ES2869867T3 - Procedimiento de depuración de biogás por membrana(s) a temperatura negativa - Google Patents

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Abstract

Procedimiento de depuración por permeación membranaria de un flujo gaseoso que comprende metano y dióxido de carbono, comprendiendo dicho procedimiento las etapas sucesivas siguientes: - una etapa (a) de compresión del flujo gaseoso a una presión comprendida entre 5 y 20 bares, - una primera etapa (b) de enfriamiento del flujo gaseoso comprimido a una temperatura comprendida entre 0 y 15ºC, - una etapa (c) de secado del flujo gaseoso enfriado y comprimido que permite obtener un contenido de agua <= 0,1 ppm, - una segunda etapa (d) de enfriamiento del flujo gaseoso procedente de la etapa (c) mediante un intercambiador de calor a una temperatura comprendida entre 0 y -60°C, - una etapa (e) de separación del flujo gaseoso enfriado hasta una temperatura comprendida entre 0 y -60ºC procedente de la etapa (d) a través de un primer, un segundo y un tercer niveles de membrana(s) que proporcionan cada uno un retentado empobrecido de CO2 y un permeado enriquecido con CO2, recibiendo el primer nivel el flujo gaseoso enfriado procedente de la etapa (d), recibiendo el segundo nivel el retentado del primer nivel, y recibiendo el tercer nivel el permeado del primer nivel, - una etapa (f) de recuperación de un flujo gaseoso enriquecido con metano que comprende una primera subetapa de recuperación del retentado del segundo nivel y una segunda subetapa de calentamiento del retentado del segundo nivel a una temperatura comprendida entre 0 y 20ºC, Con: - el retentado del segundo nivel se calienta mediante el intercambiador y después se envía hacia una unidad de licuefacción - después de la etapa (e), se recupera el permeado del segundo nivel y el retentado del tercer nivel antes de calentarlos en el intercambiador a una temperatura comprendida entre 0 y 20ºC, después se mezclan con el flujo gaseoso a depurar antes de la etapa (a) de compresión.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de depuración de biogás por membrana(s) a temperatura negativa
La presente invención se refiere a un procedimiento de permeación por membrana(s) de una corriente gaseosa que contiene al menos metano y dióxido de carbono para producir una corriente gaseosa enriquecida en metano.
Se refiere en particular a la depuración de biogás con el objetivo de producir biometano conforme a las especificaciones para la inyección en una red de gas natural.
El biogás es el gas producido durante la degradación de materias orgánicas en ausencia de oxígeno (fermentación anaeróbica) también denominada metanización. Puede tratarse de una degradación natural - se observa así en los pantanos o las basuras domésticas - pero la producción de biogás puede también resultar de la metanización de desechos en un reactor específico, denominado metanizador o digestor.
Por sus constituyentes principales -metano y dióxido de carbono- el biogás es un poderoso gas de efecto invernadero; constituye también, paralelamente, una fuente de energía renovable apreciable en un contexto de rarefacción de las energías fósiles.
El biogás contiene mayoritariamente metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2) en proporciones variables en función del modo de obtención, pero también, en menor proporción, agua, nitrógeno, hidrógeno sulfurado, oxígeno, así como otros compuestos orgánicos, en trazas.
Según las materias orgánicas degradadas y las técnicas utilizadas, las proporciones de los componentes difieren, pero en promedio el biogás comprende, sobre gas seco, del 30 al 75% de metano, del 15 al 60% de CO2 , del 0 al 15% de nitrógeno, del 0 al 5% de oxígeno, y compuestos en trazas.
El biogás se aprovecha de diferentes maneras. Puede, después de un ligero tratamiento, aprovecharse cerca del sitio de producción para proporcionar calor, electricidad o una mezcla de los dos (cogeneración); el alto contenido de dióxio de carbono reduce su poder calorífico, aumenta los costes de compresión y de transporte y limita el valor económico de su aprovechamiento para este uso de proximidad.
Una purificación más exhaustiva del biogás permite su uso más amplio, en particular, una purificación exhaustiva del biogás permite obtener un biogás depurado con las especificaciones del gas natural y que podrá sustituirlo; el biogás así purificado es el «biometano». El biometano completa así los recursos de gas natural con una parte renovable producida dentro de los territorios; se puede usar exactamente para los mismos usos que el gas natural de origen fósil. Puede alimentar una red de gas natural, una estación de llenado para vehículos, puede también licuarse para almacenarse en forma de gas natural líquido (GNL), etc.
El documento WO2014/118262 divulga un procedimiento de depuración por permeación membranaria de un flujo gaseoso que comprende metano y dióxido de carbono, comprendiendo dicho procedimiento:
- Una etapa (a) de compresión del flujo gaseoso,
- Una etapa (b) de enfriamiento del flujo gaseoso,
- Una etapa (c) de secado del flujo gaseoso enfriado y comprimido que permite separar esencialmente todo el vapor de agua,
- Una segunda etapa (d) de enfriamiento,
- Una etapa de separación membranaria del flujo gaseoso para obtener un permeado enriquecido con CO2 y un retentado empobrecido de CO2,
- Una etapa de recuperación de un flujo gaseoso enriquecido con metano.
El documento US-A-2012/0111051 divulga un procedimiento de depuración por permeación membranaria de un flujo gaseoso que comprende metano y dióxido de carbono en el que el flujo gaseoso se enfría hasta una temperatura comprendida entre 0 y -60°C antes de introducirse en una unidad de separación por membrana(s).
Los modos de aprovechamiento del biometano se determinan en función de los contextos locales: necesidades energéticas locales, posibilidades de aprovechamiento como biometano carburante, existencia cerca de redes de distribución o transporte de gas natural especialmente. Creando sinergias entre los diferentes actores que trabajan en un territorio (agricultores, industriales, poderes públicos), la producción de biometano ayuda a los territorios a adquirir una mayor autonomía energética.
La depuración del biogás en biometano consiste principalmente en la separación del CO2 y del CH4. Las membranas de polímero representan, por lo tanto, una tecnología perfectamente adecuada para esta separación: en efecto, la permeancia del CO2 es muy superior a la del CH4. Los procedimientos de depuración de biogás que utilizan membranas son, por lo tanto, numerosos, y presentan, con respecto a las tecnologías competidoras, (lavado con aminas, lavado con agua, PSA) tres ventajas principales: la disponibilidad, la compacidad de las membranas y su flexibilidad de uso. Aunque esta tecnología permite alcanzar unas altas tasas de recuperación de metano, asegurando al mismo tiempo la calidad del biometano producido, presenta, no obstante, dos principales limitaciones:
- El consumo eléctrico es relativamente elevado (es decir > 0,25kWh/Nm3 biogás bruto), debido a dos parámetros: la presión de trabajo y el grado de reciclaje de una parte del permeado necesaria para alcanzar unos rendimientos elevados.
- El número de membranas puede ser elevado (por ejemplo, para 4 niveles que tratan 750Nm3/h de biogás bruto se pueden utilizar 18 módulos (cada módulo contiene más de un millón de fibras)).
En efecto, los rendimientos intrínsecos de las membranas de polímeros (permeancia, selectividad) son limitadas, y la selectividad de estos materiales entre el CO2 y el CH4 impone al mismo tiempo una presión de trabajo relativamente elevada, y una depuración en varios niveles, con un caudal reciclado aguas arriba del compresor. Por otro lado, al estar los rendimientos de las membranas de polímero delimitados por la curva de Robeson, una selectividad elevada, seleccionada para limitar las pérdidas de metano, impone una productividad limitada, lo que aumenta el número de membranas necesarias para tratar un caudal dado de biogás.
En base a esto, un problema que se plantea es proporcionar un procedimiento mejorado de depuración del biogás, es decir que presente un consumo eléctrico menos elevado y que utilice un número de membranas menor en comparación con un procedimiento de la técnica anterior.
Una solución de la presente invención es un procedimiento de depuración por permeación membranaria de un flujo gaseoso que comprende metano y dióxido de carbono, comprendiendo dicho procedimiento las etapas sucesivas siguientes:
- una etapa (a) de compresión del flujo gaseoso a una presión comprendida entre 5 y 20 bares,
- una primera etapa (b) de enfriamiento del flujo gaseoso comprimido a una temperatura comprendida entre 0 y 15°C, - una etapa (c) de secado del flujo gaseoso enfriado y comprimido que permite obtener un contenido en agua < 0,1 ppm,
- una segunda etapa (d) de enfriamiento del flujo gaseoso procedente de la etapa (c) mediante un intercambiador de calor a una temperatura comprendida entre 0 y -60°C,
- una etapa (e) de separación del flujo gaseoso enfriado hasta una temperatura comprendida entre 0 y -60°C procedente de la etapa (d) a través de un primer, un segundo y un tercer niveles de membrana(s) que proporcionan cada uno un retentado empobrecido de CO2 y un permeado enriquecido con CO2, recibiendo el primer nivel el flujo gaseoso enfriado procedente de la etapa (d), recibiendo el segundo nivel el retentado del primer nivel, y recibiendo el tercer nivel el permeado del primer nivel,
- una etapa (f) de recuperación de un flujo gaseoso enriquecido con metano que comprende una primera subetapa de recuperación del retentado del segundo nivel y una segunda subetapa de calentamiento del retentado del segundo nivel a una temperatura comprendida entre 0 y 20°C, con:
- el retentado del segundo nivel se calienta mediante el intercambiador y después se envía hacia una unidad de licuefacción
después de la etapa (e), se recupera el permeado del segundo nivel y el retentado del tercer nivel antes de calentarlos en el intercambiador a una temperatura comprendida entre 0 y 20°C, y después mezclarlos con el flujo gaseoso a depurar antes de la etapa (a) de compresión.
Según el caso, el procedimiento según la invención puede presentar una o varias de las características siguientes:
- el flujo gaseoso se enfría hasta una temperatura comprendida entre -20°C y -45°C antes de introducirse en la unidad de separación por membrana(s).
- dicho procedimiento comprende una etapa preliminar de separación por membrana(s) entre la etapa (c) y la etapa (d), preferentemente una membrana permeable al CO2.
- el permeado del segundo nivel y el retentado del tercer nivel se calientan en el intercambiador a diferentes temperaturas.
- después de la etapa (e), se calienta el permeado del tercer nivel hasta una temperatura comprendida entre 0 y 20°C antes de enviarlo a un respiradero o a un sistema de tratamiento de los respiraderos.
- después de la etapa (e) se calienta el permeado del tercer nivel antes de enviarlo hacia una unidad de licuefacción.
El biogás bruto, depurado de sus impurezas (NH3, H2S, COV), compuesto de CH4 (45-65%), CO2 (35-55%), O2(0-5%), N2 (0-5%) y secado lo suficientemente duro (es decir hasta obtener un punto de rocío de -5°C) para evitar la congelación del agua en el sistema, se comprime entre 5 y 20 bares. Se enfría después mediante un aerotermo y/o un intercambiador de agua helada hasta una temperatura comprendida entre 0 y 15°C. Después del secado final, o bien entra directamente en un intercambiador en el que se enfría hasta una temperatura comprendida entre 0 y -60°C, o bien este intercambiador es precedido de un primer nivel membranario entre 0 y 15°C. El gas enfriado se envía después hacia uno o varios niveles membranarios, en paralelo o en serie. Cada módulo produce una fracción rica en metano, denominada retentado, y una fracción rica en CO2, denominada permeado. El flujo de gas más enriquecido con metano (superior al 90% de CH4) se denomina biometano. Se envía en el intercambiador, en el que se calienta a una temperatura comprendida entre 0 y 20°C. El flujo de gas más empobrecido de metano (entre el 0 y el 10% de CH4) pasa al intercambiador en el que se calienta entre 0 y 20°C, después se envía al respiradero o a un sistema de tratamiento de los respiraderos. Los otros flujos de gas producidos por los módulos membranarios se envían al intercambiador en el que se calientan entre 0 y 20°C, y después se reciclan aguas arriba del compresor. Otra configuración ventajosa es sacar uno o varios de los flujos que salen del intercambiador a una temperatura suficientemente fría para realizar una integración térmica, por ejemplo, para el preenfriamiento del biogás bruto. El procedimiento permite alcanzar un rendimiento de metano comprendido entre el 90 y el 99,99%, y producir un biometano cuya pureza de metano es superior al 97%. La presión de expulsión del descompresor que permite alcanzar la autonomía térmica del procedimiento está comprendida entre 5 y 15 bares.
La presente invención tiene también por objeto una instalación de depuración por permeación membranaria de un flujo gaseoso que comprende metano y dióxido de carbono, comprendiendo dicha instalación, en el sentido de circulación del flujo gaseoso:
- (a) un compresor que permite una compresión del flujo gaseoso entre 5 y 20 bares,
- (b) un medio de enfriamiento que permite el enfriamiento del flujo gaseoso hasta una temperatura comprendida entre 0 y 15°C,
- (c) un secador que permite el secado del flujo gaseoso enfriado y comprimido para obtener un flujo gaseoso que presente un contenido en agua inferior a 0,1 ppm,
- (d) un intercambiador que permite el enfriamiento del flujo gaseoso hasta una temperatura comprendida entre 0 y -60°C,
- (e) una unidad de separación que comprende al menos un primer, un segundo y un tercer niveles de membrana(s) más permeables al dióxido de carbono y que permite la separación del flujo gaseoso enfriado a una temperatura comprendida entre 0 y -60°C que sale del intercambiador, estando los niveles membranarios configurados de manera que el primer nivel pueda recibir el flujo gaseoso enfriado procedente de la etapa (d), el segundo nivel pueda recibir el retentado del primer nivel y el tercer nivel pueda recibir el permeado del primer nivel,
- (f) una unidad de licuefacción
Con:
- el intercambiador que permite calentar el retentado del segundo nivel, el permeado del segundo nivel y el retentado del tercer nivel
- la unidad de licuefacción apta para recibir el segundo retentado calentado en el intercambiador, y
- un medio que permite mezclar el permeado del segundo nivel y el retentado del tercer nivel con el flujo gaseoso a depurar antes del compresor (a).
Preferentemente, el intercambiador permite enfriar el flujo gaseoso a una temperatura comprendida entre 20 °C y -45°C.
La invención se describirá más en detalle con la ayuda de la figura 1, que es un esquema de la instalación según la invención.
El biogás bruto 1, que contiene un 43,6% de CO2, un 54,6% de CH4, un 0,8% de N2 y un 0,2% de O2, saturado en agua a 5°C y a una presión de 0,1 bar, se mezcla con el caudal reciclado 24, que contiene un 66,6% de CO2. El flujo 2 se envía después al compresor 3, en el que se comprime a 9,6 bares, antes de enfriarse a 5°C. Después del enfriamiento, el agua se elimina en un separador, y después el gas se calienta hasta 15°C. El caudal de gas 6 se envía después al secador 7. El caudal 8 de gas seco, que contiene un 51,2% de CO2, atraviesa después el intercambiador, en el que se enfría hasta -30°C. El caudal de gas enfriado entra en un primer nivel de membrana(s), en el que se separa en dos fracciones. El retentado 12 está empobrecido de CO2 y contiene solo un 30% de CO2, se envía en un segundo nivel de membrana(s). El permeado 16 está enriquecido de CO2 y contiene un 90% de CO2, se envía en un tercer nivel de membrana(s). El segundo nivel de membrana(s) produce a su vez dos fracciones, el caudal 14 empobrecido al 1,3% de CO2, y el caudal 15 enriquecido al 73% de CO2. El tercer nivel de membrana(s) produce también dos fracciones, el caudal 18 empobrecido al 38% de CO2, y el caudal 19 enriquecido al 99,3% de CO2. El caudal rico en CO2 19 se calienta en el intercambiador 9 desde -30°C hasta 25°C, y después se envía al respiradero. El caudal 14, denominado biometano, contiene un 99,5% del metano contenido en el biogás bruto 1, y se calienta hasta 13,4°C, después se envía hacia su uso final (inyección en la red, o gas carburante para vehículo). Los caudales 15 y 18 se calientan hasta 13,4°C, se mezclan y reenvían aguas arriba del compresor 3.
Con respecto a un procedimiento similar según la técnica anterior a temperatura ambiente, este procedimiento permite reducir el número de membranas y el consumo eléctrico específico, y, si es necesario, la presión de trabajo. Esto es lo que muestra la tabla siguiente:
Figure imgf000005_0001
En función de las aplicaciones buscadas, el caudal de biometano y/o de respiradero puede producirse a una temperatura inferior a la temperatura ambiente, a fin de ser enviado hacia unidades de licuefacción, lo que disminuye así el consumo eléctrico de estas últimas.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de depuración por permeación membranaria de un flujo gaseoso que comprende metano y dióxido de carbono, comprendiendo dicho procedimiento las etapas sucesivas siguientes:
- una etapa (a) de compresión del flujo gaseoso a una presión comprendida entre 5 y 20 bares,
- una primera etapa (b) de enfriamiento del flujo gaseoso comprimido a una temperatura comprendida entre 0 y 15°C,
- una etapa (c) de secado del flujo gaseoso enfriado y comprimido que permite obtener un contenido de agua < 0,1 ppm,
- una segunda etapa (d) de enfriamiento del flujo gaseoso procedente de la etapa (c) mediante un intercambiador de calor a una temperatura comprendida entre 0 y -60°C,
- una etapa (e) de separación del flujo gaseoso enfriado hasta una temperatura comprendida entre 0 y -60°C procedente de la etapa (d) a través de un primer, un segundo y un tercer niveles de membrana(s) que proporcionan cada uno un retentado empobrecido de CO2 y un permeado enriquecido con CO2, recibiendo el primer nivel el flujo gaseoso enfriado procedente de la etapa (d), recibiendo el segundo nivel el retentado del primer nivel, y recibiendo el tercer nivel el permeado del primer nivel,
- una etapa (f) de recuperación de un flujo gaseoso enriquecido con metano que comprende una primera subetapa de recuperación del retentado del segundo nivel y una segunda subetapa de calentamiento del retentado del segundo nivel a una temperatura comprendida entre 0 y 20°C,
Con:
- el retentado del segundo nivel se calienta mediante el intercambiador y después se envía hacia una unidad de licuefacción
- después de la etapa (e), se recupera el permeado del segundo nivel y el retentado del tercer nivel antes de calentarlos en el intercambiador a una temperatura comprendida entre 0 y 20°C, después se mezclan con el flujo gaseoso a depurar antes de la etapa (a) de compresión.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que el flujo gaseoso se enfría hasta una temperatura comprendida entre -20°C y -45°C antes de introducirse en la unidad de separación por membrana(s).
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que dicho procedimiento comprende una etapa preliminar de separación por membrana(s) entre la etapa (c) y la etapa (d).
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el permeado del segundo nivel y el retentado del tercer nivel se calientan en el intercambiador a diferentes temperaturas.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que después de la etapa (e), se calienta el permeado del tercer nivel hasta una temperatura comprendida entre 0 y 20°C antes de enviarlo a un respiradero o a un sistema de tratamiento de los respiraderos.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que después de la etapa (e) se calienta el permeado del tercer nivel antes de enviarlo hacia una unidad de licuefacción.
7. Instalación de depuración por permeación membranaria de un flujo gaseoso que comprende metano y dióxido de carbono, comprendiendo dicha instalación, en el sentido de circulación del flujo gaseoso:
- (a) un compresor que permite una compresión del flujo gaseoso entre 5 y 20 bares,
- (b) un medio de enfriamiento que permite el enfriamiento del flujo gaseoso a una temperatura comprendida entre 0 y 15°C,
- (c) un secador que permite el secado del flujo gaseoso enfriado y comprimido para obtener un flujo gaseoso que presenta un contenido de agua inferior a 0,1 ppm,
- (d) un intercambiador que permite el enfriamiento del flujo gaseoso a una temperatura comprendida entre 0 y -60°C,
- (e) una unidad de separación que comprende al menos un primer, un segundo y un tercer niveles de membrana(s) más permeables al dióxido de carbono y que permite la separación del flujo gaseoso enfriado a una temperatura comprendida entre 0 y -60°C que sale del intercambiador, estando los niveles membranarios configurados de manera que el primer nivel pueda recibir el flujo gaseoso enfriado procedente de la etapa (d), el segundo nivel pueda recibir el retentado del primer nivel y el tercer nivel pueda recibir el permeado del primer nivel,
- (f) una unidad de licuefacción
con:
- el intercambiador que permite calentar el retentado del segundo nivel, el permeado del segundo nivel y el retentado del tercer nivel
- la unidad de licuefacción apta para recibir el segundo retentado calentado en el intercambiador, y - un medio que permite mezclar el permeado del segundo nivel y el retentado del tercer nivel al flujo gaseoso a depurar antes del compresor (a).
8. Instalación de depuración según la reivindicación 11, caracterizada por que el intercambiador permite enfriar el flujo gaseoso hasta una temperatura comprendida entre -202C y -452C.
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