CZ31256U1

CZ31256U1 - A device for separating carbon dioxide from biogas

Info

Publication number: CZ31256U1
Application number: CZ2017-34269U
Authority: CZ
Inventors: Michal Žák; Pavel Izák; Zuzana Petrusová; Lenka Morávková; Olga Šolcová
Original assignee: Ústav chemických procesů, AV ČR, v. v. i.
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2017-11-27

Description

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká oblasti produkce biopaliv, konkrétně zařízení pro separaci oxidu uhličitého z bioplynu.The technical solution relates to the field of biofuel production, namely equipment for separating carbon dioxide from biogas.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Výzkum a vývoj v oblasti alternativních zdrojů energie je nezbytný pro zajištění koncepce trvale udržitelného rozvoje. Nové zdroje by měly být levné, snadno dostupné, obnovitelné, bezpečné a šetrné k životnímu prostředí. Nadějným kandidátem splňující zmíněná kritéria je bioplyn. Tento produkt anaerobní digesce - fermentace neboli kontrolované mikrobiální přeměny organických látek bez přístupu vzduchu za vzniku bioplynu a digestátu - tuhých odpadních materiálů živočišného a/nebo rostlinného původu obsahuje především methan CH₄ a oxid uhličitý CO₂, přičemž jejich poměr se liší podle původu bioplynu.Research and development in the field of alternative energy sources is essential to ensure the concept of sustainable development. New resources should be cheap, easily accessible, renewable, safe and environmentally friendly. A promising candidate meeting these criteria is biogas. This anaerobic digestion product - fermentation or controlled microbial conversion of organic matter without air access to produce biogas and digestate - solid waste materials of animal and / or plant origin mainly contains methane CH ₄ and carbon dioxide CO ₂ , the ratio of which varies according to biogas origin.

Při úpravě bioplynu je nejprve potřeba odseparovat z bioplynu nečistoty a oxid uhličitý. Cílem je zvýšit obsah methanu nad 95 % obj., aby mohl být vyprodukovaný methan použit stejně jako zemní plyn, resp. jako CNG. Složitost efektivní separace CO₂/CH₄ z bioplynu spočívá právě v jeho proměnlivém složení v závislosti na zdroji a ročním období. Kvůli balastním a korozívním složkám má ale surový bioplyn mnohem omezenější využití a i nižší výhřevnost než zemní plyn nebo čistý methan.When treating biogas, it is first necessary to separate impurities and carbon dioxide from biogas. The aim is to increase the methane content above 95% by volume, so that the methane produced can be used in the same way as natural gas or natural gas. as CNG. The complexity of effective separation of CO ₂ / CH ₄ from biogas lies in its variable composition depending on the source and season. However, due to ballast and corrosive components, raw biogas has a much more limited use and lower calorific value than natural gas or pure methane.

Existuje celá řada tradičních postupů pro separaci plynů za účelem získání čistého methanu z bioplynu. Jedná se zejména o aminové vypírky, kryogenní destilace či cyklické vysokotlaké adsorpce. Tyto separační postupy jsou vysoce nákladné a technologicky, energeticky i prostorově náročné, v čemž spočívá jejich největší nevýhoda.There are a number of traditional processes for separating gases to obtain pure methane from biogas. These are especially amine scrubbers, cryogenic distillation or cyclic high pressure adsorption. These separation processes are highly costly and technologically, energy and space intensive, which is their greatest disadvantage.

V současnosti se proto úspěšně nahrazují ekologicky šetrnějšími membránovými procesy, které jsou energeticky méně náročné, pro svůj provoz nevyžadují žádné chemikálie či aditiva a jsou navíc koncepčně jednoduché, kompaktní a modulární. Jejich provoz lze tedy snadno přizpůsobit změnám ve složení, průtoku a tlaku vstupní směsi. Pro separaci oxidů uhličitého z bioplynu se využívají zejména polymerní membrány. Úspěšnou úpravu surového bioplynu popisuje např. patent CZ 303106 využívající plochých membrán. Membrány se dále pro využití v provozu umísťují do pouzdra, které společně s membránou tvoří membránový modul. Při separaci se směs přivádí na vstupní stranu membránového modulu, působením hybné síly procházejí neboli permeují některé složky směsi membránou a tak vzniká jeden produkt membránového dělení - permeát. Část směsi zadržená nad vstupním povrchem membrány tvoří druhý produkt - retentát. Pro separaci plynů a par se využívají především spirálně vinuté moduly a moduly s dutými vlákny. Právě spirálně vinuté membránové moduly se mohou využít na čištění surového bioplynu až na kvalitu CNG. Spirálně vinutý membránový modul obsahuje ve středu sběrnou trubici, na kterou jsou navinuty membrány s rozdělovači síťkou. Nástřik do modulu probíhá ve směru osy středové trubky, permeát prochází membránou kolmo ke středové trubce a tou je pak odváděn. Nicméně tyto moduly se po určitém provozním čase zanášejí pevnými nečistotami, případně dochází k vysychání membrány, a to významně snižuje účinnost celého zařízení, až je nutná kompletní výměna membránových modulů.Therefore, they are now successfully replaced by more environmentally friendly membrane processes that are less energy-intensive, require no chemicals or additives for their operation, and are also conceptually simple, compact and modular. Their operation can thus easily be adapted to changes in composition, flow and pressure of the feed mixture. In particular, polymer membranes are used to separate carbon dioxide from biogas. Successful treatment of raw biogas is described, for example, in patent CZ 303106 using flat membranes. The membranes are further placed in a housing for use in service, which together with the membrane forms a membrane module. During separation, the mixture is fed to the inlet side of the membrane module, and by means of the momentum, some components of the mixture pass through or pass through the membrane, thus forming a single product of membrane separation - permeate. The part of the mixture retained above the inlet surface of the membrane is the second product, the retentate. Spiral-wound and hollow fiber modules are mainly used for the separation of gases and vapors. The spiral wound membrane modules can be used to purify raw biogas up to CNG quality. The spiral-wound membrane module comprises a collecting tube in the center to which the diaphragms with the distribution net are wound. The module is injected in the direction of the central tube axis, the permeate passes through the membrane perpendicular to the central tube and is then discharged. However, these modules become clogged with solid impurities after a certain operating time, or the membrane dries, which significantly reduces the efficiency of the entire equipment until a complete replacement of the membrane modules is required.

Úkolem technického řešení je proto vytvoření zařízení pro separaci oxidu uhličitého z bioplynu, které by odstraňovalo výše uvedené nedostatky, jehož uspořádání by umožňovalo za provozu regenerovat spirálně vinuté membránové moduly, tedy které by zabraňovalo zanášení membrán pevnými nečistotami, čímž by byly schopné kontinuální separace oxidu uhličitého z bioplynu. Podstata technického řešeníSUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a device for separating carbon dioxide from biogas which overcomes the above-mentioned drawbacks, the arrangement of which enables regeneration of the spiral wound membrane modules during operation, thus preventing fouling of the membranes by solid impurities. from biogas. The essence of the technical solution

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro separaci oxidu uhličitého z bioplynu podle tohoto technického řešení. Zařízení zahrnuje alespoň jeden spirálně vinutý membránový modul s polymerní membránou opatřený vstupem bioplynu a výstupem permeátu výstupy retentátuThe above-mentioned drawbacks are eliminated by the device for separating carbon dioxide from biogas according to this technical solution. The device comprises at least one spiral wound membrane module with a polymeric membrane provided with a biogas inlet and a permeate outlet retentate outlets

-1 CZ 31256 Ul a permeátu. Permeát je především oxid uhličitý a retentát methan. Podstata technického řešení spočívá vtom, že výstup retentátu je osazen uzavíratelným ventilem, průtokovým čidlem pro detekci prahové hodnoty průtoku methanu a tlakovým čidlem pro detekci prahové hodnoty tlaku methanu. Spirálně vinutý membránový modul zařízení je opatřen odvzdušňovacím ventilem. Zařízení dále zahrnuje zásobník destilované vody napojený regeneračním potrubím s regeneračním ventilem na výstup retentátu. Při dosažení prahové hodnoty průtoku methanu a/nebo prahové hodnoty tlaku methanu je uzavíratelným ventilem uzavřen výstup retentátu a regenerační ventil otevřen pro načerpání destilované vody do spirálně vinutého membránového modulu pro jeho regeneraci. Zařízení je koncipováno pro trvalý provoz, se systémem regenerace jednotlivých spirálně vinutých membránových modulů. Vždy je tedy možné regenerovat určitý spirálně vinutý membránový modul, zatímco ostatní spirálně vinuté membránové moduly jsou stále v provozu. Systém regenerace zabraňuje zanášení polymemích membrán ve spirálně vinutých membránových modulech pevnými nečistotami a především zabraňuje lokálnímu vysychání částí spirálně vinutého membránového modulu, které může nastat při kolísání vlhkosti obsažené v bioplynu vstupujícího do zařízení.U1 and permeate. Permeate is primarily carbon dioxide and methane retentate. The essence of the invention is that the retentate outlet is fitted with a shut-off valve, a flow sensor for detecting a methane flow threshold and a pressure sensor for detecting a methane pressure threshold. The spiral wound membrane module is equipped with a venting valve. The apparatus further comprises a distilled water tank connected by a regeneration line with a regeneration valve to the retentate outlet. When the methane flow threshold and / or methane pressure threshold is reached, the retentate outlet is closed by the shut-off valve and the recovery valve is opened to pump distilled water into the spiral wound membrane module for regeneration thereof. The device is designed for continuous operation, with a system of regeneration of individual spiral wound membrane modules. Thus, it is always possible to regenerate a certain spiral wound membrane module while the other spiral wound membrane modules are still in operation. The regeneration system prevents clogging of the polymeric membranes in the spiral wound membrane modules by solid impurities and, in particular, prevents local drying of portions of the spiral wound membrane module that may occur when the moisture contained in the biogas entering the plant fluctuates.

Ve výhodném provedení je zásobník destilované vody opatřen čerpadlem pro načerpání destilované vody do spirálně vinutého membránového modulu. Čerpadlo pohání destilovanou vodu regeneračním potrubím do spirálně vinutého membránového modulu, čímž dojde kjeho zaplavení a odstranění pevných nečistot z membrány spirálně vinutého membránového modulu. Spirálně vinutý membránový modul jev této fázi ponechán zaplaven po určitou dobu - v řádu několika desítek minut, a během této doby dojde k nabobtnání polymemí membrány i v místech, kde před regenerací mohlo docházet k lokálnímu vysychání.In a preferred embodiment, the distilled water tank is provided with a pump for pumping distilled water into the spiral wound membrane module. The pump drives distilled water through the regeneration line to the spiral wound membrane module, thereby flooding and removing solid contaminants from the spiral wound membrane module membrane. The spiral wound membrane module is in this phase left flooded for a period of time - in the order of several tens of minutes, during which time the polymer membranes swell even in places where local drying could occur before regeneration.

S výhodou je výstup retentátu opatřen vypouštěcím ventilem pro vypuštění načerpané destilované vody ze spirálně vinutého membránového modulu po uplynutí doby, po kterou by spirálně vinutý membránový modul zaplaven.Preferably, the retentate outlet is provided with a drain valve to drain the pumped distilled water from the spiral wound membrane module after the time that the spiral wound membrane module is flooded.

Zařízení ve výhodném provedení zahrnuje alespoň dva spirálně vinuté membránové moduly umístěné paralelně vedle sebe, jejichž množství záleží na celkovém požadovaném výkonu celé jednotky. Jednotlivé moduly se postupně regenerují vždy, když jejich parametry čištění klesnou pod předem stanovenou hodnotu. Vseje řízeno dálkově počítačovou technikou. Tím je zajištěn kontinuální provoz zařízení, kdy spirálně vinutý membránový modul separuje oxid uhličitý a další nežádoucí látky ze surového bioplynu. Zatímco může probíhat regenerace odstaveného spirálně vinutého membránového modulu, tedy odstranění pevných nečistot a zaplavení, resp. zamezení vysychání polymemí membrány.The device preferably comprises at least two spiral wound membrane modules placed parallel to each other, the amount of which depends on the total power requirement of the whole unit. Each module is regenerated gradually when its cleaning parameters fall below a predetermined value. It is controlled remotely by computer technology. This ensures continuous operation of the plant, where the spiral wound membrane module separates carbon dioxide and other undesirable substances from the raw biogas. While the regeneration of the shut down spiral wound membrane module can take place, the removal of solid impurities and flooding, respectively. avoiding drying of the polymer membrane.

Výhody zařízení pro separaci oxidu uhličitého z bioplynu podle tohoto technického řešení spočívají zejména v tom, že uspořádání zařízení umožňuje regenerovat spirálně vinuté membránové moduly za provozu, čímž zabraňuje zanášení polymemích membrán pevnými nečistotami a také vysychání polymemích membrán, čímž se zařízení stává schopným kontinuální separace oxidu uhličitého z bioplynu.Advantages of the device for separating carbon dioxide from biogas according to the present invention are, in particular, that the arrangement of the device makes it possible to regenerate the spiral wound membrane modules during operation, thereby preventing clogging of the polymer membranes by solid impurities and drying out of the polymer membranes. carbon dioxide from biogas.

Objasnění výkresuClarification of the drawing

Uvedené technické řešení bude blíže objasněno na následujících vyobrazeních, kde:This technical solution will be explained in more detail in the following drawings, where:

obr. 1 znázorňuje schéma zařízení pro separaci oxidu uhličitého z bioplynu.Fig. 1 shows a diagram of a device for separating carbon dioxide from biogas.

Příklad uskutečnění technického řešeníExample of technical solution implementation

Zařízení I pro separaci oxidu uhličitého z bioplynu podle tohoto technického řešení je koncipováno pro trvalý kontinuální provoz, se systémem regenerace jednotlivých spirálně vinutých membránových modulů 2, kdy je vždy možné regenerovat spirálně vinutý membránový modul 2 reverzně osmotických membrán, zatímco ostatní spirálně vinuté membránové moduly 2 v zařízení 1 jsou stále v provozu. Systém regenerace zabraňuje zanášení polymemích membrán pevnými nečistotami a především zabraňuje lokálnímu vysychání částí spirálně vinutého membránového modulu 2, které může nastat při kolísání vlhkosti obsažené v bioplynu vstupujícího do zařízení 1.The carbon dioxide-biogas separation apparatus according to this invention is designed for continuous continuous operation, with a system of regeneration of the individual spiral wound membrane modules 2, whereby it is always possible to regenerate the spiral wound membrane module 2 of reverse osmosis membranes while the other spiral wound membrane modules 2. in device 1 are still in operation. The regeneration system prevents clogging of the polymer membranes by solid impurities and, in particular, prevents local drying of portions of the spiral wound membrane module 2, which may occur when the moisture contained in the biogas entering the plant 1 fluctuates.

-2CZ 31256 Ul-2EN 31256 Ul

Zařízení I pro čištění bioplynu, resp. pro separaci oxidu uhličitého zobrazené na obr. 1 je sestaveno ze dvou spirálně vinutých membránových modulů 2. V jiném příkladu provedení může zařízení zahrnovat i vyšší počet spirálně vinutých membránových modulů 2 uspořádaných paralelně za sebou. Každý spirálně vinutý modul 2 má na začátku procesu separace oxidu uhličitého z bioplynu otevřený nástřikový ventil 15 a uzavíratelný ventil 6 a uzavřený odvzdušňovací ventil 11, vypouštěcí ventil B a regenerační ventil 9. Spirálně vinutý membránový modul 2 je opatřen vstupem 3 bioplynu s nástřikovým ventilem 15, výstupem 4 permeátu ve formě oxidu uhličitého a výstupem 5 retentátu ve formě methanu. Výstup 5 retentátu přečištěného až na kvalitu CNG je opatřen v oblasti uzavíratelného ventilu 6 prvním průtokovým čidlem 7 pro detekci prahové hodnoty průtoku methanu a tlakovým čidlem 8 pro detekci prahové hodnoty tlaku methanu.Plants I for cleaning of biogas resp. The carbon dioxide separation system shown in Fig. 1 is composed of two spiral wound membrane modules 2. In another embodiment, the apparatus may also include a plurality of spiral wound membrane modules 2 arranged in parallel. Each spiral wound module 2 has an open feed valve 15 and a shut-off valve 6 and a closed air bleed valve 11, a drain valve B and a recovery valve 9 at the beginning of the carbon dioxide / biogas separation process. , via a permeate outlet 4 in the form of carbon dioxide and an outlet 5 retentate in the form of methane. The retentate outlet 5 purified to CNG quality is provided with a first flow sensor 7 for detecting the methane flow threshold and a pressure sensor 8 for detecting the methane pressure threshold in the region of the closable valve 6.

Pokud některý ze spirálně vinutých membránových modulů 2 vykazuje vyšší propustnost methanu než je obvyklé, dochází k lokálnímu vysychání spirálně vinutého membránového modulu 2, či pokud dochází k detekci nižších průtoků, než je obvyklé, spirálně vinutý membránový modul 2 je zanesen pevnými nečistotami. Daný spirálně vinutý membránový modul 2 je odstaven od zbytku zařízení I uzavřením nástřikového ventilu 15, který je regulován druhým průtokovým čidlem 16 a uzavíratelného ventilu 6. Spirálně vinutý membránový modul 2 je posléze odtlakován systémem bezpečnostních odfuků ventilace pomocí otevření odvzdušňovacího ventilu 11.If any of the spiral wound membrane modules 2 exhibits a higher methane permeability than normal, the spiral wound membrane module 2 will dry out locally, or if the flow rates are lower than normal, the spiral wound membrane module 2 is clogged with solid impurities. The spiral wound diaphragm module 2 is shut off from the rest of the device 1 by closing the inlet valve 15, which is controlled by the second flow sensor 16 and the closable valve 6. The spiral wound diaphragm module 2 is then depressurized by the vent ventilation system by opening the vent valve 11.

Poté dochází k otevření regeneračního ventilu 9, který je regulován třetím průtokovým čidlem 17 a do spirálně vinutého membránového modulu 2 je původní cestou retentátu - methanu regeneračním potrubím 14 protiproudně, tedy zespodu nahoru oproti původnímu směru, načerpána ze zásobníku 10 destilovaná voda. Čerpadlo 12 s destilovanou vodou pracuje při průtoku 0,1 1/s, po minimálně 30 s, kde následně dojde k zaplavení spirálně vinutého membránového modulu 2 a odstranění zanesení spirálně vinutého membránového modulu 2 přepadem v systému odvzdušnění ventilace odvzdušňovacím ventilem Π.· Poté dojde k zavření regeneračního ventilu 9 a vypnutí čerpadla 12. Spirálně vinutý membránový modul 2 je v této fázi ponechán zaplaven destilovanou vodou po dobu minimálně 30 min, během této doby dojde k nabobtnání polymemí membrány, tedy kjejí regeneraci i v místech, kde před regenerací mohlo docházet k lokálnímu vysychání.Thereafter, the regeneration valve 9, which is controlled by the third flow sensor 17, is opened and distilled water is pumped from the reservoir 10 into the spiral wound membrane module 2 by the original retentate-methane route through the regeneration line 14 upstream of the original direction. The distilled water pump 12 operates at a flow rate of 0.1 l / s for a minimum of 30 s, whereupon the spiral wound membrane module 2 is flooded and the spiral wound membrane module 2 is clogged with an overflow in the vent ventilation system Π. The spiral-wound membrane module 2 is at this stage left flooded with distilled water for at least 30 minutes, during which time the polymer membrane swells, thus regenerating even in places where regeneration could have occurred before regeneration. for local drying.

Po uplynutí této doby je otevřen vypouštěcí ventil 13 a po dobu jedné minuty dochází k vypuštění vody ze spirálně vinutého membránového modulu 2 do kanalizace. V následujícím kroku je odvzdušňovací ventil 11 i vypouštěcí ventil 13 uzavřen a poté dojde k otevření nástřikového ventilu 15 a dochází k opětovnému napuštění regenerovaného spirálně vinutého membránového modulu 2 bioplynem. Poté je otevřen odvzdušňovací ventil H do systému odvzdušnění a ventilace po dobu 15 s, kdy dojde pod tlakem z nezobrazeného kompresoru k dostatečnému vytlačení zbytků destilované vody ven ze spirálně vinutého membránového modulu 2 a k odtahu přebytečné vlhkosti systémem bezpečnostních odfuků ventilace. Systém bezpečnostních odfuků ventilace je poté odvzdušňovacím ventilem 11 znovu uzavřen, spirálně vinutý membránový modul 2 je tlakován a po dosažení operačního tlaku, dochází k otevření uzavíratelného ventilu 6 a tedy k samotnému dokončení systému regenerace a znovuzapojení spirálně vinutého membránového modulu 2 do procesu čištění bioplynu od oxidu uhličitého. Zařízení 1 pro separaci oxidu uhličitého z bioplynu je dále opatřeno nezobrazenou automatizační řídící deskou plošných spojů reagující na hodnoty změn průtoků methanu a tlaků methanu příslušnými čidly 7, 8.After this time, the drain valve 13 is opened and water is drained from the spiral wound membrane module 2 to the sewer for one minute. In the next step, both the bleeder valve 11 and the discharge valve 13 are closed and then the injection valve 15 is opened and the regenerated spiral wound membrane module 2 is recharged with biogas. The vent valve H is then opened to the vent and ventilation system for 15 seconds, under pressure from an uncompressed compressor, to sufficiently displace the distilled water residues out of the spiral wound membrane module 2 and to extract excess moisture through the vent ventilation system. The ventilation duct system is then reclosed by the vent valve 11, the spiral wound membrane module 2 is pressurized, and when the operating pressure is reached, the shut-off valve 6 is opened and thus the regeneration system is completed and reconnected. carbon dioxide. The apparatus 1 for separating carbon dioxide from biogas is further provided with an automated printed circuit board (not shown) in response to values of changes in methane flows and methane pressures by respective sensors 7, 8.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Zařízení pro separaci oxidu uhličitého z bioplynu je využitelné u všech producentů bioplynu jak z čističek odpadních vod, tak zemědělských bioplynových stanic, kteří zároveň provozují početný park motorových vozidel, kde mohou spotřebovat vyrobený methan a zároveň mají skleníky nebo nádrže, kde pěstují řasy a mají tudíž i odbyt pro oxid uhličitý.The biogas separation plant can be used by all biogas producers from both sewage treatment plants and agricultural biogas plants, which also operate a large fleet of motor vehicles where they can consume methane produced, and also have greenhouses or tanks where they grow algae and therefore have and sales for carbon dioxide.

Claims

An apparatus (1) for separating carbon dioxide from biogas comprising at least one spiral wound membrane module (2) with a polymer membrane provided with a biogas inlet (3), a permeate outlet (4) and a retentate outlet (5), wherein the permeate is carbon dioxide and the retentate is methane, characterized in that the retentate outlet (5) is fitted with a shut-off valve (6), a flow sensor (7) for detecting the methane flow threshold and a pressure sensor (8) for detecting the methane pressure threshold, spiral wound membrane module (2) is provided with a venting valve (11) and the apparatus further comprises a distilled water tank (10) connected by a regeneration line (14) with a regeneration valve (9) to the retentate outlet (5), reaching methane and / or of methane pressure, the closable valve (6) is closed and the regeneration valve (9) is opened to pump distilled water into the spiral wound membrane module (2) for its regeneration.

Device according to claim 1, characterized in that the distilled water tank (10) is provided with a pump (12) for pumping distilled water into the spiral wound membrane module (2).

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the retentate outlet (5) is provided with a drain valve (13) for discharging the distilled water pumped from the spiral wound membrane module (2).

Apparatus according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises at least two spirally wound membrane modules connected in parallel for alternating the cleaning and regeneration modes.