Wzbogacanie biogazu w metan w kaskadzie modułów - Eko-DOk

biogaz,
wzbogacanie biogazu
separacja membranowa
Andrzej G. CHMIELEWSKI*, Marian HARASIMOWICZ*,
Jacek PALIGE*, Agata URBANIAK**, Otton ROUBINEK*,
Katarzyna WAWRYNIUK*, Michał ZALEWSKI*
WZBOGACANIE BIOGAZU W METAN W KASKADZIE
MODUŁÓW MEMBRANOWYCH
W ramach projektu Mobilna Instalacja Membranowa (MIM) do wzbogacania biogazu w metan
Instytut Chemii i Techniki Jądrowej (ICHTJ) przystąpił do opracowania mobilnej instalacji
membranowej. Celem projektu jest zastosowanie techniki membranowej przy otrzymywaniu biopaliw
poprzez wzbogacanie biogazu pochodzącego z różnych technologii wytwarzania. W celu wzbogacenia biogazu w metan, przeprowadzono badania laboratoryjne separacji CO2 z biogazu z wykorzystaniem modułów membranowych z poliimidu. W przeprowadzonych badaniach z zastosowaniem pojedynczego moduły uzyskano wzbogacenie biogazu w CH4 na wypływie z instalacji do ok. 85% obj.,
a przy zastosowaniu kaskady modułów membranowych wzbogacenie biogazu w metan wynosiło
ok. 90% obj. W oparciu o uzyskane dane sformułowano założenia projektowe ćwierćtechnicznej mobilnej instalacji do wzbogacania biogazu w metan
1. BADANIA NA MODULE MEMBRANOWYM UBE
W wyniku przeprowadzonych badań literaturowych i wieloletniego doświadczenia
w technikach separacyjnych dokonano wyboru membranowej techniki separacyjnej
do wzbogacania biogazu w metan z zastosowaniem modułu membranowego firmy UBE.
Podstawowym elementem MIM jest separator membranowy. Rozdziela on mieszaninę
gazów z wykorzystaniem półprzepuszczalnej membrany, którą tworzą kapilary porowate
z naniesioną na ich zewnętrzną powierzchnię litą warstewkę, wykonaną z kompozytu polimerowego.
__________
*
Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, ul. Dorodna 16, 03–195 Warszawa.
Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej, 00–645 Warszawa.
**
98
A. G. CHMEILEWSKI i in.
Przepuszczalność tego kompozytu jest różna dla poszczególnych składników biogazu;
w szczególności dla dwutlenku węgla jest ona ok. 17–20 razy większa, niż dla metanu.
Moduły zastosowane w MIM należą do grupy Low Pressure – biogaz podawany jest
do modułu pod ciśnieniem 0,5–0,6 MPa. Przepływający przez wnętrze kapilar biogaz traci
więcej dwutlenku węgla niż metanu , dlatego też strumień odbierany z końca kapilar
(retentat) jest wzbogacony w metan. Stopień wzbogacenia zależy od kilku czynników,
m.in. od składu biogazu, długości kapilar, ciśnienia, proporcji między strumieniami
permeatu i retentatu. Zdolność modułu do przetwarzania określonej ilości biogazu zależy
od łącznej powierzchni czynnej wiązki kapilar [1]. W badaniach nad rozdziałem
mieszanin gazów: metanu i dwutlenku węgla, które są głównymi składnikami biogazu,
zastosowano moduł z membraną z poliimidu.
Badania przeprowadzono w zakresie ciśnień od 0,2–0,7 MPa przy objętościowym natężeniu przepływu nadawy od 30 do 120 Ndm3/h. Do opisu podziału strumienia nadawy
na strumienie perematu i retentatu zastosowano współczynnik podziału zdefiniowany jako
stosunek strumienia permeatu do strumienia nadawy (stage cut). Na rysunku 1 zamieszczono wyniki rozdziału mieszaniny gazów o składzie: 8,6% ± 0,1% CH4 oraz 91,3% ± 1%
CO2, a na rysunku 2 - o składzie: 53% ± 1 % CH4 oraz 46,3% ± 1% CO2.
Dla rozdziału mieszaniny gazów zawierającej 53 % CH4 oraz 46,3 % CO2, która
pod względem składu chemicznego w przybliżeniu może być traktowana jako odpowiednik składu biogazu, przy nastawie zaworu dławiącego ustalającego otrzymanie
stosunku permeatu do retentatu 1:1 zaobserwowano największe stężenie metanu w
retentacie, które wynosiło ok. 90 % obj. (rys. 2). Zastosowanie modułów membranowych w MIM umożliwia rozdzielenie biogazu (mieszaniny gazów) na dwa strumienie:
- retentat (biogaz wzbogacony) o stężeniu objętościowym do 90 % metanu,
resztę stanowi dwutlenek węgla,
- permeat (biogaz niskometanowy–ubogi), w którym stężenie objętościowe dwutlenku węgla wynosi ok. 90 %, a resztę stanowi metan.
Rys. 1. Rozdział mieszaniny gazów o składzie: 8,6% ± 0,1% CH4 oraz 91,3% ± 1% CO2
Wzbogacanie biogazu w metan w kaskadzie modułów membranowych
99
Rys. 2. Rozdział mieszaniny gazów o składzie: 53% ± 1 % CH4 oraz 46,3% ± 1% CO2
2. ROZDZIAŁ W KASKADZIE MODUŁÓW UBE
W literaturze przedmiotu prace nad projektowaniem kaskad do
separacji gazów zostały opisane przez R. Pathare i R. Agrawal [2].
Na podstawie symulacji różnych konfiguracji modułów przeprowadzono
eksperymenty w zbudowanej kaskadzie, która składa się z czterech modułów UBE.
Schemat instalacji kaskady, który został wykorzystany w badaniach laboratoryjnych
przedstawiono na rysunku 3.
permeat
nadawa
retentat
Rys. 3. Schemat instalacji z wykorzystaniem modułów UBE rozmieszczonych w kaskadzie
W badaniach wykorzystano mieszaninę gazów: metanu i dwutlenku węgla,
o następującym składzie: 53% ± 1 % CH4 oraz 46,3% ± 1% CO2. Zdolność rozdziału
poliimidowej membrany (modułu UBE) była badana przy użyciu jednego modułu
i kaskady składającej się z dwóch połączonych ze sobą równolegle modułów,
które szeregowo zestawiono w dwustopniowej kaskadzie. Eksperymenty przeprowadzono przy ciśnieniu nadawy 0,6 MPa, w temperaturze 293 K, a natężenie objęto-
100
A. G. CHMEILEWSKI i in.
ściowe przepływu nadawy wynosiło od 30 do 130 N dm3/h. Wyniki przeprowadzonych badań z kaskadą i z pojedynczym modułem zamieszczono w tabeli 1.
Tabela 1. Wyniki rozdziału gazów i dwutlenku węgla w kaskadzie
i pojedynczym module
Objętościowe
Kaskada –
Pojedynczy moduł –
natężenie przepływu
retentat [% obj.]
retentat [% obj.]
nadawy [N dm /h]
CH4
CO2
CH4
CO2
1
35
93
7
85
15
2
75
90
10
78
22
3
130
88
12
77
23
Lp.
3
Otrzymane wyniki wskazują iż zastosowanie kaskady modułów prowadzi
do zwiększenia stężenia metanu w retentacie . Stężenie metanu w retentacie
wyniosło 93 % obj., dla objętościowego natężenia przepływu 35 dm3/godz. Uzyskane
wyniki stanowią podstawę do przygotowania projektu mobilnej instalacji membranowej do wzbogacania biogazu w miejscu jego wytwarzania.
3. WNIOSKI
Zastosowanie membranowych technik do wzbogacania biogazu w metan wydaje
się być uzasadnione jednakże mogą być one użyte po wstępnym oczyszczeniu biogazu. MIM umożliwi przeprowadzanie badań na różnych stanowiskach wytwarzania
biogazu takich jak: składowiska odpadów komunalnych, oczyszczalnie ścieków,
fermentory (biogazownie).Otrzymane wyniki z symulacji oraz dane z badań laboratoryjnych i eksperymentów terenowych pozwolą sformułować założenia do wykonania
projektu i budowy stacji wzbogacania metanu w biogazie w instalacjach przemysłowych (biogazownie).
Praca jest realizowana w ramach przedsięwzięcia INITECH pt. ”Mobilna instalacja
membranowa do wzbogacania biogazu w metan”, umowa nr. ZBB/52/64456/IT2/10.
LITERATURA
[1]
[2]
FAVARE E., BOUNACUER R., ROIZARD D., Biogas, membranes and carbon dioxide capture,
Journal of Membrane Science, 2009, Vol. 328, 11-14.
PATHARE R., AGRAWAL R., Design of membrane cascade for separation, Journal of Membrane
Science, 2010, Vol. 364, 263-277.
Wzbogacanie biogazu w metan w kaskadzie modułów membranowych
101
BIOGAS ENRICHMENT IN METHANE WITH USING MEMBRANE CASCADE
The biogas upgrading was investigated to the enrichment of biogas in methane using a cascade
of membrane modules. In studies with single membrane modules, was obtained biogas enrichment in CH4
to about 85% vol. In study with cascade membrane modules, was obtained biogas enrichment in CH 4 to
about 90% vol. Based on the data from the study was formulated guidelines for design a quarter technical
scale membrane cascade to enrichment of biogas in methane.