaz na presença de oxigênio. Se o biocarvão e o oxigênio forem introduzidos em proporções satisfatórias, todo o sulfeto de hidrogênio pode ser removido.

[0019] O biocarvão que adsorveu o sulfeto de hidrogênio é descarregado ao mesmo tempo que o digerido e permite aumentar a capacidade nutricional dos solos do digerido.

[0020] A presente invenção prevê a combinação do uso de biocarvão dentro do digestor com uma membrana que permite a permeação dos produtos contendo enxofre, de modo a eliminar o uso de leitos de carvões ativados para a purificação do biogás fora do digestor. O permeado gasoso será reciclado para o digestor, a fim de ser tratado dentro do digestor pelo biocarvão introduzido.

[0021] Conforme o caso, a planta de acordo com a invenção pode exibir uma ou mais das características abaixo:

- o digestor compreende um sistema de agitação mecânico, pneumático ou hidráulico;
- o dispositivo compreende um sistema de extração e prensagem do digerido produzido simultaneamente com o biogás;
- o dispositivo compreende um meio para introdução de um gás de oxidação tornando possível atingir um teor de oxigênio no espaço superior do gás entre 0,3% e 3%;
- o dispositivo compreende, na saída do digestor sucessivamente na direção de circulação da corrente de biogás, uma bomba booster, um secador, um compressor e a unidade de separação por membrana;
- a bomba booster permite aumentar a pressão do biogás para uma pressão compreendida entre 1 e 2 bar (100 e 200 kPa), de preferência entre 1 e 1,5 bar (100 e 150 kPa), mais preferencialmente ainda entre 1 e 1,3 bar (100 e 130 kPa);
- o secador está a uma temperatura entre 3°C e 7°C, de preferência a 5°C;
- o compressor permite aumentar a pressão do biogás para uma pressão compreendida entre 5 e 20 bar (500 e 2000 kPa), de preferência entre 8 e 15 bar (800 e 1500 kPa).

[0022] Outro assunto da presente invenção é um processo para a produção de biogás, pelo menos parcialmente dessulfurado, empregando um dispositivo de acordo com a invenção compreendendo as seguintes etapas:

a) introdução contínua do biocarvão no digestor;
b) introdução da biomassa no digestor;
c) digestão anaeróbia da biomassa no digestor e produção de biogás;
d) separação do biogás e do digerido;
e) separação dos produtos contendo enxofre contidos no biogás pela rota de membrana na unidade de separação por membrana; e
f) recuperação de um fluxo de biogás pelo menos parcialmente dessulfurado.

[0023] Conforme o caso, o processo de acordo com a invenção pode exibir uma ou mais das características abaixo:

- as etapas a) e b) são realizadas simultaneamente;
- a etapa a) é realizada antes da etapa b);
- o biocarvão exibe um tamanho de partícula entre 1 µm e 6 µm;
- a quantidade de biocarvão introduzida no digestor corresponde, em cada instante t do processo, a um valor entre 5% e 15% em peso da quantidade de biomassa introduzida no digestor;
- o processo compreende, entre as etapas b) e c), uma etapa de agitação do biocarvão e da biomassa no digestor;
- a biomassa compreende menos de 15% de matéria seca;
- o biocarvão tem um pH alcalino maior que 7, de preferência maior que 9, mais preferencialmente ainda maior que 11.

[0024] A solução de acordo com a invenção permite obter uma corrente de biogás à saída da unidade de separação por membrana compreendendo menos de 50 ppm de sulfeto de hidrogênio. O digerido pode ser usado para espalhar no solo.

[0025] A invenção torna possível reduzir o custo de purificação do sulfeto de hidrogênio do biogás de uma forma eficaz, sendo a reatividade do oxigênio já injetado com os produtos que contêm enxofre sendo aumentada em virtude da introdução de biocarvão na parte líquida do digestor e os leitos de carvões ativados tratando o biogás gasoso sendo eliminados em virtude da permeação dos produtos compreendendo enxofre que permanecem e de sua reciclagem no topo do digestor.

Claims

Dispositivo para a produção de biogás pelo menos parcialmente dessulfurado, caracterizado por compreender:
- - um digestor;
- - um meio para a introdução contínua de biocarvão no digestor e;
- - uma unidade de separação por membrana colocada na corrente de biogás que sai do digestor e compreende, pelo menos, uma membrana que permite a permeação dos produtos contendo enxofre.
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o digestor compreender um sistema de agitação mecânica, pneumática ou hidráulica.
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por compreender um sistema de extração e prensagem do digerido produzido simultaneamente com o biogás.
Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender um meio de introdução de um gás de oxidação que permite atingir um teor de oxigênio no espaço superior do gás entre 0,3% e 3%.
Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por compreender, na saída do digestor sucessivamente no sentido de circulação da corrente de biogás, uma bomba booster, um secador, um compressor e a unidade de separação por membrana.
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de a bomba booster permitir aumentar a pressão do biogás para uma pressão compreendida entre 1 e 2 bar (100 a 200 kPa), de preferência entre 1 e 1,5 bar (100 a 150 kPa), mais preferencialmente ainda entre 1 e 1,3 bar (100 a 130 kPa).
Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de o secador se encontrar a uma temperatura compreendida entre 3°C e 7°C, de preferência 5°C.
Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo fato de o compressor permitir aumentar a pressão do biogás para uma pressão compreendida entre 5 e 20 bar (500 a 2000 kPa), de preferência entre 8 e 15 bar (800 a 1500 kPa).
Processo para a produção de biogás pelo menos parcialmente dessulfurado, utilizando um dispositivo conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por compreender as seguintes etapas:
- a) introdução contínua do biocarvão no digestor;
- b) introdução da biomassa no digestor;
- c) digestão anaeróbia da biomassa no digestor e produção de biogás;
- d) separação do biogás e do digerido;
- e) separação dos produtos contendo enxofre contidos no biogás pela rota de membrana; e
- f) recuperação de um fluxo de biogás pelo menos parcialmente dessulfurado.
Processo de produção de biogás, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de as etapas a) e b) serem realizadas simultaneamente.
Processo de produção de biogás, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a etapa a) ser realizada antes da etapa b).
Processo para a produção de biogás, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de o biocarvão apresentar uma granulometria compreendida entre 1 µm e 6 µm.
Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 9 a 12, caracterizado pelo fato de a quantidade de biocarvão introduzida no digestor corresponder, em cada instante t do processo, a um valor compreendido entre 5% e 15% em peso da quantidade de biomassa introduzida no digestor.
Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado por compreender, entre as etapas b) e c), uma etapa de agitação do biocarvão e da biomassa no digestor.
Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 14, caracterizado pelo fato de a biomassa compreender menos de 15% de matéria seca.
Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 15, caracterizado pelo fato de o biocarvão apresentar um pH alcalino maior que 7, de preferência maior que 9, mais preferencialmente ainda maior que 11.