Technologia uzdatniania biogazu do jakości gazu ziemnego

Marcin Jędrysiak

Koncepcja produkcji oczyszczonego biogazu.

Biogaz powstający w procesie kontrolowanej fermentacji metanowej zawiera 50 – 60 % palnego metanu, pozostałe składniki stanowią inert. W efekcie wartość opałowa biogazu jest znacznie niższa niż gazu ziemnego w sieci gazowej, czy sprężonego gazu stosowanego do napędu pojazdów silnikowych CNG.

Surowy biogaz powstający w procesie fermentacji metanowej oprócz metanu zawiera niepalny dwutlenek węgla, siarkowodór, wodę w postaci pary wodnej, oraz niewielkie ilości azotu i tlenu. Biogaz zazwyczaj jest wykorzystany do wytwarzania energii cieplnej w kotłach, lub do produkcji energii elektrycznej i cieplnej w skojarzeniu. Oczyszczanie biogazu w takich instalacjach sprowadza się do usuwania siarkowodoru i pary wodnej, odpowiedzialnych za korozję i obniżenie żywotności urządzeń energetycznych.

Z ekonomicznego punktu widzenia najkorzystniejszym sposobem wykorzystania biogazu jest spalanie w jednostkach kogeneracyjnych wytwarzających odnawialną energię elektryczną i ciepło które może być zagospodarowane na potrzeby technologiczne lub grzewcze. Ponieważ biogazownie lokalizuje się na terenach niezurbanizowanych, wykorzystanie dostępnego ciepła zwykle stanowi problem. Rozwiązaniem może być wtłaczanie wytworzonego w biogazowniach biogazu do sieci gazowej i wykorzystanie energetyczne w miejscu zapewniającym odbiór całej generowanej w jednostce kogeneracji energii. Poza aspektem wysokiej efektywności energetycznej, rozwój technologii wtłaczania biogazu do sieci może znacznie przyczynić się do poprawy bezpieczeństwa energetycznego kraju.

Od biogazu surowego do biogazu oczyszczonego

Aby wytworzony biogaz można było wtłoczyć do sieci gazowej, lub wykorzystać do napędu pojazdów należy go odpowiednio oczyścić. Technologia oczyszczania biogazu sprowadza się do usunięcia dwutlenku węgla, siarkowodoru, siloxanów i osuszenia gazu. W obróbce biogazu można wyróżnić pięć etapów:

– sprężanie biogazu,
– chłodzenie biogazu,
– absorpcja dwutlenku węgla i siarkowodoru,
– osuszanie biogazu,
– usuwanie siloxanów.
sch.ideowy.procesu.uzd.biogazu1

Biogaz przed przetłoczeniem do kolumny absorpcyjnej jest sprężany do odpowiedniego ciśnienia ca 7 bar. W wyniku sprężania temperatura gazu rośnie. Aby uzyskać optymalną temperaturę gazu przed procesem absorpcji gaz jest chłodzony.
Kolumna absorpcyjna jest wypełniona materiałem zapewniającym optymalny czas kontaktu biogazu z czynnikiem absorpcyjnym. Czynnik absorpcyjny jest przetłaczany do góry kolumny i spływa ku dołowi w przeciwprądzie do gazu przetłaczanego od dołu. Dwutlenek węgla i siarkowodór zostają absorbowane przez czynnik absorpcyjny tak że gaz opuszczający kolumnę zawiera 95 – 98 % metanu.

Uzdatniony biogaz po kolumnie absorpcyjnej podlega osuszeniu do poziomu zabezpieczającego przed wykraplaniem kondensatu. Do osuszania biogazu stosuje się osuszacz adsorpcyjny z wypełnieniem. Stosując dwa osuszacze zainstalowane równolegle wypełnienie jednego osuszacza podlega regeneracji za pomocą suchego gazu z drugiego osuszacza. Stosowanie regeneracji złoża zapewnia ciągłość pracy instalacji.

Ostatnim elementem oczyszczania biogazu jest filtr siloxanów. Siloxany to organiczne związki krzemu odpowiedzialne za formowanie się osadów. Skuteczne usunięcie siloxanów z biogazu zapewnia filtr z węglem aktywnym.

Po przejściu wymienionych wyżyj procesów uzdatniony biogaz może być wykorzystany w sieci, lub sprężony i wykorzystany jako paliwo napędowe. Zawartość metanu w uzdatnionym biogazie wynosi 98 – 99 %. Na końcową zawartość metanu wpływ ma zawartość azotu i tlenu, które nie ulegają absorpcji w kolumnie. Ponieważ jednak fermentacja metanowa przebiega w warunkach beztlenowych, zawartość tlenu i azotu jest niewielka, poniżej 1 %.

Regeneracja czynnika absorpcyjnego, odzysk ciepła

Czynnik absorpcyjny zawierający dwutlenek węgla i siarkowodór podlega regeneracji w kolumnie desorpcji. Do kolumny od dołu doprowadzone jest powietrze, które przepływa w przeciwprądzie do czynnika płynącego od góry. W warunkach obniżonego ciśnienia dwutlenek węgla i siarkowodór przechodzą do powietrza, czynnik absorpcyjny podlega regeneracji i może być ponownie użyty w kolumnie absorpcji.

W procesie uzdatniania biogazu konieczne jest zastosowanie chłodzenia. Ciepło z chłodzenia instalacji może zostać odzyskane i być wykorzystane na potrzeby własne biogazowni. Chłodzenia wymaga sprężarka gazu, sprężony biogaz przed kolumną absorpcyjną, oraz czynnik absorpcyjny. Zainstalowanie dodatkowego wymiennika ciepła zapewnia odbiór ciepła za skraplacza układu chłodzenia. Odzyskane w ten sposób ciepło o temp ca 55 C może zostać wykorzystane na pokrycie potrzeb własnych instalacji produkcji biogazu. Rozwiązanie z odzyskiem ciepła dodatkowo poprawia efektywność całej instalacji.