ES2961497T3 - Sistema y proceso para mejorar biogás - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere a un sistema y proceso para mejorar biogás y otras mezclas de gases que contienen metano a un gas rico en metano. En particular, se trata de un sistema de mejora mejorado (100) con tecnología de depuración de agua que está integrada con un sistema de irradiación UV (140) para el tratamiento del agua. Más particularmente, un sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) está integrado entre la columna flash (120) y la columna de desorción (130) del depurador de agua para la degradación oxidativa de metano y/o sulfuro de hidrógeno disuelto en el agua (11). El metano y/o el sulfuro de hidrógeno se degradan mediante oxidación fotoquímica combinada con oxidación fotocatalítica de modo que menos metano y/o sulfuro de hidrógeno abandona la columna de desorción (130) a través del gas de escape (6). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y proceso para mejorar biogás
Campo técnico
La presente invención se refiere a un sistema y proceso para mejorar biogás y otras mezclas de gases que contienen metano a un gas rico en metano. En particular, se refiere a un sistema de mejora mejorado con tecnología de depurador de agua que está integrado con un sistema basado en UV/dióxido de titanio para el tratamiento de agua que principalmente elimina el metano sin reaccionar y el sulfuro de hidrógeno.
Antecedentes
El biogás se produce por la digestión anaeróbica o fermentación de aguas residuales y residuos sólidos. El material digerido puede incluir materia orgánica tal como excrementos, lodo de depuración, residuos biodegradables o cualquier otra materia prima biodegradable. El proceso es esencialmente la degradación de compuestos orgánicos en ausencia de oxígeno para producir una mezcla de gases saturada principalmente de metano y dióxido de carbono y poco sulfuro de hidrógeno y otras sustancias no deseadas.
Antes de que pueda usarse biogás como, por ejemplo, combustible para vehículos, debe “mejorarse” o enriquecerse en metano para convertirse en biometano. El propósito de la mejora de biogás es obtener un gas producto rico en metano separando principalmente dióxido de carbono, pero también agua y sulfuro de hidrógeno, del biogás. Una de las tecnologías más utilizadas para la mejora de biogás es la depuración de agua. El biogás normalmente se comprime a 6-8 bar con la tecnología de depurador de agua y se conduce a una columna de absorción donde se encuentra con una contraflujo de agua (de proceso o lavado). Debido a la diferencia en solubilidad, se disuelve dióxido de carbono en agua y, por lo tanto, se separa del biogás mejorado (enriquecido en metano) que puede extraerse de la parte superior de la columna de absorción. También otros componentes del biogás, incluyendo sulfuro de hidrógeno y trazas de metano se absorben en el agua. El agua se regenera mediante una primera reducción de presión en una columna de vaporización instantánea a partir de la cual una parte de dióxido de carbono y metano disuelto en el agua vuelve al flujo entrante de biogás. A continuación, el agua que todavía contiene CO2 y cantidades de traza de CH4 y H2S, se conduce a una columna de desorción donde principalmente se descarga dióxido de carbono del agua con, por ejemplo, separación con aire (del inglés,air stripping).Además, los gases de escape también contienen metano y sulfuro de hidrógeno. Tal sistema para mejorar una mezcla de biogás que contiene metano que comprende una columna de absorción, se ha descrito una columna de vaporización instantánea y una columna de desorción, por ejemplo, en el documento DE20300663. El sistema del documento DE20300663 no comprende un sistema de tratamiento de agua por irradiación UV que esté integrado entre la columna de vaporización instantánea y la columna de desorción.
Dado que el metano es un gas de efecto invernadero fuerte, que tiene un potencial de calentamiento global aproximadamente 30 veces mayor que el dióxido de carbono, debe minimizarse la liberación de metano a la atmósfera. También para cumplir con las regulaciones de emisiones, la cantidad del compuesto nocivo de sulfuro de hidrógeno que se libera del depurador de agua debe mantenerse lo más baja posible.
Por consiguiente, existe la necesidad de depuradores de agua mejorados en los que la cantidad de metano y/o sulfuro de hidrógeno que sale del depurador de agua con el gas de escape se mantenga al mínimo.
Sumario
La presente invención se refiere a un sistema para la mejora de biogás por medio de depuración de agua que está integrado con un sistema para el tratamiento de agua por irradiación ultravioleta combinado con fotocatálisis, tal como fotocatálisis mediada por dióxido de titanio. En particular, un sistema de tratamiento de agua por irradiación UV está integrado en el depurador de agua entre la columna de vaporización instantánea y la columna de desorción, comprendiendo dicho sistema de tratamiento de agua por irradiación UV un alojamiento que encierra una o más lámparas UV que están rodeadas por un tubo protector. Los presentes inventores han descubierto que la oxidación de metano y/o sulfuro de hidrógeno puede mejorarse sustancialmente al cubrir el lado exterior del/de los tubo(s) que rodea(n) la(s) lámpara(s) UV con un cuerpo de red sobre el que se une el fotocatalizador tal como dióxido de titanio.
La presente invención se captura en particular mediante uno cualquiera o cualquier combinación de uno o más de los aspectos y realizaciones (i) a (x) enumerados a continuación en los que:
(i) Un sistema (100) para mejorar una mezcla de gases que contiene metano que comprende:
una columna de absorción (110) para absorber CO2 y H2S y una pequeña cantidad de CH4 de la mezcla de gases (1, 2) en agua;
una columna de vaporización instantánea (120) para liberar al menos una porción de los gases (4) absorbidos en la columna de absorción del agua (10), y
una columna de desorción (130) para retirar gases disueltos (6) del agua (12) mediante separación (con aire), en el que al menos una porción del agua desorbida (13) se devuelve a la columna de absorción (110), caracterizado porque un sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) está integrado entre la columna de vaporización instantánea (120) y la columna de desorción (130), comprendiendo dicho sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) un alojamiento que encierra una o más lámparas ultravioletas que están rodeadas por un tubo protector, en el que el lado exterior de dicho(s) tubo(s) protector(es) que rodea(n) la una o más lámparas ultravioletas está cubierto con un cuerpo de red y un fotocatalizador unido a dicho cuerpo de red y teniendo dicho alojamiento una entrada de agua y una salida de agua,
en el que dicha columna de absorción (110), dicha columna de vaporización instantánea (120), dicho sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) y dicha columna de desorción (130) están en conexión de fluido.
(ii) El sistema según (i), en el que el cuerpo de red es una red metálica.
(iii) El sistema según (i) o (ii), en el que el fotocatalizador es dióxido de titanio, preferiblemente dióxido de titanio en forma de anatasa.
(iv) El sistema según uno cualquiera de (i) a (iii), en el que la una o más lámparas ultravioletas están dispuestas sustancialmente paralelas al flujo de agua en el alojamiento.
(v) Un proceso para mejorar una mezcla de gases que contiene metano (1) que comprende:
(a) poner en contacto la mezcla de gases (1, 2) en una columna de absorción (110) con agua (13) para efectuar la absorción de CO2 y H2S y una pequeña cantidad de CH4,
(b) hacer pasar el agua (10) que contiene los gases absorbidos a una columna de vaporización instantánea (120) mantenida a una presión sustancialmente más baja que en la columna de absorción (110) para efectuar la liberación de al menos una porción de los gases absorbidos (4),
(c) extraer de dicha columna de vaporización instantánea (120) gases (4) liberados en la misma y devolver dichos gases (4) a la columna de absorción (110),
(d) extraer agua (11) que contiene CO2, H2S y CH4 de dicha columna de vaporización instantánea (120),
(e) introducir dicha agua (11) que contiene CO2, H2S y CH4 en un sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) para efectuar degradación oxidativa de CH4 y/o H2S, en donde dicho sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) comprende un alojamiento que encierra una o más lámparas ultravioletas que están rodeadas por un tubo protector, en el que el lado exterior de dicho(s) tubo(s) protector(es) que rodea(n) la una o más lámparas ultravioletas está cubierto con un cuerpo de red y un fotocatalizador unido a dicho cuerpo de red y teniendo dicho alojamiento una entrada de agua y una salida de agua,
(f) extraer el agua (12) del sistema de irradiación UV (140),
(g) introducir el agua (12) extraída del sistema de irradiación UV (140) en una columna de desorción (130) para efectuar la retirada de sustancialmente todos los gases disueltos (6) mediante separación, y
(h) devolver al menos una porción del agua desorbida (13) a la columna de absorción (110),
en el que se usa un sistema (100) según uno cualquiera de (i) a (iv).
(vi) El proceso según (v), en el que dicha degradación oxidativa de CH4 y/o H2S es por oxidación fotoquímica (vii) El proceso según (v) o (vi), en el que dicha degradación oxidativa de CH4 y/o H2S es por oxidación fotoquímica y oxidación fotocatalítica.
(viii) El proceso según (vii), en el que dicha oxidación fotocatalítica de CH4 y/o H2S está mediada por dióxido de titanio. (ix) El proceso según uno cualquiera de (v) a (viii), en el que dicha separación es separación con aire (5).
(x) . El proceso según uno cualquiera de (v) a (ix), en el que dicha mezcla de gases (1) es biogás.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra una lámpara ultravioleta rodeada por un tubo de vidrio de cuarzo protector, en el que el lado exterior del tubo de vidrio de cuarzo está cubierto con una red metálica sobre la que se une dióxido de titanio en forma de anatasa.
La figura 2 muestra un esquema de un sistema (100) y método según una realización de la invención.
Descripción detallada
Antes de describir los presentes procesos y sistemas según la invención, debe entenderse que la invención no se limita a los procesos y sistemas particulares descritos, ya que tales procesos y sistemas pueden variar de manera natural. También debe quedar claro que la terminología utilizada en el presente documento no pretende ser limitante, ya que el alcance de la presente invención solo puede estar limitado por las reivindicaciones relevantes.
La referencia a lo largo de esta memoria descriptiva a “una realización” o “realización” significa que un elemento, estructura o característica particular descritos en relación con la realización se incluye en al menos una realización de la presente invención. Por lo tanto, las apariciones de las expresiones “en una realización” o “en la realización” en varios lugares a lo largo de esta memoria descriptiva no son necesariamente todas referidas a la misma realización, pero puede ser así. Además, los elementos, estructuras o características particulares pueden combinarse de cualquier manera adecuada, como sería evidente para un experto en la técnica a partir de esta divulgación, en una o más realizaciones. Además, mientras que algunas realizaciones descritas en el presente documento incluyen algunas pero no otras características incluidas en otras realizaciones, combinaciones de características de diferentes realizaciones están destinadas a estar dentro del alcance de la invención, y formar diferentes realizaciones, como entenderían los expertos en la técnica. Por ejemplo, en las siguientes reivindicaciones y declaraciones, cualquiera de las realizaciones puede usarse en cualquier combinación.
Aunque todos los métodos y materiales que son iguales o equivalentes a los descritos en el presente documento pueden usarse en la práctica o en el sometimiento a prueba de la presente invención, se describirán ahora los métodos y materiales preferidos.
A menos que se defina de ese modo, todos los términos usados en la divulgación de la invención, incluyendo términos técnicos y científicos, tienen el significado que entiende comúnmente un experto en la técnica a la que pertenece esta invención. Por medio de guía adicional, se incluyen definiciones para los términos usados en la descripción para apreciar mejor las enseñanzas de la presente invención.
Como se usan en el presente documento, las formas singulares “un”, “una” y “el/la” incluyen referentes tanto singulares como plurales, a menos que el contexto lo indique claramente de otro modo.
Los términos “que comprende”, “comprende” y “compuesto por”, como se usan en el presente documento, son sinónimos de “que incluye”, “ incluye” o “que contiene”, “contiene”, y son inclusivos o abiertos y no excluyen miembros, elementos o etapas de método no mencionados adicionales. Los términos también abarcan “que consiste en” y “que consiste esencialmente en”, que poseen significados bien establecidos en la terminología de la patente.
La enumeración de intervalos numéricos por puntos de extremo incluye todos los números enteros y, cuando sea apropiado, fracciones incluidas dentro de ese intervalo (por ejemplo, 1 a 5 pueden incluir 1, 2, 3, 4 cuando se refiere a, por ejemplo, un número de elementos, y también puede incluir 1,5, 2, 2,75 y 3,80, cuando se hace referencia a, por ejemplo, mediciones). La enumeración de puntos de extremo también incluye los valores de punto de extremo en sí mismos (por ejemplo, desde 1,0 hasta 5,0 incluye tanto 1,0 como 5,0). Cualquier intervalo numérico mencionado en el presente documento se pretende que incluya todos los subintervalos incluidos en el mismo. Esto se aplica a intervalos numéricos independientemente de si se introducen por la expresión “desde... hasta...” o la expresión “entre... y . ” u otra expresión.
Los términos “alrededor de” o “aproximadamente” como se usan en el presente documento cuando se refieren a un valor medible tal como un parámetro, una cantidad, una duración temporal, y similares, se pretende que abarquen variaciones de y desde el valor especificado, tales como variaciones de /-10 % o menos, preferiblemente /- 5 % o menos, más preferiblemente /-1 % o menos, y aún más preferiblemente /-0,1 % o menos de y desde el valor especificado, en la medida en la que tales variaciones sean apropiadas para realizarse en la invención dada a conocer. Debe entenderse que el valor al que se refiere el modificador “alrededor de” o “aproximadamente” también se da a conocer en sí mismo específicamente, y preferiblemente.
Mientras que los términos “uno o más” o “al menos uno”, tal como uno o más miembros o al menos un miembro de un grupo de miembros, es claro por sí mismo, por medio de ejemplificación adicional, el término abarca, entre otras cosas, una referencia a uno cualquiera de dichos miembros, o a cualquiera de dos o más de dichos miembros, tales como, por ejemplo, cualquiera >3, >4, >5, >6 o >7, etc. de dichos miembros, y hasta todos de dichos miembros. En otro ejemplo, “uno o más” o “al menos uno” pueden referirse a 1,2, 3, 4, 5, 6, 7 o más.
Depurador de agua
La presente invención se refiere a un sistema (100) y a un proceso para mejorar una mezcla de gases que contiene metano por medio de depuración de agua, en el que está integrado un sistema para el tratamiento de agua por irradiación ultravioleta. Cualquier sistema de depuración de agua convencional conocido por el experto en la técnica puede usarse en la presente invención y puede usarse en condiciones de funcionamiento convencionales. Un depurador de agua normal comprende una columna de absorción, una columna de vaporización instantánea y una columna de desorción, que están en conexión de fluido entre sí.
La depuración de agua implica hacer pasar la corriente de gas a través de una columna de absorción (también denominada en el presente documento absorbente o depurador) (110). El gas sin procesar (1, 2) entra en la columna de absorción en la parte inferior, mientras que el agua (13) se alimenta en la parte superior de la misma y, por lo tanto, el proceso de absorción funciona a contracorriente. La columna de absorción puede proporcionarse con relleno aleatorio para proporcionar un área de superficie de contacto alta en una interfaz de gas/agua para obtener la máxima transferencia de masa. El depurador funciona a una presión elevada para forzar la absorción de gas en agua; el gas puede comprimirse en un compresor (150) hasta 6-8 bares. El depurador puede funcionar a temperaturas entre justo por encima de 0 °C - 20 °C, tal como entre 2 °C -10 °C. En el absorbedor, componentes del gas, principalmente CO2, pero también trazas de CH4 y H2S, se absorben en el agua hasta que se alcanza el equilibrio de saturación. El gas (3) que sale de la columna de absorción está enriquecido con metano, normalmente, el gas que sale de la columna de absorción tiene una concentración de metano desde el 70 hasta el 98 % en volumen, dependiendo de la composición y calidad de gas inicial. Sin embargo, también contiene trazas residuales de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono. Este gas descargado también está saturado con agua. Los contenidos aproximados de gas pueden ser: un 97 % - 99 % de metano, un 1 % - 2,5 % de dióxido de carbono, un 0,5 % de contaminantes insolubles (oxígeno y nitrógeno del aire disuelto en el agua de depuración o contaminación de aire de la corriente de gas sin procesar), 5 PPM de sulfuro de hidrógeno, vapor de agua.
Dado que el metano es parcialmente soluble en agua, el agua (10) de la columna de absorción (110) se transporta a una columna de vaporización instantánea (120) para reducir las pérdidas de metano. El agua se despresuriza en la columna de vaporización instantánea hasta entre 2 y 3 bares y sale al menos una parte del gas disuelto (4). El gas disuelto (4), que contiene algo de metano, pero principalmente dióxido de carbono, se libera al menos parcialmente y se transfiere de vuelta a la entrada de gas sin procesar (1).
El agua (11) que contiene el dióxido de carbono y/o el sulfuro de hidrógeno absorbidos, pero también algo de metano, que está saliendo de la columna de vaporización instantánea (120) puede regenerarse y hacerse recircular de vuelta a la columna de absorción. La regeneración puede llevarse a cabo mediante separación, en particular separación con aire (5), en una columna de desorción (130), que es similar a la columna de absorción rellena para obtener una gran eficiencia de transferencia de masa.
Sistema de tratamiento de agua por irradiación UV
Los sistemas (100) y procesos descritos en el presente documento están caracterizados porque un sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) está integrado entre la columna de vaporización instantánea (120) y la columna de desorción (130) del depurador de agua. En particular, una salida de agua de la columna de vaporización instantánea está en conexión de fluido con una entrada de agua del sistema de irradiación UV, y una salida de agua del sistema de irradiación UV está en conexión de fluido con una entrada de agua de la columna de desorción.
Un sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) como se usa en el presente documento comprende un alojamiento que encierra una o más lámparas UV que están rodeadas por un tubo, teniendo dicho alojamiento una entrada de agua para permitir que el agua entre en el alojamiento y una salida de agua para permitir que el agua salga del alojamiento.
La(s) lámpara(s) UV está(n) conectada(s) eléctricamente a una fuente de energía eléctrica. En realizaciones, la(s) lámpara(s) UV tiene(n) una potencia de 24 vatios o menos. En realizaciones particulares, la(s) lámpara(s) UV tiene(n) una potencia de aproximadamente 24 vatios. En realizaciones, la(s) lámpara(s) UV emite(n) luz UV que tiene una longitud de onda entre aproximadamente 200 nm y aproximadamente 315 nm, preferiblemente entre aproximadamente 200 nm y aproximadamente 280 nm. En realizaciones particulares, la(s) lámpara(s) UV emite(n) luz UV que tiene(n) una longitud de onda de aproximadamente 254 nm.
Las lámparas UV están rodeadas por un tubo protector; el agua que fluye más allá del tubo en el alojamiento, es decir, un paso de agua está formado delimitado por al menos una superficie interior del alojamiento y una superficie exterior del tubo que rodea la lámpara UV. El propio tubo está construido preferiblemente de un material que no absorbe UV, tales como, por ejemplo, vidrio de cuarzo, vidrio con alto contenido de sílice o vidrio de borosilicato. En realizaciones preferidas, el tubo es un tubo de vidrio de cuarzo.
El sistema de irradiación UV puede comprender una lámpara UV rodeada por un tubo. El sistema también puede comprender dos o más lámparas UV, cada una rodeada por un tubo. Dichas dos o más lámparas UV están dispuestas preferiblemente en paralelo en el alojamiento.
Preferiblemente, la(s) lámpara(s) UV está(n) dispuesta(s) paralela(s) al flujo de agua en el alojamiento para maximizar la cantidad de tiempo en el que el agua se expone a radiación UV.
El alojamiento forma un paso para dirigir agua a lo largo de una trayectoria dentro del alojamiento. El alojamiento puede tener cualquier forma, preferiblemente el alojamiento tiene una forma tubular. El alojamiento es preferiblemente hermético al agua, de modo que el agua no puede escapar del alojamiento, excepto a través de la entrada y la salida. Puede hacerse el alojamiento, o puede incluir, un material suficiente para evitar que la radiación UV se escape del alojamiento. Por ejemplo, el alojamiento puede estar hecho de acero inoxidable.
En realizaciones, la superficie interior del alojamiento está hecha de, incluye o está cubierta con un material que es reflectante a luz UV, para aumentar la exposición a UV.
Los sistemas de irradiación UV descritos en el presente documento para el tratamiento de agua son conocidos para la desinfección de agua y cualquier sistema de este tipo puede usarse para los fines de la presente invención. Ejemplos no limitantes incluyen la serie U<v>Spektron y los sistemas UV Aquada de Wedeco. Por consiguiente, en realizaciones, el sistema de tratamiento de agua por irradiación UV es un sistema de irradiación UV capaz de desinfectar agua. Los presentes inventores han descubierto que un sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) como se describe en el presente documento permite la degeneración oxidativa de metano y/o sulfuro de hidrógeno absorbido en el agua (11). El proceso de oxidación activada por UV se basa en procesos naturales. En particular, se excitan sustancias orgánicas bajo la acción de rayos ultravioleta de tal manera que, en presencia de un agente de oxidación adecuado, tiene lugar la degradación oxidativa. Sin desear limitarse por la teoría, ejemplos no limitantes de reacciones de oxidación que pueden ocurrir en el sistema de tratamiento de agua por irradiación UV incluyen:
CH4 2 O2 ^ CO2 2 H2O (oxidación total)
CH4 0,5 O2 ^ CO 2 H2 (oxidación parcial)
CO 0,5 O2 ^ CO2 (oxidación de CO)
H2 0,5 O2 ^ H2O (oxidación de hidrógeno)
CH4 H2O ^ CO 3 H2 (reformado con vapor)
CH4 CO2 ^ 2 CO 2 H2 (reformado con CO2 (seco))
CO H2O ^ CO2 H2 (desplazamiento de gas-agua)
2 H2S 3 O2 ^ 2 SO4 2 H2O
Como resultado de la degradación oxidativa de metano y/o sulfuro de hidrógeno en el sistema de irradiación UV, el agua (12) que sale del sistema de irradiación UV (140) tiene un contenido reducido de metano y/o sulfuro de hidrógeno. Por consiguiente, el agua (12) con un contenido reducido de metano y/o sulfuro de hidrógeno entra en la columna de desorción (130) del sistema depurador de agua, dando como resultado menos metano y/o sulfuro de hidrógeno que salen del sistema depurador de agua con el gas de escape (6).
Se encontró que la degradación oxidativa de metano y/o sulfuro de hidrógeno mejoraba sustancialmente al cubrir el tubo que rodea la lámpara UV con un cuerpo de red sobre el que se unía un fotocatalizador que permite: reacciones de oxidación de metano tanto fotoquímicas como fotocatalíticas.
Por consiguiente, el lado exterior del/de los tubo(s) que rodea(n) la(s) lámpara(s) UV está cubierto con un cuerpo de red sobre el que se une un fotocatalizador.
Mediante el uso de un cuerpo de red, la irradiación UV todavía puede pasar el tubo e irradiar el agua que fluye más allá del tubo, permitiendo reacciones de oxidación tanto fotoquímicas como fotocatalíticas. En realizaciones particulares, el cuerpo de red es una red metálica.
El fotocatalizador es un fotocatalizador activado por UV y puede incluir semiconductores fotoactivados tales como dióxido de titanio (TO2) (longitud de onda de fotoactivación; no más de 388 nm), óxido de tungsteno; WO2 (longitud de onda de fotoactivación; no más de 388 nm), óxido de zinc; ZnO (longitud de onda de fotoactivación; no más de 388 nm), sulfuro de zinc; ZnS (longitud de onda de fotoactivación; no más de 344 nm) y óxido de estaño; SnO2 (longitud de onda de fotoactivación; no más de 326 nm).
En realizaciones particulares, el fotocatalizador que se une al cuerpo de red es dióxido de titanio (TO2), preferiblemente dióxido de titanio en forma de anatasa. El dióxido de titanio puede unirse al cuerpo de red usando una pintura que contiene TÍO2 (por ejemplo, StoColor Photosan, Sto).
Como resultado de la degradación oxidativa de metano en el sistema de irradiación UV (140), se disuelven menos metano y/o sulfuro de hidrógeno en el agua (12) que entra en la columna de desorción (130) del sistema depurador de agua. Por consiguiente, el gas de escape o aire de separación (6) contiene menos metano y/o sulfuro de hidrógeno en comparación con los depuradores de agua convencionales.
Proceso
También se proporciona un método o proceso para mejorar biogás u otra mezcla de gases que contiene metano (1) usando el sistema descrito en el presente documento. Un gas (3) con un contenido enriquecido de metano permanece después de mejorar biogás u otra mezcla de gases que contiene metano (1) según el proceso descrito en el presente documento. Este gas mejorado sigue siendo inadecuado para su uso inmediato debido a su saturación de agua, y generalmente se somete a un proceso de deshidratación para retirar el agua. Se conocen procesos de deshidratación por el experto en la técnica y pueden incluir, sin limitación, uso de tamiz molecular o materiales porosos.
El proceso proporcionado en el presente documento incluye las etapas de:
(a) poner en contacto la mezcla de gases (1, 2) en una columna de absorción (110) con agua (13) para efectuar la absorción de CO2 y H2S y una pequeña cantidad de CH4,
(b) hacer pasar el agua (10) que contiene gases absorbidos a una columna de vaporización instantánea (120) mantenida a una presión sustancialmente más baja que en la columna de absorción para efectuar la liberación de al menos una porción de los gases absorbidos (4),
(c) extraer de dicha columna de vaporización instantánea gases (4) liberados en la misma y devolver dichos gases a la columna de absorción (110),
(d) extraer agua (11) que contiene CO2, H2S y CH4 de dicha columna de vaporización instantánea (120),
(e) introducir dicha agua (11) que contiene CO2, H2S y CH4 en un sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) para efectuar degradación oxidativa de CH4 y/o H2S, en donde dicho sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) comprende un alojamiento que encierra una o más lámparas ultravioletas que están rodeadas por un tubo protector, en el que el lado exterior de dicho(s) tubo(s) protector(es) que rodea(n) la una o más lámparas ultravioletas está cubierto con un cuerpo de red y un fotocatalizador unido a dicho cuerpo de red y teniendo dicho alojamiento una entrada de agua y una salida de agua,
(f) extraer el agua (12) del sistema de irradiación UV (140),
(g) introducir el agua (12) extraída del sistema de irradiación UV (140) en una columna de desorción (130) para efectuar la retirada de sustancialmente todos los gases disueltos (6) mediante separación (con aire), y
(h) devolver al menos una porción del agua desorbida (13) a la columna de absorción (110).
Como se describe en otra parte del presente documento, al hacer pasar agua (11) que contiene CO2, H2S y CH4 a través de un sistema de irradiación UV (140) como se describe en el presente documento, tiene lugar la oxidación activada por UV de metano y/o sulfuro de hidrógeno (es decir, oxidación fotoquímica). Como resultado, el agua (12) con un contenido reducido de metano y/o sulfuro de hidrógeno entra en la columna de desorción (130) y se liberará menos metano con el gas de escape o aire de separación (6).
La degradación oxidativa de CH4 y/o H2S es mediante una combinación de oxidación fotoquímica y oxidación fotocatalítica, dando como resultado una reducción adicional del contenido de sulfuro de metano y/o hidrógeno. En realizaciones particulares, la oxidación fotocatalítica de metano y/o sulfuro de hidrógeno está mediada por dióxido de titanio.
Como se muestra en el presente documento, la oxidación fotoquímica y fotocatalítica de metano y/o sulfuro de hidrógeno se logra cubriendo el lado exterior de un(os) tubo(s) protector(es) que rodean una lámpara UV con un cuerpo de red tal como una red metálica, y uniendo un fotocatalizador a dicho cuerpo de red. Opcionalmente, el lado interior del alojamiento puede recubrirse con un revestimiento de fotocatalizador, por ejemplo, dióxido de titanio. Tales sistemas de irradiación UV son conocidos por el experto e incluyen, por ejemplo, el sistema de proceso de oxidación avanzada de titanio (AOP) de Brightwater.
Los sistemas y procesos descritos en el presente documento son particularmente útiles para mejorar biogás. Por consiguiente, en realizaciones preferidas, la mezcla de gases que contiene metano es biogás.
Ejemplos
Ejemplo 1: Sistema depurador de agua con sistema de tratamiento de agua por irradiación UV integrado
Una realización de la invención se comenta con referencia a la figura 2. La corriente de biogás 1 en la figura 2 se fusiona con la corriente de gas 4 y se conduce a un compresor 150 para elevar la presión de la corriente de gas. La corriente de gas comprimido 2 se conduce a una columna de absorción 110 donde se encuentra con una contraflujo de agua. Componentes del gas, principalmente CO2, pero también H2S y trazas de CH4, se absorben en el agua hasta que se alcanza el equilibrio de saturación. La corriente de gas 3 que sale de la columna de absorción 110 está enriquecida con metano. La corriente de agua 10 de la columna de absorción 110 que contiene los gases absorbidos se transporta a una columna de vaporización instantánea 120. El agua se despresuriza en la columna de vaporización instantánea 120; los gases absorbidos se liberan parcialmente. Esta corriente de gas 4 de la columna de vaporización instantánea 120, que contiene principalmente CH4 y CO2, se devuelve a la corriente de biogás 1. La corriente de agua 11 que sale de la columna de vaporización instantánea 120 se introduce en un sistema de tratamiento de agua de irradiación UV 140 para efectuar degradación oxidativa de metano y sulfuro de hidrógeno que todavía está disuelto en el agua por oxidación fotoquímica opcionalmente combinada con oxidación fotocatalítica 12. La corriente de agua 12 que sale del sistema de irradiación Uv 140 se introduce en una columna de desorción 130. Los gases disueltos en la corriente 12 de agua se liberan por separación con aire 5 a través de una corriente de gas de escape 6. Esta corriente de gas de escape 6 contiene principalmente CO2, y tiene un contenido reducido de metano y H2S debido a la degradación oxidativa de metano y H2S en el sistema de irradiación UV. La corriente de agua desorbida 13 que sale de la columna de desorción 130 se devuelve a la columna de absorción 110.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Sistema (100) para mejorar una mezcla de gases que contiene metano que comprende:
    una columna de absorción (110) para absorber CO2 y H2S y una pequeña cantidad de CH4 de la mezcla de gases (1, 2) en agua;
    una columna de vaporización instantánea (120) para liberar al menos una porción de los gases (4) absorbidos en la columna de absorción del agua (10), y
    una columna de desorción (130) para retirar gases disueltos (6) del agua (12) mediante separación (con aire), en el que al menos una porción del agua desorbida (13) se devuelve a la columna de absorción (110), caracterizado porque un sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) está integrado entre la columna de vaporización instantánea (120) y la columna de desorción (130), comprendiendo dicho sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) un alojamiento que encierra una o más lámparas ultravioletas que están rodeadas por un tubo protector, en el que el lado exterior de dicho(s) tubo(s) protector(es) que rodea(n) la una o más lámparas ultravioletas está cubierto con un cuerpo de red y un fotocatalizador unido a dicho cuerpo de red y teniendo dicho alojamiento una entrada de agua y una salida de agua,
    en el que dicha columna de absorción (110), dicha columna de vaporización instantánea (120), dicho sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) y dicha columna de desorción (130) están en conexión de fluido.
  2. 2. Sistema según la reivindicación 1, en el que el cuerpo de red es una red metálica.
  3. 3. Sistema según la reivindicación 1 o 2, en el que el fotocatalizador es dióxido de titanio, preferiblemente dióxido de titanio en forma de anatasa.
  4. 4. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la una o más lámparas ultravioletas están dispuestas sustancialmente paralelas al flujo de agua en el alojamiento.
  5. 5. Proceso para mejorar una mezcla de gases que contiene metano (1) que comprende:
    (a) poner en contacto la mezcla de gases (1, 2) en una columna de absorción (110) con agua (13) para efectuar la absorción de CO2 y H2S y una pequeña cantidad de CH4,
    (b) hacer pasar el agua (10) que contiene los gases absorbidos a una columna de vaporización instantánea (120) mantenida a una presión sustancialmente más baja que en la columna de absorción (110) para efectuar la liberación de al menos una porción de los gases absorbidos (4),
    (c) extraer de dicha columna de vaporización instantánea (120) gases (4) liberados en la misma y devolver dichos gases (4) a la columna de absorción (110),
    (d) extraer agua (11) que contiene CO2, H2S y CH4 de dicha columna de vaporización instantánea (120), (e) introducir dicha agua (11) que contiene CO2, H2S y CH4 en un sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) para efectuar degradación oxidativa de CH4 y/o H2S, en donde dicho sistema de tratamiento de agua por irradiación UV (140) comprende un alojamiento que encierra una o más lámparas ultravioletas que están rodeadas por un tubo protector, en el que el lado exterior de dicho(s) tubo(s) protector(es) que rodea(n) la una o más lámparas ultravioletas está cubierto con un cuerpo de red y un fotocatalizador unido a dicho cuerpo de red y teniendo dicho alojamiento una entrada de agua y una salida de agua,
    (f) extraer el agua (12) del sistema de irradiación UV (140),
    (g) introducir el agua (12) extraída del sistema de irradiación UV (140) a una columna de desorción (130) para efectuar la retirada de sustancialmente todos los gases disueltos (6) mediante separación, y
    (h) devolver al menos una porción del agua desorbida (13) a la columna de absorción (110),
    en el que se usa un sistema (100) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.
  6. 6. Proceso según la reivindicación 4, en el que dicha degradación oxidativa de CH4 y/o H2S es por oxidación fotoquímica.
  7. 7. Proceso según la reivindicación 5 o 6, en el que dicha degradación oxidativa de CH4 y/o H2S es por oxidación fotoquímica y oxidación fotocatalítica.
  8. 8. Proceso según la reivindicación 7, en el que dicha oxidación fotocatalítica de CH4 y/o H2S está mediada por dióxido de titanio.
  9. 9. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, en el que dicha separación es separación con aire (5).
  10. 10. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, en el que dicha mezcla de gases (1) es biogás.
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