BIOT Sem Preciscavanje Bio Gasa

www.masinac.org :: MASHINAC UNDERGROUND :: portal studenata

PREČIŠĆAVANJE BIOGASA

Biogas na izlazu iz digestora nosi sa sobom vlagu i (za određenu potrebu) nepoželjni vodonik-sulfid. Drugih nečistoća biogas uglavnom ne sadrži. Prečišćavanjem biogasa vrši se odvajanje vlage i vodonik-sulfida. U prečišćavanje biogasa spada i umanjivanje sadržaja ugljen-dioksida, odnosno poboljšanje gorivih osobina biogasa. Ugljen-dioksid se izdvaja iz biogasa kada je potrebno dobiti gas veće toplotne moći.

1. Metode izadvajanja ugljen-dioksida iz biogasa

1.1. Apsorbcione metode izdvajanja ugljen-dioksida iz gasa (biogasa)

Odvajanje ugljen-dioksida iz biogasa je složen proces, za šta postoje mnogobrojna rešenja, od kojih većina nije pristupačna za primenu u praksi zbog komplikovanosti procesa. Odvajanjem ugljen-dioksida smanjuje se njegovo učešće u biogasu i u istoj meri se smanjuje količina biogasa, ali se zato povećava toplotna moć biogasa, koji tada ima u svom sastavu 80-90% metana, pa se često naziva sintetičkim zemnim gasom. Toplotna moć kod takvog obima izdvajanja ugljen-dioksida iznosi:

Hd = 28660 – 32240 kJ/m3

Asorbcione metode prečišćavanja gasova zasnivaju se na različitoj rastvorljivosti gasova u tečnosti. U zavisnosti od fizičko-hemijske osnove možemo ih podeliti na procese fizičke i procese hemijske apsorbcije ili hemosorpcije. Po načinu tehnološke organizacije apsorbcione metode delimo na: razdvojene i cirkulacione. U prvom slučaju absorbent se ne regeneriše tj. ne postoji stadijum desorbcije. U drugom slučaju apsorbent cirkuliše u ciklusu apsorbcija-desorbcija. Na slici 1.1. prikazana je tehnološka šema razdvojenih procesa.

www.masinac.org nije odgovoran za tačnost i ispravnost sadržaja.Sadržaj iz ovog dokumenta isključivo koristite na svoju odgovornost.

1


sl. 1.1. Tehnološka šema razdvojenih procesa: 1.apsorber, 2.pumpa

Kod cirkulacionog procesa rastvarač apsorbuje primese u apsorberu 1, zatim prelazi u desorber (regenerator) 3, gde sledi proces suprotan apsorbciji, posle čega apsorbent ponovo ide u apsorber. Na slici 1.2. data je tehnološka šema cirkulacionih procesa.

sl. 1.2. Tehnološka šema cirkulacionih procesa pri apsorbciji pod pritiskom:1.apsorber, 2.pumpa, 3.desorber (regenerator), 4.hladnjak,

5.izmenjivač toplote, 6.parni kotao (zagrejač) i 7.kondezator.www.masinac.org nije odgovoran za tačnost i ispravnost sadržaja.

Sadržaj iz ovog dokumenta isključivo koristite na svoju odgovornost. 2


Apsorbcija ugljen-dioksida se može vršiti vodom, mono-etanol aminima (MEA), di-etanol aminima, alkohol aminima, karbonatima.

1.1.1. Vodena apsorbcija ugljen-dioksida

Vodena apsorbcija predstavlja tipičan proces fizičke apsorbcije. Ugljen-dioksid se nalazi u rastvorima prvenstveno u slobodnom obliku. Delimično obrazovana slaba ugljena kiselina disocira po sledećoj hemijskoj formuli:

H2CO3 = H+ + HCO3- (1.1)

Konstanta ravnoteže procesa približno se opisuje empirijskom formulom:

mpx = (1.2)

gde su :mpx , Pa/molCO2 na 1 mol H2O - konstanta fazne ravnoteže,pCO2, Pa - parcijalni pritisak CO2 ,a, b - konstante, njihova zavisnost od temperature prikazana je na slici

1.3.

sl. 1.3. Zavisnost koeficijenata a i b u jednačini 1.2 od temperature


3


Međusobni odnos rastvorljivosti x i konstante fazne ravnoteže mpx je dat relacijom:

x = (1.3)

gde je : x, m3/m3 - rastvorljivost biogasa.Iz jednačina 1.2 i 1.3 sledi da je pri višim pritiscima mpx veće, rastvorljivost CO2 manja i znatno se smanjuje pri porastu temperature. Proces prečišćavanja vodom, kao i drugi procesi fizičke apsorbcije vrši se pod pritiskom. Optimalni pritisak vodene apsorbcije pri konverziji bez pritiska iznosi oko 2,94 MPa. Pri apsorbciji ugljen-dioksida, istovremeno se dešava i odstranjivanje i drugih komponenata biogasa.

1.1.2. Izdvajanje ugljen-dioksida iz gasa rastvorom mono-etanol amina (MEA)

Prečišćavanje gasova rastvorom etanol-amina predstavlja tipičan proces hemosorpcije široko rasprostranjen u industriji. Čak se i dan danas radi na njegovom stalnom usavršavanju jer se ovaj postupak dosta primenjuje za izdvajanje ugljen-dioksida iz zemnog gasa.

Uzajamno dejstvo CO2 i mono-etanol amina odvija se po sledećim reakcijama:

CO2 + 2RNH2 + H2O ↔ (RNH3)2CO3 (1.4) CO2 + (RNH3)2CO3 + H2O ↔ 2RNH3HCO3 (1.5)

gde je : R - grupa OHCH2CH2

Molekul MEA sadrži dve polarne funkcionalne grupe – hidroksilnu i amino grupu čvrsto sjedinjene u dve metil grupe. Te funkcionalne grupe određuju dva puta međudejstvo MEA i CO2 , no po pravilu mono-etanol amin stupa u reakciju karakterističnu za amino jedinjenja.

Apsorbcija se uglavnom vrši na pritisku 24,5 – 29,4 bara. Osnovne karakteristike apsorbera MEA-prečistača svode se na sledeće:

1. visoka propusna moć tečnosti i gasa, što omogućava izgradnju malo gabaritnih aparata i njihov transport od proizvođača,

2. visok stepen zasićenja hemosorbenta, što omogućava visok tehničko-ekonomski pokazatelj procesa,


4


3. visok stepen apsorbcije ugljen-dioksida iz gasa (krajnji sadržaj ugljen-dioksida ne prelazi 0,01%),

4. stabilnost rada i lako rukovanje aparatom.U apsorberima se nalaze tri sloja ispune, svaki visine 3,5 - 4,5 m :

- najniži sloj – propilenski Palovi prsteni nazivnog prečnika 37 ili 50 mm.

- dva poslednja sloja – keramička sedla tipa Intaloks nazivnog prečnika 50 mm.

Izdvajanje ugljen-dioksida na ovaj način je dosta efikasno, ali sa ekonomske tačke gledišta isplativo samo za velike protoke gasova. Pošto je protok biogasa (koji se prečišćava otpadnih voda grada od 100 000 stanovnika) mali, oko 250 m3/h, ugradnja ovih prečistača je ekonomski opravdana. Delimično izdvajanje ugljen-dioksida vrši se delimično pri prolasku biogasa kroz sloj vode u rezervoaru, i drugi prečistači za ugljen-dioksid se ne ugrađuju u postrojenje.

1.1.3. Proračun adsorbera za izdvajanje CO2 rastvorom monoetanol-amina (MEA)

Hidrodinamički proračun Kinetički proračun

1.1.3.1. Hidrodinamički proračun

- Brzina proticanja za donje preseke se računa po sledećoj formuli:

(1.6)

gde su: L/G, kg/kg - odnos maksimalnih opterećenja tečnosti i gasa g/1, - odnos gustina gasa i tečnosti e, Pa s - dinamička viskoznost tečnosti g = 9,81 m/s2 - ubrzanje zemljine teže

- poroznost ispunea0 - specifična površina ispune, dato je u tabeli 1.1.b i c - kapacitet dat u tabeli 1.2.

- Pad pritiska u koloni se računa po formuli:

(1.7)

gde su : , Pa/m - pad pritiska na 1 m visine ispune

wg, m/s - brzina strujanja gasa


5


Ree - Rejnoldsov broj za tečnost A0, m - kapacitet dat u tabeli 1.2.

- Prečnik aparata

D = , m (1.9)

gde su : G, m3/h - zapreminski protok gasa pn, Pa - pritisak pri normalnim uslovima pn = 101325 Pa T, K - temperatura gasa na izlazu wg, m/s - brzina strujanja gasa p, Pa - pritisak u sistemu Tn, K - temperatura u normalnim uslovima


6


Na osnovu jednačine (1.6) i podataka iz tabela 1.1. i 1.2. dobija se brzina proticanja za donje i gornje preseke w0.

- Radna brzina gasa

wg =

- Sadržaj gasa u natopljenom (barbotažnom) sloju računa se po sledećoj formuli:

(1.10)

gde su : a =1 - za keramičku ispunu i 1,092 za plastične Polove prstenove

wgr - brzina slobodnog izbijanja mehura u0 - koeficijent stišljivosti

- Sadržaj gasa natopljenog sloja u protočnim kolonama računa se po formuli:

m3/m3 (1.11)

gde su: w1, m/s - brzina strujanja tečnosti wg, m/s - brzina strujanja gasa c - koeficijent koji se računa po obrascu (1.12)

c = (1.12)

a cg se računa po formuli:

cg = (1.13)

Na osnovu formula 1.12 i 1.13 nalazi se koeficijent c a sadržaj gasa u protočnim kolonama nalazimo iz formule 1.11,dok bi za ceo aparat bilo:

- Količina zaustavljene tečnosti


7


v1 = (1-)-(1-) (1.14) gde su: , m3/m3 - sadržaj tečnosti u barbotažnom sloju - poroznost ispune

1.1.3.2. Kinetički proračun

Kinetički proračun se vrši po zonama, i to po tri zone:1. najniža zona2. srednja (od tačke uvođenja grubo regenerisanog rastvora, do

preseka gde je = 0,5)3. gornja zonaNapomena: Kinetički proračun se vrši za pritisak izražen u fizičkim atmosferama: 1MPa = 10,13 atm

Najniža zonaPoklapa se sa promenom = 0,5- 0,7 kmol/kmol, temperatura t = 56 – 65 CKoeficijent transporta materije očitava se sa grafika na slici 1.6.

sl. 1.6. Zavisnost koeficijenta transporta materije 1a od protoka gasa u kolonama sa visokim barbotažnim slojem

- Zona se zatim deli sa intervalom = 0,01- 0,04 i na svakom intervalu se uzima srednja brzina apsorbcije i visina natapanja. Molski udeo CO2 u gasu na izlazu iz zone se računa po sledećoj formuli:

yak = (1.15)


8


- Količina apsorbovanog CO2

j1 =

Broj jedinica prenosa nalazi se metodom grafičke integracije po formuli (1.16)

NTUg = (1.16)

gde su : y, kmolCO2/kmolgas - molski udeo CO2 u gasu y* , kmolCO2/kmolgas - ravnotežni molski udeo CO2 u gasu H, m - visina aparata wg, m/s - brzina strujanja gasa Kga, m3/m3h atm - koeficijent transporta materije

- Srednja pogonska sila

(1.17)

Srednja zona

- Količina apsorbovanog ugljen-dioksida

- Usvaja se koeficijent prenosa materije Kga


Na osnovu jednačine (1.16) i (1.18) sledi visina zone:

(1.18)gde su : j, m3/h - količina apsorbovanog CO2

A, m2 - poprečni presek aparata ysr, atm - srednja pogonska sila procesa

H =

Najviša (gornja) zonawww.masinac.org nije odgovoran za tačnost i ispravnost sadržaja.

Sadržaj iz ovog dokumenta isključivo koristite na svoju odgovornost. 9


- Količina apsorbovanog ugljen-dioksida


- Usvaja se koeficijent prenosa materije Kga

Na osnovu jednačine (1.16) i (1.18) sledi visina zone:

H =

Proračunata visina ispune u apsorberu će se dobiti sabiranjem visina najniže, srednje i najviše zone.

Proračun i ugradnju apsorbera ima smisla raditi samo za velike protoke gasa. Takođe izgradnja apsorbera zahteva i niz drugih elemenata i prateće opreme što znatno povećava cenu kompletnog postrojenja. Na slici 1.7. prikazana je tehnološka šema kompletnog postrojenja za prečišćavanje biogasa pomoću rastvora MEA.


10


sl. 1.7. Tehnološka šema kompletnog postrojenja za prečišćavanje biogasa pomoću rastvora MEA pri atmosferskom pritisku

1.apsorber, 2.odvajač kapljica, 3.bojler, 4.regenerator, 5.izmenjivač toplote, 6.kula za hlađenje, 7.hlađenje kondezata, 8.pumpa za zasićeni rastvor, 9.hlađenje vode, 10.pumpa za regenerisani rastvor, 11.pumpa

za kondenzat1.1.4. Apsorbcija rastvorima karbonata

U poslednje vreme proces apsorbcije CO2 i H2S rastvorima karbonata na normalnim uslovima se sve manje primenjuje, zbog male apsorbcione moći tih rastvora i što je još važnije male brzine hemijske reakcije:

Na2CO3 + CO2 + H2O → 2NaHCO3

Parcijalni pritisak CO2 se računa po sledećoj empirijskoj formuli:

(1.8)

gde su: Kg0 - Henrijeva konstanta za sistem CO2-H2O, t, °C - temperatura,


11


x - stepen pretvaranja u karbonate, A = 76, B = 185 - za rastvorene sode i A = 25, B = 150 - za rastvore potaša, N, gekv/1 - koncentracija karbonata.Brzina apsorbcije CO2 rastvorima soli praktično je u potpunosti određena

malom brzinom reakcije u tečnoj fazi:

CO2 + OH- = HCO3-

Koeficijent transporta materije raste pri povećanju protoka tečnosti, pH rastvora, temperature i koncentracije natrijumovih jona. Brzina apsorbcije ne zavisi od razmere prstenaste ispune i koncentracije CO2 u gasovitoj fazi.

Na slici 1.8. prikazana je jednostavna konstrukcija odvajača CO2 rastvorom karbonata. Ovaj odvajač se sastoji iz dobošaste posude u kojoj je krečno mleko, a biogas se dovodi u krečno mleko putem dovodne cevi koja je svojim levkastim krajem uronjena u krečno mleko. Dubina uronjavanja ne sme biti velika kako ne bi došlo do prevelikog pada pritiska ili čak protoka biogasa. Osnovni uslov je da nadpritisak biogasa na ulazu bude ispod p = 2 kPa. Dubina uronjavanja gasne dovodne cevi (h) treba da se kreće u granicama:

h = (0,03 – 0,05)p , mm

gde je: p, Pa - nadpritisak biogasa pre ulaska u odvajač.

sl.1.8. Principijalna šema jednostavnog odvajača CO2

Dovod krečne vode se vrši preko ventila na poklopcu posude, a ispust zasićene krečne vode kroz ventil na dnu posude. S obzirom na reakciju koja se


12


javlja između CO2 i krečnog mleka, i s obzirom na to da se nekad zaboravi da se na vreme ispusti zasićena krečna masa, dešava se da mulj bude nešto čvršći, pa je potrebno na cev za dovod krečnog mleka prvo dodati vode pa tek onda vršiti ispuštanje zasićene mase. Reakcija između krečnog mleka i CO2 je:

CO2 + Ca(OH)2 ↔ CaCO3 + H2O

Ostale konstrukcije dimenzije odvajača CO2 bitne za njegovu izradu, jesu (prema oznakama na sl. 1.8.):

- prečnik levkastog završetka dovodne gasne cevi: D0 = (2,75 – 3,5)d , mm

- prečnik doboša posude D = (6 – 10)d , mm - debljina zida posude prema obrascu (1.9)

s = (mm) (1.9)

gde su: p, bar - nadpritisak biogasa D, mm - unutrašnji prečnik posude d, N/mm2 - dozvoljeno naprezanje na istezanje metala od kojeg je posuda napravljena

C, mm - koeficijent trajanja prečistača (računa se prema planiranom veku trajanja od n godina ): C = 0,1n

C1, mm – dodatak na koroziju za čelični lim ili C1 = 1 mm.

Odvajanje CO2 iz biogasa može se obavljati i suvim postupcima. Jedan od najjednostavnijih suvih postupaka koji omogućava čak i potpuno odvajanje CO2 i dobijanje gotovo čistog metana u biogasu, jeste provođenje biogasa kroz masu koja se upotrebljava kod spasilačkih aparata, a koja ima sledeći sastav:

96% Na kreča 3% K sode 1% cementa.Ova masa ima oznaku proizvođača, HP ili HPI - masa, zavisno od

isporučioca. Masa nije regenerativna, nego se nakon zasićenja CO2 baca.

1.2. Adsorpcione metode izdvajanja CO2 iz gasa

Istorijski jedan od najvažnijih procesa u tehnici je proces adsorpcije. Počev od prirodnih apsorbenata kao što us glina, infuzorijska zemlja, drveni ugalj do sintetičkih zeolita.


13


1.2.1. Izotermska adsorpcija CO2 silikagelom Izotermska adsorpcija CO2 silikagelom pri temperaturi 123 – 163 K i pritiska biogasa od 0,1 – 14,5 MPa prikazano je na slici 1.9. gde je kapacitet izražen u cm3 CO2 (pri temperaturi 293 K i pritisku 760 mmHg) na 1g adsorbenta.

sl.1.9. Izotermska adsorpcija CO2 silikagelom pri niskim temperaturama i

visokom pritisku gasa

Oblik izoterme pokazuje da sa povećanjem pritiska gasa, kapacitet raste do neke tačke maksimuma a zatim se smanjuje i pri pritiscima višim od 12,5 MPa ostaje praktično isti. Izoterme omogućavaju da se izaberu najbolji uslovi za rad adsorbera. Optimalni uslovi za adsorpciju CO2 su u intervalu pritiska od 1 do 3 MPa. Zavisno od tipa, silikagel izdvaja oko 90% CO2 . Imajući u vidu mogućnosti adsorpcije silikagela, pri prolasku gasa kroz adsorber brzina gasa u zavisnosti od pritiska gasa data je u tabeli 1.3.

Tabela 1.3. : Brzina gasa u zavisnosti od pritiska

Pritisak u adsorberu MN/m2 18 - 20 5 - 7,5 1,5 - 3 0,5 - 0,6Brzina gasa u radnim uslovima svedena na presek aparata 1/min cm2

0,05 - 0,1 0,1 - 0,2 0,2 - 0,4 0,5 - 0,8

Po protoku gasa i njegovoj brzini u adsorberu može se odrediti poprečni presek aparata i on obično iznosi oko 1m i više. Gas koji izlazi iz adsorbera praktično ne sadrži CO2 : njegov sadržaj je u oblasti 0,1 – 0,5 cm3/cm3. Adsorpciono prečišćavanje gasa od CO2 ima prednosti u odnosu na druge metode i te prednosti su: adsorberi zauzimaju znatno manje prostora i


14


bolji su za eksploataciju a nedostatkom se smatra hlađenje adsorbenta, čime se narušava režim adsorpcije CO2 .

1.2.2. Adsorbcija CO2 zeolitima (molekularnim sitima)

Molekularna sita su kristali metal-aluminosilikata u trodimenzionalnoj strukturi tetraedra. Tetraedar se sastoji od 4 atoma kiseonika koji su okruženi sa silicijumom i aluminijumovim atomima. Svaki kiseonikov atom je dvostruko negativan i svaki silicijumov atom ima 4 puta pozitivno naelektrisanje. Zbog trovalentnosti aluminijuma, aluminijumov tetraedar ima negativno naelektrisanje i primanje katjona je neophodno za ravnotežu sistema. Ova ravnoteža može biti postignuta kalijumom, natrijumom i drugim katjonima.

Postoje različiti tipovi molekularnih sita, od kojih se najčešće u industriji koriste sita tipa A, sa svoje dve modifikacije prikazane na slici 1.11. Na slici 1.11. pod a) prikazana je modifikacija 3A, 4A, 5A i ona je predstavljena formulom:

Na12[(AlO2)12(SiO2)12]XH2O (1.10)

Pri strujanju vlažnog gasa, vlaga ispunjava šupljine, dok je kristalna struktura razorena i može se vratiti zagrevanjem. Prostor prethodno ispunjem vodom sada je na raspolaganju, kao i zapremina šupljina za adsorbciju različitih gasova i tečnosti. Na slici 1.11 po b) prikazana je struktura sita tipa 10A čija hemijska formula glasi:

Na86[(AlO2)86(SiO2)106]XH2O (1.11)

sl. 1.11. Struktura molekularnih sita: a) tip 3A, 4A, 5A b) tip 10A


15


Nakon završene adsorbcije CO2 iz biogasa vrši se njegova desorbcija iz zeolita. Na slici 1.13. prikazan je tok desorbcije. Zeolit se zagreva vrelim vazduhom (na ulazu u adsorber vazduh je zagrejan do 723 K). Na krivoj 1 je prikazana promena koncentracije CO2 u regenerišućem vazduhu, krive 2 i 3 - izmerene temperature na sredini i na izlazu iz adsorbera. Desorbcija CO2 praktično se završava pri temperaturi 433 K u sredini sloja i 353 K na izlazu iz adsorbera.

sl.1.13. : Desorbcija CO2 iz zeolita

1.koncentracija CO2 u vazduhu, 2.temperatura u sredini sloja,3.temperatura na izlazu iz adsorbera


16

BIOT Sem Preciscavanje Bio Gasa

Documents