PL229000B1

PL229000B1 - Sposób obróbki biogazu i układ instalacji do obróbki biogazu

Info

Publication number: PL229000B1
Application number: PL401129A
Authority: PL
Inventors: Zdzisław Borowiec; Marek Rudkowski
Original assignee: Ngv Autogas Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2018-05-30
Also published as: PL401129A1

Description

RZECZPOSPOLITA

POLSKA

(12)OPIS PATENTOWY ₍i₉₎PL ₍u)229000 (13) B1 (51) IntCI.

(21) Numer zgłoszenia: 401129 B01D _{53/14 (200601)}

B01D 53/18 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 10.10.2012 (54) Sposób obróbki biogazu i układ instalacji do obróbki biogazu

	(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	NGV AUTOGAS
14.04.2014 BUP 08/14	SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Kraków, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	(72) Twórca(y) wynalazku:
30.05.2018 WUP 05/18	ZDZISŁAW BOROWIEC, Kraków, PL MAREK RUDKOWSKI, Kraków, PL

σ>

CM

Ω.

PL 229 000 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki biogazu i układ instalacji do obróbki biogazu, przeznaczony zwłaszcza do sprężenia i oczyszczenia biogazu.

Gaz uzyskany w procesie fermentacji metanowej biomasy, to tak zwany biogaz. Biomasę stanowi ogół materii zawartej w organizmach, obejmującej fitomasę (biomasę roślinną) oraz zoomasę (biomasę zwierzęcą), a w szczególności odpady z przeróbki surowców roślinnych lub zwierzęcych. Najczęściej fermentacja metanowa zachodzi w nich w temperaturze 30-40°C (fermentacja mezofilna) pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego.

Biogaz powstaje również w sposób naturalny np. na torfowiskach (głównie z celulozy), nazywamy go wtedy gazem błotnym lub gazem gnilnym, a także biogaz wytwarza się samoczynnie na składowiskach odpadów, stąd nazwa gaz wysypiskowy. Czasami biogaz określa się też jako agrogaz (biogaz rolniczy), jeżeli uzyskujemy go z surowców rolniczych.

Skład surowego biogazu waha się w szerokich granicach, w zależności od surowca i technologii fermentacji. Ogólnie biogaz składa się z 55-75% v/v metanu, 25-45% v/v ditlenku węgla, 1-5% v/v wodoru, 0-0,3% v/v azotu, 0,1-0,5% v/v tlenu oraz 0,1-3,0% v/v siarkowodoru. Gaz ten jest nasycony parą wodną a ponadto może zawierać szereg innych zanieczyszczeń takich jak: amoniak, tlenek węgla, lotne siloksany, a nawet porwane z fermentatora krople cieczy.

Wartość opałowa biogazu waha się w granicach 17-27 MJ/Nm³ i zależy głównie od zawartości metanu. Biogaz może być wykorzystany jako paliwo w kotłach lub jako paliwo do napędu silników w generatorach prądu elektrycznego, zwykle w układach kogeneracyjnych. Biogaz oczyszczony do poziomu jakości sieciowego gazu ziemnego, czyli tak zwany biometan, może być wtłaczany do sieci dystrybucyjnej gazu ziemnego lub po dodatkowym sprężeniu, wykorzystywany jako paliwo do napędu pojazdów silnikowych (instalacje CNG).

Niezależnie od sposobu wykorzystania biogazu, powinien być on poddany obróbce, mającej na celu usunięcie inertów obniżających wartość energetyczną oraz składników odpowiedzialnych za korozję i obniżenie żywotności urządzeń.

W praktyce obróbkę biogazu prowadzi się zwykle wieloetapowo a najbardziej istotny etap to usuwanie ditlenku węgla ze względu na dużą jego zawartość w surowym biogazie. Inne etapy to usuwanie siarkowodoru i siloksanów oraz osuszanie biogazu.

Usuwanie ditlenku węgla, i ewentualnie siarkowodoru, można zrealizować metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej, separacji membranowej, separacji kriogenicznej oraz metodą absorpcji za pomocą ciekłych absorbentów, tak zwanych rozpuszczalników. Znane są procesy absorpcji stosujące chemisorpcję za pomocą roztworów wodnych alkanoloamin (tak zwane mycie aminowe), oraz procesy stosujące absorpcję fizyczną za pomocą polarnych organicznych rozpuszczalników takich jak W-metylopirolidon, węglan propylenu, etery alkilowe poliglikoli, metanol, sulfolan, oraz za pomocą wody. Każdy proces oczyszczania absorpcyjnego składa się z dwu głównych etapów: w pierwszym etapie następuje kontaktowanie oczyszczanego gazu z rozpuszczalnikiem w wyniku czego absorbowany jest ditlenek węgla i ewentualnie siarkowodór, po czym oczyszczony gaz oddzielany jest od rozpuszczalnika z rozpuszczonymi ditlenkiem węgla i ewentualnie siarkowodorem, które następnie są desorbowane w drugim etapie. Zregenerowany rozpuszczalnik zawracany jest do etapu absorpcji.

Oczyszczanie za pomocą rozpuszczalników fizycznych wymaga wstępnego sprężenia biogazu i ewentualnie, dla podwyższenia efektywności procesu, niskiej temperatury absorpcji.

Znany jest sposób obróbki biogazu według opisu zgłoszenia patentowego Nr US 2006/0213370 A1 polegający na wstępnym sprężeniu biogazu do ciśnienia od 1,05 do 1,5 MPa, który następnie w przeciwprądowych kolumnach absorpcyjnych kontaktowany jest z roboczą wodą obiegową. Ditlenek węgla i siarkowodór zostają zaabsorbowane przez wodę a obrobiony biogaz, zawierający od 90 do 100% metanu, odbierany jest ze szczytu ostatniej kolumny adsorpcyjnej. Woda obiegowa z zaabsorbowanym ditlenkiem węgla i siarkowodorem po rozprężeniu kierowana jest do kolumny desorpcyjnej, gdzie za pomocą przedmuchu powietrzem, podawanym dmuchawą tłoczącą, usuwany jest z wody rozpuszczony ditlenek węgla i siarkowodór. Woda po zdesorbowaniu zawracana jest do kolumn absorpcyjnych. Wadą tego sposobu jest sprężanie nieobrobionego biogazu, co powoduje problemy eksploatacyjne sprężarki.

Z kolei znany jest z opisu wzoru użytkowego Nr DE 203 00 663 U1 układ instalacji do usuwania ditlenku węgla i siarkowodoru z biogazu, stosujący jako rozpuszczalnik eter polietylenoglikolowy, zawierający kompresor z pierścieniem cieczowym, kolumnę absorpcyjną i kolumnę desorpcyjną z przedmuchem powietrza oraz dmuchawą ssącą.

PL 229 000 B1

Desorpcja ditlenku węgla i siarkowodoru z roztworu poabsorpcyjnego za pomocą powietrza powoduje straty poprzez odparowanie również części rozpuszczalnika oraz powoduje utlenienie części siarkowodoru do siarki pierwiastkowej, która zanieczyszcza obiegowy rozpuszczalnik, zanieczyszczany dodatkowo przez zanieczyszczenia niesione z surowym biogazem. Przy rozpuszczalnikach innych niż woda powoduje konieczność oczyszczania ich znanymi metodami, jak na przykład filtracja, adsorpcja, destylacja.

Sposób obróbki biogazu według wynalazku polega na jednoczesnym sprężeniu surowego biogazu i wymywaniu wodą ditlenku węgla oraz siarkowodoru, przy czy biogaz spręża się kolejno w dmuchawie z pierścieniem wodnym do ciśnienia powyżej 200 kPa, korzystnie powyżej 400 kPa, i w pompie strumieniowej z wodą jako czynnikiem roboczym do ciśnienia powyżej 250 kPa, korzystnie powyżej 450 kPa. Wytworzoną w ten sposób mieszaninę gazu i wody rozdziela się na fazę gazową będącą obrobionym biogazem oraz wodę poabsorpcyjną, którą po rozprężeniu do ciśnienia zbliżonego do atmosferycznego rozdziela się na fazę gazową będącą mieszaniną ditlenku węgla i siarkowodoru, oraz fazę ciekłą będącą częściowo odgazowaną wodą roboczą. Częściowo odgazowaną wodę odgazowuje się pod ciśnieniem poniżej 20 kPa i następnie kieruje jako ciecz roboczą do dmuchawy z pierścieniem wodnym i do pompy strumieniowej, zaś mieszaninę desorbowanych gazów i wody roboczej rozdziela się wraz z wodą poabsorpcyjną pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego.

Układ instalacji do obróbki biogazu według wynalazku zawiera jako sprężarkę pierwszego stopnia dmuchawę z pierścieniem wodnym, przy czym do dmuchawy podłączone jest doprowadzenie wody roboczej oraz ze stroną ssawną dmuchawy połączony jest wlot surowego biogazu. Układ, jako sprężarkę drugiego stopnia, zawiera pompę strumieniową, przy czym strona tłoczna dmuchawy z pierścieniem wodnym połączona jest ze stroną ssawną pompy strumieniowej, do której to pompy podłączone jest również doprowadzenie wody roboczej. Strona tłoczna pompy strumieniowej połączona jest z separatorem ciśnieniowym, do szczytu którego podłączone jest odprowadzenie obrobionego biogazu, zaś dół separatora połączony jest poprzez zawór redukcyjny z separatorem atmosferycznym. Do szczytu separatora atmosferycznego podłączone jest odprowadzenie koncentratu ditlenku węgla, zaś dół separatora połączony jest poprzez zawór redukcyjny z separatorem próżniowym. Szczyt separatora próżniowego połączony jest ze stroną ssawną pompy próżniowej, do której to pompy podłączone jest również doprowadzenie wody roboczej, a strona tłoczna pompy próżniowej połączona jest z separatorem atmosferycznym. Dół separatora próżniowego połączony jest ze stroną ssawną pompy obiegowej wody roboczej, przy czym strona tłoczna pompy połączona jest równolegle z dmuchawą, pompą strumieniową, pompą próżniową oraz odprowadzeniem wody nadmiarowej.

Sposób według wynalazku zapewnia niskie straty metanu, oraz brak, poza strumieniem ditlenku węgla zanieczyszczonego siarkowodorem, innych odpadów. Nadmiar obiegowej wody roboczej, pochodzącej z wykroplin surowego biogazu, wraz z zawartymi zanieczyszczeniami może być za wracany do etapu fermentacji. Układ instalacji według wynalazku zapewnia wysoką niezawodność i pewność ruchową.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest na rysunku przedstawiającym schematycznie układ instalacji do obróbki biogazu.

Układ instalacji do obróbki biogazu zawiera sprężarkę pierwszego i drugiego stopnia oraz separatory fazowe. Układ, jako sprężarkę pierwszego stopnia, zawiera dmuchawę z pierścieniem wodnym 2 a jako sprężarkę drugiego stopnia zawiera pompę strumieniową 4, przy czym wlot surowego biogazu 1 połączony jest ze stroną ssawną dmuchawy 2, do której podłączone jest również doprowadzenie wody roboczej 18, zaś strona tłoczna dmuchawy 2 połączona jest ze stroną ssawną pompy strumieniowej 4, do której to pompy podłączone jest również doprowadzenie wody roboczej 5, a strona tłoczna pompy strumieniowej połączona jest z separatorem ciśnieniowym 6, do którego szczytu podłączone jest odprowadzenie obrobionego biogazu 7, zaś dół separatora połączony jest poprzez zawór redukcyjny 8 z separatorem atmosferycznym 9, z którego szczytu podłączone jest odprowadzenie koncentratu ditlenku węgla 10, zaś dół separatora połączony jest poprzez zawór redukcyjny 11 z separatorem próżniowym 12, którego szczyt połączony jest ze stroną ssawną pompy próżniowej 13, do której to pompy podłączone jest również doprowadzenie wody roboczej 19, a strona tłoczna pompy próżniowej 13 połączona jest z separatorem atmosferycznym 9, zaś dół separatora próżniowego 12, ze stroną ssawną pompy obiegowej wody roboczej 16, przy czym strona tłoczna pompy 16 połączona jest z dmuchawą 2, pompą strumieniową 4, pompą próżniową 13 oraz odprowadzeniem wody nadmiarowej 20.

Istotę wynalazku ilustruje przykład wykonania.

PL 229 000 B1

P r z y k ł a d

Do dmuchawy z pierścieniem wodnym doprowadza się w temperaturze 20°C i pod ciśnieniem 98 kPa surowy biogaz w ilości 150 m³/h zawierający 37,80% mas. metanu, 59,30% mas. ditlenku węgla, 1,31% mas. siarkowodoru i 1,59% mas. wody. Do dmuchawy doprowadza się również w temperaturze 20°C obiegową wodę roboczą w ilości 0,5 m³/h. Wychodzący pod ciśnieniem 350 kPa ze strony tłocznej dmuchawy strumień gazowo-cieczowy podaje się na ssanie pompy strumieniowej, do której również doprowadza się z pompy wodę roboczą o temperaturze 20°C w ilości 20,45 m³/h. Wychodzący pod ciśnieniem 400 kPa ze strony tłocznej pompy strumieniowej strumień gazowo-cieczowy podaje się rozdzieleniu w ciśnieniowym separatorze typu cyklonowego, i wyposażonego w odemglacz, na sprężony i oczyszczony biogaz oraz na wodę poabsorpcyjną. Oczyszczony biogaz odbierany w temperaturze 21°C i pod ciśnieniem 400 kPa w ilości 35 m/h zawiera 46,08% mas. metanu, 52,40% mas. ditlenku węgla, 1,03% mas. siarkowodoru i 0,46% mas. wody. Wodę poabsorpcyjną z rozpuszczonym ditlenkiem węgla i siarkowodorem odprowadza się z dolnej części separatora ciśnieniowego i przez zawór redukcyjny, gdzie rozpręża się do ciśnienia 100 kPa, kieruje się do separatora atmosferycznego typu cyklonowego, wyposażonego w odemglacz. Do separatora atmosferycznego kieruje się również zdesorbowane gazy z separatora próżniowego wraz z cieczą roboczą z pompy próżniowej. Ze szczytu separatora atmosferycznego odbiera się w temperaturze 20°C i pod ciśnieniem 100 kPa w ilości 35 m ³/h zawierał 4,16% mas. metanu, 92,14% mas. ditlenku węgla, 2,65% mas. siarkowodoru i 1,05% mas. wody. Częściowo zdesorbowaną wodę poabsorpcyjną odprowadza się z dolnej części separatora atmosferycznego i przez zawór redukcyjny, gdzie rozpręża się do ciśnienia 30 kPa, kieruje się do separatora próżniowego typu cyklonowego, wyposażonego w odemglacz. Próżnię w separatorze wytwarza pompa próżniowa z pierścieniem wodnym, do której doprowadzana jest obiegowa woda robocza w ilości 50 dm³/h, a mieszaninę desorbowanych gazów i wody roboczej kieruje się do rozdziału w separatorze atmosferycznym. Całkowicie zdesorbowaną wodę odprowadza się z dolnej części separatora próżniowego pompą obiegowej wody roboczej i kieruje się do dmuchawy, pompy strumieniowej i do pompy próżniowej. Nadmiar wody wyprowadza się z układu w ilości 2 kg/h.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób obróbki biogazu polegający na sprężeniu i wymywaniu wodą ditlenku węgla i siarkowodoru, znamienny tym, że surowy biogaz spręża się kolejno w dmuchawie z pierścieniem wodnym do ciśnienia powyżej 200 kPa, korzystnie powyżej 400 kPa, i w pompie strumieniowej z wodą jako czynnikiem roboczym do ciśnienia powyżej 250 kPa, korzystnie powyżej 450 kPa, po czym mieszaninę gazu i wody rozdziela się na fazę gazową będącą obrobionym biogazem i fazę ciekłą, którą po rozprężeniu do ciśnienia zbliżonego do atmosferycznego rozdziela się na fazę gazową będącą mieszaniną ditlenku węgla i siarkowodoru, oraz fazę ciekłą będącą częściowo odgazowaną wodą roboczą, którą odgazowuje się pod ciśnieniem poniżej 20 kPa i następnie kieruje jako ciecz roboczą do dmuchawy z pierścieniem wodnym i do pompy strumieniowej, zaś mieszaninę desorbowanych gazów i wody roboczej gaz rozdziela się wraz z wodą poabsorpcyjną pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego.
2. Układ instalacji do obróbki biogazu zawierający sprężarkę i separatory fazowe, znamienny tym, że jako sprężarkę pierwszego stopnia zawiera dmuchawę z pierścieniem wodnym (2) a jako sprężarkę drugiego stopnia zawiera pompę strumieniową (4), przy czym wlot surowego biogazu (1) połączony jest ze stroną ssawną dmuchawy (2), do której podłączone jest również doprowadzenie wody roboczej (18), zaś strona tłoczna dmuchawy (2) połączona jest ze stroną ssawną pompy strumieniowej (4), do której to pompy podłączone jest również doprowadzenie wody roboczej (5), a strona tłoczna pompy strumieniowej połączona jest z separatorem ciśnieniowym (6), do którego szczytu podłączone jest odprowadzenie obrobionego biogazu (7), zaś dół separatora połączony jest poprzez zawór redukcyjny (8) z separatorem atmosferycznym (9), z którego szczytu podłączone jest odprowadzenie koncentratu ditlenku węgla (10), zaś dół separatora połączony jest poprzez zawór redukcyjny (11) z separatorem próżniowym (12), którego szczyt połączony jest ze stroną ssawną pompy próżniowej (13), do której to pompy podłączone jest również doprowadzenie wody roboczej (19), a strona tłoczna pompy próżniowej (13) połączona jest z separatorem atmosferycznym (9), zaś dół separatora próżniowego (12) ze stroną ssawną pompy obiegowej wody roboczej (16),

PL 229 000 Β1 przy czym strona tłoczna pompy (16) połączona jest z dmuchawą (2), pompą strumieniową (4), pompą próżniową (13) oraz odprowadzeniem wody nadmiarowej (20).